大巴山區(qū)順層巖質(zhì)滑坡發(fā)育影響因素的貢獻(xiàn)率及易發(fā)性評價(jià)

易靖松， 張 勇， 程英建， 苗 朝

(中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所/中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心， 四川 成都 611734)

大巴山區(qū)位于中國西部，人口密集，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，為國家集中連片貧困區(qū)，歷來就是地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)地。21世紀(jì)以來就發(fā)生了多處大型、特大型的災(zāi)難性滑坡，造成了大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)氐恼谓?jīng)濟(jì)發(fā)展(表1)。本文基于大巴山區(qū)城鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目，對這些典型滑坡災(zāi)害的進(jìn)行了調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)這些滑坡幾乎都是以順層基巖滑坡類型為主，該類滑坡具有隱蔽性好、突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、難以提前識(shí)別的特點(diǎn)，因此，針對區(qū)域內(nèi)的該類滑坡，基于數(shù)量化理論Ⅱ和GIS平臺(tái)技術(shù)，采用定性分析與定量分析相結(jié)合的方法，研究該類滑坡在研究區(qū)的易發(fā)性。21世紀(jì)70年代董文泉等[1]將數(shù)量化理論引入我國，用于對內(nèi)部信息進(jìn)行合理選取，構(gòu)建用于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析、模型預(yù)測與評價(jià)。克服了指標(biāo)權(quán)重計(jì)算上的主觀性，并且可以考慮指標(biāo)相互間的制約和作用關(guān)系。隨著這么多年發(fā)展，目前，已有許多學(xué)者將數(shù)量化理論運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域內(nèi)，汪茜和李廣杰[2]應(yīng)用數(shù)量化理論I進(jìn)行泥石流災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)；周國云和陳光齊[3]利用GIS和數(shù)量化理論Ⅱ研究預(yù)測滑坡危險(xiǎn)性；王衛(wèi)紅和張文君[4]采用遙感與數(shù)量化Ⅱ研究滑坡危險(xiǎn)度劃分；李軍霞[5]等將數(shù)量化理論Ⅲ應(yīng)用到了滑坡主要影響因素的分析中，實(shí)例驗(yàn)證取得了良好的效果；程英建[6]等基于數(shù)理化理論Ⅰ建立泥石流易發(fā)性預(yù)測模型，并進(jìn)行了驗(yàn)證。在滑坡易發(fā)性預(yù)測研究方面，唐亞明[7]對滑坡易發(fā)性評價(jià)要素的選取進(jìn)行了闡明；范林峰[8]研究了加權(quán)信息量模型在滑坡易發(fā)性預(yù)測的應(yīng)用；牛瑞卿[9]研究了基于粗糙集的支持向量機(jī)模型在滑坡易發(fā)性預(yù)測中的應(yīng)用；張俊，殷坤龍[10]等對比了信息量模型和邏輯回歸模型對易發(fā)性評價(jià)的效果，結(jié)果顯示信息量模型優(yōu)于邏輯回歸模型；王森[11]基于分形理論對南江縣滑坡進(jìn)行了易發(fā)性評價(jià)。從上述研究中可以看出，眾多學(xué)者運(yùn)用了各種各樣的方法跟模型對地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行了研究，但沒有單獨(dú)針對某一類災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行過相關(guān)預(yù)測和研究。由于不同類型滑坡泥石流災(zāi)害的形成條件、影響因素、成災(zāi)模式是不同的，相比于基于統(tǒng)計(jì)模型而未考慮災(zāi)種類型區(qū)分的易發(fā)性評價(jià)而言，針對某一類滑坡的特點(diǎn)來開展易發(fā)性預(yù)測是更為準(zhǔn)確的。本文選取大量樣本調(diào)查獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于數(shù)理化理論Ⅱ，通過各種影響因子(定性和定量)與出現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行學(xué)習(xí)找到規(guī)律(線性或非線性)，根據(jù)新的影響因子組合對可能出現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測，建立預(yù)測評價(jià)模型，最后利用GIS技術(shù)得到預(yù)測評價(jià)結(jié)果。

表1 大巴山區(qū)近年來發(fā)生的部分災(zāi)難性滑坡統(tǒng)計(jì)

1 滑坡發(fā)育影響因素的選取

1.1 研究區(qū)概況

大巴山區(qū)域位于四川東部，包括巴中市、達(dá)州市以及廣元市東部等區(qū)域，地貌形態(tài)可大致分為中深切割侵蝕—構(gòu)造中山地形和淺、中切割剝蝕(侵蝕)—構(gòu)造中低山地形兩個(gè)大類，其中前者主要表現(xiàn)為塊狀山、斷塊山、褶皺山及單斜山，后者表現(xiàn)為單面山、似單面山、桌狀山等。區(qū)內(nèi)出露地層以侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)地層為主。地質(zhì)構(gòu)造上屬于川東弧形褶皺帶，主要是由印支—燕山主造山期形成，位于揚(yáng)子板塊與秦嶺造山帶過渡位置，坡度多在10°～30°之間為緩傾巖層。受地貌、巖性、地質(zhì)構(gòu)造等條件的影響，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育。在調(diào)查的312個(gè)樣本點(diǎn)中，基巖順層巖質(zhì)滑坡有28個(gè)，約占9%，其他類滑坡占91%；而其造成的財(cái)產(chǎn)人員損失約占87%，其他類滑坡僅占13%。所以對大巴山區(qū)構(gòu)成嚴(yán)重威脅的災(zāi)害類型也是該類基巖順層類滑坡。

1.2 滑坡發(fā)育的影響因素

由于區(qū)內(nèi)出露地層以砂泥巖軟硬互層的巖體結(jié)構(gòu)為主，這就為滑坡發(fā)生提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)；緩傾單斜的地貌形態(tài)為滑坡形成提供了良好的溫室環(huán)境(坡度、坡向、坡體結(jié)構(gòu)等)；河流水系及人類活動(dòng)的后期改造也加速了滑坡形成的過程；最終在持續(xù)強(qiáng)降雨的誘發(fā)下形成。因此，根據(jù)滑坡形成的過程及條件，選取滑坡發(fā)生的高程、坡度、巖體結(jié)構(gòu)、斜坡結(jié)構(gòu)、剖面曲率、距水系距離、匯流面積、土地利用、外營力作用及年平均降雨量為影響因子開展評價(jià)研究。

2 GIS支持下基于數(shù)理化理論Ⅱ的滑坡易發(fā)性預(yù)測

2.1 預(yù)測模型的基本原理

數(shù)量化理論Ⅱ是一種可以同時(shí)對定性變量和定量進(jìn)行處理的分析方法，其基本思想是以反應(yīng)矩陣為基礎(chǔ)，對各類目或各樣品賦予適當(dāng)?shù)牡梅郑鶕?jù)已知的若干個(gè)母體中的n個(gè)樣品對于m個(gè)項(xiàng)目的觀測結(jié)果尋求線性判別函數(shù)，進(jìn)而對未知母體的樣品進(jìn)行判別分類。

(1)

其中：

式中：δi(j,rj)(1≤i≤n，1≤j≤m)——第i樣品在j項(xiàng)目之rj類目上的反應(yīng)，公式(1)中后s列中u(i，k)(1≤k≤s)是k定量變量在i樣品中的取值。數(shù)量化理論Ⅲ分析中對r+s維類目反應(yīng)賦以得分，在矩陣中前q列中的每一列是一個(gè)定量自變量在各樣品中的取值，在運(yùn)算前要對數(shù)據(jù)進(jìn)行正規(guī)化；后p列是n個(gè)樣品在p個(gè)類目上的反應(yīng)度。數(shù)量化理論Ⅱ可表示為如下數(shù)學(xué)模型表達(dá)形式為:

(2)

(3)

b={a1，aq，b1,1，b1,r1，bm,rm}T

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

通過以上的系列運(yùn)算，可以得到每個(gè)類目得分，類目得分是判定樣品為什么是母體的重要依據(jù)。一般是通過已知樣品的所屬母體和變量組合的學(xué)習(xí)，在判錯(cuò)概率最小或者與某母體的距離最小的情況下對待判樣品進(jìn)行判定。通過公式(5)得到各個(gè)類目的得分C之后，類目得分越高表征該類目對滑坡形成的貢獻(xiàn)率越高。對類目得分C歸一化，使其成為0～1的數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)值比較小，將其放大50倍作為其易發(fā)性評價(jià)系數(shù)，其計(jì)算公式為：

易發(fā)性評價(jià)系數(shù)：

G=50〔(C-Cmin)/(Cmax-Cmin)〕

式中：C——某個(gè)類目的得分；Cmax，Cmin——類目的得分的最大值和最小值。

最后對各個(gè)類目的易發(fā)性評價(jià)系數(shù)合計(jì)疊加后，并用自然間斷法劃分成一定的等級得到區(qū)域滑坡的易發(fā)性分區(qū)圖。

2.2 數(shù)據(jù)來源與準(zhǔn)備

選取21個(gè)研究區(qū)基巖順層滑坡調(diào)查樣本(另外7個(gè)樣本用于評價(jià)結(jié)果驗(yàn)證)，利用GIS平臺(tái)的分析提取功能，基于數(shù)量化理論，根據(jù)選取的影響因子，通過公式(1)對定性變量的類目反應(yīng)，當(dāng)樣品為rj類目時(shí)，其該項(xiàng)反應(yīng)值為δi(j,rj)=1，當(dāng)樣品不為rj類目時(shí),該項(xiàng)反應(yīng)值δi(j,rj)=0，類目之間的反應(yīng)為樣品在j項(xiàng)目所占的比率，0≤δi(j,rj)≤1[12-13]。因此，根據(jù)上述反應(yīng)方法，得到滑坡個(gè)影響數(shù)據(jù)取值表(表2—3)。需要指出的是對匯流面積采用地形濕度指數(shù)來表征[14]，地形濕度指數(shù)(TWI)計(jì)算公式為：

TWI=ln(α/tanβ)

式中：α——上坡面積，為流經(jīng)地表單位等高線長度上的匯流面積；β——坡度。

表2 各滑坡樣本影響因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

表3 各滑坡樣本影響因素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2.3 數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

通過樣本數(shù)據(jù)，選取的基巖順層滑坡樣品21個(gè)，定性變量9個(gè)，定量變量1個(gè)，其中，高程變量分為4類，坡度變量分為4類，斜坡結(jié)構(gòu)分為4類，巖體結(jié)構(gòu)分為3類，剖面曲率分為3類，距水系距離分為4類，匯流面積分為4類，土地利用分為3類，外營力作用分為2類，共計(jì)32個(gè)類目。運(yùn)用數(shù)量化理論Ⅱ計(jì)算原理和方法，得到各類目的得分和易發(fā)性評價(jià)系數(shù)(表4)。

表4 各影響因素類目得分和易發(fā)性評價(jià)系數(shù)

2.4 各影響因素貢獻(xiàn)率分析

對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各影響因素得分的曲線圖(圖1)，由于由于滑坡發(fā)生的定量數(shù)據(jù)設(shè)定為 1，沒發(fā)生的設(shè)定為0，那么類目得分越高，對滑坡形成的貢獻(xiàn)率就越大。現(xiàn)結(jié)合對大巴山區(qū)順層巖質(zhì)滑坡形成條件的研究，將各因素的得分劃分為3類：-0.50.2為貢獻(xiàn)率高區(qū)域?？梢缘贸觯盒逼缕露?0°～20°，順向坡斜坡結(jié)構(gòu)、砂質(zhì)硬巖夾軟巖的巖體結(jié)構(gòu)、匯流面積，水流沖蝕等因素的貢獻(xiàn)率較高；高程500～1 000 m和剖面曲率、距水系距離、開挖路塹等因素貢獻(xiàn)率中等；土地利用類型等因素貢獻(xiàn)率較低。

圖1 各影響因素類目得分曲線

2.5 易發(fā)性預(yù)測評價(jià)

對研究區(qū)滑坡樣本數(shù)據(jù)采用數(shù)量化理論模型訓(xùn)練后，采用滑坡破壞的柵格個(gè)數(shù)占實(shí)際破壞的柵格個(gè)數(shù)的百分比來判定預(yù)測的準(zhǔn)確率，通過計(jì)算，在研究區(qū)的判定準(zhǔn)確率達(dá)到了84%。在得到各個(gè)因素易發(fā)性評價(jià)系數(shù)后，將類目柵格的易發(fā)性評價(jià)系數(shù)進(jìn)行疊加合并，合計(jì)得到預(yù)測值為85～265，采用自然間斷法將預(yù)測值按大小分為4類，即85～130為較低易發(fā)區(qū)，131～175為中等易發(fā)區(qū)，176～220為較高易發(fā)區(qū)，221～265為高易發(fā)區(qū)，得到研究區(qū)基巖順層類滑坡易發(fā)性預(yù)測圖(圖2)。

圖2 大巴山區(qū)基巖順層類滑坡易發(fā)性評價(jià)

3 結(jié) 論

(1) 采用數(shù)量化理論Ⅱ，選取了滑坡發(fā)生的高程、坡度、巖體結(jié)構(gòu)、斜坡結(jié)構(gòu)、剖面曲率、距水系距離、匯流面積、土地利用、外營力作用及年平均降雨量等指標(biāo)，對各指標(biāo)進(jìn)行了量化處理，建立了大巴山區(qū)基巖順層類巖質(zhì)滑坡易發(fā)性預(yù)測方法。

(2) 對大巴山區(qū)域順層巖質(zhì)類滑坡發(fā)育影響因素的貢獻(xiàn)率分析，得出斜坡坡度10°～20°，順向坡斜坡結(jié)構(gòu)、砂質(zhì)硬巖夾軟巖的巖體結(jié)構(gòu)、匯流面積，水流沖蝕等因素對滑坡形成貢獻(xiàn)率較高；高程500～1 000 m和剖面曲率、距水系距離、開挖路塹等因素對滑坡形成貢獻(xiàn)率中等；土地利用類型等因素對滑坡形成貢獻(xiàn)率低。

(3) 通過研究區(qū)易發(fā)性評價(jià)圖可以看到，位于大巴山區(qū)的南江縣南部、巴州區(qū)北部、蒼溪縣南東部、宣漢縣南西側(cè)地等區(qū)域?yàn)轫槍訋r質(zhì)滑坡的高易發(fā)區(qū)，這也與調(diào)查結(jié)果相符。

(4) 量化理論計(jì)算方法對學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)，確定各因子類目得分，然后全范圍進(jìn)行判別計(jì)算，并合計(jì)判定分類的易發(fā)性預(yù)測方法能較好地適用于大巴山區(qū)基巖順層類巖質(zhì)滑坡的易發(fā)性預(yù)測。