宣漢地區(qū)降雨型滑坡空間發(fā)育規(guī)律及敏感性分析

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(成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

1 研究背景

降雨型滑坡因其頻率高、分布廣、破壞復雜，是我國滑坡災害的主要類型之一，具有產(chǎn)生規(guī)模大、發(fā)展迅速和破壞性強等特點[1]。從已有統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，中國290個縣市區(qū)域地質(zhì)災害詳查中滑坡災害占比已達到51%，而其中降雨型滑坡占滑坡總數(shù)的90%，其地質(zhì)災害的發(fā)生進一步阻礙著當?shù)亟?jīng)濟文化的長遠發(fā)展[2-3]。因此，研究降雨型滑坡的空間分布及穩(wěn)定性已成為地質(zhì)災害研究的熱點[4]。

自20世紀70年代以來，美國、日本等發(fā)達國家初步開展對區(qū)域降雨型滑坡空間預警預報的研究，并通過人工降雨的手段研究降雨型滑坡的形成變形機理，其研究大多基于降雨強度-歷時閾值方法，很少考慮地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等環(huán)境因子的影響[5-6]。國內(nèi)對降雨型滑坡的研究發(fā)展較晚，對降雨型滑坡的研究主要側(cè)重于降雨量及降雨強度對滑坡穩(wěn)定性的影響，并通過分析降雨過程中滑坡坡體的滲流對滑坡穩(wěn)定性的影響，進而建立降雨型滑坡預警模型，同時也注重區(qū)域性降雨型滑坡中其他影響因子(滑坡坡度、高程、坡向及巖性等)對其空間發(fā)育的影響程度[7-8],且研究較深入。

實踐表明，確定影響滑坡區(qū)域分布和失穩(wěn)的內(nèi)在因素是研究區(qū)域性降雨型滑坡空間發(fā)育規(guī)律的一個重要的環(huán)節(jié)。而降雨型滑坡的產(chǎn)生是一個復雜的物理過程，各個滑坡致災因子之間本身具有時間和空間的多變性及相關(guān)性。在此情形下，采用常規(guī)的分析模型和統(tǒng)計方法可能使分析結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果出入較大。蘭恒星等[9-10]運用多元回歸分析模型和確定性系數(shù)方法，解決了各個致災因子影響降雨型滑坡發(fā)育的最佳數(shù)值區(qū)間的選取和定量化問題，并將該方法成功運用到降雨型滑坡災害多發(fā)的小江流域，取得了顯著成果；王志恒等[11]基于確定性系數(shù)分析方法對低山丘陵地區(qū)的降雨型滑坡進行敏感性分析進而獲得最佳致災因子類型及相應的數(shù)值區(qū)間。這些成果均合理地分析了當?shù)亟涤晷突碌目臻g發(fā)育規(guī)律，為宣漢地區(qū)降雨型滑坡災害的空間發(fā)育規(guī)律的研究提供定量化方法，也為運用確定性系數(shù)法分析該地區(qū)降雨型滑坡災害敏感性提供依據(jù)。

本文基于GIS技術(shù)和野外實地調(diào)查，在建立宣漢地區(qū)降雨型滑坡空間分布圖的基礎上，應用確定性系數(shù)分析法對研究區(qū)內(nèi)滑坡致災因子敏感性作對比分析，采用滑坡敏感性指數(shù)及敏感性系數(shù)比值，定量分析各個致災因子對滑坡分布及穩(wěn)定性的影響程度，為今后類似條件下的滑坡危險性評價、防災減災計劃等提供理論依托。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川盆地東北“大巴山南麓”，即四川、重慶、湖北、陜西4省交接部位，地理位置主要在107°22′E—108°32′E、31°06′N—31°49′N之間，隸屬于四川省達州市，覆蓋面積達4 281 km2(如圖1所示)。該研究區(qū)位于四川盆地川東斷褶帶的東北段，其構(gòu)造部位處于大巴山南緣弧形構(gòu)造帶與四川盆地東北部新華夏構(gòu)造帶的復合地帶，以大巴山南緣弧形構(gòu)造帶為主體構(gòu)造，構(gòu)造類型主要屬于褶皺構(gòu)造[12]。同時，川西南山區(qū)存在明顯的干濕季節(jié)差異，大部分的年降雨量為800～1 200 mm[13]。因此，對宣漢縣境內(nèi)滑坡災害的風險評估開展相當緊迫。

圖1 研究區(qū)地理空間分布Fig.1 Geographic spatial distribution of the study area

編號災害點數(shù)據(jù)子集來源災害點個數(shù)災害點密度/(個·km-2)誘發(fā)因素不同規(guī)模災害點占比/%小型中型大型1宣漢地區(qū)災害隱患點2760.065—77.1720.292.5422008年5月之前(汶川地震前)124—降雨75.0023.391.6132008年5月—2016年12月(歷經(jīng)汶川、蘆山、康定地震)116—降雨76.7218.974.3142008年5月—2014年11月(三大同震災害點)36—地震———

3 災害點信息來源與處理方法

3.1 災害點數(shù)據(jù)來源與分組

滑坡災害的分布及穩(wěn)定性分析研究是基于全面、詳細的室內(nèi)和室外數(shù)據(jù)資料[14]。本文通過GIS技術(shù)和大量野外現(xiàn)場調(diào)查方法，建立了宣漢縣地區(qū)震后降雨型災害點數(shù)據(jù)編目(主要包括災害點名稱、所在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、經(jīng)緯度、坡向、規(guī)模及誘發(fā)因素)，共計276處，統(tǒng)計數(shù)據(jù)截止2016年12月底(如表1所示)，其中90.58%為降雨誘發(fā)(2008年汶川地震前誘發(fā)的為124處，地震后至2016年12月底誘發(fā)的為116處)，地震誘發(fā)只達到5.80%(其中汶川地震、蘆山地震及康定地震誘發(fā)共36處，主要的汶川地震誘發(fā)達到27處)，僅3.62%由工程活動等因素誘發(fā)。以汶川地震為時間間隔，地震前以小型降雨型滑坡為主，汶川地震后至2016年12月底野外調(diào)查結(jié)束中型滑坡的比例由23.39%下降到18.97%，大型滑坡的比例由1.61%上升至4.31%，滑坡的活動強度和頻率出現(xiàn)明顯變動。

3.2 滑坡特征評價方法

3.2.1 滑坡確定性系數(shù)(CF)計算方法

本文采用確定性系數(shù)法進行宣漢地區(qū)降雨型滑坡災害的致災因子敏感性分析。其中，確定性系數(shù)作為一個研究方法，起先由Buchanan等[15]提出，并由Heckermann[16]進一步完善，主要用來分析影響因子的敏感性；蘭恒星等[9-10]、汪洋等[17]、馬金輝等[18]采用敏感性分析方法對我國各個區(qū)域的滑坡災害分布規(guī)律進行研究，該分析方法實際是屬于雙變量統(tǒng)計分析的領域。其計算公式為

(1)

式中：PPa表示在某一致災因子的某一個等級內(nèi)的災害點數(shù)目與相應面積的比值；PPs表示研究區(qū)域內(nèi)的災害點數(shù)目與總面積的比值；CF為滑坡確定性系數(shù)，CF的值域介于[-1,1]區(qū)間內(nèi)，如果CF值為正，表示該類等級的滑坡災害為高敏感易發(fā)區(qū)，CF值為負，則表示該類等級的滑坡災害為低敏感易發(fā)區(qū)，如果CF值接近于0值，則表示該類等級的滑坡災害的發(fā)生無法確定。

3.2.2 滑坡敏感性指數(shù)分析

鑒于確定性系數(shù)法只能反映某類致災因子的敏感性區(qū)間，無法整體上確定其對滑坡穩(wěn)定性的影響程度，王志恒等[11]通過用敏感性指數(shù)E來反映致災因子對滑坡穩(wěn)定性的影響程度。其計算公式為

Ei=CF(i,max)-CF(i,min)。

(2)

式中：Ei為敏感因子i對災害響應的影響指數(shù)；CF(i,max)和CF(i,min)分別表示敏感因子i中CF的最大值和最小值。運用該計算方法從整體上反映各類致災因子對滑坡穩(wěn)定性的影響。

表2 宣漢縣地區(qū)降雨型滑坡致災因子及其分級(分類)Table 2 Rating of disaster factors of rainfall-induced landslide in Xuanhan County area

圖2 宣漢縣地區(qū)降雨型滑坡致災因子分級(分類)Fig.2 Classification map of disaster factors of rainfall-induced landslide in Xuanhan area

3.2.3 滑坡敏感性系數(shù)比分析

對比確定性系數(shù)法在滑坡易發(fā)區(qū)間的確定和敏感性指數(shù)法對滑坡穩(wěn)定性影響程度的定量評估這2個方面，本文首次采用滑坡敏感性系數(shù)比值SCR(Landslide susceptibility coefficient ratio)來反映致災因子對滑坡分布的影響程度。

通過后續(xù)計算結(jié)果表明，敏感性系數(shù)比值SCR亦可以從整體上反映單個因子對滑坡分布的影響程度，該比值的計算方法如下：

(3)

(4)

4 結(jié)果及分析

4.1 滑坡致災因子敏感性分析

降雨型滑坡災害的穩(wěn)定性受到內(nèi)外因素的共同作用，為進一步研究該區(qū)降雨型滑坡災害的分布狀況和發(fā)育特征，將研究區(qū)滑坡致災因子分為6大類(見表2所示)考慮，并通過求解確定性系數(shù)值和對研究區(qū)降雨型滑坡的各個致災因子進行分析，進而確定各個致災因子中最有利于降雨型滑坡發(fā)育的敏感因素。

根據(jù)表2中的各個致災因子的分級(分類)方法，結(jié)合GIS技術(shù)，生成研究區(qū)降雨型滑坡災害的致災因子分級(分類)結(jié)果如圖2所示。

4.1.1 高 程

高程對滑坡的穩(wěn)定性并無直接的影響。但是地形地貌對滑坡匯水面積存在一定程度的影響且不同的高程分布具有不同的植被覆蓋面積及匯水面積，這也間接使得滑坡與高程存在相關(guān)性。通過建立研究區(qū)遙感解譯圖(如圖2(a))和降雨型滑坡空間分布之間的聯(lián)系，將研究區(qū)高程劃分成6個等級間隔，表3計算結(jié)果表明，研究區(qū)滑坡高程多分布于400～1 000 m之間，其中，400～600 m高程區(qū)域是滑坡最發(fā)育區(qū)，其CF最大值達0.286 6。

表3 高程分級及CF值的確定Table 3 CF (certainty factor) values of elevation groups

4.1.2 坡 度

滑坡災害點的形成需要斜坡體具有良好的臨空面，斜坡體的坡度在一定程度上反映了斜坡的空間分布狀態(tài)，對災害點的分析及劃分產(chǎn)生重要影響。圖2(b)為研究區(qū)坡度分級圖。從表4計算結(jié)果看出，坡度大小對滑坡分布及穩(wěn)定性具有較大的影響，研究區(qū)滑坡的坡度多發(fā)育在5°～25°范圍內(nèi)，其中坡度在5°～15°的CF值最大，說明該坡度區(qū)最易發(fā)生滑坡。

表4 坡度分級及CF值的確定Table 4 CF values of gradient groups

4.1.3 坡 向

坡向表示滑坡走向，其值范圍為[0°，360°]。歷史研究表明地震對滑坡災害的影響存在不同程度的“背坡面效應”[19]，進而影響滑坡的穩(wěn)定性。圖2(c)為研究區(qū)坡向分級圖。從表5計算結(jié)果看出，坡向?qū)碌挠绊懼饕性谖鞅?、西南、正北方向，其中西北方向的CF值最大，達到0.320 1，因此西北坡向為降雨型滑坡分布最易集中的方向。鑒于研究區(qū)構(gòu)造斷裂活動較發(fā)育，本文分析認為，坡向?qū)π麧h地區(qū)降雨型滑坡的確定性作用主要原因是斷裂帶的錯動方向。由于宣漢地區(qū)降雨型滑坡坡向主要集中在西北(NW)向與斷裂構(gòu)造帶方向垂直，因此，宣漢地區(qū)降雨型滑坡存在一定程度的“斷層錯動方向效應[20]”，且滑坡坡向分布與斷裂帶的錯動方向有關(guān)。

表5 坡向分級及CF值的確定Table 5 CF values of aspect groups

4.1.4 巖土類型

研究區(qū)的巖土體是滑坡體形成的主要物質(zhì)基礎，影響著滑坡的分布及其穩(wěn)定狀態(tài)。本文研究區(qū)巖土類型資料來源于1∶50 000的地質(zhì)區(qū)域圖概化，研究區(qū)內(nèi)巖土類型復雜，故將其巖土類型主要分為砂巖、碳酸鹽巖、砂泥巖互層、泥頁巖和松散堆積物，巖土類型分組見圖2(d)。各個巖土類型分組的CF值計算見表6。由表6知，滑坡災害易發(fā)性與地層有一定程度的對應關(guān)系，且不同巖土體類型所對應的確定性系數(shù)差異較大。砂泥巖互層的CF值為正，表明該巖土類型分布區(qū)域的滑坡災害易發(fā)性較高；而松散堆積物的CF值接近-1，表明該分布區(qū)域幾乎沒有發(fā)生滑坡。

表6 巖土類型分組及CF值的確定Table 6 CF values of lithology groups

4.1.5 距水系距離

研究區(qū)內(nèi)的水系是影響災害點發(fā)生的一個重要因素之一。據(jù)遙感解譯和現(xiàn)場調(diào)查資料,研究區(qū)內(nèi)河流屬嘉陵江水系，前河、中河、后河貫穿全縣于城東匯于州河，在研究區(qū)內(nèi)流域面積占整個面積的88%。本文全縣水系分布圖(見圖2(e))概化源自1∶50 000地質(zhì)區(qū)域圖。如表7所示，CF值在2 km范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動狀態(tài)，其中距水系距離800 m內(nèi)CF值為正，表明河流距離為800 m，尤其是400 m內(nèi)距離的水系緩沖區(qū)是降雨型滑坡災害的易發(fā)區(qū)；緩沖區(qū)800 m外，CF值有正有負，此距離外河流對降雨型滑坡災害的控制作用較弱，且距離河流2 km外其他災害因素對降雨型滑坡災害的影響較明顯。

表7 水系緩沖區(qū)分級及CF值的確定Table 7 CF values of drainage buffer groups

4.1.6 距公路距離

在各類滑坡災害的誘發(fā)因素中，人類工程活動對地質(zhì)災害的影響越來越重要。坡腳過度開挖等形成有效的臨空面，造成滑坡失穩(wěn)，已經(jīng)成為誘發(fā)地質(zhì)災害發(fā)生的重要因素之一。距公路距離分級見圖2(f)。通過運用確定性系數(shù)法計算研究區(qū)地質(zhì)災害的敏感性程度，如表8所示，其結(jié)果表明研究區(qū)滑坡災害點的易發(fā)性程度與距公路距離呈現(xiàn)一定的規(guī)律。在距離公路800 m范圍內(nèi)，CF值為正，表明發(fā)生降雨型滑坡災害的概率高，尤其在400 m范圍內(nèi)，CF最大值達到0.211 5，此范圍內(nèi)是降雨型滑坡災害最易發(fā)生區(qū)域；距離公路800 m以外的區(qū)域，確定性系數(shù)CF值為負值，該區(qū)域的降雨型滑坡災害的易發(fā)性顯著降低。

表8 公路緩沖區(qū)分級及CF值的確定Table 8 CF values of road buffer groups

4.2 比較各致災因子對滑坡分布及穩(wěn)定性的影響程度

結(jié)合上節(jié)各致災因子敏感性系數(shù)CF值的計算結(jié)果分析可知，不同類型致災因子對降雨型滑坡災害的分布及穩(wěn)定性影響是不同的,且同一類致災因子的不同類別對其影響亦不同。

對于某一類致災因子來說，其確定性系數(shù)比值SCR和滑坡災害的敏感性影響程度指數(shù)E，可以從整體上近似地反映該類型致災因子對滑坡災害分布及穩(wěn)定性的影響程度(如表9和表10所示)。

基于敏感性系數(shù)比值SCR和敏感性影響程度指數(shù)E繪制曲線如圖3所示，其結(jié)果表明，坡度對滑坡穩(wěn)定性的控制作用相對較強，而對滑坡分布的控制作用卻弱于公路的影響。換言之，宣漢地區(qū)降雨型滑坡主要分布于公路兩旁800 m范圍內(nèi)，其滑坡坡度在5°～25°范圍內(nèi)穩(wěn)定性最差。

表9 致災因子對滑坡分布影響程度Table 9 Influence degree of disaster-causing factors onlandslide distribution

表10 致災因子對滑坡穩(wěn)定性影響程度Table 10 Influence degree of disaster-causing factorson landslide stability

圖3 各類致災因子對降雨型滑坡分布及穩(wěn)定性 的影響程度Fig.3 Influence degree of disaster-causing factors on distribution and stability of rainfall-induced landslide

同時依托GIS技術(shù)，將各致災因子分級圖層分別賦予相應各級的確定性系數(shù)CF值，得出一系列的柵格圖層，并在GIS中與上述分析方法得出的計算值進行歸一化處理的權(quán)重進行相應疊加，運用GIS自身的自然間斷點法進行分級，得到常見的4個不同易發(fā)性等級如圖4所示。

圖4 宣漢地區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃Fig.4 Zoning of geo-hazard susceptibility in Xuanhan County

分析圖4可知，地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)呈線性狀態(tài)且集中分布在人類工程擾動較頻繁的道路兩旁，表明道路對滑坡易發(fā)性產(chǎn)生重要影響，這與分析方法計算的結(jié)果及現(xiàn)場調(diào)查情況較吻合，表明運用本文的分析方法對研究宣漢地區(qū)降雨型滑坡災害空間發(fā)育規(guī)律具有合理性、可行性。

5 結(jié) 論

基于GIS強大的空間分析技術(shù)和大量現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，應用確定性系數(shù)法分析降雨型滑坡的6大類致災因子的敏感性，總結(jié)如下。

(1)高程：研究區(qū)滑坡高程多分布于400～1 000 m之間，且400～600 m區(qū)域的CF值達到0.288 6，成為該地區(qū)降雨型滑坡災害最易發(fā)育的高程區(qū)間。

(2)坡度：總體來看，降雨型滑坡災害的坡度多發(fā)育在5°～25°之間，其CF值均超過0.4，特別坡度在5°～15°的區(qū)域CF值達到0.748 5，成為研究區(qū)滑坡災害最易發(fā)的坡度。

(3)坡向：坡向?qū)碌挠绊懼饕性谖鞅?、西南、正北方向，其中西北方向的CF值最大，達到0.320 1，因此西北坡向為研究區(qū)降雨型滑坡災害發(fā)育有利的方向。

(4)巖土類型：對比發(fā)現(xiàn)，砂泥巖互層分布的區(qū)域是滑坡災害高易發(fā)區(qū)，而在松散堆積物分布區(qū)域CF值為-1，表明該分布區(qū)域滑坡災害發(fā)生的可能性幾乎為0，這與區(qū)內(nèi)降雨型滑坡主要以中、小型規(guī)模有關(guān)。

(5)水系：距水系400 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)成為該研究區(qū)降雨型滑坡災害的高易發(fā)區(qū)。

(6)公路：距公路800 m的范圍內(nèi)是該研究區(qū)滑坡災害的高易發(fā)區(qū)。

計算各致災因子敏感性系數(shù)值，應用敏感性系數(shù)比值SCR和敏感性指數(shù)E，從整體上分析各個致災因子對降雨型滑坡分布及穩(wěn)定性影響程度的相對大小。結(jié)果表明，坡度(E=1.75,SCR=0.814 4)對降雨型滑坡穩(wěn)定性起到重要的控制作用，但其對滑坡分布的影響程度要弱于公路(E=0.53,SCR=0.909 2)因素。因此，對于該研究區(qū)滑坡災害，不同類致災因子對其影響程度不同；同一類致災因子對其不同方面的影響程度也不同。

參考文獻：

[1] 李鐵峰，溫銘生，叢威青，等．降雨型滑坡危險性區(qū)劃方法[J]．地學前緣，2007，14(6)：107-111.

[2] 張 明，胡瑞林，譚儒蛟，等．降雨型滑坡研究的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]．工程勘察，2009,(3)：11-17.

[3] 胡瑞林，范林峰，王珊珊，等．滑坡風險評價的理論與方法研究[J]．工程地質(zhì)學報，2013，21(1)：76-84.

[4] 陳曉利，冉洪流，祁生文．1976年龍陵地震誘發(fā)滑坡的影響因子敏感性分析[J]．北京大學學報(自然科學版)，2009，45(1)：104-110.

[5] CHEN Yue-li, CHEN De-hui, LI Ze-chun,etal. Preliminary Studies on the Dynamic Prediction Method of Rainfall-triggered Landslide[J]. Journal of Mountain Science, 2016, 13(10): 1735-1745.

[6] 王志旺，李瑞有，王湘桂．區(qū)域滑坡空間預測方法研究綜述[J]．長江科學院院報，2012，29(5)：78-85.

[7] 王志旺，李瑞有．3S技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應用[J]．長江科學院院報，2005，22(5)：33-36.

[8] 周 健，史秀志，鄭 緯，等．典型滑坡危險度預測的距離判別分析模型[J]．長江科學院院報，2010，27(7)：17-21.

[9] 蘭恒星，伍法權(quán)，王思敬．基于GIS的滑坡CF多元回歸模型及其應用[J]．山地學報，2002，20(6)：732-737.

[10] 蘭恒星，伍法權(quán)，周成虎，等．基于GIS的云南小江流域滑坡因子敏感性分析[J]．巖石力學與工程學報，2002，21(10)：1500-1506.

[11] 王志恒，胡卓瑋，趙文吉，等．基于確定性系數(shù)概率模型的降雨型滑坡孕災環(huán)境因子敏感性分析——以四川省低山丘陵區(qū)為例[J]．災害學，2014，29(2)：109-115.

[12] 唐大卿，陳新軍，張先平．川東北宣漢-達縣地區(qū)斷裂系統(tǒng)及構(gòu)造演化[J]．石油試驗地質(zhì)，2008，30(1)：58-63.

[13] 楊媛媛，黃宏偉．四川省滑坡災害記錄分析[J]．巖石力學與工程學報，2005，24(1)：5366-5370.

[14] 王衛(wèi)東，陳燕平，鐘 晟．應用CF和Logistic回歸模型編制滑坡危險性區(qū)劃圖[J]．中南大學學報(自然科學版)，2009，40(4)：1127-1132.

[15] BUCHANAN B G, SHORTLIFFE E H. A Model of Inexact Reasoning in Medicine[J]. Mathematical Bioscience, 1975, 23(3): 351-379.

[16] HECKERMANN D.Probabilistic Interpretation for Mycin’s Certainty Factors[J]. Machine Intelligence and Pattern Recognition, 1986, 4: 167-196.

[17] 汪 洋，殷坤龍，安關(guān)峰．滑坡敏感因子的灰色關(guān)聯(lián)分析[J]．巖土力學，2004，25(1)：91-93.

[18] 馬金輝，年雁云，蔡迪花．蘭州地區(qū)滑坡風險因素及其與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系[J]．自然災害學報，2006，15(3)：14-17.

[19] 許 強，李為樂．汶川地震誘發(fā)滑坡方向效應研究[J]．四川大學學報(工程科學版)，2010，42(1)：7-14.

[20] 許 強，李為樂．汶川地震誘發(fā)大型滑坡分布規(guī)律研究[J]．工程地質(zhì)學報，2010，18(6)：818-826.