基于分形分維法評價的崩塌地質災害發(fā)育及空間分布規(guī)律研究

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(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710054 )

陜西省是我國地質災害多發(fā)省份，全省共有34個地質災害易發(fā)區(qū)，占全省國土地面積90%。據省國土資源廳公布的2015年度、2016年度的《陜西省國土資源公報》顯示，2015年-2016年，陜西省共發(fā)生地質災害261起，其中滑坡達103起，崩塌災害115起，泥石流災害29起，還造成8起地面塌陷和6起地裂縫的發(fā)生。造成人員死亡20人，受傷52人，直接經濟損失約2 623.5萬元[1-3]。

西安市臨潼區(qū)地處渭河地塹，區(qū)內構造斷裂十分發(fā)育，處于我國著名的地震活動帶之一的渭河斷陷盆地；臨潼區(qū)旅游業(yè)發(fā)展興旺，人類活動強度地域差異大，自1958年至今，該區(qū)地質災害共造成21人死亡，直接經濟損失4 973.2萬元，是陜西省西安市地質災害多發(fā)區(qū)之一。據2016年臨潼區(qū)最新資料可知，目前全區(qū)共有地質災害92處，崩塌滑坡即占到了災害總數(shù)的98%，其中崩塌災害50處，滑坡災害40處，地面塌陷2處，威脅616戶、2 409人、2174間房屋，預測直接潛在經濟損失10 508萬元，涉及11個街辦、55個行政村，部分地質災害威脅華清池、驪山景區(qū)設施及游客生命財產安全，嚴重阻礙著臨潼區(qū)經濟及旅游的發(fā)展[4]。本文以西安市臨潼區(qū)為研究對象，在區(qū)域地質環(huán)境和地質災害調查的基礎上，對研究區(qū)崩塌災害的分布規(guī)律、發(fā)育特征進行研究。依據分形分維理論，釆用網格法，從不同的研究角度，分析和計算研究區(qū)崩塌地質災害空間分布的分形特征，求得本區(qū)崩塌地質災害的空間分布分維值為0.935 7，反應出該區(qū)崩塌地質災害空間分布特性的復雜性。

1 研究區(qū)概況

臨潼區(qū)地處陜西關中平原中部，位于西安市東北部，與西安市區(qū)直線相距16 km。東鄰渭南市，西向與咸陽市、三原區(qū)及西安市灞橋區(qū)、高陵區(qū)相接，南鄰藍田區(qū)，北部與閻良區(qū)相接，總面積達915.16 km2[5]。臨潼區(qū)現(xiàn)轄23個街道辦事處，擁有6處國家級重點文物保護單位。

臨潼區(qū)由驪山斷塊淺山丘陵及渭河干支流沖積平原構成。該區(qū)地貌類型由北向南依次分為渭河沖洪積平原區(qū)、驪山北麓黃土臺塬區(qū)、黃土低山丘陵區(qū)以及南部基巖山地區(qū)。

西安市臨潼區(qū)多年平均氣溫13.7℃，屬東亞暖溫帶半濕潤氣候。該區(qū)年均降雨量達603.4 mm，主要集中于5月-10月。區(qū)境內的降水由北向南逐漸增加，南部黃土丘陵及基巖山區(qū)年均降水量高達662 mm，北部平原區(qū)年均降水量僅為550 mm。

研究區(qū)出露的地層巖性由老到新依次為：太華群(Arth)塊狀堅硬花崗巖類，及塊狀片麻巖群，新近系中新統(tǒng)(N1)泥巖，第三系(Q3)層狀碎屑巖類，第四系(Q2+3eol)中上更新統(tǒng)黃土層，第四系全新統(tǒng)黃土層(Q4al+pl)。該區(qū)內的巖土體類型主要有片巖、花崗巖類、片麻巖、角閃巖等變質巖類，松散粘性碎石土類，黃土類土，區(qū)內第四紀地層大面積出露。

表1 崩塌類型劃分及主要類型一覽表

2 崩塌發(fā)育現(xiàn)狀及特征分析

2.1 崩塌發(fā)育現(xiàn)狀

區(qū)內崩塌災害主要分布于人類工程活動頻繁的黃土溝谷邊坡地帶，研究區(qū)內共有50處崩塌災害，據調查統(tǒng)計結果可知(見表1)，黃土崩塌為區(qū)內唯一的崩塌災害類型。若按照崩塌體的規(guī)模大小，本區(qū)崩塌又可劃分為特大型崩塌、中型崩塌及小型崩塌，且小型崩塌所占比重較大，共計48處，占區(qū)內崩塌災害總數(shù)的96%，其它規(guī)模的崩塌，如特大型崩塌及中型崩塌都分別只有1處，各占崩塌災害總數(shù)的2%；若按照形成機理的不同，本區(qū)崩塌類型可劃分為傾倒式、鼓脹式、滑移錯斷式及拉裂式。據統(tǒng)計，本區(qū)內的主要崩塌類型為傾倒式黃土崩塌，其他崩塌類型相對較少。

2.2 崩塌災害發(fā)育特征

研究區(qū)內特殊的自然環(huán)境和巖土條件，決定了區(qū)內崩塌災害的發(fā)育主要有以下幾個特點：數(shù)量多、較集中、變形模式多樣，其規(guī)模大多為小型。崩塌大多發(fā)生在年際間的豐水季以及豐水年份，具有周期性。崩塌規(guī)模一般較小、且危害性較大、變形形式多樣。誘發(fā)影響因素清晰，預測性強。其中具有如下具體特征：

1)崩塌數(shù)量多，規(guī)模以小型為主。區(qū)內50處崩塌災害，多為黃土崩塌，多發(fā)生于村民房后、道路及村級公路邊坡，體積在10 000 m3以下。

2)崩塌危害大且發(fā)生迅速 。本區(qū)崩塌災害雖以小型規(guī)模為主，但是由于其發(fā)生具有瞬時性且發(fā)生速度極快，一旦發(fā)生就幾乎沒有時間撤離避讓，因此危害巨大。

3) 崩塌發(fā)生坡度較陡且破壞變形形式多樣。據區(qū)內50處崩塌災害點資料及數(shù)據可得，本區(qū)發(fā)生的崩塌其坡型普遍為直線型、凸型和階梯型，其坡高約在5～50 m范圍內，坡度大多在60°～90°之間。坡頂?shù)母叱碳s為600～1 300 m(見表2、表3)。本區(qū)以黃土崩塌為主，其變形模式包含滑移式和傾倒式2種，主要變形模式為傾倒式。

表2 崩塌原始坡度分布統(tǒng)計表

表3 崩塌陡崖高度分布統(tǒng)計表

3 崩塌地質災害空間分布規(guī)律

研究區(qū)內崩塌地質災害的分布受地質環(huán)境條件及人為因素的嚴格制約，在空間分布上，該區(qū)崩塌地質災害的分布呈條帶狀展布以及相對集中規(guī)律。具體表現(xiàn)如下：

1)崩塌災害在區(qū)內的南部較多、集中分布，北部幾乎沒有，南部為驪山山區(qū)，村民主要以土窯、磚房居住溝谷斜坡處，在暴雨和連陰雨作用下，山區(qū)溝谷斜坡和黃土斜坡發(fā)生地質災害較多，其中包括斜口街辦、驪山街辦、仁宗街辦、小金街辦至穆寨街辦一帶。在山前洪積區(qū)(包含馬額街辦、代王街辦、秦陵街辦、鐵爐街辦、零口街辦、新豐街辦)，由于村民主要以開挖斜坡來建窯，易形成陡邊坡，進而容易導致崩塌地質災害的發(fā)生。據調查統(tǒng)計，本區(qū)的多數(shù)災害分布于區(qū)境的南部。

2)崩塌災害在人類活動、工程活動強烈的區(qū)域相對集中，臨潼區(qū)自然環(huán)境較差，地質災害的發(fā)生主要與人類工程活動有關，分布區(qū)域主要集中在斬坡、建窯、修路等改變原始地形地貌活動強烈的小金街辦、仁宗街辦、秦陵街辦、代王街辦。這主要與人為改造的地形有絕大關系。

3)崩塌災害相對集中于易崩地層巖性組合部位，裂隙、節(jié)理較發(fā)育的黃土地層易形成易崩地層。由于黃土的垂直節(jié)理較發(fā)育，尤其在高陡邊坡，出現(xiàn)卸荷裂隙及風化裂隙更多，因此該區(qū)的黃土崩塌密集分布在黃土高陡邊坡地帶。該區(qū)崩塌災害也大量產生于基巖山區(qū)的高陡邊坡地段，這是由于砂巖和泥巖風化強度不同，致使表層基巖處于不同風化狀態(tài)，裂隙發(fā)育并開啟，進而發(fā)生巖質崩塌。

4)崩塌災害各街辦發(fā)育不均，由于研究區(qū)內各街辦的地質環(huán)境條件、人類活動特征和強度、地質災害發(fā)育特征和密度的不同，造成了不同街辦內崩塌災害的分布不均。由研究區(qū)各街辦崩塌災害點統(tǒng)計表與柱狀圖(見表4、圖1)，可知：各街辦內崩塌災害分布是不均勻的，10個位于北部沖積平原的街辦(油槐街辦、徐楊街辦、何寨街辦、櫟陽街辦、任留街辦、交口街辦、新市街辦、相橋街辦、北田街辦、雨金街辦、)無崩塌災害發(fā)育。隨著地理位置的遷移，由北向南，各街辦崩塌災害點數(shù)量依次增加、災點密度隨之增大。南部基巖山區(qū)的小金街辦、仁宗街辦、穆寨街辦，崩塌災害尤為發(fā)育。這三個街辦的災點數(shù)量占到了全區(qū)災害總數(shù)的一半以上，是崩塌災害的重災區(qū)。

其中，代王街辦共有崩塌災害11處，占崩塌災害總數(shù)的22%，全部為小型土質崩塌，為全區(qū)崩塌災害最為發(fā)育的街辦，災點密度達0.196處/km2；秦陵街辦共有崩塌災害9處，災點密度高達0.310處/km2，為災害點密度最大的街辦。

圖1 地質災害點在各街辦的數(shù)量圖

表4 研究區(qū)崩塌地質災害分布圖

4 崩塌地質災害空間分形分維特征

分形分維理論不但在地學中廣泛使用，還是國內外地學研究的前沿新興課題。它不僅能表征研究對象的幾何復雜程度以及幾何分布關系參數(shù)，還可以合理評價地質災害的空間分布特征，并且能夠專門處理難于解決及難以解釋的復雜問題，最后即可得出一系列精確定量結果及準確解釋[6-8]。

為更深層次地揭示臨潼區(qū)崩塌地質災害的空間分形特征和分布規(guī)律，以便于為該區(qū)易發(fā)程度分區(qū)提供更有利的支持，本文應用容量維計算方法，計算并分析臨潼區(qū)崩塌地質災害空間分布的分維值以及分形特征。影響本區(qū)崩塌災害形成的因素對災害的空間分布分形特征的控制作用有很多，本次主要探討崩塌災害點空間分布特征對本區(qū)分形特征以及分維值的影響。

首先，要得出崩塌災點分布的基礎數(shù)據，應用MapGIS軟件，將臨潼區(qū)的50個崩塌地質災害點矢量化。再根據網格覆蓋法，對該區(qū)進行崩塌災害點空間分布統(tǒng)計，見表5。具體做法是：將災點分布于地形圖上之后，應用GIS的網格剖分功能將研究區(qū)劃分為不同標度的正方形小網格，再數(shù)出不同標度下，包含所有災點的網格總數(shù)N(r)，見圖2。

表5 研究區(qū)崩塌災害數(shù)量的網格法統(tǒng)計結果

表格中：r是標度，即劃分網格的邊長；N(r)代表包含災點的網格總數(shù)。

圖2 標度為 r時網格與災點分布示意圖

依據最小二乘法原理，統(tǒng)計出不同標度ln(r)與所對應的不同分維網格數(shù)N(r)之間的關系，做出ln(r)對應于lnN(r)的散點圖，即lnN(r)-lnr的雙對數(shù)曲線圖。再根據式1，對lnN(r)與ln(r)進行一元線性回歸分析，做出其擬合直線(見圖3)

lnN(r)=aln(r)+b

(1)

其中，a為分維值；b為常數(shù)

圖3 lnr-ln(Nr)擬合直線

由擬合直線，直接可得出其分維值(Ds)與相似系數(shù)(R)

Y=-0.935 7X+4.725 5，R2=0.963 8

(2)

式中：Y為lnN；X為ln(r)；R為相似系數(shù)。

據式2可得，臨潼區(qū)崩塌地質災害空間分布的分維值Ds為 0.935 7(即上式斜率的絕對值)，它的相關系數(shù)(R)為0.981 6，通過了顯著性水平2為0.01的相關系數(shù)顯著性檢驗。由此可得出，研究區(qū)的崩塌地質災害具有空間分維特征。

由于分維值(Ds)的大小能反映出研究區(qū)崩塌災害系統(tǒng)的復雜程序，由Ds為 0.935 7，趨近于1?？傻贸觯涸搮^(qū)分形標度與災點分布之間的線性相關程度達到了較為顯著水平，該區(qū)崩塌地質災害的空間分布具有顯著的分形特征，且分維值的大小能夠反映研究區(qū)域崩塌地質災害系統(tǒng)的復雜程序[9-10]。

5 結語

本文在對臨潼區(qū)崩塌發(fā)育現(xiàn)狀及特征分析的研究基礎之上，總結了崩塌的分布規(guī)律。得出以下結論：

(1)臨潼區(qū)現(xiàn)狀發(fā)育崩塌災害共50處，物質組成以第四系全新統(tǒng)中上更新統(tǒng)(Q2+3eol)風積黃土為主，災害規(guī)模主要為小型，小型崩塌共48處。

(2)研究區(qū)崩塌災害空間分布規(guī)律：崩塌災害多發(fā)生于研究區(qū)的南部山區(qū)地帶且集中分布； 在易崩地層巖性組合部位以及人類工程活動強烈的區(qū)域相對集中； 在各街辦發(fā)育不均，北部街辦幾乎無崩塌災害發(fā)育，南部街辦發(fā)生頻繁。

(3)應用分形分維法，分析了該區(qū)崩塌災害分布的分形特征并揭示了其空間分布規(guī)律。該區(qū)崩塌地質災害空間分布的分維值Ds為 0.935 7，分形標度與災點分布之間的線性相關程度達到了較為顯著水平，該區(qū)崩塌地質災害的空間分布具有顯著的分形特征。分維值的大小可以反映該區(qū)崩塌地質災害系統(tǒng)的復雜程序，分形分維理論能合理評價地質災害空間分布特征。