基于信息量模型的贛州市地質災害易發(fā)性分區(qū)

彭 珂，彭紅霞，2，梁 峰，黃長生，丘卓明

(1.中國地質大學(武漢)公共管理學院，湖北 武漢 430074;2.中國地質大學(武漢)國土資源部法律評價工程重點實驗室,湖北 武漢 430074;3.吉首大學師范學院，湖南 吉首 416000;4.中國地質調查局武漢地質調查中心，湖北 武漢430205;5.江西省核工業(yè)地質局二五六大隊，江西 贛州 335001)

隨著研究方法和信息技術的進步，國內外對地質災害的研究由概念、種類等定性研究轉向風險性評價、易發(fā)性區(qū)劃、經濟損失評估等定量研究，主要研究方法包括數理統(tǒng)計模型、力學模型、3S技術等。針對我國地質災害發(fā)生頻繁、分布廣泛的特點，在經濟和技術水平不足的情況下，通過易發(fā)性區(qū)劃來圈定地質災害易發(fā)性程度高的危險區(qū)域，以有計劃地展開地質災害防治工作，可為減災防災提供依據[1-3]。在國外，許多學者多利用推理模型、統(tǒng)計模型和確定性模型等方法對地質災害易發(fā)性進行了評價[4-11]，如Anbalagan等[4]利用GIS技術和空間分析模型對地質災害易發(fā)性進行了評估與區(qū)劃。在國內，也有學者利用GIS軟件對地質災害易發(fā)性進行了評價，為小流域地質災害易發(fā)性評價提供了研究經驗[12-18]；同時，回歸模型[19]、綜合指數法[20]、襲擾法等方法在滑坡地質災害易發(fā)性評價與區(qū)劃研究中也得到了廣泛應用；此外，如羅真富等[21]、高克昌等[22]、范林峰等[23]利用信息量模型對地質災害進行了易發(fā)性評價與區(qū)劃，確定了評價指標及其權重，并劃分了地質災害的危險性等級。

本文在對贛州市地質災害情況進行資料收集和野外調查的基礎上，利用信息量模型對該地區(qū)地質災害影響因子進行了量化計算，并利用ArcGIS軟件對影響因子圖層進行了疊加分析，最終得到贛州市地質災害易發(fā)性分區(qū)圖，同時結合實際情況對其進行修正，以為該地區(qū)地質災害防治提供理論支持。

1 研究區(qū)地質概況

贛州市位于武夷山脈、南嶺山脈和羅霞山脈的交匯地帶，群山環(huán)繞，斷陷盆地貫穿其中，形成了以山地、丘陵為主的地形。研究區(qū)為典型的亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，有明顯的季節(jié)差異。區(qū)內主要分布震旦系、寒武系、泥盆系等地層，巖性主要為巖漿巖、變質巖、碎屑巖、碳酸鹽和第四紀松散堆積物。該地區(qū)位于南嶺復雜構造帶，區(qū)內褶皺構造和斷裂構造發(fā)育，見圖1。多個因素相疊加是贛州市滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡等地質災害發(fā)育的重要原因。

圖1 贛州市區(qū)域地質圖Fig.1 Geographic location of Ganzhou city

2 研究方法

2. 1 信息量模型

信息量模型是進行區(qū)域地質災害預測的一種有效方法，它適用于中小比例尺區(qū)域地質災害的危險性預測。利用信息量模型預測研究區(qū)域地質災害的準確與否取決于地質災害的預測過程中所獲取信息的數量和質量，可用信息量表示。信息量值越大，表明地質災害易發(fā)性程度越高[24-28]。信息量模型可表示如下：

(1)

式中：I(Y,x1,x2,…,xn)為因素組合x1,x2,…,xn對地質災害所提供的信息量；P(Y,x1,x2,…,xn)為在因素組合x1,x2,…,xn條件下地質災害發(fā)生的概率；P(Y)為地質災害的發(fā)生概率。

根據條件概率運算，可進一步寫成：

I(Y,x1,x2,…,xn)=I(Y,x1)+Ix1(Y,x2)+…+Ix1,x2,…xn-1(Y,xn)

(2)

式中：Ix1(Y,x2)為在因素x1存在時，因素x2對滑坡和崩塌等地質災害提供的信息量。

實際計算時往往采用樣本統(tǒng)計結果計算其信息量，先計算單個因素對地質災害的發(fā)生提供的信息量，再對它們求和，得到總的信息量作為評價地質災害易發(fā)性的綜合指標，具體計算公式如下：

(3)

式中:I為評價單元總的信息量值；Ii為因素xi對地質災害發(fā)生提供的信息量值；Ni為評價單元內因素xi發(fā)育的地質災害單元數；N為研究區(qū)域內發(fā)育地質災害的單元總數；Si為研究區(qū)域內含有評價因素xi的單元數；S為研究區(qū)域內評價單元總數。

通常該模型得到的總信息量值I是連續(xù)分布的絕對數值，需要對其進行級別劃分。本文根據指標的信息量值大小來判斷研究區(qū)域地質災害的易發(fā)性程度，信息量越大，說明研究區(qū)域地質災害易發(fā)性程度越高。

2. 2 地質災害易發(fā)性分區(qū)評價指標的選取

贛州市地質災害的表現形式為滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流和地面塌陷等災害類型，且以滑坡和崩塌為主。本次在地質災害評價指標的統(tǒng)計過程中，將滑坡和不穩(wěn)定斜坡統(tǒng)歸為滑坡，將崩塌和危巖體統(tǒng)歸為崩塌，滑坡和崩塌是斜坡失穩(wěn)的兩種形式。對滑坡起控制作用的因素同樣制約著崩塌的產生，但各影響因素對滑坡和崩塌所起的作用或對兩者的貢獻略有差異，因此本文在對贛州市地質災害易發(fā)性進行區(qū)劃時，將滑坡和崩塌兩種災害類型合并統(tǒng)計。

據研究區(qū)統(tǒng)計資料及典型災害點的勘察研究，初步確定贛州市地質災害的影響因素有工程地質巖組、斜坡結構類型、地質構造、地形地貌、水文地質條件等靜態(tài)因素，以及降雨、人類工程活動等動態(tài)因素。結合贛州市自然地理特征和前期研究，在充分考慮資料的可獲得性、研究區(qū)的尺度、研究區(qū)范圍和研究精度要求等基礎上，最終選取6類影響因素作為研究區(qū)地質災害易發(fā)性分區(qū)的評價指標，即斜坡幾何形態(tài)、斜坡結構類型、工程地質巖組、地質構造、水文地質條件和人類工程活動，具體的評價因子和狀態(tài)指標見表1。

贛州市地質災害與斜坡幾何形態(tài)及結構類型關系密切，因此對這兩個評價因子的提取十分必要。斜坡幾何形態(tài)主要包括坡高和坡度，本次將坡高和坡度要素分別劃分為4級；將斜坡結構類型劃分為4級，在斜坡結構類型中如順向坡和逆向坡，由于巖層結構、重力、降水以及植被覆蓋等因素的影響，這兩類坡向上的巖土體容易發(fā)生滑動，產生規(guī)模不等的地質災害。贛州市有5類巖土體分布較為廣泛，故將工程地質巖組歸并為5類巖組，其中分布在河流、水域附近的松散巖土類以及分布在西部和東南部的巖漿巖類發(fā)生地質災害的密度最大，見圖2。地質構造形成了一定的地貌和地層，也影響巖土體分布及其結構特征，是地質災害的誘因之一。水文地質條件中的強降雨和地表水的沖蝕作用對滑坡等地質災害的發(fā)生有著重要影響。人類工程活動如人工開挖筑路在不同程度上影響了斜坡的穩(wěn)定性，主要表現為改變斜坡地形和斜坡水分分布狀況、降低巖土體強度、改變斜坡物質組成以及增加斜坡負荷等方面，對山地地質災害的形成起到推波助瀾的作用。

表1 贛州市地質災害易發(fā)性分區(qū)評價因子和狀態(tài)指標

圖2 贛州市地質災害點密度圖Fig.2 Density of geo-hazards in Ganzhou City

3 基于信息量模型的地質災害易發(fā)性區(qū)劃與防治措施

3. 1 信息量計算結果與分析

本次贛州市地質災害易發(fā)性區(qū)劃，根據專家經驗且結合地形地貌等因素，選取網格單元尺寸為250 m×250 m獲取指標數據，并利用ArcGIS軟件，從研究區(qū)地形圖、居民交通圖、工程地質圖中提取因子圖層，將之轉化為柵格數據，并進行空間疊加分析。

根據已有的指標數據，確定各指標因子的具體狀態(tài)，并利用公式(3)計算各指標因子的信息量值，其計算結果見表2。

由表2可見，6類影響因素共分為25個評價因子，由各評價因子的信息量值大小可知，人類工程活動(城鎮(zhèn)、村莊周圍5 km范圍，x25)、工程地質巖組(松散巖土類，x13)、斜坡幾何形態(tài)(地形坡高≥800 m，x4；地形坡度在30°～35°之間,x7)、工程地質巖組(巖漿巖類,x15)、斜坡幾何形態(tài)(地形坡高在500～800 m之間，x3；地形坡度≥35°，x8)、地質構造(斜坡在斷裂帶影響范圍以內即<1 km,x18)，這些評價因子對研究區(qū)地質災害的形成發(fā)育貢獻較大。

表2 贛州市地質災害易發(fā)性分區(qū)各評價因子信息量值

根據表2的計算結果，利用ArgGIS軟件對各評價因子的信息量值進行疊加分析，可得到評價單元總信息量最高值為1.728 75，最低值為-3.263 57，其數值越大，反映各因素對地質災害形成發(fā)育的貢獻越大，發(fā)生地質災害的可能性也就越大。本文利用統(tǒng)計學中常用的自然斷點法對所有評價單元進行地質災害易發(fā)性等級劃分，將贛州市全區(qū)按地質災害易發(fā)程度分區(qū)等級劃分為三級：高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)，并將分區(qū)統(tǒng)計結果與地質災害實際分布情況進行了對比分析，詳見表3。

由表3可知，在高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)面積大致相同的前提下，由信息量模型計算得到的研究區(qū)各易發(fā)性分區(qū)等級下的地質災害點絕對數量隨易發(fā)程度的降低而減少，同時地質災害實際發(fā)生比率(b/a，即易發(fā)區(qū)地質災害點比率與易發(fā)區(qū)地質災害面積比率的比值)也隨之減少，說明這種劃分方法得出的研究區(qū)地質災害易發(fā)性分區(qū)等級與實際的地質災害發(fā)生情況基本吻合，證明了分區(qū)結果的合理性。

表3 贛州市地質災害易發(fā)性分區(qū)等級與地質災害實際分布對比表

注：柵格尺寸大小為250 m×250 m；a為該易發(fā)性分區(qū)等級的面積占贛州市總面積的百分比；b為落在該易發(fā)性分區(qū)等級內的地質災害點數量占贛州市總地質災害點數量的百分比;c為落在該易發(fā)性分區(qū)等級內的地質災害點數量(柵格數)。

3. 2 地質災害易發(fā)性分區(qū)

本文在利用信息量模型對研究區(qū)地質災害影響因子進行定量計算的基礎上，綜合考慮地質災害形成發(fā)育的現狀，最終將贛州市按地質災害易發(fā)性程度劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3個等級，共11個亞區(qū)，并提出了相應的防治措施，詳見表4和圖3。

表4 贛州市地質災害易發(fā)性分區(qū)及防治措施

圖3 贛州市地質災害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.3 Map of geo-hazard susceptibility zonation of Ganzhou City

3.2.1 地質災害高易發(fā)區(qū)

贛州市地質災害高易發(fā)區(qū)(A)總面積為23 358.22 km2，占全市總面積的59.27%，主要分布在贛州的東北雩山山區(qū)、東側武夷山山區(qū)以及西北諸廣山山區(qū)。這些山區(qū)地質構造復雜，人類工程活動強烈，加上降雨等誘發(fā)因素，易形成地質災害。區(qū)內地質災害類型以滑坡、崩塌、地面塌陷為主，不穩(wěn)定斜坡次之，泥石流、地裂縫等地質災害零星發(fā)育，地質災害發(fā)育規(guī)模以中小型為主，穩(wěn)定性較差。

贛州市地質災害高易發(fā)區(qū)主要包括4個亞區(qū)：在區(qū)域上呈不規(guī)則的喇叭狀分布的南康—章貢—贛縣—興國—寧都一帶滑坡、崩塌高易發(fā)亞區(qū)(A1);沿贛西邊界呈塊狀分布的大余—崇義—上猶—南康—贛縣—興國一帶滑坡、崩塌、泥石流高易發(fā)亞區(qū)(A2);呈不規(guī)則的條帶狀分布的石城—寧都—瑞金—會昌—安遠一帶滑坡、崩塌、塌陷高易發(fā)亞區(qū)(A3);在平面上沿贛州邊界呈帶狀分布的瑞金—會昌—尋烏一帶滑坡、崩塌高易發(fā)亞區(qū)(A4)。

3.2.2 地質災害中易發(fā)區(qū)

贛州市地質災害中易發(fā)區(qū)(B)總面積為11 195.77 km2，占全市總面積的28.41%，主要分布在贛州的西南部、南部及西北部分地區(qū)。區(qū)內地質環(huán)境條件較復雜，人類工程活動比較強烈，地質災害發(fā)育規(guī)模以中小型滑坡、崩塌為主，穩(wěn)定性較差。

贛州市地質災害中易發(fā)區(qū)主要包括3個亞區(qū)：贛州西南呈塊狀分布的石城縣東南部一帶滑坡、崩塌中易發(fā)區(qū)(B1);贛州西南呈塊狀分布的于都—贛縣—信豐—安遠—尋烏一帶滑坡、崩塌中易發(fā)亞區(qū)(B2);在平面上呈條帶狀分布的尋烏縣中部羅壙圩—留車一帶滑坡、崩塌中易發(fā)亞區(qū)(B3)。

3.2.3 地質災害低易發(fā)區(qū)

贛州市地質災害低發(fā)區(qū)(C)總面積為4 853.25 km2，占全市總面積的12.32%，主要分布在贛州北部寧都盆地、西北部興國盆地、西部南康盆地、贛州盆地、西南部信封盆地以及東部會昌盆地等盆地及河流階地區(qū)。區(qū)內人類工程活動頻繁，但地質環(huán)境條件相對簡單，地質災害發(fā)育規(guī)模以小型為主，穩(wěn)定性較差。

地質災害低易發(fā)區(qū)主要包括4個亞區(qū)：寧都縣中部、南部—于都北部一帶滑坡、崩塌低易發(fā)亞區(qū)(C1);沿河流或盆地呈條帶狀分布的興國盆地—南康盆地一帶滑坡、崩塌低易發(fā)亞區(qū)(C2);區(qū)北段主要是沿瑞金盆地及綿水沿線分布，南段主要沿會昌盆地及以南部分地區(qū)分布，在平面上呈條帶狀分布的瑞金中部—會昌盆地一帶滑坡、崩塌低易發(fā)亞區(qū)(C3);沿信豐盆地呈塊狀分布的信豐盆地滑坡、崩塌低易發(fā)亞區(qū)(C4)。

3. 3 地質災害的防治措施

在充分考慮贛州市地質災害發(fā)育規(guī)律的基礎上，參照地質災害易發(fā)性分區(qū)結果，并結合地質災害防治的實際情況，對贛州市各地區(qū)提出了不同的防災減災策略(見表4)，如在A1亞區(qū)，即寧都縣東北部和北部及中部地區(qū)以及贛縣東南部、東部及中部地區(qū)，這些地區(qū)受地質災害威脅嚴重，治理難度大，故對生產、生活條件基本喪失的地質災害點(隱患點)應采取搬遷避讓措施;在C2亞區(qū)，對嚴重威脅居民聚居區(qū)、交通干線、重大工程設施安全的地質災害隱患點有計劃地實施工程治理措施，如興國盆地—南康盆地一帶地區(qū)，分布有眾多聚居人口，且有重要的交通干線如京九鐵路干線等，應在考慮社會經濟發(fā)展的穩(wěn)定性、資源可持續(xù)利用等因素的前提下，對該地區(qū)地質災害隱患點進行工程治理。

4 結 論

本文以贛州市為研究區(qū)，選取斜坡幾何形態(tài)、斜坡結構類型、工程地質巖組等6類影響因素構成地質災害易發(fā)性分區(qū)評價指標體系，并利用ArcGIS軟件和信息量模型，結合實際情況對其進行修正，最終將贛州市按地質災害易發(fā)程度劃分為3個區(qū)(高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū))及11個亞區(qū)，該分區(qū)結果與地質災害實際調查結果基本相符，表明利用信息量模型進行地質災害易發(fā)性分區(qū)具有可行性和有效性。在地質災害易發(fā)性分區(qū)的基礎上，對贛州市各區(qū)提出了不同的防災減災策略，其研究結果對該地區(qū)地質災害易發(fā)性評價及防治具有重要的理論和現實意義。