彬縣水利建設(shè)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性與危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

孫佳偉，劉海南，傅少君,3

(1. 西京學(xué)院 陜西省混凝土結(jié)構(gòu)安全與耐久性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710123；2. 陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，西安 710054；3. 武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

0 引 言

彬縣位于陜西省隴東黃土高原塬梁丘陵溝壑區(qū)，構(gòu)造部位屬鄂爾多斯構(gòu)造盆地的南緣，新生代以來一直屬于振蕩上升區(qū)，尤其自第四紀(jì)以來，由于該區(qū)地殼強(qiáng)烈上升，涇河深切，形成塬、梁、峁等破碎的地貌形態(tài)，并形成了高危邊坡、谷中谷及基座階地等現(xiàn)象，崩塌、滑坡、地面塌陷災(zāi)害點(diǎn)極為發(fā)育，加之道路建設(shè)、削坡建房、礦產(chǎn)開發(fā)等人類工程活動(dòng)，尤其強(qiáng)降雨季節(jié)，嚴(yán)重威脅彬縣人民生命及財(cái)產(chǎn)安全。

農(nóng)村水利工程建設(shè)關(guān)系到中國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，良好的水利基礎(chǔ)設(shè)施是提高糧食綜合生產(chǎn)能力和有效解決三農(nóng)問題的重要措施[1]。因此，基于陜西彬縣1:50000地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)，研究地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)是非常必要的，可為彬縣水利工程建設(shè)與地質(zhì)災(zāi)害防治管理提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害一般以行政單元考慮，從鎮(zhèn)(鄉(xiāng))、縣(市)到省，其易發(fā)性和危險(xiǎn)性評(píng)估范圍大小不同。區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指在一定范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的容易程度和多發(fā)程度，一般將評(píng)價(jià)區(qū)域劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和非易發(fā)區(qū)四個(gè)分區(qū)；區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性是基于易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)及威脅對(duì)象，一定范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能危害的概率，一般將評(píng)價(jià)區(qū)域劃分為高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)和極低危險(xiǎn)區(qū)[2-5]。二者均屬預(yù)測(cè)范疇，評(píng)價(jià)方法沒有本質(zhì)區(qū)別。

目前常用的評(píng)價(jià)方法有專家評(píng)判法、指數(shù)綜合法、模糊綜合評(píng)判法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法、分形理論法、灰色聚類法等。

專家評(píng)判法可同時(shí)考慮大量影響因子，任意比例區(qū)域，但受評(píng)價(jià)者主觀意志影響大；模糊綜合評(píng)判法的評(píng)價(jià)結(jié)果更具科學(xué)性、客觀性，但被評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)信息需求量大；數(shù)理統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、支持向量機(jī)法，都是建立一種映射，人工智能程度高，但程序較復(fù)雜，實(shí)際工程適應(yīng)度低；分形理論法、灰色聚類法，全面考慮評(píng)價(jià)系統(tǒng)復(fù)雜性，但實(shí)際工程應(yīng)用較少采用[6-10]。

指數(shù)綜合法是建立影響因子指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，經(jīng)驗(yàn)量化賦值，加權(quán)疊加分區(qū)。優(yōu)點(diǎn)是可GIS完成，快準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)際工程應(yīng)用較多[11,12]。

為了體現(xiàn)各影響因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的作用，提高地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度和危險(xiǎn)程度分區(qū)評(píng)價(jià)精度和準(zhǔn)確性，又使評(píng)價(jià)工作具有可操作性，本研究基于GIS，采用影響因子指數(shù)綜合法進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究路線見圖1，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：SI為綜合指數(shù)；Fij為影響因素及分類，i=(1，2，3，…，7)表示影響因子的數(shù)量；j=(1，2，3，4)表示影響因子的分類數(shù)量。

2 彬縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分析

彬縣發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)185處，其中崩塌86處、滑坡54處、地面塌陷45處，主要受地質(zhì)環(huán)境條件、人類工程活動(dòng)與水體影響[13]。

2.1 地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害

彬縣地貌類型為黃土梁峁區(qū)、黃土塬區(qū)、河谷階地區(qū)。黃土梁峁區(qū)分布在彬縣西南隅向黃土塬過渡地帶，地形破碎，溝谷密度大，梁峁特別發(fā)育，斜坡地形普遍，但是其面積相對(duì)較小，人口分布較少，且集中在較為安全地帶，因此該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害不甚發(fā)育；黃土塬區(qū)分為南塬與北塬兩大塊，該地貌單元面積大，地形平坦，土層深厚，分布著全縣大部分的農(nóng)業(yè)人口，部分居民在塬邊切坡建窯或者修建地窯居住，類型以斜坡變形破壞引發(fā)的崩塌居多；河谷階地區(qū)位于縣境中部涇河及其較大支流沿岸，該地貌單元內(nèi)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，開挖坡體或沿河修建道路，易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害隱患，尤其在階地后緣與黃土塬區(qū)過渡地段地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造、新構(gòu)造活動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害

彬縣位于鄂爾多斯構(gòu)造盆地的南緣，縣境內(nèi)構(gòu)造形跡不發(fā)育，沒有大的斷裂和褶皺?？h境的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為地殼振蕩性上升，尤其自第四紀(jì)以來，地殼強(qiáng)烈上升，涇河深切，形成塬、梁、峁等破碎的地貌形態(tài)，并形成了高危邊坡、谷中谷及基座階地等現(xiàn)象，為滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了地形地貌條件[14]。

2.3 地層巖性、巖土體類型與地質(zhì)災(zāi)害

區(qū)內(nèi)前第四系地層主要為陸相碎屑巖建造，自南而北出露的地層主要有：三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)群，侏羅系中統(tǒng)延安組、直羅組、安定組，白堊系下統(tǒng)宜君組、洛河組、華池環(huán)河組，新近系藍(lán)田組不整合披履于中生界地層之上。區(qū)內(nèi)第四系分布廣泛，它掩覆了整個(gè)黃土梁峁、黃土塬區(qū)與河谷階地。彬縣各類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的巖土體組合關(guān)系見圖1。

圖1 各類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的巖土體組合關(guān)系統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.1 The statistical results of geotechnical structure of geological disasters

2.4 水體與地質(zhì)災(zāi)害

彬縣滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生或隱患點(diǎn)的形成與活動(dòng)加劇，絕大部分與大氣降水、地表水入滲巖土體形成地下水有關(guān)。

彬縣為典型的暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，平均年降水量538.2 mm(2001-2014年)，年內(nèi)和年際變化較大。年內(nèi)降水主要集中在6-9月，占總量的60%～70%，暴雨多出現(xiàn)在7-8月份，次數(shù)較少，但強(qiáng)度頗大。地質(zhì)災(zāi)害的形成時(shí)間主要集中在每年的6-9月份，與雨期時(shí)間一致，而在降雨量較大的年份，產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量也較多。

縣境內(nèi)地表水表現(xiàn)為河(溝)谷流水對(duì)河谷岸坡的側(cè)蝕、對(duì)河(溝)道下切、搬運(yùn)作用和雨期地表匯水對(duì)坡面的面蝕沖刷作用。河谷階地區(qū)河流下切強(qiáng)烈，岸坡高，坡度陡，兩側(cè)斜坡穩(wěn)定性差，斜坡變形破壞頻繁。

地下水按含水介質(zhì)及賦存條件，有第四系松散層孔隙潛水、基巖孔隙裂隙潛水、基巖裂隙承壓水。

2.5 地震與地質(zhì)災(zāi)害

據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)，縣境內(nèi)未發(fā)生過強(qiáng)震，本區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震設(shè)防烈度為Ⅵ度區(qū)。但彬縣煤炭采空縣境內(nèi)的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害可能受礦震的影響。

2.6 人類工程活動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害

縣境內(nèi)與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的人類工程活動(dòng)主要有道路建設(shè)、采礦活動(dòng)、削坡建房。

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

本次評(píng)價(jià)選取了地形地貌、地層巖性、道路建設(shè)、采礦活動(dòng)、削坡建房、多年降水量、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度7個(gè)影響因子，分為4類，評(píng)價(jià)因子量化值見表2。

表1 人類工程活動(dòng)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The statistical tables of geological disasters caused by human engineering activities

利用MAPGIS地理信息系統(tǒng)，將彬縣行政區(qū)劃圖1 185 km2

表2 評(píng)價(jià)因子量化表Tab.2 Quantification of evaluation factors

進(jìn)行網(wǎng)格剖分，單元格面積為1 km×1 km，對(duì)于邊界小于1 km×1 km的單元按一個(gè)單元格處理，形成1 360個(gè)單元格，建立彬縣地質(zhì)災(zāi)害單因子評(píng)價(jià)圖層，通過“空間分析”之“DTM分析”功能中的“區(qū)對(duì)區(qū)疊加”進(jìn)行各因子的賦值求和，生成等值線分區(qū)(圖2)。

圖2 彬縣綜合因子評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.2 The calculation results of comprehensive evaluation factors in Binxian

4 易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)與建議

4.1 易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)

根據(jù)彬縣綜合各因子評(píng)價(jià)量化結(jié)果，得到各因子和最大值為23，最小值為8。先擬選各因子和大于13.75的單元格為高中易發(fā)區(qū)，各因子和在10～13.75間的單元格為低易發(fā)區(qū)，各因子和小于10的單元格為非易發(fā)區(qū)；最后再根據(jù)野外調(diào)查的實(shí)際情況和搜集資料校正，最終形成彬縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖(圖3)，將彬縣1 185 km2評(píng)價(jià)區(qū)分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和非易發(fā)四個(gè)級(jí)別。

(1)高易發(fā)區(qū)(A1～A3)。該區(qū)按照地質(zhì)環(huán)境條件和地域位置的差異分為3個(gè)區(qū)段：城關(guān)高易發(fā)區(qū)(A1)、城關(guān)東～太峪北高易發(fā)區(qū)(A2)、小章～炭店高易發(fā)區(qū)(A3)，分布范圍廣泛，條帶狀，災(zāi)害分布集中，主要位于境內(nèi)中部涇河兩側(cè)，總面積172.56 km2，占全縣總面積的14.56%。該區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡和地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共92處，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度為0.533 處/km2。

(2)中易發(fā)區(qū)(B1～B3)。該區(qū)分為三個(gè)區(qū)段：韓家～太峪中易發(fā)區(qū)(B1)、義門中易發(fā)區(qū)(B2)、香廟～龍高中易發(fā)區(qū)(B3)，總面積444.41 km2，占全縣總面積的37.50%。該區(qū)內(nèi)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)74處，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度為0.166 處/km2。

(3)低易發(fā)區(qū)(C1～C2)。該區(qū)分為兩個(gè)區(qū)段：水口～底店低易發(fā)區(qū)(C1)、新民～北極低易發(fā)區(qū)(C2)，總面積532.31 km2，占全縣總面積的44.92%。該區(qū)內(nèi)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)19處，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度為0.036 處/km2。

(4)非易發(fā)區(qū)(D)。該區(qū)位于縣境中部涇河河谷區(qū)，主要為河漫灘及一級(jí)階地，地形平坦，地勢(shì)開闊，總面積35.72 km2，占全縣總面積的3.02%。現(xiàn)狀無(wú)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，但汛期注意洪水的影響。

圖3 彬縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.3 The partitions with susceptible degree of the geological hazards in Binxian

4.2 建 議

基于彬縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)結(jié)果，建議彬縣農(nóng)村水利建設(shè)優(yōu)先選擇地質(zhì)災(zāi)害非易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)，其次中易發(fā)區(qū)，嚴(yán)格避免高易發(fā)區(qū)。

5 危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)與建議

5.1 危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

基于上述地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)結(jié)果，地質(zhì)災(zāi)害高、中易發(fā)的地區(qū)可能遭受地質(zhì)災(zāi)害的影響更大，危險(xiǎn)程度就越高；地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)和非易發(fā)地區(qū)所受到的影響較小，其危險(xiǎn)程度就較低。另外，現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的險(xiǎn)情等級(jí)也是判別地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度的一個(gè)重要指標(biāo)，一般現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害危害程度越大，表明當(dāng)?shù)氐某蔀?zāi)作用強(qiáng)，成災(zāi)對(duì)象多，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性也越大[15,16]。因此，本次評(píng)價(jià)是根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的險(xiǎn)情等級(jí)兩個(gè)指標(biāo)來確定地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性分區(qū)(表3)。

按照上述方法，通過地理信息系統(tǒng)MAPGIS“空間分析”功能得到災(zāi)害點(diǎn)的險(xiǎn)情等級(jí)與易發(fā)區(qū)進(jìn)行“點(diǎn)對(duì)區(qū)”空間疊加評(píng)價(jià)結(jié)果(圖4)，并生成等值線分區(qū)圖(圖5)。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，擬選賦值大于2.5的單元格為高中危險(xiǎn)區(qū)，賦值介于1.5～2.5之間的單元格為低危險(xiǎn)區(qū)，賦值小于1.5的單元格為極低危險(xiǎn)區(qū)；最后再根據(jù)野外調(diào)查的實(shí)際情況、結(jié)合當(dāng)?shù)厝祟惞こ袒顒?dòng)現(xiàn)狀等，最終形成彬縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查危險(xiǎn)性分區(qū)圖(圖6)。

表3 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Evaluation criterion of danger

圖4 災(zāi)害點(diǎn)險(xiǎn)情與易發(fā)區(qū)空間疊加評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 The evaluation results of space superposition for danger

圖5 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等值線分區(qū)Fig.5 The partitions with danger contour line degree of geological hazards

圖6 彬縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.6 The partitions with degree of danger of the geological hazard in Binxian

(1)高危險(xiǎn)區(qū)(A1～A3)。該區(qū)分為三個(gè)區(qū)段：城關(guān)高危險(xiǎn)區(qū)(A1)、小章高危險(xiǎn)區(qū)(A2)、炭店高危險(xiǎn)區(qū)(A3)，總面積102.59 km2，占全縣總面積的8.66%。該區(qū)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)47處，險(xiǎn)情等級(jí)特大型的2處、大型的8處、中型的16處、小型的21處；高危險(xiǎn)點(diǎn)有23處、中危險(xiǎn)點(diǎn)19處，低危險(xiǎn)點(diǎn)5處?，F(xiàn)威脅3 551 戶、14 948 人、16 384 間房、公路8 095 m、鐵路1 700 m、耕地1 083 hm2及變電所等，潛在經(jīng)濟(jì)損失為44 076 萬(wàn)元。

(2)中危險(xiǎn)區(qū)(B1～B3)。該區(qū)分為三個(gè)區(qū)段：義門中危險(xiǎn)區(qū)(B1)、小章東、炭店西與城關(guān)交界地帶中危險(xiǎn)區(qū)(B2)和城關(guān)東～太峪北危險(xiǎn)區(qū)(B3)，總面積125.92 km2，占全縣總面積的10.62%。該區(qū)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)43處，險(xiǎn)情等級(jí)中型的8處、小型的35處；高危險(xiǎn)點(diǎn)7處、中危險(xiǎn)點(diǎn)25處、低危險(xiǎn)點(diǎn)11處。現(xiàn)威脅392戶、1 830 人、2 041 間房、公路5 170 m、耕地6.67 hm2、加油站1座及彬縣缸瓦廠，潛在經(jīng)濟(jì)損失4 901 萬(wàn)元。

(3)低危險(xiǎn)區(qū)(C1～C3)。

該區(qū)分為三個(gè)區(qū)段：新民～北極低危險(xiǎn)區(qū)(C1)和香廟～龍高低危險(xiǎn)區(qū)(C2)、韓家～底店～水口～太峪南低危險(xiǎn)區(qū)(C3)，總面積920.77 km2，占全縣總面積的77.70%。該區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)47處，險(xiǎn)情等級(jí)中型的3處、小型的44處；高危險(xiǎn)點(diǎn)2處、中危險(xiǎn)點(diǎn)36處、低危險(xiǎn)點(diǎn)9處?，F(xiàn)威脅245戶、975人、989間房、公路3 015 m、鐵路100 m及耕地124.8 hm2等，潛在經(jīng)濟(jì)損失2 926 萬(wàn)元。

(4)極低危險(xiǎn)區(qū)(D)。涇河河谷極低危險(xiǎn)區(qū)面積35.72 km2，占全縣總面積3.02%，行政區(qū)劃屬義門鎮(zhèn)、城關(guān)鎮(zhèn)、炭店鎮(zhèn)、小章鎮(zhèn)?，F(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，該區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害非易發(fā)區(qū)，故地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度級(jí)別為極低危險(xiǎn)。

5.2 建 議

基于彬縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果，建議彬縣農(nóng)村水利建設(shè)優(yōu)先選擇地質(zhì)災(zāi)害極低危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)，其次中危險(xiǎn)區(qū)，嚴(yán)格避免高危險(xiǎn)區(qū)。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)陜西彬縣地質(zhì)災(zāi)害影響因子主要為地形地貌、地層巖性、道路建設(shè)、采礦活動(dòng)、削坡建房、多年降水量、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度，將它們作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)因子符合實(shí)際情況。

(2)采用影響因子指數(shù)綜合法，陜西彬縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度劃分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和非易發(fā)四個(gè)級(jí)別，與實(shí)際相符。

(3)以陜西彬縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)結(jié)果、災(zāi)點(diǎn)險(xiǎn)情等級(jí)為單元格危險(xiǎn)性區(qū)劃評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將陜西彬縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度劃分為高危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)和極低危險(xiǎn)四個(gè)級(jí)別，與實(shí)際相符。

(4)建議對(duì)城關(guān)鎮(zhèn)等重點(diǎn)地段地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)實(shí)施工程治理，保證人民生命及財(cái)產(chǎn)安全；同時(shí)，強(qiáng)降雨季節(jié)加密監(jiān)測(cè)以及重視水利工程的建設(shè)。

(5)建議彬縣水利工程建設(shè)優(yōu)先選擇地質(zhì)災(zāi)害非易發(fā)、低易發(fā)、極低危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)區(qū)，其次中易發(fā)、中危險(xiǎn)區(qū)，嚴(yán)格避免高易發(fā)、高危險(xiǎn)區(qū)，加強(qiáng)水利工程的監(jiān)管及地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)工作，確保水利工程發(fā)揮應(yīng)有的重要作用。

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