基于GIS的川西地貌過(guò)渡帶滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

胡芹龍, 王運(yùn)生

(地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)),成都 610059)

目前，GIS技術(shù)在滑坡等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分析和研究中得到了廣泛運(yùn)用。在GIS平臺(tái)中可構(gòu)建滑坡災(zāi)害信息數(shù)據(jù)庫(kù)、滑坡災(zāi)害的地質(zhì)環(huán)境影響因素和誘發(fā)因素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和運(yùn)算。借助各類數(shù)學(xué)模型，通過(guò)GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域性的滑坡災(zāi)害易發(fā)程度評(píng)價(jià)，對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。如在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)中，有學(xué)者運(yùn)用信息量模型、支持向量機(jī)模型以及雙變量模型對(duì)庫(kù)區(qū)的滑坡災(zāi)害空間分布和易發(fā)性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)[1-5]。在汶川地震災(zāi)區(qū)，運(yùn)用層次分析法、確定性系數(shù)法、證據(jù)權(quán)法等各種模型對(duì)區(qū)內(nèi)同震滑坡的空間分布規(guī)律、主要影響因素、震后滑坡泥石流災(zāi)害的時(shí)空演化規(guī)律等進(jìn)行了大量研究[6-10]。在云南、西藏、陜西等地的滑坡災(zāi)害高發(fā)區(qū)，也有學(xué)者結(jié)合GIS運(yùn)用不同的方法和模型對(duì)災(zāi)害分布進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)[11-14]。

目前各類數(shù)學(xué)計(jì)算模型都有其各自的局限性，提出具有針對(duì)性以及行之有效的模型一直是當(dāng)前滑坡易發(fā)性研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)?，F(xiàn)今運(yùn)用較多的模型有層次分析法、信息量模型、邏輯回歸模型等。層次分析法的優(yōu)點(diǎn)是考慮到了專家的經(jīng)驗(yàn)和意見，但卻難以避免一定的主觀性。信息量模型雖然避免了專家意見的主觀性，但又忽略了專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，出現(xiàn)與實(shí)際情況存在偏差的問題[15-16]。而加權(quán)信息量模型則避免了上述兩種模型的缺點(diǎn)，吸納了兩者的優(yōu)點(diǎn)，將客觀的信息量與具有經(jīng)驗(yàn)的專家觀點(diǎn)同時(shí)納入評(píng)價(jià)體系，既能尊重客觀數(shù)據(jù)規(guī)律，也能將專家的知識(shí)引入分析過(guò)程。在信息量法中，通過(guò)已有的變形災(zāi)害體來(lái)確定影響災(zāi)害體的因素的作用強(qiáng)度，進(jìn)而評(píng)價(jià)研究對(duì)象的穩(wěn)定性狀況。

本文通過(guò)大量搜集該區(qū)域內(nèi)滑坡災(zāi)害相關(guān)信息，結(jié)合遙感解譯及野外調(diào)查驗(yàn)證，篩選出滑坡災(zāi)害點(diǎn)832處，在GIS中建立相應(yīng)災(zāi)害點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)庫(kù)，全面分析滑坡發(fā)育的關(guān)鍵影響因素和空間發(fā)育規(guī)律，借助GIS平臺(tái)和加權(quán)信息量模型評(píng)價(jià)滑坡災(zāi)害易發(fā)程度，并據(jù)此進(jìn)行易發(fā)程度分區(qū)，為滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性及風(fēng)險(xiǎn)性分析評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)位于四川省西部，包括阿壩州、甘孜州、涼山州、雅安市等高山高原地區(qū)，在地貌上屬于中國(guó)三大階梯中第一階梯與第二階梯的過(guò)渡帶，區(qū)內(nèi)主要為高山峽谷地貌，海拔高度大體呈現(xiàn)出西高東低，局部地區(qū)地形變化復(fù)雜，相對(duì)高差懸殊，峽谷深切[17-18](圖1)。區(qū)內(nèi)地層巖相變化較復(fù)雜，自前震旦系到第四系都有出露，其中三疊系分布范圍最廣，分布在研究區(qū)的北部和西南部；其次為泥盆系，分布在研究區(qū)的東北部和中部，跨越康滇南北向構(gòu)造帶、龍門山前陸沖斷帶等多個(gè)Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元。由于研究區(qū)地形變化復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境脆弱，引發(fā)了大量的滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，如丹巴縣城、小金縣等地災(zāi)害發(fā)育[19]。

2 災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型

信息量法最早由美國(guó)學(xué)者提出并大量運(yùn)用，后由晏同珍教授首先在中國(guó)運(yùn)用到滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)中，之后被大量用來(lái)研究各類災(zāi)害的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)[20-21]。信息量法的核心思想是用各影響因子的信息量值的大小來(lái)預(yù)估某一地區(qū)滑坡產(chǎn)生的難易程度，所獲取的信息量值越小則滑坡越難以發(fā)生，反之亦然?？捎孟率奖磉_(dá)

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location of the research area

(1)

式中：S為研究區(qū)單元數(shù)量之和；N為發(fā)育滑坡的單元數(shù)量之和；Si為影響因子Xi中包含的單元數(shù)量之和；Ni為評(píng)價(jià)因素Xi內(nèi)所對(duì)應(yīng)的滑坡單元總數(shù)。某一評(píng)價(jià)單元的信息量值可表示為

(2)

式中：Ii代表該評(píng)價(jià)因素相應(yīng)的信息量；n為評(píng)價(jià)因子的數(shù)量。因此，該評(píng)價(jià)因素的信息量值代表著該因素對(duì)滑坡易發(fā)程度的貢獻(xiàn)大小，值越大代表該因素對(duì)滑坡發(fā)生越有利。

層次分析法，又稱AHP(analytic hierarchy process)法，最早由美國(guó)科學(xué)家提出并運(yùn)用到權(quán)重決策的管理中，后被運(yùn)用于地質(zhì)災(zāi)害研究中，是現(xiàn)今運(yùn)用最為廣泛的評(píng)價(jià)方法之一，其具有權(quán)重確定合理、可參考?xì)v史經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，比較適合既需定量又需定性的評(píng)價(jià)。具體步驟如下。

a.構(gòu)造判斷矩陣。對(duì)于X1,X2, …,Xn個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，由專家組進(jìn)行兩兩比較(表1)得到判斷矩陣X。

b.確定權(quán)值。假設(shè)存在某相同階數(shù)的正向量A，使XA=λmaxA成立，λmax為X的最大特征值，A為λmax的特征向量。解矩陣方程X，其各分量解即為所對(duì)應(yīng)的X1,X2, …,Xn的權(quán)值。由于上式的評(píng)價(jià)因子較多，求解方法較為復(fù)雜，求解過(guò)程較為繁瑣，可借助于計(jì)算程序MATLAB計(jì)算各特征向量及其近似解。在此基礎(chǔ)上，本文借助層次分析法對(duì)傳統(tǒng)的信息量模型加以改進(jìn)，得到改進(jìn)后的加權(quán)信息量值，并據(jù)此對(duì)滑坡易發(fā)性進(jìn)行分級(jí)，得到滑坡易發(fā)性分區(qū)圖。

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義Table 1 Scale of judgment matrix and its implication

3 基于GIS 的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)因子選取

研究區(qū)位于川西地貌過(guò)渡帶，地形復(fù)雜，滑坡災(zāi)害發(fā)育程度主要受到斜坡自身地質(zhì)環(huán)境與地形地貌因素的影響，而外部誘發(fā)因素主要為地震。因此本文選取7種滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子，分別為地層、巖性硬度、與斷裂帶的距離、坡度、海拔高度、坡向、地震烈度。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

3.2.1 地層

地層在區(qū)域性滑坡災(zāi)害空間發(fā)育規(guī)律方面往往具有控制性的影響，是重要的內(nèi)部環(huán)境影響因素，不同的地層中滑坡災(zāi)害發(fā)育的類型和規(guī)模等均有所差異。研究區(qū)內(nèi)地層巖相變化較復(fù)雜，主要為震旦系至三疊系以及河谷斜坡地帶的第四系等，總厚度達(dá)1.5～3 km，僅缺失少數(shù)地層。根據(jù)各地層的工程地質(zhì)特性，可將研究區(qū)地層劃分為8類(圖2)。

圖2 研究區(qū)地層分布Fig.2 Distribution of the strata in the study area1.第四系; 2.新近系、古近系; 3.白堊系、侏羅系; 4.三疊系; 5.二疊系; 6.石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系; 7.寒武系、震旦系、元古界; 8.未確定時(shí)代的侵入脈巖

3.2.2 巖性硬度

巖性硬度對(duì)于崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的影響十分顯著。在軟巖地區(qū)，滑坡發(fā)育密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硬巖地區(qū)，這在中國(guó)西南地區(qū)和長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)十分明顯。巖性硬度不同，其抗拉、抗壓等力學(xué)性能相差巨大，導(dǎo)致災(zāi)害的難易程度不同。研究區(qū)的巖性差異明顯，分布較多的泥頁(yè)巖與碳酸鹽巖、花崗巖，根據(jù)巖性硬度指標(biāo)值可劃分出硬巖區(qū)和軟巖區(qū)(圖3)。

圖3 巖性硬度分布Fig.3 Distribution of the lithological hardness1.軟巖(包括泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、板巖、千枚巖等); 2.硬巖(除軟巖以外的其他質(zhì)地較硬的巖性，如砂巖、碳酸鹽巖、花崗巖和閃長(zhǎng)巖等)

3.2.3 與斷裂帶的距離

研究區(qū)位于中國(guó)大陸地貌第一階梯與第二階梯的過(guò)渡帶，受青藏高原與四川盆地強(qiáng)烈擠壓，發(fā)育有多條斷裂帶，對(duì)區(qū)域性巖體質(zhì)量、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的影響十分明顯，從而影響滑坡災(zāi)害的發(fā)育程度。運(yùn)用GIS的緩沖分析功能對(duì)主要斷裂帶影響距離(km)進(jìn)行分級(jí)，可分為≤10、(10,20]、(20,30]、(30,40]、>40共5個(gè)等級(jí)(圖4)。

圖4 主要斷裂帶緩沖距離分級(jí)Fig.4 The classification of the buffer distance from the fault

3.2.4 坡度

研究區(qū)地形變化復(fù)雜，坡度起伏大。坡度對(duì)于滑坡的影響也十分顯著，坡度不同，地表水的徑流方式及下滲也不同，斜坡應(yīng)力分布也不同。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地形坡度和滑坡發(fā)育特征，將坡度(°)分為≤10、(10,20]、(20,30]、(30,40]、>40共5級(jí)，得到不同的坡度分區(qū)(圖5)。

3.2.5 海拔高度

研究區(qū)海拔高度差異較大，主要分布在1～5 km。受垂直氣候高差影響，溫度與降雨不同，植被類型與覆蓋度也不一致，如低海拔地區(qū)多分布雨林帶、闊葉林帶，高海拔地區(qū)多分布草甸帶或冰雪帶，因而災(zāi)害發(fā)育程度有所不同。根據(jù)20 m×20 m分辨率的DEM，在GIS中將研究區(qū)海拔高度(km)劃分為≤1.5、(1.5,2.5]、(2.5,3.5]、(3.5,4.5]、>4.5共5級(jí)(圖6)。

圖5 地形坡度因子分級(jí)Fig.5 Classification of slope gradient

圖6 海拔高度分級(jí)Fig.6 Classification of slope elevation

3.2.6 坡向

不同的坡向受斷裂構(gòu)造帶的擠壓方向不同，巖體破碎程度則不相同；此外，不同坡向的太陽(yáng)光照、植被發(fā)育程度以及含水率也不同。在GIS中將坡向(°)等分為(0,72]、(72,144]、(144,216]、(216,288]、(288,360]，其結(jié)果如圖7所示。

3.2.7 地震烈度

地震烈度為一個(gè)地區(qū)內(nèi)地震發(fā)生時(shí)地面的振蕩激烈程度，地震烈度可直接反映某區(qū)域內(nèi)地震的影響程度。由于研究區(qū)屬于地震高發(fā)區(qū)域，因此地震是該地區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)育最為重要的誘發(fā)因素。按地震烈度將研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)如圖8所示。

圖8 地震基本烈度分級(jí)Fig.8 Classification of basic seismic intensity

3.3 易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)層次分析法，將滑坡發(fā)育的影響因子進(jìn)行兩兩對(duì)比，可得到各因子的判斷矩陣，即各因子的相對(duì)貢獻(xiàn)程度判別矩陣(表2)。

根據(jù)判別矩陣，應(yīng)用數(shù)學(xué)方法求出構(gòu)造矩陣的最大特征根，所對(duì)應(yīng)的特征向量體現(xiàn)了各評(píng)價(jià)因子的重要性，經(jīng)歸一化處理后即得到各影響因子的權(quán)重(表2)。

本次易發(fā)性分區(qū)時(shí)，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)打分所構(gòu)建的評(píng)價(jià)因素得到的判別矩陣，計(jì)算可得：λmax=8.26, 一致性指標(biāo)IC=0.05, 隨機(jī)一致性指標(biāo)IR=1.12,IC/IR=0.03。IC/IR<0.1，可知該判別矩陣具備滿意的一致性，可以在滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)時(shí)使用。而加權(quán)信息量的值為因子的權(quán)重與信息量值相乘得到，再根據(jù)加權(quán)信息量值對(duì)滑坡的易發(fā)性進(jìn)行分級(jí)。運(yùn)用GIS空間分析功能來(lái)確定滑坡災(zāi)害易發(fā)性區(qū)域，經(jīng)運(yùn)算處理得到滑坡易發(fā)性分區(qū)結(jié)果(圖9)。

表2 因子權(quán)重的配對(duì)比較矩陣Table 2 Pair-wise comparison matrix for factor weights

圖9 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.9 Evaluation of landslide susceptibility of the research area

高易發(fā)區(qū)主要為康定、寶興、理縣至汶川、茂縣等地區(qū)，面積 7 255 km2，占研究區(qū)面積7.9%，其中發(fā)育滑坡災(zāi)害數(shù)量達(dá)到42.4%(353處)。分析其原因，主要是該區(qū)域內(nèi)地層巖性條件較差，軟硬巖互層較多，地貌上處于高差變化較大的陡緩過(guò)渡帶，為滑坡災(zāi)害的形成提供了充分的物源條件和地形條件。此外，該地段處于龍門山斷裂帶，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，地震活動(dòng)頻繁，也是該地區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)育的重要原因。

較高易發(fā)區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)程度有所降低，主要分布在高易發(fā)區(qū)周邊，其面積占研究區(qū)面積21.8%，發(fā)育滑坡災(zāi)害228處。

中等易發(fā)區(qū)則主要分布在道孚至康定區(qū)域，占研究區(qū)20.5%，發(fā)育滑坡災(zāi)害109處。該地區(qū)地貌差異變化較大，導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境變化較大，其次斷裂帶分布也較多，是該地區(qū)滑坡災(zāi)害發(fā)育的主要原因。此外，在汶川和理縣區(qū)域也有部分中等易發(fā)區(qū)域。

研究區(qū)主要以較低易發(fā)區(qū)與低易發(fā)區(qū)為主，其面積分別占28.7%和21%，其中災(zāi)害點(diǎn)比例分別為9.9%和7.2%，災(zāi)害發(fā)育程度低。

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果精度分析

對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果精度進(jìn)行評(píng)價(jià)是證明評(píng)價(jià)結(jié)果合理性和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。本文選用目前廣泛運(yùn)用的ROC曲線[22]對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)價(jià)。ROC曲線是以預(yù)測(cè)得到的值作為判據(jù)值，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到其靈敏度和特異性。通常以真陽(yáng)性率(即靈敏度)作為縱坐標(biāo)，假陽(yáng)性率作為橫坐標(biāo)繪制而成，曲線下的面積(area under curve)比率被表示為rauc。不難發(fā)現(xiàn)，該曲線越靠左上角，則rauc越大，代表著評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果的精度越高，當(dāng)rauc為1時(shí)，代表評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)的結(jié)果與實(shí)際完全符合；而rauc越小，則精度越低。在MATLAB中輸入加權(quán)信息量模型的預(yù)測(cè)值和診斷值并繪制得到ROC曲線和rauc值(圖10)，rauc=83.6%，認(rèn)為該評(píng)價(jià)結(jié)果精度較高，效果良好，可用于該地區(qū)的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)。

圖10 滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)ROC曲線Fig.10 ROC curve of prediction of landslide susceptibility

4 結(jié) 論

a.以川西高原地貌過(guò)渡帶為研究區(qū)，基于因素相關(guān)性分析，從地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性的內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境因素和地震活動(dòng)的誘發(fā)因素出發(fā)，選取地層、巖性硬度、坡度、海拔高度、坡向、與斷裂帶的距離、地震烈度等7項(xiàng)因子，建立災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，開展滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，結(jié)果表明易發(fā)性分區(qū)與實(shí)際較為吻合。該評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)研究區(qū)滑坡災(zāi)害的防治提供了一定的參考和依據(jù)。

b.根據(jù)專家評(píng)價(jià)打分的方法，引入了專家經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)各因子對(duì)滑坡發(fā)育的貢獻(xiàn)程度比較，構(gòu)建因子比較結(jié)果矩陣，求得各影響因素的權(quán)重，結(jié)果表明對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育影響最大的因子主要為坡度、海拔高度和地層、與斷裂帶的距離，影響最小的因素為巖性硬度和地震烈度。

c.基于GIS平臺(tái)得到了研究區(qū)的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果，按易發(fā)程度分為高、較高、中等、較低、低共5級(jí)。其中高易發(fā)區(qū)位于康定、寶興、理縣至汶川、茂縣等地區(qū)，面積7 255 km2，占總面積7.9%；較低易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)占比面積最大，分別占的28.7%和21%。