陜西省地質(zhì)災(zāi)害與影響因素相關(guān)性研究

周靜靜，趙法鎖，李 輝，劉海南，張曉敏，祝艷波

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.國土資源部礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機(jī)理與防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，陜西 西安 710054)

陜西省位于中國西北內(nèi)陸，受其復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件和內(nèi)陸季風(fēng)氣候，以及不合理的人類活動(dòng)等的影響，全省地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料[1-2]顯示：2000-2016年期間，陜西省內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害共計(jì)8 193處，其中滑坡災(zāi)害的占比達(dá)到60.76%，最為發(fā)育；其次是崩塌、泥石流、地裂縫、地面塌陷和地面沉降，占比依次為15.84%，14.77%，5.61%，2.98%和0.04%。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律及其影響因素的研究做了大量工作。寧奎斌等[1]對(duì)2000-2016年間陜西省發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了其分布規(guī)律及變化趨勢(shì)；Lee S, Carrara A等[3-5]研究了GIS技術(shù)在滑坡易發(fā)性分析中的應(yīng)用；王雁林等[6]在GIS技術(shù)平臺(tái)下，對(duì)陜西省地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃做了初步研究；白世彪等[7]研究了三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響因素相關(guān)性，研究過程發(fā)現(xiàn)相關(guān)性系數(shù)大于1時(shí)表示相關(guān)性較高，小于1表示相關(guān)性較差；張茂省[8]、趙法鎖[9]、強(qiáng)菲[10]、張曉敏等[11]均對(duì)陜西省不同區(qū)域進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害影響因素的分析研究。

前人對(duì)陜西省的地質(zhì)災(zāi)害的研究工作在研究范圍上大多以縣區(qū)或者某地貌單元為單位，在研究內(nèi)容上多以單因素或個(gè)別影響因素為對(duì)象，資料較為分散，缺乏全省性地質(zhì)災(zāi)害影響因素相關(guān)性的研究。本文在前人的工作基礎(chǔ)上，從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文、人類工程活動(dòng)等5個(gè)影響因素入手，基于Arcgis平臺(tái)建立了陜西省地質(zhì)災(zāi)害的空間分布和其影響因素的數(shù)據(jù)庫，將各影響因素和陜西省地質(zhì)災(zāi)害的空間分布進(jìn)行疊加分析(圖1)，利用要素轉(zhuǎn)柵格工具將各要素轉(zhuǎn)換為50 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行重分類，統(tǒng)計(jì)柵格數(shù)，不同影響因素分區(qū)中有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的柵格數(shù)占比(m)與沒有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的柵格數(shù)占比(n)的比值(m/n)即相關(guān)性系數(shù)，來反應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害和影響因子之間的相關(guān)性[7]。陜西省的總柵格數(shù)為8 223×104個(gè)，其中有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的柵格數(shù)目為5 621個(gè)。

1 地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害

1.1 地貌與地質(zhì)災(zāi)害

陜西省地貌形態(tài)復(fù)雜，自北向南根據(jù)地貌類型和區(qū)域差異，分為四個(gè)地貌區(qū)，即鄂爾多斯高原，隴東-陜北黃土高原，汾渭盆地和陜南秦巴山區(qū)。陜西省地質(zhì)災(zāi)害的空間分布與地貌間的關(guān)系見表1。表1中可見，其中陜南秦巴山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害最多，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害柵格密度達(dá)到85%以上。從相關(guān)性來看只有陜南秦巴山區(qū)該地貌單元的相關(guān)性系數(shù)大于1，可見該區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害概率最大，該地貌類型對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響最大。結(jié)果符合地質(zhì)災(zāi)害在空間上分布呈現(xiàn)南多北少的特點(diǎn)[11]。

表1 地貌與地質(zhì)災(zāi)害分布關(guān)系

圖1 各影響因素與地質(zhì)災(zāi)害分布疊加圖

1.2 地形與地質(zhì)災(zāi)害

地形是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生影響最大的因素之一。陜西省地形特點(diǎn)是南北長、東西窄，地勢(shì)上南北高，中部低。文中通過DEM數(shù)據(jù)提取出高程、坡度、坡向和曲率4個(gè)影響因子，各因子與地質(zhì)災(zāi)害分布的相關(guān)性如圖2所示。

陜西省地形高程范圍為157～3 748 m，全省地質(zhì)災(zāi)害在高程區(qū)間上呈不均勻分布。由于部分區(qū)域海拔較高，人跡罕至，發(fā)生災(zāi)害較少且為自然災(zāi)害，故本文在統(tǒng)計(jì)時(shí)不考慮該區(qū)域，文中研究的高程范圍為187～2 400 m。由圖1可見高程在157～400 m和400～800 m這兩個(gè)高程區(qū)間內(nèi)的相關(guān)性系數(shù)都大于1，說明這兩個(gè)高程區(qū)間內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率大，其中以400～800 m區(qū)間內(nèi)的相關(guān)性最高，地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育。隨著高程的增大，其與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性大體上呈減弱的趨勢(shì)，800 m以上的區(qū)間內(nèi)相關(guān)性系數(shù)均小于1，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率較小。

坡度是一個(gè)表示地表單元陡緩程度的指標(biāo)，其大小決定了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)在坡面方向上的分量，是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)重要因素[12]。陜西省地形坡度分布在0°～71.387 5°范圍內(nèi)，文中對(duì)柵格數(shù)據(jù)重分類時(shí)以10°為間隔，將地形坡度劃分為0～10°，10°～20°，20°～30°，30°～40°，40°～50°和大于50°6個(gè)區(qū)間，圖1中可見10°～20°，20°～30°，30°～40°和大于50°的4個(gè)區(qū)間內(nèi)相關(guān)性系數(shù)均大于1，且其中20°～30°區(qū)間內(nèi)的相關(guān)性最高，系數(shù)為1.47，其次為30°～40°區(qū)間，相關(guān)性系數(shù)為1.27，說明這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)為地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)。

坡向不同決定著斜坡上的水熱及氣候等條件的不同[13]，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響不容忽視。在GIS平臺(tái)中，將坡向分為9個(gè)單元區(qū)，其中值為-1代表地表為平面，除平面外的區(qū)域，按照45°的區(qū)間值來劃分為8個(gè)方向，分別為正東、正南、正西、正北和東南、西南、西北、東北。其中在東南、南、西南以及西四個(gè)方向的相關(guān)性系數(shù)均大于1，說明這4個(gè)坡向上的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較強(qiáng)烈。這其中地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育的區(qū)域中有三個(gè)為朝南方向，稱為陽坡。陽坡因?yàn)槭艿饺照諘r(shí)間較其他坡向斜坡更長，且光照也更為強(qiáng)烈，坡面溫度較高，晝夜溫差較大，從而導(dǎo)致坡體的含水率與其他坡向不同，風(fēng)化程度更為強(qiáng)烈，更有利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[14]。

地表曲率即為坡度的變化率，其在一定程度上決定了地表徑流的匯集。曲率值為正，表示該柵格處的地表向上凸，即凸型坡；曲率為負(fù)，表示該柵格處的地表向下凹，即凹型坡；曲率值為0時(shí)，表示該柵格處的地表坡度沒有變化。曲率的絕對(duì)值越大說明該地表處越陡峻。陜西省的地表曲率范圍值在-9.120 5～10.736 6之間，大部分地表曲率在-1 ～ 1之間，占到總柵格數(shù)的93.03%。曲率為負(fù)值的柵格數(shù)占到51.6%，略高于凸型坡。由圖中可見，-3～-1和1～10.736 6之間的相關(guān)性系數(shù)大于1,即相關(guān)性較高；凸型坡與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性與凹型坡相比相對(duì)較高。

2 地層巖性與地質(zhì)災(zāi)害

陜西省地跨華北、秦嶺和揚(yáng)子三個(gè)地層區(qū)。地質(zhì)災(zāi)害的分布與地層巖性的相關(guān)性關(guān)系見表2。由表可見，地質(zhì)災(zāi)害在全省出露的地層巖性區(qū)內(nèi)均有分布，但差異較大，分布不均。各地層中有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的柵格占比在10%以上的有第四系、泥盆系、志留系、奧陶系、寒武系和元古界，而與地質(zhì)災(zāi)害分布相關(guān)性系數(shù)大于1的有二疊系、石炭系、泥盆系、志留系、奧陶系、寒武系和元古界。全省中第四系分布最廣，柵格占比達(dá)到45.16%，但其與地質(zhì)災(zāi)害分布相關(guān)性最弱，計(jì)算所得的相關(guān)性系數(shù)僅為0.32。各地層中地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的是在奧陶系，其中有災(zāi)害點(diǎn)分布的柵格數(shù)目為1 205個(gè)，占總災(zāi)點(diǎn)柵格數(shù)的21.44%，且其相關(guān)性最高，系數(shù)達(dá)到3.73，遠(yuǎn)大于1。

3 地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)災(zāi)害

3.1 斷裂構(gòu)造與地質(zhì)災(zāi)害

陜西省位于中國南北地質(zhì)銜接與東西地質(zhì)轉(zhuǎn)變的樞紐區(qū)，構(gòu)造復(fù)雜，類型齊全，尤以秦嶺褶皺系最為突出。斷裂構(gòu)造對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響表現(xiàn)在其性質(zhì)規(guī)模上?？臻g上與斷裂帶的之間距離決定了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度。本文在斷裂帶附近構(gòu)造距離為1 000，2 000，3 000，4 000和5 000 m的緩沖區(qū)，分別統(tǒng)計(jì)緩沖區(qū)內(nèi)發(fā)生災(zāi)害的柵格數(shù)(表3)。表3中可見，隨著緩沖區(qū)距離的增大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度隨之減小，相關(guān)性系數(shù)減小。距離斷裂帶2 000 m內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度相對(duì)較高，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的柵格數(shù)占比超過一半，達(dá)到53.55%。距離在1 000 m內(nèi)的緩沖區(qū)中，斷裂構(gòu)造和地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性系數(shù)為2.56，相關(guān)性最高，影響最大。

圖2 各地形因子與地質(zhì)災(zāi)害分布關(guān)系圖

地層巖性總柵格數(shù)/個(gè)占比/%發(fā)生災(zāi)害不發(fā)生災(zāi)害柵格數(shù)/個(gè)比例m/%柵格數(shù)/個(gè)比例n/%m/n第四系3713239245.1681214.453713158045.160.32第三系14107221.72510.9114106711.720.53白堊系29411323.581041.8529410283.580.52侏羅系32766793.98861.5332765933.980.38三疊系967741911.772264.02967719311.770.34二疊系12225581.49901.6012224681.491.08石炭系10429451.27961.7110428491.271.35泥盆系63903577.7781214.4563895457.771.86志留系30718163.7463811.3530711783.733.04奧陶系47222815.74120521.4447210765.743.73寒武系30436193.7064611.4930429733.703.11古生界未分13076091.591071.9013075021.591.20元古界62578597.6170012.4562571597.611.64太古界7353600.89480.857353120.890.95總計(jì)82232748100562110082227127100

表3 斷裂構(gòu)造與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

3.2 地震烈度與地質(zhì)災(zāi)害

陜西省分布有渭河平原地震帶、六盤山地震帶、天水-蘭州地震帶。1949年以來，陜西省地震活動(dòng)強(qiáng)度和頻度均偏低，最大震級(jí)為1959年韓城5.4級(jí)地震，造成大量崩滑災(zāi)害；此外的地震均未超過5級(jí)，屬于近期地震活動(dòng)偏低的省區(qū)之一。根據(jù)各市縣抗震設(shè)防烈度，全省可劃分為6度，7度，8度共三個(gè)區(qū)。地震烈度與地質(zhì)災(zāi)害分布的疊加圖見圖1 h，不同烈度區(qū)內(nèi)發(fā)生災(zāi)害的柵格數(shù)統(tǒng)計(jì)見表4。表4中見，6度區(qū)面積占全省的64.25%，發(fā)生災(zāi)害的柵格數(shù)也占到了全省的67.32%，該區(qū)域相關(guān)性系數(shù)大于1，其與該區(qū)面積占比較大存在一定關(guān)系。而作為地震烈度更大的7度區(qū)和8度區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性系數(shù)均小于1，其中8度區(qū)主要分布在關(guān)中平原，該區(qū)域地勢(shì)平坦，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度不高。綜上可知，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育與地震設(shè)防烈度的相關(guān)性不大。

表4 地震烈度與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系

表5 年平均降雨量與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系

表6 水系與地質(zhì)災(zāi)害分布關(guān)系

表7 交通線路與地質(zhì)災(zāi)害空間分布關(guān)系

4 氣象水文與地質(zhì)災(zāi)害

4.1 氣象與地質(zhì)災(zāi)害

陜西省處于中緯度區(qū)，屬典型的大陸性季風(fēng)氣候。全省多年平均氣溫5.9～15.7℃，自北向南遞增。年降水量分布由全省南部到北部遞減，多年平均降水量為666.9 mm，分布極不均勻。巴山地區(qū)的年降水量全省最多，達(dá)到900～1 600 mm，而陜北長城沿線區(qū)域的年降水量僅為300～450 mm[15]。且秦巴山區(qū)受到地勢(shì)高差大的影響，常形成局部地區(qū)暴雨，極易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

全省地質(zhì)災(zāi)害分布與年平均降雨量的關(guān)系見表5。全省有41.8%的區(qū)域年平均降雨量在500～700 mm區(qū)間內(nèi)；降雨量在700～900 mm范圍內(nèi)區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)目最多，柵格數(shù)占比為52.59%；隨著年平均降雨量的增大，地質(zhì)災(zāi)害越發(fā)育，兩者相關(guān)性呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。地質(zhì)災(zāi)害分布與年平均降雨量大于700 mm區(qū)域的相關(guān)性系數(shù)均大于1，降雨量的多少對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響可見一斑。

4.2 水文與地質(zhì)災(zāi)害

陜西省水系在地域分布上以秦嶺為分界線，秦嶺以南為長江水系，秦嶺以北為黃河水系。水系對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響很大，主要是因?yàn)楹恿鲿?huì)侵蝕坡體前緣形成臨空面，從而削減了坡體的抗滑力，同時(shí)還為泥石流災(zāi)害提供了充足的源動(dòng)力及物質(zhì)來源[16]。文中依據(jù)水系分布圖，沿河流構(gòu)造距離分別為400，800，1 200，1 400，1 600，2 000，2 400 m的緩沖區(qū)，統(tǒng)計(jì)各區(qū)域中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的柵格數(shù)量，結(jié)果見表6。表中可見，沿河流兩岸400 m緩沖區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害所占柵格數(shù)為602，占河流兩側(cè)2 400 m范圍內(nèi)災(zāi)點(diǎn)柵格數(shù)的33.44%，發(fā)育程度強(qiáng)烈。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度沿遠(yuǎn)離河流方向減弱，與河流兩側(cè)緩沖區(qū)距離呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)隨著緩沖區(qū)距離的增大而減小。

5 人類工程活動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鄉(xiāng)建設(shè)、道路施工、礦產(chǎn)及地下水等自然資源的開采等人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響越來越劇烈。其中道路建設(shè)近年來對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響愈發(fā)嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在建設(shè)過程中開挖坡腳，改變坡形，形成大量人工邊坡，使得坡體前緣臨空，以及在施工過程中的不合理爆破、產(chǎn)生的廢渣堆放不合理等因素加劇地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。文中通過對(duì)交通線路構(gòu)造距離為500，1 000，1 500，2 000，2 500 m的緩沖區(qū)，統(tǒng)計(jì)各緩沖區(qū)中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的柵格數(shù)量，來分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育與交通線路乃至人類工程活動(dòng)間的相關(guān)性關(guān)系，結(jié)果見表7。由地調(diào)資料可知，地質(zhì)災(zāi)害沿著交通線路兩側(cè)近似呈現(xiàn)出“帶狀”分布的特點(diǎn)。表7可見，交通線路兩側(cè)500 m范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育，地質(zhì)災(zāi)害柵格數(shù)占比為16.87%，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育度沿著緩沖區(qū)距離增大的方向下降。在交通線路兩側(cè)2 500 m范圍內(nèi)，與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性均大于1，其中500 m范圍內(nèi)相關(guān)性最大。

6 結(jié) 論

本文利用GIS技術(shù)通過柵格重分類，統(tǒng)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害柵格數(shù)計(jì)算地質(zhì)災(zāi)害與各影響因素的相關(guān)性系數(shù)，從而得出陜西省地質(zhì)災(zāi)害空間分布和影響因素之間的相關(guān)性。

(1)陜西省地貌與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性由南至北逐次降低，其中在陜南秦巴山區(qū)最為發(fā)育，其次為汾渭盆地。高程為400～800 m，坡度為20°～30°，坡型曲率絕對(duì)值大于1的陽坡為陜西省地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)域。

(2)全省中各地層巖性中第四系占比最大，但是從相關(guān)性來看，志留系、奧陶系、寒武系等地層與地質(zhì)災(zāi)害分布的相關(guān)性更大。

(3)地震設(shè)防烈度與陜西省地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的相關(guān)性不大。

(4)降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害空間分布的影響較大，700 mm以上的年平均降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育相關(guān)性較大。

(5)地質(zhì)災(zāi)害沿著斷裂帶、河流和交通線路呈現(xiàn)出“帶狀”分布，與斷裂帶(河流、交通線路)的距離決定了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度，沿著遠(yuǎn)離斷裂帶(河流、交通線路)的方向減弱，與斷裂帶(河流、交通線路)兩側(cè)緩沖區(qū)距離呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。