張 超,田運(yùn)濤,張宇飛
(1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051; 2. 山東省魯南地質(zhì)工程勘察院,山東 濟(jì)寧 272100)
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是指某一地區(qū)過去和未來易于發(fā)生滑坡的傾向性或敏感性,即對(duì)某一地區(qū)現(xiàn)存或潛在滑坡的類型、體積(或面積)和空間分布的定量或定性評(píng)價(jià),也指某一地區(qū)已有滑坡復(fù)活或潛在滑坡發(fā)生的潛勢(shì)或可能性[1]。危險(xiǎn)性指可能導(dǎo)致潛在不良后果的狀況,主要指地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間概率、破壞力(強(qiáng)度)、速度、位移及其擴(kuò)展影響范圍。其中地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)涉及的影響因素,是決定本體穩(wěn)定程度強(qiáng)弱的內(nèi)在因素,包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)特征、斜坡結(jié)構(gòu)類型、河流侵蝕及植被覆蓋條件等;而危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)側(cè)重外在誘發(fā)因素,包括降雨、地震及人類工程活動(dòng)等。
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法較多,歸納起來主要包括統(tǒng)計(jì)分析法[2]、層次分析法[3-4]、邏輯回歸法[5-6]、權(quán)重指標(biāo)法[7-9]、遞進(jìn)分析法[10]、信息量法[11]和其他方法[12-15]。每種方法都具備各自的特點(diǎn)及適用性,但也存在不足之處。信息量法,相對(duì)來說比較客觀,但是所采用的災(zāi)害數(shù)據(jù)多是變形破壞后趨穩(wěn)的,會(huì)產(chǎn)生一定的誤差;權(quán)重指標(biāo)法在確定權(quán)重時(shí),存在主觀判斷,不同專家針對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行評(píng)判,結(jié)果往往差別較大;采用確定性模型的評(píng)價(jià)方法需要計(jì)算不同類型邊坡的穩(wěn)定性,再進(jìn)行推導(dǎo),實(shí)施難度較大。但無論何種方法,評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性都取決于詳實(shí)的災(zāi)害編錄數(shù)據(jù)、災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境背景數(shù)據(jù)以及對(duì)兩者內(nèi)在關(guān)聯(lián)性的精確分析。
由于崩塌滑坡和泥石流的成因機(jī)理不同,故分別展開危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。采用信息量法對(duì)石雞壩鄉(xiāng)幅崩滑進(jìn)行危險(xiǎn)新評(píng)價(jià),原因如下:① ArcGIS平臺(tái)在空間模型計(jì)算和圖形表達(dá)等方面具備明顯優(yōu)勢(shì),在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)方面應(yīng)用較為廣泛;② 信息量法采用源于信息科學(xué)的計(jì)算公式,計(jì)算原理與公式推導(dǎo)簡(jiǎn)易,便于操作,評(píng)價(jià)因子數(shù)量沒有限制,各個(gè)因子權(quán)重由公式直接計(jì)算,計(jì)算過程方便快捷,避免了人為主觀判斷,評(píng)價(jià)結(jié)果較為客觀,經(jīng)過多年發(fā)展,該種方法在地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)測(cè)方面已趨于成熟并得到廣泛認(rèn)同。
泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)選用信息量法和定性評(píng)價(jià)方法結(jié)合的方式進(jìn)行,采用單溝尺度的因素評(píng)分法和信息量法確定的泥石流流域范圍內(nèi)潛在物源區(qū)來綜合評(píng)判泥石流的易發(fā)性,然后通過誘發(fā)因素的強(qiáng)弱來進(jìn)行單溝尺度的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。
石雞壩鄉(xiāng)幅位于位于甘肅文縣與四川九寨溝縣的交界部位,總面積431.5 km2。地勢(shì)上總體西北高,東南低,高差2 500 m,可劃分為侵蝕構(gòu)造高山區(qū)、侵蝕構(gòu)造中低山區(qū)及侵蝕堆積河谷地貌(圖1)。高山區(qū)位于圖1中西南部四川勿角自然保護(hù)區(qū)一帶,侵蝕堆積河谷地貌沿河分布,中低山區(qū)分布于圖1中其他地區(qū)。該地氣候?qū)俦眮啛釒虮睖貛н^渡區(qū),具有垂直氣候帶明顯和干濕季分明兩大特點(diǎn)。雨量分布不均,多年平均降水量為425~625 mm,降水總趨勢(shì)自東南向西北減少,從淺山河谷向高山增加。
圖1 石雞壩鄉(xiāng)幅地質(zhì)災(zāi)害工程地質(zhì)條件Fig. 1 Engineering geologic conditions of geo-hazard in Shijiba town
受到秦巴山地和青藏高原隆起的雙重影響,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,斷層較發(fā)育,且褶皺多以復(fù)式背斜、復(fù)式向斜形式出現(xiàn),研究區(qū)處于文縣山字型西翼,由二疊紀(jì)、三疊紀(jì)構(gòu)成的復(fù)式褶皺及其南側(cè)的壓扭性斷裂組成,總體走向NW50°,集中發(fā)育于圖幅南部地區(qū),其中東南部發(fā)育兩條活動(dòng)性斷裂,延伸長(zhǎng)度在6 km左右。研究區(qū)出露地層巖性主要為第四系黃土類土、碎石土、三疊系砂巖、板巖、二疊系板巖、灰?guī)r、石炭系灰?guī)r、泥盆系砂礫巖、板巖。受強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,巖層傾角普遍偏大,多數(shù)在60°以上。根據(jù)其工程地質(zhì)特性,將其劃分為5類工程地質(zhì)巖組:Ⅰ.碎石土、卵礫石、風(fēng)積土,主要分布于白水江及其支流河谷和沿岸斜坡;Ⅱ.薄-中層軟硬相間的板巖、砂巖巖組,分布于東北部地區(qū);Ⅲ.薄-中層堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬灰?guī)r、板巖巖組,分布在白水江沿岸;Ⅳ.中-厚層堅(jiān)硬灰?guī)r、白云巖巖組,分布于西南部、中北部、東北部地區(qū);Ⅴ.薄-中層堅(jiān)硬石英砂巖、礫巖巖組,分布于東南部地區(qū)。
該區(qū)位于地震多發(fā)地區(qū),地殼運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出不勻性和間歇性上升的特點(diǎn),并伴隨著中強(qiáng)地震的發(fā)生。據(jù)史料記載,自公元278年至今研究區(qū)附近發(fā)生地震21次,其中大于5級(jí)的地震有11次,以1879年武都地震和2008年汶川地震震級(jí)最大,引發(fā)了大量規(guī)模大、危害性高的次生崩滑流地質(zhì)災(zāi)害。
據(jù)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目“隴南白水江流域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查”編錄數(shù)據(jù),該圖幅內(nèi)發(fā)育滑坡及隱患61處,以中大型基覆滑坡為主;崩塌及隱患30處,以中大型巖質(zhì)崩塌為主;泥石流及隱患77處,以中小型稀性泥石流為主。崩滑地質(zhì)災(zāi)害崩滑范圍和潛在威脅范圍總面積15.73 km2,泥石流流域范圍和沖洪積扇總面積133.88 km2,分別占圖幅面積3.65%、31.03%。對(duì)地質(zhì)災(zāi)害編錄數(shù)據(jù)進(jìn)行參評(píng)因素的逐項(xiàng)分析。其中崩滑與坡度關(guān)系,滑坡主要集中在15°~40°區(qū)間,崩塌主要集中在40°~54°區(qū)間;崩滑與坡高關(guān)系,滑坡主要集中在20~50 m區(qū)間,崩塌主要集中在25~80 m區(qū)間;崩滑與坡向關(guān)系,主要集中在北東、南、南西方向,以南西向最多;崩滑與工程地質(zhì)巖組關(guān)系,主要集中于第四系殘坡積碎石土和二疊系強(qiáng)風(fēng)化板巖、灰?guī)r巖體中;崩滑與斜坡結(jié)構(gòu)關(guān)系,飄傾坡、基巖覆蓋層集中發(fā)育,尤以基巖覆蓋層滑坡分布廣泛;崩滑與斷裂關(guān)系,活動(dòng)斷裂影響帶崩滑分布較密集,其余斷裂與崩滑發(fā)育相關(guān)性不高;與植被覆蓋率關(guān)系,植被覆蓋率與崩滑發(fā)育程度呈現(xiàn)出較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系;河流與道路切割坡腳處,崩滑發(fā)育比較密集;與年均降雨量關(guān)系,年均降雨量大的區(qū)域主要分布在圖幅東北和西南部,沿白水江一帶較小,與崩滑發(fā)育程度未呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性;與地震峰值加速度關(guān)系,地震峰值加速度0.3g區(qū)災(zāi)害發(fā)育較密集,其余地區(qū)地震加速度均為0.2g,未見明顯相關(guān)關(guān)系,見圖2。
圖2 致災(zāi)因子與地質(zhì)災(zāi)害分布關(guān)系Fig. 2 Relationship between disaster-causing factors and geo-hazard distribution
信息量模型(式1)屬于貝葉斯概率模型(或者雙變量分析)的一種,評(píng)價(jià)過程中可較好的反映成災(zāi)因素與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)聯(lián)性;通過定量評(píng)價(jià)能夠反映出各成災(zāi)因素的相對(duì)敏感程度和各成災(zāi)因素中不同要素區(qū)間的貢獻(xiàn)率大小。
(1)
式中:IAj→B為成災(zāi)因素A中第j區(qū)間地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的信息量值;Nj為成災(zāi)因素A中第j區(qū)間的地質(zhì)災(zāi)害面積值或?yàn)?zāi)點(diǎn)數(shù);Sj為災(zāi)要素A中第j區(qū)間的分布面積;S為區(qū)域總面積;N為區(qū)域內(nèi)崩滑地質(zhì)災(zāi)害總面積。
需要注意的是,信息量模型中IAj→B值可以有正負(fù)之分,“正值”表明該要素區(qū)間對(duì)地質(zhì)災(zāi)害形成的貢獻(xiàn)率大于區(qū)域平均值,有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生;“負(fù)值”表明該要素區(qū)間對(duì)地質(zhì)災(zāi)害形成的貢獻(xiàn)率小于區(qū)域平均值,不利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生;“0值”表明該要素區(qū)間對(duì)地質(zhì)災(zāi)害形成的貢獻(xiàn)率處于平均水平。
信息量模型能夠給出各影響要素排序,在易發(fā)性評(píng)價(jià)和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中對(duì)各要素區(qū)間進(jìn)行信息量重新賦值并進(jìn)行疊加運(yùn)算,通過對(duì)易發(fā)性、危險(xiǎn)性數(shù)值分布特征的統(tǒng)計(jì)分析并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律進(jìn)行4個(gè)級(jí)別(高、中、低、極低)的劃分。
The influence on the Q factor from scattering is mainly due to the surface roughness. It can be expressed as:
本次評(píng)價(jià)使用2015年2月SPOT6遙感數(shù)據(jù),分辨率1.5 m,對(duì)全區(qū)進(jìn)行了黃土類土、碎石土和植被覆蓋率解譯;區(qū)域地質(zhì)圖比例尺為1∶200 000,調(diào)查過程中進(jìn)行了工程地質(zhì)圖的修編;地形地貌數(shù)據(jù)來源于中科院數(shù)據(jù)云ASTER GDEM 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)。崩滑地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的計(jì)算依據(jù)影響因素統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,泥石流采用15因素評(píng)分法進(jìn)行單溝尺度評(píng)價(jià)。
在分析各影響因素對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征的基礎(chǔ)上,考慮其自身屬性,將地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)特征、斜坡結(jié)構(gòu)、河流侵蝕及植被覆蓋率等6類影響因素劃分為9種具體要素、43個(gè)要素區(qū)間進(jìn)行了信息量值計(jì)算,并按照計(jì)算結(jié)果由大到小進(jìn)行排序,以揭示不同要素區(qū)間對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響的強(qiáng)弱程度,見表1。
表1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度影響因素信息量計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of information quantity of influencing factors of geo-hazard susceptibility
地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生主要的影響要素區(qū)間分別為:活動(dòng)斷裂影響帶(0~1 500 m)、坡向南西向、工程地質(zhì)巖組中殘坡積碎石土、斜坡結(jié)構(gòu)中覆蓋層和飄傾坡、河流影響帶(干流0~800 m、一級(jí)支流0~500 m)、TM植被指數(shù)(0~0.27);次要影響要素區(qū)間分別為:地形坡度(13.5°~27.0°)、坡高(0~50 m)、坡向南向、工程地質(zhì)巖組中薄─中層堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬灰?guī)r、板巖巖組、TM植被指數(shù)(0.27~0.40)。
對(duì)各要素區(qū)間進(jìn)行信息量重新賦值并進(jìn)行疊加運(yùn)算,通過對(duì)易發(fā)性數(shù)值分布特征的統(tǒng)計(jì)分析并結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律,劃為為易發(fā)性高、中、低、極低四級(jí)區(qū)域,即得到易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果,見圖3。
圖3 石雞壩鄉(xiāng)幅地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)區(qū)劃Fig. 3 Geo-hazard susceptibility assessment division in Shijiba town
對(duì)人類工程活動(dòng)、區(qū)域降雨和地震3類誘發(fā)因素進(jìn)行信息量計(jì)算,根據(jù)要素自身屬性和空間分布特征,劃分為7個(gè)要素區(qū)間,并進(jìn)行排序,以揭示不同誘發(fā)要素區(qū)間對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)效應(yīng)的強(qiáng)弱程度(表2)。
表2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度誘發(fā)因素信息量計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of information quantity of risk inducing factors of geo-hazard
該地區(qū)屬于典型的高山峽谷區(qū),雨云受到高山的阻擋會(huì)產(chǎn)生較大的降雨,造成了高海拔地區(qū)年均降雨量較大,沿江溝谷處年均降雨量小的現(xiàn)象。該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)育于白水江沿岸,使得年均降雨量與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的相關(guān)性較差,需要對(duì)其信息量值進(jìn)行人為干預(yù)。信息量法計(jì)算各要素I值最大值在0.8左右,年均降雨量差值200 mm/a不會(huì)造成太大差別,故綜合考慮,將區(qū)域降雨中4個(gè)要素區(qū)間分別取值為0.5、0.6、0.7、0.8。則地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生主要誘發(fā)要素區(qū)間分別為:道路影響帶(國(guó)道、省道0~300 m、縣鄉(xiāng)道路0~200 m)、地震峰值加速度0.3 g、年平均降雨量>475 mm區(qū)域,與定性分析結(jié)果一致。
在易發(fā)性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上進(jìn)行疊加并進(jìn)行危險(xiǎn)性區(qū)劃,得到危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果見圖4。其中泥石流物源區(qū)位于降雨量大或地震加速度高值區(qū),植被覆蓋率低且與崩滑危險(xiǎn)性相吻合,其危險(xiǎn)性較易發(fā)性增大一個(gè)級(jí)別。
圖4 石雞壩鄉(xiāng)幅地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)區(qū)劃Fig. 4 Geo-hazard risk assessment division in Shijiba town
2)運(yùn)用Arcgis軟件的統(tǒng)計(jì)功能模塊對(duì)各級(jí)易發(fā)區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),結(jié)果如下:石雞壩鄉(xiāng)幅崩滑地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性高區(qū)域面積29.52 km2,分布于白水江沿岸及部分支流沿岸,占圖幅面積6.84%;易發(fā)性中等區(qū)域面積92.27 km2,分布于白水江、中路河沿岸坡體及圖幅東南部山區(qū),占圖幅面積21.38%;易發(fā)性低區(qū)域面積244.24 km2,占圖幅面積56.60%;易發(fā)性極低區(qū)域面積70.46 km2,占圖幅面積16.33%。
崩滑地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性高區(qū)域面積14.22 km2,分布于白水江中下段、中路河沿岸及圖幅東南部山體斜坡,占圖幅面積3.30%;危險(xiǎn)性中等區(qū)域面積51.05 km2,分布于白水江、中路河等支流沿岸,占圖幅面積11.83%;危險(xiǎn)性低區(qū)域面積95.32 km2,分布于白水江及其支流沿岸山體斜坡,占圖幅面積22.09%;危險(xiǎn)性極低區(qū)域面積270.93 km2,分布于其他地區(qū),占圖幅面積62.79%。
泥石流地質(zhì)災(zāi)害6條易發(fā)性高, 71條易發(fā)性中等, 1條易發(fā)性低; 17條危險(xiǎn)性高, 59條危險(xiǎn)性中等, 1條危險(xiǎn)性低,易發(fā)性高、危險(xiǎn)性高泥石流主要分布于圖幅東南部白水江沿岸。
3)根據(jù)石雞壩鄉(xiāng)幅地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果,使得地質(zhì)災(zāi)害防治工作更加聚焦:區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)性區(qū)域主要分布于白水江及其部分支流沿岸,在石雞壩鄉(xiāng)下游地區(qū)呈現(xiàn)集中分布的特點(diǎn),這些地區(qū)是地質(zhì)災(zāi)害防治的重點(diǎn),建議對(duì)該區(qū)域內(nèi)威脅重大的災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行工程治理,并輔之專業(yè)監(jiān)測(cè),同時(shí)加強(qiáng)人類工程活動(dòng)的管控,不允許削坡建廠,規(guī)范礦業(yè)活動(dòng)行為等;地質(zhì)災(zāi)害中等危險(xiǎn)性區(qū)域主要分布于河流、道路影響帶和局部斜坡,威脅主要交通干線,建議對(duì)目前處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的崩滑災(zāi)害體進(jìn)行治理,崩塌威脅路段可修建平硐或掛網(wǎng),滑坡威脅路段可通過修建抗滑樁或擋墻來加固,對(duì)處于基本穩(wěn)定或潛在的災(zāi)害體建議加強(qiáng)巡視和群專監(jiān)測(cè)進(jìn)行防治;物源區(qū)處于高位且人跡罕至的泥石流,是常規(guī)手段調(diào)查的空白區(qū),建議運(yùn)用InSAR手段對(duì)該區(qū)域進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè),以達(dá)到有備無患的目的,危險(xiǎn)性高的泥石流,建議修建多級(jí)擋墻,輔之以專業(yè)監(jiān)測(cè)手段來進(jìn)行防治,危險(xiǎn)性中等的泥石流,建議修建1~2級(jí)擋墻并輔之以簡(jiǎn)易監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),區(qū)內(nèi)多條坡面泥石流是雨季造成交通癱瘓的最大隱患,建議進(jìn)行斜坡復(fù)綠或在斜坡溝槽的基礎(chǔ)上修建快速導(dǎo)水通道,防治水土快速流失。加強(qiáng)科普宣傳的力度,尤其是處于地質(zhì)災(zāi)害中高危險(xiǎn)性區(qū)域內(nèi)的居民,使其在突發(fā)災(zāi)害面前能夠科學(xué)自救。