甘肅隴南石雞壩鄉(xiāng)幅地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

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)

0 引 言

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)。

1 地質(zhì)環(huán)境背景與災(zāi)害發(fā)育特征

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

2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

2.1 信息量模型

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:

2.2 評(píng)價(jià)過程

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

3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

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

4 結(jié) 論

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。