基于信息量法的金沙江峽谷段滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

侯峰媛， 吳 光， 張書豪

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610000)

隨著國家的發(fā)展政策逐步西移，在西部地區(qū)將進(jìn)入大規(guī)模的高速鐵路建設(shè)階段。而在西部地區(qū)，其地形地貌主要是復(fù)雜山區(qū)，山體高差大，地層巖性繁多且復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜且運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，不良地質(zhì)發(fā)育，為了施工建設(shè)的順利展開，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估價(jià)勢(shì)在必行。易發(fā)性分區(qū)可對(duì)研究區(qū)域滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測，為區(qū)域滑坡的防治規(guī)劃提供參考，也為該區(qū)域未來的國土開發(fā)及工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 信息量法簡介

信息量法是從信息理論中引出的一種統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法，廣泛用于環(huán)境地質(zhì)研究中,如滑坡、斜坡穩(wěn)定性的空間預(yù)測[1]。信息量法引入信息量值對(duì)各類滑坡影響因子在滑坡災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行定量描述，即定量計(jì)算各類影響因子對(duì)滑坡易發(fā)性的貢獻(xiàn)率，然后將各因子信息量值進(jìn)行疊加從而得到研究區(qū)域最終的易發(fā)性指數(shù)，實(shí)際操作時(shí)常用地理信息系統(tǒng)(GIS)進(jìn)行區(qū)域內(nèi)各類地質(zhì)因素的數(shù)據(jù)庫建立和統(tǒng)計(jì)處理。

信息量法計(jì)算的具體步驟如下：

(1)計(jì)算影響因子xi對(duì)發(fā)生滑坡災(zāi)害事件(A)提供的信息量值I(xi,A):

(1)

式中：P(xi|A)為滑坡發(fā)生條件下出現(xiàn)xi的概率值，P(xi)為研究區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)xi的概率值。實(shí)際操作時(shí)常用頻數(shù)進(jìn)行概率計(jì)算。

(2)

式中：S為研究區(qū)域內(nèi)劃分的評(píng)價(jià)單元總數(shù)，N為研究區(qū)域內(nèi)含有滑坡災(zāi)害的單元格總數(shù)，Si為研究區(qū)域內(nèi)含有影響因子xi的單元格數(shù)，Ni為分布在影響因子xi內(nèi)的滑坡災(zāi)害單元總數(shù)。

(2)計(jì)算各評(píng)價(jià)單元內(nèi)n種影響因子對(duì)滑坡易發(fā)性的貢獻(xiàn)率即總信息量值Ii:

(3)

(3)信息量結(jié)果的分級(jí)。通過自然間斷點(diǎn)分級(jí)法，找出信息量值的自然分界點(diǎn)，將研究區(qū)劃分成若干易發(fā)性不同的區(qū)域[2]。

2 基于信息量法的滑坡易發(fā)性分區(qū)

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省金沙江峽谷區(qū)，以虎跳峽為中心，東至玉龍雪山西峰，西至麗江市玉龍納西族自治縣四興村，南至大垌鎮(zhèn)，北至哈巴雪山南峰，總面積1 281.6 km2(圖1)。區(qū)內(nèi)地形險(xiǎn)峻，高原、 盆地交錯(cuò)分布，地面高程多在2 000～5 000 m。研究區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，平均年溫度為14 ℃，年平均降雨量約為600～900 mm，地層發(fā)育較全，主要有奧陶系石英片巖、志留系砂巖、泥盆系灰?guī)r夾片巖、石炭系大理巖、二疊系玄武巖、三疊系第四系冰磧層，河流和山脈的伸展方向與構(gòu)造線方向 (近SN向)基本一致。區(qū)域內(nèi)滑坡地質(zhì)災(zāi)害頻繁，主要有彪水巖滑坡、中義滑坡、崩當(dāng)滑坡，本次研究結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，選取266個(gè)滑坡點(diǎn)作為樣本進(jìn)行滑坡易發(fā)性分區(qū)。

2.2 滑坡易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)

滑坡影響因素多種多樣，本次選取與其相關(guān)性較大的坡度、起伏度、地層巖性、構(gòu)造作用、河流作用、人類工程活動(dòng)、降雨量、植被覆蓋率，共八類影響因素進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)[3]，基于GIS平臺(tái)，搜集區(qū)域信息，繪制各影響因素的柵格數(shù)據(jù)，柵格大小統(tǒng)一為30 m×30 m。

圖1 研究區(qū)概況

2.2.1 地形坡度

地形坡度與滑坡發(fā)生有密不可分的關(guān)系，地形坡度較小的地區(qū)，地勢(shì)相對(duì)平緩，不易發(fā)生滑坡災(zāi)害；隨著地形坡度的增加，斜坡提供的勢(shì)能也會(huì)逐漸增大，重力作用下，勢(shì)能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。采用ArcGIS的表面分析功能從區(qū)域DEM圖中提取坡度，研究區(qū)內(nèi)最大坡度為76 °，以5 °為區(qū)間繪制坡度-滑坡數(shù)量圖(圖2)，坡度分級(jí)點(diǎn)定義在拐點(diǎn)10 °、15 °、20 °、35 °、40 °、45 °處，將區(qū)域坡度分為7類。

圖2 坡度-滑坡數(shù)量分布

2.2.2 地形起伏度

地形起伏度定義為單位面內(nèi)最高海拔和最低海拔的差值，即地面相對(duì)高差。本次采用ArcGIS中的鄰域分析提取區(qū)域DEM最高點(diǎn)與最低點(diǎn)，并用柵格計(jì)算器將之相減得到研究區(qū)的地形起伏度。研究區(qū)內(nèi)最大起伏度為312 m，以15 m為區(qū)間，起伏度分級(jí)點(diǎn)定義在拐點(diǎn)15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、90 m、105 m處，將起伏度分為8類。

2.2.3 巖土體類型

巖土體類型是滑坡發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)和重要內(nèi)因，本次巖土體分類主要考慮巖石類型、巖石強(qiáng)度和巖體結(jié)構(gòu)等因素。研究區(qū)內(nèi)不同地層共有34種，結(jié)合實(shí)地調(diào)查情況將其合并整理成7種巖土體類型，分別為堅(jiān)硬塊狀大理巖；較堅(jiān)硬白云巖、石灰?guī)r碳酸鹽組；較堅(jiān)硬碳酸鹽與砂巖互層；弱風(fēng)化玄武巖、片理化玄武巖組；層狀板巖夾砂巖組；石英片巖；冰磧層及其他。

2.2.4 構(gòu)造作用

構(gòu)造斷層一定程度上控制著區(qū)域巖土體的力學(xué)強(qiáng)度、幾何形態(tài)等，域滑坡發(fā)育有關(guān)。區(qū)域內(nèi)主要斷裂帶有鶴慶-洱源斷裂帶，麗江-劍川斷裂帶，龍?bào)?喬后斷裂帶，中甸斷裂帶。對(duì)所有斷層進(jìn)行矢量化，對(duì)其兩側(cè)做多層緩沖區(qū)，以500 m為區(qū)間，分級(jí)點(diǎn)定義在拐點(diǎn)500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m處，將構(gòu)造作用圖層分為8類。

2.2.5 人類工程活動(dòng)

距道路的遠(yuǎn)近反映出人類工程活動(dòng)的強(qiáng)弱，而人類工程活動(dòng)是邊坡破壞不可忽視的外在動(dòng)力，本次選用研究區(qū)內(nèi)各省道和村道數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，并對(duì)其兩側(cè)做多層緩沖區(qū)，以500 m為區(qū)間，分級(jí)點(diǎn)定義在拐點(diǎn)500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m處，將人類工程活動(dòng)圖層分為8類。

2.2.6 河流作用

河流的沖刷和淘蝕可以改變邊坡形態(tài)，形成臨空面或侵蝕邊坡下部軟弱層，從而影響邊坡穩(wěn)定性，引發(fā)滑坡。本次選用研究區(qū)內(nèi)各河流數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化，并對(duì)其兩側(cè)做多層緩沖區(qū)，以500 m為區(qū)間，分級(jí)點(diǎn)定義在拐點(diǎn)500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m處，將河流作用圖層分為8類。

2.2.7 降雨量

降雨入滲影響邊坡穩(wěn)定性，且邊坡在雨季易產(chǎn)生滑坡，因此將降雨量列入影響因子。從國家氣象信息中心下載研究區(qū)各氣象站降雨量數(shù)據(jù)，基于GIS平臺(tái)進(jìn)行插值分析，得到區(qū)域降雨量矢量圖，區(qū)域多年平均降雨量最大值為948 mm，最小值為674 mm，以100 mm為區(qū)間，分級(jí)點(diǎn)定義在拐點(diǎn)600 mm、700 mm、800 mm、900 mm處，將降雨量分為5類。

2.2.8 植被覆蓋指數(shù)NDVI

研究表明，滑坡的發(fā)育常常與植被的發(fā)育狀態(tài)有關(guān)聯(lián)，而NDVI是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋率的最佳指示因子，結(jié)果限定在[-1,1]之間，負(fù)值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對(duì)可見光高反射；0表示有巖石或裸土等；正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大[4]。本次采用ENVI軟件對(duì)區(qū)域DEM提取植被指數(shù)，按照自然斷點(diǎn)法將其分為7類。

2.3 滑坡易發(fā)性分區(qū)及評(píng)價(jià)

2.3.1 滑坡易發(fā)性分區(qū)

本次研究共采用8類影響因子，將各影響因子分級(jí)圖層轉(zhuǎn)化為30 m×30 m柵格單元數(shù)據(jù)，各柵格見圖3。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用ArcGIS的提取工具，得到滑坡點(diǎn)在各級(jí)影響因子類別中的分布情況，根據(jù)公式(2)計(jì)算各級(jí)指標(biāo)的信息量值(表1)。將各信息量值賦值到柵格屬性中，應(yīng)用ArcGIS的柵格計(jì)算器進(jìn)行疊加處理，得到研究區(qū)最終的信息量柵格圖，應(yīng)用自然斷點(diǎn)法將信息量劃分為5個(gè)等級(jí)，低易發(fā)區(qū)[-7.264,-3.176]、較低易發(fā)區(qū)[-3.176,-1.677]、中易發(fā)區(qū)[-1.677,-0.314]、較高易發(fā)區(qū)[-0.314,1.140]、高易發(fā)區(qū)[1.140,4.320](圖4)。

(a)坡度

(b)起伏度

(c)地層巖性

(d)構(gòu)造作用

(e)人類工程活動(dòng)

(f)河流作用

(h)降雨量

表1 各影響因子分級(jí)信息量

圖4 研究區(qū)滑坡易發(fā)性分區(qū)

2.3.2 滑坡分區(qū)評(píng)價(jià)

滑坡易發(fā)性分區(qū)結(jié)果表明，金沙江峽谷區(qū)滑坡高發(fā)區(qū)主要位于金沙江沿岸，呈帶狀分布，而沿岸山體陡峭，風(fēng)化作用嚴(yán)重，河流作用活躍，加之人類工程活動(dòng)影響，確實(shí)災(zāi)害頻發(fā)，與實(shí)際相符。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)有87.55 %的滑坡分布在較高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)，且較高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)面積占區(qū)域的45.94 %，將各易發(fā)等級(jí)柵格數(shù)與相應(yīng)區(qū)域中滑坡數(shù)目由高到低，進(jìn)行累加，得到成功率曲線[5](圖5)，曲線下面積為77.70 %，準(zhǔn)確性較好。

圖5 滑坡易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)

3 結(jié)論

(1)基于信息量法和GIS平臺(tái)，選擇坡度、起伏度、地層巖性、構(gòu)造作用、人類工程活動(dòng)、河流作用、植被覆蓋指數(shù)、降雨量八個(gè)影響因子，以266個(gè)滑坡點(diǎn)為樣本，對(duì)金沙江峽谷區(qū)進(jìn)行滑坡易發(fā)性分區(qū)，評(píng)價(jià)曲線面積(AUC)值為77.70 %，準(zhǔn)確性較好。

(2)研究區(qū)滑坡易發(fā)于金沙江兩岸，呈帶狀分布，該區(qū)兩岸巖層陡峭，坡度多在60°以上，斷層發(fā)育，河流作用強(qiáng)烈，且修筑有公路，人工活動(dòng)頻繁，實(shí)際滑坡頻發(fā)，與預(yù)測相符。