基于SHALSTAB模型的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)

王赫生,伍劍波,張?zhí)?孫 強(qiáng),李 燕

(1. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016；2. 南京市棲霞區(qū)堯化水務(wù)管理服務(wù)站，南京 210046)

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)不僅是地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，也是地質(zhì)災(zāi)害早期預(yù)警的關(guān)鍵[1-3]?？茖W(xué)、有效的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)及區(qū)劃已成為地質(zhì)災(zāi)害防治的重大課題，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防控意義重大。目前,常用的區(qū)域滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)方法主要有經(jīng)驗(yàn)法(經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、數(shù)據(jù)法(因子模型)和物理法(力學(xué)模型)，其中數(shù)據(jù)法中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)、logistic回歸、信息量、支持向量機(jī)(SVM)、模糊邏輯系統(tǒng)和層次分析(AHP)等方法在降雨型滑坡的易發(fā)性評(píng)價(jià)中較常見(jiàn)[4-7]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)和logistic回歸模型在國(guó)外應(yīng)用較多，信息量模型是國(guó)內(nèi)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的主要模型[8-9]。我國(guó)東部沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)暴雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大，不同極端降雨量誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量、規(guī)模不同，因此，需考慮不同工況下的易發(fā)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，而以上各模型較少考慮極端降雨量條件。淺層滑坡穩(wěn)定性模型(SHALSTAB)耦合了穩(wěn)態(tài)水文模型與無(wú)限邊坡穩(wěn)定模型，假設(shè)條件和對(duì)降雨因素設(shè)定符合東南沿海地區(qū)滑坡破壞模式，但土體力學(xué)參數(shù)通常需要通過(guò)較多的實(shí)驗(yàn)分析獲取，目前很少將其作為評(píng)價(jià)因子用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。

基于上述情況，結(jié)合東部沿海臺(tái)風(fēng)暴雨型地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)規(guī)律和特點(diǎn)，將SHALSTAB模型評(píng)價(jià)結(jié)果(斜坡穩(wěn)定性)及極端降雨量引入易發(fā)性的評(píng)價(jià)因子中，在浙江飛云江流域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，結(jié)合致災(zāi)土體分布區(qū)定量模型和基巖區(qū)統(tǒng)計(jì)模型，利用信息量確定各因子權(quán)重，分無(wú)降雨和百年一遇極端降雨兩種工況進(jìn)行流域尺度的易發(fā)性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

浙江飛云江流域北與溫州市區(qū)相連，西北接麗水縣，南臨福建省，東瀕東海，總面積3 729 km2，西部中低山區(qū)坡度15°～40°，向東逐漸過(guò)渡到海積平原，海拔最高1 593 m。區(qū)內(nèi)主要出露早白堊世火山碎屑巖和花崗巖(圖1)。受NW向松陽(yáng)—平陽(yáng)、NE向泰順—黃巖基底斷裂活動(dòng)影響， NW向和NE向侵入巖發(fā)育，大部分巖體風(fēng)化呈散體狀，為含碎石、塊石黏性土，結(jié)構(gòu)松散，水理性質(zhì)較差，遇水易軟化。流域內(nèi)筱村鎮(zhèn)、司前鎮(zhèn)—百丈鎮(zhèn)、黃坦鎮(zhèn)、百丈漈鎮(zhèn)、大峃鎮(zhèn)、玉壺鎮(zhèn)和湖嶺鎮(zhèn)覆蓋層厚度>5 m，流域上游及下游低丘地區(qū)覆蓋層厚度普遍<1 m，風(fēng)化程度越高、風(fēng)化層越厚的地區(qū)，臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害越發(fā)育。

1.晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r;2.中性侵入巖;3.凝灰質(zhì)粉砂巖、沉凝灰?guī)r、粉砂巖、砂礫巖、砂巖;4.晶玻屑熔結(jié)凝灰?guī)r夾凝灰質(zhì)粉砂巖;5.酸性侵入巖、潛火山巖;6.崩塌;7.沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)粉砂巖夾流紋晶玻凝灰?guī)r；8.第四系松散層;9.滑坡;10.基性噴出巖;11.酸性噴出巖;12.泥石流;13.斷裂圖1 研究區(qū)工程地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Engineering geological map of the study area

隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展，人類(lèi)工程活動(dòng)與極端降雨易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)浙江飛云江流域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果，707處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)中崩塌占9.3%，滑坡占71.4%，泥石流占19.3%；覆蓋層區(qū)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)占89%[10-11]。巖質(zhì)災(zāi)害易于發(fā)現(xiàn)，覆蓋層區(qū)災(zāi)害具有隱蔽性和突發(fā)性，早期較難識(shí)別。研究覆蓋層區(qū)微觀力學(xué)性質(zhì)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型更具有實(shí)際意義。

2 評(píng)價(jià)模型

飛云江流域大部分地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生在殘坡積覆蓋層中，對(duì)此類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害的土體微觀性質(zhì)及物理力學(xué)性質(zhì)的易發(fā)性評(píng)價(jià)尤為重要[12-13]。對(duì)不同巖性覆蓋層分布區(qū)分組取樣，獲得土體力學(xué)參數(shù)的概率分布特征，通過(guò)SHALSTAB模型進(jìn)行覆蓋土層分布區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2.1 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

SHALSTAB模型是基于莫爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則的滑坡穩(wěn)定性模型，結(jié)合了無(wú)限邊坡模型和穩(wěn)態(tài)水文模型，得到基于q/T函數(shù)關(guān)系的SHALSTAB方程

(1)

式中：c為土壤黏聚力，N/m2；φ為內(nèi)摩擦角，°；ρS為土壤密度，kg/m3；ρw為水密度，kg/m3；z為土層厚度，m；b為排泄寬度，m；a為集水面積，m2；θ為坡度，°；q為有效降雨量，mm；T為土壤導(dǎo)水系數(shù)，m2/s；g為重力加速度，m/s2。

2.2 綜合易發(fā)性指數(shù)評(píng)價(jià)模型

本次評(píng)價(jià)采用綜合易發(fā)性指數(shù)法，適用于不同極端降雨的工況條件。按照與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)程度，最終選取頻率比及信息量模型等7個(gè)基礎(chǔ)影響因子參與易發(fā)性評(píng)價(jià)，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)影響因子及其分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表1

影響因子序號(hào)分類(lèi)狀態(tài)災(zāi)點(diǎn)數(shù)/個(gè)總柵格數(shù)/個(gè)頻率比信息量地表覆蓋類(lèi)型1建筑和其他318 6451.10-3.562林地1844 7482.74-2.243道路、草地203253 5725.46-1.244裸地、人工堆掘地10022 37430.461.245耕地、園地38333 56177.772.59

注：頻率比=災(zāi)點(diǎn)比例/分級(jí)柵格比例；信息量=ln(頻率比)；坡形指DEM生成的曲率；穩(wěn)定性指q/T值，見(jiàn)公式(1)。

各因子采用AHP法確定權(quán)重[14-17]，按照各評(píng)價(jià)因子的頻率比及內(nèi)在關(guān)系，采用1～9標(biāo)度法對(duì)各因子兩兩比較建立判斷矩陣，進(jìn)行層次排序(表2)，確定各因子權(quán)重值并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。計(jì)算得到的矩陣最大特征值為8.10，進(jìn)行歸一化處理得到各影響因子的權(quán)重為{0.07，0.15，0.12，0.1，0.05，0.24，0.07，0.20}。一致性指標(biāo)CI值為0.14，一致性比例CR值為0.01，表明層次排序結(jié)果具有滿(mǎn)意的一致性。

表2 因子層次排序結(jié)果

綜合易發(fā)性指數(shù)計(jì)算公式為

ZW=∑Ti·ATi，

(2)

式中：ZW為綜合易發(fā)性指數(shù)，Ti為各評(píng)價(jià)因子歸一化標(biāo)準(zhǔn)值，ATi為各評(píng)價(jià)因子的權(quán)值(表3)。

背景易發(fā)分區(qū)采用自然斷點(diǎn)法，按照分區(qū)值<0.36、0.36～0.44、0.44～0.53和>0.53，將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分為不易發(fā)、低易發(fā)、中易發(fā)和高易發(fā)4類(lèi)。考慮極端降雨因素后，仍按此分類(lèi)閾值，分為4個(gè)易發(fā)等級(jí)，易發(fā)區(qū)面積及等級(jí)增加，符合極端降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的實(shí)際影響。

表3 綜合指數(shù)各因子評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

注:Hif、Qh、Rr、Hi、Qg、Sef、Qd、Pb見(jiàn)圖1圖例說(shuō)明。

3 滑坡影響因子和專(zhuān)題圖層

流域評(píng)價(jià)單元采用100 m × 100 m網(wǎng)格，將全區(qū)劃分為372 900個(gè)柵格單元。極端降雨數(shù)據(jù)通過(guò)收集區(qū)內(nèi)雨量站信息，采用皮爾遜-Ⅲ型分布模型[18]對(duì)歷史資料進(jìn)行擬合。流域內(nèi)共收集200余個(gè)雨量站信息，共擬合出200余個(gè)百年一遇降雨量數(shù)據(jù)，最后形成極端小時(shí)降雨量柵格分布圖(圖2)。參與斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的c、φ、ρS和z值來(lái)自于野外實(shí)地調(diào)查、鉆探、淺井、物探和測(cè)試。2016—2018年，流域內(nèi)調(diào)查土層厚度點(diǎn)共2 362處，采樣進(jìn)行土工試驗(yàn)點(diǎn)共計(jì)657處，其它數(shù)據(jù)均可從DEM獲取(圖3)。

圖2 P=1%極端小時(shí)降雨分區(qū)圖Fig. 2 Grid distribution map of extreme hourly rainfall in the condition of P=1%(mm)

圖3 SHALSTAB模型斜坡穩(wěn)定性分區(qū)圖Fig. 3 Distribution map of slope stability using SHALSTAB model

地形地貌及地表覆蓋類(lèi)型主要采用浙江省測(cè)繪與地理信息局1∶5萬(wàn)數(shù)字化地形圖(DLG)、DEM及地表覆蓋數(shù)據(jù)，地質(zhì)數(shù)據(jù)主要采用實(shí)地調(diào)查獲得的地質(zhì)資料。各因子標(biāo)準(zhǔn)分值通過(guò)Arcgis圖件點(diǎn)、線、面與網(wǎng)格單元區(qū)進(jìn)行空間相交后獲得。

將以上因素按照權(quán)重值進(jìn)行加權(quán)疊加，得到綜合指數(shù)。其中不考慮極端降雨因素的疊加結(jié)果作為背景易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果(圖4)，考慮極端降雨因素的疊加結(jié)果作為百年一遇降雨條件下易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果(圖5)。

圖4 背景條件下地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)圖Fig. 4 Evaluation map of geohazard susceptibility in the basic conditions

圖5 百年一遇降雨條件下地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)圖Fig. 5 Evaluation map of geohazard susceptibility in an extreme rainfall condition once one hundred years

4 結(jié)果分析

為了更好地評(píng)價(jià)不同工況條件下易發(fā)性模型的預(yù)測(cè)能力，運(yùn)用成功率驗(yàn)證法對(duì)背景條件和極端降雨工況條件下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。按照地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性大小等分，從最大易發(fā)性區(qū)間開(kāi)始，逐步統(tǒng)計(jì)滑坡累計(jì)發(fā)生頻率，繪制各模型地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)成功率檢驗(yàn)曲線(圖6)，曲線下面積(AUC)越大，說(shuō)明模型應(yīng)用越成功，預(yù)測(cè)效果將越好[19-20]。由圖6可知，該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性從高到低落在每個(gè)易發(fā)性區(qū)間內(nèi)滑坡數(shù)量的變化情況。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)成功率檢驗(yàn)曲線Fig. 6 Testing curves showing assessment success rates for geohazard susceptibility

采用滑坡強(qiáng)度R指標(biāo)評(píng)判分區(qū)結(jié)果的優(yōu)劣[20]，公式為

R=L(Pi)/A(Pi)，

(3)

式中：R為滑坡強(qiáng)度；L(Pi)為分區(qū)內(nèi)滑坡數(shù)量百分比；A(Pi)為各易發(fā)性分區(qū)面積占研究區(qū)總面積的百分比。如果R值指標(biāo)從“低、較低、中和高”分級(jí)依次增大，則認(rèn)為分區(qū)結(jié)果合理。由圖7可知，滑坡強(qiáng)度R值在背景條件下呈凸型曲線，在高易發(fā)區(qū)略微降低；極端降雨條件下隨著易發(fā)性等級(jí)依次增大，這是因?yàn)橐延袨?zāi)點(diǎn)中約60%由臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)。

圖7 各易發(fā)性等級(jí)面積和滑坡數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig. 7 Statistics of various ssceptibility levels with corresponding landslide occurrence percentages

綜上可知，背景條件下的易發(fā)性評(píng)價(jià)無(wú)論采用成功率曲線(AUC值)還是滑坡強(qiáng)度指標(biāo)均不理想。在考慮極端降雨后，評(píng)價(jià)結(jié)果明顯提高，易發(fā)等級(jí)逐次增加，其中高易發(fā)區(qū)面積增加84%，中易發(fā)區(qū)面積增加42.8%。地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性隨不同工況動(dòng)態(tài)變化，不同極端降雨量對(duì)應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性有差別，這是該地新發(fā)生災(zāi)點(diǎn)往往落在高易發(fā)區(qū)之外的原因。

5 結(jié)論

(1)利用SHALSTAB模型計(jì)算的斜坡穩(wěn)定性與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性高，可作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的因子之一。極端小時(shí)降雨量是誘發(fā)臺(tái)風(fēng)暴雨型地質(zhì)災(zāi)害的主要因素子。

(2)極端降雨工況條件下，飛云江流域地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)面積增加84%，中易發(fā)區(qū)面積增加42.8%，符合地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性在不同工況下的動(dòng)態(tài)變化特征。

(3)基于斜坡穩(wěn)定性和極端小時(shí)降雨量的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果合理可靠，可為臺(tái)風(fēng)暴雨型地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)及區(qū)劃提供參考。