基于GIS信息量模型的鄂州市西雷山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)

陳 誠(chéng)， 蘇 呈， 丁宇靖， 劉 劍

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 黃石 435000)

鄂州市西山與雷山位于鄂州市主城區(qū)西北部,東西長(zhǎng)約2.7 km,南北寬約1.3 km,總面積3.34 km2。區(qū)內(nèi)發(fā)育有多處地質(zhì)災(zāi)害,類型主要以滑坡和不穩(wěn)定斜坡為主,近年來變形破壞頻繁,特別是2016年4月份以來四輪強(qiáng)降雨后更為強(qiáng)烈,嚴(yán)重威脅居民生命財(cái)產(chǎn)、建(構(gòu))筑物、旅游交通及輸變電線路、通訊設(shè)施的安全,制約了當(dāng)?shù)芈糜萎a(chǎn)業(yè)、城市建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展[1]。開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià),可為地質(zhì)災(zāi)害防治和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供依據(jù),但是由于地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性,詮釋地質(zhì)災(zāi)害的形成規(guī)律是一大難題。本文基于GIS的信息量模型[2]開展鄂州市西雷山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性研究,通過將已知地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域提供的各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息量,運(yùn)用GIS平臺(tái)進(jìn)行疊加分析,能夠較為準(zhǔn)確地反映地質(zhì)災(zāi)害的基本規(guī)律,是一種科學(xué)、有效的評(píng)價(jià)方法[3]。

1 地質(zhì)環(huán)境條件與地質(zhì)災(zāi)害特征

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1.1地形地貌

研究區(qū)位于長(zhǎng)江南岸,最近處距長(zhǎng)江不足100 m,屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌,西山、雷山均為一孤立山包,最高海拔高程為西山山頂166.8 m,長(zhǎng)港為區(qū)內(nèi)最低點(diǎn),標(biāo)高約20.0 m。自然坡度在20°～35°之間,坡面植被較發(fā)育。西雷山斜坡坡腳由于城市建設(shè)修路、建房切坡多形成陡坎,坡度在60°～85°。

1.1.2氣象水文

本區(qū)具亞熱帶季風(fēng)氣候特征,四季分明,雨量充沛,陽(yáng)光充足。歷年平均氣溫17 ℃,極端最高氣溫40.7 ℃,極端最低氣溫-12.4 ℃；4—7月盛行東南風(fēng),其余以北風(fēng)、東北風(fēng)居多,年平均風(fēng)速2.4 m/s,瞬時(shí)最大風(fēng)速27 m/s；年均光照時(shí)數(shù)1 949.9 h。多年平均降雨量為1 218.7 mm,年最大降雨量2 006.7 mm,年最小降雨量784.3 mm,日最大降雨量216.6 mm,時(shí)最大降雨量為78.6 mm。全年降雨多集中在5— 9月,占全年降雨量的75%,且降雨具連續(xù)集中、強(qiáng)度大、突發(fā)性強(qiáng)等特征。

1.1.3工程地質(zhì)巖組

根據(jù)巖土體的結(jié)構(gòu)及物理學(xué)性質(zhì),將西雷山區(qū)巖土體劃分為5類工程地質(zhì)巖組，如表1所示。

表1 西雷山區(qū)工程地質(zhì)巖組劃分Table 1 Division of engineering geological rock group in Xileishan area

(1) 松散巖類工程地質(zhì)巖組。本區(qū)域的松散土體分為兩類：一是第四系全新統(tǒng)沖坡積含礫粉質(zhì)粘土,結(jié)構(gòu)較為松散,固結(jié)較低,呈軟塑—可塑狀,該類土體主要在山腳分布；另一類土體為山坡及山頂凹處零星分布的殘坡積含礫石粘土,土石比約4∶6,厚度約0.8～4 m,具一定的固結(jié)度、硬塑狀。

(2) 堅(jiān)硬碳酸鹽巖工程地質(zhì)巖組。由二疊系上統(tǒng)大隆組(P2d)、下統(tǒng)茅口組(P2m)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,含燧石團(tuán)塊灰?guī)r等組成,在西雷山東南側(cè)坡腳一帶零星出露。巖溶發(fā)育程度較差,一般為中厚—塊狀完整結(jié)構(gòu),局部呈“架空結(jié)構(gòu)”。該巖組巖石致密堅(jiān)硬,結(jié)構(gòu)完整,力學(xué)強(qiáng)度高。

(3) 堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬層狀砂礫巖、石英砂巖碎屑巖工程地質(zhì)巖組。主要由石炭系中統(tǒng)黃龍群(C2h)、泥盆系上統(tǒng)云臺(tái)觀組(D2-3y)未風(fēng)化的砂巖、石英砂巖、砂礫巖等組成。由于構(gòu)造擠壓與風(fēng)化蝕變,該巖組部分地段巖體結(jié)構(gòu)破碎,受多組裂隙切割,易發(fā)生崩塌災(zāi)害。

(4) 軟硬相間層狀砂巖、粘土質(zhì)砂巖、泥巖等碎屑巖工程地質(zhì)巖組。主要為泥盆系中上統(tǒng)云臺(tái)觀組(D2-3y)淺灰色薄—中層厚石英巖狀細(xì)粒砂巖,夾薄層狀細(xì)粒含鐵細(xì)粒砂巖及灰黃綠色薄層狀粘土質(zhì)粉砂巖,特別是粘土質(zhì)粉砂巖在雨水的作用下易泥化,易產(chǎn)生順層滑移,地下工程易冒落塌陷。該層分布在西雷山坡腳一帶,為研究區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要層位。

(5) 較堅(jiān)硬—軟弱層狀砂頁(yè)巖工程地質(zhì)巖組。由志留系中統(tǒng)墳頭組(S2f)地層組成,分布在西雷山中上部,以泥質(zhì)粉砂巖、頁(yè)巖為主,局部夾細(xì)粒石英砂巖。巖石力學(xué)強(qiáng)度較低,層理、頁(yè)理及淺部風(fēng)化裂隙發(fā)育,易產(chǎn)生順層滑移及風(fēng)化層滑塌,為研究區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要層位。

1.1.4地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)域位于西雷山背斜北翼西北端,長(zhǎng)江南岸鄂城西雷山一帶。東西長(zhǎng)約7 km,南北寬0.5～1 km，核部由中志留統(tǒng)組成,兩翼由上泥盆世—二疊紀(jì)地層組成。從平面上看,受北北東向斷層切割,西雷山背斜核部及兩翼地層從東到西,逐段南移,斷距一般100～200 m。從剖面上看,背斜中部的西雷山段出露最高,兩側(cè)依次逐漸下降,在縱向上明顯地呈地壘狀(如圖1)。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害基本特征

1.2.1地質(zhì)災(zāi)害分布

西雷山范圍內(nèi),目前發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害共17處,其中滑坡2處、不穩(wěn)定斜坡14處、崩塌1處,分別占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的82.35%、11.76%、5.88%,如圖2所示。現(xiàn)狀下不穩(wěn)定的地質(zhì)災(zāi)害共15處(不穩(wěn)定斜坡12處,滑坡2處,崩塌1處),基本穩(wěn)定的地質(zhì)災(zāi)害共2處(不穩(wěn)定斜坡2處,已治理)。

圖1 西雷山地質(zhì)構(gòu)造略圖
Fig.1 Division of engineering geological formation in Xileishan

1.斷層 2.地層界線 3.背斜

圖2 地質(zhì)災(zāi)害類型統(tǒng)計(jì)表
Fig.2 Statistical table of geological disaster types

西雷山地質(zhì)災(zāi)害在空間上多分布于沿江大道公路一側(cè),主要與該區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)。區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈,人口較稠密,建房修路使坡體整體穩(wěn)定性降低,易形成地質(zhì)災(zāi)害,西雷山地質(zhì)災(zāi)害分布見圖3。

1.2.2地質(zhì)災(zāi)害影響因素與變形破壞機(jī)制分析

(1) 地質(zhì)災(zāi)害影響因素。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)環(huán)境條件與分布特征分析,地質(zhì)災(zāi)害影響因素受形成條件與影響因素制約[4]。形成條件與研究區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件及自身特點(diǎn)有關(guān),主要包括地形地貌條件與巖土體結(jié)構(gòu)等；影響因素主要有大氣降水及人類工程活動(dòng)等。

① 地形地貌：研究區(qū)屬于構(gòu)造丘陵地貌,地形起伏大,山體林立,為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育提供勢(shì)能；地勢(shì)平緩處,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育數(shù)量較少,但是由于城市建設(shè)修路、建房切坡多形成陡坎,也有一定數(shù)量的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,因此陡峭的巖體成為影響地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的重要因素[5]。

② 巖土體結(jié)構(gòu)：西雷山地質(zhì)災(zāi)害多為不穩(wěn)定斜坡,斜坡上部多為粉質(zhì)粘土夾碎石、碎石土,結(jié)構(gòu)相對(duì)松散,透水性強(qiáng)；下部為強(qiáng)風(fēng)化砂巖,呈散體—碎塊裂結(jié)構(gòu),裂隙較發(fā)育,巖體強(qiáng)度高低不均,軟弱地層物理力學(xué)性質(zhì)弱,容易形成土狀或泥狀的軟弱夾層,硬質(zhì)類巖抗風(fēng)化能力較強(qiáng)。由于卸荷裂隙的發(fā)育,形成陡而深的裂縫,與其他結(jié)構(gòu)面組合逐漸發(fā)展貫通,在觸發(fā)因素下發(fā)生災(zāi)害。

圖3 鄂州市西雷山地質(zhì)災(zāi)害分布圖
Fig.3 Geological disaster distribution map of Xileishan,Ezhou City

1.不穩(wěn)定斜坡；2.崩塌；3.滑坡；4.水系；5.居民地；6.公路；7.鐵路。

③ 大氣降水：區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖土體結(jié)構(gòu)松散,裂隙較發(fā)育,有利于水體匯集和下滲。大氣降水入滲后,坡體內(nèi)地下水位迅速升高,致使裂隙水壓力隨之升高,巖土體由于飽水而重度增加,同時(shí)大氣降水入滲還使軟弱巖土體飽水后軟化,力學(xué)強(qiáng)度降低,在不利的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)面條件下易造成失穩(wěn)變形。變形主要發(fā)生于汛期雨季,坡腳長(zhǎng)期受地表水沖刷、掏蝕,破壞了坡體原始平衡狀態(tài),靠公路一側(cè)地表水匯集形成了沖溝,降低了坡體的穩(wěn)定性。由于大氣降雨在小范圍內(nèi)無明顯差異,在本次評(píng)價(jià)因子提取中不作考慮。

④ 人類工程活動(dòng)：隨著人口增長(zhǎng),西雷山周邊作為鄂州市老城區(qū)一隅,人類工程活動(dòng)漸趨加劇,不斷伐木開山切坡用作建設(shè)用地,建房時(shí)對(duì)坡腳進(jìn)行了開挖,在房屋后側(cè)形成了一較陡的臨空面,部分邊坡雖已完成治理措施,但年久失修或防治功能差,未能達(dá)到預(yù)期的防治效果。建房切坡破壞了坡體結(jié)構(gòu),形成了高陡的臨空面,使坡體穩(wěn)定程度降低,在坡面的裸露和降雨因素的影響誘發(fā)下產(chǎn)生滑塌,造成地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。

(2) 變形破壞機(jī)制分析。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是各種自然因素與人為因素綜合影響的結(jié)果,除受自身形成條件制約外,人類工程活動(dòng)是其重要的影響因素。

由于建房時(shí)人工削坡,在前緣形成陡坎,且滑距相對(duì)較小,應(yīng)力尚未完全釋放,在強(qiáng)降雨等因素作用下坡體存在整體失穩(wěn)的可能,最大可能的變形破壞方式為前緣失穩(wěn)滑動(dòng),使上部坡體穩(wěn)定程度降低,進(jìn)而牽引上部坡體產(chǎn)生滑移。

2 易發(fā)性分區(qū)分析方法

2.1 分區(qū)方法

由于控制地質(zhì)災(zāi)害形成的因素很多,既包括內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用,也包括外動(dòng)力地質(zhì)作用,地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性分區(qū)是一個(gè)復(fù)雜的多元系統(tǒng)。目前,國(guó)內(nèi)外可用于易發(fā)性分區(qū)的方法很多,可分為定性分析和定量評(píng)價(jià)兩種,但定量評(píng)價(jià)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外發(fā)展的主流方向。本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)定性評(píng)價(jià)采用基于GIS技術(shù)的信息量法進(jìn)行[6]。該方法是在分析地質(zhì)災(zāi)害成因的基礎(chǔ)上,確定影響災(zāi)害發(fā)育的各種主要因素(如影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素包括地形地貌、巖土體特征和人類活動(dòng)強(qiáng)烈程度等),將每個(gè)影響因素賦予一定的權(quán)重,同時(shí)按各個(gè)因素不同狀態(tài)分成不同的級(jí)別,賦予不同的分級(jí)值,求出所有影響因素的信息量,即得到某個(gè)評(píng)價(jià)單元的易發(fā)程度指數(shù)。易發(fā)程度指數(shù)越大,表示該單元地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度越高,根據(jù)每個(gè)單元的易發(fā)程度指數(shù),依據(jù)分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)。

2.1.1確定地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)的單元

研究區(qū)工作區(qū)面積為3.34 km2,對(duì)于不同比例尺要求其柵格大小也有差別,劃分柵格大小的經(jīng)驗(yàn)公式為：

Gs=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

(1)

式中：Gs為適宜網(wǎng)格大小；S為研究區(qū)地形圖比例尺分母。

對(duì)于1∶10 000比例尺地形圖,由式(1)計(jì)算出最佳網(wǎng)格單元為10.44 m,為了方便數(shù)據(jù)在ArcGIS中處理和分析,本文將整個(gè)研究區(qū)以10 m×10 m柵格單元作為最小評(píng)價(jià)單元,共剖分為32 600單元。

2.1.2建立評(píng)價(jià)模型

在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)時(shí),由于各地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件不同使得評(píng)價(jià)顯得較為復(fù)雜。由于作用于地質(zhì)災(zāi)害的因素很多,相應(yīng)的因素組合狀態(tài)也特別多,樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)量往往受到限制,故采用簡(jiǎn)化的單因素信息量模型的分步計(jì)算,再綜合疊加分析,相應(yīng)的信息量模型為：

(2)

2.2 評(píng)價(jià)因子的提取與分析

2.2.1評(píng)價(jià)因子的提取

根據(jù)西雷山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征和分布規(guī)律,對(duì)西雷山區(qū)開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性研究,初步選取高差、坡度、工程地質(zhì)巖土體類型、斜坡結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動(dòng)6個(gè)評(píng)價(jià)因子,各因子?xùn)鸥癖壤靶畔⒘恳妶D4。

(1) 高差。研究區(qū)內(nèi)最高位置為西山山頂,高程為166.8 m,最低點(diǎn)為伍家垅湖,高差為20 m,根據(jù)各高差區(qū)間的信息量值,通過重分類工具可以將高差因素劃分為四個(gè)級(jí)別：0～3 m、3～6 m、6～9 m、9～20 m。由信息量大小(圖4-a)來看,研究區(qū)內(nèi)最有利于發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的高差是6～10 m,單元內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量約49.12%；最不利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的高差是0～3 m。

(2) 坡度。坡度是反映斜坡地形的重要指標(biāo)之一。具體體現(xiàn)在坡度較陡的地方,地表水徑流流速快,對(duì)地表沖刷強(qiáng)度大,坡體上的堆積物易于變形失穩(wěn)。陡坡地帶植被不易于生長(zhǎng),對(duì)坡體穩(wěn)定性不利。但是坡度很大的區(qū)域,坡體上不易于松散物質(zhì)堆積,也就沒有產(chǎn)生滑坡的物質(zhì)來源?？偟膩碚f,坡度是滑坡發(fā)生的重要控制因素。通過ArcGIS的Spatial Analyst工具中的表面分析工具,可以很方便地從DEM數(shù)據(jù)中得到研究區(qū)的坡度分布信息，如圖4-b所示。通過重分類工具可以將坡度因素劃分為四個(gè)級(jí)別：0°～10°、10°～25°、25°～40°、40°～60°,得到研究區(qū)的坡度分級(jí)圖。對(duì)于坡度而言,研究區(qū)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的是10°～25°,其柵格數(shù)占總柵格的49.2%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的比例為83.8%,提供的信息量為0.76。

(3) 工程地質(zhì)巖土體類型。巖土體類型是產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)基礎(chǔ),一定地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在一定的地層之中。雖然各類巖土都可能造成地質(zhì)災(zāi)害,但不同的巖土體卻明顯對(duì)地質(zhì)災(zāi)害存在著不同的貢獻(xiàn)率,這可以從巖土體的成因和形成時(shí)代兩個(gè)方面考慮。從成因上來說,巖土體的力學(xué)強(qiáng)度越高、越完整,則地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率就相對(duì)較低；巖土體越松散、巖性越軟、層間膠結(jié)越差,則地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率就相對(duì)較高。如松散堆積層、頁(yè)巖、半成巖及軟硬相間的砂泥巖地質(zhì)體所構(gòu)成的斜坡就易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)西雷山地層出露情況,并且考慮評(píng)價(jià)時(shí)的可操作性,劃分為5個(gè)巖土體類型(圖4-c)：松散巖組(Ⅰ)；軟硬相間層狀砂巖、泥巖等碎屑巖工程地質(zhì)巖組(D2-3y)(Ⅱ)；較堅(jiān)硬—軟弱層狀砂頁(yè)巖巖組(S2f)(Ⅲ)；堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬層狀砂礫巖、石英砂巖工程地質(zhì)巖組(C2h)(Ⅳ)；堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬中—厚層狀強(qiáng)—中等巖溶化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾軟質(zhì)頁(yè)巖巖組(P2d、P2m)(Ⅴ)。軟硬相間層狀砂巖、泥巖等碎屑巖工程地質(zhì)巖組(D2-3y)(Ⅱ)，較堅(jiān)硬—軟弱層狀砂頁(yè)巖巖組(S2f)(Ⅲ)，堅(jiān)硬—較堅(jiān)硬中—厚層狀強(qiáng)—中等巖溶化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾軟質(zhì)頁(yè)巖巖組(P2d、P2m)(Ⅴ)地層為研究區(qū)內(nèi)主要的巖土體類型,占研究區(qū)總柵格的92.0%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為82%,最有利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

(4) 斜坡結(jié)構(gòu)類型。斜坡結(jié)構(gòu)類型控制了不穩(wěn)定邊坡的發(fā)育強(qiáng)度,不同斜坡結(jié)構(gòu)類型孕育的滑坡性質(zhì)、特征和發(fā)育程度各異。順向坡受巖土交界面和地層中軟弱夾層控制。斜坡結(jié)構(gòu)類型在ArcGIS中相對(duì)其他要素比較難以提取,首先通過DEM利用ArcGIS的Spatial Analyst工具中的表面分析工具,獲得研究區(qū)的斜坡坡度和坡向信息,然后將區(qū)域地層產(chǎn)狀點(diǎn)通過克里金方法進(jìn)行插值和手動(dòng)分片區(qū)賦值相結(jié)合的方法,生成地層傾向和傾角柵格數(shù)據(jù),本研究區(qū)的傾角絕大多數(shù)在10°以上。①利用坡向與傾向夾角的差值轉(zhuǎn)化到0°～360°的正值區(qū)間;②將夾角>180°的差值轉(zhuǎn)化到0°～180°之間,方便后續(xù)分類。通過重分類工具按照坡向與傾向的夾角可以分為五類：順向坡(0°～30°)、斜順坡(30°～60°)、橫向坡(60°～120°)、逆斜坡(120°～150°)及逆向坡(150°～180°)。從歷史滑坡與斜坡結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律如圖4-d所示,研究區(qū)順向坡占整區(qū)的34.85%,發(fā)生滑坡的比例最大為61.84%,提供的信息量為0.828；斜順坡占整區(qū)的32.03%,發(fā)生滑坡的比例最大為33.3%,提供的信息量為0.058；逆向坡占整區(qū)的13.83%,發(fā)生滑坡的比例最大為0.2%,不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,提供的信息量為-6.3。

圖4 影響因子災(zāi)害數(shù)量、加權(quán)信息量相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖
Fig.4 Correlation graph between the impact factor number of disasters and weighted information values

(5) 地質(zhì)構(gòu)造。西雷山地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育關(guān)系相當(dāng)密切。首先從地質(zhì)構(gòu)造的動(dòng)力作用方面來說,由于地質(zhì)體在漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造作用下往往與原生地貌發(fā)生較大變化,使巖層面發(fā)生一定角度的傾角,在條件適合時(shí)往往發(fā)生順層滑動(dòng)；其次,在地質(zhì)構(gòu)造作用下,巖體被各種構(gòu)造面切割分離成不連續(xù)狀態(tài),較為破碎,這就為降雨等水流進(jìn)入斜坡體提供了通道,使斜坡體在長(zhǎng)期的水巖作用下誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生或影響滑坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，尤其是在一些大的斷層帶內(nèi),地質(zhì)災(zāi)害常沿?cái)鄬颖诨蝰薨櫝扇撼删€分布。根據(jù)西雷山斷層的發(fā)育規(guī)模及影響范圍,利用ArcGIS的多環(huán)緩沖功能,按0～100 m、100～200 m、200～500 m、500～750 m劃分為4個(gè)等級(jí),在ArcGIS中進(jìn)行緩沖分析。研究區(qū)內(nèi)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的區(qū)間為斷層和褶皺核部0～100 m,其柵格數(shù)占總柵格的43.3%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為67.2%,提供的信息量為0.63。距離斷層越遠(yuǎn)，其信息量逐漸遞減,在>500 m的區(qū)域,其柵格數(shù)占總數(shù)的28%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的比例為3.2%,信息量為-3.1,不利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生(圖4-e)。

(6) 人類工程活動(dòng)。區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)主要為工程建設(shè)、修路、旅游開發(fā)切坡等,根據(jù)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈程度,采用自然斷點(diǎn)法劃分為三級(jí),人為開挖坡腳形成臨空面高度<3 m的為人類工程活動(dòng)弱；人為開挖坡腳形成臨空面高度3～10 m的為人類工程活動(dòng)中等；人為開挖坡腳形成臨空面高度>10 m的為人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈,如圖4-f。人類工程活動(dòng)中等及強(qiáng)烈區(qū)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)強(qiáng)烈,占研究區(qū)總柵格的36.7%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為99.5%,提供的信息量為1.07～1.95；工類工程活動(dòng)弱區(qū),占研究區(qū)總柵格的63.3%,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為0.5%,提供的信息量為-6.91,總體不利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2.2.2評(píng)價(jià)因子的分析

(1) 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)是工程地質(zhì)類比法,即類似的工程地質(zhì)環(huán)境可能發(fā)生類似的地質(zhì)災(zāi)害。本文在建立易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的過程中,選取了幾類與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育相關(guān)的影響因素類比其工程地質(zhì)環(huán)境,但是這些影響因素存在一定的相關(guān)性。

本文采用的信息量模型需要非常嚴(yán)格的假定：①各影響因素之間相互獨(dú)立；②在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)各影響因素之間相互獨(dú)立。如果不對(duì)指標(biāo)因素進(jìn)行相關(guān)性分析,它們之間的影響權(quán)重會(huì)疊加,導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性降低,因此對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析是非常必要的。提取研究區(qū)內(nèi)影響地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)因子后,為保證預(yù)測(cè)因素能滿足信息量模型的要求,必須通過因素之間的相互獨(dú)立性驗(yàn)證和綜合分析研究區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀來剔除相關(guān)性較大的因素。因此,為了準(zhǔn)確計(jì)算初選因子的互相關(guān)系數(shù),可以利用ArcGIS波段集統(tǒng)計(jì)工具中柵格波段集多元分析提供各圖層因素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣(如表3)。

表3 圖層因素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 3 The correlation coefficient between the matrix layer factors

相關(guān)矩陣顯示相關(guān)系數(shù)的值,該值可描述兩個(gè)數(shù)據(jù)集之間的關(guān)系。對(duì)于一組柵格圖層,相關(guān)矩陣表示一個(gè)柵格圖層中的單元值,而這些單元值與另一圖層的單元值相關(guān)聯(lián)。兩圖層間的相關(guān)性可用于衡量圖層間依存關(guān)系。相關(guān)性為兩圖層間的協(xié)方差與兩圖層標(biāo)準(zhǔn)差乘積的比值。對(duì)于各因子相關(guān)系數(shù)r而言,當(dāng)r>0時(shí),說明兩個(gè)圖層單元值之間存在正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)r<0時(shí),說明兩圖層單元值存在負(fù)相關(guān)關(guān)系;當(dāng)︱r︱=1時(shí),說明兩個(gè)圖層之間存在完全線性相關(guān)關(guān)系。

例如,當(dāng)其中一個(gè)圖層的單元值增大時(shí),另一個(gè)圖層的單元值也可能隨之增大。在圖層單元值的三種相互關(guān)系中,負(fù)相關(guān)性則表示當(dāng)一個(gè)圖層的單元值增大時(shí),另一個(gè)圖層的單元值會(huì)隨之減小。當(dāng)相關(guān)性為零時(shí),表示兩個(gè)圖層的單元值之間不存在任何的依存關(guān)系。

表4 相關(guān)性劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Correlation criteria

綜合表3和表4可以看出，各指標(biāo)都在低度相關(guān)范圍內(nèi)。最終選擇高差、坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡結(jié)構(gòu)類型、人類工程活動(dòng)共6個(gè)因子作為本次評(píng)價(jià)的指標(biāo)。

利用前面已經(jīng)提取和分析影響地質(zhì)災(zāi)害的各種因子,通過信息量模型及其理論公式計(jì)算得到參與預(yù)測(cè)各因子的信息量(表5)。

表5 各指標(biāo)信息量一覽表Table 5 List of information quantity of each index

應(yīng)用層次分析法對(duì)所選的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析,劃分有序?qū)哟?建立評(píng)價(jià)模型層次結(jié)構(gòu)。按照各評(píng)價(jià)因子的內(nèi)在關(guān)系,通過相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)及鄂州市地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況,評(píng)價(jià)采用1—9標(biāo)度方法,對(duì)各因子進(jìn)行兩兩比較建立判斷矩陣,及層次排序,確定各因子的權(quán)重值,并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。易發(fā)性評(píng)價(jià)因子判斷矩陣如表6,計(jì)算結(jié)果按權(quán)重從大到小排序如表7所示。

表6 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子判斷矩陣Table 6 Judgment matrix of evaluation factors of geological hazard susceptibility

注：一致性比例為0.092 5；λmax為6.582 7。

表7 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子權(quán)重Table 7 Judgment matrix of weight of geological hazard susceptibility

(2) 分區(qū)結(jié)果。利用ArcGIS軟件的空間分析功能中的加權(quán)總和工具,完成各影響因子加權(quán)信息量的疊加,得到易發(fā)性分區(qū)圖。采用重分類工具將易發(fā)性區(qū)劃圖重新分類,鄂州市西雷山的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分為三級(jí)：取信息量I>0.732，為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)；信息量I=0.732～-1.33，為地質(zhì)災(zāi)害中等易發(fā)區(qū)；信息量I<-1.33，為地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)。西雷山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)見圖5。

圖5 西雷山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖
Fig.5 Zoning map of geological hazard susceptibility of Xileishan

1.低易發(fā)區(qū)；2.中易發(fā)區(qū)；3.高易發(fā)區(qū)。

(3) 結(jié)果驗(yàn)證。易發(fā)性結(jié)果的有效性可以由受試者工作特征曲線(ROC)進(jìn)行定量檢驗(yàn),其曲線下方面積(AUC)被用來評(píng)價(jià)模型的精度。ROC曲線是一條從原點(diǎn)到右上角的對(duì)角線即線段(0,0)～(1,1),這條線稱為機(jī)會(huì)對(duì)角線,如果獲得的ROC曲線落在這條機(jī)會(huì)對(duì)角線上,其AUC=0.5。一般認(rèn)為：在AUC>0.5的情況下,AUC越接近1,說明模型的精度越好；AUC為0.5～0.7時(shí),準(zhǔn)確性較差；AUC為0.7～0.9時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性；AUC為0.9以上,說明準(zhǔn)確性極好。因此,本文以信息量值從高到低的區(qū)域累計(jì)柵格與總柵格的百分比作為橫軸,以對(duì)應(yīng)信息量區(qū)間內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害累計(jì)柵格與地質(zhì)災(zāi)害總柵格百分比為縱軸,得到一個(gè)經(jīng)過(0,0),(1,1)的曲線(如圖6),AUC面積值為0.882，說明易發(fā)性結(jié)果評(píng)價(jià)有效性較好。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果ROC圖
Fig.6 ROC chart of geological hazard susceptibility evaluation results

3 結(jié)論

(1) 本文采取信息量模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià),將評(píng)價(jià)因子進(jìn)行量化并結(jié)合專家打分法賦予權(quán)重,利用GIS的空間分析功能得到易發(fā)性分區(qū)結(jié)果,最大程度避免了評(píng)價(jià)過程中主觀因素的干擾。這種方法要求對(duì)現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的原因進(jìn)行細(xì)致分析,找出控制、影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素,并對(duì)這些因素賦予恰當(dāng)?shù)臋?quán)重和分級(jí)值,而恰當(dāng)?shù)臋?quán)重和分級(jí)值的獲取皆來自于對(duì)現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害特征與影響因素的認(rèn)識(shí),以及地質(zhì)環(huán)境條件之間的對(duì)比分析。評(píng)價(jià)結(jié)果是理想的也是合理的,說明基于GIS的信息量法在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)上是切實(shí)可行的,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

(2) 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型還有很多種,如多元統(tǒng)計(jì)分析、趨勢(shì)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等,本文研究信息量模型與GIS結(jié)合進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià),有其優(yōu)勢(shì)也還有許多方面可以完善。如本文中地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子選取較為簡(jiǎn)單,對(duì)于復(fù)雜環(huán)境地質(zhì)條件下,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)模型體系建設(shè)與因子的選取,尚需開展深入的研究?？蓪⒈疚闹性u(píng)價(jià)方法與其他方法相結(jié)合,形成一套更為完整的評(píng)價(jià)體系。

(3) 根據(jù)基于GIS信息量模型分析方法,將西雷山地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分為高、中、低三個(gè)大區(qū)。高易發(fā)區(qū)面積1.265 km2,占研究區(qū)總面積的37.87%,地質(zhì)災(zāi)害及隱患點(diǎn)13處,占研究區(qū)災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的86.67%,點(diǎn)密度10.28處/km2。中易發(fā)區(qū)總面積1.047 km2,占研究區(qū)總面積的31.35%,災(zāi)害點(diǎn)2處,占研究區(qū)災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的13.33%,點(diǎn)密度1.91處/km2。低易發(fā)區(qū)總面積0.963 km2,占研究區(qū)總面積的28.83%,無災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生。根據(jù)圖5可以得出,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性空間分布與地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀分布規(guī)律一致,沿江道路一側(cè)地勢(shì)較陡,人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),成為地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū),應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害防治，因地制宜地規(guī)劃城市建設(shè)的發(fā)展。