鎮(zhèn)巴縣地質(zhì)災害發(fā)育規(guī)律與危險性評價

史琳鵬，范 文,2*，李 培，曹琰波，柴小慶，全倬梁

(1.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安710054；2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察設(shè)計院，陜西 西安 710054；3.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710054)

鎮(zhèn)巴縣地處秦嶺山區(qū)，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌復雜多變，地質(zhì)環(huán)境脆弱，是地質(zhì)災害高發(fā)、頻發(fā)的典型地區(qū)之一[1-2]。加之受人類工程活動的影響，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害頻發(fā)不斷，具有強度大、范圍廣、數(shù)量多等特點[3-4]。

2000年7月13日，鎮(zhèn)巴、紫陽兩縣遭受特大暴雨，引發(fā)山洪、滑坡及泥石流，致236人死亡，392人受傷，7.95億元的直接經(jīng)濟損失，成為2000年全國五大自然災害區(qū)之一[5]。為了保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，對該區(qū)地質(zhì)災害的危險性評價研究顯得尤為重要。

本文依托《漢江中游任河流域鎮(zhèn)巴縣幅地質(zhì)災害調(diào)查及專題研究》項目，基于野外調(diào)查，分析了鎮(zhèn)巴縣幅地質(zhì)災害的發(fā)育分布規(guī)律。基于層次分析法對鎮(zhèn)巴縣幅地質(zhì)災害進行了危險性評價，研究成果可為鎮(zhèn)巴縣城鄉(xiāng)規(guī)劃與地質(zhì)災害防治提供參考。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

1.1 地理位置

研究區(qū)位于陜西省漢中市鎮(zhèn)巴縣，屬漢江支流涇洋河流域。國家干線川陜公路(G210國道)縱貫工作區(qū)南北，中東部有由梁家灣通往鎮(zhèn)巴縣城的鎮(zhèn)節(jié)路，西部有沿著月灘河由北向南貫穿工作區(qū)的長沙路，同時由襄渝鐵路及包(包頭)-茂(茂名)高速公路穿越鎮(zhèn)巴縣東南角，連通省會西安與工作區(qū)，距離西安市約220 km。區(qū)域內(nèi)省道S310貫穿涇洋河流域，有通村便道，交通便利，水電及通訊條件良好。

1.2 地形地貌

研究區(qū)西部為大巴山，東部為米倉山。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺、斷層為主，巖性以變質(zhì)巖和沉積巖為主。地形高程在580～1 980 m之間，以山地為主。按照地貌圖制圖規(guī)范，將區(qū)內(nèi)地形根據(jù)其絕對高程和相對高程的大小劃分為三類：低山區(qū)、中山區(qū)和河谷階地區(qū)。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性

研究區(qū)位于鎮(zhèn)巴-大池壩隱伏斷裂附近以北及司上雞心領(lǐng)褶皺束以西的龍門-大巴臺緣隆褶帶，因工作區(qū)地處兩大構(gòu)造單元的過渡帶，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)災害常有發(fā)生。

區(qū)內(nèi)出露的地層由老到新包括南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系和侏羅系地層，巖性主要以灰?guī)r為主，其次還不同程度分布有砂巖、泥巖、頁巖和硅質(zhì)巖(圖1)。

圖1 構(gòu)造巖性圖

1.4 氣候條件

研究區(qū)屬北亞熱帶濕潤大陸季風氣候類型，氣候濕潤，夏季多雨，秋季多為連陰雨，冬季穩(wěn)定較為舒適。據(jù)2006—2015年降水統(tǒng)計資料可知，多年平均降水量1 279.5 mm，多年最大降水量1 963.4 mm(2011年)，最小降水量915.4 mm(2008年)。并且夏、秋兩季月平均降水量占全年最多。月平均降水量最多月份為5—9月，最小月份為1月。多年月平均降水量1月以后逐月增加，7月份平均降水量為最高(292 mm)，一般7月份以后月平均降水量逐漸減少。降雨往往是斜坡失穩(wěn)的決定性因素[6]。

2 地質(zhì)災害類型

通過91衛(wèi)圖助手下載精度為0.5 m的2015、2018年的GoogleEarth亞米級高分辨率影像，采用目視解譯的方法對該區(qū)域地質(zhì)災害進行遙感解譯。最后基于遙感解譯與野外實地考察，得到研究區(qū)主要災害類型有滑坡、崩塌、泥石流三種。其中滑坡93處，崩塌6處，泥石流4處(圖2)。

圖2 地質(zhì)災害類型分布

按照《崩塌滑坡泥石流調(diào)查與風險評價技術(shù)要求》(試用版)中對滑坡類型進行劃分，滑坡按照物質(zhì)組成劃分為土質(zhì)、巖質(zhì)、碎屑滑坡，分別占57%、19%、24%；按擴展方式主要分為推移式、擴大式和牽引式，分別占80%，1%，19%；按照滑坡的規(guī)模均為小型滑坡。崩塌均為小型崩塌，其中巖質(zhì)崩塌6處，無土質(zhì)崩塌；破壞方式以滑移式最為發(fā)育，傾倒式次之；根據(jù)滑動狀態(tài)，處于休止階段和破壞階段各占50%；對其穩(wěn)定性進行分析，不穩(wěn)定和基本穩(wěn)定分別占34%和66%。泥石流按照物質(zhì)組成劃分，其中泥石流和水石流分別占75%和25%；按照規(guī)模等級劃分，此次調(diào)查泥石流均為中型泥石流；按照水源類型劃分，調(diào)查區(qū)內(nèi)均為暴雨型泥石流；按照地貌劃分，均為山區(qū)泥石流；按照流域形態(tài)劃分，均為溝谷型泥石流，流域呈扇形或狹長條形，均可劃分出物源區(qū)，流通區(qū)與堆積區(qū)。

3 地質(zhì)災害的空間發(fā)育規(guī)律

由于研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害類型主要為滑坡，占災害總數(shù)的90%，因此本文主要研究了滑坡的發(fā)育分布規(guī)律[7-9]。選取8個因子：坡形、坡度、起伏度、高程、地貌、工程巖組、距斷裂距離、距水系距離，以評價各因子分級同地質(zhì)災害分布的相關(guān)性[10]。

3.1 坡形與滑坡災害

根據(jù)坡面形態(tài)可以將斜坡分成凹面型坡、平坡和凸面型坡，根據(jù)DEM提取的曲率是對地面坡度沿最大坡降方向地面高程變化率的度量，可以間接地表示坡面形態(tài)。曲率>0為凸面型坡，曲率<0為凹面型坡，曲率=0為平坡[11](圖3(a))。統(tǒng)計分析災害與坡型的關(guān)系，結(jié)果如表1和圖3(b)所示?？梢姡瑸暮γ芏仍?附近為最小，越往兩側(cè)災害密度越大。由于在0附近地形較為平坦，滑坡發(fā)生較少，往左右兩側(cè)曲率增加，地勢變陡，易發(fā)生滑坡災害。

圖3 滑坡點分布與坡形關(guān)系

3.2 坡度與滑坡災害

將坡度劃分為6個等級：0°～10°、10°～20°、20°～30°、30°～40°、40°～50°、>50°(圖4(a))。對災害在不同坡度區(qū)間的數(shù)量關(guān)系進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2和圖4(b)所示?？梢姡瑸暮γ芏仍?°～10°坡度區(qū)間最大，達0.37個/km2,其次為20°～30°坡度區(qū)間。經(jīng)分析，人類活動多集中在較平坦地區(qū)，加劇了斜坡的變形運動。

表1 滑坡分布與坡形的關(guān)系

表2 滑坡分布與坡度的關(guān)系

圖4 滑坡點分布與坡度關(guān)系

3.3 起伏度與滑坡災害

將起伏度劃分為5個等級：0～10、10～30、30～50、50～70、>70(圖5(a))。對災害在不同起伏度區(qū)間的數(shù)量關(guān)系進行統(tǒng)計，結(jié)果如表3和圖5(b)所示?？梢?，起伏度0～30 m的區(qū)域災害密度最大，其次30～50 m區(qū)域范圍，起伏度>50 m的區(qū)域災害密度較小，主要因為起伏度>50 m的區(qū)域受人類工程經(jīng)濟活動影響較小，起伏度>70 m的區(qū)域無災害分布。

3.4 高程與滑坡災害

研究區(qū)以低山為主，高差較大，海拔高度變化范圍在580～1 980 m之間。

根據(jù)調(diào)查區(qū)高程對災害點的貢獻程度不同，可將高程分為不同的類，并近似認為每一類的貢獻程度相同。將高程分為以下5類：500～800 m、800～1 000 m、1 000～1 200 m、1 200～1 400 m、>1 400 m(圖6(a))。對災害在不同高程區(qū)間的數(shù)量關(guān)系進行統(tǒng)計，結(jié)果如表4和圖6(b)所示?？梢?，災害密度隨著高程的增加而減少，滑坡主要發(fā)生在500～800 m之間，這主要有兩個原因：一是該區(qū)域大多是河谷區(qū)，區(qū)內(nèi)的公路、廠房等設(shè)施往往是沿河道修建，使得斜坡容易發(fā)生變形滑塌；二是高程在500～800 m區(qū)間的地形較為陡峭，是區(qū)域上河流從寬谷進入峽谷的過渡部位，因此滑坡災害最為發(fā)育。

表3 滑坡分布與起伏度的關(guān)系

圖5 滑坡點分布與起伏度關(guān)系

3.5 地貌與滑坡災害

研究區(qū)可分為中山區(qū)、低山區(qū)和河谷階地地貌(圖7(a))。在Arcgis軟件中疊加分析地質(zhì)災害和地形地貌，可見地質(zhì)災害在各類地貌中均有分布。分析結(jié)果如表5和圖7(b)所示。可見，低山區(qū)的地質(zhì)災害分布最多；災害密度以低山區(qū)最大，約0.59個/km2，中山區(qū)最小。主要原因為大多人類工程活動都分布在低山區(qū)和河谷階地，促使了災害的發(fā)生。

圖6 滑坡點分布與高程關(guān)系

表5 滑坡分布與地貌的關(guān)系

3.6 工程巖組與滑坡災害

研究區(qū)發(fā)育有不同地質(zhì)時期的多種巖組。根據(jù)各種巖石建造組合特征，將調(diào)查區(qū)出露地層劃分為碳酸鹽巖建造、碎屑巖建造、松散堆積三種建造類型。按照巖層單層厚度、巖質(zhì)類型和巖體結(jié)構(gòu)劃分，該區(qū)內(nèi)主要為堅硬、較堅硬厚、中、薄層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r巖組(Ⅰ),堅硬、較堅硬灰?guī)r夾軟弱泥、頁、粉砂巖巖組(Ⅱ)，碎屑巖建造按照單層厚度、巖質(zhì)類型和巖體結(jié)構(gòu)進一步劃分為軟弱泥、頁、粉砂巖夾堅硬、較堅硬灰?guī)r巖組(Ⅲ)，較堅硬、軟弱厚、中、薄層石英砂巖巖組(Ⅳ),軟弱中薄層泥、頁、粉砂巖互層巖組(Ⅴ)，松散巖類主要是第四系松散堆積物(VI)(圖8(a))。統(tǒng)計分析災害點與工程巖組的關(guān)系，結(jié)果如表6和圖8(b)所示?？梢姡谒南邓缮⒍逊e物地區(qū)的災害密度最大。

圖7 滑坡點分布與地貌關(guān)系

表6 滑坡分布與工程巖組的關(guān)系

3.7 斷裂與滑坡災害

研究區(qū)主要發(fā)育有司上小洋壩斷裂、大池壩鎮(zhèn)巴斷裂以及其他小斷裂。依據(jù)地質(zhì)圖中斷裂信息，統(tǒng)計分析斷裂對地質(zhì)災害的影響，根據(jù)距斷裂的距離劃分為7個區(qū)域：<200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m、800～1 000 m、1 000～1 200 m、>1 200 m(圖9(a))。統(tǒng)計分析災害與斷裂的關(guān)系，結(jié)果如表7和圖9(b)所示?？梢?，隨著距斷裂距離的增加，災害并無明顯的減少。表明斷裂對研究區(qū)地質(zhì)災害的分布控制作用不明顯。

圖8 滑坡點分布與工程巖組關(guān)系

表7 滑坡分布與斷裂的關(guān)系

圖9 滑坡點分布與斷裂關(guān)系

3.8 水系與滑坡災害

研究區(qū)水系眾多，其中主要河流為涇洋河、牧羊河，并且伴有大量的支流。由于河水的側(cè)向侵蝕和下切作用不斷侵蝕河流兩岸的坡腳，另一方面，由于河水的軟化作用使巖體的強度降低，以及河流水位的漲落所引發(fā)的動水壓力變化，流域內(nèi)的坡體穩(wěn)定性相對較差。將河流影響范圍劃分為4個區(qū)域：<200、200～400、400～600、>600 m，疊加地質(zhì)災害(圖10(a))。統(tǒng)計分析各距離區(qū)間范圍內(nèi)災害分布，結(jié)果如表8和圖10(b)所示?？梢?，在0～600 m范圍內(nèi)，隨著與河流距離的增大，地質(zhì)災害數(shù)量和密度明顯減少，表明在此區(qū)域內(nèi)河流對地質(zhì)災害有很強的控制作用。

表8 滑坡分布與河流的關(guān)系

圖10 滑坡點分布與河流關(guān)系

4 地質(zhì)災害風險評價

4.1 評價方法及層次結(jié)構(gòu)模型

傳統(tǒng)層次分析法其基本原理是將決策中有關(guān)的元素分解為目標、準則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性和定量分析[12-15]。通過對影響因素的兩兩比較，綜合決定影響因子的權(quán)重[16-17]。采用一致性比率(CR)來判斷評價因子比較結(jié)果的合理性，其范圍在0～1之間。該方法具有成熟、可靠等優(yōu)點，缺點是由專家打分具有一定的主觀性，并且需要反復調(diào)整判斷矩陣直至滿足一致性檢驗[18]。

改進層次分析法調(diào)整了矩陣的運算方法，不用進行一致性檢驗。具體步驟為：(1)對判斷矩陣進行對數(shù)計算，(2)求最優(yōu)傳遞矩陣，(3)對最優(yōu)傳遞矩陣進行冪計算得到擬最優(yōu)矩陣，(4)歸一化求權(quán)重系數(shù)。從而降低了因反復調(diào)整判斷矩陣而帶來的主觀性，使得分析結(jié)果更加合理準確[19]。

在進行調(diào)查區(qū)地質(zhì)災害危險性分區(qū)時，依據(jù)災害的發(fā)育特點，以地質(zhì)災害危險性作為目標層，歷史狀況、地質(zhì)環(huán)境條件和破壞動力條件構(gòu)成二級評價因子，進而選取對調(diào)查區(qū)地質(zhì)災害危險性影響明顯的因素作為三級評價因子(圖11)，包括災害點密度、坡高指標、坡度指標等9種。首先采用專家打分和Matlab軟件確定各因子的評價權(quán)重，然后使用 Arcgis軟件進行空間分析，并將該9種因子進行量化和歸一化處理，利用柵格將各因子的權(quán)重進行疊加計算，計算公式為：

(1)

式中：B為滑坡發(fā)育程度指數(shù)；bi為第i個評價指標；ri為第i個評價指標的權(quán)重；n為評價指標的總數(shù)。最后選取合理的分區(qū)界線值對得到的柵格圖件進行分區(qū)，將全區(qū)劃分為高、中、低危險區(qū)。

圖11 危險性評價層次結(jié)構(gòu)模型

4.2 評價因子權(quán)重的確立

(1)構(gòu)造判斷矩陣

通過野外實地災害調(diào)查，分析因子對災害的影響規(guī)律，以此來判斷該因子對于災害形成的貢獻度大小，并與專家打分結(jié)合起來，最終確定該調(diào)查區(qū)的評價因子判斷矩陣，用來表示評價因子對滑坡災害的影響程度。

(2)確定各因子權(quán)重系數(shù)

對判斷矩陣(表9)進行以10為底的對數(shù)運算得到矩陣A，通過Matlab數(shù)值分析軟件求得最優(yōu)傳遞矩陣B，并對其進行以10為底的冪運算得到擬最優(yōu)矩陣C(表10)，再對矩陣C進行列歸一化并每行數(shù)字相加得到向量D，最后對向量D進行歸一化處理，得到相對權(quán)重系數(shù)向量E(表11)[20-21]。

4.3 影響因子的量化及歸一化處理

為消除不同影響因素在定量化過程中不同量綱的影響，方便影響因子統(tǒng)計疊加綜合評判，采用極大值歸一化進行數(shù)據(jù)無量綱處理[22]。

(2)

式中：yi為數(shù)據(jù)無量綱處理后的數(shù)據(jù)；xmax、xmin分別為各主控因素量化值的最大值、最小值。

4.4 評價結(jié)果分析

根據(jù)各評價指標，將調(diào)查區(qū)的指標量以及權(quán)重進行疊加計算，獲取全區(qū)的危險程度指標，以Arcgis中的自然斷點法為劃分依據(jù)，找出臨界點作為分界點，將調(diào)查區(qū)劃分為高危險區(qū)(-0.23～-0.03)、中危險區(qū)(-0.03～0.08)、低危險區(qū)(0.18～0.47)(圖12)。

由上圖可以看出，地質(zhì)災害高危險區(qū)主要集中在調(diào)查區(qū)中部及東部，分布于涇洋河及其支流孫溪溝、潘家河、白河等地，途徑鎮(zhèn)巴縣涇洋鎮(zhèn)，部分位于蔡家河流域。由于山前緩坡坡度較小，地形平緩，更適宜于人類工程活動，比如耕地和修建房屋等，尤其是調(diào)查區(qū)的公路多是沿河道開挖，也使得高危險區(qū)往往是在主河道兩側(cè)。高危險區(qū)總面積約62.05 km2，災害點密度為1.176個/km2；而中危險區(qū)域主要為涇陽河流域，月灘河流域等主要河道及其支流，這些地段人類工程活動以耕地和修建房屋開挖道路為主，總面積約143.43 km2，災害點密度為0.125個/km2；低危險區(qū)主要為無人區(qū)，總面積約224.57 km2，災害點密度為0.009個/km2。

表9 滑坡影響因子判斷矩陣

表10 滑坡影響因子擬最優(yōu)矩陣

D=[0.1584 0.3024 0.4203 0.4752 0.6741 1.0278 0.9909 1.9395 3.0114]T

E=[0.0176 0.0336 0.0467 0.0528 0.0749 0.1142 0.1101 0.2155 0.3346]T

表11 各評價因子的權(quán)重系數(shù)

圖12 地質(zhì)災害危險性分區(qū)圖

5 結(jié)論

1)地質(zhì)災害多發(fā)育在曲率較大的凹凸面坡、坡度為0°～10°、起伏度為0～30 m的斜坡中，且集中分布在河谷兩側(cè)的高程500～800 m的低山區(qū)。在0～600 m范圍內(nèi)隨著地質(zhì)災害與河流距離的增加，災害數(shù)量和密度明顯減少。

2)利用改進層次分析法評價了鎮(zhèn)巴縣幅地質(zhì)災害的危險性，可分為高、中、低三類，面積分別為62.05、143.43、224.57 km2。高危險區(qū)主要分布在涇洋河流域，途經(jīng)鎮(zhèn)巴縣城和涇陽鎮(zhèn)，占調(diào)查區(qū)面積的14.4%。研究成果可為鎮(zhèn)巴縣防災減災工作提供參考。