黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害分析—基于甘肅省莊浪縣實地勘察

侯云龍,萬寶峰,郁 文,劉蓓蕾

甘肅工程地質(zhì)研究院,甘肅 蘭州 730000

隨著生態(tài)環(huán)境關注度的提升，地質(zhì)災害分析受到越來越多的關注[1]。相關研究資源顯示[2]，黃土高原區(qū)域因地質(zhì)災害已造成數(shù)千人傷亡，直接經(jīng)濟損失高達3 億元以上。由此說明地質(zhì)災害已經(jīng)成為抑制黃土高原地區(qū)經(jīng)濟與社會發(fā)展的主要因素，準確分析黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害對該區(qū)域經(jīng)濟與社會發(fā)展產(chǎn)生重要影響。甘肅省莊浪縣位于黃土高原地區(qū)，對莊浪縣實地勘察并對地質(zhì)災害進行分析，為黃土高原地域地質(zhì)災害的防御提供理論依據(jù)。

1 黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害分析方法

1.1 區(qū)域概況

莊浪縣位于甘肅省中部，六盤山西麓，東西與南北長度分別為56.4 km 和46.6 km，整體地勢呈現(xiàn)東北高西南低，大部分區(qū)域海拔處于1750 m±250 m 之間。區(qū)內(nèi)的地形切割特征明顯，地質(zhì)構(gòu)造復雜，極其容易受到自然災害的影響。依照甘肅省莊浪縣自然地理環(huán)境與時間分布特征，該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災害可分為兩種類型[3]：山地地質(zhì)災害與平原地質(zhì)災害；依照地質(zhì)災害活動的時間特征可將該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災害分為兩種類型[4]：突發(fā)性地質(zhì)災害與緩變性地質(zhì)災害。甘肅省莊浪縣主要地質(zhì)災害類型為滑坡、泥石流、崩塌、水土流失等，而前三種地質(zhì)災害類型最易發(fā)生。

1.2 數(shù)據(jù)來源

黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害分析過程中相關數(shù)據(jù)直接影響分析結(jié)果的準確性[5]。為準確獲取數(shù)據(jù)，采用ArcGIS 軟件平臺WGS84 坐標系統(tǒng)對相關數(shù)據(jù)實施空間化處理，其中降雨量數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)分別來源于甘肅省莊浪縣周邊基本氣象臺站近50 年降雨量數(shù)據(jù)和Aster DEM 數(shù)據(jù)；人口數(shù)據(jù)與耕地、植被、地貌類型等數(shù)據(jù)分別來源于甘肅省人口供給數(shù)據(jù)與中國科學院資源科學數(shù)據(jù)中心；其它相關數(shù)據(jù)來源于甘肅省統(tǒng)計年鑒。

1.2.1 莊浪縣氣象水文特征 莊浪縣屬標準的大陸性溫帶季風氣候，存在顯著的降水少、降雨分布不均、多風、蒸發(fā)量大與濕度低等氣候特征，降雨量由東南向西北逐漸遞減。莊浪縣區(qū)域內(nèi)地下水以松散巖類空隙潛水、碎屑巖類空隙裂隙水與巖溶裂隙水為主要類型。莊浪縣潛水賦存在黃土丘陵的梁峁與黃土殘塬內(nèi)，含水層巖性以黃土狀亞黏土與壓砂土為主，含水層通常低于30 m，塬面積與含水層厚度和富水性之間呈正比例，塬面積越大，含水層厚度和富水性也越大，同時梁峁邊緣地帶富水性較差，水質(zhì)較好。碳酸鹽巖溶裂隙水主要集中于逆沖帶下部，以震旦—奧陶系灰?guī)r和白云巖為含水層主要巖性，地下水賦存條件復雜，埋藏較深，富水性弱，水質(zhì)波動顯著。

1.2.2 莊浪縣巖土體特征 莊浪縣區(qū)域?qū)冱S土高原工程地質(zhì)區(qū)黃土塬、梁峁穩(wěn)定工程地質(zhì)亞區(qū)。依照巖體的成因類型、巖性、結(jié)構(gòu)與力學性質(zhì)可將莊浪縣區(qū)域巖體劃分為不同組別（表1）。

表1 莊浪縣區(qū)域巖體劃分組別與巖性Table 1 regional rock mass classification and lithology in Zhuanglang County

結(jié)合土體形成的原因及類型、土體結(jié)構(gòu)特點，能夠針對莊浪縣土體進行劃分，分別是普通土和特殊土，普通土主要類型為：含亞砂土、亞黏土與黏土，土質(zhì)松散，而砂礫石雙層土、砂性土、黏土以及亞黏土是巖性；特殊土包括黃土狀土、砂礫石雙土體、黃土狀土，其中砂礫石雙土體主要為馬蘭黃土，呈垂直節(jié)理發(fā)育，有大空隙，比較容易崩解和下陷，下部離石黃土密度高于上部，與水接觸后有一定幾率下陷。

1.3 分析方法

基于莊浪縣實地勘察結(jié)果，采用投影尋蹤聚類模型進行黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害分析。對莊浪縣實地勘察，以暴雨日數(shù)比例、年暴雨量均值、年暴雨日數(shù)均值、年降雨量、地質(zhì)災害隱患指數(shù)與地理坡度確定風險分析因子，進而獲取各分析因子相關數(shù)據(jù)，利用GIS 平臺，對各分析因子實施網(wǎng)格化處理，生成0.005°×0.005°柵格數(shù)據(jù)。確定各分析因子的權(quán)重，得出黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害風險結(jié)果與分析因子間的數(shù)值換算相關性，是一種定量化分析多指標多因子風險評估的有效方法，可分為指標集標準化處理、線性投影、優(yōu)化投影目標函數(shù)和投影方向代入等四個步驟。

以Xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)描述分析因子，其中m和n分別表示樣本數(shù)量與指標數(shù)量。選取極差變換法處理不同分析因子間數(shù)值的相關性，并統(tǒng)一數(shù)值范圍，利用極差變換法對正向因子與逆向因子進行處理，各分析因子均轉(zhuǎn)換為正向因子，同時各分析因子均滿足0≤yij≤1 要求。以q描述初始投影方向，任選取數(shù)個初始投影方向q1,q2,…,qm實施計算，依照分析因子選大標準，取最大分析因子對應的解，并以其為最優(yōu)投影方向。以q(q1,q2,…,qm)和Gi分別描述m維單位向量和樣本i的特征值，則Gi的表達式如下

匯總投影因子值過程中，由于投影值Gi在整體與局部分別具有投影點盡可能散開與投影點盡可能凝聚為單個點團的特征，因此可將類間距離K(q)和類內(nèi)密度v(q)間的乘積作為目標函數(shù)T(q)，即：T(q)=K(q)·v(q)，其中類間距離K(q)的計算過程如下：

式（2）內(nèi)，表示序列{g(i)|i=1,2,…,n}的均值，gi與數(shù)據(jù)分布間呈正相關。

以dij=|gi-gj|(i,j=1,2,…,n)描述投影特征值間的距離，類內(nèi)密度v(q)計算公式其中D和f(t)分別表示判斷局部散點密度的窗寬參數(shù)和一階單位階躍函數(shù)，當t值為≥0 和<0 時，f(t)值為0，D值合理范圍為dmax

采用自然斷點分級方法將甘肅省莊浪縣地質(zhì)災害風險劃分為高風險區(qū)域、較高風險區(qū)域、中風險區(qū)域、較低風險區(qū)域和低風險區(qū)域。通過數(shù)據(jù)聚類方法降低類的方差，盡量提升類間差異，通過循環(huán)迭代過程進行計算，進而得出黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害的風險等級。

2 分析結(jié)果

基于甘肅省莊浪縣實地勘察結(jié)果進行黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害分析，得到以下分析結(jié)果。

2.1 地質(zhì)災害防治分區(qū)

利用本文方法對甘肅省莊浪縣地質(zhì)災害情況進行分析，依照莊浪縣各區(qū)域地質(zhì)災害風險等級，將莊浪縣區(qū)域劃分為重點地質(zhì)災害防治區(qū)（中等級風險以上）與一般地質(zhì)災害防治區(qū)（低風險區(qū)域與較低風險區(qū)域）兩部分，甘肅省莊浪縣重點地質(zhì)災害防治區(qū)主要集中于水洛河流域，該區(qū)域是全縣工業(yè)與農(nóng)業(yè)的重點發(fā)展區(qū)域，但地質(zhì)環(huán)境極差，生態(tài)環(huán)境相對脆弱，也是地質(zhì)災害高發(fā)區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災害隱患點共46 處，主要威脅對象為城鎮(zhèn)、村莊、鄉(xiāng)縣級公路與農(nóng)田；甘肅省莊浪縣一般地質(zhì)災害防治區(qū)主要集中在莊浪河、葫蘆河與水洛南河的部分流域，該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件較差，地質(zhì)災害風險等級較低。該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災害隱患點共15 處，主要威脅對象為村莊與農(nóng)田。

2.2 地質(zhì)災害成因分析

由實驗結(jié)果得知，崩塌是甘肅省莊浪縣的關鍵地質(zhì)災害，經(jīng)對形成緣由進行深入分析和研究，便于找到有效的防治對策。沿軟弱結(jié)構(gòu)面迅速位移是地質(zhì)崩塌的關鍵特點，崩塌體剖面詳見圖1。

由圖1 可知，莊浪縣區(qū)域內(nèi)崩塌災害普遍為土質(zhì)崩塌，主要集中于村莊、公路與河谷兩岸。崩塌災害形成的主要原因分為自然因素與人為因素兩種。（1）莊浪縣溝岸在長期的風華侵蝕作用下，多呈現(xiàn)出一種垂直的陡坡形態(tài)，同時表層巖土和坡頂巖土一般都比較松散，受降水和溝內(nèi)水流的沖刷，有較大概率形成陡壁，下部土體懸空。而且莊浪縣內(nèi)土體以大空隙和垂直節(jié)理裂隙發(fā)育為主，受地震等因素誘發(fā)，易形成崩塌；（2）莊浪縣內(nèi)人們在進行工程活動時，切坡處理山坡前緣、高階地段的過程中，直立坡體會使溝案坡度、陡度都增大，這就會影響自然溝岸岸坡下土體應力均衡狀態(tài)，所以岸坡外向張應力、剪應力增大，從而出現(xiàn)呈豎向的裂縫。其與土體內(nèi)既有垂直節(jié)理裂隙重疊，加劇土體裂隙發(fā)展，增加岸坡崩塌災害形成的概率。

3 結(jié)論

地質(zhì)災害問題是影響黃土高原地區(qū)經(jīng)濟與社會發(fā)展的主要問題，分析地質(zhì)災害高發(fā)區(qū)域與形成原因?qū)Φ刭|(zhì)災害防治具有重要意義。本文基于甘肅省莊浪縣實地勘察結(jié)果，分析黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害等級及成因，得出黃土高原地區(qū)地質(zhì)災害的多發(fā)地域，有利于主動開展地質(zhì)災害防治工作，采取有效的防治手段可降低該區(qū)域人民生命財產(chǎn)損失，促進國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。