基于信息量法的重慶云陽縣（三峽庫區(qū)）地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)

張利芹，李浩，顧超，潘會(huì)彬，付鵬偉

（1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院，河南 鄭州 450000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051；3.中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 南陽 473132；4.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410000；5.新鄉(xiāng)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

長江三峽庫區(qū)由于其特殊的地質(zhì)環(huán)境和強(qiáng)烈的人類工程活動(dòng)的影響，在該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害尤為頻發(fā)（夏輝，2018）。云陽縣位于三峽庫區(qū)中部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)108°35′32″～109°14′51″，北緯30°35′6″～31°26′30″，云陽縣境內(nèi)的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害歷來也較為嚴(yán)重（尹玲玲，2018），既制約著當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也威脅著人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，因此開展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)變得尤為重要，目前針對云陽縣長江兩岸地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)較多，以縣域?yàn)閱卧脑u價(jià)相對較少，杜常見等（2017）認(rèn)為云陽縣滑坡災(zāi)害高易發(fā)區(qū)主要集中在人類工程活動(dòng)頻繁的縣城開發(fā)區(qū)和庫水位變動(dòng)帶庫岸斜坡，該文在基于近年參與地質(zhì)災(zāi)害詳查的基礎(chǔ)上，開展了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的定義，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為危險(xiǎn)性、危害性的積（殷坤龍等，2007）。開展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)最基礎(chǔ)的工作需要進(jìn)行易發(fā)性評價(jià)（喬建平等，2008），而易發(fā)性則是對研究區(qū)內(nèi)特定的孕災(zāi)環(huán)境中可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的難易程度進(jìn)行評價(jià)。目前，基于GIS 的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)常用的評價(jià)模型有信息量模型、邏輯回歸模型、支持向量機(jī)模型等（張茂省和唐亞明，2008）。

在信息量法方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了較多研究。Akbar and Ha（2011）采用信息量法開展了巴基斯坦東北部山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)；Epifanio et al.（2014）和Vijith et al.（2009）采用信息量法對葡萄牙及印度喀拉拉邦的山區(qū)滑坡進(jìn)行了易發(fā)性評價(jià)；Saha et al.（2005）在喜馬拉雅同樣采用信息量法開展了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)；阮沈勇和黃潤秋（2001）以長江三峽庫區(qū)為典型實(shí)例，基于GIS 平臺(tái)采用信息量法模型，分析了該方法在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃中的適用性；朱良峰等（2004）在基于GIS 平臺(tái)開發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用信息量法對中國滑坡災(zāi)害進(jìn)行了易發(fā)性評價(jià)；石菊松等（2007）采用信息量法以鄂西清江流域隔河巖水庫庫區(qū)為例進(jìn)行了易發(fā)性評價(jià)與制圖。張春山等（2008）采用信息量法進(jìn)行了隴縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)；張俊等（2016）運(yùn)用信息量模型和邏輯回歸模型分別開展易發(fā)性評價(jià)，表明信息量法評價(jià)結(jié)果更為可靠。該文在收集區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，通過基于GIS 的信息量法（龍萬學(xué)，2009），評價(jià)了云陽縣的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度，對于制定地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃、預(yù)防和減輕地質(zhì)災(zāi)害的危害具有重要意義。

1 信息量法原理

信息量法的理論基礎(chǔ)是信息論，采用滑坡災(zāi)害發(fā)生過程中熵的減少來表征滑坡災(zāi)害事件產(chǎn)生的可能性（王佳佳等，2014）。信息量模型屬于貝葉斯概率模型的一種，評估過程中可以較好地融合工程地質(zhì)專家的主觀經(jīng)驗(yàn)及成災(zāi)要素與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性的客觀特征。

信息量模型利用概率形式進(jìn)行定量描述，反映了不同成災(zāi)要素區(qū)間對地質(zhì)災(zāi)害形成的貢獻(xiàn)大小，地質(zhì)災(zāi)害信息量IAj→B表達(dá)式為：

在實(shí)際操作中為了便于計(jì)算，通常將式（1）中概率轉(zhuǎn)化成樣本頻率進(jìn)行計(jì)算，于是可將式（1）變換為：

式（2）中，IAj→B—對應(yīng)成災(zāi)要素A中第j區(qū)間地質(zhì)災(zāi)害B 發(fā)生的信息量；Nj—對應(yīng)成災(zāi)要素A中第j區(qū)間的地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)點(diǎn)數(shù)；Sj—對成災(zāi)要素A 中第j區(qū)間的分布面積；N—區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的總災(zāi)點(diǎn)數(shù)；S—區(qū)域總面積。

信息量模型中IAj→B值通?？梢杂姓?fù)之分，“正值”表明該要素區(qū)間對地質(zhì)災(zāi)害形成的貢獻(xiàn)量大于區(qū)域本底值，有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生；“負(fù)值”表明該要素區(qū)間不利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生；“0 值”表明該要素區(qū)間對于地質(zhì)災(zāi)害形成的貢獻(xiàn)水平中等。

2 研究區(qū)概況

云陽縣地處重慶市東部，屬三峽庫區(qū)萬州-巫山段中部。長江主航道接近于西東對角線橫穿云陽全境，地貌主要受華鎣山-方斗山弧形褶皺體系和大巴山斷褶帶所控制，形成以單斜低山、背斜梳狀低山為主的中低山地貌，構(gòu)成區(qū)內(nèi)地貌的基本山骨架。區(qū)內(nèi)出露地層有第四系、侏羅系及三疊系，其中侏羅系出露面積占80%以上，主要以碎屑巖為主。區(qū)內(nèi)以褶皺構(gòu)造為主，褶皺形態(tài)以寬平的屜形向斜和狹窄的高背斜相間排列，組成隔檔式構(gòu)造。受脆弱的地質(zhì)環(huán)境背景影響，加之近年來城鎮(zhèn)建設(shè)、采礦、公路建設(shè)等人類工程活動(dòng)日趨強(qiáng)烈，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，遍及42 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，根據(jù)調(diào)查資料及收集詳查資料，云陽縣地災(zāi)點(diǎn)共1363 點(diǎn)，其中滑坡（不穩(wěn)定斜坡）1312 處，崩塌（危巖體）40 處，泥石流11 處。

3 易發(fā)性評價(jià)

3.1 數(shù)據(jù)來源及評價(jià)單元選取

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)一般需要地理、地質(zhì)、測繪、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等資料數(shù)據(jù)。該文采用的1 ∶5 萬DLG數(shù)據(jù)由國家測繪局提供；所采用的基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)來源于從全國地質(zhì)資料館收集的1 ∶5 萬、1 ∶20 萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告等資料；采用的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)主要來源于云陽縣國土局地質(zhì)災(zāi)害排查詳查等資料。以上資料作為易發(fā)性評價(jià)的基礎(chǔ)。

評價(jià)單元方面，國內(nèi)應(yīng)用比較成熟的預(yù)測單元主要包括：柵格單元、地域單元、均一條件單元、子流域單元和斜坡單元（唐亞明，2011）。目前，針對以縣域行政單元的小比例尺地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)評價(jià)多采用柵格單元進(jìn)行評價(jià)，此外柵格單元作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)具有數(shù)據(jù)處理速度快等優(yōu)勢，因此論文以柵格為單元進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)。為滿足評價(jià)精度要求，該文選取25 m×25 m 柵格分辨率，研究區(qū)柵格共5833829 個(gè)柵格單元，面積約3646.14 km2（因坐標(biāo)系差異，與官方公布數(shù)據(jù)3649 km2有誤差）。經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害信息量背景值為0.3738。

3.2 指標(biāo)選取及分級

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)的基本假設(shè)是未來發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害形式和程度與已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害形式和程度是基本一致的（DAI-2002）。據(jù)野外調(diào)查，選取了控制區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的6 個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，為地形坡度、坡高、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、水系、人類工程活動(dòng)。

（1）地形坡度、坡高

應(yīng)用Arcgis 空間分析工具，從DEM 數(shù)據(jù)中提取坡度、坡高信息，為精確統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害信息，將研究區(qū)坡度按10°進(jìn)行分級；綜合研究區(qū)地貌類型及分級精細(xì)程度，將高程分為9 級；利用Arcgis重分類工具，統(tǒng)計(jì)了各個(gè)指標(biāo)因素的面積比例及地質(zhì)災(zāi)害比例，見圖1～3。

從圖1 可見，研究區(qū)坡度面積與坡度大小呈負(fù)相關(guān)，同樣隨著坡度的增加，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育頻率降低，這個(gè)結(jié)果可能與高位地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查程度較低有一定關(guān)系。從災(zāi)害百分比看，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)主要集中在坡度小于30°的區(qū)域發(fā)生，在（0，10］及（10，20］的區(qū)間內(nèi)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育頻率更高。從圖2～3 可見，在200～800 m 范圍內(nèi)，地質(zhì)災(zāi)害占比均在20%以上，在200～600 m 范圍內(nèi)，其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育頻率更高，表明其對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育影響程度更大。

（2）工程地質(zhì)巖組

圖1 各坡度區(qū)間面積百分比與災(zāi)害百分比統(tǒng)計(jì)圖

研究區(qū)出露地層有第四系、侏羅系及三疊系，按照工程地質(zhì)巖組可分為3 大類5 小類。①第四系松散土體類（Ⅰ），主要為沖洪積層（）、崩坡積層（）等，主要分布于長江及其支流沿岸階地及漫灘；②層狀碎屑巖類Ⅱ1（中厚層石英砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、泥頁巖），主要包括地層有侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）、中-下統(tǒng)自流井組（J1-2z）、侏羅系中統(tǒng)新田溝組（J2x）和沙溪廟組（J2s），含有軟弱夾層；③層狀碎屑巖類Ⅱ2（厚層長石石英砂巖夾砂質(zhì)泥巖），主要包括地層有侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3s）和蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）；④層狀碎屑巖類Ⅱ3（石英砂巖、長石石英砂巖夾頁巖、煤層），主要地層為三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj），含有煤層，巖組相對較為軟弱；⑤層狀碳酸鹽巖類Ⅲ（薄至中層狀灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r），主要包括地層有三疊系上統(tǒng)嘉陵江組（T1j）、大冶組（T1d）和三疊系中統(tǒng)巴東組（T2b），相對堅(jiān)硬。

圖2 云陽縣地質(zhì)災(zāi)害分布與高程關(guān)系圖

圖3 各高程區(qū)間面積百分比與災(zāi)害百分比統(tǒng)計(jì)圖

在Arcgis 內(nèi)統(tǒng)計(jì)了各個(gè)指標(biāo)因素的面積比例及地質(zhì)災(zāi)害比例，見圖4～5，并計(jì)算了其信息量值。據(jù)圖5 表明，除去水系所占面積，地質(zhì)災(zāi)害主要集中在Ⅱ1、Ⅱ2這兩大類巖組中，一方面跟出露該地層面積較大有關(guān)，另一方面該2 個(gè)巖組地層地質(zhì)災(zāi)害頻率更高，表明了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害主要受軟弱的侏羅系粉砂巖、泥巖、石英砂巖軟弱互層地層的控制。

（3）地質(zhì)構(gòu)造

圖4 云陽縣地質(zhì)災(zāi)害分布與工程地質(zhì)巖組關(guān)系圖

研究區(qū)內(nèi)發(fā)育以褶皺構(gòu)造為主，見有少量斷裂構(gòu)造（圖4），高陡背斜與寬緩向斜相間排列的侏羅山式隔擋式褶皺構(gòu)造，導(dǎo)致云陽縣順向斜坡結(jié)構(gòu)發(fā)育，加之倒轉(zhuǎn)褶皺、層間滑動(dòng)構(gòu)造與節(jié)理、劈理發(fā)育，特別是在高陡背斜兩翼，發(fā)育較多中型-大型順層巖質(zhì)滑坡。根據(jù)構(gòu)造發(fā)育特點(diǎn)及控災(zāi)條件，將研究區(qū)構(gòu)造帶共劃分4 個(gè)影響區(qū)間，單位為m，分別為（0，300］、（300，1 000］、（1 000，2 000］、＞2 000。從圖6 可見，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育頻率與構(gòu)造距離的遠(yuǎn)近關(guān)系不大，但較明顯的是在距構(gòu)造帶皺跡線較近的區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害頻率較大。

（4）河流水系及人類工程活動(dòng)

圖5 各巖組面積百分比與災(zāi)害百分比統(tǒng)計(jì)圖

圖6 各構(gòu)造帶面積百分比與災(zāi)害百分比統(tǒng)計(jì)圖

河流水系及人類工程活動(dòng)對地質(zhì)災(zāi)害的影響來源于外因，研究區(qū)長江水系支流遍布，在庫水波動(dòng)下，斜坡體前緣空隙水壓力等周期性變化，加之侏羅系砂泥巖經(jīng)水浸泡沖刷后，多發(fā)生崩解現(xiàn)象，加速了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育。據(jù)水系的距離將研究區(qū)劃分成6個(gè)等級，單位為m，為（0，100］、（100，200］、（200，300］、（300，400］、（400，500］、＞500。隨著新型城鎮(zhèn)化的推進(jìn)及村村通等工程建設(shè)，對地質(zhì)環(huán)境影響較大，常誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。論文選取了道路作為一項(xiàng)影響指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)，分為5 級，單位為m，分別為（0，50］、（50，100］、（100，300］、（300，500］、＞500。

由圖7～8 可見，研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害距發(fā)育距主要水系500 m 以外，但距離水系越近其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育頻率越高；研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害與道路關(guān)系密切，多數(shù)災(zāi)害發(fā)生在距離道路100 m 范圍內(nèi)（災(zāi)害點(diǎn)位置定在滑坡后壁，與道路無絕對相關(guān)性），同樣距離道路越近，其地質(zhì)災(zāi)害頻率更高。

4 評價(jià)結(jié)果

圖7 各水系區(qū)間面積百分比與災(zāi)害百分比統(tǒng)計(jì)圖

圖8 各道路區(qū)間面積百分比與災(zāi)害百分比統(tǒng)計(jì)圖

通過確定各指標(biāo)分級并計(jì)算了各個(gè)分級下的信息量值，結(jié)果見表1，應(yīng)用柵格疊加工具并利用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行重分類，將云陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分成4 個(gè)等級，為不易發(fā)區(qū)（-8.8，-2.8］，面積為207.25 km2，占比5.68%；低易發(fā)區(qū)（-2.8，-0.5］，面積為1 061.21 km2，占比29.11%；中易發(fā)區(qū)（-0.5，0.5］，面積為1 801.68 km2，占比49.41%；高易發(fā)區(qū)（0.5，2.3］，面積為576 km2，占比15.80%。云陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)見圖9。由結(jié)果可見，易發(fā)程度高的區(qū)域有沿長江及其支流分布的特點(diǎn)，一方面是因?yàn)閹焖▌?dòng)下斜坡受河流降雨等條件的控制，坡體在流水沖刷、軟化崩解、靜水及動(dòng)水壓力等條件下易變形滑動(dòng)，另一方面沿河流兩岸也是人類居住密集、城鎮(zhèn)建設(shè)較集中的區(qū)域，在不利的切坡等條件，易誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害；地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度較低的區(qū)域主要集中在云陽縣北部海拔較高的區(qū)域及工程地質(zhì)巖組為灰?guī)r、白云巖的區(qū)域，主要原因該區(qū)域內(nèi)人類工程活動(dòng)較少，加之灰?guī)r白云巖質(zhì)地較為堅(jiān)硬，偶見崩塌等小型災(zāi)害，整體災(zāi)害發(fā)育頻率較低。中易發(fā)區(qū)主要集中在工程地質(zhì)巖組Ⅱ1、Ⅱ2 中，這2個(gè)巖組中主要含有砂巖、粉砂巖與泥巖等軟弱夾層，在云陽地區(qū)中夾層中黏土礦物含量較高，易形成軟弱面，導(dǎo)致發(fā)生順層滑坡、崩塌等災(zāi)害。

圖9 云陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖

表1 各指標(biāo)狀態(tài)信息量表

5 結(jié)論

該文以三峽庫區(qū)云陽縣為研究對象，在調(diào)查研究基礎(chǔ)上，選擇高程、坡度、工程地質(zhì)巖組、構(gòu)造、水系、道路等6 個(gè)致災(zāi)因素建立了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)，指標(biāo)體系可為相關(guān)縣域行政單元提供參考?；谛畔⒘糠ㄩ_展了小比例尺的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)，結(jié)果表明地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度較高的區(qū)域集中在長江及其支流兩岸且人類工程活動(dòng)較密集的區(qū)域，并表現(xiàn)出在侏羅系軟弱互層砂泥巖地層集中發(fā)育的特點(diǎn)，其結(jié)果與研究區(qū)詳查結(jié)果較為吻合，可為下一步風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)提供依據(jù)，也可為地質(zhì)災(zāi)害防治及早期識別提供技術(shù)支撐。由于詳查資料關(guān)于高位地質(zhì)災(zāi)害針對性調(diào)查較少，因此易發(fā)性評價(jià)結(jié)果中坡度與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系需要進(jìn)一步研究，建議開展星空地一體化地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查研究，加強(qiáng)Insar 等高科技應(yīng)用及高位地質(zhì)災(zāi)害排查，為減災(zāi)防災(zāi)提供更大支撐。