基于GIS的地震滑坡危險(xiǎn)性分析研究
——以伊犁地區(qū)為例*

李 帥， 陳建波， 姚 遠(yuǎn)， 吳國棟， 謝江麗

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

自上世紀(jì)70年代中國開始逐漸深入對地震滑坡的研究，并分別對爐霍、昭通、龍陵、松潘—平武、唐山等強(qiáng)地震造成的滑坡進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查研究，得到誘發(fā)滑坡的烈度下限及觸發(fā)滑坡的優(yōu)勢坡角。周本剛等根據(jù)西南地區(qū)幾次大震的地震滑坡資料對地震滑坡發(fā)生的地形地貌條件、地震滑坡與烈度關(guān)系作過比較深入的研究。此后，孫崇紹等根據(jù)歷史地震滑坡資料總結(jié)了中國地震滑坡的分布規(guī)律。2000年以來，伴隨國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，ArcGIS逐漸應(yīng)用到地學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，一些學(xué)者利用了ArcGIS的統(tǒng)計(jì)特性與空間分析功能，將前人考慮的滑坡影響因子歸納進(jìn)來，形成災(zāi)害危險(xiǎn)性統(tǒng)計(jì)模型。如唐川等對云南地區(qū)的地震滑坡進(jìn)行過比較深入地研究，黃潤秋、許沖、李為樂等，也分別運(yùn)用ArcGIS對2008年汶川地震、2010年青海玉樹地震、2013年蘆山地震等地震誘發(fā)的地震滑坡進(jìn)行了分析，并歸納總結(jié)出地震災(zāi)害危險(xiǎn)性分布特征及地震災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)性分布圖，為大震現(xiàn)場野外地質(zhì)調(diào)查和科考提供參考依據(jù)[4-12]。

1 伊犁地區(qū)概況

伊犁地區(qū)位于中國西北邊陲(圖1)，是國家實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點(diǎn)地區(qū)之一。在地貌上，依連哈比爾尕山、博羅科努山、科古琴山是阻隔準(zhǔn)噶爾盆地與伊犁盆地的重要屏障，哈爾克他烏山、那拉提山是劃分伊犁盆地與塔里木盆地的界限山脈，中部的阿吾拉勒山、伊什基里克山、鐵木里克山、烏孫山則是將伊犁盆地又劃分為喀什河谷地、伊犁—鞏乃斯谷地、特克斯—昭蘇盆地。山區(qū)面積占比70%以上。

在地質(zhì)構(gòu)造上，伊犁盆地構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域范圍內(nèi)由北向南分布有伊犁盆地北緣斷裂、阿吾拉勒山南坡斷裂、科克博河斷裂、那拉提斷裂等12條活動斷裂帶。其中控制盆地南北邊界的伊犁盆地北緣斷裂和那拉提斷裂為全新世活動斷裂，前者是1812年尼勒克8級地震的發(fā)震構(gòu)造，后者為古生代板塊邊界斷裂。

圖1 伊犁地區(qū)DEM數(shù)字高程影像及強(qiáng)震分布

在地震活動性上，研究區(qū)域自有地震記錄以來，共記錄到8.0級地震1個(gè)，7.0～7.9級地震1個(gè)，6.0～6.9級地震7個(gè)，5.0～5.9級地震17個(gè)。其中1812年尼勒克8級地震誘發(fā)了較多的地震地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)前人考察， 1812年尼勒克8級地震形成了東西長124 km，南北寬28 km的形變帶，沿形變帶產(chǎn)生了一系列的黃土滑坡和塌陷，其中較大(寬度大于0.5 km)的滑坡有365個(gè)，較小的有2 000個(gè)左右[13-20]。

在地層巖性上，伊犁地區(qū)黃土分布較為廣泛，主要分布在海拔為1 100～2 000 m 的中山區(qū)，具有自西向東變厚再變薄的特點(diǎn)。因此，地層巖性的分布，決定了伊犁地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害主要由黃土滑坡與泥石流組成，且災(zāi)害分布也與黃土在區(qū)域分布的特點(diǎn)一致。因此，伊犁地區(qū)西部山區(qū)黃土薄且滑坡規(guī)模小，靠近中東部山區(qū)的尼勒克縣、鞏留縣、新源縣大部分地區(qū)黃土分布較厚，是伊犁地區(qū)黃土滑坡地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的地區(qū)[21-22]。

在氣候特征上，伊犁地區(qū)受西寬東窄的地形影響降水充沛，年均降水量在200～550 mm，是新疆降水最為豐富的地區(qū)。但是伊犁地區(qū)還存在降水不均等情況，其中新源縣、尼勒克縣及昭蘇縣降水量較大，年平均降水量493～554 mm，霍城縣和特克斯縣次之，年均降水量391～451 mm。伊寧市年降水量最少，約 269 mm，并且降水主要集中在4～9月。

在上述因素影響下，就會有發(fā)生地震滑坡的條件。根據(jù)新疆維吾爾自治區(qū)自然資源廳(2018年前身為自治區(qū)國土資源廳)2013年開展過的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，伊犁地區(qū)共有地質(zhì)災(zāi)害1 287處，其中滑坡1 004處，通過野外實(shí)際調(diào)查驗(yàn)證，認(rèn)為這些滑坡可以加入此次研究。

2 研究思路及方法

自2008年汶川地震發(fā)生以來，國內(nèi)學(xué)者對地震滑坡的研究越來越多，主要致力于地震滑坡災(zāi)害的危險(xiǎn)性方面，即降低地震引發(fā)滑坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)程度方面，而采用的研究方法也呈現(xiàn)多樣性。包括信息量與邏輯回歸法、層次分析法、模糊數(shù)學(xué)方法、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法，等等[23-27]。

本次研究采用Logistic回歸分析法是用來解決在因變量取值范圍已知的情況下，預(yù)測某種事件發(fā)生的可能性。Logistic回歸方法是指因變量有且僅有2個(gè)數(shù)值分類的回歸分析方法。一般情況下，在地震地質(zhì)災(zāi)害中會遇到，各影響災(zāi)害發(fā)生的因素?cái)?shù)據(jù)可以作為自變量，而地震地質(zhì)災(zāi)害是否發(fā)生可以作為分類因變量，即0可以代表地震地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)生，而1則代表地震地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。但由于地震地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的結(jié)果不是連續(xù)變量，因此線性回歸的計(jì)算方法不能夠推算類似自變量和因變量之間的關(guān)系，而采用Logistic 回歸模型就可以完全解決此類問題。利用Logistic回歸模型可以推測自變量與因變量之間的關(guān)系，并推測發(fā)生這種概率的大小。其優(yōu)勢在于當(dāng)開展地震地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，計(jì)算的自變量可以是離散變量或是連續(xù)變量，也不要求呈正態(tài)分布，對自變量的分布沒有規(guī)定任何要求，因此該方法增強(qiáng)了模型的應(yīng)用范圍。

(1)

Z=b0+b1x1j+b2x2j+……+bnxnj.

(2)

P為地震滑坡發(fā)生的概率，取值范圍為(0，1)；b1、b2、bn為邏輯回歸系數(shù)，b0表示在某一地震滑坡影響因素改變時(shí)，地震滑坡效應(yīng)發(fā)生與不發(fā)生的概率之比的對數(shù)變化值。如果邏輯回歸系數(shù)確定，則根據(jù)不同的影響因素值xnj，就能夠計(jì)算并得到研究區(qū)域發(fā)生地震滑坡的概率P值。根據(jù)P值分類可以劃分災(zāi)害敏感性等級。

3 伊犁地區(qū)地震危險(xiǎn)性分析

3.1 地震誘發(fā)滑坡的影響因子選擇

地震滑坡的形成由多種因素控制。例如震級的大小決定滑坡的規(guī)模，地形坡度決定滑坡的速度與位移量，地層巖性決定滑坡類型等等。此外，從歷史地震滑坡發(fā)生的數(shù)量、分布范圍、活動規(guī)模上都直接反映了地層巖性、地形地貌以及有關(guān)地震動力環(huán)境對地震誘發(fā)滑坡的控制作用。由于此次使用的ArcGIS需要考慮DEM影像數(shù)據(jù)的數(shù)字容量及數(shù)據(jù)的可靠性，且主要考慮在地震動作用下形成的滑坡情況，因此在此研究中重點(diǎn)考慮地震烈度、地形坡度、坡向、海拔高程、斷層距離、地層巖性年代等6項(xiàng)對地震滑坡的影響。

此外，由于不同情況下的地震滑坡數(shù)量及規(guī)模不一致，因此在考慮地震滑坡影響因子后，需要將影響因子進(jìn)行分級。因此，將所獲得的歷史地震、地層巖性、斷層分布等數(shù)據(jù)調(diào)入ArcGIS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，對影響因子分類，并將已知滑坡點(diǎn)與影響因子相交，得到各影響因子不同等級下的滑坡數(shù)量(圖2、表1)。

3.2 伊犁地區(qū)地震滑坡的影響因子評價(jià)

3.2.1 地震烈度

3.2.2 斷層距離

一般情況下，斷層是決定滑坡分布的方向，且沿?cái)鄬觾蓚?cè)，距離斷層越近，滑坡分布越多，規(guī)模也越大。在沒有考慮斷層的滑動性質(zhì)下，我們將斷層距離分為8組(表1)，從分布特征來看，可以看到滑坡主要集中于斷層距離<10 km的范圍內(nèi)，且比率>88%。其中在10 km范圍內(nèi)的分布情況，看到5～10 km范圍內(nèi)分布的滑坡最多，其次為1～3 km的范圍，0～1 km范圍內(nèi)的滑坡與3～5 km范圍內(nèi)的滑坡數(shù)量相當(dāng)。

3.2.3 地層巖性

地層巖性的構(gòu)成決定了地震滑坡的類型。一般情況下，泥巖、頁巖等軟質(zhì)巖體易形成淺層滑坡體，第四系的土質(zhì)滑坡受地震動作用結(jié)構(gòu)面易發(fā)生破壞也易形成滑坡，而地層年代較老的元古代地層由于地層巖性穩(wěn)定往往只有在強(qiáng)震中才易引發(fā)大規(guī)模的滑坡。此次研究區(qū)內(nèi)根據(jù)地層的年代進(jìn)行歸類，共分為7類。從表1中，發(fā)現(xiàn)古生代(PZ)的滑坡最多，其次為新生代的第四系地層(Q)和第三系(E～N)地層。

3.2.4 地形坡度

地形坡度也是產(chǎn)生地震滑坡的重要因素。伊犁地區(qū)以山地為主，山地占總面積的70%，其余地區(qū)由河谷平原及盆地組成。此次利用ArcGIS軟件從DEM(30 m分辨率)影像中提取到了伊犁地區(qū)地形坡度，并將地震滑坡點(diǎn)分布在地形坡度圖中。從分布圖中，發(fā)現(xiàn)地震滑坡主要分布在3°～30°的范圍內(nèi)，其中10°～20°范圍內(nèi)分布的地震滑坡數(shù)量最多，說明滑坡多發(fā)生在低山、丘陵等地區(qū)。坡度相對較陡峻的山地存在較少。

3.2.5 坡向

由于南坡受光照、風(fēng)蝕作用較陰坡強(qiáng)烈，所以一般情況下，南坡較北坡的巖體風(fēng)化侵蝕強(qiáng)烈，水土不易留存，會使山坡的坡度變的陡峭，坡面距離變短，易導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的孕育和發(fā)生。因此此次將研究區(qū)的坡向按照坡度分布共分為8個(gè)區(qū)間。根據(jù)調(diào)查研究，此研究區(qū)域內(nèi)滑坡主要發(fā)生在北坡，滑坡方向東北、東、西北和西南。

3.2.6 海拔高度

海拔高度也是地震滑坡產(chǎn)生的因素之一。海拔高度決定了植被類型和植被的覆蓋率有所不同，以及高程與地區(qū)的降雨之間具有很好的相關(guān)性。結(jié)合資料，并根據(jù)地方差異，此次將伊犁地區(qū)海拔高程分為6組。從滑坡的分布上看，多發(fā)生在海拔1 000～2 000 m的高度內(nèi)，占總量的85.7%。此海拔是低山丘陵至中山帶的地形轉(zhuǎn)折帶，黃土分布較多，灌木等植被分布相對較少。

3.3 伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性模型建立

ArcGIS軟件作為一種地理信息軟件，早已在各行業(yè)的信息量化統(tǒng)計(jì)與分析上起到了重要作用。此次研究工作先在ArcGIS中將已知滑坡點(diǎn)與影響因子進(jìn)行疊加，然后將地震滑坡影響因子統(tǒng)計(jì)歸類，生成綜合評價(jià)圖層。圖層中的每一個(gè)多邊形都代表著一種影響地震滑坡的因素，該因素是唯一條件，有利于開展地震滑坡統(tǒng)計(jì)的分析與計(jì)算。如果多邊形內(nèi)包含地震滑坡，那么就表示該范圍內(nèi)有地震滑坡發(fā)生，取值為1，否則為0，即沒有發(fā)生地震滑坡。

由于此次研究范圍包含有50 000多平方千米，因此為著重考慮數(shù)據(jù)的可靠性，利用 ArcMap 中的魚網(wǎng)工具將研究范圍生成了1 000 m×1 000 m的格網(wǎng)圖層，總計(jì)50 000余個(gè)網(wǎng)格。生成網(wǎng)格后，將各地震滑坡的影響因子圖層分別與已知滑坡點(diǎn)圖層和格網(wǎng)圖層疊加，最終得到一個(gè)圖層。圖層中的每一個(gè)多邊形均包含著一種影響地震滑坡的因素，稱為均一條件單元，有利于開展地震滑坡統(tǒng)計(jì)的分析與計(jì)算。如果某個(gè)1 000 m×1 000 m 的單元格內(nèi)包含已知滑坡災(zāi)害區(qū)域，那么該單元就取值為1，判定為有地震滑坡發(fā)生，否則為0，即沒有發(fā)生地震滑坡。

作為一款統(tǒng)計(jì)分析軟件，SPSS軟件具有Logistic回歸統(tǒng)計(jì)分析功能，此次利用該軟件對地震滑坡危險(xiǎn)性發(fā)生的概率做一統(tǒng)計(jì)，最終得到地震滑坡危險(xiǎn)性因子的 Logistic 回歸模型系數(shù)。

本次研究將烈度、斷層距離等影響因子作為統(tǒng)計(jì)Logistic 回歸模型的自變量，地震滑坡的發(fā)生與否作為因變量，利用 ArcMap中的工具轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS 統(tǒng)計(jì)分析軟件后，采用該軟件中的二元Logistic 回歸模型回歸分析，最終得到伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性因子的 Logistic 回歸模型系數(shù)，

Z=b0+b1x1j+b2x2j+……+bnxnj

(3)

=-5.495+0.20x1j+0.073x2j+0.143x3j+0.021x4j+0.325x5j+0.421x6j.

其中，x1j、x2j……x6j等按照順序依次為等震線、地層巖性、斷層距離(單位：km)、坡向、坡度和海拔高度(單位：km)。

依據(jù)上述因素的相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Logistic回歸結(jié)果中，坡向的系數(shù)所對應(yīng)的顯著水平大于0.05外，其余均小于0.05，可以認(rèn)為回歸結(jié)果通過5%的顯著水平檢驗(yàn)。

4 分析與討論

根據(jù)得到的伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性模型，在ArcGIS軟件中利用柵格數(shù)據(jù)疊加計(jì)算功能，得到新的圖層，然后依據(jù)軟件中的自然間斷點(diǎn)分級法，將地震滑坡危險(xiǎn)等級分成5類(表2)，并依據(jù)劃分出的危險(xiǎn)等級制作出伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性分布圖(圖3)。

從表2中，可以發(fā)現(xiàn)在滑坡分配比例上，中危險(xiǎn)區(qū)以上的滑坡比例大于50%，而分區(qū)面積則小于30%，說明在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生地震滑坡的占比較大，相應(yīng)發(fā)生概率也較高，與地震滑坡危險(xiǎn)概率逐漸增大相對應(yīng)。

從地震滑坡危險(xiǎn)性分布圖來看，地震滑坡危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要位于研究區(qū)范圍內(nèi)的中東部的特克斯縣、尼勒克縣、鞏留縣、新源縣境內(nèi)，尤其是尼勒克縣與鞏留縣、新源縣交界的阿吾拉勒山一線分布最為明顯，呈條帶狀；而地震滑坡危險(xiǎn)性低的區(qū)域主要位于伊犁地區(qū)的盆地和高山區(qū)內(nèi)，且分布面積最大。此外，通過分布圖，也可以發(fā)現(xiàn)地震滑坡危險(xiǎn)性與等震線、地層巖性、斷層距離、坡向、坡度和海拔高度等影響因素具有較好的一致性。

雖然地震地質(zhì)災(zāi)害包括地震滑坡、地震崩塌、地裂縫等災(zāi)害類型，但由于伊犁地區(qū)的地貌、地層巖性等條件決定了該地區(qū)的地震滑坡分布較為廣泛，具有代表性，因此在此項(xiàng)研究中僅考慮了地震滑坡的危險(xiǎn)性劃分。

5 結(jié) 論

(1) 伊犁地區(qū)地貌多樣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震滑坡分布較為廣泛，通過使用ArcGIS軟件的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析功能，采用SPSS軟件中的二元Logistic 回歸模型，建立伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性模型，制作伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性分布圖，揭示了研究區(qū)范圍內(nèi)地震滑坡的空間分布規(guī)律，為大震現(xiàn)場野外地質(zhì)調(diào)查，為震區(qū)的災(zāi)后恢復(fù)重建和選址規(guī)劃提供參考依據(jù)。

(2) 本次研究在考慮了伊犁地區(qū)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地震活動性等綜合問題后，選取了6個(gè)適合研究該地區(qū)的地震滑坡影響因子，并利用ArcGIS和SPSS得到了伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性模型。通過模型結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)對伊犁地區(qū)的地震滑坡影響較大的分別為海拔高度、地形坡度、地震烈度和斷層距離，坡向和地層巖性影響較小。

(3) 利用Logistic 回歸模型生成了伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性分布圖，結(jié)果顯示，認(rèn)為伊犁地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要位于特克斯縣、尼勒克縣、鞏留縣、新源縣境內(nèi)，較低的地區(qū)位于霍城縣、昭蘇縣和察布查爾錫伯自治縣境內(nèi)。并且極高危險(xiǎn)區(qū)面積占伊犁地區(qū)總面積的1%，高危險(xiǎn)區(qū)面積占6%，中危險(xiǎn)區(qū)面積占18%，低危險(xiǎn)區(qū)面積占39%，極低危險(xiǎn)區(qū)分區(qū)面積占37%。