基于貢獻(xiàn)率權(quán)重模型的川藏鐵路沿線大型滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃

邊江豪，李秀珍，徐瑞池，王 棟

（1.中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

川藏鐵路即新建成都至拉薩的鐵路，全長約1 832 km，是西藏重要東出通道。川藏鐵路經(jīng)過四川省西北部與西藏自治區(qū)東南部，處于歐亞板塊的接觸帶，具有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地震活動(dòng)頻度高等特征，加之受到青藏高原強(qiáng)烈隆升作用的影響，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)的地形起伏大，溝谷地貌發(fā)育，山高谷深、地質(zhì)條件復(fù)雜、斷裂構(gòu)造發(fā)育,其高陡斜坡、破碎巖土體等地形地貌廣泛分布，為滑坡、泥石流、崩塌等山地災(zāi)害的形成提供了“有利”的條件。受內(nèi)外營力的相互作用，沿線區(qū)域成為山地災(zāi)害最為發(fā)育、最為活躍、危害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-3]。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，川藏鐵路沿線共發(fā)育山地災(zāi)害1 359 處，其中崩塌滑坡747 處，包含大型（體積≥100×104m3）、特大型（體積≥1 000×104m3）滑坡147 處，占到崩滑總數(shù)的接近20%。大型滑坡因其規(guī)模巨大，一旦發(fā)生，造成的危害和經(jīng)濟(jì)損失尤為嚴(yán)重。例如，川藏鐵路沿線區(qū)域波密縣102 大型滑坡，體積達(dá)510×104m3，毀壞國道公路近10 km[4]。川藏鐵路沿線發(fā)育廣泛、危害嚴(yán)重的大型滑坡已成為鐵路局部乃至全線的關(guān)鍵控制節(jié)點(diǎn)，關(guān)乎工程建設(shè)的成敗。

川藏鐵路沿線區(qū)域有關(guān)滑坡等山地災(zāi)害有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。例如魏永幸、程謙恭等對線路沿線巨型、高速遠(yuǎn)程滑坡動(dòng)力學(xué)過程及其演化機(jī)理與防治對策進(jìn)行了研究[1]。張小剛、梁光模等系統(tǒng)地查明了西藏主要干線公路沿線滑坡的分布、類型、活動(dòng)特征、影響因素及機(jī)理和防治對策[4-5]；李秀珍等[6]，鐘衛(wèi)等[7]，邊江豪等[8]分析了川藏交通廊道康定至林芝段崩滑的空間特征和潛在危害，并歸納總結(jié)了可能產(chǎn)生的危害方式；鐘衛(wèi)等[7]在調(diào)查川藏鐵路康定——昌都段沿線崩滑災(zāi)害基礎(chǔ)上，提出了基于崩滑災(zāi)害影響的地質(zhì)災(zāi)害選線建議。已有的研究成果為川藏鐵路山地災(zāi)害的進(jìn)一步研究奠定了重要基礎(chǔ)。但是目前針對川藏鐵路工程，有關(guān)大型滑坡的研究較少，尤其是大型滑坡的危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)方面。

目前，關(guān)于滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法有層次分析法、隨機(jī)森林法、新組合賦權(quán)法等多種[9-11]，其中不同的評(píng)價(jià)方法有不同特點(diǎn)。貢獻(xiàn)率權(quán)重疊加模型結(jié)構(gòu)簡單、物理意義清楚、不受使用區(qū)域限制、人為主觀因素影響較小[12]。因此，本研究在對擬建川藏鐵路沿線崩塌滑坡災(zāi)害進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查和遙感解譯的基礎(chǔ)上,以鐵路沿線危害較為嚴(yán)重的大型滑坡（含特大型滑坡）作為主要研究對象，采用貢獻(xiàn)率權(quán)重疊加方法對鐵路沿線區(qū)域進(jìn)行大型滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，以期為川藏鐵路工程的選定線及安全建設(shè)和運(yùn)營提供科學(xué)參考和防災(zāi)減災(zāi)依據(jù)。

1 川藏鐵路沿線自然地質(zhì)環(huán)境背景

川藏鐵路橫穿青藏高原東南緣地形急變帶、是迄今為止人類歷史上最具挑戰(zhàn)性的鐵路建設(shè)工程[13]，其穿越21 座4 000 m 以上的雪山，橫跨14 條江河，主要途徑具有河谷、侵蝕剝蝕和冰川作用的三大地貌單元，即山前沖積平原區(qū)、川西盆地——高原過渡區(qū)、青藏高原地貌區(qū)[14]。

鐵路沿線巖性復(fù)雜，各個(gè)時(shí)代地層發(fā)育齊全，沉積類型繁多，其中三疊系分布最廣，以海相或海陸相成因?yàn)橹?。川藏鐵路地處印度板塊與歐亞板塊相互碰撞的匯聚帶附近，構(gòu)造復(fù)雜，大小活動(dòng)斷層廣布，主要斷裂帶有：鮮水河斷裂、理塘斷裂、金沙江斷裂、瀾滄江斷裂、怒江斷裂、雅魯藏布斷裂等。沿線經(jīng)過由多期區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的板塊縫合帶，以及揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)、松潘——甘孜褶皺帶、昌都地塊、改則——那曲褶皺帶、拉薩地塊三大構(gòu)造單元；同時(shí)橫跨南北地震帶與青藏高原地震區(qū)，烈度高，地震活動(dòng)十分頻繁，歷史上曾多次發(fā)生7 級(jí)以上地震。

鐵路沿線東部為太平洋與印度洋氣流影響的海洋性氣候，西部為西北環(huán)流影響的大陸性氣候。地勢對氣候控制程度十分明顯，鐵路沿線降水、氣溫、濕度等氣候因素復(fù)雜多變，不同海拔高度氣候差異極為懸殊。鐵路跨越長江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布4 大水系，途經(jīng)金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布、尼洋河、拉薩河6 大水系干流。

2 川藏鐵路沿線大型滑坡災(zāi)害概況

自2015年以來，課題組歷時(shí)3年，通過對鐵路沿線崩塌滑坡災(zāi)害的10 多次野外實(shí)地調(diào)查，并結(jié)合多源多時(shí)相遙感影像數(shù)據(jù)的判譯，共查明川藏鐵路沿線共發(fā)育有崩滑災(zāi)害共計(jì)747 處，崩塌334 處，滑坡413 處,其中大型、特大型滑坡共147 處（圖1）。按照中國地質(zhì)調(diào)查局的滑坡崩塌泥石流災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查規(guī)范將滑坡體積規(guī)模以大型（100×104～1 000×104m3）與特大型（大于1 000×104m3）來劃分，其中大型滑坡106 處，特大型41 處。初步統(tǒng)計(jì)，大型滑坡的總規(guī)模為3.98×108m3，特大型滑坡的總規(guī)模為14.09×108m3。實(shí)地調(diào)查的川藏鐵路沿線典型大型滑坡（含特大型滑坡，下同）如圖2所示。

圖1 川藏鐵路沿線大型滑坡分布圖Fig.1 Distribution map of large landslides along Sichuan——Tibet Railway

圖2 川藏鐵路沿線典型大型滑坡Fig.2 Typical landslide of Sichuan——Tibet Railway

川藏鐵路全長1 800 多公里，跨越了多個(gè)縣/市區(qū)。依據(jù)鐵路火車站區(qū)間段劃分，大型滑坡主要分布于白玉至江達(dá)段、昌都至八宿段、朗縣至加查段等區(qū)段，其中昌都至八宿段分布數(shù)量最多，為61 處，其次白玉至江達(dá)段、朗縣至加查段，數(shù)量分別為44 處和17 處。災(zāi)害分布密度白玉至江達(dá)段最大，線密度為0.53 處/km，朗縣至加查段和昌都到八宿段次之，線密度分別為0.36 處/km、0.34 處/km（表1）。

表1 川藏鐵路沿線大型（含特大型）滑坡分段數(shù)量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table on the number of large landslides along the Sichuan——Tibet Railway

川藏鐵路橫跨了四川與西藏兩個(gè)省區(qū)，8 個(gè)市/州，30 多個(gè)縣/區(qū)。根據(jù)行政區(qū)域統(tǒng)計(jì)大型滑坡分布特征，可以看出八宿縣分布的大型滑坡數(shù)量最多，占到大型滑坡總數(shù)的42.86%，其次為白玉縣，占到大型滑坡總數(shù)的23.13%（圖3）。

圖3 川藏鐵路不同縣、市大型滑坡分布數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistics on the number of large landslides in different counties and cities of Sichuan——Tibet Railway

3 基于貢獻(xiàn)率權(quán)重模型的滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃方法

滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃是將一定區(qū)域內(nèi)滑坡發(fā)育的內(nèi)部條件、誘發(fā)滑坡發(fā)生的外部條件以及滑坡所造成的影響進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，定量或半定量地評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)滑坡的危害程度[15]，其區(qū)劃內(nèi)容主要包括：選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)、建立區(qū)域模型、確定危險(xiǎn)度劃分等級(jí)、可靠性檢驗(yàn)等[16]。

在分析背景條件的基礎(chǔ)上，本文選用貢獻(xiàn)率權(quán)重疊加模型對研究區(qū)進(jìn)行滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃。首先統(tǒng)計(jì)各本底因子對滑坡發(fā)育影響的貢獻(xiàn)率值；接著對各本底因子的貢獻(xiàn)率進(jìn)行均值化、歸一化處理，并計(jì)算各因子的自權(quán)重和各因子間的互權(quán)重；最后將各因子的貢獻(xiàn)率、自權(quán)重、互權(quán)重相乘疊加得到區(qū)域內(nèi)滑坡危險(xiǎn)度分布情況，按照分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)對危險(xiǎn)度進(jìn)行分區(qū)從而得到滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃結(jié)果（圖4）[17-22]。其中本底因子是指影響滑坡形成和孕育的基本環(huán)境因素，如坡度、高差、坡向等，不考慮降雨、地震等誘發(fā)因素。貢獻(xiàn)率是分析滑坡發(fā)育本底因子作用程度的一個(gè)指標(biāo)。

具體步驟如下：

（1）計(jì)算本底因子貢獻(xiàn)率

滑坡發(fā)育本底因子作用程度可通過本底因子貢獻(xiàn)率進(jìn)行量化，根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式（1）中，U0i為滑坡本底因子貢獻(xiàn)率，Ui為本底因子的滑坡貢獻(xiàn)指數(shù)，i為本底因子（i=1, 2, ···,6)。

圖4 貢獻(xiàn)率權(quán)重疊加模型的滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃原理簡易圖Fig.4 Simple diagram of landslide hazard zonation based on contributing weights model

（2）計(jì)算本底因子權(quán)重

本底因子權(quán)重分為自權(quán)重與互權(quán)重兩部分，其中自權(quán)重是某一因子內(nèi)部不同取值范圍相互之間的權(quán)重，而互權(quán)重是各因子相互之間的權(quán)重。

將各滑坡本底因子的貢獻(xiàn)率按高、中、低3 級(jí)貢獻(xiàn)程度劃分后，分別按照下式計(jì)算各因子的權(quán)值。

式中：Wi——本底因子自權(quán)重；

U0i——本底因子貢獻(xiàn)率。

互權(quán)重是通過自權(quán)重來計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

式中：Wi′——本底因子互權(quán)重；

Uj——各因子綜合貢獻(xiàn)率（Uj=∑U0i）；

j——滑坡評(píng)價(jià)指標(biāo)（j=1, 2, 3）。

（3）危險(xiǎn)度區(qū)劃

用貢獻(xiàn)權(quán)重疊加法進(jìn)行危險(xiǎn)度區(qū)劃公式如下：

式中：H——危險(xiǎn)度；

Wi——自權(quán)重；

Wi′——互權(quán)重；

Ui——貢獻(xiàn)指數(shù)。

4 川藏鐵路沿線大型滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃

4.1 鐵路沿線大型滑坡發(fā)育本底因子貢獻(xiàn)率

依據(jù)已有研究，結(jié)合對川藏鐵路沿線大型滑坡災(zāi)害及其環(huán)境背景調(diào)查分析，選擇與大型滑坡發(fā)育密切相關(guān)的坡度、地層巖性、高差、坡向、斷裂帶、河流水系共6 個(gè)因子作為危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的本底因子（圖5）。

根據(jù)貢獻(xiàn)率權(quán)重模型，以及擬建鐵路沿線147 處大型滑坡災(zāi)害點(diǎn)的分布數(shù)量、面積、體積三個(gè)量化的滑坡評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用上述公式（1），對川藏鐵路沿線一定范圍內(nèi)的坡度、高差、地層巖性、坡向、斷裂帶、河流水系對滑坡發(fā)育的貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算。

在具體計(jì)算中，用ArcGIS 對坡度進(jìn)行處理，每隔5°進(jìn)行級(jí)別劃分，將坡度分為9 級(jí)，再根據(jù)上述分析對坡度因子不同級(jí)別的貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖6（a）；將鐵路沿線的高差每100 m 分1 級(jí)，共分為12 級(jí)，得出高差因子貢獻(xiàn)率信息，見圖6（b）；利用1∶20 萬的地質(zhì)圖獲得滑坡點(diǎn)的地層巖性，包括前震旦系（AnZ）、元古界（Pt）、泥盆系（D）、石炭系（C）、二疊系（P）、三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系（K）、古近系（E）、新近系（N）、第四系（Q）共11 種類型，得出地層巖性因子貢獻(xiàn)率信息，見圖6（c）；將坡向劃分為北（N）、東北（EN）、東（E）、東南（ES）、南（S）、西南（WS）、西（W）、西北（WN）共8 個(gè)方向，得出坡向貢獻(xiàn)率信息，見圖6（d）。斷裂帶密度是指單位面積內(nèi)斷裂帶的長度，以0.01 間隔分一級(jí)，共分成9 個(gè)等級(jí)，得出斷裂帶貢獻(xiàn)率信息，見圖6（e）。水系密度是指單位面積內(nèi)河流的長度，用水系密度作為河流水系的分析因子，每0.01 間隔分一級(jí)，分成9 個(gè)等級(jí)，得出河流水系貢獻(xiàn)率信息，見圖6（f）。

圖5 各本底因子與大型滑坡分布圖Fig.5 Distribution map of background factors and large landslides

4.2 鐵路沿線大型滑坡發(fā)育本底因子權(quán)重

基于上述各本底因子的貢獻(xiàn)率計(jì)算結(jié)果，利用上述式（2）和式（3）分別計(jì)算高差、坡度、坡向、地層巖性、斷裂帶、河流水系等各本底因子的自權(quán)重與互權(quán)重，其計(jì)算結(jié)果見表2。

4.3 鐵路沿線大型滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果

4.3.1 危險(xiǎn)性區(qū)劃

采用貢獻(xiàn)率權(quán)重因子疊加模型，根據(jù)公式（4）將滑坡本底因子的貢獻(xiàn)自權(quán)重、互權(quán)重、貢獻(xiàn)率相乘疊加，以90 m×90 m 網(wǎng)格單元為基本評(píng)價(jià)單元，得到鐵路沿線連續(xù)空間的滑坡危險(xiǎn)度值。然后，再利用ArcGIS 中的自然斷點(diǎn)法對連續(xù)空間的滑坡危險(xiǎn)度值進(jìn)行分區(qū)，分為低危險(xiǎn)度區(qū)、中危險(xiǎn)度區(qū)、高危險(xiǎn)度區(qū)3 個(gè)區(qū)。3 個(gè)區(qū)間的取值分別為0.017 6～0.100 1、0.100 1～0.182 5、0.182 5～0.264 9，最終得到川藏鐵路沿線的危險(xiǎn)性區(qū)劃圖（圖7）。

4.3.2 結(jié)果分析

川藏鐵路沿線研究區(qū)總面積為143 442.6 km2，根據(jù)大型滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果（圖8、表3），低度危險(xiǎn)區(qū)的面積為35 918.5 km2，中度危險(xiǎn)區(qū)的面積為95 484.3 km2，高度危險(xiǎn)區(qū)的面積為12 039.7 km2；其中中度危險(xiǎn)區(qū)的面積最多，占到66.5%，其次為低度危險(xiǎn)區(qū)。高度危險(xiǎn)區(qū)主要集中在邦達(dá)——八宿段、古鄉(xiāng)——拉月段、白玉——江達(dá)段。

從大型滑坡點(diǎn)分布數(shù)量分析，中度危險(xiǎn)區(qū)分布的大型滑坡數(shù)量最多，為91 處，占到大型滑坡總數(shù)的61.9%，其次是低度危險(xiǎn)區(qū)，高度危險(xiǎn)區(qū)滑坡分布的數(shù)量最少。

從滑坡分布密度來看，滑坡危險(xiǎn)區(qū)的等級(jí)越高,大型滑坡的分布密度越大。高度危險(xiǎn)區(qū)滑坡分布密度為0.001 99 處/km2，為最高，約為中度危險(xiǎn)區(qū)或低度危險(xiǎn)區(qū)的2 倍。

由此可見，根據(jù)貢獻(xiàn)率權(quán)重模型計(jì)算得出的川藏鐵路沿線大型滑坡危險(xiǎn)度等級(jí)與實(shí)際調(diào)查的滑坡分布密度結(jié)果是一致的。

5 結(jié)語

川藏鐵路工程是國家重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，保障鐵路的順利建設(shè)和后期安全運(yùn)營十分重要。本文以鐵路沿線發(fā)育廣泛、危害嚴(yán)重的大型滑坡（含特大型）作為主要研究對象，在對大型滑坡災(zāi)害進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查和遙感解譯的基礎(chǔ)上，基于ArcGIS 平臺(tái)，采用貢獻(xiàn)率權(quán)重模型對鐵路沿線區(qū)域進(jìn)行了大型滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并利用自然斷點(diǎn)法對危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分區(qū)及統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：

圖7 川藏鐵路沿線大型滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖Fig.7 Hazard zoning map of large-scale landslides along the Sichuan-Tibet Railway

表2 川藏鐵路大型滑坡本底因子權(quán)重Table 2 Contributing weights of background factors of large landslides in Sichuan-Tibet Railway

圖8 不同危險(xiǎn)度等級(jí)內(nèi)的大型滑坡分布密度Fig.8 Distribution density of large landslides of different hazard rating

表3 不同危險(xiǎn)度等級(jí)區(qū)間大型滑坡分布特征Table 3 Characteristics of large landslides of different hazard rating

（1）擬建川藏鐵路沿線共發(fā)育大型、特大型滑坡共147 處，其中大型滑坡106 處，特大型滑坡41 處，主要分布于白玉至江達(dá)段、昌都至八宿段、朗縣至加查段等區(qū)段。

（2）鐵路沿線處于高中低三個(gè)等級(jí)危險(xiǎn)區(qū)的面積分別為35 918.5，95 484.3，12 039.7 km2?；挛ｋU(xiǎn)區(qū)的等級(jí)越高,大型滑坡的分布密度越大。高度危險(xiǎn)區(qū)大型滑坡分布密度為0.001 99 處/km2，約為中度或低度危險(xiǎn)區(qū)的2 倍。高度危險(xiǎn)區(qū)主要集中在邦達(dá)——八宿段、古鄉(xiāng)——拉月段和白玉——江達(dá)段。

（3）根據(jù)貢獻(xiàn)率權(quán)重模型計(jì)算出川藏鐵路沿線大型滑坡危險(xiǎn)度等級(jí)與野外實(shí)地調(diào)查的大型滑坡分布密度是一致的。貢獻(xiàn)率權(quán)重模型用于川藏鐵路沿線大型滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃是可行的。相關(guān)研究成果可以為川藏鐵路工程的選定線、安全建設(shè)提供科學(xué)參考和防災(zāi)減災(zāi)依據(jù)。

下一步研究中，將在充分考慮川藏鐵路沿線影響大型滑坡危險(xiǎn)性的不同本底因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮引起鐵路沿線大型滑坡發(fā)生的降雨、地震等誘發(fā)因素的影響，分不同工程地質(zhì)區(qū)段分別建立考慮誘發(fā)因素影響下鐵路沿線大型滑坡的動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及預(yù)測模型。