安徽黃山市徽州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究

劉 樂，楊 智，孫 健，劉 欽，彭 鵬，段俊斌

（1.安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001；2.安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局332 地質(zhì)隊(duì)，安徽 黃山 245000）

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果。內(nèi)因即為區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境，決定著地質(zhì)災(zāi)害的類型、分布、規(guī)模和強(qiáng)度，主要包括地形地貌、巖性構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組等[1]。外因是觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的外部條件，主要包括降雨、地震、工程切坡、植被破壞、礦山開采等。

開展大比例尺高精度的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)是當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查亟需的[2]。利用GIS 平臺(tái)結(jié)合高分遙感影像、DEM 數(shù)據(jù)等，可以快速有效的進(jìn)行大范圍地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[3]。即根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)，通過對(duì)已發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行提取，分析其孕災(zāi)、成災(zāi)的因素，并選用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，綜合評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性程度，并預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生空間位置。進(jìn)而建立針對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于皖南山區(qū)，行政區(qū)劃隸屬黃山市徽州區(qū)，面積約398.49 km2（圖1）。以中低山地貌為主，總體呈北高南低，海拔標(biāo)高一般在200～1 400 m。地層巖性以淺變質(zhì)砂巖、粉砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖為主。區(qū)域變質(zhì)、變形為板巖、千枚狀板巖。巖石易風(fēng)化，殘坡積層較發(fā)育。區(qū)域構(gòu)造上，屬下?lián)P子陸塊、江南造山帶、江南古陸隆起帶之歷口構(gòu)造帶，構(gòu)造線走向主要為北東向，其次為北西向。區(qū)內(nèi)水系屬錢塘江流域、新安江水系，最低侵蝕基準(zhǔn)面標(biāo)高為196 m 左右。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量1 708.1 mm，春、夏汛期為地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)期[4]。

圖1 研究區(qū)交通位置圖Fig.1 Traffic map of the research area

2 信息量模型原理

信息量模型是一種定量分析方法，其物理意義明確，廣泛應(yīng)用于區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[5-6]，評(píng)價(jià)過程中可較好的反映致災(zāi)因子和地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)聯(lián)性[7]。通過模型評(píng)價(jià)，能夠直觀的反映出研究區(qū)內(nèi)各致災(zāi)因子對(duì)于形成地質(zhì)災(zāi)害的敏感度和貢獻(xiàn)率。

式中：x i——成災(zāi)因素x中的第i區(qū)間；

Y——成災(zāi)因素x中第i區(qū)間地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的信息量值；

B——地質(zhì)災(zāi)害事件；

Ni——研究區(qū)內(nèi)包含評(píng)價(jià)因素xi的單元數(shù)且存在地質(zhì)災(zāi)害的單元數(shù)；

Si——研究區(qū)內(nèi)包含評(píng)價(jià)因素xi的單元數(shù)；

N——研究區(qū)存在地質(zhì)災(zāi)害單元總數(shù)；

S——研究區(qū)中評(píng)價(jià)單元的總數(shù)。

3 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)因子的選取

研究區(qū)所處的皖南山區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，山體風(fēng)化強(qiáng)度較高，殘坡積發(fā)育，豐樂河及其支流廣布于研究區(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)道路、房屋的建設(shè)多采用切坡施工。另外，該地區(qū)廣泛種植茶葉，茶園多開墾于陡峻的山坡坡面，人類活動(dòng)強(qiáng)度大（圖2）。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況和前人工作經(jīng)驗(yàn)，本次地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)選取了高程、坡度、坡向、斷裂構(gòu)造、土地覆蓋類型、水系、工程地質(zhì)巖組、人類活動(dòng)強(qiáng)度，共8 項(xiàng)主要因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

通過收集以往地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果及野外查證，研究區(qū)內(nèi)已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)215 處。根據(jù)已知災(zāi)害點(diǎn)，分別結(jié)合選取的8 項(xiàng)主要因素進(jìn)行分析，求得評(píng)價(jià)因素中各因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的“貢獻(xiàn)度”，將8 項(xiàng)評(píng)價(jià)因素疊加，進(jìn)而得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。

3.1.1 高程

研究區(qū)地形地貌跨度較大，總體地勢(shì)西北高南東低，北部為中低山區(qū)，山體走向以北西、北東為主，海拔500～1 400 m，相對(duì)高差600～800 m，局部地區(qū)800～1 000 m；南部為高丘地貌，廣泛分布在中低山側(cè)，高程200～500 m，相對(duì)高差50～250 m。

根據(jù)研究區(qū)地形特點(diǎn)，將高程劃分為0～200 m、200～300 m、300～400 m、400～500 m、500～700 m、700～1 300 m 共6 個(gè)級(jí)別，見圖2（b）。

通過高程因素信息量分析，300～700 m 高程區(qū)間地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性較大，而高程低于200 m 或高于700 m，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較低（表1）。

表1 高程分級(jí)及信息量統(tǒng)計(jì)表Table 1 Satistics of elevation classification and information

3.1.2 坡度

坡度直接影響坡面上坡積物的厚度、物質(zhì)的穩(wěn)定性和水動(dòng)力條件，從而影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的強(qiáng)度和規(guī)模[8]。

本次將坡度劃分為0°～10°、10°～20°、20°～30°、30°～40°、40°～50°、50°～90°共6 個(gè)級(jí)別，見圖2（c）。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度與致災(zāi)因子分級(jí)圖Fig.2 Density maps of geological disaster points andclassification diagram of the impact factors of geological disasters

通過坡度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量圖，可見坡度在20°～40°區(qū)間，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性較大，而坡度小于20°時(shí)，災(zāi)害發(fā)生概率較小，對(duì)于坡度大于50°，由于研究區(qū)內(nèi)此坡度區(qū)域極少，故地災(zāi)信息量較低（表2）。

表2 坡度分級(jí)及信息量統(tǒng)計(jì)表Table 2 Satistics of slope classification and information

3.1.3 坡向

坡向即坡面的朝向。不同朝向的坡面，坡體受太陽輻射強(qiáng)度，各種物理化學(xué)的風(fēng)化作用程度不同。

將坡向每隔90°劃分為四個(gè)方位區(qū)間，將分別為東坡45°～135°、南坡135°～225°、西坡225°～315°、北坡315°～45°，見圖2（d）。

通過坡向?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害提供的信息量圖，可見北坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性較小，其他方向地質(zhì)發(fā)生概率較大，特別是南坡（表3）。

表3 坡向分級(jí)及信息量統(tǒng)計(jì)表Table 3 Satistics of slope classification and information

3.1.4 斷裂

研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，且以北東及北西向斷裂為主北東東向最為發(fā)育（規(guī)模大、密集），北西向次之。區(qū)內(nèi)大型斷裂切割本區(qū)古老地層，同時(shí)伴生次級(jí)斷裂和構(gòu)造裂隙，使巖體結(jié)構(gòu)松散，巖石破碎及風(fēng)化，是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素[9]。

根據(jù)遙感解譯斷裂構(gòu)造的位置，以與斷裂構(gòu)造的距離為依據(jù)劃分緩沖區(qū)，共劃分5 個(gè)級(jí)別，分別為0～300 m、300～600 m、600～1 000 m、1 000～1 500 m、＞1 500 m，見圖2（e）。

通過距離斷裂級(jí)別對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量圖，可見在距離斷裂帶300 m 內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性最大，1 000 m 以上則地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率較低（表4）。

表4 斷裂分級(jí)及信息量統(tǒng)計(jì)表Table 4 Satistics of fracture classification and information

3.1.5 水系

河流的侵蝕是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要因素，主要表現(xiàn)為侵蝕作用對(duì)斜坡前緣抗力的削弱和臨空面的增加造成斜坡失穩(wěn)[10]。

研究區(qū)內(nèi)主要河流為豐樂河及其支流，對(duì)河流根據(jù)其線密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，密度越大，說明河流溝谷越多，地面越破碎，地面物質(zhì)穩(wěn)定性越低，造成的災(zāi)害越多。

在ArcGIS 中，將河流進(jìn)行遙感解譯，并形成線矢量文件，將線文件進(jìn)行密度分析，計(jì)算公式為：

式中：Ds——水系密度；

∑L——研究區(qū)水系總長(zhǎng)度/km；

A——研究區(qū)面積/km2。

通過密度分析，研究區(qū)水系密度值范圍為0～6.264 4，通過與遙感影像圖進(jìn)行比對(duì)，將密度范圍劃分為3 個(gè)區(qū)間，分別為0～1.405 2、1.405 2～2.869 5、2.869 5～6.264 4，見圖2（f）。通過水系密度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量可見，在水系密度高的區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害相對(duì)概率也較高（表5）。

表5 水系密度分級(jí)及信息量統(tǒng)計(jì)表Table 5 Satistics of the river system density classification and information

3.1.6 土地利用類型

研究區(qū)為黃山毛峰的主產(chǎn)區(qū)，陡坡茶園在區(qū)內(nèi)分布廣泛，因此在土地類型的劃分上，將茶園進(jìn)行單獨(dú)分類，共劃分為道路、耕地、城鎮(zhèn)用地、水域、林地、茶園6 種類型，分析不同用地類型對(duì)引起地質(zhì)災(zāi)害所提供的信息量，見圖2（g）。

依據(jù)各土地類型對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量，可見道路、茶園、城鎮(zhèn)用地3 種土地類型發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大（表6）。

表6 各土地利用類型信息量統(tǒng)計(jì)表Table 6 Statistical table of information quantity of land use types

3.1.7 工程地質(zhì)巖組

巖土體作為斜坡的基本組成，其控制著地質(zhì)災(zāi)害的形成、分布和規(guī)模[11]。研究區(qū)按巖石強(qiáng)度劃分為①堅(jiān)硬中厚層砂巖巖組（NH1x）、②較堅(jiān)硬層狀、板狀砂巖夾板巖巖組（PT2n）、③堅(jiān)硬中厚層狀變質(zhì)砂巖巖組（PT2d）、④堅(jiān)硬塊狀花崗閃長(zhǎng)巖巖組（γδ）、⑤第四系松散巖組（Q4）、⑥殘坡積層碎石土（Qdl+el）、⑦強(qiáng)風(fēng)化層、⑧沖洪積層（Qapl），見圖2（h）。

通過分析，8 類工程地質(zhì)巖組中，殘坡積層碎石土（Qdl+el）和強(qiáng)風(fēng)化層兩類對(duì)地質(zhì)災(zāi)害貢獻(xiàn)的信息量最大（表7）。

表7 各工程地質(zhì)巖組信息量統(tǒng)計(jì)表Table 7 Statistical table of information of each engineering geological rock formation

3.1.8 人類活動(dòng)強(qiáng)度

在ArcGIS 中，將道路路網(wǎng)和房屋范圍進(jìn)行遙感解譯，并形成線矢量文件，將線文件進(jìn)行密度分析，線網(wǎng)密度越大，說明人類活動(dòng)越強(qiáng)烈，引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害越多。

通過線密度分析，徽州區(qū)人類活動(dòng)密度值范圍為0～12.295 5，通過與遙感影像圖進(jìn)行比對(duì)，將密度范圍劃分為4 個(gè)區(qū)間，分別為0～1.418 5（人類活動(dòng)強(qiáng)度極低）、1.418 5～4.530 9（人類活動(dòng)強(qiáng)度一般）、4.530 9～5.882 1（人類活動(dòng)強(qiáng)度較高）、5.882 1～12.295 5（人類活動(dòng)強(qiáng)度極高），見圖2（i）。

通過人類活動(dòng)強(qiáng)度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量圖，可見在人類活動(dòng)強(qiáng)度較高、極高區(qū)間，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較頻繁，在人類活動(dòng)強(qiáng)度極低區(qū)間地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性較低（表8）。

表8 人類活動(dòng)強(qiáng)度分級(jí)及信息量統(tǒng)計(jì)表Table 8 Satistics of human activity intensity classification and information

3.2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.2.1 評(píng)價(jià)網(wǎng)格劃分

對(duì)于基于GIS 柵格運(yùn)算的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)段評(píng)價(jià)中，研究區(qū)中各致災(zāi)因子圖層的評(píng)價(jià)單元，選用正方形標(biāo)準(zhǔn)柵格作為評(píng)價(jià)單元，確定柵格單元大小的經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：Gs——適宜柵格大??；

S——地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)比例尺的倒數(shù)。

評(píng)價(jià)單元的劃分會(huì)直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性[12]，利用公式（3）并結(jié)合本次地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估的精度要求，使用13.5 m×13.5 m 的柵格大小作為評(píng)價(jià)單元，研究區(qū)共劃分約2 186 478 個(gè)評(píng)價(jià)單元。

3.2.2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果

將所有致災(zāi)因子信息量求和，得到2 186 478 個(gè)均一條件單元的總信息量值，其范圍為-4.732 721～3.449 854，數(shù)值越大，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的“貢獻(xiàn)率”越大，地質(zhì)災(zāi)害越容易發(fā)生（圖2）[13-16]。

根據(jù)各評(píng)價(jià)單元的信息量值，采用自然間斷點(diǎn)法，取-1.18、-0.03、1.26 為分界點(diǎn)，將研究區(qū)按危險(xiǎn)度劃分為地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)（表9、圖3）[17-19]。

表9 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)度分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)表Table 9 Statistical table of geological hazard area

圖3 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖Fig.3 Geological hazard risk assessment map of the research area

4 成果驗(yàn)證

通過本次地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果與野外調(diào)查成果的215 處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行疊合分析，災(zāi)點(diǎn)分布情況為：高易發(fā)區(qū)132 處、中易發(fā)區(qū)80 處、低易發(fā)區(qū)3 處、不易發(fā)區(qū)0 處（表10）。地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的分布結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)區(qū)劃相符，評(píng)價(jià)結(jié)果較合理。

表10 不同危險(xiǎn)度分區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計(jì)表Table 10 Statistical table of the number of geological disaster points in different risk zones

5 結(jié)束語

通過研究區(qū)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)合野外實(shí)際調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)成果，選取高程、坡度、坡向、斷裂、水系、土地利用類型、工程地質(zhì)巖組、人類活動(dòng)強(qiáng)度等8 個(gè)致災(zāi)因子，使用信息量模型法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，其中中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)面積分別為116.35，19.86 km2，占研究區(qū)總面積的29.2%和4.98%。

（2）根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的分布主要受到斷裂帶的控制，同時(shí)在河流、道路、茶園附近，坡度20°～40°的坡面，第四系松散層和強(qiáng)風(fēng)化層覆蓋區(qū)域均為地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，需要在重點(diǎn)區(qū)域加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害的防治工作。