基于信息量法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)
——以重慶市巫山縣縣城為例

溫金梅，楊 龍，茍 敬，李德龍，吳 濤

1.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)（重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院），重慶400700；2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局 南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶401120

重慶市巫山縣地處三峽水庫(kù)腹地，氣候多變，地形起伏，植被發(fā)育，地層復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，造成該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱.過(guò)度的土地資源開(kāi)發(fā)加劇了對(duì)地質(zhì)環(huán)境的破壞，導(dǎo)致災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展.因此，在深入研究巫山縣城地質(zhì)環(huán)境和災(zāi)害背景的基礎(chǔ)上，對(duì)造成地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境影響的因素進(jìn)行了分析.通過(guò)ArcGIS結(jié)合信息量計(jì)算方法對(duì)其地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性因素進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)，提出相關(guān)的科學(xué)研究對(duì)策和建議，為實(shí)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境與巫山縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的均衡協(xié)調(diào)發(fā)展及其科學(xué)管理提供服務(wù)，為實(shí)施城市安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)及防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù).

1 信息量法

地質(zhì)災(zāi)害（y）受多種地質(zhì)環(huán)境因素（xi）影響，在各種不同的地質(zhì)環(huán)境因素中，其所起的作用是不同的［1］.從信息預(yù)測(cè)的角度考慮，地質(zhì)災(zāi)害是否發(fā)生與各種地質(zhì)環(huán)境因素共同作用有關(guān)，這種共同作用的大?。ㄘ暙I(xiàn)值）可用信息量法來(lái)計(jì)算①李鐵鋒，等.地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，2019..

1.1 計(jì)算公式

信息量法計(jì)算公式如下：

可將上式換算成：

式中：I（y，x1x2…xn）為x1，x2，…，xn因子共同對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)值；P（y，x1x2…xn）為x1，x2，…，xn因子共同作用下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率；P（y）為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率；Ix1（y，x2）為x1因子存在時(shí)，x2因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)值.

I（y，x1x2…xn）值可正可負(fù)，即當(dāng)I（y，x1x2…xn）＞0時(shí)，P（y，x1x2…xn）＞P（y）；當(dāng)I（y，x1x2…xn）＜0時(shí)，P（y，x1x2…xn）＜P（y）.因此，當(dāng)I（y，x1x2…xn）＞0，則表示x1，x2，…，xn因子共同作用有利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；當(dāng)I（y，x1x2…xn）＜0時(shí)，則表示x1，x2，…，xn因子共同作用不利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生.

1.2 計(jì)算方法

假定巫山縣城評(píng)價(jià)區(qū)剖分成Q個(gè)單元格，其中已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害所占的單元個(gè)數(shù)有Q0個(gè)；同時(shí)假定評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)具有相同因子共同對(duì)地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生作用的單元有R個(gè)，其中發(fā)生了地質(zhì)災(zāi)害的單元個(gè)數(shù)有R0個(gè).根據(jù)上述公式，x1，x2，…，xn因子共同對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)值（信息量）可表述為：

利用面積比法可將上式換算成：

式中：D為評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)單元總面積；D0為已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元個(gè)數(shù)所占面積總和；B為具有相同因子x1，x2，…，xn共同作用的單元總面積；B0為具有相同因子x1，x2，…，xn共同作用的單元中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元面積總和.

通常，由于影響地質(zhì)災(zāi)害的因素較多，相應(yīng)的共同作用形式也較多.為了便于計(jì)算，先計(jì)算單因子的信息量，再將各因子信息量在ArcGIS上進(jìn)行疊加［2-3］，則將上式改寫(xiě)如下：

式中：I為評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)某單元信息量預(yù)測(cè)值；Bi為因子xi所占單元的總面積；B0i為因子xi所占單元中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元總面積.

2 地質(zhì)災(zāi)害影響因素分析及數(shù)據(jù)處理

在結(jié)合分析區(qū)內(nèi)自然地形特征、地質(zhì)條件和前人對(duì)該區(qū)或類似地區(qū)的相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上②蒲磊，等.重慶市巫山縣地質(zhì)災(zāi)害排查報(bào)告.重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院，2015.，再根據(jù)巫山縣城市地質(zhì)調(diào)查過(guò)程中對(duì)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，確定影響巫山縣縣城地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素，包括地形和地貌條件、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡結(jié)構(gòu)類型、三峽水庫(kù)水位和其他人類工程活動(dòng)等6種因素［4-5］.其中地形地貌條件可細(xì)分為地形坡度和地形起伏程度2個(gè)因子.

2.1 地形地貌

2.1.1 地形坡度

根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)與地形坡度具有密切相關(guān)性.如區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害在坡度40°以上發(fā)育的較少，在40°以下極其發(fā)育，其中坡度在20～40°間最易失穩(wěn)（如表1）.可見(jiàn)，地形坡度是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要因素之一.

表1 不同地形坡度條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of geohazard development by terrain gradients

通過(guò)ArcGIS的3D分析功能對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)1∶10000地形數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格插值生成DEM柵格，再利用ArcGIS的3D分析工具“柵格表面”下的“坡度”命令從DEM柵格數(shù)據(jù)上提取地形坡度要素，最后用自然斷點(diǎn)法對(duì)地形坡度進(jìn)行區(qū)間劃分，為［0，10.8°］、（10.8°，23.2°］、（23.2°，34°］、（34°，45.8°］、（45.8°，88.5°］，并統(tǒng)計(jì)不同坡度內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率.

2.1.2 地形起伏程度

根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)與地形起伏也具有密切相關(guān)性.地形起伏越大，其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性反而越小.

通過(guò)ArcGIS的3D分析功能對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)1∶10000地形數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格插值生成DEM柵格，再利用ArcGIS的“領(lǐng)域分析”工具和代數(shù)疊加生成地形起伏程度要素，最后用自然斷點(diǎn)法對(duì)地形起伏程度進(jìn)行區(qū)間劃分，為［0，9.7 m］、（9.7，19.4 m］、（19.4，31 m］、（31，64.9 m］、（64.9，247 m］，并統(tǒng)計(jì)不同地形起伏程度內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率.

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)主要褶皺構(gòu)造為巫山復(fù)式向斜和七曜山背斜①吳國(guó)代，等.1∶5萬(wàn)大昌幅和巫山幅修側(cè).重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，2013..由于七曜山背斜位于評(píng)價(jià)區(qū)西北角，影響面積小，構(gòu)造簡(jiǎn)單，且無(wú)地質(zhì)災(zāi)害分布，而評(píng)價(jià)區(qū)次級(jí)構(gòu)造復(fù)雜［6］，巖體破碎，因此對(duì)巫山復(fù)式向斜內(nèi)的構(gòu)造和巖體破碎程度做綜合定性分區(qū)，得到評(píng)價(jià)區(qū)構(gòu)造發(fā)育程度，并統(tǒng)計(jì)不同構(gòu)造發(fā)育程度內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率.

2.3 工程地質(zhì)巖組

結(jié)合巖石堅(jiān)硬度、巖性組合、巖體結(jié)構(gòu)及巖溶化程度等，可將區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖組劃分為以下幾類：T2b2＋4、T1d4；T2b1＋3、T1d1；T1d2＋3、T1j2＋4；T1j1＋3.

根據(jù)調(diào)查資料顯示，區(qū)內(nèi)約80%的滑坡發(fā)育在T2b地層中［7-8］（如表2），主要因?yàn)樵摰貙又械哪囗?yè)巖、泥灰?guī)r較軟弱，經(jīng)降雨浸潤(rùn)后易軟化、易滑.可見(jiàn)，工程地質(zhì)巖組與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生關(guān)系密切.

表2 不同巖組條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of geohazard development by formation conditions

通過(guò)ArcGIS轉(zhuǎn)換工具下“面轉(zhuǎn)柵格”命令對(duì)賦有分區(qū)屬性的shape數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)換，得出區(qū)內(nèi)巖性分級(jí)柵格圖，并統(tǒng)計(jì)不同巖組內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率.

2.4 斜坡結(jié)構(gòu)類型

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育與斜坡結(jié)構(gòu)類型具有相關(guān)性（如表3所示）.在順向坡坡體中，地質(zhì)災(zāi)害尤為發(fā)育，橫向坡、順斜坡、反向斜坡依次減弱.

表3 不同斜坡結(jié)構(gòu)條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of geohazard development by slope structure types

利用ArcGIS的3D分析工具“柵格表面”下的“坡向”命令從DEM柵格數(shù)據(jù)上提取斜坡坡向要素，然后對(duì)賦有產(chǎn)狀屬性的shape數(shù)據(jù)插值，得出傾向柵格圖，再利用柵格計(jì)算器得出斜坡類型分布情況，并統(tǒng)計(jì)不同斜坡類型內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率.

2.5 三峽庫(kù)水位影響

長(zhǎng)江干流橫穿評(píng)價(jià)區(qū)，受三峽水庫(kù)的水位漲落影響，庫(kù)岸斜坡坡腳長(zhǎng)期遭受侵蝕沖蝕－暴露風(fēng)化作用，為其失穩(wěn)變形提供了良好的條件［9-11］.據(jù)統(tǒng)計(jì)，評(píng)價(jià)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害大多分布在水系附近，如在水系100 m范圍內(nèi)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害最多，其次為100～300 m，300～500 m，＞500 m.因此，通過(guò)ArcGIS“多環(huán)緩沖”工具提取水系不同影響程度的柵格圖，并統(tǒng)計(jì)其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率.

2.6 人類工程活動(dòng)

評(píng)價(jià)區(qū)中工程建設(shè)切坡是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素［12-13］，改變了斜坡原有形態(tài)，對(duì)其穩(wěn)定性構(gòu)成影響.因此，對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)的交通要道和密集居民點(diǎn)進(jìn)行緩沖分析，并統(tǒng)計(jì)不同緩沖區(qū)影響范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率.劃分區(qū)間為影響強(qiáng)烈區(qū)、較強(qiáng)烈區(qū)、中等區(qū)、不強(qiáng)烈區(qū)，并統(tǒng)計(jì)不同影響程度內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率.

3 基于信息量法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

在上述各因素分析的基礎(chǔ)上，基于GIS技術(shù)的信息量法對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià).即將量化后的每個(gè)單元在GIS平臺(tái)上進(jìn)行各種空間信息疊加［14-16］，再與評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的實(shí)際情況對(duì)比驗(yàn)證，形成較為合理的評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果.

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)信息量計(jì)算

采用信息量模型，對(duì)上述6類指標(biāo)7個(gè)因子的狀態(tài)信息量值進(jìn)行計(jì)算，再應(yīng)用ArcGIS將上述各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的信息量值進(jìn)行疊加，獲得評(píng)價(jià)區(qū)柵格總信息量分布，如表4所示.

3.3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)

根據(jù)ArcGIS計(jì)算結(jié)果，凡是信息量值大于0的單元，則屬利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域；信息量值小于0的單元，則屬不利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域［17-18］.然后再通過(guò)ArcGIS的疊加分析和重分類功能將其劃分4個(gè)等級(jí)（極高易發(fā)、高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)）［19-20］，其信息量值分別為0.75～1，0.5～0.75，0～0.5，從而得出分區(qū)評(píng)價(jià)圖（圖1）.

表4 評(píng)價(jià)因子信息量表Table 4 Information values of evaluation factors

3.4 與實(shí)際比對(duì)驗(yàn)證

圖1 重慶市巫山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)圖Fig.1 Evaluation map of geohazard susceptibility in Wushan County，Chongqing

從圖1可知，極高易發(fā)區(qū)面積為26.78 km2，占比13.31%，共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害60處，其點(diǎn)密度為2.27個(gè)/km2；高易發(fā)區(qū)面積54.56 km2，占比27.13%，共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害78處，點(diǎn)密度1.43個(gè)/km2；中易發(fā)區(qū)面積23.44 km2，占比11.65%，共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)12處，點(diǎn)密度0.512個(gè)/km2；低易發(fā)區(qū)面積96.35 km2，占比47.81%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)13處，點(diǎn)密度0.135個(gè)/km2.由此可見(jiàn)，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性越高其地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度越大，與評(píng)價(jià)區(qū)的實(shí)際情況①侯雪峰，等.三峽庫(kù)區(qū)長(zhǎng)江干流庫(kù)岸地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報(bào)告.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局107地質(zhì)隊(duì)，2016.相吻合.因此，采用信息量法進(jìn)行評(píng)價(jià)效果較好.

4 結(jié)論與建議

據(jù)上述分析得知，影響地質(zhì)災(zāi)害的主要因素有地形地貌條件、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)類型、三峽庫(kù)水位和其他人類工程活動(dòng)，再結(jié)合ArcGIS軟件分析功能，采用信息量計(jì)算模型對(duì)上述因子的信息量進(jìn)行計(jì)算，以此得出地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)結(jié)果.據(jù)已有收集資料比對(duì)，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性越高的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的點(diǎn)密度越大，這與評(píng)價(jià)區(qū)的實(shí)際情況吻合.由此可見(jiàn)，利用信息量法進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)具有一定的可靠性，可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)某地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，這對(duì)于類似地質(zhì)環(huán)境條件的地區(qū)具有借鑒作用.

另?yè)?jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)主要分布于長(zhǎng)江及大寧河支流庫(kù)岸段，如江東組團(tuán)龍水村（次級(jí)褶皺極發(fā)育區(qū)），巫峽鎮(zhèn)楊柳村、紅廟村、石里村、七星村，兩坪鄉(xiāng)周家村等區(qū)域.建議限制性地開(kāi)展以上區(qū)域內(nèi)的規(guī)劃建設(shè)工作，如確需開(kāi)展，需在建設(shè)前和建設(shè)中做好地質(zhì)災(zāi)害防治和斜坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作，以免誘發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害.