確定性系數(shù)法的海城市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)*

李劍鋒 ，蘆艷麗 **，鄒治亮

（1.遼寧師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，遼寧大連 116029；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北武漢 430074；3.遼寧水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，遼寧大連 116037）

0 引 言

從20世紀(jì)70年代起，地質(zhì)災(zāi)害備受關(guān)注，歐美國(guó)家開始對(duì)其成因與形成機(jī)制進(jìn)行研究［1-4］；80年代以后，3S技術(shù)的發(fā)展促使地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域逐漸擴(kuò)寬，聯(lián)用GIS和數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和風(fēng)險(xiǎn)性研究逐漸成為國(guó)內(nèi)外研究的主流手段［5-9］.易發(fā)性評(píng)價(jià)的過程為：首先，對(duì)區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害形成的條件和發(fā)育特征等進(jìn)行調(diào)查與分析；其次，建立評(píng)價(jià)體系，選取評(píng)價(jià)因子，確定地質(zhì)災(zāi)害與研究區(qū)域空間分布關(guān)系；最后，選取合適的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行易發(fā)區(qū)劃分，對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證［10-12］.目前常見的評(píng)價(jià)模型有模糊綜合評(píng)判模型［13］、邏輯回歸模型［14-15］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［16］、信息量模型［17］、證據(jù)權(quán)模型［18］和確定性系數(shù)模型［19-20］等.其中，確定性系數(shù)模型可以較好地反映影響因子不同值域?qū)σ装l(fā)性的敏感程度，具有數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)流程便捷且精度較高的特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)［21-22］.

海城市地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)，災(zāi)害類型常見的有崩塌、滑坡和泥石流3種.2012—2019年，地質(zhì)災(zāi)害累計(jì)給海城市造成人員死亡4人，經(jīng)濟(jì)損失343萬元；已經(jīng)查明地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)73處，威脅人口1 338人、財(cái)產(chǎn)5 170萬元（數(shù)據(jù)來自2019年鞍山市自然資源局）.基于此，本文在野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查基礎(chǔ)上，運(yùn)用確定性系數(shù)模型，對(duì)海城市進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，為海城市防災(zāi)、減災(zāi)制定防災(zāi)規(guī)劃提供依據(jù)，也可為遼東其他地區(qū)提供借鑒和參考，以期降低地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的威脅和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響.

1 研究區(qū)概況

海城市位于遼東半島中西部，地處122°18′～123°08′E、40°29′～41°11′N，屬于遼寧省鞍山市，下轄 25個(gè)鎮(zhèn)、1個(gè)開發(fā)區(qū)，面積有 2 732 km2，見圖 1（審圖號(hào)：遼 S｛2017｝128）.研究區(qū)為暖溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，冬冷夏熱，四季分明；年均溫8.4℃，氣溫年較差大；雨量充沛，光照充足，年均降水量691.3 mm，季節(jié)降水分布不均，主要集中在6—8月.區(qū)內(nèi)地貌類型復(fù)雜，主要有低山丘陵、平原以及山前斜坡坡地.海拔高程為2～889 m，地勢(shì)東南高西北低，東南部地區(qū)海拔多在200 m以上，相對(duì)高差多為200～500 m.區(qū)內(nèi)主要活動(dòng)斷裂有析木-岫巖斷裂、陳家堡子-孤家子斷裂和析木城-胡家?guī)X斷裂，出露地層為下元古界遼河群，中上元古代細(xì)河群及新生界第四系.巖性有花崗巖、大理巖、板巖變質(zhì)巖和松散土體.

圖1 海城市高程

2 評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)來源及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

所使用的數(shù)據(jù)主要有：海城市地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)，來源于鞍山市自然資源局（http：//gtj.anshan.gov.cn）；數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）數(shù)據(jù)（30 m×30 m分辨率的柵格數(shù)據(jù)），來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn），并由此提取高程、坡度、坡向和河網(wǎng)水系等相關(guān)數(shù)據(jù)；1∶50萬地質(zhì)圖，來源于全國(guó)地質(zhì)資料館（http：//www.ngac.org.cn）；多年平均降雨量數(shù)據(jù)，來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//www.data.cma.cn），之后對(duì)其進(jìn)行克里金插值，得到年均降水柵格數(shù)據(jù)；Landsat8遙感影像來源于地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn），依據(jù)遙感影像波段反射率計(jì)算得到植被覆蓋度（normalized difference vegetation index，NDVI）.

2.2 評(píng)價(jià)方法

確定性系數(shù)是用來分析某一事件發(fā)生的敏感性程度，是一種概率方法，這一模型運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算各個(gè)分級(jí)因子發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的相對(duì)概率［23-24］，其計(jì)算公式為

式中Pa是指某一特征a下的發(fā)生概率，具體指特征a中每一單元存在的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)量或面積與每一單元分級(jí)a面積的比值；Ps為整個(gè)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，指所有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)量或面積與整個(gè)研究區(qū)面積比值.敏感性指數(shù)值為［-1，1］，當(dāng)Fc>0時(shí)，指地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率高，易發(fā)性可能性大；Fc=0時(shí)，不能判斷是否是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)；Fc<0時(shí)，指地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率低，易發(fā)性可能性小.

2.3 評(píng)價(jià)因子選取和分級(jí)

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生多是多種因素造成的，科學(xué)合理地選擇評(píng)價(jià)因子是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，充分考慮每個(gè)影響因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)程度，有助于確保研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)的科學(xué)性［25］.根據(jù)海城市地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查，并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行考察分析；通過研究選取了高程、坡度、坡向、地層巖性、年均降雨量、距河流距離、NDVI和距斷層距離8個(gè)評(píng)價(jià)因子，作為海城市地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)影響因子分級(jí)指標(biāo)具體見表1.

表1 海城市地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

（1）高程.海拔高程是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要因素之一，通常坡度一樣的條件下，伴隨著海拔高度的升高，山體的不穩(wěn)定性也隨之增加，較易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害.把海城市海拔高程從DEM數(shù)據(jù)中提取出來，將其劃分為5個(gè)等級(jí).

（2）坡度.通常情況下，坡度代表斜坡的穩(wěn)定性；坡度的大小決定著坡面松散物質(zhì)的堆積厚度，坡度越大，坡面物質(zhì)越不穩(wěn)定，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能性越大.本文依托ArcGIS，基于DEM數(shù)據(jù)提取坡度值，劃分為4個(gè)等級(jí).

（3）坡向.不同坡向的光照程度有差異，導(dǎo)致熱量、水分等物理?xiàng)l件不同，影響坡面物質(zhì)的蒸發(fā)、侵蝕和風(fēng)化程度.根據(jù)DEM數(shù)據(jù)提取坡向，劃分為5個(gè)等級(jí).

（4）地層巖性.地層巖性軟硬程度的不同是地質(zhì)災(zāi)害形成的重要原因，不同巖石類型的抗侵蝕、抗壓能力存在差異，從而使得巖土體發(fā)生變形為地質(zhì)災(zāi)害提供條件.按照巖性標(biāo)準(zhǔn)，將海城市巖性軟硬程度進(jìn)行分級(jí)，劃分為4個(gè)等級(jí).

（5）年均降雨量.降雨也是引起地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的一個(gè)重要因素，降水強(qiáng)度越大，越容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害.本文選取了海城市及其周邊12個(gè)氣象點(diǎn)數(shù)據(jù)，收集了1998—2019年的年均降水?dāng)?shù)據(jù)，依據(jù)克里金插值得到降水量分布圖，再通過掩膜裁剪進(jìn)行重分類，分成4個(gè)等級(jí).

（6）距河流距離.河流對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生作用主要有2個(gè)方面：一是誘發(fā)災(zāi)害的作用，河流兩岸的巖土體受到水體的淘蝕、沖刷和側(cè)蝕，抗侵蝕能力弱，距河流越近巖體穩(wěn)定性越低；二是孕災(zāi)體環(huán)境的改變作用，河流兩岸沖積平原區(qū)適宜人類居住，人類工程建設(shè)活動(dòng)頻繁，發(fā)生災(zāi)害的可能性大.依據(jù)DEM提取海城市河流水系圖，建立緩沖區(qū)，分為4個(gè)等級(jí).

（7）NDVI.NDVI是將遙感地物光譜依照不同波段進(jìn)行組合，進(jìn)而反映植被生長(zhǎng)狀況［26］，植被覆蓋度高有助于保持水土，提高巖土體穩(wěn)定性.在ENVI軟件下，依據(jù)遙感影像計(jì)算海城市植被指數(shù)，指數(shù)值為［-1，1］，正值代表覆蓋度高，按照植被覆蓋度劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用自然間斷法分為5個(gè)等級(jí).

（8）距斷層距離.通常斷層會(huì)導(dǎo)致地形起伏變大，巖石斷裂破碎，深刻影響地質(zhì)區(qū)域的穩(wěn)定性.將海城市斷層建立緩沖區(qū)，劃分為4個(gè)等級(jí).

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)因子敏感性計(jì)算

依托ArcGIS平臺(tái)，將73個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與分級(jí)指標(biāo)圖相疊加，生成海城市地質(zhì)災(zāi)害各因子分級(jí)（圖2）.統(tǒng)計(jì)各因子分級(jí)圖中的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量和面積，依據(jù)確定性系數(shù)模型公式，計(jì)算得到影響因子分級(jí)區(qū)間對(duì)應(yīng)的敏感性值，衡量不同影響因子對(duì)易發(fā)性的敏感程度，見表2.根據(jù)確定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果表顯示，最易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的是：高程為>274～439 m；坡度為>5～15°；坡向?yàn)?135～225°區(qū)間；地層巖性為堅(jiān)硬巖；年均降雨量為>732～759 mm；距河流距離>200～500 m；NDVI為>0.5～0.7；距斷層距離為0～1 000 m.并且根據(jù)敏感性值的高低，前3位依次是年均降雨量、高程和地層巖性，說明了這3種因子對(duì)海城市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的敏感程度高.

圖2 海城市地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)因子分級(jí)

表2 海城市地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)因子確定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3.2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

運(yùn)用ArcGIS統(tǒng)計(jì)分析功能中的柵格計(jì)算器，將各評(píng)價(jià)因子敏感性值進(jìn)行疊加，得到綜合因子敏感性值為-5.653 9～3.552 9，采用自然間斷法把海城市總敏感性值分為4個(gè)等級(jí)：高易發(fā)區(qū)（-0.881 1～3.552 9）、中易發(fā)區(qū)（>-0.888 1～-0.881 1）、低易發(fā)區(qū)（>-2.729 4～-0.888 1）和不易發(fā)區(qū)（-5.653 9～-2.729 4），見圖 2（i）.

（1）高易發(fā)區(qū)面積為557.7 km2，占研究區(qū)總面積20.42%，發(fā)育災(zāi)害點(diǎn)數(shù)56個(gè)，占總數(shù)的76.71%，達(dá)到總災(zāi)害的一半以上，災(zāi)害點(diǎn)密集.其主要集中分布在海城市東南部的孤山鎮(zhèn)、接文鎮(zhèn)和馬風(fēng)鎮(zhèn)低山丘陵區(qū)域，該區(qū)巖性堅(jiān)硬、年均降雨量多且海拔較高，地形起伏大.大屯鎮(zhèn)、王石鎮(zhèn)、岔溝鎮(zhèn)、牌樓鎮(zhèn)、八里鎮(zhèn)和英落鎮(zhèn)等鎮(zhèn)明顯呈現(xiàn)出條帶狀分布特征.

（2）中易發(fā)區(qū)面積為635.8 km2，占研究區(qū)面積23.27%，發(fā)育災(zāi)害點(diǎn)數(shù)15個(gè)，占總數(shù)的20.55%，災(zāi)害點(diǎn)密度較低.其主要分布在海城市東南部的析木鎮(zhèn)、岔溝鎮(zhèn)和牌樓鎮(zhèn)，大屯鎮(zhèn)、王石鎮(zhèn)、馬風(fēng)鎮(zhèn)、八里鎮(zhèn)和英落鎮(zhèn)各區(qū)規(guī)模相對(duì)較小且分散.該區(qū)巖性較堅(jiān)硬且年均降雨量減少，地貌以低山丘陵為主，地形起伏較大.

（3）低易發(fā)區(qū)面積為523.9 km2，占研究區(qū)面積19.18%，發(fā)育災(zāi)害點(diǎn)數(shù)2個(gè)，占總數(shù)的2.74%，災(zāi)害點(diǎn)密度小.其在各鎮(zhèn)均有零星分布，但集中分布在毛祁鎮(zhèn)、英落鎮(zhèn)、八里鎮(zhèn)、甘泉鎮(zhèn)和南臺(tái)鎮(zhèn)，該區(qū)以坡地為主，屬于中、不易發(fā)區(qū)的過渡區(qū)域，距離河流相對(duì)較遠(yuǎn)，植被覆蓋度較高.

（4）不易發(fā)區(qū)面積為1 014.6 km2，占研究區(qū)面積37.13%，在所有分區(qū)中所占面積最大，不發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害.其主要分布在海城市北部各鎮(zhèn)，該區(qū)地貌以平原為主，地形平坦而且年均降雨量最少，因此發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性低.

4 討 論

研究表明，控制因素和誘發(fā)因素共同控制地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生［27］，控制因素由高程、坡度、坡向、地層巖性和距斷層距離組成，而誘發(fā)因素為年均降雨量、距河流距離和NDVI.前人研究工作表明，降雨是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要外部誘發(fā)因子［28-31］；由于不同地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)制（發(fā)育特征、分布規(guī)律以及災(zāi)害類型）和區(qū)域特征存在差異，因此，影響各地發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)部因子則有所不同.本研究區(qū)依據(jù)影響因子的敏感性值可知，該區(qū)域年均降雨量的值最高，其次是高程和地層巖性，說明降雨是海城市地質(zhì)災(zāi)害最重要的外部誘發(fā)因子，而高程和地層巖性是海城市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要內(nèi)部影響因子；顯然，這一結(jié)論佐證了降雨是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要誘發(fā)因素.海城市地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)海拔較高，分布的巖性主要是堅(jiān)硬巖及堅(jiān)硬半堅(jiān)硬巖.結(jié)合野外調(diào)查顯示：巖性堅(jiān)硬及半堅(jiān)硬的地區(qū)主要為層狀碎屑巖組與碎裂狀軟硬相間巖組，結(jié)構(gòu)較松散，節(jié)理裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，并且海拔高的區(qū)域晝夜溫差大，巖體容易在冷熱交替間風(fēng)化破碎，再加上強(qiáng)降水影響，很容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害.海城市東南部地區(qū)海拔較高，巖性為堅(jiān)硬巖、堅(jiān)硬及半堅(jiān)硬巖，同時(shí)年均降雨量為732～759 mm，是海城市降雨量最多的區(qū)域.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)域?yàn)?zāi)害數(shù)量有56個(gè)，災(zāi)害點(diǎn)比例達(dá)到76.71%，高易發(fā)區(qū)集中分布在此.由此可見，海城市地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生主要是在海拔和巖性的影響下，受降水因素所誘發(fā).

除此之外，結(jié)合海城市易發(fā)性分區(qū)圖和評(píng)價(jià)因子分級(jí)圖，高易發(fā)區(qū)除了分布在較高海拔區(qū)和堅(jiān)硬巖巖性中，還明顯呈現(xiàn)出朝南向陽坡和沿河流附近分布的特征.向陽坡早晚溫差大，水熱差異導(dǎo)致巖石風(fēng)化、侵蝕程度比陰坡高.河流堆積為地質(zhì)災(zāi)害帶來豐富的物源，距河流越近侵蝕作用越強(qiáng)烈，而且河流附近地形起伏小、坡度較緩，是人類生活居住集中區(qū)，且工程建設(shè)活動(dòng)頻繁，因此對(duì)自然環(huán)境影響大.在自然和人為因素的共同影響下，向陽坡處和河流附近區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性較高.

因此，在海城市地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，要在河流汛期和雨季集中季節(jié)，加大對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的排查和群測(cè)群防巡查，減少地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和降低災(zāi)害造成的損失.

5 結(jié) 論

本文通過海城市地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查，在收集以往資料基礎(chǔ)上，依托ArcGIS平臺(tái)，利用確定性系數(shù)模型得到海城市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，結(jié)論如下：

（1）海城市高易發(fā)區(qū)面積為557.7 km2，占研究區(qū)面積20.42%，其主要分布于海城市東南部巖性為堅(jiān)硬巖或堅(jiān)硬半堅(jiān)硬巖的低山丘陵區(qū)，呈現(xiàn)出朝南向陽坡和沿河流附近分布特征；中易發(fā)區(qū)面積為635.8 km2，占研究區(qū)面積23.27%，其主要分布在高易發(fā)區(qū)外圍的析木鎮(zhèn)、牌樓鎮(zhèn)和岔溝鎮(zhèn)；低易發(fā)區(qū)面積為523.9 km2，占研究區(qū)面積19.18%，其零星分散于海城市各鎮(zhèn)；不易發(fā)區(qū)面積為1 014.6 km2，占研究區(qū)面積37.13%，其主要分布于北部各鎮(zhèn)地形平緩的平原區(qū).

（2）海城市地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生主要受高程和地層巖性影響，經(jīng)降雨誘發(fā)，受河流附近人為活動(dòng)影響，并在坡度、坡向、植被覆蓋度和距斷層距離等多種因素影響下，導(dǎo)致海城市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和分區(qū)的不同.