京津冀地區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估

蔣宏毅，楊凡*，左天惠，李華玥，王曉山

(1.河北省地震局，河北 石家莊 050021；2.廣西測(cè)繪地理信息局地理國(guó)情監(jiān)測(cè)院，廣西 南寧 530022；3.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045)

0 引 言

地震誘發(fā)滑坡，是指地震震動(dòng)引起的巖體或土體沿一個(gè)緩傾面滑移一定距離的現(xiàn)象。它是一種較為嚴(yán)重的地震次生災(zāi)害，具有規(guī)模大、面積廣的特點(diǎn)，尤其是在山區(qū)，地震滑坡的發(fā)生會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，也是破壞交通設(shè)施、形成堰塞湖的主要因素之一。

對(duì)地震滑坡的評(píng)估計(jì)算，僅考慮山體坡度因子進(jìn)行評(píng)價(jià)精準(zhǔn)度較低，需要結(jié)合相關(guān)因子的敏感性進(jìn)行研究，提高評(píng)估地震滑坡結(jié)果的精準(zhǔn)性[1]。因此，本文利用GIS的空間分析能力，結(jié)合多元回歸分析方法[2-3]對(duì)京津冀地區(qū)的地震滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行了研究。該研究可為減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失、震后應(yīng)急救援分析提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 GIS的原理與應(yīng)用

地信息系統(tǒng)(GIS)是在計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的支持下對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的客觀實(shí)體及與之相關(guān)的空間數(shù)據(jù)和描述這些空間實(shí)體的屬性信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、檢索和綜合分析的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于把各類實(shí)體的空間數(shù)據(jù)都投影到同一地理坐標(biāo)系下，把所有的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)有機(jī)地聯(lián)系起來，同類實(shí)體按表(圖層)的方式存儲(chǔ)在一起，這種信息的表達(dá)方式更接近自然實(shí)體的客觀狀態(tài)。在地學(xué)問題的研究中，數(shù)字地面模型、拓?fù)浏B加功能、網(wǎng)絡(luò)分析模型等都得到了廣泛的應(yīng)用。

地震滑坡的形成機(jī)制非常復(fù)雜，影響因素眾多，但其最重要的特征之一就是具有明顯的地域性分布特征。GIS強(qiáng)大的分析和處理空間信息的功能可以為復(fù)雜因素及其相互作用的研究提供一個(gè)有效的平臺(tái)，即利用GIS技術(shù)可更加有效地地震滑坡形成機(jī)制與影響因素等進(jìn)行綜合分析與研究。對(duì)于地震滑坡這種影響因素十分復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害的研究，GIS技術(shù)的應(yīng)用有積極的推動(dòng)作用[4-5]。

2 地震滑坡影響要素分析

本文選取了道路距離、地貌類型、坡度、斷裂、水系距離和巖石類型等6個(gè)因子作為京津冀地區(qū)地震誘發(fā)滑坡的影響因子[6-7]，全面分析了地震滑坡分布與相關(guān)影響因子之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系[8-10]。與前人不同，本文綜合考慮了地貌類型因子在地震滑坡發(fā)生過程中的相互關(guān)系。

2.1 道路因子

人類活動(dòng)是誘發(fā)地震滑坡的重要因素之一，主要是對(duì)地形的破壞等，改變了自然地貌，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)地震滑坡主要發(fā)生在道路緩沖區(qū)600 m區(qū)域內(nèi)，滑坡量占總數(shù)的59.8 %，地震滑坡數(shù)量與道路距離成反比，在對(duì)道路類型的選擇主要是高速、國(guó)道、省道、縣道四級(jí)道路。

2.2 地貌類型因子

地貌類型是指陸地表面形態(tài)特征的歸類，以成因和形態(tài)的差異，劃分的不同地貌類別。本文通過將地貌類型與各相關(guān)因子的疊加分析，利用易發(fā)生滑坡的海拔高度經(jīng)驗(yàn)值選取相關(guān)地貌類型區(qū)域面，提高參與計(jì)算因子的范圍精度。京津冀山區(qū)最高海拔在3 000 m以下，因此在計(jì)算過程中，選取了小起伏中山、中起伏中山、大起伏中山三個(gè)地貌類型。京津冀地貌類型如圖1所示，其地貌類型代碼對(duì)照見表1。

圖1 京津冀地貌類型分布

表1 地貌類型代碼對(duì)照

2.3 地形因子

地形因子是滑坡發(fā)育最為重要的因子，是滑坡研究中最常用的因子。

(1)高程

本文數(shù)字高程模型(DEM)空間分辨率為30 m×30 m(圖2)，在GIS平臺(tái)下通過空間分析對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行坡度提取。前人研究表明，滑坡發(fā)生的高度主要集中在1 000～2 000 m高程范圍內(nèi)。

圖2 京津冀數(shù)字高程 圖3 京津冀坡度分布

(2)坡度

在已有研究中表明，山體坡度是誘發(fā)滑坡的必要條件，其坡度是決定滑坡體下滑動(dòng)力的主要控制條件，它影響坡體內(nèi)部已發(fā)生或潛在滑動(dòng)面的剩余下滑力大小，同時(shí)還影響了斜坡變形破壞的形式和誘發(fā)機(jī)制。經(jīng)研究表明，大部分滑坡發(fā)育在坡度30o～50o之間[11]。本文對(duì)京津冀坡度的提取如圖3所示。

2.4 斷裂

經(jīng)研究滑坡的發(fā)生受斷裂影響較大，距離斷裂越近發(fā)生滑坡的概率就越高。因此利用空間分析功能，分別以5 km、10 km、15 km、20 km、25 km對(duì)滑坡進(jìn)行緩沖區(qū)分析。在計(jì)算的過程中，緩沖區(qū)的賦值權(quán)重與距離成反比。

2.5 水系因子

河流兩岸經(jīng)常發(fā)生大量地震滑坡，這是由于河流側(cè)蝕造成了沿岸邊坡臨空面增大，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，河流緩沖區(qū)400 m區(qū)域內(nèi)，匯聚了較多地震滑坡點(diǎn)，地震滑坡數(shù)量與水系距離成反比，通過GIS軟件的空間分析功能對(duì)河流數(shù)據(jù)建立緩沖區(qū)進(jìn)行分析。

2.6 巖石類型

在相關(guān)研究中證實(shí)，地層巖性是發(fā)生滑坡的關(guān)鍵控制要素，對(duì)巖土體的抗風(fēng)化能力和應(yīng)力分布起決定性作用。研究區(qū)內(nèi)大約包括10類巖石類型：千枚巖、泥巖、白云巖、石灰?guī)r、隧石灰?guī)r、頁巖、板巖、粉砂巖、石英砂巖、玄武巖。因千枚巖為較軟巖，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，抗風(fēng)化能力弱，千枚巖在滑坡發(fā)生的區(qū)域起主導(dǎo)作用。利用GIS分析功能對(duì)研究區(qū)內(nèi)的巖石類型進(jìn)行提取和重分類，與其他相關(guān)因子進(jìn)行嵌套疊加分析。

3 滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)模型

在GIS軟件平臺(tái)，針對(duì)本文提出的6個(gè)地震滑坡控制因子創(chuàng)建柵格圖層，然后利用GIS空間分析功能對(duì)六個(gè)影響因子的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析計(jì)算，從而得到研究區(qū)域滑坡易發(fā)生性分布圖。其中影響因子的權(quán)重設(shè)定，參考學(xué)者利用層次分析法在汶川地震區(qū)的應(yīng)用研究并結(jié)合本地的專家經(jīng)驗(yàn)打分法進(jìn)行設(shè)定[8]?；乱装l(fā)生性指數(shù)回歸模型如下：

(1)

其中：Y為評(píng)價(jià)單元格的滑坡綜合危險(xiǎn)性指數(shù)，Bi為影響因子的權(quán)重，Xi為影響因子。

表2 地震滑坡誘發(fā)因子多元回歸系數(shù)

將各因子計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加分析，獲得本研究區(qū)地震滑坡災(zāi)害敏感性指數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，京津冀地區(qū)地震滑坡風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)范圍為0.87～6.65。本文結(jié)合自然斷點(diǎn)法對(duì)滑坡發(fā)生概率進(jìn)行分級(jí)，主要分為：極高、高度、中度、輕度4個(gè)級(jí)別(圖4)。

圖4 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估分布

4 評(píng)估結(jié)果驗(yàn)證

通過新聞報(bào)道對(duì)京津冀地區(qū)實(shí)際發(fā)生滑坡點(diǎn)進(jìn)行了不完全統(tǒng)計(jì)。圖4編號(hào)點(diǎn)為實(shí)際發(fā)生崩塌滑坡的地質(zhì)災(zāi)害地點(diǎn)，其中編號(hào)1 為張石高速淶源段石家莊方向266 km+100 m處。因強(qiáng)降雨造成大量山石滾落，將一條車道阻斷，山體石塊松動(dòng)，不斷向高速公路上滾落，嚴(yán)重影響車輛通行安全。編號(hào)2為張家口市美居小區(qū)1號(hào)樓西側(cè)和宏景嘉苑小區(qū)交界處護(hù)坡，因持續(xù)降雨造成山體滑坡。編號(hào)3為北京房山區(qū)大安山鄉(xiāng)X209軍紅路K19+300 m處左側(cè)山體，山體滑坡時(shí)，大塊山石從山上滾落，砸到公路后落入山谷，其原因是持續(xù)強(qiáng)降雨。上述三個(gè)滑坡點(diǎn)均落在評(píng)估結(jié)果范圍內(nèi)，編號(hào)1、2的落石點(diǎn)發(fā)生在滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果的中度區(qū)，編號(hào)3的落石點(diǎn)發(fā)生在滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果的極高區(qū)。

5 結(jié)論與討論

經(jīng)計(jì)算結(jié)果分析，最后得到易發(fā)生滑坡區(qū)域?yàn)楹颖笔∥鞑浚赡舷虮毖靥猩椒植?。主要集中在邯鄲、邢臺(tái)、石家莊的西部中低山、低山丘陵區(qū)，保定北部與張家口、北京交界的山區(qū)地帶，北京北部與張家口、承德山區(qū)交界地，承德南部山區(qū)地帶，承德圍場(chǎng)縣的東北部、北部，隆化和豐寧的中低山區(qū)等。

地震對(duì)山體巖石的晃動(dòng)使其變得疏松，震后便隨而來的強(qiáng)降雨等惡劣天氣將會(huì)導(dǎo)致崩塌、滑坡、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害，因此建議相關(guān)部門應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的排查，將地質(zhì)災(zāi)害帶來的損失降到最小。

在以后的研究中，針對(duì)大區(qū)域的地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增加評(píng)估計(jì)算因子，如：MODIS植被覆蓋數(shù)據(jù)、地震動(dòng)峰值加速度等。從而實(shí)現(xiàn)地震滑坡評(píng)估的科學(xué)性和實(shí)用性，使計(jì)算結(jié)果能夠更加有效的反應(yīng)地震動(dòng)、巖層、地貌類型等因子對(duì)地震滑坡的作用。