基于GIS和信息量模型的青海大通縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)分析

劉孟宇，鄧輝，張文江

基于GIS和信息量模型的青海大通縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性定量評(píng)價(jià)分析

劉孟宇，鄧輝，張文江

（成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都 610059）

本文以地處黃土高原西端向青藏高原的過(guò)渡地帶的大通縣為研究區(qū)，根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征，選擇坡度、地形起伏度、工程地質(zhì)巖組、與斷層距離、與河流水系距離及人類工程活動(dòng)6個(gè)誘發(fā)因素作為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)因子，采用基于GIS的信息量模型進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，將獲得的綜合信息量圖劃分為5級(jí)危險(xiǎn)區(qū)：極低度、低度、中度、高度和極高度。為區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

地質(zhì)災(zāi)害；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；GIS；信息量模型；大通縣

大通縣位于黃土高原西端與青藏高原的過(guò)渡地帶，區(qū)內(nèi)特殊的自然地理和地質(zhì)環(huán)境導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。本文依據(jù)大通縣地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的分布情況，選取坡度、地形起伏度、工程地質(zhì)巖組、與斷層距離、與河流水系距離、人類工程活動(dòng)6個(gè)地質(zhì)災(zāi)害影響因子，利用GIS技術(shù)和信息量模型對(duì)研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)并繪制大通縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖。為研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大通縣位于青海省東部，大坂山以南，湟水河上游北川河流域，地處黃土高原西端向青藏高原過(guò)渡帶，地理范圍：100°51′E～101°56′E，36°43′N～37°23′N（如圖1），總面積3090km2。地勢(shì)西北高，東南低。出露地層：前第四紀(jì)地層與第四紀(jì)地層。按地貌劃可分為侵蝕構(gòu)造中高山區(qū)、侵蝕剝蝕低山丘陵與侵蝕堆積河谷平原三種類型。侵蝕構(gòu)造中高山區(qū)分布于哈曼大坂山、娘娘山等分水嶺地帶，由元古界地層構(gòu)成；剝蝕侵蝕低山丘陵區(qū)分布于中南部，由白堊紀(jì)，第三紀(jì)泥、砂巖和第四紀(jì)黃土組成；侵蝕堆積河谷平原沿河谷及其支溝呈帶狀分布，由河漫灘及Ⅰ—Ⅲ級(jí)階地組成。大地構(gòu)造位于祁連褶皺系中段，跨北祁連加里東優(yōu)地槽褶皺帶和祁連中間隆起帶二個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，以大坂山南坡深斷裂為界，北祁連加里東優(yōu)地槽褶皺帶由早古生代地層組成，中基性火山巖發(fā)育，褶皺具有緊密線伏特點(diǎn)，區(qū)域大斷裂發(fā)育。縣域內(nèi)大部分鄉(xiāng)、鎮(zhèn)處于北川河河谷及一級(jí)支流谷地與山間丘陵，屬典型山間河谷型縣區(qū)。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 地質(zhì)災(zāi)害影響因子提取與分析

大通縣地質(zhì)災(zāi)害主要類型有崩塌、滑坡、泥石流、不穩(wěn)定斜坡四種。導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素有：地形坡度、地層巖性、斷裂構(gòu)造、河流水系、已有地質(zhì)災(zāi)害、人類工程活動(dòng)等（鄧輝等，2014）。通過(guò)借鑒相關(guān)研究，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況，本文采用基于GIS的信息量模型，選取坡度、地形起伏、工程地質(zhì)巖組、斷裂構(gòu)造、河流水系和人類工程活動(dòng)6個(gè)影響因素對(duì)大通縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2.1 坡度因子

坡度是影響巖、土質(zhì)斜坡穩(wěn)定性的最主要因素。利用地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）下載30m分辨率DEM數(shù)據(jù)生成。利用ArcMap軟件平臺(tái)生成坡度分布圖，將坡度以5°為間隔分成14個(gè)級(jí)別，如圖8（a）所示。為更好地分析地質(zhì)災(zāi)害與坡度關(guān)系，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害在各個(gè)坡度段的分布規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖2所示。研究區(qū)坡度分布在0～68.46°之間。區(qū)內(nèi)共分布322個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)。其中291個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)集中分布在0～25°之間，占區(qū)內(nèi)總數(shù)的90.37%。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害與坡度因子關(guān)系

圖3 地質(zhì)災(zāi)害與地形起伏度因子關(guān)系

2.2 地形起伏度因子

地形起伏度指某一面積內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)之差（程維明等，2014）。在高山峽谷地貌區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)中，地形起伏度、坡度因子與地質(zhì)災(zāi)害具有較強(qiáng)相關(guān)性，二者有互補(bǔ)作用（郭芳芳等，2008）。本文以ArcMap軟件為平臺(tái)，以DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行地形起伏度提取。根據(jù)陳志明等（陳志明和劉振東，2008）在中國(guó)地貌制圖時(shí)的分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究區(qū)地形起伏情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，地形主要以平坦起伏（0～20m）和小起伏（20～75m）為主，分別占總面積46.82%和52.88%，中起伏（75～300m）分布面積較小，占地區(qū)總面積0.30%。地質(zhì)災(zāi)害主要分布在平坦起伏地區(qū)，占研究區(qū)災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)66.77%。

圖4 地質(zhì)災(zāi)害與工程地質(zhì)巖組因子關(guān)系

圖5 地質(zhì)災(zāi)害與斷層因子關(guān)系

2.3 工程地質(zhì)巖組因子

大通縣出露第四紀(jì)地層與第四紀(jì)地層。北部高山、中高山主要由元古界、古生界的寒武系、奧陶系、志留系地層及中生界三迭系、侏羅系、白堊系和第三系地層組成，巖性為淺-深變質(zhì)的硬砂巖、板巖、火成巖、石英巖及碳酸鹽巖等。區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層分布較廣，劃分為中更新統(tǒng)（Q2）、上更新統(tǒng)（Q3）及全新統(tǒng)（Q4）。

2.4 斷裂構(gòu)造因子

研究區(qū)位于祁連褶皺系中段，跨北祁連加里東優(yōu)地槽褶皺帶和祁連中間隆起帶二個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，以大坂山南坡深斷裂為界，北祁連加里東優(yōu)地槽褶皺帶由早古生代地層組成，中基性火山巖廣泛發(fā)育，褶皺具緊密線狀特點(diǎn)，區(qū)域大斷裂發(fā)育。地質(zhì)災(zāi)害分布與距斷層因子距離關(guān)系如圖5所示，分析得出，區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害在距離斷層0～12 km范圍內(nèi)發(fā)育密集，分布地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)199個(gè)，占地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)61.80%，斷裂構(gòu)造因子是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的因素之一。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害與河流水系因子關(guān)系

圖7 地質(zhì)災(zāi)害與道路因子的關(guān)系

2.5 河流水系因子

大通縣境內(nèi)北川河為湟水河的一級(jí)支流，源于大坂山南坡，由上游的寶庫(kù)河于城關(guān)鎮(zhèn)和黑林河匯合而成，在橋頭又有東峽河流入，出雙廟村流出縣境至西寧小橋注入湟水河。北川河共有大小支流140多條，其中年平均流量0.1m3/s以上有祁漢溝、祁家河、斜溝、瓜拉河、橋爾河、景陽(yáng)溝等。利用GIS平臺(tái)提取河流分布圖進(jìn)行距離制圖，生成大通縣水系因子圖，如圖8（e）所示。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)沿河谷呈條帶狀分布。利用ArcMap軟件對(duì)研究區(qū)各河流水系做緩沖區(qū)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在距河流不同距離區(qū)分布特征，得到地質(zhì)災(zāi)害與水系之間關(guān)系，如圖5所示。距離河流1200 m范圍內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害561處，占地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)87.11%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布數(shù)量與距河流水系遠(yuǎn)近表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

2.6 人類工程活動(dòng)因子

利用ArcMap軟件中的空間分析功能，對(duì)道路做緩沖區(qū)，如8（f）所示。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在距道路不同距離分布特征，得到地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育數(shù)量與道路因子之間關(guān)系，地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在道路通達(dá)、密集且距一定范圍內(nèi)，災(zāi)害發(fā)生頻率隨路網(wǎng)路基升高而逐漸降低，如圖7所示，距道路800m內(nèi)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)256個(gè)，占總數(shù)79.50%。

圖8 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子

3 基于信息量模擬地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 信息量模型

信息量模型計(jì)算公式如下（阮沈勇和黃潤(rùn)秋，2001）：

實(shí)際應(yīng)用中，研究區(qū)內(nèi)評(píng)價(jià)單元總的信息量值為各評(píng)價(jià)因子信息量綜合分析疊加得到，如公式（2）所示：

3.2 信息量模型計(jì)算與危險(xiǎn)性分區(qū)

3.2.1 適宜評(píng)價(jià)單元選取

尺度選擇影響到評(píng)價(jià)結(jié)果精確度。適宜評(píng)價(jià)單元大小選取的經(jīng)驗(yàn)公式如公式（3）所示：

式中，G為適宜評(píng)價(jià)單元的大小；為原始地圖比例尺分母。

本研究中使用地形圖比例尺為1∶5萬(wàn)，由公式（3）計(jì)算得出評(píng)價(jià)單元格網(wǎng)大小為32.852m×32.852m，為了便于統(tǒng)計(jì)，評(píng)價(jià)單元格網(wǎng)大小選取為30m×30m。

表1 各評(píng)價(jià)因子的信息量計(jì)算結(jié)果

3.2.2 基于GIS的信息量模型計(jì)算

根據(jù)對(duì)坡度、地形起伏度、工程地質(zhì)巖組、與斷裂距離、與水系距離、人類工程活動(dòng)6個(gè)地質(zhì)災(zāi)害控制因素研究及地災(zāi)點(diǎn)與各影響因子的相關(guān)性分析（吳柏清等，2008），利用ArcMap軟件將各評(píng)價(jià)因子基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，得到30m×30m柵格數(shù)據(jù)，采用信息量模型計(jì)算各評(píng)價(jià)單元綜合信息量值并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)分區(qū)。通過(guò)分析各評(píng)價(jià)因子與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)空間分布關(guān)系，利用式（1）計(jì)算各影響因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)信息量（表4），再運(yùn)用式（2）計(jì)算各評(píng)價(jià)單元格網(wǎng)內(nèi)總信息量得到研究區(qū)綜合信息量。根據(jù)綜合信息量值對(duì)柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，按照地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性高低劃分為極低度、低度、中度、高度和極高度5級(jí)區(qū)域，得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖，如圖9所示。綜合信息量值越大，則該評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)性等級(jí)越高，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能性就越大（林虹宇等，2021）。

3.2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

表2 不同危險(xiǎn)度等級(jí)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的分布情況

如表2所示，研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害高度、極高度危險(xiǎn)區(qū)總面積1 203.42km2，占研究區(qū)38.95%，其中高度危險(xiǎn)區(qū)分布74個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，占研究區(qū)地災(zāi)點(diǎn)22.98%，極高度危險(xiǎn)區(qū)分布221個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，占研究區(qū)68.63%；而極低度、低度危險(xiǎn)區(qū)地災(zāi)點(diǎn)個(gè)數(shù)分布較少，占地災(zāi)點(diǎn)2.18%。通過(guò)統(tǒng)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害在不同危險(xiǎn)度等級(jí)區(qū)域的分布情況，可以發(fā)現(xiàn)災(zāi)害點(diǎn)的分布密度隨區(qū)域危險(xiǎn)等級(jí)的升高而增加，兩者成正相關(guān)關(guān)系，運(yùn)用線性函數(shù)進(jìn)行擬合（談樹成等，2018），R達(dá)0.8123，說(shuō)明地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)分區(qū)與災(zāi)積比的相關(guān)程度較高，表明采用GIS與信息量模型結(jié)合的方法對(duì)大通縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)進(jìn)行性評(píng)價(jià)能夠較準(zhǔn)確地反映縣域地質(zhì)災(zāi)害在不同危險(xiǎn)等級(jí)范圍的空間分布特征。

極高度和高度危險(xiǎn)區(qū)主要分布在大通縣東南部低山丘陵地帶和中部北川河流域及其較大支溝。該區(qū)巖體多為軟弱碎屑巖巖體，土體屬松散、中密粘性土和黃土。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、土體疏松易碎，特別是人類活動(dòng)較強(qiáng)烈，形成眾多不穩(wěn)定斜坡段。從斷裂構(gòu)造上看，高度和極高度危險(xiǎn)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不甚活躍，地質(zhì)環(huán)境較為穩(wěn)定。從河流水系上看，高度和極高度危險(xiǎn)區(qū)河網(wǎng)密集水系發(fā)達(dá)，無(wú)論是常年性河流還是季節(jié)性河流，對(duì)斜坡沖刷，侵蝕作用明顯，是導(dǎo)致區(qū)內(nèi)斜坡失穩(wěn)、誘發(fā)泥石流重要因素。低度和中度危險(xiǎn)區(qū)主要分布于研究區(qū)北、西部中高山區(qū)與北川河、黑林河河谷平緩區(qū)，分布面積1456.75km2，占總面積47.15%。該區(qū)屬基巖山區(qū)，分布較堅(jiān)硬變質(zhì)巖巖體，局部黃土狀土、松散，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，

河網(wǎng)主要為支流，密度較為稀疏，坡度小于25°，地勢(shì)平緩，人類工程活動(dòng)較微弱，發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害較少。

4 結(jié)果與討論

研究結(jié)果表明：

（1）地質(zhì)災(zāi)害在空間上具有相對(duì)集中和呈條帶狀展布分布規(guī)律，沿北川河河谷及其一級(jí)支溝中下游兩側(cè)呈帶狀集中分布，在直線型、凸型和階梯型坡斜坡地段相對(duì)集中，滑坡在0～25°坡度范圍相對(duì)集中，在中起伏地形區(qū)相對(duì)集中，易滑或易崩地層巖性組合部位相對(duì)集中。地質(zhì)災(zāi)害距斷裂構(gòu)造帶、河流水系和道路一定范圍密集發(fā)育。距斷層12km范圍內(nèi)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害199處，占61.80%。距河流800m范圍分布地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)259個(gè)，占80.43%。在距道路800m范圍內(nèi)發(fā)育256處，占79.50%。

圖9 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果圖

（2）建設(shè)用地場(chǎng)址應(yīng)盡量遠(yuǎn)離直線型和凸起型斜坡，遠(yuǎn)離老滑坡尤其復(fù)活老滑坡；對(duì)泥石流溝道內(nèi)及堆積扇實(shí)施小區(qū)域綜合治理并分期搬出危險(xiǎn)度較高區(qū)域內(nèi)村民。開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防治理是必不可少的工作。

鄧輝，何政偉，陳曄，蔡宏，李璇瓊．2014．信息量模型在山地環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用——以四川瀘定縣為例[J]．自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，23 (02)：67-76．

程維明，周成虎，柴慧霞，趙尚民，李炳元．2009．中國(guó)陸地地貌基本形態(tài)類型定量提取與分析[J]．地球信息科學(xué)學(xué)報(bào)，11 (06)：725-736．

郭芳芳，楊農(nóng)，孟暉，張?jiān)罉?，葉寶瑩．2008．地形起伏度和坡度分析在區(qū)域滑坡災(zāi)害評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)地質(zhì)，(01)：131-143．

陳志明，劉振東．1995．中國(guó)地貌全圖研制[J]．地圖，(01) ：36-38．

阮沈勇，黃潤(rùn)秋．2001．基于GIS的信息量法模型在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃中的應(yīng)用[J]. 成都理工學(xué)院學(xué)報(bào)，(01)：89-92．

吳柏清，何政偉，劉嚴(yán)松．2008．基于GIS的信息量法在九龍縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]．測(cè)繪科學(xué)，(04)：146-147．

林虹宇，廟成，鄭宗明，李玲．2021．基于信息量模型的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)——以天府新區(qū)成都直管區(qū)為例[J]．四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，41(1)：154-160．

談樹成，趙曉燕，李永平，魏東偉，楊林．2018．基于GIS與信息量模型的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)——以云南省丘北縣為例[J]．西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，54 (01)：67-76．

Quantitative Risk Assessment of Geohazards in Datong, Qinghai Based on GIS and Information Quantity Model

LIU Meng-yu DENG Hui ZHANG Wen-jiang

(College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059)

This paper selects 6 inducing factorssuch as slope, relief, engineering geological petrofabric, distance from the fault, distance from the river system and human engineering activitiesto be the risk assessment factors of geohazards and carries out risk assessment of geohazards based on GIS information quantity model in Datong, Qinghai. The obtained comprehensive information map is divided into 5 hazardous zones:extremely low hazardous, low hazardous, medium hazardous, high hazardous and very high hazardous zones.

geohazard; risk assessment; GIS; information quantity model; Datong, Qinghai

P694

A

1006-0995（2021）03-0494-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2021.03.029

2020-08-07

青海省科技廳應(yīng)用基礎(chǔ)研究（2018-ZJ-737）；青海省科技廳重點(diǎn)研發(fā)與轉(zhuǎn)化計(jì)劃（2019-SF-130）；四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（18ZA0045）

劉孟宇（1998— ），女，河北省保定人，本科，主要研究資源與環(huán)境遙感

鄧輝（1984— ），男，湖南人，講師，研究方向：資源與環(huán)境遙感，地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)