基于信息量模型的小流域泥石流災(zāi)害易發(fā)性分析

張 博

(西山煤電集團(tuán) 技術(shù)中心，山西 太原 030053)

中國(guó)地質(zhì)環(huán)境的特殊性決定了地質(zhì)災(zāi)害的多樣性、易發(fā)性及其區(qū)域變異性[1].地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)是指具備地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和氣候條件，容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃側(cè)重的是滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育的數(shù)量多少和活躍程度；評(píng)價(jià)單元可基于小流域[2]、柵格單元、地貌單元[3]等。評(píng)價(jià)方法有信息量法[4]、Logistic回歸耦合模型[5-6]、模糊綜合評(píng)價(jià)方法[7]、灰色關(guān)聯(lián)分析模型和GIS空間分析方法[8]、層次分析法與確定性系數(shù)法相耦合的加權(quán)確定性系數(shù)法[9]等。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是評(píng)價(jià)因子的選取，現(xiàn)階段選取的評(píng)價(jià)因子有坡度、坡向、高程、地層、距斷層的距離、距水系的距離、距道路的距離[10]、斜坡坡高、歸一化植被指數(shù)、工程地質(zhì)巖組、活動(dòng)斷裂、河流、年平均降雨量、地震和人類工程活動(dòng)[11]、累計(jì)匯水面積、水域、土地利用[12]、道路、起伏度、坡形[13-14]等。李益敏等基于小流域評(píng)價(jià)單元、選擇距斷裂帶距離、巖性、melton比率、流域延伸率、流域高差率、河流彎曲系數(shù)、流域水系密度、平均植被覆蓋度、年均降水量、距道路距離、距居民點(diǎn)距離等11個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]，張英杰等選取森林覆蓋率、高程、地質(zhì)巖組、坡度、降雨量、現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度、人口密度和公路密度等8個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[8].

呂梁山區(qū)高差大，溝壑縱橫，構(gòu)造復(fù)雜，是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害類型主要有崩塌、滑坡、塌陷、泥石流、地裂縫，以及煤礦開采引發(fā)的地表沉陷、地裂縫等，嚴(yán)重威脅著村莊、道路、電塔、耕地等的安全，因此，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)顯得尤為重要。本文以數(shù)字高程模型(DEM)為主要數(shù)據(jù)源，選取地形條件、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、植被覆蓋度等6個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)呂梁山東麓陳臺(tái)溝小流域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。

1 地質(zhì)概況

陳臺(tái)溝小流域位于呂梁山中段東麓的西冶川，為黃河一級(jí)支流文峪河的三級(jí)支流。小流域面積9.83 km2，河流長(zhǎng)度6.26 km，河谷平均寬度920 m，水系分支比3.2，支流間平均寬度230 m，河流彎曲度1.05.陳臺(tái)溝流域高程在1 210～1 850 m，1 200～1 300 m占8.3%、1 300～1 400 m占12.5%、1 400～15 00 m占16.9%、1 500～1 600 m占27.2%、1 600～1 700 m占25.5%、1 700～1 800 m占8.9%、1 800～1 900 m占0.7%，1 500～1 700 m高程分布最廣，占小流域面積的52.7%.在相同降雨或徑流沖刷條件下，土壤流失程度因坡度不同而有較大差異，該流域優(yōu)勢(shì)坡向?yàn)闁|、東北、北、東南，劣勢(shì)坡向?yàn)槲髂?、西?°～5°為平坡，占2%；6°～15°為緩坡，占12.9%；16°～25°為斜坡，占29.9%；26°～35°為陡坡，占36.3%；36°～40°為急陡坡，占11.5%；41°～45°為急坡，占5.5%；46°以上為險(xiǎn)坡，占1.9%.險(xiǎn)坡與陡坡共占55.2%.支溝走向以NNW和NNE向?yàn)橹鳌?/p>

陳臺(tái)溝小流域地表出露地層由老到新為太古宇界河口群(Ar)，元古界花崗巖體(Pt)，古生界的寒武系、奧陶系(-O)、石炭系和二疊系(C-P)，中生界的三疊系(T)，新生界的第四系(Q)。采用起伏比法計(jì)算的面積高程積分HI結(jié)果為0.563，混合雜巖、花崗巖、片麻巖帶計(jì)算的HI結(jié)果為0.43，灰?guī)r帶計(jì)算的HI結(jié)果為0.5，砂泥巖帶計(jì)算HI結(jié)果為0.36，HI值能反映出巖石的抗侵蝕能力，灰?guī)r、花崗巖等抗侵蝕能力強(qiáng)于砂泥巖。

2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性影響因子選取

影響地質(zhì)災(zāi)害的因素多而復(fù)雜，野外調(diào)查顯示，陳臺(tái)溝小流域最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害是泥石流，導(dǎo)致該流域泥石流災(zāi)害發(fā)生的因素主要有高程、坡度、坡向、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、植被覆蓋度、水的作用、土地利用等8個(gè)相關(guān)指標(biāo)，應(yīng)用ArcGIS軟件中多元分析工具計(jì)算協(xié)方差和相關(guān)矩陣功能進(jìn)行相關(guān)性分析，得到各因素之間的相關(guān)性系數(shù)(表1)，依據(jù)相關(guān)系數(shù)篩選，得到高程、坡度、坡向、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、植被覆蓋度等6個(gè)因子可作為陳臺(tái)溝小流域泥石流易發(fā)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 各因素間相關(guān)系數(shù)表

3 泥石流災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

信息量模型是利用信息熵的概念分析各種因素綜合作用下地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的模型，在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)研究和實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。信息量越大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性越大，在求得每個(gè)單元在所有影響因子條件下的信息量值后，通過求和即可得到單個(gè)評(píng)價(jià)單元內(nèi)總的信息量值：

(1)

式中：

I—評(píng)價(jià)單元總的信息量值；

Ii—評(píng)價(jià)因素xi的信息量值；

n—所選取的評(píng)價(jià)因子的總數(shù)。

將評(píng)價(jià)單元總的信息量值I作為判斷該單元在影響地質(zhì)災(zāi)害時(shí)的綜合作用指標(biāo)：I>0時(shí)，該單元處有利于地質(zhì)災(zāi)害的形成，且I值越大，易發(fā)性程度越高；I<0時(shí)，該單元處不利于地質(zhì)災(zāi)害的形成，且I值越小，易發(fā)性程度越低。

以1∶50 000地形地質(zhì)圖為數(shù)據(jù)源，以野外調(diào)查獲得的14個(gè)泥石流災(zāi)害隱患點(diǎn)為樣本數(shù)據(jù)，借助ArcGIS軟件和信息量評(píng)價(jià)模型，針對(duì)陳臺(tái)溝小流域泥石流災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

在ArcGIS 中，將以上6個(gè)因子進(jìn)行疊加并分析，將各個(gè)評(píng)價(jià)因子圖層和對(duì)應(yīng)的泥石流災(zāi)害隱患點(diǎn)分布圖在軟件中做空間分析運(yùn)算，得到地質(zhì)災(zāi)害在每種因素的各個(gè)類別中的分布情況，得出每一因子圖層中各類型中泥石流災(zāi)害的分布密度，即Ni/Si值，見表2，然后利用式(1)，計(jì)算結(jié)果即為各評(píng)價(jià)因子內(nèi)各類別的信息量。最后根據(jù)加權(quán)信息量值對(duì)泥石流災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行分級(jí)，并且對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行重新分類，判斷出易發(fā)生泥石流災(zāi)害點(diǎn)。

表2 各評(píng)價(jià)因子信息量計(jì)算結(jié)果表

對(duì)陳臺(tái)溝地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的分析，將信息量進(jìn)行排序后，得到陳臺(tái)溝小流域內(nèi)易發(fā)生泥石流災(zāi)害的易發(fā)性分區(qū)圖(圖1).

圖1 易發(fā)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖

4 結(jié) 論

1)呂梁山中段陳臺(tái)溝小流域泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)為6個(gè)，分別是高程、坡度、坡向、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、植被覆蓋。

2)信息量模型的小流域泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)方法可以客觀地反映地質(zhì)災(zāi)害受地質(zhì)環(huán)境條件的影響。

山區(qū)小流域泥石流災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)對(duì)于山區(qū)地質(zhì)規(guī)劃扶貧與新農(nóng)村建設(shè)有較重要的實(shí)用價(jià)值。