基于信息量法的新疆伊寧縣滑坡災害易發(fā)性評價

王偉中，曹小紅，汪鑫，于洋，李平平，王偉華

（1.新疆地質災害防治重點實驗室(新疆工程學院)，新疆 烏魯木齊 830000；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039；3.長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；4.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

我國地域廣闊，地形地貌多樣，地質構造復雜，地質環(huán)境條件脆弱[1-2]。近年來人類工程活動加劇，極端氣候頻發(fā)，引發(fā)諸多的地質災害[3]，我國成為世界地質災害分布廣泛、影響嚴重的國家之一[1]。伊犁谷地位于新疆天山西段，地形地貌多樣，地質環(huán)境復雜，地質環(huán)境脆弱[4]。區(qū)內崩塌、滑坡、泥石流等地質災害頻發(fā)，嚴重威脅當?shù)厝嗣裆敭a安全和生態(tài)環(huán)境[5]。地質災害是孕災地質條件與誘發(fā)因子相互作用下產生的威脅人民生命財產安全和生態(tài)環(huán)境的一種自然現(xiàn)象。地質災害易發(fā)性評價，又稱為地質災害敏感性評價，主要是通過對孕災地質條件研究和災害特征分析，預測一定區(qū)域和范圍內地質災害發(fā)生概率[6]，對區(qū)內地質災害防治工作及城市國土空間規(guī)劃具重要意義[7]。

對地質災害易發(fā)性評價方法較多，尚未形成統(tǒng)一評價標準[8]。目前使用方法有層次分析法、信息量法、證據(jù)權法、邏輯回歸法及多種方法耦合等[9]。信息量法評價不僅物理意義明確、操作簡便、實用性強[10]，還能避免主觀判斷，結果更客觀合理[11]。信息量法僅反映評價因子在組合情況下對災害發(fā)生的影響，未考慮影響因子對災害發(fā)生的貢獻度，即影響因子權重。本文以新疆伊寧縣為研究區(qū)域，選取高程、坡度、坡向、地表粗糙度等9 個評價因子，使用信息量法為基礎性評價模型，采用熵值法計算每個影響因子對地質災害發(fā)生的貢獻度，確定評價模型加權信息量，評價伊寧縣滑坡地質災害易發(fā)性，為伊寧縣地質災害防治提供參考。

1 研究方法

1.1 信息量模型

信息量模型是一種統(tǒng)計預測分析方法，首次由晏同珍應用于地質災害評價預測中[12]?；碌刭|災害易發(fā)性評價中，首先提取滑坡點分布情況，據(jù)研究區(qū)情況選取滑坡影響因子并進行分級，將各因子實測數(shù)值轉化為量化地質災害易發(fā)程度信息量值，然后使用GIS 對各影響因子進行疊加分析，計算的信息量值越大，表明地質災害易發(fā)程度越高[13]。

計算公式：

式中：S——研究區(qū)總的柵格單元數(shù)；

N——研究區(qū)已有地質災害點的柵格單元數(shù)；

Ii——地質災害因子分級i信息量值；

Ni——應地質災害因子分級i地質災害柵格單元數(shù)；

Si——對應地質災害因子分級i總柵格單元數(shù)。

1.2 確定評價因子權重

熵值法是通過計算評價因子的熵值，據(jù)評價因子變化程度確定評價因子權重。計算的熵值越小，評價因子權重越大。由于評價因子對滑坡災害發(fā)生貢獻度不同，本文選擇熵值法確定評價因子貢獻度。

1.2.1 計算熵值

公式如下：

式中：i——二級評價因子；

j——一級評價因子；

YIJ——一級評價因子中二級評價因子區(qū)域內災害點密度歸一值；

Ej——第j項一級評價因子的熵值；

K——常數(shù)，且K=1/ln()n，n為二級評價因子個數(shù)。

1.2.2 計算評價指標權重

公式如下：

式中：Wj——各一級評價因子權重；

N——一級評價因子數(shù)。

1.2.3 計算加權信息量

由于信息量模型未考慮評價因子對災害發(fā)生貢獻值，因此，通過將公式（1）和公式（3）計算得到的二級評價因子信息量和一級評價因子權重通過相乘得以疊加，得到GIS空間分析使用的加權信息量I。

公式如下：

將計算出的評價因子加權信息量值I，使用ArcGIS 柵格計算器對評價因子進行疊加，得到伊寧縣滑坡地質災害易發(fā)性綜合評價指數(shù)。多次調試，得到伊寧縣滑坡地質災害易發(fā)性評價流程圖（圖1）。

2 研究區(qū)概況

伊寧縣位于伊犁河谷中北部，地理坐標為北緯43°35′10″～44°29′30″，東經81°13′40″～82°42′20″。該區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬春溫暖濕潤，夏秋干燥較熱，晝夜溫差明顯，年均氣溫8.4℃，年均降水257 mm。地勢北高南低，由NE向SW傾斜。整個地區(qū)大地構造位于天山-興安地槽褶皺區(qū)西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶，由3 個四級構造單元構成。位于北天山地震帶，地震烈度均在Ⅶ以上，東北部地震烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度0.15～0.2 g。地層巖性較復雜，境內巖層從元古界—新生界均有出露。第四系黃土分布范圍廣泛，從山前平原、丘陵區(qū)，到中山-高山區(qū)均有分布，主要沿河流兩岸分布。縣境內分布有伊犁河、喀什河、博爾博松河、布力開河、吉爾格朗河等。境內交通較發(fā)達，道路分為國道、省道、縣鄉(xiāng)道、鄉(xiāng)村道及通往各牧點牧道。對收集資料分析可知，伊寧縣地質災害有滑坡、崩塌及泥石流等，其中滑坡78處，崩塌2處，泥石流2處，多分布于低山區(qū)和河流沿岸區(qū)域。

3 數(shù)據(jù)來源及評價因子選擇分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究使用數(shù)據(jù)：①12.5 m 分辨率的DEM 底圖，用于提取地形地貌因子；②地質災害數(shù)據(jù)主要來源于新疆維吾爾族自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測院地質災害詳細調查（1∶50000）項目數(shù)據(jù)庫；③1∶250萬地質圖，用于提取地層巖性、地質構造等評價因子；④研究區(qū)地理底圖用于提取主要河流及行政區(qū)劃數(shù)據(jù)。

3.2 評價因子選擇分析

滑坡的發(fā)生受孕災地質條件和誘發(fā)因子等因素影響，合理選擇評價因子是滑坡災害易發(fā)性評價的關鍵[14]。本次研究在分析研究區(qū)地質環(huán)境及孕災地質條件、誘發(fā)因素基礎上，結合伊寧縣實際情況，選擇高程、坡度、坡向、地勢起伏度、距斷層距離、工程地質巖組、地表粗糙度、距河流距離、地表曲率等9個評價因子，構建伊寧縣滑坡地質災害易發(fā)性評價體系（圖2）。

圖2 研究區(qū)地質災害分布圖Fig.2 Disaster distribution map of the study area

3.2.1 高程

高程是影響災害發(fā)生最重要地形因素之一[15]，不但影響坡體內部應力狀態(tài)，還為斜坡類地質災害提供勢能。據(jù)研究區(qū)數(shù)字高程模型(DEM)，研究區(qū)海拔568～3 582 m，采用自然間斷點分級法將研究區(qū)高程分為5類：568～889 m、889～1 282 m、1 282～1 722 m、1 722～2 215 m、2 215～3 582 m（圖3-a）。隨高程增加，地質災害密度呈先增加后降低趨勢，集中在高程1 282～1 722 m范圍，地質災害數(shù)約占總數(shù)56.4%。

3.2.2 坡度

坡度為斜坡體變形提供臨空面，坡度大小直接影響下滑力大小，并影響斜坡體的失穩(wěn)[16]。坡度采用自然間斷點分級法分為5類：0～6.65°、6.65°～14.89°、14.89°～24.07°、24.07°～34.85°、34.85°～80.8°（圖3-b）。地質災害主要分布在14.89°～24.07°、24.07°～34.85°范圍。

3.2.3 坡向

不同坡向接受太陽輻射角度不同，影響坡面植被發(fā)育、水分蒸發(fā)及風化程度大小。坡向分為平面、東北、東、東南、南、西南、西、西北、北9個方向（圖3-c），研究區(qū)面向東北、東、東南、西北、北方向的斜坡易發(fā)生滑坡地質災害。

3.2.4 地勢起伏度

地勢起伏度反映地表起伏變化情況，與滑坡分布具一定關聯(lián)[10]。采用自然間斷點分級法將研究區(qū)地勢起伏度分為5 類：為0～4 m、4～11 m、11～19 m、19～30 m、30～213 m（圖3-d）。地質災害主要分布在4～30 m，該范圍內易發(fā)生災害。

3.2.5 斷層距離

斷層構造控制附近巖土體破裂和穩(wěn)定程度，控制滑坡邊界和滑面空間位置。使用ArcGIS 中多環(huán)緩沖功能，進行研究區(qū)斷層緩沖區(qū)分析，依次將緩沖區(qū)分為＜1 000 m、1 000～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、4 000～5 000 m、＞5 000 m 6個區(qū)域（圖3-e）。緩沖距離＜3 000 m范圍，地質災害相對發(fā)育，災害點密度較高。

3.2.6 工程地質巖組

地層巖性是滑坡發(fā)生的物質基礎，不同工程地質巖組物理力學性質不同，所發(fā)生災害類型不同。將研究區(qū)地層巖性劃分為互層狀較軟弱以砂巖礫巖、黃土狀亞砂土單層土體等7類工程地質巖組（圖3-f）?；訝钶^軟弱以砂巖礫巖、層狀較堅硬的火山碎屑巖組，是研究區(qū)發(fā)育災害最多的工程地質巖組。

3.2.7 地表粗糙度

地表粗糙度反映一個地區(qū)抗侵蝕能力，指數(shù)越大，抗侵蝕能力越強[16]。本文使用自然間斷點分級法將研究區(qū)地表粗糙度分為5類：1～1.04、1.04～1.14、1.14～1.31、1.31～1.64、1.64～6.25（圖3-g）。地表粗糙度在1～1.31 范圍，發(fā)育地質災害數(shù)量最多，1.31～6.25范圍發(fā)育地質災害較少。

3.2.8 距河流距離

河流可對坡腳侵蝕和下切作用加速坡體變形。河流分布密度和發(fā)育程度對坡體造成不同程度沖刷及地表侵蝕[17]。對研究區(qū)主要河流水系進行多環(huán)緩沖區(qū)分析，將河流緩沖區(qū)分為＜500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m、1 500～2 000 m、2 000～2 500 m、2 500～3 000 m、＞3 000 m7 個區(qū)域（圖3-h）。研究區(qū)地質災害點主要集中分布在距離河流＜1 000 m范圍內，距離河流越遠災害分布越少。

3.2.9 曲率

曲率通常和坡體類型相關。按曲率大小將坡形分為凹形坡（＞1）、直線坡（0～1）和凸形坡（＜0）3 種。通過GIS 對研究區(qū)曲率進行分析，可知研究區(qū)曲率值為-74.24～65.28（圖3-i）。按前述方法分為3 類，凸形坡發(fā)育地質災害數(shù)量最多，凹形坡次之，直線坡最少。

4 滑坡易發(fā)性評價

4.1 評價單元選取

本文以新疆伊寧縣為研究區(qū)域，域內分布滑坡災害總數(shù)為78處，災害規(guī)模以小型居多，使用柵格單元可滿足評價精度要求。本次評價選擇12.5 m×12.5 m為柵格單元大小，將研究區(qū)共劃分為28 650 367個柵格單元。

4.2 評價因子信息量計算

據(jù)信息量模型計算評價因子信息量值，使用熵值法確定評價因子權重，按公式（4）計算二級評價因子加權信息量值（表1）。

表1 滑坡各影響因子權重及加權信息量Table 1 Weight and weighted information of each influencing in landslide

4.3 滑坡易發(fā)性評價

在評價因子加權信息量和分級圖基礎上，利用ArcGIS柵格重分類功能將二級評價因子加權信息量輸入，使用柵格計算器將每個評價因子進行疊加，獲得伊寧縣滑坡地質災害易發(fā)性評價指數(shù)圖。采用自然間斷點分級法將伊寧縣滑坡地質災害易發(fā)性評價指數(shù)圖劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)（圖4）。

圖4 伊寧縣滑坡地質災害易發(fā)性評價結果Fig.4 Evaluation results of the susceptibility to geological hazards in Yining County

4.4 精度檢驗

據(jù)易發(fā)性評價結果，對易發(fā)區(qū)面積、面積占比、災害點數(shù)量、災害點密度等進行統(tǒng)計（表2）。由表2可知，伊寧縣地質災害高易發(fā)區(qū)面積為291.045 6 km2，占整個縣域面積的6.5%，分布滑坡災害數(shù)量37 處，占比47.44%，災害點密度0.127 1 處/km2；中易發(fā)區(qū)面積753.695 6 km2，占整個縣域面積的16.84%，分布滑坡災害數(shù)量22 處，占比28.21%，災害點密度0.029 2 處/km2；低易發(fā)區(qū)面積995.093 9 km2，占整個縣域面積的22.23%，分布滑坡災害數(shù)量12 處，占比15.38%，災害點密度0.012 1 處/km2；不易發(fā)區(qū)面積2 436.785 km2，占整個縣域面積的54.43%，分布滑坡災害數(shù)量7處，占比8.97%，災害點密度0.002 9處/km2。

表2 研究區(qū)滑坡易發(fā)性區(qū)劃統(tǒng)計表Table 2 Zoning statistics of susceptibility to lanside

將研究區(qū)滑坡地質災害易發(fā)性結果使用ROC曲線進行精度檢驗。ROC曲線是將易發(fā)分區(qū)面積從高到低累計百分比作為橫坐標，災害點個數(shù)累計百分比作為縱坐標繪制一條曲線，曲線下方面積大小為易發(fā)性結果的評價精度，面積越大，精度越高。研究曲線下方面積（AUC）為0.854 1，即評價精度85.41%。說明使用信息量模型為基礎，熵值法計算權重，加權信息量模型對伊寧縣滑坡易發(fā)性評價適用性較好，可為伊寧縣滑坡災害防治提供參考（圖5）。

圖5 信息量模型的ROC曲線Fig.5 ROC curve of the information model

5 結論

（1）以伊寧縣為例，選取高程等9個評價因子，采用信息量模型，將該縣滑坡災害易發(fā)等級劃分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和不易發(fā)4個等級，高易發(fā)區(qū)面積291.045 6 km2、中易發(fā)區(qū)面積753.695 6 km2、低易發(fā)區(qū)面積995.093 9 km2、不易發(fā)區(qū)面積2 436.785 km2，分別占伊寧縣總面積的6.50%、12.35%、32.29%、47.94%。

（2）伊寧縣地質災害易發(fā)性評價結果AUC=0.8541，評價精度為85.41%。說明使用信息量模型為基礎，熵值法計算權重，加權信息量模型對伊寧縣滑坡易發(fā)性評價適用性較好。