基于信息量模型法的石阡縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

張?jiān)撇ǎ?，付弘流，張鐘遠(yuǎn)

(1.中化地質(zhì)礦山總局貴州地質(zhì)勘查院，貴陽(yáng) 550003；2.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；3.銅仁市自然資源局，銅仁554300；4.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650031)

地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布于世界各地。近幾十年來(lái)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度迅速增加。幾乎每個(gè)國(guó)家或地區(qū)都發(fā)生過(guò)重大地質(zhì)災(zāi)害事件，特別是在發(fā)展中國(guó)家尤為嚴(yán)重[1]。在中國(guó)，地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)行業(yè)，防災(zāi)減災(zāi)的需求也更加多樣化[2]。所以進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型主要有：基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的確定性系數(shù)法、證據(jù)權(quán)重法、信息量法、支持向量機(jī)法、模糊評(píng)判法、線性回歸分析法等，基于非統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的專(zhuān)家打分法、層次分析法，以及多種方法耦合分析等[3，4]。其中信息量算法穩(wěn)定性較好，可以解決地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素多、難以量化的問(wèn)題，因此在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用[5]。所以，本文采用信息量模型對(duì)石阡縣地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性區(qū)劃，為石阡縣防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石阡縣位于貴州省東北部，銅仁市西南部，轄18鄉(xiāng)鎮(zhèn)，國(guó)土面積為2 173 km2(27.28°～27.72°N，107.75°～108.57°E，海拔424～1 858 m)。研究區(qū)出露的巖性主要為灰?guī)r、砂巖、白云巖、泥巖、頁(yè)巖及第四系松散堆積物。該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要以滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、泥石流為主，其中滑坡和不穩(wěn)定斜坡主要為大型、特大型，崩塌、泥石流以中小型為主?；潞捅浪饕植荚谏骄壍貛?，泥石流主要沿河流兩岸發(fā)育。據(jù)石阡縣地質(zhì)災(zāi)害排查項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)：截止2019年6月，區(qū)內(nèi)歷史地質(zhì)災(zāi)害99處，其中以滑坡居多(占地災(zāi)總量78.8%)，其次為不穩(wěn)定斜坡、崩塌、泥石流(分別占10.1%、9.1%、2%)(表1、圖1)。

表1 石阡縣地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)

圖1 石阡縣地質(zhì)災(zāi)害分布

2 信息量模型

信息量模型是進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的一種有效方法，獲得地質(zhì)災(zāi)害信息的數(shù)量和質(zhì)量決定評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，信息量值越大，表明地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度越高[6]。

信息量模型可表示如下：

式中,I(Y,x1,x2,…,xn)為因子組x1,x2,…,xn對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量；P(Y,x1,x2,…,xn)為在因子組合x(chóng)1,x2,…,xn條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率；P(Y)為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。根據(jù)條件概運(yùn)算，可進(jìn)一步寫(xiě)成：I(Y,x1,x2,…,xn)=I(Y,x1)+Ix1(Y,x2)+…+Ix1,x2,…xn-1(Y,xn)，式中：Ix1(Y,x2)為在因子x1存在時(shí)，因子x2對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量。

在實(shí)際計(jì)算中通常使用樣本統(tǒng)計(jì)來(lái)計(jì)算信息量。首先計(jì)算各因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的信息量，然后將其求和得到總信息量，計(jì)算公式如下：

單個(gè)因子信息量計(jì)算公式：

式中,Ni為在因子X(jué)i特定類(lèi)別xi內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)；N表示研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)；Si為研究區(qū)含有評(píng)價(jià)因子xi的面積；S為研究區(qū)評(píng)價(jià)單元總面積。

總信息量計(jì)算公式：

式中,Ij為總信息量，值越大越容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

3 評(píng)價(jià)因子

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)來(lái)源于中化地質(zhì)礦山總局貴州地質(zhì)勘查院的石阡縣地質(zhì)災(zāi)害排查項(xiàng)目；高程來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云ASTER GDEM V2 數(shù)據(jù)，分辨率為 30 m;坡度、坡向通過(guò)ArcGIS表面分析獲得；河流、道路數(shù)據(jù)源于借助Google影像地圖矢量化;地層巖性和斷裂數(shù)據(jù)來(lái)源于石阡縣地質(zhì)圖矢量化處理;土地利用類(lèi)型數(shù)據(jù)來(lái)源于FROM-GLC，分辨率為10 m。

3.2 評(píng)價(jià)因子分析

本文通過(guò)收集影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最終選取工程地質(zhì)巖組、土地利用類(lèi)型、高程、坡度、坡向、斷層、道路、河流8個(gè)影響因子進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。離散型因子根據(jù)已有的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，如:工程地質(zhì)巖組、土地利用類(lèi)型。連續(xù)型因子高程、坡度、坡向、距斷裂、道路和河流的距離分級(jí)采用細(xì)化等間距的分級(jí)方式，結(jié)合區(qū)間內(nèi)的災(zāi)害密度進(jìn)行分級(jí)。從影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育單因素考慮，理論上距離斷層、河流、道路越遠(yuǎn)，地質(zhì)災(zāi)害密度應(yīng)呈減小的反比關(guān)系，但實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往是多因素導(dǎo)致，災(zāi)害密度曲線在局部可能出現(xiàn)隨著距離斷層、河流、道路越遠(yuǎn)而增長(zhǎng)的正比關(guān)系，為避免分類(lèi)不合理導(dǎo)致總體規(guī)律不明顯，需多次嘗試不同間距分級(jí)。最終將斷層距因子按500 m等間距分為5類(lèi)，道路距因子按200 m分為6類(lèi)，河流距因子按250 m等間距分為5類(lèi)。

(1) 工程地質(zhì)巖組

不同巖性的物理力學(xué)性質(zhì)不同，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害在不同巖層中的發(fā)育程度不同。軟巖形成的軟弱結(jié)構(gòu)面對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有著一定的控制作用[7]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2(a)，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在軟質(zhì)巖類(lèi)達(dá)64個(gè)，松散巖土類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度最大達(dá)0.228個(gè)/km2。值得注意的是軟硬相間巖類(lèi)地質(zhì)災(zāi)害達(dá)18個(gè)，密度為0.087個(gè)/km2，該巖類(lèi)易發(fā)生滑坡。

圖2 (a～h) 地質(zhì)災(zāi)害個(gè)數(shù)與密度圖

(2) 土地利用類(lèi)型

研究區(qū)土地利用類(lèi)型主要為農(nóng)業(yè)用地、林地、草地、水域、硬化地表、裸地，地質(zhì)災(zāi)害分布如圖2(b)所示。調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示研究區(qū)水域區(qū)無(wú)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。林地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育數(shù)量最多達(dá)53個(gè)，但其發(fā)育密度除水域外最低僅為0.033個(gè)/km2。裸地地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度最大其值為0.276個(gè)/km2，如圖2(b)所示。

(3) 高程

不同高程范圍內(nèi)植被類(lèi)型及人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度差異都影響著巖土體的穩(wěn)定性[8]。將高程分為5個(gè)區(qū)間，結(jié)果如圖3(c)所示。地災(zāi)點(diǎn)在700～900 m 高程范圍內(nèi)災(zāi)點(diǎn)數(shù)最多達(dá)50個(gè)，其中高程500～700 m內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害密度高達(dá)0.067個(gè)/km2，高程大于1 100 m地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較少，分布密度僅為0.009個(gè)/km2，如圖 2(c)所示。

(4) 坡度

坡度不僅影響著斜坡內(nèi)的應(yīng)力分布，而且控制著斜坡上松散堆積物的厚度，影響斜坡的穩(wěn)定性[9]?；贕IS提取研究區(qū)的坡度，并將其分為6個(gè)類(lèi)別，結(jié)果如圖 3(d)所示。研究區(qū)坡度在0°～ 60°之間，大部分地區(qū)的坡度小于20°，說(shuō)明該地區(qū)存在著陡峭的山體，也存在一定的平坦區(qū)域，大部分地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在10°至40°范圍內(nèi)達(dá)83個(gè)，其密度在40°～45°之間達(dá)到最大為0.703個(gè)/ km2，如圖2(d)所示。

(5) 坡向

不同坡向與巖層傾向的空間組合關(guān)系不同，對(duì)斜坡的穩(wěn)定性有一定影響[10]?；贕IS提取研究區(qū)的坡向， 將其分為9個(gè)類(lèi)別，如圖 3(e)所示。在東南和西北方向地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育最多分別為16個(gè)、15個(gè)，其中東北方向分布密度最大為0.055個(gè)/km2，在平面上無(wú)地質(zhì)災(zāi)害分布，如圖2(e)所示。

圖3 (a～h)評(píng)價(jià)因子分級(jí)

(6) 斷層距

斷層附近巖土體往往比較破碎，破碎的巖土體極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害?；贕IS，將距斷層距離分為5類(lèi)緩沖區(qū)，結(jié)果如圖3(f)所示。地質(zhì)災(zāi)害密度與距斷層距離呈反相關(guān)，距離越遠(yuǎn)發(fā)育密度越小。說(shuō)明距斷層越遠(yuǎn)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越小。如圖2(f)所示。

(7) 道路距

道路修建開(kāi)挖坡腳、破壞植被，改變斜坡應(yīng)力分布易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[11]?；贕IS，將距道路距離分為6類(lèi)緩沖區(qū)，如圖3(g)所示。地質(zhì)災(zāi)害主要分布在距道路600 m以?xún)?nèi)，高達(dá)36個(gè)，密度均大于0.06個(gè)/km2。大于800 m地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度低，表明大于800 m后的地質(zhì)災(zāi)害與修建道路影響不大。如圖2(g)所示。

(8) 河流距

河流的侵蝕作用改變地形地貌特征，沿水系的巖土體受河流侵蝕作用明顯，容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害[12]。基于GIS，將距河流距離分為5類(lèi)緩沖區(qū)，結(jié)果如圖3(h)。統(tǒng)計(jì)顯示，距河流越近災(zāi)害點(diǎn)分布越密集，如圖2(h)所示。

4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

各致災(zāi)因子的信息量如表2所示，通過(guò)對(duì)8個(gè)致災(zāi)因子的信息量疊加，并對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析，可得各易發(fā)區(qū)內(nèi)主要的致災(zāi)因子的組合形式，結(jié)果如圖 4所示。

表2 致災(zāi)因子信息量

對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，基于 ArcGIS ，首先給評(píng)價(jià)因子已分類(lèi)的評(píng)級(jí)單元添加屬性，將計(jì)算得到的信息量值輸入屬性，然后對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因子的柵格進(jìn)行按信息量疊加計(jì)算，最終得到石阡縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的綜合信息量圖層，其值域范圍為-7.19～6.88。使用自然間斷法將研究區(qū)信息量值劃分為4個(gè)區(qū)間，分別為地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、極高易發(fā)區(qū)，如圖4所示。研究區(qū)極高、高易發(fā)區(qū)主要分布在中部及中部北段。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害低、中、高、極高易發(fā)性面積(占比)分別為：457.99 km2(21.08%)、763.30 km2(35.13%)、554.76 km2(25.53%)、396.95 km2(18.27%)，地質(zhì)災(zāi)害分布數(shù)量(占比)分別為：2個(gè)(2.02%)、9個(gè)(9.09%)、28個(gè)(28.28%)、60個(gè)(60.61%),如表3所示。

圖4 石阡縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

表3 不同易發(fā)性等級(jí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際災(zāi)害

4.2 精度評(píng)價(jià)

ROC曲線可簡(jiǎn)單直觀，且準(zhǔn)確地反映分析方法特異性和敏感度的關(guān)系，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中[6]。AUC值是評(píng)價(jià)質(zhì)量的良好指示器，為ROC曲線以下至橫坐標(biāo)的面積。若AUC為0.5～1，說(shuō)明該模型是有效的，AUC值高，則模型精度高[13]。石阡縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的 AUC 值為0.764，表示評(píng)價(jià)精度為76.4%。說(shuō)明基于信息量模型的石阡縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)具有較高的精度,如圖5所示。

圖5 ROC曲線與AUC值

結(jié)果顯示，地質(zhì)災(zāi)害在這4個(gè)易發(fā)區(qū)的分布數(shù)量(占比)分別為：2個(gè)(2.02%)、9個(gè)(9.09%)、28個(gè)(28.28%)、60個(gè)(60.61%)，如表3所示。說(shuō)明此次模型方法進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)效果較好。

5 結(jié)論

(1) 基于信息量模型，選取8個(gè)主要的致災(zāi)因子，借助GIS技術(shù)對(duì)石阡縣地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)計(jì)算不同因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的信息量，疊加計(jì)算獲得該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分布圖，將易發(fā)性分為低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)4類(lèi)。

(2) 石阡縣地質(zhì)災(zāi)害在具備以下特征的區(qū)域發(fā)育密度大:(a)巖組為軟硬相間巖類(lèi)、軟質(zhì)巖類(lèi)、松散巖土類(lèi)；(b)土地利用類(lèi)型為裸地、硬化地表；(c)高程500～700 m區(qū)域 ；(d)坡度40°～45°之間；(e)坡向?yàn)闁|北方向；(f)斷層1 000 m、道路600 m、河流1 000 m范圍內(nèi)。

(3) 石阡縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分為4個(gè)區(qū)，研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害低、中、高、極高易發(fā)性面積分別為：457.99 km2、763.30 km2、554.76 km2、396.95 km2，占比分別為：21.08%、35.13%、25.53%、18.27%， 評(píng)價(jià)精度為76.4%，評(píng)價(jià)效果較好，能夠?yàn)槭淇h的防災(zāi)減災(zāi)提供一定的科學(xué)依據(jù)。