基于ArcGIS的府谷縣地質災害與影響因素耦合分析

鄧念東，石輝，崔陽陽

(1.西安科技大學地質與環(huán)境學院， 陜西 西安 710054； 2.陜西省電力設計院有限公司， 陜西 西安 710054)

0 引言

陜西省榆林市府谷縣地處黃土高原北部，地理坐標位于東經(jīng)110°25′40″～111°15′36″，北緯38°42′28″～39°33′44″之間。府谷縣地質環(huán)境脆弱，加之煤炭資源的不斷開采，地質災害愈發(fā)頻繁(張博，2009；賀玉成，2011；李永紅等，2016；張庭瑜，2016；崔陽陽等，2020；王戰(zhàn)社，2020)。近年來城鎮(zhèn)化建設加快及極端氣候的出現(xiàn)，府谷縣地質災害發(fā)育數(shù)量呈上升趨勢(韓玲等，2019)。據(jù)統(tǒng)計，府谷縣已發(fā)生的地質災害造成直接經(jīng)濟損失達1960萬元，尤其是對公路和工礦企業(yè)的損害，嚴重制約了當?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展。本文基于ArcGIS平臺分析影響因素與地質災害的分布關系，統(tǒng)計分析地質災害的分布情況，對府谷縣地質災害進行系統(tǒng)性的分析研究，揭示其空間分布特征與影響因素的耦合關系，為府谷縣城市規(guī)劃提供科學依據(jù)，是府谷縣地質災害防治工作有效進行的前提。

1 府谷縣地質災害主要類型

據(jù)2014年府谷縣地質災害詳查數(shù)據(jù)，府谷縣地質災害主要類型為崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷4類，共計184處，地理位置及災害點分布情況如圖1所示。其中，崩塌116處，是各類災害點數(shù)量最多的災種，占災害點總數(shù)的63.04%；滑坡39處，占災害點總數(shù)的21.20%；地面塌陷16處，占災害點總數(shù)的8.70%；泥石流13處，占災害點總數(shù)的7.06%。

圖1 研究區(qū)地理位置圖(a，b)及災害點分布情況圖(c)

1.1 崩塌類型

崩塌在府谷縣分布最廣，是數(shù)量最多的地質災害類型。巖質崩塌最為常見，占崩塌總數(shù)的86.20%，且多數(shù)為人類工程活動誘發(fā)，為典型的崩塌形式；而土質崩塌發(fā)育數(shù)量相對較少，僅占崩塌總數(shù)的13.80%，崩塌過程中往往伴有滑移現(xiàn)象。巖質崩塌主要分布于交通線路沿線等人類工程活動強烈的區(qū)域，主要是由于人類工程活動破壞了原有斜坡的穩(wěn)定性，加之斜坡巖體風化程度較強、節(jié)理發(fā)育、巖體松散破碎從而發(fā)生崩塌。土質崩塌雖分布較少，但主要在人口密集區(qū)分布，且多為沿陡立臨空面發(fā)生傾倒式破壞，常發(fā)育于雨季，嚴重威脅居民生命及財產(chǎn)安全。

1.2 滑坡類型

府谷縣滑坡類型均為黃土型滑坡，根據(jù)滑動帶(面)的位置，將其分為黃土滑坡和黃土基巖接觸面滑坡。區(qū)內滑坡以黃土滑坡為主，占滑坡總數(shù)的79.48%，滑體規(guī)模較小，92.3%的滑坡為小型滑坡。府谷縣地處黃土高原，第四系更新統(tǒng)黃土垂直節(jié)理發(fā)育，區(qū)內地形溝壑縱橫，組成的斜坡一般較陡，在降雨條件下，多發(fā)生土質滑坡?；鶐r接觸面滑坡在區(qū)內發(fā)育很少，僅有1處，且均由公路建設開挖坡腳所致。

1.3 地面塌陷類型

府谷縣有著豐富的煤炭資源，是我國主要的產(chǎn)煤基地之一。在煤炭開采中形成了采空區(qū)，誘發(fā)了大面積地表變形和地面塌陷災害的發(fā)生，區(qū)內地面塌陷以中小型為主。礦山企業(yè)采取了多種防護措施，如留設煤柱避繞村莊、為礦區(qū)居民修建新農(nóng)村等，使得大多數(shù)地面塌陷災害僅造成土地開裂，而對人民群眾的生命安全威脅較小。

1.4 泥石流類型

研究區(qū)泥石流發(fā)育13處，其中泥石流隱患1處，以小型泥石流為主，主要分布在孤山川河各支流溝谷區(qū)域內。結合調查資料及泥石流發(fā)育形態(tài)和固體物質來源，研究區(qū)內所有泥石流均為溝谷型泥石流，固體物源主要為人類工程活動產(chǎn)生的棄渣。研究區(qū)雖然煤炭資源豐富，但區(qū)內未在溝谷中發(fā)現(xiàn)廢渣堆放。據(jù)了解，當?shù)孛旱V企業(yè)在溝內修建運煤公路時利用廢渣作為路基材料，從而減少了固體物質來源，阻斷了泥石流產(chǎn)生的必要條件。

2 府谷縣地質災害空間分布特征

府谷縣地質環(huán)境條件極差，地質災害主要類型為崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷。整體上看，全縣災害點主要分布在人口相對集中、人類工程活動強烈且植被稀少的河谷沿岸地區(qū)；就行政區(qū)域來講，府谷縣地質災害主要集中在府谷鎮(zhèn)，府谷鎮(zhèn)地形地貌主要為低山丘陵和河谷階地，黃河、孤山川河從境內流過，鎮(zhèn)內交通發(fā)達，出露地層涵蓋了府谷縣出露的所有地層類型，巖性以砂巖、泥巖、砂質及砂泥巖互層為主，巖體破碎，穩(wěn)定性較差，是形成地質災害的主要原因。截至2021年，府谷縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地質災害數(shù)量及分布情況如表1所示。

表1 府谷縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)地質災害分布情況/處

3 地質災害與影響因素耦合分析

3.1 地質災害與海拔、地形地貌的耦合分析

府谷縣總的地勢西北高，東南低，海拔高度765～1414 m，相對高差649 m。本文以分辨率為30 m×30 m的DEM數(shù)據(jù)為底圖，在ArcGIS軟件通過投影、重分類、多值提取至點等工具獲得地質災害與海拔關系圖(圖2)及各海拔區(qū)間災害點的類型和數(shù)量(表2)；以府谷縣地貌分區(qū)圖為底圖，在ArcGIS10.0軟件通過投影、面轉柵格、重分類、多值提取至點等工具獲得地質災害與地貌類型關系圖(圖3)及各地貌類型災害點的類型和數(shù)量(表3)。

表3 府谷縣地質災害與地貌類型分布情況/處

圖3 府谷縣地質災害與地貌類型關系圖

從中可以看出地質災害主要集中在海拔765～1250 m的范圍內(圖2；表2)，崩塌、滑坡和泥石流各占98.28%、100%和92.31%；海拔在1250～1350 m的災害點僅占地質災害點總數(shù)的4.89%，且以地面塌陷為主；而海拔在1350 m以上未發(fā)現(xiàn)地質災害。這是由于府谷縣地貌類型以黃土梁卯區(qū)和黃土梁崗區(qū)為主，該區(qū)域海拔900～1300 m，區(qū)內溝壑縱橫、地形破碎、人類工程活動強烈，為地質災害的形成提供了前提條件。海拔1350 m以上區(qū)域主要分布在府谷縣西北部基巖山區(qū)，植被覆蓋良好，水土保持相對較好，人煙稀少，無地質災害發(fā)生。

圖2 府谷縣地質災害與海拔關系圖

表2 府谷縣地質災害與海拔分布情況/處

從中可以看出，黃土梁崗區(qū)和河谷階地區(qū)地質災害點分別占地質災害點總數(shù)的27.71%和34.24%(圖3；表3)，其余兩種類型地貌單元內分布的地質災害數(shù)基本接近。黃土梁崗區(qū)內地面較平緩，起伏高差小，河流侵蝕較為微弱，但區(qū)內人類工程活動強烈，地質災害分布較多；河谷階地區(qū)受河流侵蝕作用強烈，基巖裸露，地質災害發(fā)育相對集中。

3.2 地質災害與坡度、坡向的耦合分析

以府谷縣DEM數(shù)據(jù)為底圖，利用ArcGIS軟件坡度、坡向工具提取得到府谷縣坡度圖(圖4)、坡向圖(圖5)。通過投影、多值提取至點等工具對府谷縣各地質災害點所處的坡度進行提取統(tǒng)計(表4)。分析發(fā)現(xiàn)93.10%的崩塌發(fā)生在坡度<25°的范圍內；超過一半的滑坡發(fā)生在坡度10°～20°的范圍內；而在0°～15°范圍內，地面塌陷和泥石流分別占93.75%和100%。

圖4 府谷縣地質災害與坡度關系圖

圖5 府谷縣地質災害與坡向關系圖

表4 府谷縣地質災害與坡度區(qū)間分布情況/處

我國將南坡、東南坡和西南坡統(tǒng)稱為陽坡，而將北坡、東北坡和西北坡統(tǒng)稱為陰坡(王朝陽，2008)。通過對府谷縣災害點所處的坡向進行提取統(tǒng)計(圖5；表5)。結果表明：發(fā)生在陽坡的災害點占災害點總數(shù)的53.8%，而發(fā)生在陰坡的災害點僅占25.0%。這是因為陽坡受季節(jié)性氣候變化影響較大，加之光照對斜坡巖土體的局部干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、坡面侵蝕等影響較大，地質災害分布較多(鄭迎凱等，2020)。

表5 府谷縣各坡向地質災害分布情況/處

3.3 地質災害與降雨、河流水系的耦合分析

降雨是誘發(fā)府谷縣地質災害發(fā)生的主要外在因素。以府谷縣年均降水量等值線圖為底圖，在ArcGIS軟件獲得地質災害與年均降雨量關系圖(圖6)及各年均降雨量區(qū)間災害點的類型和數(shù)量(表6)。結果表明：年均降雨量在400～460 mm區(qū)域為府谷縣地質災害高易發(fā)區(qū)，這是因為降雨改變了斜坡上巖土體的水動力狀況，從而導致了地質災害的發(fā)生(郭子正等，2019)。據(jù)結果可知府谷縣79.31%的崩塌、89.74%的滑坡和76.92%的泥石流分布于年均降雨量在400～460 mm的區(qū)域內(表6)。

圖6 府谷縣地質災害與年均降雨量關系圖

表6 府谷縣各年均降雨量區(qū)間地質災害分布情況/處

河流水系對府谷縣地質災害的影響，主要表現(xiàn)為溝谷流水對河谷岸坡的側蝕和侵蝕作用。以府谷縣地表水系圖為底圖，在ArcGIS軟件獲得地質災害與河流水系關系圖(圖7)及地表水系距離各災害點的類型和數(shù)量(表7)。府谷縣境內水系發(fā)育的地段地質災害分布較為集中，尤其在黃河、孤山川河范圍內，地質災害密集分布，其他河流地質災害點分布則相對較為分散。據(jù)統(tǒng)計：府谷縣69.83%的崩塌、48.72%的滑坡和53.85%的泥石流分布在地表水系兩側400 m范圍內。

圖7 府谷縣地質災害與河流水系關系圖

表7 府谷縣各河流水系距離區(qū)間地質災害分布情況/處

3.4 地質災害與巖土體類型、歸一化植被指數(shù)的耦合分析

以府谷縣巖土體工程地質分類圖為底圖，在ArcGIS軟件獲得地質災害與巖土體類型關系圖(圖8)及各巖土體類型地質災害點的類型和數(shù)量(表8)。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，易發(fā)生地質災害的巖土體類型主要為層狀堅硬—半堅硬砂泥巖互層碎屑巖組，崩塌、滑坡和泥石流分別占了82.76%、53.85%和84.62%。這些地區(qū)地質災害發(fā)育的數(shù)量明顯多于黃土及第四系地層分布范圍內的災害數(shù)量。從地域來看，中部、東部和南部發(fā)育地質災害的地質環(huán)境條件明顯優(yōu)于西部和北部地區(qū)地質環(huán)境條件。

圖8 府谷縣地質災害與巖土體類型關系圖

表8 府谷縣各巖土體類型地質災害分布情況/處

地質災害的發(fā)生與植被覆蓋情況有著密不可分的聯(lián)系(張秦華等，2018)。歸一化植被指數(shù)(NDVI)是目前對植被指數(shù)進行空間監(jiān)測最先進的技術和研究手段，它能夠很好的反映出植被覆蓋、生物量及生態(tài)系統(tǒng)參數(shù)的變化(趙志平等，2009)。在地理空間數(shù)據(jù)云獲得landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，基于ArcGIS軟件獲得地質災害與歸一化植被指數(shù)圖(圖9)及各NDVI區(qū)間地質災害點的類型和數(shù)量(表9)。據(jù)統(tǒng)計：77.59%的崩塌、69.23%的滑坡、81.25%的地面塌陷和69.23%的泥石流都分布在NDVI為0.06～0.22區(qū)間內。該區(qū)間植被覆蓋率較低，水土流失嚴重，土地荒漠化嚴重，加之人類工程活動強烈，因此地質災害分布數(shù)量普遍較多。

圖9 府谷縣地質災害與歸一化植被指數(shù)關系圖

表9 府谷縣各NDVI區(qū)間地質災害分布情況/處

3.5 地質災害與道路、人口密度的耦合分析

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，近年來府谷縣修建了許多交通線路。由于地處基巖山區(qū)，修建公路對山體坡腳進行開挖，形成了大大小小的高陡邊坡，加之府谷地層多為砂泥巖互層，風化較為嚴重，節(jié)理較為發(fā)育，且保護措施又很差，因此公路建設誘發(fā)了大量崩塌、滑坡地質災害及其隱患點(楊軍強，2017；馬嘯，2021；王念秦等，2021；朱利輝等，2021)。據(jù)統(tǒng)計72.41%的崩塌、69.23%的滑坡和61.54%的泥石流均分布在道路兩側400 m的范圍內(表10)。府谷縣地質災害與道路關系如圖10所示。

表10 府谷縣各道路距離區(qū)間地質災害分布情況/處

圖10 府谷縣地質災害與道路關系圖

人口密度與地質災害密切相關。一般來說，人們往往選擇居住在地質環(huán)境相對較好的地段，但隨著城鎮(zhèn)化建設速度的不斷加快，人類工程活動對地質災害的影響越來越明顯，呈現(xiàn)出人口密度較大的地方地質災害相對較多的現(xiàn)象(張曉敏等，2018；高玉欣等，2021)。府谷縣作為產(chǎn)煤大縣，經(jīng)濟發(fā)展迅速，周邊及外來人口大量涌入縣城及各鎮(zhèn)駐地，使得房地產(chǎn)開發(fā)異?；鸨?，原有居民房屋快速改建為多層甚至高層住宅。各類城市建設工程進行了大規(guī)模山體開挖，嚴重破壞了原有斜坡穩(wěn)定性，且多數(shù)無有效的工程防護，產(chǎn)生了大量崩塌、滑坡等災害隱患(張博，2009；洪增林等，2020；楊海峰和翟國方，2021)。據(jù)統(tǒng)計74.14%的崩塌、71.79%的滑坡和69.23%的泥石流均分布在人口密度大于100人/km2的范圍內。府谷縣地質災害與人口密度關系及不同人口密度區(qū)間內災害點的類型及數(shù)量如圖11及表11所示。

表11 府谷縣各人口密度區(qū)間地質災害分布情況/處

圖11 府谷縣地質災害與人口密度關系圖

4 結論

(1)府谷縣地質災害類型眾多，受人類工程活動影響顯著。地質災害以中小型崩塌為主，集中發(fā)育于府谷鎮(zhèn)、新民鎮(zhèn)。影響地質災害發(fā)生的因素分為外因和內因，地形地貌、地層巖性等是內因，降雨量、人類工程活動等是外因。

(2)地質災害主要集中在海拔765～1250 m的人類工程活動集中的區(qū)域內。地形地貌是形成地質災害隱患的主要內在因素，黃土梁崗區(qū)和河谷階地區(qū)地質災害發(fā)育較多，分別占地質災害點總數(shù)的27.71%和34.24%。在坡度<25°的范圍內，分布著93.10%的崩塌；在0～15°范圍內，地面塌陷和泥石流分別占93.75%和100%。此外，受太陽光照的影響，發(fā)生在陽坡的災害點占災害點總數(shù)的53.8%，而發(fā)生在陰坡的災害點僅占25.0%。

(3)地質災害受降雨量季節(jié)變化影響明顯，超過75%的崩塌、滑坡和泥石流均分布于年均降雨量在400～460 mm的區(qū)域內。此外，地質災害沿河流兩岸呈集中帶狀分布，距離河流越近越容易發(fā)生地質災害，69.83%的崩塌、48.72%的滑坡和53.85%的泥石流分布在地表水系兩側400 m范圍內。

(4)府谷縣有利于發(fā)生地質災害的巖土體類型主要為層狀堅硬—半堅硬砂泥巖互層碎屑巖組。此外，植被覆蓋程度對地質災害的影響明顯，77.59%的崩塌、69.23%的滑坡、81.25%的地面塌陷和69.23的泥石流都分布在NDVI為0.06～0.22區(qū)間內。

(5)工程活動強烈的地區(qū)，地質災害越易發(fā)生。在道路兩側400 m的范圍內分布著72.41%的崩塌、69.23%的滑坡和61.54%的泥石流。此外，地質災害總體分布于人口密集區(qū)域，74.14%的崩塌、71.79%的滑坡和69.23%的泥石流均分布在人口密度大于100人/km2的范圍內。

致謝感謝馬建全老師、丁一碩士、邢聰聰碩士、李宇新碩士、羅鵬翔碩士、郭亞雷碩士對本文撰寫及修改方面提供的幫助。