基于庫水位及降雨聯(lián)合作用的滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)

周健，張中旭，馮興法，李莉

（1.重慶市萬州區(qū)交通設(shè)計(jì)院有限公司，重慶萬州 404100；2.重慶三峽學(xué)院，重慶萬州 404100；3.中煤科工重慶設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，重慶渝中 400042）

一、研究背景

中國有960萬km2的陸地面積，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，是世界上滑坡災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。同時(shí)中國也是世界上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率較多的國家之一，尤其是中國西南部地區(qū)，受地形地勢的影響，平均每年至少造成15億的直接經(jīng)濟(jì)損失。因此為了防治自然災(zāi)害帶來的損失，我國先后建設(shè)了一系列國家工程，在和自然災(zāi)害抗衡的過程中，在三峽水利工程等重大工程項(xiàng)目全過程中，都不同程度地受到了滑坡災(zāi)害的各種威脅[1]。僅在長江三峽地區(qū)就有超過滑坡170余個(gè)，體積約為14.2億m2，占變形破壞總數(shù)的67.3%和總體積的88.8%，其中大型滑坡33個(gè)，體積約為13.1億m3。因此，為了做好減災(zāi)防災(zāi)工作，對處于復(fù)雜的特殊的地質(zhì)環(huán)境下不同省市區(qū)域的滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)是有必要的。

滑坡地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性評價(jià)指在特定的時(shí)間和空間內(nèi)滑坡發(fā)生概率大小的預(yù)估或者預(yù)測。因此，針對某個(gè)給定區(qū)域的滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)是在滑坡易發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)上，利用模糊數(shù)學(xué)理論分析可能滑動的頻率或概率，一般而言，主要集中在空間概率、時(shí)間概率、滑坡體積等方面?，F(xiàn)今，利用以往數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法以及基于貝葉斯數(shù)學(xué)理論的誘發(fā)因素，進(jìn)行空間和時(shí)間概率上分析和計(jì)算進(jìn)行滑坡危險(xiǎn)性分析是主流。但處于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的滑坡災(zāi)害，其產(chǎn)生原因并非單一因素，通常由多種因素耦合而成。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，三峽庫區(qū)大多數(shù)滑坡常常由水位動態(tài)變化疊加降雨作用引起。因此，考慮多個(gè)不同因素疊加下的滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)，可以提升滑坡地質(zhì)災(zāi)害對防災(zāi)減災(zāi)理論適應(yīng)性和預(yù)測準(zhǔn)確性，對這個(gè)領(lǐng)域的理論和方法具有指導(dǎo)意義。

本文根據(jù)謝家龍等人調(diào)查云陽區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件及滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)[2]，借助逐步判別法和邏輯回歸模型計(jì)算分析滑坡發(fā)生空間概率，考慮庫岸區(qū)與非庫岸區(qū)的地域區(qū)劃，對不同降雨情況下和不同三峽水庫蓄水位聯(lián)合作用下的時(shí)間概率進(jìn)行分析，并完成具體滑坡的危險(xiǎn)性評價(jià)。

二、地質(zhì)條件及災(zāi)害特征

（一）地質(zhì)條件

本文選定重慶市云陽縣為研究區(qū)域，云陽縣處于長江三峽庫區(qū)的腹地，總面積約為3649km2。其庫區(qū)腹地內(nèi)地形陡峻，嶺谷特征較為明顯，河谷兩側(cè)區(qū)域分布坡度為＞35°，該區(qū)域崩塌、滑流、堰塞湖等災(zāi)害極易發(fā)生。同時(shí)，研究區(qū)域由于受到華鎣山和方斗山之間形成褶皺體系，疊合大巴山斷裂褶皺帶的同時(shí)影響，造成研究區(qū)域褶皺地質(zhì)構(gòu)造很發(fā)達(dá)。研究區(qū)域出露地層主要有第四系（Q）、侏羅系（J）和三疊系（T），分布較為廣泛的易滑地層為侏羅系砂巖和泥巖。從氣候來看，研究區(qū)域云陽縣隸屬亞熱帶暖濕季風(fēng)氣候區(qū)，雨量豐沛，年平均降雨量1100毫米左右，主要集中在5至9月份。研究區(qū)域云陽縣地表水系發(fā)達(dá)，長江沿中部而過，磨刀河、長灘河、蓬溪河、塘溪河及眾多小溪流匯集于長江，構(gòu)成了錯(cuò)綜而成的地表徑流，而研究區(qū)域地下水主要來自孔隙水，常常靠降雨補(bǔ)給。

（二）地質(zhì)災(zāi)害特征

自長江三峽大壩建成以來，在研究區(qū)域云陽縣內(nèi)，主要受到水庫蓄水位動態(tài)調(diào)節(jié)蓄水疊加降雨共同作用下，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害頻率較高，造成對人民生命和財(cái)產(chǎn)破壞嚴(yán)重。從有統(tǒng)計(jì)資料算起，云陽縣20多年發(fā)生了905起歷史滑坡，其中，中大型和大型滑坡205起，占比22.7%，比例較小，小型滑坡700起，占比77.3%，占到大多數(shù)。從滑坡發(fā)生時(shí)間來看，絕大多數(shù)滑坡發(fā)生在6-8月期間，該區(qū)域滑坡主要原因之一是降雨誘發(fā)。由于滑坡發(fā)育的空間特征，該區(qū)域滑坡沿河系發(fā)育呈條帶狀，其中約75.6%發(fā)生在水系0～6公里范圍內(nèi)（圖2）。由于三峽水庫水位的動態(tài)調(diào)節(jié)和蓄水，該地區(qū)歷史性滑坡大部分發(fā)生在海拔175米以下。此外，通過分析滑坡的發(fā)生與工程地質(zhì)巖層的關(guān)系可知，軟硬砂巖和粘土層滑坡產(chǎn)生的滑坡數(shù)量多達(dá)566處占比62.5%。

圖1 月均降雨量和滑坡次數(shù)關(guān)系統(tǒng)計(jì)

圖2 研究區(qū)歷史滑坡距水系距離分布

三、滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)因子及模型

（一）因子選取

由于地質(zhì)環(huán)境的變化導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，合理選擇災(zāi)害管理因素是滑坡災(zāi)害區(qū)劃的重要前提。根據(jù)已有的災(zāi)害歷史統(tǒng)計(jì)特征，結(jié)合文獻(xiàn)資料、實(shí)地調(diào)查，環(huán)境、降水和人類活動為滑坡致災(zāi)因子，所以選擇高差、坡度、距斷層距離、地質(zhì)巖性等因子作為選擇滑坡誘發(fā)因素條件，通過分析選取降水量、涉水距離、道路距離、土地利用類型等作為滑坡危險(xiǎn)評價(jià)的主要因子。

導(dǎo)致滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生會受到多個(gè)因素制約，有必要建立完善的體系對滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)[3]。首先，地形地貌因子是制約滑坡發(fā)生概況、規(guī)模的主要因子，常常選擇地形地貌因子從屬的坡度、坡向和相對高差作為主要指標(biāo)。其次，降雨常常引起滑坡，加之評價(jià)區(qū)域降水豐沛，水系眾多，河流沖刷嚴(yán)重，因此降雨疊加不利地形因素常常誘發(fā)滑坡。再次，由于研究區(qū)域處于山區(qū)丘陵地帶，道路施工和建設(shè)對地形地貌造成擾動甚至破壞，這加劇了邊坡的失穩(wěn)。最后，人類生產(chǎn)生活也引起了邊坡的失穩(wěn)，土地資源各種利用和開發(fā)不同程度地造成水土流失，影響生態(tài)環(huán)境，間接導(dǎo)致三峽庫區(qū)和研究區(qū)域滑坡的誘發(fā)。

（二）過程評價(jià)

根據(jù)前人的研究[4-6]，常常以研究區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境背景和災(zāi)害特征因素作為分析的要素，利用逐步判別方法在一級評價(jià)指標(biāo)中選取關(guān)鍵性指標(biāo)，借助邏輯回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行滑坡區(qū)域敏感性劃分，從而分析和計(jì)算滑坡發(fā)生的空間概率。對研究區(qū)域而言，考慮三峽庫區(qū)的特性地形，分為庫區(qū)區(qū)域及非庫區(qū)區(qū)域。在非庫區(qū)區(qū)域，主要考慮不同降雨歷時(shí)、規(guī)模引起滑坡誘發(fā)的時(shí)間概率；在庫區(qū)區(qū)域，既要考慮降雨作用，又要考慮不同庫水位變化情況下滑坡誘發(fā)的時(shí)間概率。對研究區(qū)域滑坡概率進(jìn)行分析時(shí)，需要考慮空間和時(shí)間概率影響，從而進(jìn)行滑坡風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分確定。

（三）空間概率分析

根據(jù)滑坡誘發(fā)的敏感性確定滑坡的空間概況，主要表達(dá)為在特定條件下，在某一特定區(qū)域根據(jù)歷史滑坡災(zāi)害面積除以總的區(qū)域面積并形成比值。因此，本文借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS逐步判別方法在一級評價(jià)指標(biāo)中選取關(guān)鍵性指標(biāo)，利用邏輯回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行滑坡區(qū)域敏感性劃分，分析得到滑坡誘發(fā)空間概率。邏輯回歸模型的原理如下：

設(shè)Y為因變量，表示發(fā)生滑坡與否（若滑坡發(fā)生為1；反之為0）。設(shè)X自變量，代表的是評價(jià)因子。因此，P為滑坡概率的函數(shù)表達(dá)式見下：

因?yàn)榛驴杀磉_(dá)為離散數(shù)據(jù)乙級連續(xù)數(shù)據(jù)，其表現(xiàn)形式存在差異，因而引入滑坡發(fā)生率，利用數(shù)學(xué)手段進(jìn)行一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下的各因素進(jìn)行量化，公式如下[7]：

上式中：ALij——第i個(gè)一級因子下從屬的第j個(gè)二級因子內(nèi)的滑坡數(shù)目；ATij——第i個(gè)一級因子下從屬的第j個(gè)二級因子研究區(qū)域的柵格總數(shù)；dij—— 一級因子下從屬的第j個(gè)二級因子滑坡發(fā)生概率；n——一級因子總數(shù)；m——二級因子總數(shù)；Iij——一級因子下從屬的第j個(gè)二級因子滑坡發(fā)生概率歸一化數(shù)值。

（四）時(shí)間概率分析

1.研究區(qū)域云陽縣屬于三峽庫區(qū)，降雨疊加庫水位動態(tài)調(diào)節(jié)和蓄積是主要滑坡引起因素。從歷史滑坡數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)來看，距水系5公里范圍內(nèi)共發(fā)生滑坡625起，占69%。從研究區(qū)域云陽縣歷史滑坡誘發(fā)因素統(tǒng)計(jì)來看，水庫水位導(dǎo)致的歷史滑坡239個(gè)，距離水系5km之內(nèi)的滑坡223個(gè)，占比93%。因此本文，距離水系5km作為劃分庫岸區(qū)以及非庫岸區(qū)的界限，在降雨季節(jié)的非庫岸區(qū)主要考慮時(shí)間概率；而庫岸區(qū)域，考慮誘發(fā)滑坡災(zāi)害的時(shí)間概率側(cè)重考慮不同水庫水位狀態(tài)疊加常年平均降雨量最值作用的疊加。

2.根據(jù)研究區(qū)域云陽縣50年降雨，借助Pearson—Ⅲ分布函數(shù)分析獲得研究區(qū)域云陽縣不同降雨重現(xiàn)期下的降雨最值。

3.滑坡發(fā)生時(shí)間概率分析計(jì)算：設(shè)A極端降雨事件，B為水庫水位狀態(tài)事件，C為滑坡事件，哪位滑坡誘發(fā)的時(shí)間概率為：

四、討論與結(jié)論

（一）討論

1.滑坡風(fēng)險(xiǎn)評估關(guān)鍵在于客觀數(shù)據(jù)的獲取的選取，是滑坡地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文借助逐步判別方法利用邏輯回歸模型可一定程度避免人為主觀性，評價(jià)結(jié)果可信度有所提高。同時(shí)，文中借助數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS軟件可進(jìn)行相關(guān)性分析，把縱向分析和橫向比較兩種結(jié)合，可以相互改進(jìn)，但文中方法仍有待深化和討論。

2.考慮研究區(qū)域的差異性，應(yīng)綜合考慮評價(jià)指標(biāo)和模型的差異性，在實(shí)際危險(xiǎn)性評價(jià)中，可借助GIS空間分析和其他模塊分析獲取研究區(qū)域的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，如何保障GIS空間提取的評價(jià)因子數(shù)目和類型是緊密關(guān)系的，還需要進(jìn)行大量的嘗試和論證。

（二）結(jié)論

1.本文借助逐步判別方法利用邏輯回歸模型進(jìn)行危險(xiǎn)性區(qū)劃，距離水系5km作為劃分庫岸區(qū)以及非庫岸區(qū)的界限，在降雨季節(jié)的非庫岸區(qū)主要考慮時(shí)間概率。而庫岸區(qū)域，考慮誘發(fā)滑坡災(zāi)害的時(shí)間概率側(cè)重考慮不同水庫水位狀態(tài)疊加常年平均降雨量最值作用的疊加。分析不同區(qū)域不同工況下的滑坡災(zāi)害概率值，滑坡主要受到強(qiáng)降雨和庫水位低的影響。

2.根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估，滑坡災(zāi)害等級較高時(shí)，滑坡區(qū)主要分布在長江干流及其支流沿線，且分布在人類工程活動密集的建設(shè)用地區(qū)域。受長江和滬蓉高速公路建設(shè)影響研究區(qū)中部；而城鎮(zhèn)集中、人口密集對應(yīng)高危區(qū)。所以，研究區(qū)中部、城鎮(zhèn)集中、人口密集區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，做好治理。

3.滑坡危險(xiǎn)性評估模型具備操作性強(qiáng)、量化程度高，可在研究區(qū)開展定性定量滑坡危險(xiǎn)性分析和評價(jià)。同時(shí)，在研究區(qū)域滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治過程中，可能存在點(diǎn)面結(jié)合和互通問題，因此選取合適網(wǎng)格單元能夠進(jìn)一步完善地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃，對滑坡地災(zāi)減災(zāi)具有指導(dǎo)作用。