信息量模型在山地斜坡地質(zhì)災(zāi)害風險評價中的應(yīng)用
——以貴定縣寶山盤江重點區(qū)為例

江攀和，張明思，梁勁松，陳 磊

(貴州省地礦局102地質(zhì)大隊，貴州 遵義 563000)

1 引言

地質(zhì)災(zāi)害風險評價定義為對特定影響因子造成暴露于該因子的單體或區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機率及對人類社會產(chǎn)生危害的程度、時間或性質(zhì)進行定量描述的系統(tǒng)過程(向喜瓊 等，2000)。通過評價結(jié)果可以明確防災(zāi)減災(zāi)的重點方向和重點防治區(qū)域。

基于斜坡單元開展的地質(zhì)災(zāi)害風險評價，前人早已開展了很多研究，宮清華等以華南松崗河小流域為例基于斜坡單元開展了淺層滑坡風險區(qū)劃(宮清華 等，2017)；易靖松等以江口鎮(zhèn)為例，采用工程類比法，對圈定的斜坡單元進行實地調(diào)查，獲取斜坡的危險性及易損性，通過風險矩陣圖得到了每一個斜坡的風險等級(易靖松 等，2018)；孫冉等以山東費縣地區(qū)為例，采用層次分析法-信息量法模型對費縣開展了地質(zhì)災(zāi)害風險評價(孫冉 等，2015)；甄艷等以都江堰虹口鄉(xiāng)為例，利用GIS技術(shù)與信息量模型相結(jié)合，同時結(jié)合專家打分法，在虹口鄉(xiāng)開展了地質(zhì)災(zāi)害風險評價(甄艷 等，2016)。本文在借鑒前人的研究成果基礎(chǔ)上，基于斜坡單元，利用信息量模型開展貴定縣寶山至盤江局部區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風險評價，并分析風險評價結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布的相關(guān)性，為下一步指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害防治工程提供重要的信息和依據(jù)。

2 研究區(qū)背景

研究區(qū)位于貴定縣北部(圖1)，行政區(qū)劃隸屬于寶山街道辦、金南街道辦及盤江鎮(zhèn)，總面積約67.47 km2。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area1—縣政府駐地；2—鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府駐地；3—縣界；4—鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線；5—研究區(qū)

區(qū)內(nèi)地貌類型主要為溶蝕及構(gòu)造侵蝕地貌，地形起伏較大，地形坡度較陡，局部發(fā)育陡崖；三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、奧陶系等地層在區(qū)內(nèi)均有出露，巖性主要為白云巖、灰?guī)r及泥巖；地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育程度一般，斷層主要呈南北向發(fā)育；地表溪流較為發(fā)育，地下水類型主要為基巖裂隙水及巖溶水，水位埋深受地形地貌影響較大；由于緊鄰貴定縣城，周邊人口密度較大，礦山開采、公路及建房切坡等人類工程活動較為強烈。

區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀及歷史地質(zhì)災(zāi)害22處，其災(zāi)點密度為0.33個/km2，其中滑坡15處，崩塌7處。

3 研究方法、數(shù)據(jù)采集及評價過程

3.1 斜坡單元劃分

采用GIS軟件中的水文分析工具基于DEM提取山脊線及溝谷線，兩者疊加將不同坡向的斜坡切割成斜坡單元；受DEM精度及軟件限制，本次將提取的斜坡單元進行“人工修整”，最終研究區(qū)劃分了1210個斜坡單元(圖2)(張曦 等，2018；田述軍 等，2019；冷洋洋 等，2021)。

圖2 研究區(qū)斜坡單元劃分圖Fig.2 Slope unit division diagram in the study area

3.2 信息量模型

信息量模型反映了一定地質(zhì)環(huán)境下最易致災(zāi)因素及其細分區(qū)間的組合；具體是通過特定評價單元內(nèi)某種因素作用下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率相比較實現(xiàn)的，即信息量值的大小反映了評價因子與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性，信息量越大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性就越高(許強 等，2010；鄧輝 等，2014；常亞婷 等，2021)。信息量計算公式如下：

(公式1)

(公式2)

式中：IAj-B是對應(yīng)因素 A、j狀態(tài)(或區(qū)間)下地質(zhì)災(zāi)害B發(fā)生的信息量，Nj是對應(yīng)因素A、j狀態(tài)(或區(qū)間)下地質(zhì)災(zāi)害分布的單元數(shù)，N是調(diào)查區(qū)已知有地質(zhì)災(zāi)害分布的單元數(shù)，Sj是因素A、j狀態(tài)(或區(qū)間)分布的單元數(shù)；S為調(diào)查區(qū)單元總數(shù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集

采樣點為區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀及歷史地質(zhì)災(zāi)害點，共22處，其中滑坡15處，崩塌7處。

3.4 易發(fā)性評價方法及過程

3.4.1 易發(fā)性評價因子選取及權(quán)重賦值

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性受地形坡度、相對高差等諸多因素影響，由于不同因子對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性可能存在明顯相關(guān)性，造成易發(fā)性評價結(jié)果趨于受同一易發(fā)性因子影響，為排除此種情況，初步選擇地形坡度、相對高差等10項因子，借助GIS平臺波段集統(tǒng)計工具分析不同因子之間的相關(guān)性，生成因子相關(guān)性矩陣，詳見表1。

表1 易發(fā)性因子相關(guān)性分析矩陣表Table 1 Matrix for correlation analysis of susceptibility factors

根據(jù)波段集統(tǒng)計分析結(jié)果(正值越大越正相關(guān)，負值越大越負相關(guān))，同時考慮到地災(zāi)害發(fā)育規(guī)律，將相關(guān)性系數(shù)絕對值在0.2及其以上的因子視為明顯相關(guān)，進行選擇性篩除，直到任意兩個易發(fā)性評價因子均不存在明顯相關(guān)關(guān)系，篩選過程如下：

(1)土地利用類型與地形坡度明顯相關(guān)，予以去除；

(2)地表水系與地貌類型及工程地質(zhì)巖組因子明顯相關(guān)，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害實際發(fā)育情況，將地表水系與地貌類型一并去除，保留工程巖組；

(3)相對高差作為反應(yīng)評價區(qū)域主要地貌特征的評價因子，其與地形坡度的相關(guān)性系數(shù)為0.51，本次評價擬同時保留兩個因子，坡度權(quán)重系數(shù)為1/(1+0.51)=0.66，相對高差權(quán)重系數(shù)為1-0.66=0.34；

(4)地形坡度與剖面、平面曲率同樣存在明顯相關(guān)關(guān)系，由于區(qū)內(nèi)滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)育在斜坡地形，在山脊或溝谷發(fā)育較少，平面曲率對于滑坡易發(fā)性評價予以保留；崩塌地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)育在陡坡、陡崖等直線段斜坡位置，在凸、凹型坡發(fā)育較少，剖面曲率在崩塌易發(fā)性評價中予以保留。

綜上所述，結(jié)合區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況，選擇地形坡度、相對高差、剖面曲率、平面曲率、地質(zhì)構(gòu)造、工程巖組、斜坡結(jié)構(gòu)等七種因子開展易發(fā)性評價，其相應(yīng)權(quán)重系數(shù)見表2。

表2 易發(fā)性評價因子權(quán)重賦值Table 2 Weight assignment of susceptibility evaluation factors

3.4.2 易發(fā)性評價方法及過程

采用信息量法對寶山盤江重點區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進行易發(fā)性評價，得到各個評價因子分級圖(圖3)，需要說明的是分級評價因子信息量由地質(zhì)災(zāi)害分布點數(shù)及分級評價因子區(qū)間面積決定，其中評價因子等級劃分依據(jù)來源于野外調(diào)查。利用公式1進行信息量值計算，信息量計算結(jié)果表見表3。

表3 易發(fā)性因子區(qū)間信息量計算Table 3 Calculation of information content of susceptibility factor interval

按照表2中權(quán)重系數(shù)對上述各因子進行疊加，考慮平壩區(qū)分布(平壩區(qū)不進行評價，直接判定為低易發(fā))，疊加后根據(jù)信息量大小按自然斷點劃分得出極高、高、中、低4個易發(fā)性等級(圖3)。

圖3 各評價因子分級結(jié)果及易發(fā)性評價結(jié)果圖Fig.3 The classification results of each evaluation factor and the evaluation results of susceptibility

3.5 危險性評價方法及過程

在易發(fā)性評價的基礎(chǔ)上，考慮環(huán)境因素、誘發(fā)因素和災(zāi)害歷史因素(環(huán)境因素指斜坡單元的易發(fā)性因子信息量，誘發(fā)因素包括人類工程活動及50年一遇降雨，災(zāi)害歷史因素指已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的分布密度)，根據(jù)公式1計算其信息量(表4)，信息量疊加后根據(jù)大小按自然斷點法劃分得出極高、高、中、低4個危險性等級(圖4)。

表4 危險性評價因子區(qū)間信息量計算Table 4 Calculation of interval information content of risk assessment factor

(a)危險性評價結(jié)果 (b)易損性評價結(jié)果圖4 危險性及易損性評價結(jié)果圖Fig.4 The result of risk and vulnerability assessment

3.6 易損性評價方法及過程

根據(jù)實地調(diào)查獲取的承災(zāi)體數(shù)據(jù)(人口及財產(chǎn))及三調(diào)數(shù)據(jù)等，以斜坡單元為評價對象，同時體現(xiàn)以人為本的根本原則，將人口和財產(chǎn)易損性權(quán)重系數(shù)分別取0.7和0.3進行疊加，得到所在斜坡地質(zhì)災(zāi)害易損性評價結(jié)果圖(圖4)。

4 風險評價結(jié)果

按照危險性、易損性與地質(zhì)災(zāi)害風險等級的對應(yīng)關(guān)系(表5)(冷洋洋 等，2021)，得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風險評價結(jié)果(圖5)，確定風險斜坡等級為極高、高、中、低四個等級，其分布數(shù)量及區(qū)間占比詳見表6。其中極高風險區(qū)分布地質(zhì)災(zāi)害點6處，高風險區(qū)分布地質(zhì)災(zāi)害點14處，中風險區(qū)分布地質(zhì)災(zāi)害點2處，低風險區(qū)無地質(zhì)災(zāi)害點分布，評價結(jié)果與研究區(qū)實際情況較為符合，表明風險評價結(jié)果較為合理。

表5 地質(zhì)災(zāi)害風險等級與危險性、易損性對應(yīng)矩陣表Table 5 Correspondence matrix of geological disaster risk level，risk and vulnerability

圖5 研究區(qū)風險評價結(jié)果Fig.5 Results of risk assessment in the study area

表6 研究區(qū)斜坡單元風險評價等級統(tǒng)計表Table 6 Statistical table of risk assessment grades of slope units in the study area

5 結(jié)論

(1)利用GIS波段集功能及定性分析對易發(fā)性評價因子進行了篩選及權(quán)重賦值，針對寶山盤江重點區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布特征及規(guī)律，建立了一套評價指標體系，盡可能的減少了評價因子間的相互干擾，保證了評價結(jié)果的科學(xué)合理性；

(2)基于DEM劃分了1210處斜坡單元，選用斜坡單元進行評價，能夠保證成災(zāi)過程的完整性，又便于開展監(jiān)測工作；其評價結(jié)果中極高風險斜坡42處，高風險斜坡308處，中風險斜坡580處，低風險斜坡280處，分別占比3.47%、25.45%、47.93%及23.14%，極高風險區(qū)分布地質(zhì)災(zāi)害點6處，高風險區(qū)分布地質(zhì)災(zāi)害點14處，中風險區(qū)分布地質(zhì)災(zāi)害點2處，低風險區(qū)無地質(zhì)災(zāi)害點分布，通過對比評價結(jié)果與研究區(qū)實際情況，表明風險評價結(jié)果較為合理，信息量模型可以應(yīng)用于山地斜坡地質(zhì)災(zāi)害風險評價，同時評價結(jié)果為下一步指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供了重要的信息及依據(jù)。