基于GIS九龍縣滑坡分布特征危險性評價

胡 鵬，楊東強(qiáng)，劉江偉

(1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610061；2.四川省煤田地質(zhì)局一三五隊，四川 瀘州 646000)

引 言

我國西南地區(qū)歷來就是地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)地區(qū)，崩塌、滑坡、泥石流極為發(fā)育，受地質(zhì)條件的影響，該地區(qū)滑坡的分布最為廣泛，經(jīng)常造成“滑坡-堵江-潰壩”的災(zāi)害效應(yīng)，造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失，因此針對滑坡的預(yù)防和防治顯得尤為重要。對于滑坡防治的首要任務(wù)就是要進(jìn)行滑坡危險性評價。關(guān)于滑坡危險性的評價，在二十世紀(jì)八十年代以來，發(fā)展迅速，尤其是隨著計算機(jī)設(shè)備和GIS平臺的發(fā)展，使得區(qū)域滑坡危險性評價更為準(zhǔn)確，出現(xiàn)了一些較為成熟的評價方法，如：層次分析法、邏輯回歸法、信息量法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊綜合評價法等[1～4]。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，如層次分析法結(jié)果較為主觀，而邏輯回歸法、信息量法等方法結(jié)果客觀，但有時會出現(xiàn)與實(shí)際不符的情況。國外學(xué)者最早使用統(tǒng)計采樣的方法，對滑坡進(jìn)行編錄處理，然后對同一區(qū)域進(jìn)行對比，以此來評判危險程度的高低。Yesil等在邏輯回歸法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的基礎(chǔ)上解決了在滑坡危險性評價中復(fù)雜地質(zhì)模型在統(tǒng)計中所存在的弊端[5]。Vorpahl等使用統(tǒng)計學(xué)方法針對地形對滑坡的影響，大量的統(tǒng)計結(jié)果說明滑坡在斜坡凸起的地方危險度更大[6]。M.L.Lin、Che等將信息量法應(yīng)用于滑坡危險性和敏感性評價中，并結(jié)合了GIS生成了滑坡危險性區(qū)劃圖[7-8]。馬思遠(yuǎn)等利用邏輯回歸法對九寨溝地震滑坡的危險性進(jìn)行了評價，并制作了滑坡索引數(shù)據(jù)庫[9]。李興等利用模糊-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)選取地形、巖性、人類工程活動、植被等對高速公路的邊坡穩(wěn)定性評價[10]。

九龍縣位于四川省西南區(qū)，地勢險峻，位于雅礱江中上游，受地貌特征影響，該地區(qū)災(zāi)害以高位滑坡為主，如在近期2020年11月23日，九龍縣某一村莊發(fā)生高位滑坡，損毀數(shù)間房屋，堵塞河流，形成數(shù)十米的堰塞壩。因此該地區(qū)的滑坡威脅性極大，本論文在野外工程地質(zhì)調(diào)查和遙感解譯的基礎(chǔ)上對歷史滑坡的各個要素進(jìn)行統(tǒng)計分析，篩選與滑坡相關(guān)的影響因子作為評價因子，為確保評價結(jié)果更為合理準(zhǔn)確，使用層次分析法和熵權(quán)法組合模型進(jìn)行評價，并通過ROC曲線對評價結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)確率高達(dá)86.4%；這對該區(qū)的滑坡危險性評價區(qū)劃、預(yù)防和防治有著非常積極的作用，也有利于日后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會生產(chǎn)活動，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。

1 研究區(qū)工程地質(zhì)概況

九龍縣位于四川省甘孜藏族自治州南部，地處青藏高原東南麓，橫斷山脈中段，大雪山脈與沙魯里山脈之間的山原地帶。如圖1 所示，縣境內(nèi)約百分之五十的地域海撥高度大于4 000m，雅礱江環(huán)繞在縣境邊界，交通條件差，僅有省道215作為主干道路。雅礱江自北向南貫穿全境，兩岸支溝發(fā)育，呈羽狀分布，受強(qiáng)烈的河流下切以及構(gòu)造活動，谷坡陡峻，河谷或溝谷多呈“V”型，因此在河流地帶形成了中高山峽谷地貌的特征，北邊與青藏高原接觸，高差變化較小，屬于高原地貌，南邊與川滇菱形塊體接觸，地形起伏大。雅江復(fù)向斜以西為理塘—甘孜斷裂，出露地層較單一，區(qū)內(nèi)主要出露三疊系和古生代地層，其它時代地層未見出露，其中三疊系地層分布廣，花崗巖、閃長巖等巖漿巖零星分布，新構(gòu)造運(yùn)動以來，強(qiáng)烈的河流下切以及造山運(yùn)動使得該區(qū)形成了中高山峽谷地貌。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

研究區(qū)地處亞熱帶氣候區(qū)，受青藏高原地形及大氣環(huán)流影響屬大陸性季風(fēng)高原型氣候，干濕分明，其中每年的6月～9月，降雨比較集中，占到全年總降雨量的90%以上，多年平均降雨量約922mm。

2 滑坡分布特征及影響因子

通過野外調(diào)查及遙感解譯[11]發(fā)現(xiàn)，在九龍縣內(nèi)共有98處滑坡，以滑坡后緣為基準(zhǔn)點(diǎn)，滑坡分布如圖2所示，從圖中來看，滑坡的分布集中在南部區(qū)域，這是由于北邊的地形高差較小，地貌較為平坦，是造成滑坡分布不均勻的主要原因。大部分滑坡沿河流呈帶狀分布。結(jié)合工程地質(zhì)分析原理及該區(qū)的工程地質(zhì)條件，篩選出于滑坡相關(guān)的七個主要因素，利用GIS來對每個因素進(jìn)行分級并分析滑坡的分布特征，為滑坡的危險性評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 研究區(qū)滑坡分布圖Fig.2 Distribution of landslides in the study area

2.1 地形因素

從區(qū)域滑坡的分布來看，地形是滑坡的主控因素，因而將地形因素又細(xì)化分為高程、坡度、坡向三種因素。從圖3來看，滑坡主要分布在高程2000～3000m范圍內(nèi)(圖3a)，占到了總數(shù)的70%以上；坡度主要集中在20°～40°，尤其在30°～40°之間滑坡極為發(fā)育(圖3b)；研究區(qū)滑坡受坡向影響的主要原因是不同坡向受到的太陽輻射不同，使其蒸發(fā)量、植被覆蓋率、坡面侵蝕和堆積等因素存在差異性，從而影響滑坡的發(fā)生(圖3c)。

圖3 各個影響因素對滑坡分布的影響Fig.3 The influence of various influencing factors on the distribution of landslides

2.2 巖性因素

本區(qū)巖性較為單一，大部分都以三疊系的較軟巖為主，滑坡在堅硬巖類處基本上沒有分布；較軟巖主要為三疊系的須家河組，巖性主要為砂巖、板巖、千枚巖等(圖3d)，由于該區(qū)海拔較高，常有冰雪融水容易對巖體造成風(fēng)化侵蝕，從而巖土的穩(wěn)定性降低。

2.3 水系因素

滑坡分布基本上位于河流溝谷兩岸，使用Arcgis中的多環(huán)緩沖功能對水系以500m、1 000m、1 500m、2 000m生成緩沖帶(圖3e)，統(tǒng)計結(jié)果顯示在距離水系500～1 000m和1 000～1 500m區(qū)間的滑坡分布最多，占到了總數(shù)一半以上，河流水系對滑坡也有影響，主要是坡體受到河流的侵蝕作用較大。

2.4 道路因素

人類在修建道路過程中，會對山體進(jìn)行開挖改造，因此造成了斜坡穩(wěn)定性，依然對道路所在處生成緩沖區(qū)(圖3f)，在500～1 000m范圍滑坡的分布最為廣泛，說明道路也與滑坡發(fā)生有關(guān)聯(lián)。

2.5 降雨量

降雨量作為誘發(fā)滑坡的直接因素，該區(qū)的滑坡大多數(shù)都是在地震-降雨的耦合作用下發(fā)生的，從國家氣象網(wǎng)站上下載周邊多個降雨量數(shù)據(jù)，利用arcgis中的克里金差值法生成九龍縣年平均降雨量圖(圖3g)，從圖中可以明顯看出，隨著降雨量的增大，滑坡的分布數(shù)量越來越高，降雨量是影響滑坡的主要因素之一。

3 滑坡危險性評價

在以上分析中，對滑坡的各個影響因子做了詳細(xì)的分析，以高程、坡度、坡向、巖性、水系、道路、降雨量7個因素作為危險性的一級評價因子，并且采用柵格單元作為評價的基本單元?？紤]到層次分析法確定權(quán)重可以參考?xì)v史經(jīng)驗(yàn)、結(jié)合研究區(qū)特征，但主觀性較強(qiáng)；而熵權(quán)法評價較為客觀，但有時又會出現(xiàn)不符合實(shí)情的結(jié)果，因此采用層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的組合評價方法，將歷史、專家經(jīng)驗(yàn)、研究區(qū)特征等主觀因素與熵權(quán)法的客觀結(jié)果相結(jié)合，可以有效消除兩者的不足，使得評價結(jié)果更為精準(zhǔn)可靠。

3.1 層次分析法

層次分析法是將多個因素按照多個層次分級，以此來進(jìn)行逐層分析，主要方法為根據(jù)專家及經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建判斷矩陣，比較兩兩因素之間的重要性，以橫坐標(biāo)主因素縱向?yàn)楸容^因素，數(shù)值越大重要程度越高[12-13]。第一步，我們先確定與滑坡有關(guān)的四個大因素(見表1)。第二步，再將每一大因素下面的二級影響因素進(jìn)行矩陣分析(見表2)，求出矩陣的特征值及特征向量歸一化后計算出權(quán)重Wi(見表3)。

表1 滑坡危險性評價第一層判斷矩陣Tab.1 The first-level judgment matrix of landslide risk assessment

表2 滑坡危險性評價第二層地貌因子判斷矩陣Tab.2 The second layer of geomorphological factor judgment matrix of landslide risk evaluation

表3 滑坡危險性層次分析影響因子綜合權(quán)重統(tǒng)計Tab.3 Comprehensive weight statistics of influencing factors of landslide hazard analytic hierarchy process

為檢驗(yàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，通常使用一致性指標(biāo)公式中的CR值來作為判斷(許沖等，2009)[14]，當(dāng)其小于0.1時表示滿足準(zhǔn)確性要求，經(jīng)計算第一層矩陣的CR=0.013，第二層矩陣CR=0.0283，均符合要求。

3.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法是一種客觀的評價方法與層次分析法相比人為主觀因素較小，對整個研究區(qū)的滑坡進(jìn)行統(tǒng)計后。很多學(xué)者(寧娜等，2014；熊俊楠等，2020)將其運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害的評價中，表明熵權(quán)法的評價結(jié)果更為精準(zhǔn)[15-16]。其主要步驟如下：

(1)以客觀樣本作為信息基礎(chǔ)，確定樣本在各類指標(biāo)中所占的比重，本文的樣本為調(diào)查所得的滑坡數(shù)量(98個)，通過公式(1)和公式(2)對原始的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到指標(biāo)熵值計算的核心數(shù)據(jù)。

(1)

(2)

式中，Bj各因子不同類別的柵格數(shù)量；Bi各因子中所包含滑坡柵格數(shù)量；Pij各因子各級別中所占滑坡的柵格數(shù)百分比；(Pij)平均概率密度，Sj第 j 個因子所分級數(shù)。

(2)計算熵值

依據(jù)如下公式計算熵值：

(3)

(4)

式中，Pij為第j個指標(biāo)下第i個項目的指標(biāo)值的比重，m為待評價項目個數(shù)。

(3)計算第j個指標(biāo)的熵權(quán)Wj

(5)

在GIS的空間分析功能中計算，可以得到數(shù)據(jù)如表4。

3.3 組合賦權(quán)

每種方法都有各自的缺陷和優(yōu)勢，AHP主觀性較強(qiáng)，熵權(quán)法客觀性強(qiáng)，兩者的組合更為必要。綜上計算出的結(jié)果 AHP 法權(quán)重為 Wi(0.0805,0.2911,0.1354,0.0591,0.1103,0.1994,0.1244)，熵權(quán)法計算的權(quán)重 Wj(0.0716，0.2887，0.1281，0.0381，0.1203 0.1230，0.1553)，兩者的疊加更有利于評價的準(zhǔn)確性，計算公式如下：

(6)

式中，W 為由 AHP-指標(biāo)熵確定的組合權(quán)重；Wi為 AHP 方法計算的到的權(quán)重；Wj為用熵權(quán)法算得到的權(quán)重。經(jīng)過計算得到最終的組合權(quán)重值(見表4)為W(0.076099，0.290581，0.141942，0.047564，0.115463，0.18617，0.139322)。

表4 滑坡危險性各級評價因子賦值參數(shù)Tab.4 Assignment parameters of various evaluation factors of landslide risk

續(xù)表4

在對各級因子計算賦值后，利用Arcgis中空間分析功能的加權(quán)總和功能對各因子圖層進(jìn)行疊加計算，進(jìn)而得到危險性評價圖，在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行區(qū)劃，一共分為五個危險性等級：低(31.41%)、較低(30.43%)、中(19.11%)、高(12.48%)、極高(6.57%)。從圖4可以看出，滑坡危險性較高的區(qū)域主要分布在九龍縣的南部，北部的危險性較低，這也與實(shí)際情況較為符合，證明評價結(jié)果合理。為了更進(jìn)一步對評價結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，我們使用ROC曲線來判斷，這是一種被經(jīng)常用來檢驗(yàn)地質(zhì)災(zāi)害評價結(jié)果的方法[17-18]，以ROC與橫軸的面積AUC作為準(zhǔn)確度，由圖5可知，該評價結(jié)果的AUC值高達(dá)86.4%，準(zhǔn)確度極高。

圖4 九龍縣滑坡危險性區(qū)劃Fig.4 Zoning of landslide danger in Jiulong County

圖5 ROC驗(yàn)證曲線擬合圖Fig.5 ROC verification curve fitting diagram

4 結(jié) 論

通過對九龍縣滑坡的研究分析，得到以下幾條結(jié)論：

九龍縣滑坡主要沿水系分布于溝谷兩岸，集中分布在縣城南邊，在地震-降雨的耦合作用下誘發(fā)，滑坡經(jīng)常導(dǎo)致“滑坡-堵江-潰壩”的災(zāi)害鏈模式，給當(dāng)?shù)貛砹藰O大的經(jīng)濟(jì)損失。通過對歷史滑坡的影響因素分析，地形因素是影響滑坡的主控因素。在野外調(diào)查和遙感數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上選取高程、坡度、坡向、巖性、水系、道路、降雨七個評價因子，建立層次分析法和熵權(quán)法的組合數(shù)學(xué)評價模型結(jié)合GIS對研究區(qū)滑坡危險性進(jìn)行評價，結(jié)果檢驗(yàn)的AUC值高達(dá)86.4%，極高危險區(qū)面積占6.57%，高危險區(qū)占12.48%，中危險區(qū)占19.11%，較低危險區(qū)占30.43%，低危險區(qū)占31.41%，高危險區(qū)集中分布在九龍縣南部區(qū)域，評價結(jié)果對當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)活動和工程建設(shè)有著重大的意義。