基于ArcGIS 的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價
——以永泰縣為例

余浚哲

（福建省煤田地質(zhì)勘查院 福建福州 350001）

1 緒論

1.1 選題背景及意義

福建省地處我國東南沿海，面朝大海背靠大山，閩西閩中兩列大山貫穿福建南北，境內(nèi)山地丘陵多，孕災(zāi)地質(zhì)條件好，強(qiáng)降雨頻發(fā)，且受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響，人類工程活動較多，發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害的頻率較高。地理環(huán)境信息測繪系統(tǒng)（以下簡稱GIS）是在應(yīng)用計算機(jī)信息科學(xué)，測繪學(xué)等技術(shù)基礎(chǔ)上逐步發(fā)展壯大起來的一門基于空間數(shù)據(jù)采集處理分析交叉應(yīng)用技術(shù)。本文主要依據(jù)GIS 的空間數(shù)據(jù)分析處理功能，對永泰縣區(qū)域進(jìn)行多個地質(zhì)自然災(zāi)害風(fēng)險易發(fā)區(qū)域的區(qū)劃，為開展地質(zhì)自然災(zāi)害風(fēng)險防治研究提供重要依據(jù)。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

（1）國外研究現(xiàn)狀。國外發(fā)達(dá)國家將GIS 用于地質(zhì)災(zāi)害方面研究起步較早，研究成果顯著。1986 年，美國的Brabb Earl E.利用GIS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析、編輯氣象繪圖等基本功能實(shí)現(xiàn)加利福尼亞San Mateo 地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害。1987 年，美國的Wentorth Carth M.和Ellen Strphen D.等多位學(xué)者運(yùn)用GIS 對汶川區(qū)域地質(zhì)工程中的地質(zhì)狀況作進(jìn)一步的調(diào)查分析并取得不錯的研究成果。1991 年，美國的campbell russellh 等學(xué)者運(yùn)用GIS 對汶川滑坡地震災(zāi)害影響空間進(jìn)行預(yù)測。1997 年，C.J.van Westen 等劃分出滑坡災(zāi)害區(qū)劃。2006 年，塞內(nèi)加爾的M.Fall對達(dá)喀爾西南地區(qū)海岸山體滑坡災(zāi)害危險性等級區(qū)劃。

（2）國內(nèi)研究現(xiàn)狀。國內(nèi)學(xué)者于20 世紀(jì)80 年代開始進(jìn)行研究。1994 年，雷明堂等應(yīng)用綜合地理環(huán)境信息分析系統(tǒng)（GIS）技術(shù)對塌陷危險地區(qū)評價影響危險因素分析，研究地區(qū)的整體塌陷，對危險區(qū)域的評價。2006 年，張有全等用GIS 區(qū)域空間梯度分析地質(zhì)危險性災(zāi)害評價模型理論，研究某構(gòu)建我國地質(zhì)發(fā)生災(zāi)害區(qū)域發(fā)育度劃分模型，采用“3S”分析技術(shù)對北京市延慶縣區(qū)域進(jìn)行空間分析，得到該區(qū)域地區(qū)的地質(zhì)易發(fā)性災(zāi)害區(qū)域梯度劃分。2009 年，許沖等通過GIS 技術(shù)與層次分析法劃出地區(qū)的易發(fā)性區(qū)。2012 年李艷珠等基于高度層次綜合分析法與深度GIS 綜合分析法等技術(shù)，對多個研究區(qū)的火山巖溶斷層塌陷情況進(jìn)行深入研究。同年樊高峰等對浙江省的大型暴雨火山災(zāi)害事件進(jìn)行風(fēng)險評估并對其危險性進(jìn)行評價，采用GIS 技術(shù)分析各個評價因子，最終得出評價結(jié)果與實(shí)際影響基本一致。2021 年，王景致等運(yùn)用GIS 分析與層次分析法（AHP）對所選取的評價因子進(jìn)行了分析，對研究的輸電線路通道地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了危險性劃分及評價。

1.3 研究內(nèi)容

本文以福州市永泰縣為研究對象，收集相關(guān)資料與野外調(diào)查相結(jié)合，通過對收集到的資料進(jìn)行整理轉(zhuǎn)為數(shù)字資料，得到地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)。通過收集分析已公布發(fā)生的我國地質(zhì)自然災(zāi)害相關(guān)信息，對永泰縣事件發(fā)生時期地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢、發(fā)生災(zāi)害原因等基本條件進(jìn)行分析，確定影響評價程度因子。本文采用科學(xué)定性與綜合定量相有機(jī)結(jié)合的評價方法，通過利用綜合定量指數(shù)計算法以及利用程度因子加權(quán)綜合定量評判，對我國地質(zhì)自然災(zāi)害發(fā)生易發(fā)性的程度因子分區(qū)問題進(jìn)行因子劃分上的討論，最終利用ArcGIS 空間分析技術(shù)展示結(jié)果。

2 研究區(qū)概況

由于在中生代侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)時大量的火山爆發(fā)，加上造山運(yùn)動以來的全新構(gòu)造運(yùn)動，導(dǎo)致永泰縣內(nèi)地形作大幅員向上和間歇向上，逐漸構(gòu)成了近現(xiàn)代的嵯峨地形，并自西南地區(qū)逐漸向東北地區(qū)偏斜?？h內(nèi)以中低山區(qū)居多，多數(shù)地方的平均海拔常在500 m～1 000 m，平均高度通常在300 m～500 m，個別地方達(dá)千米左右，山勢高亢。西北部近千米山巒連綿起伏，山勢高大雄偉，斷面深切谷，一般海拔高程自西東向起伏下降。東北部山勢較緩，平均海拔常在600 m～800 m 左右，點(diǎn)狀散布近千米孤峰。大洋、同安、丹云、霞拔、白云質(zhì)、東洋、盤谷等地構(gòu)成階級侵蝕階面上的小丘和山間小盆地，當(dāng)中又以同安—大洋盆地相對平緩開闊。

地形、地貌條件是崩塌、滑坡、泥石流等山地區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害種類與規(guī)模的主控原因［1］。地形直接控制了地質(zhì)災(zāi)害的爆發(fā)形式，在高大的自然臨空面、比較發(fā)育的殘坡積層，以及軟硬巖層體之間的山地和丘陵區(qū)，較容易造成崩塌、滑坡［2］。而地形起伏幅度較大、溝谷發(fā)育、巖層體碎裂、疏松的丘陵，往往是泥石流的多發(fā)地帶［3］。永泰全縣地貌類型多而復(fù)雜，且發(fā)育大量不利的地形，因此，永泰縣地形地貌有利于崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)及評價

3.1 分區(qū)分析

地質(zhì)經(jīng)濟(jì)災(zāi)害影響分區(qū)分為定性區(qū)域分析與定量分析。定性地區(qū)分析主要是由科學(xué)經(jīng)驗(yàn)對一個地質(zhì)經(jīng)濟(jì)災(zāi)害分區(qū)進(jìn)行分析，定量分析主要是對直接影響發(fā)生地質(zhì)經(jīng)濟(jì)災(zāi)害的各個因子要素進(jìn)行非賦值化的分析。定量分析常用方法主要有統(tǒng)計綜合定量指數(shù)法和統(tǒng)計綜合分析法等，其中統(tǒng)計綜合定量指數(shù)分析法比較的準(zhǔn)確表示和指出各個要素因子對影響地質(zhì)災(zāi)害可能產(chǎn)生的直接影響。近年來，GIS 分析技術(shù)和綜合指數(shù)法相結(jié)合成為了研究地質(zhì)災(zāi)害的一種有效方式。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生由許多不完全確定的地質(zhì)因素活動造成，目前的定量資料及預(yù)估評價分析方法根本無法有效支撐定量分析。本次綜合地質(zhì)地震災(zāi)害發(fā)生易發(fā)性預(yù)估評價主要采用地體定性與地質(zhì)定量有機(jī)結(jié)合的評價方法，通過運(yùn)用綜合因子指數(shù)分析法則并利用綜合因子加權(quán)綜合法對地質(zhì)地震災(zāi)害發(fā)生易發(fā)性的程度進(jìn)行分區(qū)。在對綜合地質(zhì)地震災(zāi)害確定類型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于斜坡評價單元的全國區(qū)域綜合地質(zhì)地震災(zāi)害發(fā)生易發(fā)性預(yù)估評價因子指標(biāo)體系，由9 項主要因子指標(biāo)構(gòu)成：坡度、坡向、高差、坡形、覆蓋層面的厚度、巖性與地質(zhì)巖土混合結(jié)構(gòu)、斜坡地體結(jié)構(gòu)、與地體構(gòu)造間隙的距離、切坡高度。

3.2 評價方法

因子圖層獲?。簩τ谄露?、坡向、高差與坡形4 類指標(biāo)，基于ArcGIS 軟件，對DEM 進(jìn)行表面分析，得到各斜坡單元內(nèi)坡度、坡向、高差及曲率評價因子圖層。對于覆蓋層厚度指標(biāo)，需要基于鉆探所獲基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，選取合理的函數(shù)曲線模型來模擬整個研究區(qū)覆蓋層厚度的分布情況。與構(gòu)造距離這樣的線性指標(biāo)，則需要先做緩沖區(qū)，然后再分析斜坡單元與構(gòu)造之間的距離。斜坡結(jié)構(gòu)、巖性與巖土結(jié)構(gòu)和切坡高度根據(jù)野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分類。

（1）坡度：利用前期收集到的高精度DEM 數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 對其進(jìn)行坡度分析，得到區(qū)域坡度分布圖、坡度分布圖、表面分析重分類、重分類分區(qū)圖。

（2）坡向：利用高精度DEM 數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 軟件對其進(jìn)行坡向計算，得到區(qū)域坡向分布圖。同時進(jìn)行重分類，自定義分類間隔為1，得到重分類坡向分區(qū)圖。為獲取每斜坡單元內(nèi)的坡向數(shù)據(jù)，借助ArcGIS 中的分區(qū)統(tǒng)計功能，對坡向進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以得到每一斜坡單元所處地理位置坡向最大值、最小值、平均值、范圍、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)值。對于坡向指標(biāo)，本次研究取坡向的平均值為斜坡單元坡向值。

（3）高差：利用高精度DEM 數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 軟件對其重分類，自定義分類間隔為1，得到重分類高程分區(qū)圖。為獲取每斜坡單元內(nèi)的高差數(shù)據(jù)，必須統(tǒng)計斜坡單元內(nèi)高程的最大最小值，求差得到高程差。借助于ArcGIS 軟件中的高程分區(qū)斜坡統(tǒng)計分析功能，對重組并分類后的各個高程斜坡分區(qū)統(tǒng)計圖數(shù)據(jù)進(jìn)行斜坡統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，快速得到每一個斜坡統(tǒng)計單元所需要處理的地理坐標(biāo)位置斜坡高程的最大偏差值、最小偏差值、平均值、范圍、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等相關(guān)數(shù)值。對于高差指標(biāo)，直接取上述數(shù)據(jù)中的＂范圍＂即可得到斜坡單元的高差值。

（4）坡形：利用高精度DEM 數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 軟件對其進(jìn)行曲率分析，得到曲率分區(qū)圖。然后借助ArcGIS 中的分區(qū)統(tǒng)計功能，對曲率進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以得到每一斜坡單元所處地理位置曲率最大值、最小值、平均值、范圍、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)值。對于兩個曲率坡度指標(biāo)，研究曲率過程中可選取2 個曲率的坡向平均值分別為凸形斜坡曲率單元中的坡向平均值，曲率單元平均值分別為負(fù)或正則凸形斜坡為凸型凹形斜斜坡，如2 個曲率平均值分別為正或負(fù)則凸型斜坡為凹形斜斜坡，得到曲率分布圖。

（5）覆蓋層厚度：以野外的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，圈定調(diào)查區(qū)域覆蓋層厚度等值線圖。

（6）巖性與巖土結(jié)構(gòu)：以野外的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對其進(jìn)行賦值。

（7）斜坡結(jié)構(gòu)：根據(jù)野外的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行賦值。

（8）與構(gòu)造距離：利用收集到的構(gòu)造斷裂數(shù)據(jù)，基于ArcGIS 軟件對其進(jìn)行緩沖分析，得到構(gòu)造斷裂緩沖區(qū)圖。然后我們借助ArcGIS 軟件中的斜坡分區(qū)在線統(tǒng)計分析功能，對建筑緩沖區(qū)斜坡進(jìn)行在線統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，可以直接得到每一建筑斜坡設(shè)計單元所當(dāng)時處于的地理位置之間相對于每一構(gòu)造物與緩沖區(qū)平行距離的總放大值、最小偏差值、平均值、范圍、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等相關(guān)數(shù)值。對于與構(gòu)造距離指標(biāo)，研究過程中取與構(gòu)造距離的最小值為斜坡單元相對于構(gòu)造斷裂帶的距離。

（9）切坡高度：根據(jù)野外的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對分析工具鄰域分析緩沖區(qū)，設(shè)定距離50 m、100 m、300 m、500 m 為緩沖區(qū)距離，得到構(gòu)造斷裂緩沖區(qū)圖。進(jìn)行重分類，自定義分類間隔為1，得到重分類坡度分區(qū)圖。為獲取每斜坡單元內(nèi)的坡度數(shù)據(jù)，借助ArcGIS 中的分區(qū)統(tǒng)計功能，對坡度進(jìn)行統(tǒng)計分析，可以得到每一斜坡單元所處地理位置坡度最大值、最小值、平均值、范圍、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差等數(shù)值。對于坡度指標(biāo)，本次研究取坡度的平均值為斜坡單元坡度值。

根據(jù)利用ArcGIS 得出的永泰縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價圖（見圖1），總結(jié)出永泰縣各級行政地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重易發(fā)區(qū)的地理特征分別為：

圖1 永泰縣地質(zhì)自然災(zāi)害易發(fā)性評價

（1）地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)。主要集中在城峰鎮(zhèn)、清涼鎮(zhèn)、樟城鎮(zhèn)、塘前鎮(zhèn)、葛嶺鎮(zhèn)局部，面積約32.6 km2，區(qū)域內(nèi)主要結(jié)構(gòu)分別以紫灰、灰黑色（安山）玄武巖、安山巖、英安巖、（球粒）流紋巖、英安質(zhì)晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r、晶屑凝灰熔巖、晶屑凝灰?guī)r等為主，巖性易風(fēng)化，風(fēng)化后的產(chǎn)物穩(wěn)定性較差；斜坡單元坡度主要為25°～35°，斜坡坡向以南、西、東南方向?yàn)橹鳎采w層及全風(fēng)化帶厚度較厚；一些區(qū)域切坡建房等其他人類工程活動較頻繁，這些因素為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了有利條件。

（2）地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)。中易發(fā)區(qū)總面積為834.5 km2。區(qū)域南部地勢相對低，因坡度較平緩，其地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度相對不高。

（3）地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)。低易發(fā)區(qū)總面積約1 360.1 km2，主要分布在西南部地勢平坦的山區(qū)，集中分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)南部平原區(qū)。斜坡坡度較緩、高差較小、覆蓋層厚度較薄，人類工程活動對邊坡的擾動程度較小，使得地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度低。

4 結(jié)論

本文在對地質(zhì)災(zāi)害類型、研究基礎(chǔ)上，構(gòu)建了基于斜坡單元的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)體系，由指標(biāo)體系9 項因子構(gòu)成，具體為坡度、坡向、高差、坡形、覆蓋層厚度、巖性與巖土結(jié)構(gòu)、斜坡結(jié)構(gòu)、與構(gòu)造間距離、切坡高度等9 項因子。

將易發(fā)性評價結(jié)果劃分為極高、高、中、低4 個等級，面積分別為0 km2、32.6 km2、834.5 km2、1360.1 km2，面積占比分別為0%、1.5%、37.5%、61.1%，災(zāi)害點(diǎn)均分布在高易發(fā)區(qū)。高易發(fā)區(qū)主要分布在區(qū)內(nèi)北側(cè)向清涼鎮(zhèn)-城峰鎮(zhèn)-樟城鎮(zhèn)一帶；中易發(fā)區(qū)均勻分布在各個區(qū)域；低易發(fā)區(qū)主要分布南部和中部的洑口鄉(xiāng)、嵩口鎮(zhèn)和梧桐鎮(zhèn)，其余區(qū)域零星分布。