基于GIS分析的萬山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價

鄒鳳釵，鄒銀先，陶小郎，呂 東

(貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550081)

地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝嗣竦纳踩蜕a(chǎn)生活[1-2]。盡管目前防災(zāi)減災(zāi)成效較為顯著，但各地仍然面臨著較為嚴(yán)峻的防災(zāi)減災(zāi)形勢;因此，開展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價和建立健全地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系迫在眉睫，識別和預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生尤為重要[3-4]。隨著地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)技術(shù)、數(shù)學(xué)學(xué)科及信息全球化的發(fā)展，國內(nèi)外利用GIS對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險性評價的手段和方法逐漸成熟[5-12]。

萬山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地層巖性多變、地貌類型多樣化、河流密度較大。特殊的自然地理環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造背景導(dǎo)致萬山區(qū)發(fā)育獨特的環(huán)境地質(zhì)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率較高。萬山區(qū)歷史上的地質(zhì)災(zāi)害造成11人死亡、4人失蹤，損毀房屋1 150間，直接經(jīng)濟(jì)損失621萬元[13]。本文基于GIS分析和信息量模型，以25 m柵格為單元開展了銅仁市萬山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價，以期為萬山區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)、國土空間規(guī)劃和政府宏觀決策提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理環(huán)境

萬山區(qū)位于貴州省東緣，與湖南省懷化市相接。研究區(qū)范圍為東經(jīng)108°50′30″—109°23′00″，北緯27°24′00″—27°42′00″，面積842.00 km2。該區(qū)地處中亞熱帶中緯度地區(qū)，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，四季分明，冬暖夏涼，冬長秋短，雨量充沛，無霜期較長。區(qū)內(nèi)多年平均降水1 430.9 mm，降水主要集中在4—10月，約占全年降水量的79%。

1.2 地質(zhì)環(huán)境特征

研究區(qū)主要分布有4種地貌類型，中山、低山侵蝕地貌及中低山、低山溶蝕地貌。區(qū)內(nèi)經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動，形成了以北東向褶皺、斷裂構(gòu)造為主的基本構(gòu)造格架；區(qū)內(nèi)以寒武系碳酸鹽巖地層出露面積最大，次為青白口系、南華系地層。主要巖組為東部清水江組變余粉砂巖、板巖，西部杷榔組黏土頁巖或泥巖以及中部敖溪組的白云巖、車夫組灰?guī)r及泥灰?guī)r。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害分布特征

萬山區(qū)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點68處，以滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害為主。其中：滑坡51處，占地質(zhì)災(zāi)害隱患點總數(shù)的75.00%；崩塌8處，占比11.76%； 地面塌陷和泥石流共9處，占比13.24% 。隱患點威脅555戶3 289人、房屋886處等，潛在經(jīng)濟(jì)損失23 029萬元。

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害具有整體分散、局部集中的特點，其分布受控于地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造條件。其中，滑坡主要分布于軟質(zhì)巖類碎屑巖及變質(zhì)巖出露的中山、低山侵蝕地貌區(qū)，崩塌主要分布于白云巖、灰?guī)r出露的中低山溶蝕地貌區(qū)。區(qū)域上集中分布于西部的大坪鄉(xiāng)—魚塘鄉(xiāng)一帶；東北部的謝橋辦事處—敖寨鄉(xiāng)—下溪鄉(xiāng)一帶，東南面萬山鎮(zhèn)—黃道鄉(xiāng)一帶，茶店辦事處也相對較密集(圖1)。其中黃道鄉(xiāng)、下溪鄉(xiāng)、敖寨鄉(xiāng)、大坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害隱患點數(shù)量較多，共47個，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的69.12%。

圖1 萬山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.1 Geological disasters distribution in Wanshan

2 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價模型建立

2.1 風(fēng)險評價方法

2.1.1易發(fā)性評價方法

地質(zhì)災(zāi)害的形成受多種因素影響，信息量模型反映了一定地質(zhì)環(huán)境下最易致災(zāi)因素及其分區(qū)間的組合[14]，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)生頻率與調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率相比較實現(xiàn)。對應(yīng)某種因素特定狀態(tài)下的地質(zhì)災(zāi)害信息量為

(1)

式中：IAj→B為對應(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；NAj為對應(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為調(diào)查區(qū)已知地質(zhì)災(zāi)害分布的單元總數(shù)；SAj為對應(yīng)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)。

IAj→B值有正有負(fù)，IAj→B值越大反映對應(yīng)因素A、j狀態(tài)下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性較大[15-17]。

由于每個評價單元受眾多因素的綜合影響，各因素又存在若干狀態(tài)，各狀態(tài)因素組合條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的總信息量為

(2)

式中：I為對應(yīng)特定單元地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的總信息量，表示地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，可作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)；Ni為對應(yīng)特定因素、第i狀態(tài)條件下的地質(zhì)災(zāi)害面積或地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)；N為調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害總面積或總地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)；Si為對應(yīng)特定因素、第i狀態(tài)的分布面積；S為調(diào)查區(qū)總面積。

2.1.2危險性評價方法

針對地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價，國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為時間概率和空間概率這2個因子共同決定了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率大小。時間概率是指受誘發(fā)因素影響的地質(zhì)災(zāi)害的重現(xiàn)周期。空間概率是指區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害受時間概率影響而發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率。然而要獲取比較精確的和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生相關(guān)的時間信息是非常困難的，因此，一般用外界誘發(fā)因子來表示時間概率[17]。

降雨是誘發(fā)斜坡失穩(wěn)和巖土體破壞的主要因素。降雨所形成的地表水下滲后，能夠控制和影響巖土體內(nèi)含水量的大小，進(jìn)而改變其應(yīng)力環(huán)境[14]。一般地質(zhì)災(zāi)害與前期降雨有重要的關(guān)系，而且降雨因子明顯區(qū)別于其他因子的特征：降雨因子是一個隨著時間變化的因子，具有非常明顯的時間頻率特征。年平均降雨量大的區(qū)域暴雨頻率和持續(xù)時間都會大于年平均降雨量小的區(qū)域，因此，在同一個時間段，降雨量大的區(qū)域比降雨量小的區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性大。由此可看出降雨因子是一個具有時間概率特征的外界誘發(fā)因子。

以工作區(qū)平均年降水量作為衡量地質(zhì)災(zāi)害時間尺度的頻率因素指標(biāo)，作為地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域危險性評價的時間概率指標(biāo)，對其做量化和歸一化處理，得到工作區(qū)年平均降雨歸一化圖。

結(jié)合所得的工作區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價歸一化處理結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害活動頻率，構(gòu)建萬山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的加權(quán)線性評價模型，如下所示：

Hi=∑AiXi

(3)

式中：Hi為地質(zhì)災(zāi)害危險性指數(shù)；Ai為指標(biāo)i影響地質(zhì)災(zāi)害危險性的權(quán)重；Xi為影響地質(zhì)災(zāi)害危險性指標(biāo)i的量化歸一化值。

2.1.3易損性評價方法

承災(zāi)體易損性是指承災(zāi)體抵抗地質(zhì)災(zāi)害損毀的能力，需要綜合人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的情況進(jìn)行判斷，即按照式(4)計算得到工作區(qū)承災(zāi)體易損性計算值，然后用自然斷點法得到區(qū)域承災(zāi)體易損性分級。

V=F×J

(4)

式中：V為工作區(qū)承災(zāi)體易損性值；F為人口易損性值；J為財產(chǎn)易損性值。

工作區(qū)承災(zāi)體易損性值分為4級：低易損性、中易損性、高易損性、極高易損性。低易損性表示區(qū)域內(nèi)居民和各類土地利用類型幾乎沒有受到損失，中易損性表示區(qū)域內(nèi)居民和各類土地利用類型受到損失中等，高易損表示區(qū)域內(nèi)居民和各類土地利用類型受到損失較大，極高易損性表示區(qū)域內(nèi)居民和各類土地利用類型受到損失極大。

2.1.4風(fēng)險性評價方法

地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險性是災(zāi)害自然屬性和社會屬性的結(jié)合。風(fēng)險性評價是在危險性評價和易損性評價的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，由二者的結(jié)果綜合分析而得。結(jié)合本文危險性評價和易損性評價結(jié)果確定地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級，見表1。本文利用地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級和ArcGIS空間分析功能，對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性評價圖和工作區(qū)承災(zāi)體易損性評價圖進(jìn)行空間疊加分析，得到工作區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價圖。

表1 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級劃分Tab.1 Classification of geological hazard risk levels

2.2 風(fēng)險評價指標(biāo)體系建立

基于萬山區(qū)孕災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育之間關(guān)系的數(shù)據(jù)收集、調(diào)查和分析，本文對區(qū)域主要地質(zhì)災(zāi)害滑坡與崩塌進(jìn)行二元邏輯回歸分析，選取了可能對滑坡與崩塌產(chǎn)生影響的多個因子進(jìn)行單因素篩查，并對模擬結(jié)果采用霍斯默驗證。為了保證模型的合理性和選取因子的科學(xué)性，對因子進(jìn)行了分級/分類不同方式的驗證。經(jīng)過驗證，滑坡的易發(fā)性因子主要有工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、地貌、平均坡度、與水系距離5個因子，崩塌的易發(fā)性因子主要有工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、地貌、平均坡度、與水系距離、與構(gòu)造距離、平面曲率7個因子。危險性評價是在上述因子的基礎(chǔ)上疊加降雨量(50年一遇)和人類工程活動2個因子。各因子的指標(biāo)分級情況如圖2所示。

3 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價

3.1 易發(fā)性評價

基于萬山區(qū)孕災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件與各地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育之間關(guān)系的數(shù)據(jù)，本文選用25 m×25 m的柵格單元作為模型的計算單元，基于GIS柵格數(shù)據(jù)，將研究區(qū)劃分為948 572個柵格，比例尺為1 ∶50 000。同時，運(yùn)用GIS柵格計算器工具將不同的因子圖層疊加處理，得到不同地質(zhì)災(zāi)害類型的信息量，見表2。結(jié)合萬山區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，根據(jù)自然斷點法將易發(fā)性評價結(jié)果分為4級。其中，滑坡易發(fā)性劃分為高易發(fā)區(qū)(-8.44～-5.67)、中易發(fā)區(qū)(-5.66～-2.15)、低易發(fā)區(qū)(-2.14～1.07)、非易發(fā)區(qū)(1.06～4.70)；崩塌易發(fā)性劃分為高易發(fā)區(qū)(-12.55～-6.16)、中易發(fā)區(qū)(-6.15～-2.85)、低易發(fā)區(qū)(-2.84～-0.18)、非易發(fā)區(qū)(-0.17～7.29)。將區(qū)域內(nèi)滑坡和崩塌的易發(fā)性綜合疊加取其大值，得到全區(qū)總易發(fā)性評價，據(jù)此劃分為非易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)(圖3)。

表2 萬山區(qū)易發(fā)性滑坡和崩塌的信息量計算表Tab.2 Calculation table of landslide and collapse susceptibility information in Wanshan

圖3 萬山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價Fig.3 Evaluation of geological disasters susceptibility in Wanshan

由圖3可知：萬山區(qū)高易發(fā)區(qū)面積216.50 km2，占區(qū)域面積的25.71%；中易發(fā)區(qū)面積217.20 km2，占比25.80%；低易發(fā)區(qū)面積86.00 km2，占比10.21%；非易發(fā)區(qū)面積322.30 km2，占比38.28%。中、高易發(fā)區(qū)主要分布于大坪鄉(xiāng)西部、敖寨鄉(xiāng)中部、下溪鄉(xiāng)東部等地。魚塘鄉(xiāng)大部、大坪鄉(xiāng)東部、茶店街道東部、高樓坪鄉(xiāng)及謝橋街道北部等鄉(xiāng)鎮(zhèn)主要處于非易發(fā)區(qū)。

3.2 危險性評價

危險性評價是在易發(fā)性評價的基礎(chǔ)上疊加降雨量(50年一遇)和人類工程活動，代表了該區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的相對危險性等級的大小。通過經(jīng)驗系數(shù)法確定易發(fā)性、降雨量和人類工程活動的權(quán)重分別為0.6、0.2、0.2。按照自然斷點法將萬山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性分為3級，即低危險性、中危險性、高危險性(圖4)。

圖4 萬山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價Fig.4 Hazard assessment of geological disasters in Wanshan

由圖4可知：高危險區(qū)面積約為167.94 km2，占區(qū)域面積的19.95%，主要分布在下溪鄉(xiāng)東部、大坪鄉(xiāng)西部以及東西部構(gòu)造發(fā)育地帶；中危險區(qū)面積約為311.79 km2，占比37.03%，主要分布在下溪鄉(xiāng)西部、敖寨鄉(xiāng)及黃道鄉(xiāng)大部、大坪鄉(xiāng)西部 ；低危險區(qū)面積約為362.27 km2，占比43.02%，主要分布在魚塘鄉(xiāng)、茶店街道、高樓坪鄉(xiāng)及大坪鄉(xiāng)東部。

3.3 易損性評價

區(qū)域的易損性分為人口易損性和財產(chǎn)易損性，主要包括人口、建筑物、道路、林地和耕地等。根據(jù)易損性評價方法分析萬山區(qū)易損性分布情況，如圖5所示。由圖5可知：極高易損區(qū)面積42.36 km2，占區(qū)域面積的5.03%；高易損區(qū)面積64.22 km2，占比7.63%。極高、高易損區(qū)主要分布在謝橋街道、茶店街道等各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心區(qū)，人員分布較為密集，常住人口較多，且中心區(qū)商鋪、酒店較密集，財產(chǎn)價值較高。中易損區(qū)面積242.40 km2，占比28.79%，主要分布在極高、高易損區(qū)外圍區(qū)域，財產(chǎn)和人口密度降低。低易損區(qū)面積493.02 km2，占比58.55%，主要是分布于極少人口居住等偏遠(yuǎn)地區(qū)。

圖5 萬山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性評價Fig.5 Vulnerability evaluation of geological disasters in Wanshan

3.4 風(fēng)險評價

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價采用矩陣分析方法，通過疊加運(yùn)算地質(zhì)災(zāi)害的危險性等級和易損性等級評價結(jié)果得出最終的風(fēng)險評價結(jié)果。本文結(jié)合危險性評價的3個分級和易損性評價的4個分級，將萬山區(qū)劃分為低風(fēng)險區(qū)，中風(fēng)險區(qū)，高風(fēng)險區(qū)(圖6)。中、高風(fēng)險區(qū)主要分布在東西部，西部分布于大坪鄉(xiāng)及魚塘鄉(xiāng)北部，主要出露以杷榔組為主的軟質(zhì)巖類碎屑巖地層；而東部主要分布于敖寨鄉(xiāng)至黃道鄉(xiāng)一線，主要出露清水江組變質(zhì)巖地層及南華系至寒武系中下部以碎屑巖為主的地層。其中，高風(fēng)險區(qū)面積100.20 km2，占區(qū)域面積的11.90%；中風(fēng)險區(qū)面積398.70 m2，占比47.35%；除中高風(fēng)險區(qū)外其余為低風(fēng)險區(qū)，面積343.10 km2，占比40.75%。

圖6 萬山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價Fig.6 Risk assessment of geological disasters in Wanshan

4 結(jié)論

1)萬山區(qū)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點68處，以滑坡和崩塌為主，共59處，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的86.76%；主要分布于黃道鄉(xiāng)、下溪鄉(xiāng)、敖寨鄉(xiāng)和大坪鄉(xiāng)，共47處，占比69.12%。

2)運(yùn)用GIS分析和信息量模型，選取7個指標(biāo)對萬山區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價。其中25.71%的區(qū)域為高易發(fā)區(qū)，主要分布于下溪鄉(xiāng)東部及大坪鄉(xiāng)西部。在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的基礎(chǔ)上疊加50年一遇降雨和人類工程活動，完成區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性評價。

3)選取人口密度、建筑物密度、道路密度、林地和耕地等組建地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體易損性評價模型。結(jié)果表明，極高、高易損區(qū)占區(qū)域面積的12.66%，主要分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心區(qū)，財產(chǎn)和人員分布較為密集。

4)結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害危險性評價和承災(zāi)體易損性評價，實現(xiàn)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價。結(jié)果顯示， 在50年一遇降雨頻率下，11.90%的區(qū)域為高風(fēng)險區(qū)，主要分布在東部清水江組變質(zhì)巖地層和西部杷榔組為主的軟質(zhì)巖類碎屑巖地層。