基于GIS的重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

張鵬濤，姚 濤，趙 波

(江西省地質(zhì)局生態(tài)地質(zhì)大隊(duì)，江西 南昌 330030)

0 引 言

我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較頻繁的國(guó)家，主要地質(zhì)災(zāi)害為崩塌、滑坡和泥石流等。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性通常以風(fēng)險(xiǎn)性=危險(xiǎn)性×易損性進(jìn)行表達(dá)，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)包括易發(fā)性、危險(xiǎn)性與易損性評(píng)價(jià)，危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)建立在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)之上(徐繼維等，2015；劉世江等，2018)。

我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)研究起步較晚，20世紀(jì)60年代起主要研究地質(zhì)災(zāi)害的成因及分布狀況，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)估停留在定性階段。21 世紀(jì)以來(lái)，基于3S技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)成因研究日益深入，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)由定性分析轉(zhuǎn)向定量分析，誕生了一系列新技術(shù)、新方法，其中，基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)最為成熟(趙子良等，2019)。張賢(2021)選取工程地質(zhì)巖組、NDVI、高程、坡度、坡向、坡形、地形起伏度、土壤類(lèi)型、與道路的距離、與河流的距離、土地利用類(lèi)型、降雨量和人類(lèi)工程活動(dòng)等 15 個(gè)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子，以及人口、道路、耕地和GDP 密度4類(lèi)易損性評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建了城口地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)一步形成災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃圖；章瑞(2021)選取地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、土地利用、坡度、坡向、降雨、河網(wǎng)密度、路網(wǎng)密度8個(gè)評(píng)價(jià)因子，基于 GIS 運(yùn)用多種方法進(jìn)行元謀地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)并完成了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；劉飛(2020)選取高程、地貌、坡度、坡向、與斷層的距離、工程巖組、降雨、與道路的距離、與礦山的距離、與居民地距離、植被覆蓋率作為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子，以及人口、建筑物、道路和 GDP 密度等易損性評(píng)價(jià)因子，基于地質(zhì)災(zāi)害易損性和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，選取合適的評(píng)價(jià)模型，利用 ArcGIS 軟件制成風(fēng)險(xiǎn)性分區(qū)圖，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。

在收集玉山地區(qū)1∶5萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)水文、工程勘查、遙感資料的基礎(chǔ)上，開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)地質(zhì)條件、承災(zāi)體、易損性調(diào)查，分析其地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、危險(xiǎn)性，運(yùn)用GIS進(jìn)行江西三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

三清山地區(qū)位于江西東北部，玉山與德興交界處，東與浙江開(kāi)化、常山接壤，面積為269.23 km2，占全省總面積的0.16%。東西寬17 km，南北長(zhǎng)23.6 km。三清山地貌類(lèi)型為侵蝕構(gòu)造中低山，地形呈橢圓形，地勢(shì)由北向西南傾斜。

區(qū)內(nèi)出露地層主要有第四系、奧陶系、寒武系、震旦系、南華系，巖漿巖以懷玉山花崗巖為主，巖性以粗中粒黑云母花崗巖、黑云母斜長(zhǎng)花崗巖為主，侵入下古生界，屬燕山早期第二階段第二次侵入，呈巖基狀產(chǎn)出。巖基邊緣有舌狀巖體和小巖株分布(樓法生等，2002)。按巖石巖性、強(qiáng)度及巖體結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行工程地質(zhì)巖組劃分，各巖土類(lèi)型的分布見(jiàn)圖1。三清山地區(qū)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害及隱患點(diǎn)245處，其中崩塌23處、滑坡42處、崩塌隱患149處、滑坡隱患31處。

圖1 三清山地區(qū)巖土體類(lèi)型概略圖1-巖漿巖建造,堅(jiān)硬的塊狀侵入巖巖組；2-碎屑巖建造,較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬的薄—厚層狀泥巖、頁(yè)巖、硅質(zhì)巖巖組；3-碎屑巖建造,較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬的中厚—厚層狀砂巖、砂礫巖、頁(yè)巖巖組；4-碳酸鹽巖建,較堅(jiān)硬—堅(jiān)硬的薄—厚層狀弱巖溶化雜質(zhì)灰?guī)r、砂巖、頁(yè)巖巖組；5-一般黏性土；6-多元結(jié)構(gòu)；7-巖土體界線(xiàn)；8-實(shí)測(cè)性質(zhì)不明斷層；9-推測(cè)斷層；10-實(shí)測(cè)正斷層；11-實(shí)測(cè)逆斷層；12-平移斷層；13-構(gòu)造角礫巖帶、碎裂巖帶Fig. 1 General map of rock and soil body types in Sanqingshan area

2 研究方法

2.1 模型建立

開(kāi)展三清山地區(qū)1∶1萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，通過(guò)分析研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、工程巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、土層厚度、災(zāi)點(diǎn)密度和地形地貌等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指標(biāo)，20年一遇降雨量和切坡密度等地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指標(biāo)以及人口密度、道路、建筑物等地質(zhì)災(zāi)害易損性指標(biāo)，以斜坡單元為基本評(píng)價(jià)單元，運(yùn)用GIS進(jìn)行三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)、危險(xiǎn)性指數(shù)、易損性指數(shù)及風(fēng)險(xiǎn)性指數(shù)柵格計(jì)算，并進(jìn)行分區(qū)與評(píng)價(jià)(圖2)。

圖2 三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型Fig.2 Geological disaster risk assessment model in Sanqingshan area

2.2 數(shù)據(jù)源的選取與處理

2.2.1 數(shù)據(jù)源選取 區(qū)域地層巖性、產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造及工程巖組選用三清山1∶1萬(wàn)地質(zhì)資料，地形坡度和斜坡高差選用10 m精度數(shù)字高程模型(DEM)(圖3)，野外調(diào)查的土層厚度數(shù)據(jù)和已發(fā)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)空間數(shù)據(jù)(含地質(zhì)災(zāi)害面積和威脅人口屬性字段)選用三清山1∶1萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害詳查資料，切坡調(diào)查民房數(shù)據(jù)、公路切坡數(shù)據(jù)、建筑物和交通設(shè)施選用野外調(diào)查數(shù)據(jù)和地理國(guó)情調(diào)查數(shù)據(jù)庫(kù)資料。

2.2.2 數(shù)據(jù)加工 (1)制作斜坡單元。斜坡單元的劃分基于DEM水文分析，利用DEM分別提取山谷線(xiàn)、山脊線(xiàn)(對(duì)應(yīng)匯水線(xiàn)、分水線(xiàn))，將生成的山谷線(xiàn)與山脊線(xiàn)融合，消除斜坡單元碎散面(面積<1 000 m2的碎散面)，最終得到的匯水線(xiàn)與分水線(xiàn)組成的區(qū)域?yàn)檫M(jìn)行預(yù)算分析的斜坡單元，斜坡單元面積宜為 0.005 0～0.15 km2(圖4)(宋高舉等，2015)。

(2)制作斜坡結(jié)構(gòu)。根據(jù)野外調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合區(qū)域地層產(chǎn)狀數(shù)據(jù)，分類(lèi)整理地層產(chǎn)狀并進(jìn)行塊狀結(jié)構(gòu)地層預(yù)識(shí)別(平原區(qū)、大面積水體不參與斜坡結(jié)構(gòu)分析)。① 對(duì)產(chǎn)狀發(fā)育較為規(guī)律(單斜)的層狀地層線(xiàn)進(jìn)行整理，根據(jù)接觸關(guān)系由老到新進(jìn)行類(lèi)高程賦值，轉(zhuǎn)為DEM柵格，生成坡向，即巖層傾向；② 對(duì)產(chǎn)狀較為凌亂的地層區(qū)采用反距離權(quán)重法進(jìn)行傾向插值分析，輸入的阻礙線(xiàn)可采用地質(zhì)構(gòu)造線(xiàn)(如斷層、背向斜軸線(xiàn)等)，將巖層傾向初始數(shù)據(jù)以地層分區(qū)為基礎(chǔ)疊加統(tǒng)計(jì)常見(jiàn)值(特征值)，形成以地層為單元的巖層傾向柵格數(shù)據(jù)；③ 將上述2種方法產(chǎn)生的柵格數(shù)據(jù)合并，得到完整的巖層傾向柵格，再與DEM生成的坡向柵格圖層進(jìn)行交角值柵格計(jì)算。

(3)土層厚度。根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS反距離權(quán)重法獲取區(qū)域土層厚度柵格數(shù)據(jù)。

(4)已發(fā)災(zāi)點(diǎn)面積占斜坡單元面積的比例。利用ArcGIS空間連接功能統(tǒng)計(jì)每個(gè)斜坡單元影響范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害面積總和與斜坡單元面積的比值。

(5)降雨強(qiáng)度。根據(jù)20年一遇的24 h降雨量生成20年降雨量柵格圖層。

(6)切坡文件。根據(jù)野外調(diào)查點(diǎn)記錄的切坡寬度，綜合建房切坡及公路切坡調(diào)查數(shù)據(jù)，生成切坡要素文件；以斜坡單元為單位，利用空間連接及屬性統(tǒng)計(jì)功能進(jìn)行單位面積切坡密度統(tǒng)計(jì)，生成切坡密度柵格文件。

(7)人口密度。利用ArcGIS空間連接功能，統(tǒng)計(jì)各斜坡單元影響范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)威脅人口與斜坡單元面積的比值。

(8)交通設(shè)施。對(duì)線(xiàn)性公路進(jìn)行緩沖區(qū)分析，其中，國(guó)道建議單側(cè)100 m，省道與城市道路建議單側(cè)80 m，一般道路建議單側(cè)50 m。

3 技術(shù)與方法

3.1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)及分區(qū)

分析三清山地區(qū)已有的1∶5萬(wàn)研究成果和數(shù)據(jù)資料，從研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害及野外調(diào)查地災(zāi)隱患點(diǎn)的現(xiàn)狀、形成機(jī)理及致災(zāi)因子出發(fā)，采用地形坡度、斜坡結(jié)構(gòu)、斜坡高差、工程地質(zhì)巖組、土層厚度以及災(zāi)點(diǎn)密度6項(xiàng)作為易發(fā)程度區(qū)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖5)。

基于地質(zhì)災(zāi)害屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，利用GIS平臺(tái)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)屬性(如災(zāi)害面積、受威脅人數(shù)等)及地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)和隱患點(diǎn)處的地質(zhì)環(huán)境特征數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、插值、分析、疊加運(yùn)算等處理，打分后得出各評(píng)價(jià)因子權(quán)重并計(jì)算單因子易發(fā)性指數(shù)(江西省自然資源廳，2022)(表1、圖6)。易發(fā)性指數(shù)A=∑評(píng)價(jià)因子×權(quán)重=地形坡度×0.20+斜坡結(jié)構(gòu)×0.10+工程地質(zhì)巖組×0.25+土層厚度×0.10+斜坡高差×0.15+已發(fā)災(zāi)點(diǎn)密度×0.20。其中，各個(gè)因子權(quán)重值之和=1，計(jì)算所得易發(fā)指數(shù)為1≤A≤4的小數(shù)。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)及分區(qū)

結(jié)合江西省地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)工作細(xì)則，評(píng)價(jià)指標(biāo)采用易發(fā)性指數(shù)、工況降雨量、切坡密度3項(xiàng)主要評(píng)價(jià)因子，根據(jù)其權(quán)重進(jìn)行疊加分析，得到三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)柵格(表2)。

危險(xiǎn)性指數(shù)A=(∑評(píng)價(jià)單元內(nèi)的易發(fā)性與切坡的特征值×易發(fā)性與切坡密度的貢獻(xiàn)值)×工況降雨強(qiáng)度特征值。

根據(jù)已發(fā)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及災(zāi)害隱患點(diǎn)分布和專(zhuān)家打分確定危險(xiǎn)指數(shù)分級(jí)：A≥4.7時(shí)為地質(zhì)災(zāi)害極高危險(xiǎn)單元，3.5≤A<4.7時(shí)為地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)單元，2.5≤A<3.5時(shí)為地質(zhì)災(zāi)害中危險(xiǎn)單元，A<2.5時(shí)為地質(zhì)災(zāi)害低危險(xiǎn)單元。制作危險(xiǎn)性分布圖(圖7)。

表1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)評(píng)價(jià)因子特征值及權(quán)重Table 1 Characteristic value of evaluation factor and weight value of geological disaster susceptibility factors in the study area

圖6 三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)Fig.6 Geological disaster susceptibility index of Sanqingshan area

表2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子分級(jí)特征值及權(quán)重Table 2 Classification characteristic value and weight value of geological disaster risk assessment factors in the study area

圖7 三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分布圖Fig.7 Risk distribution of geological disasters in Sanqingshan area

3.3 地質(zhì)災(zāi)害易損性指數(shù)及分區(qū)

易損性評(píng)價(jià)是對(duì)承災(zāi)體和人類(lèi)工程的評(píng)價(jià)，承災(zāi)體主要為建筑物和人口，人類(lèi)工程主要為交通設(shè)施，對(duì)此3個(gè)因子分別進(jìn)行易損性評(píng)價(jià)(表3)，根據(jù)權(quán)重進(jìn)行疊加分析得到承災(zāi)體易損性評(píng)價(jià)結(jié)果(圖8)，分為極高、高、中和低4個(gè)等級(jí)(唐緒波，2018)。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性分區(qū)

對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性和易損性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行等級(jí)賦值并疊加運(yùn)算，得到地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)柵格，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分矩陣劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn) 4 個(gè)等級(jí)(表4)，根據(jù)等級(jí)賦值制作三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)圖(圖9)。

表3 易損性評(píng)價(jià)因子分級(jí)特征值及權(quán)重Table 3 Classification characteristic value and weight value of vulnerability assessment factors

圖8 三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性分布圖Fig.8 Vulnerability distribution of geological hazards in Sanqingshan area

表4 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分矩陣Table 4 Matrix of geological disaster risk grade

圖9 三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性分布圖Fig.9 Risk distribution of geological disasters in Sanqingshan area

極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占整個(gè)研究區(qū)的20.7%，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占21.9%，中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占53.3%，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)占4.1%。極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在一級(jí)和二級(jí)公路且人口密度>0.001 人/m2所在的斜坡單元，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在高速和三級(jí)公路且人口密度為0.000 1～0.001 人/m2所在的斜坡單元，極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的共同特征為區(qū)內(nèi)人類(lèi)工程活動(dòng)較強(qiáng)，主要為道路及居民建房，地質(zhì)災(zāi)害主要誘發(fā)因素為降雨和人工切坡。三清山已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)和隱患點(diǎn)絕大多數(shù)分布在極高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，預(yù)測(cè)與實(shí)際基本相符。

4 結(jié) 論

(1)基于對(duì)江西三清山地區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景條件、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體的調(diào)查，分析了區(qū)內(nèi)現(xiàn)有崩塌、滑坡及泥石流災(zāi)害發(fā)育特征及其形成機(jī)制。對(duì)研究區(qū)滑坡、崩塌災(zāi)害發(fā)育的影響因子、承災(zāi)體組成要素進(jìn)行權(quán)重分析及賦值，運(yùn)用MapGIS和ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性及易損性評(píng)價(jià)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣得到地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性區(qū)劃。經(jīng)對(duì)比野外調(diào)查的已發(fā)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)和隱患點(diǎn)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，可為三清山地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考，指導(dǎo)防災(zāi)工作。

(2)以斜坡單元為三清山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的基本單元，與傳統(tǒng)的網(wǎng)格單元相比，更符合區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育狀況及環(huán)境，提高了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的精度。

(3)采用層次疊加和綜合指數(shù)模型等常規(guī)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，在評(píng)價(jià)指標(biāo)方面數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不夠，如易發(fā)性評(píng)價(jià)的野外調(diào)查地層產(chǎn)狀、土層厚度，常用空白區(qū)或稀疏區(qū)，運(yùn)用距離權(quán)重法進(jìn)行插值會(huì)降低易發(fā)性指數(shù)準(zhǔn)確性。在易損性評(píng)價(jià)中，受資料來(lái)源限制，評(píng)價(jià)指標(biāo)具有代表性但不夠全面準(zhǔn)確，如建筑物屬性個(gè)別缺失或與實(shí)際不符，導(dǎo)致易損性評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性降低。