浙江省東陽市佐村鎮(zhèn)地質災害形成條件及易發(fā)性評價

雷天浩， 黃東榮， 聶文昌， 萬 川， 盧 凱

(1.江西省地質調查勘查院，江西 南昌 330000；2.東陽市自然資源和規(guī)劃局，浙江 東陽 322100)

我國是世界上地質災害發(fā)生較為頻繁的國家，由于地質環(huán)境的特殊性導致了地質災害的多樣性、易發(fā)性及區(qū)域變異性(劉傳正等，2020)。據(jù)調查，我國南方山地丘陵區(qū)地質災害的分布數(shù)量占全國地質災害總數(shù)的57%(鐵永波等，2020)。隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略深入實施，農村宅基地需求不斷增強，因建房切坡而形成的高陡人工邊坡，為崩滑地質災害的發(fā)生埋下了隱患。為了更好地開展地質災害防災減災工作，需進一步提高對山地丘陵區(qū)地質災害發(fā)育分布特征和規(guī)律的認識。近年來，我國逐步推進了大比例尺地質災害風險調查評價工作，為開展區(qū)域地質災害研究打下了堅實基礎。易發(fā)性評價是研究區(qū)域內多種地質災害影響因素綜合作用下發(fā)生地質災害的可能性(唐川等，2015；樊芷吟等，2018)，并為做好地質災害防治和采取針對性風險管控措施提供依據(jù)。筆者以浙江省東陽市佐村鎮(zhèn)為研究區(qū)，在區(qū)內地質災害風險調查評價成果基礎上，從區(qū)內地質災害的幾何特征、地質特征等入手進行分析研究，利用GIS技術開展地質災害易發(fā)性評價，并通過數(shù)據(jù)分析和實地核查驗證評價結果的可靠性，以期為研究區(qū)及類似區(qū)域開展地質災害防治工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

佐村鎮(zhèn)位于浙江省中部，隸屬于金華市東陽市管轄，是東陽市唯一山區(qū)建鎮(zhèn)，屬于南方丘陵切坡型城鎮(zhèn)；地處亞熱帶季風氣候區(qū)，雨量充沛，境內地形以丘陵為主，總體地勢南東高、北西低。

研究區(qū)中部及南東部地層主要出露白堊系下統(tǒng)西山頭組、高塢組，巖性主要為流紋質含角礫晶玻屑熔結凝灰?guī)r。北西部地層主要出露白堊系下統(tǒng)朝川組、方巖組，巖性主要為紫紅色厚層狀、塊狀礫巖、砂礫巖(圖1)。巖漿巖主要為與火山活動有關的次火山巖，發(fā)育在上村、佐村破火山口中。區(qū)內脈巖發(fā)育，以酸性脈巖為主，多沿斷裂構造分布，少數(shù)呈環(huán)狀分布于火山構造內部或邊緣。

圖1 佐村鎮(zhèn)地質簡圖

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 遙感解譯

通過2 m精度數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)、無人機三維傾斜攝影等多元數(shù)據(jù)，結合研究區(qū)地質背景及已知地質災害信息等資料開展遙感解譯，主要包括斜坡單元解譯等。解譯內容包含地形地貌、地層巖性及構造、植被、地質災害、人類工程活動及承災體等信息。

2.2 孕災地質環(huán)境調查

根據(jù)地形地貌、地層巖性等特征，參考行政區(qū)劃來劃分斜坡單元。斜坡單元上方及兩側以分水嶺、溝谷及鄉(xiāng)鎮(zhèn)界線為邊界，斜坡單元下方以可能影響的居民區(qū)、道路或河流等外側為界，并充分考慮微地貌特征，共劃分評價單元2 212個。孕災地質環(huán)境調查按斜坡單元逐坡進行。

2.3 地質災害點核查、調查及隱患點調查

對以往地質災害點及風險防范區(qū)進行核查，主要核實災害點地質環(huán)境條件、致災因素、受威脅對象、防治情況是否發(fā)生變化，并對災害點現(xiàn)狀穩(wěn)定性作出評價。針對新發(fā)現(xiàn)的地質災害點及隱患點填寫調查表，通過對災害發(fā)生的時間、基本特征、地質環(huán)境條件、變形活動歷史、造成的損失等綜合分析，來判定地質災害點及隱患點的穩(wěn)定性，圈定致災范圍和威脅對象。據(jù)統(tǒng)計，截至2021年10月，區(qū)內共分布崩滑流地質災害30處，其中滑坡19處、崩塌7處、泥石流4處，分別占總數(shù)的63.34%、23.33%、13.33%。

2.4 易發(fā)性評價

目前國內外對地質災害易發(fā)性評價常采用的方法主要有：信息量法(王雷等，2020)、支持向量機法(牛瑞卿等，2012)、Logistic回歸模型法(黃健敏等，2016)、證據(jù)權法(郭長寶等，2019)、綜合指數(shù)法(莊卓涵，2018)、專家打分法(牛全福，2011)、層次分析法(辛存林等，2020)、確定性系數(shù)法(劉月等，2020)、隨機森林(劉睿等，2020)等?？紤]到各個評價方法均有優(yōu)缺點，在不同地區(qū)、不同精度及不同數(shù)據(jù)量條件下，需要綜合考量，選擇最適合研究區(qū)實際情況的評價方法。根據(jù)過往研究發(fā)現(xiàn)，GIS技術的運用更有利于通過定量方法進行易發(fā)性評價。同時，以斜坡作為單元開展易發(fā)性評價可以提高與實際地形地貌的吻合度，更好體現(xiàn)區(qū)內地質災害的實際發(fā)育狀況(谷天峰等，2013)。本次研究借助GIS技術，采用以斜坡為單元的地質災害易發(fā)程度評價指標體系及量化分值，通過綜合指數(shù)法進行計算獲取易發(fā)性綜合指數(shù)，結合易發(fā)性程度分級標準確定評價結果。

3 結果與分析

3.1 區(qū)內地質災害發(fā)育特征

準確把握地質客體的空間分布，可以認識并掌握地質災害發(fā)生發(fā)展的條件和規(guī)律(汪民，2022)，進而分析不同要素對地質災害的形成分別造成的影響。通過本次研究發(fā)現(xiàn)區(qū)內已發(fā)生的地質災害具有規(guī)模小、分布廣等特點，地質災害的形成與其時空分布特征、地質環(huán)境背景、降雨及人類工程活動等存在緊密關系。

3.1.1 空間分布特征

區(qū)內地貌以侵蝕剝蝕丘陵和中低山為主，丘陵占全鎮(zhèn)總面積的65.34%，一般海拔120～410 m。低山占全鎮(zhèn)總面積的34.66 %，主要分布在南東地區(qū)。區(qū)內地形起伏較大，受流水的侵蝕作用影響，易滿足崩滑流的條件?；诰植课⒌孛蔡卣鲗Φ刭|災害形成的控制和影響，本次選取了海拔、坡度、坡向、坡形等4項對區(qū)內地質災害空間分布特征進行統(tǒng)計分析。

(1)海拔。對已有資料的統(tǒng)計(表1)表明，區(qū)內崩塌、滑坡、泥石流發(fā)生的海拔主要分布在300～500 m，占比約76.67%。這主要與該區(qū)間內村落較多、人口分布密度較大且植被較為發(fā)育有關。海拔小于300 m的區(qū)間地形起伏相對較小，發(fā)生崩滑流地質災害的概率相對較低。而隨著海拔高度的增加，地形陡峭、交通不便、土地貧瘠等不利因素會對農業(yè)生產等活動造成影響(孫超等，2020)。根據(jù)調查，區(qū)內海拔500～1000 m的區(qū)間人口分布密度相對小，人類工程活動不頻繁，發(fā)生地質災害的概率也隨之降低。

表1 地質災害與海拔高程關系

(2)坡度。從統(tǒng)計結果(表2)來看，佐村鎮(zhèn)已有的地質災害點發(fā)生的坡度分布范圍主要為25°～35°，占比約67%。通過對該坡度區(qū)間斜坡調查點的統(tǒng)計分析，結合實地觀察，發(fā)現(xiàn)此區(qū)間斜坡的覆蓋層厚度相對較大，松散物質較豐富，這為地質災害的形成提供了相應的物質基礎，因此發(fā)生地質災害的幾率相對較高。

表2 地質災害與坡度關系表

(3)坡向。斜坡由于朝向不同，山坡的小氣候和水熱等條件有著規(guī)律性的差異(薛強等，2015)。水熱條件的差異會導致斜坡土體含水量、風化程度不同，對地質災害的發(fā)生起到一定的影響作用(張茂省等，2008)。統(tǒng)計結果(表3)表明，佐村鎮(zhèn)的地質災害在北東向(22.5°～67.5°)、南西向(202.5°～247.5°)及北西向(292.5°～337.5°)坡最發(fā)育，達到16處，占53.33%。結合區(qū)內氣象條件分析，其原因主要與接受太陽輻射長短有關。此類斜坡接受太陽輻射時間短，對斜坡植被的生長發(fā)育造成不利影響，導致植被覆蓋率相對較低，受降雨帶來的影響更為顯著，易誘發(fā)地質災害。

表3 地質災害與坡向關系表

(4)坡形。斜坡體的坡面形態(tài)影響坡體內應力狀態(tài)、巖土體分布及水文地質條件，進而影響坡體的穩(wěn)定狀態(tài)。統(tǒng)計結果(表4)表明，區(qū)內有15處地質災害發(fā)生于凸型坡，占比約76.67%，證明坡形與地質災害的易發(fā)性之間存在明顯關聯(lián)，推斷是由于凸起部分的巖體應力集中現(xiàn)象明顯，造成坡體水平應力減弱，不利于穩(wěn)定。

表4 地質災害與坡形關系表

3.1.2 時間分布特征

根據(jù)收集資料，對佐村鎮(zhèn)已有地質災害的年際分布情況進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)災害主要發(fā)生在1989年、2012年和2016年，尤以1989年發(fā)生災害點最多。

從年內發(fā)生時間上看，佐村鎮(zhèn)的地質災害集中在7月，即每年的臺風季。整體趨勢上與全鎮(zhèn)的多年月平均降雨量的趨勢基本吻合(圖2)。

圖2 已發(fā)生地質災害數(shù)量與月平均降雨量趨勢分析圖

3.1.3 地層巖性與巖土體特征

地層巖性是崩滑流災害形成的物質基礎，地質災害活動與巖土類型、性質、結構具有特別密切的關系。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，地質災害點在白堊系下統(tǒng)西山頭組較軟弱層狀以凝灰質碎屑巖為主的巖組中分布最為廣泛，共發(fā)育13處，占總數(shù)的43.33%(表5)。該類巖性在研究區(qū)內分布最廣，巖組工程地質條件較差，巖石總體較破碎、風化較強，覆蓋層較厚，在強降雨條件下風化巖土體易失穩(wěn)。

表5 地質災害與工程地質巖組關系表

3.1.4 地質構造特征

地質構造對地質災害的形成發(fā)育有著重要的影響。區(qū)內構造形跡以斷裂為主，褶皺不發(fā)育，斷裂方向以NNE向、NW向為主，少量EW向，其中NE向斷裂以壓性為主，NW向斷裂以張性斷裂為主，EW向斷裂以壓扭性為主。通過對地質災害與斷裂構造分布關系及距離的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)區(qū)內地質災害的形成與地質構造關系密切。23處災害點與斷層距離小于500 m，占比約76.67%，大部分災害點均分布在斷層附近，特別是兩組斷裂交匯處。據(jù)此推斷：一方面是地質構造控制了地貌的形成發(fā)育。構造運動上升區(qū)山勢險峻，溝谷深切，臨空面發(fā)育，易發(fā)生滑坡等災害(焦洋，2019)；另一方面地質構造改變了巖土體的結構、物理性質和力學強度，斷裂構造部位巖石節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，風化強烈，形成較厚的松散堆積體。這為滑坡等地質災害的發(fā)生提供了結構和物質基礎(周曉亭等，2022)。

3.1.5 降雨特征

強降雨是誘發(fā)地質災害的直接因素之一。尤其是臺風造成的暴雨誘發(fā)型滑坡，是東南沿海地區(qū)地質災害的主要類型(趙陽等，2021)。佐村鎮(zhèn)年均降雨量為1 300～1 600 mm，受臺風及熱帶風暴的影響，區(qū)內降雨具有雨量集中、降水強度大、持續(xù)時間較長等特點。強降雨對斜坡的穩(wěn)定性影響較大，一方面是降雨產生的地表水對坡面會產生強烈的流水沖刷力，表層土體易被雨水沖刷，極易在強降雨作用下發(fā)生地質災害。另一方面是強降雨使巖土體含水量處于飽和狀態(tài)，增加巖土體重量并產生軟化作用，同時增加土體中孔隙水壓力，降低抗剪強度，從而導致地質災害的發(fā)生。

崩滑地質災害的產生常與暴雨頻次具有較好的一致性(林孝松等，2001)。通過對佐村鎮(zhèn)地質災害發(fā)生與降雨事件的對比分析，發(fā)現(xiàn)區(qū)內地質災害的發(fā)生大多與降雨事件相關。以往災害主要發(fā)生在7月份臺風強降雨季節(jié)。以1989年7月23日為例，當日1小時降雨量為40.7 mm，3小時降雨量為103.1 mm，6小時降雨量為161.9 mm，12小時降雨量為185.6 mm，24小時降雨量為238.8 mm，受此強降雨影響，發(fā)生地質災害11處。據(jù)此判斷降雨與地質災害的發(fā)生關系密切，是誘發(fā)區(qū)內地質災害的主因。

3.1.6 人類工程活動特征

研究區(qū)內民房分布較零散，人類工程活動較為強烈，主要表現(xiàn)形式為切坡建房和修路、土地開墾等。通過對區(qū)內地質災害點情況進行分類統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)有27處地質災害與人類工程活動有關。滑坡點17處，占滑坡點總數(shù)89.47%，其中7處與修路切坡相關，10處由建房切坡誘發(fā)。崩塌點6處，占崩塌點總數(shù)85.71%，均與人工切坡關系密切。根據(jù)現(xiàn)場調查，由人類工程活動造成的大量高陡切坡，破壞了斜坡原本的應力狀態(tài)，改變了應力平衡，而未得到有效支護的陡立邊坡，其坡體前沿處于臨空狀態(tài)，易產生邊坡失穩(wěn)。由此推斷人類工程活動是誘發(fā)區(qū)內崩塌、滑坡等地質災害的重要原因。

3.2 地質災害易發(fā)性評價

3.2.1 評價因子及權重

(1)評價因子。地質因素諸如地形地貌、地質成分結構和構造活動背景等，決定了地質災害的易發(fā)程度，因此評價因子的選取非常重要。本次共選取了坡度、坡向、高差、坡形、覆蓋層厚度、巖性與巖土結構、斜坡結構、與構造間距、切坡高度9項評價因子。

坡度、坡向、高差、坡形根據(jù)2 m精度數(shù)字高程模型(DEM)生成后提取數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析、野外復核；覆蓋層厚度、巖性與巖土結構、斜坡結構根據(jù)工程勘查及野外調查成果確定，其中覆蓋層厚度按最不利條件考慮取其最大值，巖性與巖土結構按最不利條件考慮取其最差的巖土結構類別；通過收集以往不同比例尺區(qū)域地質構造圖，結合遙感解譯、野外調查確定調查點與構造間距；人工切坡高度值根據(jù)野外調查數(shù)據(jù)獲取，按最不利條件考慮，一般取其中最大值，已支護的邊坡根據(jù)防護程度打折賦值。

(2)各指標賦值和權重值。各指標賦值及權重值詳見表6。分級標準、易發(fā)程度劃分標準主要參考《浙江省鄉(xiāng)鎮(zhèn)(街道)地質災害風險調查評價技術要求》(浙江省自然資源廳,2020)。

表6 地質災害易發(fā)程度評價指標體系及量化分值表

3.2.2 評價模型及標準

評價計算模型如下：

式中，Yi為第i個斜坡單元易發(fā)性綜合指數(shù)，F(xiàn)j為第i個斜坡單元第j類指標權重，Sj為第i個斜坡單元第j類指標賦值，n為項數(shù)，取值1～9。

通過計算可得到每個評價單元的易發(fā)性綜合指數(shù)值，根據(jù)分級標準(表7)對各評價單元地質災害易發(fā)程度等級進行分級。

表7 地質災害易發(fā)程度劃分標準表

3.2.3 評價過程及結果

①先確定研究目標并確定所需數(shù)據(jù)。②確定評價單元后，通過GIS平臺將數(shù)據(jù)資料進行數(shù)字化、格式轉換、投影變換、分層及屬性編碼等，建立圖層的空間數(shù)據(jù)庫。③根據(jù)研究目標的特征分析影響因素，建立層次指標模型和層次結構，構造判斷矩陣，對影響因素進行綜合評分并進行層次單排序、求解權向量和一致性檢驗，獲取各指標因素值。通過GIS空間分析功能，提取分析因子。④通過GIS對評價區(qū)域的矢量圖層進行屬性運算，柵格圖層進行重分類，將圖層的屬性提取到評價單元上，將各個評價單元按照數(shù)學模型進行屬性運算，生成斜坡易發(fā)性指數(shù)矢量圖層。根據(jù)計算獲得的易發(fā)性指數(shù)值的統(tǒng)計曲線特征和劃分要求，對易發(fā)性指數(shù)矢量圖層進行屬性運算，獲得易發(fā)性分區(qū)圖(圖3)。結合研究區(qū)野外實際調查情況進行驗證和分析，對各級別易發(fā)性分區(qū)進行統(tǒng)計分析，給出易發(fā)性分區(qū)說明。

圖3 佐村鎮(zhèn)地質災害易發(fā)性分區(qū)圖

評價結果顯示區(qū)內易發(fā)性共分為高、中、低、不易發(fā)4級，其中：高易發(fā)區(qū)面積15.78 km2, 主要分布在佐村鎮(zhèn)南東一帶(五豐村-五聯(lián)村-上村-石井坑-平坑村)，占斜坡單元總數(shù)的10.26%，占總面積的10.56%；中易發(fā)區(qū)面積53.46 km2，占斜坡單元總數(shù)的36.89%，占總面積的35.77%；低易發(fā)區(qū)面積79.51 km2，占斜坡單元總數(shù)的52.67%，占總面積的53.20%；不易發(fā)區(qū)面積0.71 km2，占斜坡單元總數(shù)的0.18%，占總面積的0.48%。

3.2.4 評價精度

按照評價模型計算出斜坡的易發(fā)性綜合指數(shù)，發(fā)現(xiàn)易發(fā)性綜合指數(shù)的分布與正態(tài)分布(圖4)接近，符合自然斷點法分級的適用范圍。

圖4 區(qū)內地質災害易發(fā)性綜合指數(shù)頻率圖

模型質量檢驗采用ROC曲線進行定量檢驗。ROC曲線作為一種結果評價方法，能準確地反映所用分析方法特異性和敏感度之間的關系，被廣泛應用于地質災害易發(fā)性評價中(Lee et al.，2010)。其曲線下方面積AUC為ROC曲線下與坐標軸圍成的面積，常被用來評價模型的精度,值越大表明模型評估效果越好(Chen et al.，2017)。AUC值為0.5～1.0，說明該模型是有效的(陳立華等，2020)，佐村鎮(zhèn)地質災害易發(fā)性評價的AUC值為0.915(圖5)，證明此次評價精度較高。結合歷史地質災害統(tǒng)計進行驗證，96.8%的歷史災害點位于所劃定的中、高易發(fā)區(qū)內，說明評價結果可靠。

圖5 地質災害易發(fā)性評價結果ROC曲線圖

4 結論

(1)研究區(qū)地質災害分布呈點多面廣的特點，發(fā)生時間主要集中于雨季、臺風季短時強降雨或連續(xù)降雨期間。區(qū)內地質災害形成過程中，地形地貌、地質構造、地層巖性等是主要的形成因素，人類工程活動是重要誘發(fā)因素，降雨是主要的誘發(fā)因素。

(2)區(qū)內地質災害易發(fā)性分為高、中、低、不易發(fā)4級，分別占研究區(qū)面積的10.56%、35.77%、53.20%和0.48%，高易發(fā)區(qū)主要分布于覆蓋層較厚及受構造活動影響強烈的山麓等地段，根據(jù)已有地質災害點及隱患點數(shù)據(jù)可知，絕大多數(shù)點位均位于本次評價的中、高易發(fā)區(qū)內，證明本次易發(fā)性評價結果具備可信度。

(3)針對研究區(qū)及類似地質條件區(qū)，削坡建房、工程建設應重點注意海拔高程為300～500 m，坡度為25°～35°，北東、南西、北西向的凸形坡，且盡量避開較軟弱層狀以凝灰質碎屑巖為主的巖組地段。