基于GIS分析的泰安市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價

蘇寶成　郝騏　伊麗　趙志偉　魏凱

摘要：泰安市地處魯中山區(qū)，山地丘陵廣泛分布，崩塌、滑坡、泥石流和巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育。本次研究依托新一輪1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險普查，基于ArcGIS平臺空間分析功能對高精度DEM、構(gòu)造、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、降雨及植被等數(shù)據(jù)分析和提取，利用信息量法和層次分析法分別對崩滑泥石流和巖溶塌陷易發(fā)性評價，以降雨作為危險性評價因子，綜合考慮人口和經(jīng)濟因素選擇用地類型作為易損性條件進行風(fēng)險區(qū)劃，最終劃分為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險高、中、低3個等級，為今后有效開展自然災(zāi)害綜合防治、銜接國土空間規(guī)劃和保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害；易發(fā)性評價；危險性評價；風(fēng)險性評價；泰安市

中圖分類號：P694文獻標(biāo)識碼：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.007

0引言

泰安市地處魯中山區(qū)，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境條件和頻繁的人類工程活動導(dǎo)致了泰安市地質(zhì)災(zāi)害比較發(fā)育［1］，泰山和徂徠山等山地丘陵區(qū)為崩塌滑坡泥石流易發(fā)區(qū)，山間及平原隱伏灰?guī)r區(qū)為巖溶塌陷易發(fā)區(qū)。本次研究依托1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險普查，在充分吸收以往工作成果基礎(chǔ)上，基于ArcGIS平臺空間分析功能對高精度DEM、地質(zhì)、降雨及植被等數(shù)據(jù)分析和提取，利用信息量法和層次分析法進行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價和區(qū)劃，更好地支撐地質(zhì)災(zāi)害防控方式逐步向“隱患點+風(fēng)險區(qū)雙控”轉(zhuǎn)變［2］，提升地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理水平。

1地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

泰安市現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點138處，其中崩塌49處，滑坡2處，泥石流50處，巖溶塌陷37處，規(guī)模以小型為主，數(shù)量占比95%以上。自1964年以來泰安市歷史上共出現(xiàn)過地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情152處，其中巖溶塌陷71處，泥石流51處，崩塌21處，滑坡9處。除2處泥石流災(zāi)情為大型、1處泥石流和1處巖溶塌陷災(zāi)情為中型外，其余148處災(zāi)情均為小型，小型災(zāi)情占比97%以上。

崩塌、滑坡和泥石流的分布受控于區(qū)域地形地貌［3］，分布位置上以泰山、徂徠山區(qū)及山前為主，其余主要分布在各低山、丘陵區(qū)。高發(fā)期在每年的6—9月，災(zāi)害發(fā)生頻率自6月份開始增加，在8月份達到峰值，到9月回落至低值。高強度降水、持續(xù)性降水［4］、極端規(guī)模降雨等天氣的出現(xiàn)會明顯加劇崩塌、滑坡和泥石流地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

巖溶塌陷的分布受控于覆蓋型可溶巖區(qū)分布［5］，在各個縣區(qū)均有災(zāi)害發(fā)生，主要分布于城區(qū)—舊縣、祝陽鎮(zhèn)二王安、東平縣大羊鎮(zhèn)西王村東王村、寧陽伏山鎮(zhèn)東代村、新泰市禹村鎮(zhèn)、宮里鎮(zhèn)馬家莊、果都鎮(zhèn)王家莊等13個塌陷區(qū)，累計形成大小塌坑近700個。發(fā)育過程主要為自然或人為因素的作用造成基巖面附近水動力條件改變，在覆蓋層內(nèi)形成土洞并不斷向上發(fā)展，最后覆蓋層頂部失穩(wěn)，發(fā)生崩落、坍塌，形成地表塌陷坑。常集中發(fā)生在6—8月份旱季后期和雨季，主要是因為旱季灌溉抽取巖溶地下水造成水位在基巖面附近劇烈波動和雨季大氣降水下滲補給巖溶地下水加劇土體沖蝕搬運，誘發(fā)巖溶塌陷［6］（圖1）。

2孕災(zāi)地質(zhì)條件

地形地貌、地層巖土體特征、地表植被和地質(zhì)構(gòu)造等是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的基礎(chǔ)因子，大氣降水、地震和人類活動為地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因子。

崩塌、滑坡和泥石流的分布受控于區(qū)域地形地貌，以中山最為發(fā)育，其次為丘陵和低山區(qū)。災(zāi)害的位置、運動方式和影響范圍等受坡形、坡度、高差等微地貌控制。巖溶塌陷多分布于山前沖洪積平原地帶，與第四系蓋層和下伏可溶巖巖性密切相關(guān)。

第39卷第6期山東國土資源2023年6月第39卷第6期技術(shù)方法2023年6月崩塌多發(fā)于塊狀堅硬侵入巖、變質(zhì)巖巖組；滑坡多發(fā)于低山丘陵殘坡積土石、破碎風(fēng)化巖巖組，其次為層狀軟弱破碎風(fēng)化碎屑巖巖組。泥石流物源主要為風(fēng)化殘坡積層，母巖為風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育的侵入巖、變質(zhì)巖，在分布位置上與崩塌、滑坡具有一致性。

區(qū)域性構(gòu)造通過控制地形地貌、地層巖性的發(fā)育進而影響崩塌、滑坡和泥石流的發(fā)育。節(jié)理、裂隙、軟弱結(jié)構(gòu)面等小微構(gòu)造直接影響崩塌、滑坡的易發(fā)程度。巖溶塌陷與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切，多沿斷裂構(gòu)造及其影響帶分布，尤其在斷裂交會部位更為密集，常成群成帶出現(xiàn)［7］。

單次過程性降水量大、降水強度高，或者持續(xù)性降水時間長，均會增加崩塌、滑坡和泥石流發(fā)生的可能性。大氣降水從地表土體下滲補給巖溶地下水過程沖蝕土體形成巖溶塌陷，地下水位波動也會導(dǎo)致巖溶塌陷。人類工程活動比如挖坡修路及建房使山坡坡腳前緣臨空，增加崩塌、滑坡發(fā)生的可能。低山丘陵區(qū)人類開墾坡田，為泥石流增加物源，同時本身也是受災(zāi)體。過量開采巖溶地下水曾導(dǎo)致巖溶塌陷多發(fā)。3地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價

3.1易發(fā)性評價

根據(jù)泰安地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特點選擇相應(yīng)的方法進行易發(fā)性評價：崩塌滑坡采用信息量法，泥石流、巖溶塌陷采用層次分析法。完成各災(zāi)種的易發(fā)性評價后進行疊加，得到綜合易發(fā)性評價結(jié)果。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的計算基于GIS平臺，步驟如下：

（1）劃分評價單元。崩塌、滑坡和巖溶塌陷以12.5m×12.5m柵格為單元，泥石流以斜坡單元為單元。

（2）確定評價指標(biāo)。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害主控因素，選擇易發(fā)性評價單因子指標(biāo)。

（3）制備單因子圖層。崩塌、滑坡采用信息量法計算單因子圖層信息量值，泥石流、巖溶塌陷采用層次分析法獲得各指標(biāo)因素權(quán)重和值。

（4）求取易發(fā)性指數(shù)。將單因子圖層按照評價模型進行屬性運算，采用信息量法時直接將各單因子圖層信息量值累加，采用層次分析法時將各單因子圖層的賦值和權(quán)重相乘后累加，得到易發(fā)性指數(shù)矢量圖層；

（5）劃分易發(fā)區(qū)。根據(jù)專家經(jīng)驗確定各易發(fā)性分級區(qū)間，結(jié)合野外調(diào)查情況進行驗證，完成易發(fā)性分區(qū)。

3.1.1崩塌滑坡易發(fā)性評價

針對崩塌和滑坡選取的評價因子主要有：地形地貌因素［8］（高程、坡度、坡向、起伏度）、地層巖性因素（工程地質(zhì)巖組）、地質(zhì)構(gòu)造（與斷裂距離）和自然環(huán)境（植被覆蓋率）。基于12.5m分辨率DEM數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)等，利用GIS工具將各因子劃分等級并計算信息量（表1）。

（1）高程。泰安市內(nèi)高程值448～1520m范圍的中、低山及丘陵區(qū)是崩塌滑坡主要分布區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度呈現(xiàn)與高程正相關(guān)的宏觀規(guī)律。

（2）坡度。不同的坡度范圍對應(yīng)的崩塌方式和發(fā)育密度均不同。坡度大于40°時，坡面凹凸不平、上陡下緩，以崩式為主、易彈跳。坡度25°～50°時，崩塌一般為滾落。坡度20°～30°時，危巖體多脫離母巖體呈壘卵狀疊置，以滑落為主。

（3）坡向。坡向決定了日照、植被發(fā)育和水熱氣候等條件的不同，進而影響巖體的風(fēng)化程度和穩(wěn)定性，因此坡向?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的影響不容忽視［9］。

（4）起伏度。地形起伏度是指某區(qū)域內(nèi)，最高點高度與最低點海拔差值，是描述一個區(qū)域地形特征的一個宏觀性的指標(biāo)。

（5）巖組。宏觀上，崩塌、滑坡的分布與巖性密切相關(guān)，塊狀堅硬侵入巖及變質(zhì)巖組為區(qū)內(nèi)易崩塌、滑坡巖組，超過90%的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害及隱患發(fā)生在該巖組中。此外，第四系松散巖組、堅硬—較堅硬的中厚—厚層狀灰?guī)r巖組也有少量崩塌、滑坡發(fā)生。

（6）與斷裂距離。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造控制了區(qū)域地形地貌，對地質(zhì)災(zāi)害的形成、發(fā)育有著重要影響。特別是構(gòu)造運動上升區(qū)為中低山丘陵區(qū)，山勢陡峻，溝谷深切，斷崖發(fā)育，是崩塌、滑坡災(zāi)害多發(fā)區(qū)。

（7）植被覆蓋率（EVI）。地表植被是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的基礎(chǔ)之一［10］，針葉林帶或無林帶、以及植被稀疏的寒武紀張夏組灰?guī)r“岱崮地貌”是崩塌隱患主要發(fā)育區(qū)，隱患點多、密度大，無植被斜坡直接接受降水沖刷，發(fā)生滑坡概率大。利用MODIS增強植被指數(shù)（EVI）數(shù)據(jù)計算。3.1.2泥石流易發(fā)性評價

泥石流易發(fā)性主控因素為地形和物源［1112］條件，地形條件評價指標(biāo)選擇主溝縱坡降、主溝長度、斜坡面積、斜坡平均坡度，物源條件指標(biāo)選擇工程地質(zhì)巖組、斜坡單元內(nèi)崩塌、滑坡易發(fā)性。單項評價指標(biāo)一般分為4個等級，依次賦值1、3、7、10，賦值越高，越利于泥石流發(fā)生（表2）。

在劃分斜坡單元時，以泰安市12.5m分辨率DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于ArcGIS軟件平臺進行斜坡單元劃分，基于斜坡單元劃分的關(guān)鍵值計算方法確定最佳分辨率、填洼閾值和集水面積閾值［13］，經(jīng)過人工合并、刪除修整一些不合理的邊坡后，將斜坡單元劃分結(jié)果與山體地形陰影圖、已知的地質(zhì)災(zāi)害點對比，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，劃分結(jié)果與地形的邊坡輪廓大致相符，能較好地體現(xiàn)斜坡的特征以及大小，且每個災(zāi)害點大致都分布在一個斜坡單元上；同時將斜坡單元劃分結(jié)果的邊坡輪廓線與衛(wèi)星遙感影像相疊加，將局部放大后可以看出劃分結(jié)果與實際地形較為接近，說明斜坡單元劃分結(jié)果較為合理，能夠滿足區(qū)域泥石流災(zāi)害的易發(fā)性評價要求。

3.1.3巖溶塌陷易發(fā)性評價

選取巖溶發(fā)育程度、覆蓋層特征和巖溶地下水動力條件［14］及巖溶塌陷發(fā)育現(xiàn)狀4項一級因子，對一級因子細化后選取巖溶水富水性、地質(zhì)構(gòu)造、蓋層結(jié)構(gòu)、蓋層厚度、巖溶水年變幅、地下水位與基巖面的關(guān)系、地下水開采模數(shù)及塌陷坑密度等8項二級指標(biāo)因子（表3）。

采用層次分析法（AHP）來確定影響權(quán)重，用GIS的模型計算功能，計算巖溶塌陷易發(fā)性綜合指數(shù)對覆蓋型巖溶區(qū)進行綜合評價，指數(shù)值越高，巖溶塌陷的易發(fā)性越高，根據(jù)易發(fā)性綜合指數(shù)范圍并結(jié)合專家經(jīng)驗進行易發(fā)性等級劃分。

3.1.4綜合易發(fā)性

在對崩塌、滑坡、泥石流和巖溶塌陷分別進行易發(fā)性后得到各自的易發(fā)性指數(shù)圖層，分別對其作歸一化處理，按照“兩兩相比取大值”的方法疊加［15］后得到綜合易發(fā)性指數(shù)，根據(jù)專家經(jīng)驗和實際情況劃分出易發(fā)性等級（圖2）。

3.2危險性評價

地質(zhì)災(zāi)害危險性是在某種誘發(fā)因素作用下，某一地區(qū)某一時間段發(fā)生特定規(guī)模和類型地質(zhì)災(zāi)害的概率，包含空間概率和時間概率2個要素，空間概率可用綜合易發(fā)性來表示，時間概率［16］可用誘發(fā)因素來表示。泰安市崩塌、滑坡、泥石流及巖溶塌陷的發(fā)生大都與降雨有關(guān)［17］，因此選擇降雨作為危險性評價的指標(biāo)，利用泰安市近5年內(nèi)的月平均降雨量數(shù)據(jù)獲得泰安市月平均降雨量分布圖，可以體現(xiàn)出泰安市近年來降雨變化趨勢，具有時間特性。將泰安市月平均降雨量進行歸一化處理，與綜合易發(fā)性指數(shù)進行疊加后，得到地質(zhì)災(zāi)害危險性指數(shù)并確定分級區(qū)間（表4），完成危險性分區(qū)（圖3）。

從危險性評價結(jié)果來看，泰安市地質(zhì)災(zāi)害危險性分為高、中、低三級，無極高危險性區(qū)。與地質(zhì)災(zāi)害綜合易發(fā)性分區(qū)相比，低危險區(qū)基本對應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害非易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)，高危險區(qū)基本對應(yīng)高易發(fā)區(qū)，中危險區(qū)對應(yīng)部分高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)。危險性分區(qū)呈現(xiàn)出這種特點的主要原因為泰安市降雨強度和頻率總體而言不是很高，因此和易發(fā)區(qū)疊加后無極高危險區(qū)；二是降雨分布具有區(qū)域差異性，高易發(fā)區(qū)疊加低降雨值厚危險性會降低。

3.3風(fēng)險性評價

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險指一定區(qū)域在一定時間段內(nèi)由于災(zāi)害發(fā)生可能導(dǎo)致的人員傷亡、財產(chǎn)損失，風(fēng)險評價是對具體的人員傷亡、財產(chǎn)損失進行量化評價的過程（圖4）［18］。通常將危險性和易損性作為判斷要素，以判斷矩陣來判定風(fēng)險性等級（表5）。

（1）針對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)范圍內(nèi)的承災(zāi)體進行易損性評價。對地質(zhì)災(zāi)害可能造成的人員傷亡、工程和財產(chǎn)等的破壞損失程度進行評價，要考慮人口和經(jīng)濟2個因素［19］，而人口密度和經(jīng)濟價值都與土地用途密切相關(guān)，因此對用地類型進行分類（表6）體現(xiàn)易損性的高低，并形成易損性評價圖層。

（2）根據(jù)判斷矩陣將危險性和易損性圖層進行疊加后得到風(fēng)險性評價圖，在此基礎(chǔ)上利用高分辨率衛(wèi)星影像、地形圖層等對風(fēng)險區(qū)災(zāi)害條件和承災(zāi)體進一步識別和確認，最終形成泰安市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果，將泰安市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性劃分為高、中、低3個等級（圖4）。從風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果來看，泰安市地質(zhì)災(zāi)害高、中、低風(fēng)險區(qū)面積占比依次為0.91%、6.93%、92.16%，絕大部分區(qū)域為低風(fēng)險區(qū)，與實際情況相符；崩塌、滑坡、泥石流中高風(fēng)險區(qū)主要分布在泰山、徂徠山及各縣丘陵山地區(qū)，巖溶塌陷中高風(fēng)險區(qū)在各縣區(qū)均有分布，與現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害及隱患分布情況基本一致，也說明了本次地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的合理性。

4結(jié)論

（1）基于GIS空間分析，崩塌、滑坡采用信息量法并選擇7項因子、泥石流和巖溶塌陷采用層次分析法分別選擇6項和8項因子，開展了易發(fā)性評價，以降雨作為危險性評價因子，綜合考慮人口和經(jīng)濟選擇用地類型作為易損性因子進行風(fēng)險評價，評價體系能較科學(xué)地反應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征和成災(zāi)規(guī)律。

（2）泰安市地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)分為高、中、低風(fēng)險區(qū)3個等級。其中高風(fēng)險地區(qū)面積占比例為0.91%，中風(fēng)險區(qū)面積占比6.93%，低風(fēng)險區(qū)面積占比92.16%。絕大部分地質(zhì)災(zāi)害及隱患點都分布在中、高風(fēng)險區(qū)內(nèi)，分區(qū)結(jié)果與實際情況吻合較好。

（3）風(fēng)險評價成果可用于“隱患點+風(fēng)險區(qū)雙控”，提升地質(zhì)災(zāi)害防治工作的科學(xué)性、有效性；銜接國土空間規(guī)劃，為保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

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Risk Assessment of Geological Disasters

Based on GIS Analysis in Tai'an City

SU Baocheng HAO Qi YI Li ZHAO Zhiwei WEI Kai

（1.Land and Space Ecological Restoration Center of Tai'an City，Shandong Tai'an 271000，China；2.No.5 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Taishan District Land Reserve and Development Center of Tai'an City，Shandong Tai'an 271000，China；3.Key Laboratory of Karst Collapse Control of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Bureau，Shandong Tai'an 271000，China）

Abstract：Tai'an city is located in the central mountainous area in Shandong province. Mountains and hills are widely distributed， and geological disasters， such as landslide， debris flow and karst collapse are well developed . In the past， many rounds of geological disaster investigation and verification have been carried out in Tai'an city. In this study， based on a new round of geological disaster risk survey with the scale of 1∶50000， analysis and extraction of high precision DEM， structure， engineering geology， and hydrogeology， rainfall and vegetation data based on spatial analysis function of ArcGIS platform， evaluation of susceptibility of debris flow and karst collapse by information method and hierarchical analysis， taking rainfall as a risk assessment factor， considering the population and economic selection of land types as vulnerability factors for risk regionalization，? geological disaster risks are divided into high level， medium level and low level.? It will provide a basis for effective prevention and control of natural disasters， territorial spatial planning and sustainable economic and social development.

Key words：Geological disasters；susceptibility assessment; danger assessment; risk assessment；Tai'an city