基于GIS的河南省電網工程地質災害風險區(qū)評價研究

孫才華,范小光,劉 強,方 林

(1.國網河南省電力公司,河南 鄭州 450052; 2.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司,河南 鄭州 450007;3.河南省自然資源監(jiān)測和國土整治院,河南 鄭州 450000)

電網工程安全對保障國家經濟發(fā)展和民生具有十分重要的意義[1-3]。河南省地質構造復雜,北部、西部、南部多為山地丘陵地形,滑坡、崩塌及泥石流等地質災害較多,東部平原地區(qū)分布著物理力學性質較差且地域性較強的特殊土,這些特殊巖土在地表水徑流、地下水和大氣降水等條件下,易于產生地質災害。加上近幾年來極端天氣的頻繁出現(xiàn),使得復雜地質條件下各種地質災害發(fā)生頻率大幅提高,對電網工程規(guī)劃建設造成的影響也日趨嚴重[4-6]。因此,有必要在電網工程規(guī)劃選址前進行區(qū)域性地質災害危險性評價。

地質災害的災種分布、災害生成制約因素、災害發(fā)生的時間與空間規(guī)律都具有較強的區(qū)域特征[7]。劉厚健等[8-9]歸納總結750 kV官亭—蘭州東輸電線路主要地質問題主要包括構造穩(wěn)定性、滑坡、泥石流、地裂縫、濕陷性等;李學豐等[10-11]對750 kV蘭州—銀川輸電線路的工程地質環(huán)境進行了評價,并指出黃土的濕陷性是該線的主要工程地質問題;高文龍[12]指出采空區(qū)穩(wěn)定變形對山西境內電網工程安全性的影響非常大。青?！鞑仉娋W工程的選線則主要考慮的是凍土和厚層地下冰的分布發(fā)育規(guī)律[13-14]。因此地質災害風險性評價往往需要根據電網工程所在區(qū)域的地質災害特點,對評價方法、評價指標、指標權重及風險等級等方面進行調整[15-17]。馮治學等[18]針對玉溪市電網遭受地質災害特點選取了7個評價指標,采用AHP和熵值法計算各評價指標的權重,并利用聚類分析法對電網地質災害脆弱性評價分級;黃冬梅等[19]利用空間插值、自然間斷點分級方法得到地質災害危害程度,然后通過主觀和客觀賦權相結合的方法確定各個影響因子的權重,通過采用Dijkstra算法得到最優(yōu)輸電線路路徑。

本文針對河南省的地質災害特點,綜合相關勘察數(shù)據,詳細分析影響河南省電網工程建設和安全運行的不良地質災害因素,建立河南省電網工程地質災害風險性評價指標體系,并開展不良地質災害危險性評價研究,研究結果將對河南省電網工程區(qū)域規(guī)劃及防災減災具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

河南省地形地貌如圖1所示。河南省境內平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%、17.7%。靈寶市境內的老鴉岔為全省最高峰,海拔2 413.8 m;最低處在固始縣的淮河出省處,僅23.2 m。省內地勢總體上西高東低,東部為黃淮海平原,地勢較為平坦,西北部為太行山地,南部主要是豫南山地,西部為豫西山地。河南省境內河流眾多,分屬黃河、淮河、長江及海河水系,由西向北、東、南呈放射狀分流。

圖1 河南省地形地貌Fig.1 Topography and landform of Henan Province

2 評價指標模型建立

2.1 評價方法

人工神經網絡模型一種優(yōu)秀的機器學習模型,被廣泛地應用于各類地質危險性評價和風險評估中[20],其流程圖如圖2所示。

圖2 人工神經網絡評價模型流程[21]Fig.2 Flow chart of artificial neural network evaluation model

本文運用newff函數(shù)建立神經網絡模型,人工神經網絡結構一般分為輸入層、隱含層和輸出層,各層之間通過節(jié)點間的連接權值依次連接。人工神經網絡的訓練過程主要有兩個過程組成,分別是信號的正向傳輸和誤差反向傳輸。其中各指標信號正向傳播,在輸入層輸入后,經過隱含層處理后到達輸出層。若在輸出層輸出的誤差過大,則需要把誤差反向傳播調整網絡的連接權值,使得誤差達到最小偏差信號。

2.2 評價指標選取

評價指標體系的建立是開展災害風險區(qū)評價工作非常重要的一步。在綜合分析河南省不良地質災害發(fā)育規(guī)律的基礎上,結合以往的工程經驗,總結出河南省電網工程災害風險性評價指標可以分為主導指標、觸發(fā)指標和潛在指標,如圖3所示。①主導指標。主導指標指對不良地質災害的發(fā)生起控制作用的指標,主要包括地形地貌、巖土體類型、水文地質條件和地質構造等。②觸發(fā)指標。觸發(fā)指標指能誘發(fā)不良地質災害發(fā)生的主要指標。常見有地震、降雨和人類工程活動等,人工工程活動主要包括植被覆蓋率、礦山和交通建設的情況。③潛在指標。潛在指標是根據已發(fā)生地質災害的強度來分析來今后地質災害發(fā)生的潛在危險性,主要考慮以往地質災害的規(guī)模和數(shù)量,常用災害點密度來表示。

圖3 地質災害風險性評價指標體系Fig.3 Index system of risk evaluation for geological hazard

3 評價指標模型建立

3.1 風險評價單元劃分

地質災害風險性評價單元的劃分計算結果具有很大影響?？紤]到柵格數(shù)據可以以矩陣的形式存儲在計算機中使得運算更準確迅速,因此本次采用柵格單元作為評價單元,根據經緯度在1∶50萬圖上對河南省國土面積進行單元網格剖分,剖分規(guī)格為0.6′×0.6′,剖分精度大致相當于1.1 km×1.3 km,共將全省剖分為163 504個單元格,以每個柵格單元作為一個最小的危險性評價單元,如圖4所示。

圖4 河南省網格剖分Fig.4 Grid division map of Henan Province

3.2 風險評價指標量化

考慮到工程地質災害評價指標中既有定量指標,還有定性指標,且各種指標間的單位差異較大,無法綜合評價同一目標。因此在評價計算前需要對評價指標進行歸一化處理。對于定量指標可采用公式(1)將指標的數(shù)值進行歸一化處理,將定量指標進行分級賦值。針對定性指標,可以根據指標大小與危險性的關系進行歸一化賦值,離地質構造、水系中心線和礦山越近,地質災害風險性越大,歸一化賦值趨于1,反之賦值趨于0。

式中,x′為評價指標歸一化處理后數(shù)值;max(xi)為評價指標量化的最大值;min(xi)為評價指標量化的最小值。

3.3 數(shù)據預處理

(1)災害密度。地質災害發(fā)育密度可以反映出區(qū)域地理與地質環(huán)境條件對地質災害發(fā)生的影響程度。統(tǒng)計河南省滑坡、崩塌以及泥石流的發(fā)育情況,并進行災害點密度分析,并根據式(1)進行歸一化處理,得到河南省滑坡、崩塌、泥石流的災害密度歸一化分區(qū)圖,如圖5所示。

圖5 地質災害密度歸一化分區(qū)Fig.5 Normalized zoning of geological hazard density

(2)坡高。坡高在某種意義上可以反映發(fā)生滑坡的危害程度。一般來說,斜坡越高,坡體的穩(wěn)定性就越差,發(fā)生滑坡的概率就越大。斜坡單元法劃分的每一個評價單元對應一個斜坡坡高,河南省邊坡的最高高度可達1 383.54 m[21],然后進行歸一化處理,如圖6(a)所示。

圖6 地質災害評價指標歸一化分區(qū)Fig.6 Normalized grading map of evaluation index of geological hazards

(3)坡度。陡峭的斜坡往往為崩塌滑坡的發(fā)生提供了有利的條件。研究區(qū)滑坡發(fā)生主要集中于坡度23°～53°,占比可58.21%,崩塌發(fā)生主要集中于坡度>61°,占比可達82.35%。圖6(b)為河南省斜坡坡度分布歸一化圖。

(4)坡面曲率。坡面曲率可以反映坡型對地質災害的影響,坡面曲率可以采用河南省DEM高程模型直接提取,如圖6(c)所示。

(5)巖土體類型。地層巖性是地質災害產生的物質基礎,一般來說,巖土體力學強度越高、完整性越好,地質災害發(fā)生的概率越小。依據巖性的堅硬程度以及完整性對每一巖土體賦值,河南省分布有巖漿巖、碳酸巖、碎屑巖、變質巖、黏性土、砂性土、礫質土和黃土類土,分別賦值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8,如圖6(d)所示。

(6)地質構造。地質構造發(fā)育地段,巖體結構相對較破碎,不良地質災害發(fā)育數(shù)量較多。根據研究區(qū)地質構造分布的實際情況,將斷裂影響范圍分5類,0～2.5、2.5～5、5～7.5、7.5～10、>10 km緩沖區(qū),分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,其歸一化分區(qū)圖如圖6(e)所示。

(7)河網水系。受到水動力作用的影響下,臨近河岸地帶易發(fā)生崩塌、滑坡等不良地質災害。以河網水系邊緣為軸線每隔0.5 km為一級向外側設置緩沖區(qū),即0～0.5、0.5～1、1～1.5、1.5～2、>2 km緩沖區(qū),分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,如圖6(f)所示。

(8)地震動峰值加速度。根據《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)可以確定出河南省地震動峰值加速度分別為0.05g、0.10g、0.15g、0.20g,按照危險性程度賦值為0.2、0.4、0.6、0.8,如圖6(g)所示。

(9)植被指數(shù)。植物的根莖有固定表層巖土體的作用,可以起到減緩坡面水流的流動速度和穩(wěn)固斜坡的作用。一般植被指數(shù)越大說明植被覆蓋程度越高,不良地質災害發(fā)育的程度越低。圖6(h)為河南省植被指數(shù)歸一化分區(qū)圖。

(10)降雨強度。降雨強度是誘發(fā)許多邊坡地質災害最直接的因素。河南省百年一遇24 h降雨量在150～600 mm,因此對降雨強度>400、300～400、200～300、<200 mm/d分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2,分布如圖6(i)所示。

(11)年均降雨量。年均降水量可以反映降雨的長期特征,有數(shù)據統(tǒng)計,不良地質災害的數(shù)量隨年均降水量的增加而有所增大,河南省的年降雨量在500～1 300 mm,圖6(j)為年均降雨量歸一矢量化后的分區(qū)圖。

(12)路網密度。路網密度可以反映出人類工程活動的強弱。路網密度主要考慮一些重要道路,河南省交通密度歸一化處理后如圖6(k)所示。

(13)礦山分布。采礦形成的采空區(qū)易誘發(fā)地面沉降及地裂縫等地質災害,從河南省1∶50萬地理地圖中提取礦山點狀地理實體,建立緩沖區(qū)進行空間分析,確定礦山對落災點的影響情況,對以下分級:0～250、250～500、500～750、750～1 000、>1 000 m緩沖區(qū),分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,如圖6(l)所示。

4 風險評價結果

評價計算主要通過計算機編程,將提取的地質災害風險評價指標歸一化后,作為人工神經網絡的輸入層,在給定初始權值后,選擇典型的評價單元,并將其的定性評價結果作為人工神經網絡的輸出層,進行網絡訓練,可以得出各評價指標的權重,見表1。

表1 評價指標權重值Tab.1 Weights of evaluation index

5 地質環(huán)境分區(qū)評價結果

在ArcGIS軟件平臺下,構建各影響指標柵格圖層,利用空間分析模塊中的柵格計算工具,對各影響指標的權重值在各統(tǒng)計單元進行加權疊加,對不良地質作用進行風險區(qū)劃,如圖7所示。從圖7中可以看出,河南地區(qū)大部分地區(qū)為無風險區(qū),其中無風險區(qū)和低風險區(qū)面積分別為117 974、12 654 km2,分別約占全區(qū)總面積的70.64%和7.58%,場地平坦,地基條件好,地質災害少。河南省中、高風險區(qū)面積分別為24 857、11 515 km2,約占河南面積的14.88%和6.90%,主要分布在西北部的太行山脈,豫南山地的大別山脈和豫西山地的伏牛山、外方山、熊耳山、嵩箕山、崤山,在電網工程規(guī)劃選址時要注意風險。

圖7 河南省不良地質作用綜合風險Fig.7 Grading map of adverse geological action assessment for Henan Province

6 結論

(1) 根據河南省地質環(huán)境條件,結合電網工程特點,考慮地質災害主導因素、觸發(fā)因素和潛在因素,選取了坡高、坡度、坡面曲率、巖土體類型、河網水系、地質構造、地震峰值加速度、植被指數(shù)、礦山分布、路網密度、年降雨量、降雨強度及災點密度等13個因素作為評價指標,利用人工神經網絡方法計算各評價指標的權重,并構建河南地質災害風險區(qū)評價模型。

(2) 河南省電網工程地質災害風險區(qū)評價結果表明:河南地區(qū)大部分地區(qū)為無風險和低風險區(qū),地質災害少,適宜電網工程的建設。地質災害危險性較高的地區(qū)主要分布在河南南部太行山脈、豫西和豫南地區(qū)。

(3) 電網工程地質災害風險區(qū)評價可反映出地質災害對電網工程活動的影響程度,評價結果可為河南省的電網線路規(guī)劃及防災減災工作提供理論依據和科學指導。