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    北京門頭溝區(qū)斜坡類突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害特征及影響因素分析

    2023-09-27 02:01:49郭英
    城市地質(zhì) 2023年3期
    關(guān)鍵詞:門頭溝區(qū)坡度滑坡

    摘 要:基于2004—2021年地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查資料,門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型有崩塌、地面塌陷、滑坡、泥石流,規(guī)模均為小型,王平鎮(zhèn)、大臺街道、妙峰山鎮(zhèn)分布密度較大。采用GIS技術(shù)、確定性系數(shù)模型等方法,對5項影響因素與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性進(jìn)行分析。分析結(jié)果顯示:坡度、道路修建、降雨以及高程為門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素;高程100~800 m范圍,微地貌坡度大于50°的斜坡為崩塌災(zāi)害易發(fā)區(qū)域;道路兩側(cè)<200 m范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點密度最大,隨著緩沖距離的增大,災(zāi)害點密度逐漸減小,道路修建對誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害起到促進(jìn)作用;降雨為誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素之一,降雨量>650 mm的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較大。

    關(guān)鍵詞:門頭溝;地質(zhì)災(zāi)害;影響因素;GIS技術(shù);確定性系數(shù)模型

    Characteristics and impact factors of abrupt slope geological disasters in Mentougou District, Beijing

    GUO Ying

    (Beijing Institute of Geological Hazard Prevention, Beijing 100120, China)

    Abstract: Based on the detailed survey data of geological disasters from 2004 to 2021, the geological disasters in Mentougou include such types as collapse, ground collapse, landslide and debris flow, mainly of small scales, but the distribution density is large in Wangping town, Datai street, and Miaofengshan town. Using GIS technology and determination coefficient model, the correlation between five impact factors and geological disasters is analyzed. The results show that: slopes with elevations between 100~800 m, and with microtopography slopes greater than 50° are prone to collapse disaster; the distribution density of geological hazard points is the highest within 200 m on both sides of the road; and with the increasing of the distance, the density gradually decreases; road construction plays a positive role in inducing geological disasters; rainfall is one of the main factors to induce geological disasters, and the occurrence probability of geological disasters is higher in regions with rainfall greater than 650 mm.

    Keywords: Mentougou; geological disasters; impact factor; GIS technology; CF model

    門頭溝區(qū)地處燕山臺褶帶之西山迭坳褶,燕山期經(jīng)歷了較強(qiáng)烈的構(gòu)造變形,形成了一系列大規(guī)模的褶皺構(gòu)造,斷裂構(gòu)造發(fā)育,地形切割強(qiáng)烈,巖石破碎,加之降水時空分布不均勻等自然條件的影響,以及人類活動帶來的破壞作用,曾多次發(fā)生崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等災(zāi)害(韋京蓮等,2001;程素珍等,2020;周立等,2020),給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)、交通水利、旅游設(shè)施和植被景觀等造成了一定的損失,是北京地區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害較多、災(zāi)害后果較嚴(yán)重的地區(qū)之一。

    近年來,多位學(xué)者在門頭溝區(qū)開展了地質(zhì)災(zāi)害研究工作。如:冉淑紅等(2013;2014)對門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患特征進(jìn)行總結(jié),采用層次分析法對其危險性進(jìn)行綜合評價,并根據(jù)易發(fā)程度進(jìn)行分區(qū);王珊珊等(2015)通過調(diào)查對門頭溝區(qū)泥石流隱患發(fā)育特征與巖石類型相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計分析,總結(jié)了泥石流隱患分布規(guī)律;孫佳麗(2018)對門頭溝區(qū)泥石流隱患分布特征及影響因素進(jìn)行分析,并提出臨界降雨量閾值。

    這些研究成果是基于地質(zhì)災(zāi)害隱患的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的,研究內(nèi)容部分以單災(zāi)種為研究對象,缺乏全區(qū)性地質(zhì)災(zāi)害影響因素相關(guān)性的分析。本文基于2004—2021年門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查資料,采用GIS、確定性系數(shù)模型方法,選取地形地貌、地層巖性、斷裂構(gòu)造、人類工程活動、降雨等5項影響因素,分析其與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性,為后續(xù)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性評價及防治提供依據(jù)。

    1? 研究區(qū)概況與地質(zhì)災(zāi)害特征

    1.1? 研究區(qū)概況

    門頭溝區(qū)位于北京西部山區(qū),面積1 455 km2。地處太行山脈與軍都山脈的交匯部位,以中低山地貌為主,總體呈西北高、東南低,海拔高度73~2 303 m,區(qū)內(nèi)98.5%為山地,由4列西南-北東走向的山系組成。地層出露較全,尤以中生界侏羅系最為發(fā)育,巖性以白云巖、砂巖、灰?guī)r為主,侵入巖以巖枝、巖株、巖床等形式零星分布,巖性包括輝長巖、花崗巖、花崗閃長巖等。區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造發(fā)育,是北京地區(qū)中生代向斜構(gòu)造規(guī)模較大、分布相對集中的地區(qū),其中以北東向褶皺規(guī)模較大,區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較發(fā)育,以北東向、北北東向為主。門頭溝區(qū)屬中緯度大陸性季風(fēng)氣候,全區(qū)年平均降水量約576.02 mm,降水量自東向西逐漸減少。區(qū)內(nèi)大部分屬永定河流域。

    1.2? 地質(zhì)災(zāi)害特征分析

    北京市于2004年成立第一支突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查隊伍,負(fù)責(zé)北京市地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查工作,本文基于2004—2021年排查成果,簡述該時段內(nèi)門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的概況。

    1)地質(zhì)災(zāi)害類型及規(guī)模

    2004—2021年門頭溝區(qū)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害119起,其中崩塌100起,占災(zāi)害總數(shù)84%;滑坡2起,占災(zāi)害總數(shù)2%;泥石流1起,占災(zāi)害總數(shù)1%;地面塌陷16起,占災(zāi)害總數(shù)13%。見圖1-a。

    地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模均為小型。崩塌、滑坡體方量1~3 600 m3,規(guī)模小型,其中方量小于100 m3的崩塌、滑坡災(zāi)害有51處,100~1 000 m3的有34處,大于1 000 m3的有5處。16處地面塌陷面積均小于0.1 km2,規(guī)模小型。1處泥石流沖出方量約5 000 m3,規(guī)模小型。見圖1-b。

    2)地質(zhì)災(zāi)害分布

    門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點密度為0.082處·km-2(圖2、表1),在大臺街道、妙峰山鎮(zhèn)、王平地區(qū)等10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)不同程度發(fā)育。王平地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害密度最大,為0.257處·km-2,大臺街道、妙峰山鎮(zhèn)點密度次之,潭柘寺鎮(zhèn)點密度最小,全區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點密度由大到小排序為:王平地區(qū)>大臺街道>妙峰山鎮(zhèn)>龍泉鎮(zhèn)>軍莊鎮(zhèn)>雁翅鎮(zhèn)>齋堂鎮(zhèn)>永定地區(qū)>清水鎮(zhèn)>潭柘寺鎮(zhèn)。

    崩塌在妙峰山鎮(zhèn)、雁翅鎮(zhèn)、齋堂鎮(zhèn)、清水鎮(zhèn)、大臺街道、王平等地區(qū)均有分布,2處滑坡分別分布于永定鎮(zhèn)、王平地區(qū),1處泥石流位于清水鎮(zhèn),地面塌陷主要分布于齋堂鎮(zhèn)、王平、龍泉鎮(zhèn)等地區(qū)。

    3)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情

    門頭溝區(qū)119處地質(zhì)災(zāi)害點規(guī)模小型,未造成人員傷亡,直接經(jīng)濟(jì)損失均<10萬元,主要災(zāi)情為因災(zāi)害發(fā)生造成道路全幅或半幅封閉,影響道路通行,災(zāi)情等級均為小型。

    2? 數(shù)據(jù)來源與研究方法

    2.1? 數(shù)據(jù)來源

    數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/),分辨率為30 m;坡度由DEM數(shù)據(jù)提取分析獲得;地層巖性及斷裂分布數(shù)據(jù)來源于北京市地質(zhì)研究所地質(zhì)圖;道路數(shù)據(jù)自門頭溝區(qū)1∶100 000地形圖提??;降雨數(shù)據(jù)來源于北京市氣象局;地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)通過北京市應(yīng)急調(diào)查大隊多年應(yīng)急調(diào)查報告統(tǒng)計獲得。

    2.2? 研究方法

    本文主要基于ArcGIS空間分析功能和確定性系數(shù)模型(CF)對門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律及影響因素進(jìn)行分析。

    1)ArcGIS技術(shù)

    通過ArcGIS中提取分析工具得到地質(zhì)災(zāi)害點位置處各影響因子的屬性,通過ArcGIS中歐式距離工具分析獲得斷裂、道路不同緩沖距離的分布,并統(tǒng)計分析不同距離范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點的分布。

    2)確定性系數(shù)模型

    確定性系數(shù)模型(CF)是一個概率函數(shù),可用于分析某一事件發(fā)生各影響因子的敏感性分析(梁麗萍等,2019)。CF函數(shù)具體表示為:

    :PPa為地質(zhì)災(zāi)害在因素a類中發(fā)生的條件概率,具體表示為因素a類中存在的地質(zhì)災(zāi)害個數(shù)與因素a類的面積的比值;PPs為地質(zhì)災(zāi)害在整個研究區(qū)中發(fā)生的先驗概率,具體表示為整個研究區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害的個數(shù)與研究區(qū)面積的比值。

    各影響因子的權(quán)重W i表達(dá)式為:

    式中:為影響因子i各區(qū)段范圍對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的確定系數(shù)的最大值;為影響因子i各區(qū)段范圍對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的確定系數(shù)的最小值,兩者差值可以分析各影響因子對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)度。

    3? 結(jié)果與討論

    崩塌、滑坡、泥石流與地面塌陷的機(jī)理和誘發(fā)因素不盡相同,本文僅對前3種斜坡類地質(zhì)災(zāi)害影響因素進(jìn)行分析。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育與其所處的地質(zhì)環(huán)境背景以及外部影響因素密切相關(guān),是地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、人類工程活動、降雨等因素共同耦合作用的結(jié)果(劉傳正,2014)。

    3.1? 地形地貌對地質(zhì)災(zāi)害空間分布影響

    1)海拔高程

    海拔高程是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生及分布的重要影響因素之一(黃潤秋等,2009;2013)。門頭溝區(qū)海拔高程為73~2 303 m,地貌類型屬山地地貌,自西北向東南逐次降低,中山分布在百花山—髫髻山—清水尖—妙峰山山系及以北廣大地區(qū),低山主要分布在九龍山—香峪梁—馬鞍山一帶,丘陵主要分布在清水河谷和永定河谷兩側(cè)和龍泉鎮(zhèn)、永定鎮(zhèn)周邊。

    門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害在不同海拔高程呈不均勻分布,見圖3-a和表2。地質(zhì)災(zāi)害主要分布在高程100~800 m范圍內(nèi),占災(zāi)害總數(shù)的91.26%。其中:高程200~<600 m,地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育,分布地質(zhì)災(zāi)害73處,占災(zāi)害總數(shù)的70.87%;高程100~<200 m,地質(zhì)災(zāi)害分布次之;高程600~<800 m,地質(zhì)災(zāi)害分布稍少;高程800~<1 500 m,地質(zhì)災(zāi)害分布較少,占災(zāi)害總數(shù)的8.74%;高程1 500~ 2 291 m,無地質(zhì)災(zāi)害分布。

    2)坡度

    坡度是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要影響因素(黃潤秋等,2007;黃潤秋等,2010;王歡等,2014),對坡體的應(yīng)力分布狀態(tài)、地表水徑流、地下水補(bǔ)給與排泄、松散物質(zhì)的堆積厚度等因素起著重要的控制作用。

    根據(jù)DEM數(shù)據(jù)提取坡度因子,考慮微地貌坡度DEM表達(dá)不全,故通過GIS平臺統(tǒng)計功能與實地調(diào)查相結(jié)合的方式,對不同坡度范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點進(jìn)行統(tǒng)計,詳見圖3-b及表3。門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害在60°以上坡度范圍內(nèi)分布最多,占災(zāi)害總數(shù)的74.76%,災(zāi)害類型全部為崩塌;50~<60°坡度范圍內(nèi)次之。全部崩塌分布在坡度為40°以上斜坡,2處滑坡分布在坡度為20~<40°斜坡。

    3.2? 地層巖性對地質(zhì)災(zāi)害空間分布影響

    地層巖性是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生發(fā)展的重要因素,不同類型的巖土體具有不同的物理力學(xué)性質(zhì),對地質(zhì)災(zāi)害的形成發(fā)育的影響也不同。

    通過GIS平臺統(tǒng)計分析門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育地層,災(zāi)害點與地層巖性分布關(guān)系見圖3-c,詳細(xì)統(tǒng)計見表4。門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在侏羅紀(jì)地層,災(zāi)害數(shù)量為47處,占總數(shù)45.63%,其次為二疊系及侵入巖地層,均占總數(shù)9.71%。其中崩塌主要分布地層為侏羅系、侵入巖以及二疊系,2處滑坡分別發(fā)育于二疊紀(jì)和奧陶紀(jì)地層,泥石流發(fā)育于侏羅紀(jì)地層。

    3.3? 斷裂構(gòu)造對地質(zhì)災(zāi)害空間分布影響

    門頭溝區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育,區(qū)內(nèi)發(fā)育一條大斷裂為沿河城斷裂,一般斷裂主要包括北東向斷裂和北北東向斷裂。斷裂不僅決定了形成地質(zhì)災(zāi)害的地形地貌條件,也為地質(zhì)災(zāi)害提供了物質(zhì)基礎(chǔ)(殷志強(qiáng)等,2013;許沖等,2012)。

    通過GIS平臺構(gòu)建斷裂帶4級距離緩沖區(qū),統(tǒng)計各級緩沖區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量,見圖3-d及表5。地質(zhì)災(zāi)害在不同距離緩沖區(qū)呈不均勻分布,斷裂帶兩側(cè)<500 m范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點分布密度最大,為0.103處·km-2,500~<1 000 m范圍內(nèi)密度次之,其余區(qū)域密度稍小。

    3.4? 降雨對地質(zhì)災(zāi)害空間分布影響

    降雨是地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因之一,短時間的強(qiáng)降雨或長時間的降雨浸潤都有可能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害(馬秀梅等,2019;王海芝等,2020;2022)。門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布與年平均降雨量的關(guān)系見圖3-e及表6。門頭溝區(qū)降水量最大區(qū)域675~ 686 mm范圍分布地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最多,密度最大,占總數(shù)33.98%;650~<675 mm范圍災(zāi)害數(shù)量次之,占總數(shù)19.42%,2個區(qū)域650~686 mm范圍分布地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量共計55處,占總數(shù)53.40%。其他降水區(qū)域呈差異性分布,625~<650 mm、475~<500 mm范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育。

    3.5? 人類工程活動對地質(zhì)災(zāi)害空間分布影響

    門頭溝有京拉路G109、南雁路S219、妙峰山路X002等多條主干公路,山區(qū)修建道路過程中開挖坡腳,形成大量陡峭邊坡,造成局部坡體臨空,巖體風(fēng)化加速,卸荷松動,為地質(zhì)災(zāi)害的形成創(chuàng)造條件。

    通過GIS平臺構(gòu)建道路5級距離緩沖區(qū),統(tǒng)計各級緩沖區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量,見圖3-f及表7。地質(zhì)災(zāi)害沿道路呈“串珠狀”分布,在不同距離緩沖區(qū)分布差異明顯,道路兩側(cè)<200 m范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點分布數(shù)量最多,密度最大,占總數(shù)68.93%,其次為200~<500 m范圍,占總數(shù)15.53%,隨著距離的增大,災(zāi)害點數(shù)量逐漸減少,密度逐漸減小,可見道路修建對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育有較大影響。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計,G109、S219、X002、X013道路為地質(zhì)災(zāi)害點較發(fā)育路段。

    3.6? 綜合討論分析

    采用確定性系數(shù)模型分析各影響因素對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)度,根據(jù)公式(1)對各影響因素CF值量化,運用公式(2)計算獲得各影響因素權(quán)重,見表8。由表8可見,影響因素權(quán)重值大小依次排序為:坡度>人類工程活動>降雨>高程>地層巖性>斷裂構(gòu)造,坡度、道路修建、降雨以及高程為門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素,坡度和高程為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)因條件,道路修建和降雨為主要的誘發(fā)因素。由前述統(tǒng)計及現(xiàn)場調(diào)查可知,門頭溝區(qū)崩塌災(zāi)害為主要的地質(zhì)災(zāi)害類型,占災(zāi)害總數(shù)82%,崩塌災(zāi)害均發(fā)生于坡度>40°坡體,大多分布于居民屋后或道路邊坡等人類工程活動較強(qiáng)之處,發(fā)生時間主要為6—9月降雨量較大時期,與計算結(jié)果較吻合。

    4? 結(jié)論

    1)門頭溝區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害類型有崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷,規(guī)模均為小型,災(zāi)情小型。王平地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害密度最大,大臺街道、妙峰山鎮(zhèn)點密度次之,潭柘寺鎮(zhèn)點密度最小。

    2)門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布由東向西北逐次減少,高程100~800 m、微地貌坡度大于50°斜坡為門頭溝地質(zhì)崩塌災(zāi)害的易發(fā)區(qū)域;災(zāi)害主要發(fā)育于侏羅系、侵入巖以及二疊系地層,占總數(shù)65.05%;地質(zhì)災(zāi)害在斷裂帶不同距離緩沖區(qū)呈不均勻分布,斷裂帶兩側(cè)<500 m范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點分布密度最大;降雨為誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素之一,降雨量>650 mm區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較大,密度最大,占總數(shù)53.40%;道路兩側(cè)<200 m范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點密度最大,隨著緩沖距離的增大,災(zāi)害點密度逐漸減小,道路修建對誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害起到促進(jìn)作用。

    3)運用CF模型分析影響因素對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻(xiàn)度,坡度、道路修建、降雨以及高程對門頭溝區(qū)地質(zhì)災(zāi)害貢獻(xiàn)度較大,對地質(zhì)災(zāi)害的影響較大,其次為地層巖性,斷裂相對影響較小。

    參考文獻(xiàn)

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    收稿日期:2023-01-09;修回日期:2023-03-15

    基金項目:北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急調(diào)查技術(shù)服務(wù)(11000022T000000439462)和北京地區(qū)典型滑坡預(yù)警示范研究(11000023T000002059415)聯(lián)合資助

    作者簡介:郭英(1984- ),女,碩士,高級工程師,從事地質(zhì)災(zāi)害研究工作。E-mail:254717739@qq.com

    引用格式:郭英,2023.北京門頭溝區(qū)斜坡類突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害特征及影響因素分析[J].城市地質(zhì),18(3):1-8

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