基于GIS加權(quán)疊加的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

劉玉娟

(安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 地質(zhì)與建筑工程學(xué)院,安徽 合肥 230051)

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害的類(lèi)型有多種,無(wú)論是自然因素導(dǎo)致的還是人為因素誘發(fā)的,只要是對(duì)人民自身和財(cái)產(chǎn)造成威脅的災(zāi)難性地質(zhì)破壞都為地質(zhì)災(zāi)害,例如:泥石流、山體滑坡、地面塌陷,等[1].為最大程度降低地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的危害,地質(zhì)工作者們采用定量研究的方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生規(guī)律進(jìn)行研究.地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)定量評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型是區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵,也是區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的重點(diǎn)和難點(diǎn).目前區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中的方法主要有總體分析法[2]、加權(quán)疊加法[3]、Logistic回歸法[4]、信息量法[5]、聚類(lèi)分析法[6]、模糊綜合評(píng)判法[7]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[8],等.朱省峰等[9]針對(duì)定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)問(wèn)題進(jìn)行野外調(diào)查并對(duì)災(zāi)害出現(xiàn)頻率、分布等情況進(jìn)行研究,經(jīng)過(guò)一系列分析后發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率和地形狀態(tài)、地質(zhì)巖石形態(tài)、斷裂地質(zhì)構(gòu)造等致災(zāi)條件有密不可分的關(guān)系.張先敏等[10]利用國(guó)產(chǎn)資源系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)及DOM數(shù)據(jù)等遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型解譯.然而,運(yùn)用GIS加權(quán)疊加模型對(duì)定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)尚缺乏研究工作.

在總結(jié)前人研究資料以及定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查基礎(chǔ)上,文章以定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)為研究對(duì)象,采用ArcGIS 軟件將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因子進(jìn)行網(wǎng)格化分割,通過(guò)重分類(lèi)計(jì)算方法將因子賦值,最后采用加權(quán)疊加模型進(jìn)行易發(fā)性分區(qū)劃分.成果為定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)分區(qū)圖,可以為定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查工作及地方政府地質(zhì)災(zāi)害防治帶來(lái)指導(dǎo)意義.

1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害概況

定遠(yuǎn)縣位于安徽省中東部的丘陵區(qū)、江淮之間.野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育受區(qū)域地質(zhì)作用控制.地質(zhì)災(zāi)害主要分布在定遠(yuǎn)縣北部和東部的丘陵地區(qū),且?guī)r石風(fēng)化強(qiáng)烈的地帶;地面塌陷主要分布在東北部丘陵地區(qū)和定遠(yuǎn)城區(qū)的石膏礦區(qū)、東興的鹽礦區(qū);河流岸崩主要分布在大橋鎮(zhèn)至三和集鎮(zhèn)一帶的池河沿岸;不穩(wěn)定斜坡則分布于定遠(yuǎn)縣北部的丘陵地區(qū).定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)具體分布如圖1所示.導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的原因有很多,例如人為施工影響、地形地勢(shì)、降水情況、土層分布、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖土類(lèi)型、地質(zhì)變動(dòng),等[9].針對(duì)不同情況的地質(zhì)破壞性災(zāi)難問(wèn)題,區(qū)域致災(zāi)因素的影響程度各不相同.

圖1 定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)分布圖

2 評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)因子的選取

2.1 研究思路

內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用控制地質(zhì)災(zāi)害形成,同時(shí)還要考慮人類(lèi)工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)作用.定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)充分顧及災(zāi)害形成背景,采用加權(quán)疊加方法對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行計(jì)算分析.具體研究步驟:

(1)在對(duì)定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害形成背景外業(yè)調(diào)查基礎(chǔ)上,構(gòu)建易發(fā)性評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù),采用專(zhuān)家打分法將每個(gè)評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)分為5個(gè)等級(jí),接著對(duì)各等級(jí)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行加權(quán),同時(shí)賦予每一級(jí)強(qiáng)度指數(shù).

(2)將定遠(yuǎn)縣整體進(jìn)行劃分,分為50 m × 50 m的單元格.因?yàn)锳rcGIS具備將柵格圖像進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格化的功能,所以在分析時(shí)只需要處理該分辨率的柵格問(wèn)題.

(3)運(yùn)用ArcGIS將各等級(jí)評(píng)價(jià)因子按照50 m × 50 m的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行柵格化處理,接著通過(guò)重分類(lèi)方法為各等級(jí)評(píng)價(jià)因子提供合理正確的強(qiáng)度指數(shù)數(shù)據(jù).

(4)利用ArcGIS的柵格計(jì)算方法,加權(quán)計(jì)算各項(xiàng)數(shù)據(jù),最終得出總體柵格圖像,這一圖像中柵格權(quán)重?cái)?shù)據(jù)就是定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的分析數(shù)據(jù)值(A).

易發(fā)程度指數(shù)的通用表達(dá)式[11]為

將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度情況設(shè)為A;將評(píng)價(jià)因子的權(quán)重情況設(shè)為αi;將導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響因素設(shè)bi.

(5)根據(jù)易發(fā)性分區(qū)的分析數(shù)據(jù)值(A) 的高低,對(duì)定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性分區(qū).

2.2 評(píng)價(jià)因子選取

文章充分利用野外調(diào)查成果,從發(fā)育特征、基礎(chǔ)地質(zhì)因素和影響因素3個(gè)方面開(kāi)展評(píng)價(jià)工作.地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度屬于發(fā)育特征方面.基礎(chǔ)地質(zhì)因素一般為地形坡度、高程、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造.影響因素為人類(lèi)工程活動(dòng).充分考慮定遠(yuǎn)縣地理特征、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的可獲得性、空間分析的數(shù)據(jù)精度,在保證評(píng)價(jià)有效性的前提下,采用地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度、地形坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、高程、人類(lèi)工程活動(dòng)6個(gè)指標(biāo),作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因子.

2.3 評(píng)價(jià)因子分析

2.3.1 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度是指通過(guò)已有地質(zhì)災(zāi)害的空間分布情況去評(píng)估區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性[3].文章經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)查后總結(jié)出有關(guān)定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害的83個(gè)點(diǎn)位,根據(jù)ArcGIS 開(kāi)展點(diǎn)核密度狀況研究.根據(jù)不同地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的稀疏程度,將其分為4個(gè)區(qū)域.其中極高密度區(qū)域,強(qiáng)度定在5分,高密度、中密度、低密度以及極低密度區(qū)域強(qiáng)度依次減低,依次分別為4分、3分、2分以及1分.通過(guò)評(píng)分以及統(tǒng)計(jì),獲得反應(yīng)其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度評(píng)價(jià)的柵格圖形,如圖2所示.從中可以得出定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度情況(圖2a).

圖2 易發(fā)性評(píng)價(jià)因子分級(jí)圖

2.3.2 地形坡度

針對(duì)山地滑坡、地質(zhì)崩塌等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,坡度是非常關(guān)鍵的影響因素.同等情況下高坡度和低坡度所導(dǎo)致的災(zāi)害種類(lèi)、規(guī)模等亦是不同[3].按照災(zāi)害點(diǎn)在對(duì)應(yīng)坡度的分布情況,給予不同因子評(píng)價(jià)數(shù)值:坡度0°～<15°給予1分值,35°～<45°給予2分值,坡度15°～<25°給予3分值,坡度45°～<90°給予4分值,坡度25°～<35°給予5分值.通過(guò)定遠(yuǎn)縣DEM對(duì)坡度變化及大小進(jìn)行分析研究,最終得出坡度分區(qū)柵格圖,見(jiàn)圖2.

2.3.3 工程地質(zhì)巖組條件

工程地質(zhì)巖組情況的不同也會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率不同.通過(guò)分析定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的分布情況,對(duì)不同工程地質(zhì)巖組進(jìn)行劃分如圖2所示,可以看出定遠(yuǎn)縣北部山區(qū)的饅頭組泥頁(yè)巖夾中厚層灰?guī)r是地質(zhì)災(zāi)害容易發(fā)生的地層,縣域東部的變質(zhì)砂巖地質(zhì)災(zāi)害亦容易發(fā)生.在前人研究的基礎(chǔ)上[1],通過(guò)定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在每個(gè)工程地質(zhì)巖組的不同分布情況,給予不同的因子評(píng)價(jià)數(shù)值:將碳酸鹽巖巖組設(shè)為5分,其中多為寒武-奧陶紀(jì)堅(jiān)硬的中-厚層狀具軟弱夾層碳酸鹽巖;其中選擇元古界的堅(jiān)硬-較軟弱層狀千枚巖、變質(zhì)砂巖、變質(zhì)凝灰?guī)r為主淺變質(zhì)巖巖組設(shè)為4分;將碎屑巖巖組設(shè)為3分,多為白堊系的堅(jiān)硬-較軟弱中厚-巨厚層砂礫巖;侵入巖巖組2分,多為堅(jiān)硬塊裂狀花崗巖;噴出巖巖組1分,其中多為堅(jiān)硬塊裂狀玄武巖.

2.3.4 地質(zhì)構(gòu)造

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況還和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系.構(gòu)造程度較強(qiáng)的地區(qū),結(jié)構(gòu)面發(fā)育密集,從而出現(xiàn)巖石破裂的情況,破裂的巖石會(huì)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生造成間接性影響[9].以斷層線分別向兩邊設(shè)立0～<500 m,500～<1 000 m,1 000～<2 000 m,2 000～<3 000 m,>3 000 m共計(jì)5個(gè)緩沖區(qū)類(lèi)型.地質(zhì)構(gòu)造因子評(píng)價(jià)賦值為:0～<500得5分,500～<1 000得4分,1 000～<2 000得3分,2 000～3 000得2分,>3 000得1分,獲取地質(zhì)構(gòu)造評(píng)價(jià)分區(qū)情況如圖2(d)所示.

2.3.5 高程

高程是區(qū)域地貌的變化表現(xiàn),因此也體現(xiàn)了地貌對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與否的影響[5].定遠(yuǎn)縣的大部分地區(qū)屬于江淮波狀平原區(qū)地帶,只有池河?xùn)|側(cè)的部分地區(qū)屬于沿江丘陵平原區(qū)地帶.總體地勢(shì)呈現(xiàn)北部高于南部的形態(tài),北部地區(qū)多為地勢(shì)高低相間的丘陵,而南部地區(qū)則較為平坦,多為河谷型平原.從崩塌、不穩(wěn)定斜坡(不包括岸崩)分布高程看,高程0～180 m范圍內(nèi)均有災(zāi)害隱患點(diǎn)分布,其中高程50～200 m范圍內(nèi)隱患點(diǎn)最多,占隱患點(diǎn)總數(shù)的63.16%,主要是地形起伏大、人類(lèi)工程活動(dòng)強(qiáng)烈、切坡較多.所以可以發(fā)現(xiàn)高程是影響地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)頻率的重要因素.根據(jù)定遠(yuǎn)縣地貌特點(diǎn)和災(zāi)害地區(qū)的位置變化,將高程因子評(píng)價(jià)賦值:100～<200 m為5分,200～<400 m為4分,50～<100 m為3分,20～<50 m為2分,0～<20 m為1分,劃分結(jié)果如圖2(e)所示.

2.3.6 人類(lèi)工程活動(dòng)

隨著定遠(yuǎn)縣經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展,無(wú)論是大肆采礦,還是高速發(fā)展的城建建設(shè),均或多或少影響到了地表原始地質(zhì)情況,進(jìn)一步致使地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生.在這些工程中,影響最大的就是長(zhǎng)距離施工工程,例如公路、鐵路等[12].所以文章主要針對(duì)公共道路可能對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害造成的干預(yù)情況展開(kāi)探討,其中以省道及高速公路等道路中心為原點(diǎn),以500 m為距離間隔,共分為5個(gè)區(qū)域.將各區(qū)設(shè)為不同的數(shù)值,內(nèi)部向外部依次為5分、4分、3分、2分,至于不在緩沖區(qū)的區(qū)域,則是賦值為1分.

經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得人類(lèi)工程活動(dòng)因素評(píng)價(jià)分區(qū)情況如圖2(f)所示,從中可以清晰觀察出人為修建活動(dòng)的影響情況.

2.4 評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算及賦值

根據(jù)6個(gè)方面確定定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子情況,分別為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度、地形坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、高程、人類(lèi)工程活動(dòng),其權(quán)重總數(shù)量和為1.

參考不同方面影響程度的大小,根據(jù)專(zhuān)家打分法為各評(píng)價(jià)因子設(shè)立權(quán)重?cái)?shù)值,各參評(píng)因素賦值標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重分配見(jiàn)表1.

表1 定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評(píng)價(jià)中各參評(píng)因素賦值標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重分配表

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

基于計(jì)算得到的易發(fā)程度柵格圖像,統(tǒng)籌ArcGIS完成的加權(quán)疊加模型,同時(shí)借助自然間距分類(lèi)方法[3],劃分相對(duì)科學(xué)適宜的分區(qū)界限值,即高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、不易發(fā)4大區(qū)域類(lèi)型,劃分結(jié)果如圖3所示.

圖3 定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)評(píng)價(jià)圖

地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)總面積為200.66 km2,占全縣總面積的7.30%,主要分布在定遠(yuǎn)縣北部山區(qū),主要包括能仁鄉(xiāng)、永康鎮(zhèn)、西卅店鎮(zhèn)、定城鎮(zhèn)的部分區(qū)域.其地貌類(lèi)型主要為中高丘,地形起伏較大,災(zāi)害點(diǎn)密度極高.地層主要為寒武系饅頭組、張夏組、崮山組,白堊系張橋組,巖性以中-厚層狀具軟弱夾層的碳酸鹽巖巖組為主,局部具泥頁(yè)巖等軟弱夾層.地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育,斷裂總體走向20°左右,區(qū)域節(jié)理方向以近南北和東西向?yàn)橹?節(jié)理與北東向斷層及伴生結(jié)構(gòu)面吻合,基巖風(fēng)化程度較高,部分破碎不完整,遇強(qiáng)降雨易形成崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害.該區(qū)分布有泉塢山、中山等十余家采石場(chǎng),人類(lèi)工程活動(dòng)強(qiáng)烈,植被覆蓋受到破壞.此外,高易發(fā)區(qū)中還包括池河鎮(zhèn)東南部崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育,地層主要為中元古界北將軍巖組和西冷巖組,巖性以大理巖、千枚巖、凝灰?guī)r主,地貌類(lèi)型則是主要表現(xiàn)為高丘,其相對(duì)高差非常明顯,巖組抗風(fēng)化能力低,且軟化可能性較大,巖石風(fēng)化問(wèn)題較為嚴(yán)峻,存在著明顯的崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患.

地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)總面積為417.81 km2,占全縣總面積的15.21%,其重點(diǎn)位于高易發(fā)區(qū)以南區(qū)域,包括定遠(yuǎn)縣能仁鄉(xiāng)、永康鎮(zhèn)、西卅店鎮(zhèn)、定城鎮(zhèn)、范崗鄉(xiāng)、藕塘鎮(zhèn)、拂曉鄉(xiāng)和池河鎮(zhèn)的東部.地貌類(lèi)型為波狀平原,地形相對(duì)高差較小,屬于地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)高密度區(qū)和中密度區(qū).上覆土體為第四系松散層,巖性為白堊系張橋組石英砂巖、邱莊組砂礫巖、新莊組泥巖、砂巖為主.巖組巖石抗風(fēng)化能力較為遜色,一般風(fēng)化層厚度較大,有著明顯的易于軟化特征.該區(qū)有眾多石膏礦分布,采空地面塌陷,地質(zhì)災(zāi)害高發(fā).藕塘鎮(zhèn)與拂曉鄉(xiāng)一帶,由于人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)烈,表現(xiàn)為人工采砂和種植農(nóng)作物,區(qū)內(nèi)岸崩地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育.

地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)總面積為1 905.29 km2,占全縣總面積的69.36%,主要分布在爐橋鎮(zhèn)、朱灣鎮(zhèn)、嚴(yán)橋鄉(xiāng)、定城鎮(zhèn)南部一帶.地質(zhì)災(zāi)害非易發(fā)區(qū)總面積為223.33 km2,占全縣總面積的8.13%.上述兩區(qū)因?yàn)榈乇砩细餐馏w為第四系松散層,基巖出露較少,構(gòu)造發(fā)育不強(qiáng)烈,人類(lèi)工程活動(dòng)一般,以城鎮(zhèn)建設(shè)為主,地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā).

4 結(jié)論

(1)以詳細(xì)的野外地質(zhì)背景調(diào)查為基礎(chǔ),采用地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度、地形坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、高程、人類(lèi)工程活動(dòng)6個(gè)地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因子,構(gòu)建定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)體系.

(2)利用ArcGIS軟件對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行網(wǎng)格劃分、重分類(lèi)工具賦予各范圍評(píng)價(jià)因子的分?jǐn)?shù)、加權(quán)疊加工具賦予各因子權(quán)重值.易發(fā)性分區(qū)結(jié)果顯示,定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)占全縣總面積的8.13%,共223.33 km2;地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)占總體的69.36%,共1 905.29 km2;地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)占總體面積的15.21%,共417.81 km2;地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)占總體面積的7.30%,共200.66 km2.

(3)文章根據(jù)定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因子野外調(diào)查成果資料,構(gòu)建定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,采用ArcGIS的空間分析功能中的加權(quán)疊加模型進(jìn)行易發(fā)性分區(qū),成果可為1∶5萬(wàn)定遠(yuǎn)縣地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)工作提供依據(jù).