基于信息量法與斜坡單元的貴州省三都縣打魚鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

蘭中孝,鄭 冰,廖德武,張才兵,王 源,潘世佳

(1.貴州地礦基礎(chǔ)工程有限公司,貴州 貴陽 550081;2.貴州省地質(zhì)調(diào)查院,貴州 貴陽 550081)

0 引言

西南山區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱,地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育,嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。近年來,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)成為了眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn),也取得了豐碩的研究成果。

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)過程主要包括易發(fā)性、危險(xiǎn)性和易損性評價(jià)[2-4],評價(jià)方法和評價(jià)單元的選擇的選擇是評價(jià)的重要步驟。單一的評價(jià)模型有頻率比模型、證據(jù)權(quán)模型和信息量模型等[5],其中,操作方便和計(jì)算結(jié)果易于理解的信息量模型得到了廣泛的運(yùn)用,評價(jià)過程中避免了主觀判斷,較好地符合實(shí)際[6]。評價(jià)單元主要分為斜坡單元和柵格單元,評價(jià)單元的適宜性也受到了廣泛的討論,基于斜坡單元的評價(jià)結(jié)果預(yù)測精度較高[7]。本文以貴州省打魚鎮(zhèn)為研究區(qū),探討了信息量法與斜坡單元在小范圍地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中的適用性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省三都縣北部(圖1),地處云貴高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,地勢以丘陵地貌為主。氣候具有溫潤季風(fēng)氣候特色,四季分明,近20 a平均降水量為1 384.2 mm降雨充沛。地層從老到新,從前震旦系至第四系均有出露,巖性以頁巖、粉砂巖等軟質(zhì)巖為主。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育,受區(qū)域應(yīng)力的控制,呈南北展布。區(qū)內(nèi)地下水較為豐富,以松散孔隙水和基巖裂隙水為主。受孕災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件和降雨作用影響,研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度較高,通過資料收集和調(diào)查訪問,查明區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀及歷史地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)共計(jì)24處,均為滑坡,對人民生命財(cái)產(chǎn)安全有較大威脅。

圖1 交通位置圖

2 研究方法與評價(jià)單元

2.1 信息量模型

信息量模型因其計(jì)算簡便,評價(jià)結(jié)果精準(zhǔn),現(xiàn)已廣泛用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)中。反映地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的信息量是指特定區(qū)域(單元)內(nèi)每一影響因素對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性所起作用的大小,用條件概率表示:

(1)

式中:Nj為地質(zhì)災(zāi)害在Aj狀態(tài)下的單元數(shù);N為地質(zhì)災(zāi)害單元總;Sj為研究區(qū)內(nèi)j狀態(tài)下的單元數(shù);S為研究區(qū)的總單元數(shù)。Ij為正時(shí)表示該指標(biāo)促進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。

2.2 斜坡單元

斜坡單元是按照地形、地質(zhì)因素進(jìn)行劃分,保留了工程地質(zhì)條件基本特性的評價(jià)單元。基于研究區(qū)DEM,通過ArcGIS水文分析功能,先后經(jīng)過填洼,流向,流量,河網(wǎng)和分水嶺等相關(guān)計(jì)算,初步生成以山脊線和山谷線為界的斜坡單元?？紤]地質(zhì)構(gòu)造分界線、巖層分界線和斜坡結(jié)構(gòu)分界線等地質(zhì)界線,進(jìn)行人工手動(dòng)修正調(diào)整,最終形成單元內(nèi)部屬性一致,單元外部屬性相異的斜坡單元[8]。

研究區(qū)總面積為58.51 km2,共劃分174個(gè)斜坡單元。其中最小面積為0.01 km2,最大面積為1.67 km2,平均面積為0.34 km2(圖2)。

圖2 斜坡單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果圖

3 評價(jià)過程

3.1 易發(fā)性評價(jià)

3.1.1 評價(jià)指標(biāo)分析

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育受多種因素共同影響[9-12]。不同高程的植被類型、巖體風(fēng)化程度、坡體應(yīng)力可能有較大差別。巖組是地質(zhì)災(zāi)害的載體,不同類型的巖體孕育的災(zāi)害類型與易發(fā)程度也不一樣。剖面曲率能夠反應(yīng)斜坡的凹凸形態(tài),通過控制降雨的匯流和物質(zhì)運(yùn)移影響地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育。剖面曲率為負(fù)表示該處為凸地形,反之則為凹地形,為零時(shí)地形平直。平面曲率(垂直于最大坡度方向)能夠客觀反映斜坡平面特征,能夠間接反映斜坡的水文、水文地質(zhì)、演化變形趨勢與方向,這些都與斜坡地質(zhì)災(zāi)害的穩(wěn)定息息相關(guān)。平面曲率為負(fù)表示該處為凹地形,反之則為凸地形,為零時(shí)地形平直。坡度決定的斜坡的臨空條件和卸荷發(fā)育程度,對斜坡穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。水系對岸坡沖刷也會(huì)加速地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育。地質(zhì)構(gòu)造也可通過影響巖體節(jié)理和地貌等對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育起著重要的控制作用。高差是斜坡內(nèi)坡頂與坡腳最大的相對高程差,是劃分地貌類型的一個(gè)重要指標(biāo),同時(shí)也是反映地形起伏和切割程度的一個(gè)指標(biāo)。斜坡坡向與巖層層面、節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面的交切關(guān)系形成了不同的斜坡結(jié)構(gòu)類型,順層斜坡若具良好的臨空條件易發(fā)生滑坡,逆向斜坡的巖體結(jié)構(gòu)面在一定的組合條件下易發(fā)生崩塌,因此不同類型的斜坡結(jié)構(gòu)控制著地質(zhì)災(zāi)害空間分布和斜坡破壞模式。結(jié)合研究區(qū)地層巖性與產(chǎn)狀,斜坡結(jié)構(gòu)大致劃分為順向斜坡,逆向斜坡,橫向斜坡,斜向斜坡4類。

運(yùn)用ArcGIS軟件中的多元分析工具計(jì)算評價(jià)因子相關(guān)性矩陣,從而對初選因子進(jìn)行的共線性進(jìn)行分析,得到各因子相關(guān)系數(shù)表。兩組因子相關(guān)性系數(shù)絕對值越大,表示其相關(guān)性也越大。由表1可知,巖組與地質(zhì)構(gòu)造相關(guān)性系數(shù)為0.21,相關(guān)性較強(qiáng),水系和坡高也存在明顯相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)達(dá)到了0.23,予以剔除。綜上所述,根據(jù)研究區(qū)孕災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育實(shí)際情況,最終選擇高差、坡度、平面曲率、剖面曲率、巖組、斜坡結(jié)構(gòu)6個(gè)相互獨(dú)立的評價(jià)因子,構(gòu)建了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)體系。

表1 評價(jià)因子相關(guān)性矩陣分析表

3.1.2 信息量值計(jì)算

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布情況,對研究區(qū)各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級,得到了打魚鎮(zhèn)評價(jià)指標(biāo)分級圖(圖3)。通過信息量模型,計(jì)算各級指標(biāo)信息量值,結(jié)果見表2。將各指標(biāo)信息量值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加計(jì)算,采用自然間斷法劃分信息量總值,最終將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分為極高、高、中和低4級(圖3g)。

表2 評價(jià)指標(biāo)信息量值

表3 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級劃分表

表4 斜坡單元風(fēng)險(xiǎn)等級分布表

圖3 評價(jià)因子分級圖與易發(fā)性評價(jià)圖

3.2 危險(xiǎn)性評價(jià)

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)是在易發(fā)性評價(jià)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)主要是考慮地質(zhì)體的內(nèi)在特征,如坡度、高差、斜坡結(jié)構(gòu)等,而危險(xiǎn)性評價(jià)主要考慮外部誘因,如降雨、地震和人類工程活動(dòng)等。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,危險(xiǎn)性評價(jià)主要考慮降雨因素,基于易發(fā)性評價(jià)結(jié)果,聯(lián)合20 a一遇降雨工況得到了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)圖(圖4a)。

圖4 危險(xiǎn)性及易損性評價(jià)結(jié)果圖

3.3 易損性評價(jià)

承災(zāi)體易損性是指地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生時(shí),在一定范圍內(nèi)對承災(zāi)體可能造成的損失。承災(zāi)體的選擇主要考慮財(cái)產(chǎn)和人口兩個(gè)方面的因素,易損性的大小主要受當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)水平發(fā)展影響。在充分研究分析打魚鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害及其承災(zāi)體基本特征以及全面考慮研究區(qū)易損性評價(jià)的數(shù)據(jù)獲取的基礎(chǔ)上,選擇了人口、建筑物和道路指標(biāo),構(gòu)建了適合研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)指標(biāo)體系,結(jié)果見圖4b。

4 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果

基于研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和易損性評價(jià)結(jié)果,根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級矩陣判據(jù),得到了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級圖(圖5)。將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級劃分為極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)斜坡單元統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果圖

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)斜坡以中風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)為主,高風(fēng)險(xiǎn)斜坡個(gè)數(shù)為53個(gè),占研究區(qū)斜坡單元總數(shù)30.5%,主要分布在山區(qū)坡度較陡的斜坡,區(qū)內(nèi)主要發(fā)育頁巖、粉砂巖等軟巖,覆蓋層也相對松散,在降雨影響下易發(fā)生殘坡積層內(nèi)部或沿著層間軟弱面的滑坡。中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要位于河道兩岸和山前平緩地區(qū),占比41.4%,分布面積最廣,由于其地勢相對較為平緩,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生程度較弱,因此風(fēng)險(xiǎn)相對較低。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)斜坡發(fā)育20處滑坡,中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)發(fā)育5處,其余風(fēng)險(xiǎn)區(qū)未見地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。

5 結(jié)語

(1)根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律初步選取了評價(jià)指標(biāo),利用ArcGIS多元分析工具分析了指標(biāo)相關(guān)性,建立了一套科學(xué)的評價(jià)指標(biāo)體系。

(2)按照相似性的原則完成了研究區(qū)斜坡單元?jiǎng)澐?并基于斜坡單元與信息量法,在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)的基礎(chǔ)上,進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和易損性評價(jià),得到了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)圖。評價(jià)結(jié)果與實(shí)際保持一致,為區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)提供了重要的參考依據(jù)。