基于GIS 的甘肅省東鄉(xiāng)縣鎖南鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

趙欣 陳寧

（1 甘肅省有色工程勘察設(shè)計(jì)研究院 甘肅蘭州 730000 2 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 甘肅蘭州 730070）

地質(zhì)環(huán)境是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，由于環(huán)境惡化或人類不合理的開發(fā)利用導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重破壞人類賴以生存的環(huán)境，并且造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失［1］，尤其在我國(guó)西北地區(qū)發(fā)生頻率較高［2］，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理難度較大［3］。東鄉(xiāng)族自治縣位于甘肅省中部西南面，臨夏回族自治州東北部，以東鄉(xiāng)族發(fā)祥地和絲綢古道南路上的重要通道而聞名，是全國(guó)唯一的以東鄉(xiāng)族為主體的少數(shù)民族自治縣。然而，區(qū)內(nèi)溝壑密集，地形坡度較大且坡形、坡向多變，植被覆蓋率低，雨季集中，暴雨頻發(fā)，水土流失嚴(yán)重，加之區(qū)內(nèi)特殊的黃土—泥巖組合的巖土體發(fā)育，崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，嚴(yán)重影響著境內(nèi)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全［4］。因此，如何選擇合適的災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法，建立評(píng)價(jià)模型，劃分研究區(qū)內(nèi)危險(xiǎn)區(qū)域和易發(fā)性等級(jí)，為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的指導(dǎo)，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

1 研究區(qū)概況

鎖南鎮(zhèn)位于東鄉(xiāng)縣中部黃河上級(jí)支流巴謝河上游，臨夏盆地北緣，地勢(shì)為黃土覆蓋的殘梁及溝谷呈放射狀向四周延伸，區(qū)內(nèi)出露地層主要為新近系臨夏組泥巖、砂巖與第四系黃土。

1.1 氣象

研究區(qū)地處黃土高原和青藏高原過渡地帶，屬溫帶半干旱氣候。區(qū)內(nèi)多年平均降水量536 mm，24 h 最大降水量64.7 mm（1970 年8 月18 日），1 h 最大降水量45 mm，降水主要集中于6—9 月，占全年降水總量的70.4%，多年平均蒸發(fā)量為1 421.2 mm，是年均降水量的2.6 倍。降水多以暴雨和連陰雨的形式出現(xiàn)，年均暴雨天數(shù)2.9 d，最長(zhǎng)連續(xù)降雨天數(shù)15 d，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度120 cm。

1.2 地形特征

鎖南鎮(zhèn)地處東鄉(xiāng)縣中部，屬黃土丘陵地貌區(qū)，高程［2 068.1，2 460.3］ m，高差達(dá)［150，200］ m，基本形成以鎖南鎮(zhèn)為中心，黃土覆蓋的殘梁及溝谷呈放射狀向四周延伸的地勢(shì)特征。地貌類型決定了地形的此起彼伏，呈現(xiàn)出地形坡度、坡形、坡向的多變性。

1.2.1 坡度特征

利用1∶1 萬DEM 數(shù)據(jù)對(duì)東鄉(xiāng)縣鎖南鎮(zhèn)地形進(jìn)行坡度因子提取，東鄉(xiāng)縣鎖南鎮(zhèn)坡度［0°，5°）的面積占9.8%；［5°，10°）的面積占6.3%；［10°，15°）的面積占17.9%；［15°，20°）的面積占18.1%；［20°，25°）的面積占12.7%；［25°，30°）的面積占10.1%；［30°，35°）的面積占9.1%；［35°，45°）的面積占12.7%；［45°，55°）的面積占3.1%；坡度≥55°地段極少，多為陡崖、斷壁，由于坡度過大，投影在平面上面積較小，僅占0.2%。

1.2.2 高差特征

區(qū)內(nèi)斜坡坡高以 ［30，120）m 居多，占全區(qū)域面積的86.64%，其中坡高＜60 m 的地形占全縣總面積的47.46%，坡高［60，120）m 的地形占46.93%，坡高≥120 m 的占5.61%。這一比例也側(cè)面反映出本區(qū)溝谷發(fā)育，大部分地帶斜坡體高差較大，具有臨空面，為滑坡、崩塌的形成提供了非常有利的地形條件，是區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的重要因素之一。

1.3 地貌類型與特征

研究區(qū)地處黃土丘陵地貌單元內(nèi)，鎖南鎮(zhèn)及其周邊呈溝梁相間的地形特征，梁頂起伏不大，總體呈緩坡狀的起伏形態(tài)，高差一般在［20，30］ m，寬［100，200］ m。研究區(qū)四周溝谷較發(fā)育，其溝谷底部與梁頂相對(duì)高差［150，200］ m，溝谷多呈“V”型，兩側(cè)坡度多在［20°，45°］，受雨水沖刷作用影響，近溝腦地帶側(cè)蝕和向源侵蝕嚴(yán)重，梁頂完整性較差，大部分地段已成為峁?fàn)畹匦?。原地形溝谷侵蝕切割強(qiáng)烈，梁頂完整性差，受人工改造作用大部分地段已成為階狀地形。

1.4 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯，以垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，形成典型的黃土溝壑地形。區(qū)內(nèi)各河谷形成多級(jí)階地，階地多呈基座式，且在各河谷兩岸分布呈不對(duì)稱性，表現(xiàn)為震蕩性及差異性抬升。新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為本區(qū)滑坡的形成奠定了基礎(chǔ)。

1.5 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

根據(jù)調(diào)查資料，研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育有滑坡（潛在滑坡）和崩塌（潛在崩塌）2 大類共170 處地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，其中滑坡（潛在滑坡）94 處，占比55%；崩塌（潛在崩塌）66 處，占比45%?；拢撛诨拢┢拭嫘螒B(tài)多以“階梯型”為主，按照物質(zhì)組成可分為土質(zhì)滑坡（主要為黃土滑坡和殘坡積層滑坡）、巖土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡（泥巖滑坡）3 類；按照滑體厚度可分淺層滑坡{［0，10）m}、中層滑坡{［10，25）m}、深層滑坡{［25，50）m}和超深層滑坡（≥50 m）。區(qū)內(nèi)崩塌（潛在崩塌）剖面形態(tài)多以“直線型”為主，以人工斜坡為主，自然斜坡次之，人工斜坡坡寬數(shù)米至數(shù)十米不等，坡高［5，30］ m，坡度一般［50°，85°］；自然斜坡一般坡寬數(shù)十米至數(shù)百米不等，坡高［50，200］ m 不等。

2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)方法

2.1.1 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

本文通過對(duì)研究區(qū)的已發(fā)生滑坡災(zāi)害的規(guī)模、大小、地形特征、坡度、巖性等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并依據(jù)滑坡形成條件，選擇地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu)類型、坡度、坡高和斜坡變形破壞特征等5 項(xiàng)影響因素（表1）采用易滑分值法進(jìn)行滑坡易發(fā)程度綜合評(píng)判，滑坡易滑性分值計(jì)算見式（1）。

表1 滑坡易發(fā)程度量化評(píng)分表

式中：E滑表示滑坡易滑性分值；xi表示滑坡易發(fā)性影響因素；ai表示xi影響因素的權(quán)重。根據(jù)E滑值將滑坡易發(fā)性分為4 級(jí)：E滑≥25 對(duì)應(yīng)高易發(fā)區(qū)，E滑=［20，25）對(duì)應(yīng)中易發(fā) 區(qū)，E滑=［15，20）對(duì)應(yīng)低易發(fā)區(qū)，E滑＜15 對(duì)應(yīng)不發(fā)育區(qū)。

2.1.2 崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)

本文通過對(duì)研究區(qū)的已發(fā)生崩塌災(zāi)害的實(shí)際情況和具體特點(diǎn)，最終確定崩塌形成的地形坡度、坡高、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及發(fā)生頻率等5 項(xiàng)影響因素（表2）進(jìn)行潛崩易發(fā)程度綜合評(píng)判，潛崩易發(fā)性分值計(jì)算見式（2）。

表2 崩塌易發(fā)程度量化評(píng)分表

式中：E崩表示崩塌易發(fā)性分值；xi表示崩塌易發(fā)的影響因素；ai表示xi影響因素的權(quán)重。根據(jù)E 崩值將崩塌易發(fā)性分為4 級(jí)：E崩≥25對(duì)應(yīng)高易發(fā)區(qū)，E崩=［20，25）對(duì)應(yīng) 中易發(fā)區(qū)，E崩=［15，19）對(duì)應(yīng)低易發(fā)區(qū)，E崩＜15 對(duì)應(yīng)不發(fā)育區(qū)。

2.1.3 易發(fā)性分區(qū)

根據(jù)易發(fā)性評(píng)價(jià)方法評(píng)判出每個(gè)評(píng)價(jià)單元的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度，并將其劃分為A、B、C、D 4 類，分別表示地質(zhì)災(zāi)害高、中、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)，若有2 種或2 種以上的地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)重疊時(shí)，則取值為4（表3）。

表3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度取值表

2.2 評(píng)價(jià)單元

根據(jù)甘肅省 《重要城鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃技術(shù)導(dǎo)則》，將研究區(qū)的每個(gè)斜坡單元滑坡體和崩塌體視為一個(gè)完整對(duì)象，將災(zāi)害體以外的斜坡帶、沖溝及其鄰近的地質(zhì)環(huán)境背景相似的區(qū)域劃分為一個(gè)評(píng)價(jià)單元，以研究區(qū)地理底圖為基礎(chǔ)，充分考慮“區(qū)內(nèi)相似、區(qū)際差異”原則和地質(zhì)環(huán)境條件的差異性，將研究區(qū)劃分為不同的評(píng)價(jià)單元。對(duì)于地質(zhì)環(huán)境條件相同的單元，可將單元合并；反之，地質(zhì)環(huán)境條件變化明顯的單元，可將評(píng)價(jià)單元進(jìn)一步細(xì)劃，主要根據(jù)單元內(nèi)致災(zāi)體的類型、特征、空間密度等，以使評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理。

按照上述劃分原則，結(jié)合已確定的170 處地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)和區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境條件，以鎖南鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)斜坡地帶為評(píng)價(jià)重點(diǎn)，并兼顧現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害和潛在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征，按照上述劃分方法，將研究區(qū)劃分成200 個(gè)評(píng)價(jià)單元。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述易發(fā)性評(píng)價(jià)方法，在定性分析和定量計(jì)算的基礎(chǔ)上，斜坡區(qū)評(píng)價(jià)單元與區(qū)內(nèi)災(zāi)害體評(píng)價(jià)單元采取 “就高原則”，即當(dāng)定性分析的和定量計(jì)算得出的評(píng)價(jià)結(jié)論不一致時(shí)，取二者中的較高等級(jí)。將研究區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不發(fā)育區(qū)。其中，地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)面積占比最大約7.81 km2，高易發(fā)區(qū)面積3.089 km2，低易發(fā)區(qū)面積2.44 km2，不發(fā)育區(qū)面積0.75 km2（表4）。

表4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)區(qū)劃結(jié)果

3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

基于目前各類危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及鎖南鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征，本文在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，以斜坡單元作為評(píng)價(jià)重點(diǎn)，兼顧現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害和潛在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)特征，通過對(duì)坡體失穩(wěn)范圍的計(jì)算，考慮條件概率和動(dòng)態(tài)變化過程，得出危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果。

3.1.1 滑坡（潛在滑坡）威脅范圍

對(duì)于斜坡變形的危害主要為其前緣危害區(qū)和其本身，在評(píng)價(jià)時(shí)，確定不同規(guī)模、頻率地質(zhì)災(zāi)害危害區(qū)范圍?；轮苯踊蜷g接的最大影響范圍包括滑動(dòng)區(qū)、滑體堆積區(qū)、裂縫區(qū)和堵斷河流的影響區(qū)。其堆積危害區(qū)范圍確定可按公式估算法計(jì)算。

（1）水平滑移距離?；虑熬壔泼娴淖畲笸{距離，即為滑體影響范圍的最遠(yuǎn)點(diǎn)，滑移的最大距離與坡高、滑速和滑移面上的摩擦系數(shù)有關(guān)，見式（3）。

式中：L（x）表示滑坡體最大水平滑移距離，m；△H 表示滑坡體前、后緣高差，m；n 表示滑坡體滑出條件系數(shù)，可參考表5 ?。?.1，1.0］；φ 表示黃土的綜合內(nèi)摩擦角（°）。

表5 滑坡體滑出條件系數(shù)表

2018 年7 月18 日，甘肅臨夏、定西等地發(fā)生短時(shí)強(qiáng)降雨，暴雨引發(fā)災(zāi)害，特別是臨夏州東鄉(xiāng)縣受災(zāi)嚴(yán)重，經(jīng)對(duì)災(zāi)后鎖南鎮(zhèn)隱患點(diǎn)排查的數(shù)據(jù)分析，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較接近。

（2）橫向散開范圍。滑坡橫向散開的范圍與地形有關(guān)，一般取前緣寬的［1，2］倍。

3.1.2 滑坡概率計(jì)算

通過計(jì)算滑坡誘發(fā)因素的年超越概率來進(jìn)行失穩(wěn)概率分析，研究區(qū)滑坡的主要誘發(fā)因素為地震活動(dòng)、降水條件和人類工程活動(dòng)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）（2016版），東鄉(xiāng)縣設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度按50 a 超越概率為10%計(jì)算，誘發(fā)滑坡的概率為0.0021。暴雨強(qiáng)度重現(xiàn)按50 a 一遇計(jì)算，則誘發(fā)滑坡的概率為0.02，20 a 一遇降雨，誘發(fā)滑坡的概率為0.05。

3.1.3 崩塌（潛在崩塌）

與易發(fā)性評(píng)價(jià)相同，崩塌（潛在崩塌）的威脅范圍和概率計(jì)算參照滑坡（潛在滑坡）評(píng)價(jià)方法，進(jìn)而進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。根據(jù)調(diào)查，區(qū)內(nèi)發(fā)育的崩塌（潛在崩塌）平面形態(tài)多呈規(guī)則分布，剖面形態(tài)多為“直線型”。人工不穩(wěn)定斜坡坡寬一般數(shù)米至數(shù)十米不等，坡高［5，30］ m，坡度［50°，85°］；自然不穩(wěn)定斜坡坡寬一般數(shù)十米至數(shù)百米不等，坡高［50，200］ m，坡體總體上緩下陡，坡度［25°，40°］。大多在雨季有小規(guī)模的溜土、坍塌現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)受地形及人類工程活動(dòng)的影響，易失穩(wěn)嚴(yán)重威脅斜坡影響范圍內(nèi)的人員及財(cái)產(chǎn)的安全。

3.2 評(píng)價(jià)單元

基于易發(fā)性評(píng)價(jià)劃分的200 個(gè)評(píng)價(jià)單元和斜坡影響范圍，將每個(gè)斜坡單元在暴雨工況下失穩(wěn)的覆蓋范圍作為1 個(gè)評(píng)價(jià)單元、地震工況下失穩(wěn)超出暴雨工況下的覆蓋范圍再作為1 個(gè)評(píng)價(jià)單元，而其他評(píng)價(jià)范圍不再單獨(dú)劃分危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)單元，故危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)共劃分出600 個(gè)評(píng)價(jià)單元。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)和斜坡影響范圍的計(jì)算結(jié)果，對(duì)上述每個(gè)評(píng)價(jià)單元的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析，對(duì)各評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)性分級(jí)賦值，其中高、中、低危險(xiǎn)區(qū)分別賦值為4、3、2。按照地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，結(jié)合每個(gè)評(píng)價(jià)單元危險(xiǎn)性計(jì)算結(jié)果，以“區(qū)內(nèi)相似、區(qū)間相異”的原則，將研究區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)和低危險(xiǎn)區(qū)。地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)區(qū)面積為2.90 km2，中危險(xiǎn)區(qū)面積為7.70 km2，低危險(xiǎn)區(qū)面積為2.48 km2（表6）。

表6 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)區(qū)劃結(jié)果

4 結(jié)論

（1）研究區(qū)目前共發(fā)育170 處地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，其中滑坡（潛在滑坡）占55%，崩塌（潛在崩塌）占45%。

（2）本文在傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，將GIS技術(shù)應(yīng)用于鎖南鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。根據(jù)鎖南鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征選取評(píng)價(jià)因子進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)，將研究區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不發(fā)育區(qū)，其面積分別為3.089、7.81、2.44 和0.75 km2，中易發(fā)區(qū)占比最大為55.5%，高易發(fā)區(qū)主要分布于研究區(qū)毛毛溝的溝腦斜坡地帶與溝腦右岸斜坡地帶。

（3）基于易發(fā)性評(píng)價(jià)，將研究區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)和低危險(xiǎn)區(qū)，其面積分別為2.90、7.70 和2.48 km2，中危險(xiǎn)區(qū)占比最大為58.87%，高危險(xiǎn)區(qū)主要分布于毛毛溝的溝腦斜坡地帶與溝腦右岸斜坡地帶。

（4）本文的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況吻合，鎖南鎮(zhèn)未來的防治重點(diǎn)應(yīng)側(cè)重于城鎮(zhèn)交通樞紐兩側(cè)、重要基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)的黃土質(zhì)滑坡。針對(duì)相同類型的災(zāi)害區(qū)劃研究，未來可結(jié)合多重?cái)?shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的多源觀測(cè)模型來提高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的精度，最大程度管理好地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)區(qū)域。