賈麗娜,陳世昌
(甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,甘肅 蘭州 730050)
舟曲縣山大溝深、巖體破碎、構(gòu)造發(fā)育、軟巖遍布、暴雨和地震頻發(fā)、多發(fā),地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育,是全國滑坡、泥石流強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)之一(汪美華等,2023),被列為長江上游水土保持重點(diǎn)治理縣。從2010 年開始舟曲縣相續(xù)發(fā)生了“8.8”特大山洪泥石流、南峪江頂崖滑坡、東山牙豁口滑坡和2021 年的立節(jié)北山、果耶磨里滑坡,災(zāi)害的發(fā)生造成了巨大經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失和人員傷亡,同時也為防災(zāi)減災(zāi)工作帶來一定挑戰(zhàn)。因此,舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害防治工作備受重視,地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價、監(jiān)測預(yù)警等綜合防治體系愈加完善(劉傳正等,2020),避險搬遷有序進(jìn)行。易發(fā)性評價作為地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評價的基礎(chǔ)工作(吳樹仁等,2009),可為城鎮(zhèn)規(guī)劃發(fā)展以及工程建設(shè)提供決策參考。
關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的研究,關(guān)注點(diǎn)多在評價方法。自20 世紀(jì)60 年代起,評價方法由單一的數(shù)學(xué)統(tǒng)計法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型(Ayalew et al.,2005;許沖等,2009;張俊等,2016;方然可等,2021;趙東亮等,2021;張林梵等,2022;孟曉捷等,2022;賈俊等,2023),逐漸發(fā)展到多方法結(jié)合(Capparelli et al.,2011;許英姿等,2016;賈麗娜等,2018;張玘愷等,2020;羅路廣等,2021a;王高峰等,2021;張文居等,2022),不同方法各有千秋,快速、精準(zhǔn)地建立模型在實(shí)際工作中更為實(shí)用。在評價因子選取方面,往往忽略孕災(zāi)地質(zhì)條件分析,過分依賴個人經(jīng)驗(yàn),導(dǎo)致有的評價因子缺乏針對性和代表性(羅路廣等,2021b)。
鑒于此,筆者依托2020~2021 年實(shí)施完成的《舟曲縣1∶50 000 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險調(diào)查評價》項(xiàng)目(陳世昌等,2021),利用最新的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù),研究區(qū)域內(nèi)孕災(zāi)地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的相關(guān)性,選取合適的評價因子,運(yùn)用層次分析法,進(jìn)行舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價,為地方政府防災(zāi)減災(zāi)提供可靠的參考依據(jù)。
孕災(zāi)地質(zhì)條件包括多種基礎(chǔ)地質(zhì)要素,是研究地質(zhì)災(zāi)害形成的關(guān)鍵,也是易發(fā)性制圖的根基(樂琪浪等,2015;王高峰等,2016,2017)。
地形地貌分為宏觀和微觀,共同構(gòu)成地質(zhì)災(zāi)害形成的重要條件。宏觀地貌例如山區(qū)、河谷,受構(gòu)造運(yùn)動影響,形成過程漫長且不易改變;微觀地貌例如坡高、坡度,除自然形成外,還明顯受人類工程活動影響,其變化往往會引發(fā)不同規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害。
1.1.1 宏觀地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系
研究區(qū)位于西秦嶺中高山區(qū),山峻谷深,溝壑縱橫,侵蝕切割強(qiáng)烈,宏觀上分為侵蝕構(gòu)造山地和侵蝕堆積河谷平原。地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)多集中在侵蝕構(gòu)造山地。
在侵蝕構(gòu)造山區(qū),遭受侵蝕、強(qiáng)風(fēng)化作用的基巖構(gòu)成中山、高山主體,表層覆蓋較厚松散的殘坡積層,局部裸露基巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖石極為破碎,在自然狀態(tài)下較易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,雨季暴雨時可為泥石流災(zāi)害提供充足的物源(熊德清等,2021)。
1.1.2 微觀地形地貌與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系
(1)對滑坡、崩塌的影響
坡形直接影響崩滑災(zāi)害的形成(孫萍萍等,2019)。凸形、直線形、階梯形和凹形是區(qū)內(nèi)坡形的主要類型。對研究區(qū)172 處斜坡類災(zāi)害的統(tǒng)計分析表明,崩塌災(zāi)害發(fā)生于應(yīng)力集中程度高的凸形和直線形正向類型斜坡?;轮饕l(fā)生于凹形和凸形斜坡,占總滑坡數(shù)量的63.6%。部分滑坡群分布于高陡坡體的第一斜坡帶,坡腳處多無巖土體支撐,坡形多呈直線形或凸形;受構(gòu)造、地下水影響發(fā)生過多次滑動的大滑坡多分布在山體坡腳較緩斜坡上,天然坡度20°左右,斜坡形態(tài)一般呈凹形(表1)。
表1 崩塌、滑坡對應(yīng)坡形統(tǒng)計表Tab.1 Slope shape statistics corresponding to collapse and landslide
坡度影響斜坡的應(yīng)力大小與分布。利用DEM 提取坡度,統(tǒng)計不同坡度區(qū)間的災(zāi)害數(shù)量。統(tǒng)計結(jié)果如下:崩塌所在斜坡坡度為40°~85°,多分布在60°以上的陡崖;滑坡所在斜坡坡度為15°~60°,多分布于25°~45°之間的陡坡地段(表2)。
表2 不同坡度區(qū)間崩塌滑坡發(fā)生概率統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of collapse and landslide occurrence in different slope gradient intervals
坡高控制斜坡的應(yīng)力大小。低邊坡受人類工程活動影響強(qiáng)烈,多發(fā)生削坡建房、建廠等,較大臨空面易發(fā)育崩塌;高邊坡(主要指100~400 m 之間)的影響因素較多,易發(fā)生滑坡。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,坡高0~100 m 區(qū)間內(nèi),崩塌發(fā)生的次數(shù)及比率最高,數(shù)量有19 處,占崩塌總數(shù)59.4%;滑坡發(fā)生比率較高的區(qū)間是50~400 m,共95 處,占滑坡總數(shù)的67.8%(表3)。
表3 不同坡高區(qū)間崩塌滑坡發(fā)生概率統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of collapse and landslide occurrence in different slope height intervals
(2)對泥石流的影響
影響泥石流的地形地貌主要包括主溝縱坡、溝坡坡度、流域面積和相對高差,其控制著泥石流的形成(白永健等,2014a)。
主溝縱坡為泥石流的形成提供動力。對區(qū)內(nèi)124 條泥石流溝谷的主溝縱坡進(jìn)行統(tǒng)計(表4)發(fā)現(xiàn),平均主溝縱坡為10%~50% 的溝谷占總數(shù)的75.8%,說明在此區(qū)間的溝床比降對泥石流的形成和運(yùn)動最為有利;主溝縱坡>10%的占總數(shù)的89.5%,這與舟曲縣山大谷深的地形地貌有關(guān)。
表4 泥石流主溝縱坡統(tǒng)計表Tab.4 Statistics of longitudinal slope of main gully of debris flow
溝坡坡度影響松散物質(zhì)堆積量和降雨匯集速度。據(jù)統(tǒng)計,泥石流在26°~45°之間最為發(fā)育,共計100 條,占總數(shù)的80.6%;高易發(fā)和中易發(fā)泥石流的數(shù)量分別為2 條和90 條,分別占各自類型總數(shù)的100%和84.1%(表5)。
表5 泥石流山坡坡度統(tǒng)計表Tab.5 Statistics of debris flow in different slope ranges
流域面積小利于泥石流的形成。對區(qū)內(nèi)124 條泥石流進(jìn)行統(tǒng)計,10 km2以下的有90 條,占總數(shù)的72.6%。此區(qū)間內(nèi),易發(fā)性中、高泥石流分別為76 條和2 條,均占到各自類別數(shù)量的70%以上(表6)。
表6 泥石流流域面積統(tǒng)計表Tab.6 Statistics of debris flow in different watershed areas
相對高差為泥石流的形成提供動能和勢能。94條泥石流發(fā)育于500~2 000 m 的相對高差,占總量的75.8%,反映了舟曲縣地形起伏較大的特征(表7)。
表7 泥石流相對高差統(tǒng)計表Tab.7 Statistics of debris flow in different relative elevation ranges
地質(zhì)構(gòu)造通過對地形地貌、地層巖性、斷裂褶皺和地震分布的控制,影響著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度與分布規(guī)律(白永健等,2014b)。
(1)構(gòu)造控制地質(zhì)災(zāi)害的總體分布
區(qū)域性總體抬升的新構(gòu)造運(yùn)動是控制區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要因素。研究區(qū)發(fā)育的崩滑災(zāi)害受控于西秦嶺褶皺帶,尤其是白龍江斷裂褶皺帶,構(gòu)造線呈NW~SE 向展布,經(jīng)多期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動,地質(zhì)構(gòu)造十分發(fā)育,利于地質(zhì)災(zāi)害的形成。
(2)斷裂對崩塌、滑坡的控制
斷裂對崩滑災(zāi)害具有控制性,常造成巖體破碎、地下水活動異常等(彭建兵,2006;張永雙等,2016)。
舟曲縣滑坡呈帶狀集中分布于斷裂帶兩側(cè)附近,以坪定-化馬斷裂帶為典型。沿該斷裂帶的北坪定鄉(xiāng)—東山鄉(xiāng)25km 長的范圍內(nèi)發(fā)育有多處較大規(guī)?;拢纬梢粋€鎖兒頭-泄流坡-中牌滑坡密集帶。
崩塌分布也明顯受斷裂控制,特別是三眼峪溝、羅家峪溝、峪子溝等幾條較大支溝的中下游區(qū)斷裂與溝谷岸坡交匯位置基巖、碎石土崩塌較為發(fā)育。白龍江南岸山區(qū)硬質(zhì)巖區(qū)發(fā)育的斷裂帶與溝谷陡崖交互地帶也是基巖崩塌密集分布的地帶。
工程地質(zhì)巖組是崩滑流形成的“地基”式組成,控制地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育(黃潤秋等,2008)。
(1)對泥石流的控制
研究區(qū)泥石流分為兩種類型:泥石流和水石流,與地層分布息息相關(guān)。泥石流發(fā)育區(qū)多為志留系、泥盆系板巖、千枚巖以及石炭系灰?guī)r,受構(gòu)造運(yùn)動影響,巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育,風(fēng)化較強(qiáng),力學(xué)性質(zhì)一般。水石流發(fā)育區(qū)多集中于中生界硬質(zhì)巖,地層巖性及巖土體結(jié)構(gòu)對斜坡的穩(wěn)定較為有利,滑坡、崩塌等重力堆積物不發(fā)育,山坡、溝道中堆積的松散固體物質(zhì)相對較少,受固體物質(zhì)補(bǔ)給量的限制,災(zāi)害以山洪為主,局部發(fā)育水石流溝。
研究區(qū)易發(fā)泥石流的地層主要有古生界千枚巖、板巖等變質(zhì)巖,此類地層巖體本身較為破碎,加之風(fēng)化作用,使得表面堆積有較厚松散物質(zhì),為泥石流的形成提供固體物質(zhì)儲備。棱角狀碎屑使其具有較強(qiáng)裹攜能力,易侵蝕溝床,促進(jìn)泥石流的發(fā)育。
(2)對滑坡、崩塌的控制
區(qū)內(nèi)易發(fā)生滑坡的地層有:第四系黃土、碎石土堆積層和中~古生界千枚巖、板巖等。黃土的特殊物理力學(xué)性質(zhì)為滑坡的發(fā)育提供了基本條件,疏松、不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),決定了其內(nèi)聚力較低。碎石土堆積層土石混雜,結(jié)構(gòu)松散,底部與基巖的接觸面傾向坡外,內(nèi)部分布有傾向坡外且較連續(xù)的由千枚巖等變質(zhì)巖風(fēng)化巖屑構(gòu)成的細(xì)粒土透鏡體夾層,抗剪能力差,且相對隔水,千枚巖、板巖、片巖等軟弱巖層的存在,使得這些巖土質(zhì)斜坡的穩(wěn)定性大為降低。
區(qū)內(nèi)易發(fā)生崩塌的地層有:第四系黃土,志留系、泥盆系千枚巖、板巖,二疊系、三疊系灰?guī)r和其他硬質(zhì)基巖。值得一提的是,其它硬質(zhì)基巖形成較早,發(fā)育節(jié)理裂隙,在降雨、特別是地震作用下,易發(fā)生崩塌。區(qū)內(nèi)西南部較大溝谷中常見以落石的形式崩落于溝谷之中,溝谷鄉(xiāng)間公路兩側(cè)也有發(fā)育。
生態(tài)環(huán)境主要指地表植被,它能通過地表保護(hù)、控制徑流等間接影響地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育。
(1)對滑坡的影響
地表缺乏植被保護(hù),會加速表層風(fēng)化,降雨迅速流入孔隙裂縫中,下滲至坡體軟弱面,易形成滑坡。
(2)對泥石流的影響
植被葉片的蒸騰作用可消耗一定的降雨,同時根莖、落葉等能夠吸收部分地表降雨,調(diào)節(jié)地面雨水的徑流量以及徑流速度,從而降低雨水裹攜松散物質(zhì)的動能,對泥石流的形成具有抑制作用。
數(shù)據(jù)源主要包括(表8):①地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)的數(shù)據(jù)來自2021 年開展的舟曲縣1∶50 000 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險調(diào)查評價項(xiàng)目。②DEM 數(shù)據(jù)為30 m×30 m 分辨率的公開數(shù)據(jù)源,用于提取坡度、坡型、切割深度、溝壑密度等地形地貌參數(shù)。③1∶50 000 孕災(zāi)地質(zhì)條件圖(圖1),用于提取巖土體類型、地質(zhì)構(gòu)造等信息。④2019 年4 月的ETM+遙感數(shù)據(jù),用于計算植被指數(shù)NDVI。
表8 數(shù)據(jù)來源一覽表Tab.8 List of data sources
根據(jù)調(diào)查成果,舟曲縣共確定地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)299 處,其中泥石流124 處,占總數(shù)41.5%,滑坡140 處,占總數(shù)46.8%,崩塌32 處,占總數(shù)10.7%,地面塌陷3 處,占總數(shù)1%(圖2)。
圖2 舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.2 Map of geological hazard distribution in Zhouqu County
研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價采用層次分析法,依據(jù)評價因子的內(nèi)在關(guān)系,建立層次結(jié)構(gòu)模型,并逐個評判各因子之間的重要程度,建立判斷矩陣,最終確定所有因子的權(quán)重。
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀的具體表現(xiàn),同時需要考慮孕災(zāi)地質(zhì)環(huán)境背景的復(fù)雜性。因此,本研究評價指標(biāo)體系構(gòu)建如下:地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性→發(fā)育因子、孕災(zāi)地質(zhì)條件因子→11 個具體的評價指標(biāo)(圖3)。
圖3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation index system of geohazards susceptibility
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價采用線性組合,根據(jù)評價指標(biāo)體系,建立11 個評價因子的量化數(shù)據(jù)庫,消除量綱進(jìn)行歸一化處理,確定其權(quán)重,運(yùn)用GIS 的柵格計算器工具,疊加處理,具體評價模型為:
式中:Y為易發(fā)性指數(shù);w1、w2…wn為各評價因子;x1、x2…xn為各評價因子對應(yīng)的權(quán)重。
(1)發(fā)育因子
發(fā)育因子主要考慮地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度,與其分布和數(shù)量有關(guān),還得考慮災(zāi)害的規(guī)模大小?;跍?zhǔn)確性與可操作性,地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量、面積與體積資料詳實(shí),可作為發(fā)育因子的評價指標(biāo)。將全域劃分為2.5 km×2.5 km的網(wǎng)格,以小網(wǎng)格為基準(zhǔn)進(jìn)行計算(圖4)。
圖4 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育因子歸一化圖Fig.4 Normalized map of geohazards development factors
地質(zhì)災(zāi)害頻率比(C1):設(shè)某單元格為(m,n),其面積為S(m,n),單元內(nèi)發(fā)育災(zāi)害數(shù)量為q(m,n),單元內(nèi)的災(zāi)害頻率密度為:
全域總面積S,總災(zāi)害數(shù)量Q,頻率比為:
則:第(m,n)單元格災(zāi)害頻率比為:
同理,地質(zhì)災(zāi)害面積模數(shù)比(C2)與地質(zhì)災(zāi)害體積模數(shù)比(C3)不再贅述。
(2)孕災(zāi)地質(zhì)條件因子
根據(jù)孕災(zāi)地質(zhì)條件分析結(jié)果,共選取了地形地貌數(shù)據(jù)、巖土體類型數(shù)據(jù)等八個對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育影響較大的因子,進(jìn)行歸一化處理(圖5),量化信息見表9。
圖5 地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)因子歸一化圖Fig.5 Normalized map of geohazards -pregnant factors
表9 孕災(zāi)地質(zhì)條件因子量化一覽表Tab.9 Quantitative list of disaster-pregnant geological conditions
獲得基礎(chǔ)評價因子的歸一化圖層后,按照AHP模型,運(yùn)用GIS 進(jìn)行疊加計算,運(yùn)用自然間斷法將疊加結(jié)果分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)等4 類,對應(yīng)的面積分別為68.98 km2(占總面積的2.29%)、390.9 km2(占總面積的12.97%)、1 166.21 km2(占總面積的38.70%)、1 387.76 km2(占總面積的46.05%)(表10,圖6)。
圖6 舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.6 Division of geohazards susceptibility in Zhouqu County
表10 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性統(tǒng)計表Tab.10 Statistics of geohazards susceptibility
根據(jù)分區(qū)結(jié)果,地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)主要分布在縣域北部白龍江流域(曲瓦-巴藏-立節(jié)-憨班-峰迭-舟曲縣城-南峪-大川-兩河口)以及石門溝流域,高易發(fā)區(qū)域主要分布在拱壩河流域中下游和博峪河流域舟曲段中部區(qū)域,中易發(fā)區(qū)呈條帶狀貫穿了舟曲縣中部和北部部分區(qū)域,低易發(fā)區(qū)位于舟曲縣東北邊緣與宕昌接壤地帶以及西南邊緣與文縣、四川省九寨溝縣接壤地帶。
為驗(yàn)證易發(fā)性分區(qū)的可靠性,對落入各分區(qū)的災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計,并計算頻率比(災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量占比/易發(fā)面積占比),由計算結(jié)果可知,極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)雖然面積只占全縣面積的15.26%,但區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)占比達(dá)73.58%,頻率比也與易發(fā)性等級相呼應(yīng)。
(1)地形地貌是舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的先決條件。易發(fā)生滑坡的微地貌為:坡形為凹形或凸形,坡度范圍為15°~60°,多分布于25°~45°的陡坡地段,坡高為50~400 m 區(qū)間內(nèi);易發(fā)生崩塌的微地貌為:坡形為直線形,坡度范圍為40°~85°,多分布在60°以上的陡崖,坡高0~100 m 區(qū)間內(nèi);易發(fā)生泥石流的微地貌:溝谷平均主溝縱坡為10%~50%,山坡坡度優(yōu)勢區(qū)間為26°~45°,流域面積為0~10 km2。
(2)舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害受地質(zhì)構(gòu)造控制明顯。其中滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)主要分布于坪定—化馬斷裂帶等幾大斷裂構(gòu)造帶內(nèi)及其次級斷層的兩側(cè)附近。
(3)工程地質(zhì)巖組是滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的重要內(nèi)因和物質(zhì)基礎(chǔ)。志留系、泥盆系等古生界地層出露區(qū)是泥石流災(zāi)害最易發(fā)的地區(qū),易滑地層有黃土、碎石土堆積層、千枚巖、板巖等地層,易崩地層有第四系黃土、志留系、泥盆系千枚巖、板巖,二疊系、三疊系灰?guī)r和其他硬質(zhì)基巖。
(4)根據(jù)孕災(zāi)地質(zhì)條件分析,舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)分為發(fā)育因子和孕災(zāi)地質(zhì)條件因子,其中發(fā)育因子包括地質(zhì)災(zāi)害頻率比、地質(zhì)災(zāi)害面積模數(shù)比、地質(zhì)災(zāi)害體積模數(shù)比,孕災(zāi)地質(zhì)條件因子包括坡度、坡度變化率、坡形、切割深度、溝壑密度、巖土體類型、地質(zhì)構(gòu)造、植被指數(shù),建立AHP 評價模型,確定各因子權(quán)重,綜合評價舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性。
(5)舟曲縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū),對應(yīng)的面積分別為68.98 km2(占總面積的2.29%)、390.9 km2(占總面積的12.97%)、1 166.21 km2(占總面積的38.70%)、1 387.76 km2(占總面積的46.05%)。地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)主要分布在縣域北部白龍江流域以及石門溝流域,高易發(fā)區(qū)域主要分布在拱壩河流域中下游和博峪河流域舟曲段中部區(qū)域。應(yīng)用頻率比法進(jìn)行不同分區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量統(tǒng)計,結(jié)果與易發(fā)性等級相呼應(yīng),驗(yàn)證了本研究易發(fā)性分區(qū)的可靠性。