基于GIS的河南省洛寧縣滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)

摘 要： 洛寧縣地處河南省西部山地丘陵區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，加之近年來極端強(qiáng)降雨頻發(fā)，滑坡災(zāi)害增多，造成了重大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因此做好洛寧縣滑坡災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)可為科學(xué)防災(zāi)減災(zāi)提供數(shù)據(jù)支撐?；贏rcGIS空間分析獲取研究區(qū)域高程、坡度、坡向、巖組、降水量、土地利用類型和歸一化植被指數(shù)共7個(gè)指標(biāo)因子，采用信息量模型對研究區(qū)進(jìn)行柵格疊加后，利用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)信息量值劃分為極低、低、中、高易發(fā)區(qū)，結(jié)果表明：滑坡主要分布在高程500～＜750 m、坡度0°～＜20°的區(qū)域，且絕大部分滑坡所處的地貌為起伏山地；高易發(fā)區(qū)面積為627.95 km2，占全縣總面積的27.23%；評價(jià)模型精度經(jīng)ROC曲線檢驗(yàn)，AUC值為0.803 4，說明基于GIS建立的信息量模型對洛寧縣滑坡易發(fā)性評價(jià)效果良好。

關(guān)鍵詞： 滑坡災(zāi)害；易發(fā)性評價(jià)；GIS；信息量模型；洛寧縣

中圖分類號： P208；P642.22" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.01.021

引用格式： 何海洋.基于GIS的河南省洛寧縣滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)[J].中國水土保持，2025（1）：81-85.

在長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程中，我國地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)工作取得了顯著發(fā)展，隨著全國地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫動(dòng)態(tài)管理的實(shí)現(xiàn)，如何構(gòu)建高效精準(zhǔn)的災(zāi)害評價(jià)模型意義深遠(yuǎn)[1-3]REF_Ref170298377＼r＼h。在GIS與RS技術(shù)的加持下，評價(jià)因子不僅可以定量化表達(dá)，還可以對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行空間疊加分析[4]REF_Ref170298825＼r＼h，從而使滑坡地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)結(jié)果更加準(zhǔn)確。洛寧縣位于豫西山區(qū)，地處河南省地質(zhì)災(zāi)害防控的關(guān)鍵地帶，特別是近幾年河南省內(nèi)極端強(qiáng)降雨事件頻發(fā)，導(dǎo)致洛寧縣滑坡災(zāi)害增多，嚴(yán)重制約了洛寧縣的城鄉(xiāng)建設(shè)與人民生活。因此，對該區(qū)域進(jìn)行滑坡易發(fā)性評價(jià)具有重要價(jià)值，能為研究區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展與防災(zāi)減災(zāi)提供借鑒和參考。

地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)方法主要包括層次分析法、信息量法、頻率比法、機(jī)器學(xué)習(xí)方法等[5-REF_Ref170299061＼r＼h7]REF_Ref170299064＼r＼h。其中：白志剛等[8]REF_Ref170299039＼r＼h選取地層巖性、植被覆蓋度、坡度、坡向等9個(gè)因子，利用耦合模型對渝北地區(qū)進(jìn)行了易發(fā)性評價(jià)；對于甘肅省的滑坡災(zāi)害，申懷飛等[9]REF_Ref170298839＼r＼h選擇了10個(gè)關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)，結(jié)合信息量模型和層次分析法進(jìn)行了更準(zhǔn)確的易發(fā)性評價(jià)；陳飛等[10]REF_Ref170298853＼r＼h提出將信息量與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的方法，通過疊加對比分析得到了上猶縣的滑坡易發(fā)性分區(qū)圖等。

信息量模型在眾多模型中更為便捷且客觀性更強(qiáng)[11-REF_Ref170298886＼r＼h12]REF_Ref170298888＼r＼h。本研究借助國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)、研究對象遙感數(shù)據(jù)和實(shí)地勘察報(bào)告，結(jié)合GIS技術(shù)與信息量模型，選擇了7個(gè)指標(biāo)因子——高程、坡度、坡向、巖組、降水量、土地利用類型及歸一化植被指數(shù)來進(jìn)行洛寧縣的滑坡易發(fā)性評價(jià)，以期為城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃及防災(zāi)減災(zāi)預(yù)警提供科學(xué)參考。

1 洛寧縣概況

1.1 地理環(huán)境

洛寧縣地處豫西山區(qū)，土地總面積2 305.7 km2，地理坐標(biāo)為34°05′～34°38′N，111°08′～111°49′E，位于洛河中上游。洛河自西向東貫穿全境，南北兩岸有兩大山系，南部為熊耳山，北部為崤山?？h域內(nèi)多為山地，最高處海拔2 103 m，地貌總體呈“七山二塬一分川”，屬于邊緣性過渡地形區(qū)，山地呈不規(guī)則延伸狀。

1.2 水文條件

洛寧縣屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明、雨熱季節(jié)同步、氣候類型多樣、氣象災(zāi)害頻繁。全縣不同地點(diǎn)年平均氣溫13～17 ℃，大氣降水主要受夏季季風(fēng)和地形綜合影響，年降水量（2000—2020年）649.55～750.41 mm，且季節(jié)分配不均勻、年際變化大。降水集中在汛期，特別是每年的7月末至8月初，該時(shí)段被視為全縣遭遇極端暴雨天氣的高發(fā)時(shí)段，俗稱“七下八上”，這一時(shí)期洪水導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[13]REF_Ref170298949＼r＼h。

1.3 災(zāi)害點(diǎn)概況

地質(zhì)災(zāi)害以降雨型滑坡為主，崩塌、泥石流與地面塌陷較少。滑坡的分布呈現(xiàn)出時(shí)間集中和空間集中兩大特征[14]REF_Ref170298959＼r＼h。時(shí)間上，每年6—9月，滑坡頻發(fā)；空間上，大多災(zāi)害點(diǎn)分布在縣域西部地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的區(qū)域，以及常受河流侵蝕沖刷的洛河兩岸。通過查閱文獻(xiàn)，并將實(shí)地勘查結(jié)果與遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合，經(jīng)過細(xì)致的整合后，確定縣域內(nèi)共有68處滑坡、9處崩塌、1處泥石流、3處地面塌陷，其中滑坡地質(zhì)災(zāi)害占比達(dá)84%。因此，本研究將以滑坡點(diǎn)為主要災(zāi)害點(diǎn)展開分析。災(zāi)害點(diǎn)分布情況見圖1。

2 研究方法與數(shù)據(jù)源

2.1 模型選取

選擇滑坡災(zāi)害易發(fā)性評估方法時(shí)，要全面考慮土地面積、實(shí)地勘查信息的完備性、評估的精度等要求，此外還需要考慮評估模型的適用性。信息量模型的優(yōu)點(diǎn)在于其物理意義清晰、操作簡便，并且能夠有效地融合主觀與客觀因素[15]REF_Ref170298972＼r＼h，本研究選擇建立信息量模型進(jìn)行全縣滑坡易發(fā)性評價(jià)。信息量計(jì)算公式為

Ixi，Y=log2Ni/NSi/S（1）

式中：I（xi，Y）為評價(jià)因子xi對災(zāi)害事件Y發(fā)生提供的信息量，共有7個(gè)評價(jià)因子，i=1，2，3，…，7；Ni為xi引發(fā)災(zāi)害的柵格單元數(shù)，單位個(gè)；N為研究區(qū)內(nèi)發(fā)生災(zāi)害的柵格單元總數(shù)，單位個(gè)；Si為xi類別的柵格單元數(shù)，單位個(gè)；S為研究區(qū)內(nèi)柵格單元總數(shù)，單位個(gè)。

通常情況下，滑坡災(zāi)害的發(fā)生受多種因素影響，在求得每個(gè)單元在所有因子條件下的信息量后，將所有因素進(jìn)行疊加，即可求得單個(gè)單元內(nèi)的總信息量值，建立易發(fā)性評價(jià)模型，對災(zāi)害易發(fā)性作出評價(jià)。信息量模型認(rèn)為災(zāi)害的發(fā)生是由多種影響因素造成的，信息量值越小說明災(zāi)害發(fā)生的可能性越小，信息量值越大說明災(zāi)害發(fā)生的可能性越大。

2.2 數(shù)據(jù)來源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括洛寧縣歷史災(zāi)害點(diǎn)信息、30 m分辨率ASTER GDEM數(shù)字高程影像、近20 a年均降雨量、30 m分辨率土地利用類型和區(qū)域植被指數(shù)等。

3 評價(jià)模型分析

3.1 滑坡易發(fā)性評價(jià)單元

較常見的評價(jià)單元主要有柵格單元、斜坡單元、地域單元和均一條件單元等。在評估滑坡的易發(fā)性時(shí)，涉及大量空間數(shù)據(jù)的整合、重新分類和疊加運(yùn)算，而采用柵格單元作為基本評價(jià)單位，可以顯著提升處理速度[16]REF_Ref170298984＼r＼h。本研究選擇柵格單元作為整體的評價(jià)單元，分辨率為30 m×30 m。

3.2 評價(jià)因子的選取與分析

滑坡地質(zhì)災(zāi)害的影響因素較多，主要有地形地貌特征、地質(zhì)構(gòu)造、巖層組成、降雨誘發(fā)等[17]REF_Ref170298995＼r＼h。本研究選用7個(gè)指標(biāo)因子重分類后進(jìn)行疊加分析，見圖2。盡管本研究選用的指標(biāo)因子的來源等存有差異，可能會(huì)導(dǎo)致各因子圖層面積計(jì)算與災(zāi)害點(diǎn)統(tǒng)計(jì)的細(xì)微偏差，但這些偏差對最終結(jié)論的準(zhǔn)確性影響較小。

3.2.1 高程

高程的變化對滑坡災(zāi)害的形成展現(xiàn)出多維度的影響，主要體現(xiàn)在地域性的土壤特征、水分保持能力以及植被覆蓋度的差異。此外，海拔增高伴隨著人類工程活動(dòng)的減少，這在一定程度上緩解了人為誘發(fā)滑坡災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布受高程的直接影響，通常隨高程的升高而增大，這一變化與發(fā)生災(zāi)害的關(guān)系密不可分，進(jìn)而影響坡體整體的穩(wěn)定性。災(zāi)害點(diǎn)主要集中在海拔500～750 m，隨著高程的增加，災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量明顯減少，研究區(qū)絕大部分滑坡所處的地貌為中、大起伏山地。

3.2.2 坡度

滑坡的發(fā)生很大程度上受坡度的控制。通過對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲取坡度信息，并生成縣域坡度分布圖，重分類后疊加災(zāi)害點(diǎn)信息，大部分滑坡集中在坡度0°～20°的范圍內(nèi)，約占滑坡總數(shù)的90％。

3.2.3 坡向

坡向?qū)π逼碌挠绊懼饕遣煌孪蚴艿降奶栞椛鋸?qiáng)度不同。在日照充足的地帶，斜坡含水率偏低，風(fēng)化作用強(qiáng)，導(dǎo)致地表土質(zhì)疏松，更易在雨水侵蝕下發(fā)生滑坡。從DEM數(shù)據(jù)中提取研究區(qū)坡向信息，并將滑坡災(zāi)害點(diǎn)與坡向進(jìn)行疊加，結(jié)果表明在南、西向上，滑坡的分布更為密集。

3.2.4 巖組

巖組是滑坡災(zāi)害形成的內(nèi)部關(guān)鍵因素，不同的巖性具有不同的物理力學(xué)特征，從而影響坡體的整體穩(wěn)定性。根據(jù)不同巖土體力學(xué)特性的差異及巖石構(gòu)造的特征，將全縣巖組劃分為5組，具體統(tǒng)計(jì)信息見表1。由表1可以看出，滑坡災(zāi)害多發(fā)生在由較脆弱的巖石組成的斜坡中，特別是因物理風(fēng)化作用形成的碎屑巖、黏土巖區(qū)域，災(zāi)害發(fā)生更加集中。

3.2.5 降水量

對于某一區(qū)域內(nèi)的邊坡而言，外部因素對坡體穩(wěn)定性影響更大，降雨是滑坡災(zāi)害發(fā)生的主要誘因。根據(jù)相關(guān)資料，在ArcGIS中利用空間插值法并疊加災(zāi)害點(diǎn)得到了全縣年平均降雨量與滑坡的關(guān)系。雨水滲透會(huì)導(dǎo)致邊坡區(qū)域的土層物理力學(xué)性能變化，土壤飽和度上升，含水量增多，容重增大，進(jìn)而導(dǎo)致土壤抗剪強(qiáng)度減小，誘發(fā)滑坡現(xiàn)象，因此滑坡數(shù)量隨著降雨量增加而增加。

3.2.6 土地利用類型

將全縣土地利用類型劃分為6類，分別為農(nóng)田、林地、草地、水域、裸地和建筑用地。將縣域?yàn)?zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)與土地利用類型的柵格圖層相結(jié)合，得到各類土地上發(fā)生滑坡的信息（見表2）。由表2可以看出，林地和農(nóng)田發(fā)生滑坡比例較高，說明人類活動(dòng)對滑坡的發(fā)生會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3.2.7 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)（NDVI）是衡量植被狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)，它間接揭示了人類活動(dòng)的影響。該指數(shù)值越高，意味著植被覆蓋度越大，而植被覆蓋的程度能在一定范圍內(nèi)影響滑坡災(zāi)害發(fā)生。將全縣NDVI分為4個(gè)等級（低覆蓋區(qū)、中等覆蓋區(qū)、中高覆蓋區(qū)、高覆蓋區(qū)），并疊加災(zāi)害點(diǎn)信息，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

由表3可知，較低的歸一化植被指數(shù)更有利于滑坡的產(chǎn)生，隨著歸一化植被指數(shù)增大，滑坡數(shù)量迅速減少，符合客觀事實(shí)。

4 滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)

4.1 易發(fā)性評價(jià)結(jié)果

利用ArcGIS的空間分析及柵格統(tǒng)計(jì)功能，對滑坡各指標(biāo)因子進(jìn)行分級處理（見圖3），并計(jì)算各因子的柵格單元數(shù)量及災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量。通過多值提取到點(diǎn)計(jì)算對應(yīng)的信息量值，將結(jié)果賦予對應(yīng)滑坡的各指標(biāo)因子圖層，利用柵格計(jì)算器把滑坡各評價(jià)單元的信息量值圖層疊加，得到全縣綜合信息量柵格圖層。使用自然斷點(diǎn)法將最終信息量疊加?xùn)鸥駡D層劃分為極低、低、中、高易發(fā)區(qū)，由此得到全縣滑坡災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)（見圖4）。

對全縣滑坡易發(fā)性分區(qū)進(jìn)行柵格統(tǒng)計(jì)并換算為面積，所得結(jié)果見表4。由表4可知，極低易發(fā)區(qū)面積為108.26 km2，占研究區(qū)總面積的4.70%；低易發(fā)區(qū)面積為765.12 km2，占總面積的33.18%；中易發(fā)區(qū)面積為804.37 km2，占總面積的34.89%；高易發(fā)區(qū)面積為627.95 km2，占總面積的27.23%。其中高易發(fā)區(qū)主要集中在西部以及洛河兩側(cè)。高易發(fā)區(qū)占總面積的27.23%，卻包含全縣將近60%的滑坡，說明該區(qū)域滑坡易發(fā)程度高且滑坡分布十分密集，與實(shí)際情況相吻合。

4.2 評價(jià)模型精度驗(yàn)證

本研究利用受試者工作特征曲線（ROC曲線）來驗(yàn)證模型精度。AUC值作為評估模型精度的指標(biāo)，通過ROC曲線下的面積大小來表征，取值范圍通常為0.5～1.0，AUC值越高，意味著模型精度越高。本研究所得信息量模型易發(fā)性評價(jià)結(jié)果的ROC曲線下所得到的AUC值為0.803 4 （見圖5），說明該模型預(yù)測的準(zhǔn)確度較高，研究結(jié)果能夠有效反映洛寧縣滑坡災(zāi)害的分布特征情況及發(fā)育規(guī)律。

5 結(jié)論

以河南省洛寧縣為研究區(qū)域，基于GIS技術(shù)，結(jié)合前期資料搜集、遙感圖像解析等方法，確定了研究區(qū)滑坡的空間分布，并融合信息量模型來評價(jià)該區(qū)域滑坡的易發(fā)性，得出以下結(jié)論：

1）將ArcGIS與信息量法相結(jié)合，完善了易發(fā)性評價(jià)結(jié)果的客觀性和合理性，減少了評價(jià)過程中主觀因素的影響。通過對滑坡災(zāi)害點(diǎn)與各個(gè)影響因子疊加分析，發(fā)現(xiàn)滑坡多出現(xiàn)在海拔500～＜750 m、坡度0°～＜20°之間，其中南、西向的滑坡相對較多，且研究區(qū)絕大部分滑坡所處的地貌為中、大起伏山地，巖石組成主要為黏土巖、碎屑巖這樣的軟弱巖，同時(shí)降雨量越大的區(qū)域，滑坡發(fā)生的概率就越大，人類活動(dòng)以及植被指數(shù)同樣對滑坡的發(fā)生起到一定的影響。

2）根據(jù)研究區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)信息，將其劃分成極低易發(fā)區(qū)（面積占4.70%）、低易發(fā)區(qū)（面積占33.18%）、中易發(fā)區(qū)（面積占34.89%）、高易發(fā)區(qū)（面積占27.23%）4類。高易發(fā)區(qū)主要集中在研究區(qū)西部以及洛河兩側(cè)。通過ROC曲線對結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，AUC值高達(dá)0.803 4，模型預(yù)測準(zhǔn)確度較高。

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（責(zé)任編輯 楊傲秋）