基于信息量法的金沙江峽谷段滑坡易發性評價

侯峰媛， 吳 光， 張書豪

(西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川成都 610000)

隨著國家的發展政策逐步西移，在西部地區將進入大規模的高速鐵路建設階段。而在西部地區，其地形地貌主要是復雜山區，山體高差大，地層巖性繁多且復雜，地質構造復雜且運動強烈，不良地質發育，為了施工建設的順利展開，對該區域進行地質災害評估價勢在必行。易發性分區可對研究區域滑坡災害進行預測，為區域滑坡的防治規劃提供參考，也為該區域未來的國土開發及工程建設提供科學依據。

1 信息量法簡介

信息量法是從信息理論中引出的一種統計預測方法，廣泛用于環境地質研究中,如滑坡、斜坡穩定性的空間預測[1]。信息量法引入信息量值對各類滑坡影響因子在滑坡災害發生的可能性進行定量描述，即定量計算各類影響因子對滑坡易發性的貢獻率，然后將各因子信息量值進行疊加從而得到研究區域最終的易發性指數，實際操作時常用地理信息系統(GIS)進行區域內各類地質因素的數據庫建立和統計處理。

信息量法計算的具體步驟如下：

(1)計算影響因子xi對發生滑坡災害事件(A)提供的信息量值I(xi,A):

(1)

式中：P(xi|A)為滑坡發生條件下出現xi的概率值，P(xi)為研究區域內出現xi的概率值。實際操作時常用頻數進行概率計算。

(2)

式中：S為研究區域內劃分的評價單元總數，N為研究區域內含有滑坡災害的單元格總數，Si為研究區域內含有影響因子xi的單元格數，Ni為分布在影響因子xi內的滑坡災害單元總數。

(2)計算各評價單元內n種影響因子對滑坡易發性的貢獻率即總信息量值Ii:

(3)

(3)信息量結果的分級。通過自然間斷點分級法，找出信息量值的自然分界點，將研究區劃分成若干易發性不同的區域[2]。

2 基于信息量法的滑坡易發性分區

2.1 研究區概況

研究區位于云南省金沙江峽谷區，以虎跳峽為中心，東至玉龍雪山西峰，西至麗江市玉龍納西族自治縣四興村，南至大垌鎮，北至哈巴雪山南峰，總面積1 281.6 km2(圖1)。區內地形險峻，高原、 盆地交錯分布，地面高程多在2 000～5 000 m。研究區為亞熱帶季風氣候，平均年溫度為14 ℃，年平均降雨量約為600～900 mm，地層發育較全，主要有奧陶系石英片巖、志留系砂巖、泥盆系灰巖夾片巖、石炭系大理巖、二疊系玄武巖、三疊系第四系冰磧層，河流和山脈的伸展方向與構造線方向 (近SN向)基本一致。區域內滑坡地質災害頻繁，主要有彪水巖滑坡、中義滑坡、崩當滑坡，本次研究結合野外實地調查數據，選取266個滑坡點作為樣本進行滑坡易發性分區。

2.2 滑坡易發性分區評價指標

滑坡影響因素多種多樣，本次選取與其相關性較大的坡度、起伏度、地層巖性、構造作用、河流作用、人類工程活動、降雨量、植被覆蓋率，共八類影響因素進行易發性評價[3]，基于GIS平臺，搜集區域信息，繪制各影響因素的柵格數據，柵格大小統一為30 m×30 m。

圖1 研究區概況

2.2.1 地形坡度

地形坡度與滑坡發生有密不可分的關系，地形坡度較小的地區，地勢相對平緩，不易發生滑坡災害；隨著地形坡度的增加，斜坡提供的勢能也會逐漸增大，重力作用下，勢能逐漸轉變為動能，導致滑坡災害的發生。采用ArcGIS的表面分析功能從區域DEM圖中提取坡度，研究區內最大坡度為76 °，以5 °為區間繪制坡度-滑坡數量圖(圖2)，坡度分級點定義在拐點10 °、15 °、20 °、35 °、40 °、45 °處，將區域坡度分為7類。

圖2 坡度-滑坡數量分布

2.2.2 地形起伏度

地形起伏度定義為單位面內最高海拔和最低海拔的差值，即地面相對高差。本次采用ArcGIS中的鄰域分析提取區域DEM最高點與最低點，并用柵格計算器將之相減得到研究區的地形起伏度。研究區內最大起伏度為312 m，以15 m為區間，起伏度分級點定義在拐點15 m、30 m、45 m、60 m、75 m、90 m、105 m處，將起伏度分為8類。

2.2.3 巖土體類型

巖土體類型是滑坡發生的物質基礎和重要內因，本次巖土體分類主要考慮巖石類型、巖石強度和巖體結構等因素。研究區內不同地層共有34種，結合實地調查情況將其合并整理成7種巖土體類型，分別為堅硬塊狀大理巖；較堅硬白云巖、石灰巖碳酸鹽組；較堅硬碳酸鹽與砂巖互層；弱風化玄武巖、片理化玄武巖組；層狀板巖夾砂巖組；石英片巖；冰磧層及其他。

2.2.4 構造作用

構造斷層一定程度上控制著區域巖土體的力學強度、幾何形態等，域滑坡發育有關。區域內主要斷裂帶有鶴慶-洱源斷裂帶，麗江-劍川斷裂帶，龍蟠-喬后斷裂帶，中甸斷裂帶。對所有斷層進行矢量化，對其兩側做多層緩沖區，以500 m為區間，分級點定義在拐點500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m處，將構造作用圖層分為8類。

2.2.5 人類工程活動

距道路的遠近反映出人類工程活動的強弱，而人類工程活動是邊坡破壞不可忽視的外在動力，本次選用研究區內各省道和村道數據進行矢量化，并對其兩側做多層緩沖區，以500 m為區間，分級點定義在拐點500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m處，將人類工程活動圖層分為8類。

2.2.6 河流作用

河流的沖刷和淘蝕可以改變邊坡形態，形成臨空面或侵蝕邊坡下部軟弱層，從而影響邊坡穩定性，引發滑坡。本次選用研究區內各河流數據進行矢量化，并對其兩側做多層緩沖區，以500 m為區間，分級點定義在拐點500 m、1 000 m、1 500 m、2 000 m、2 500 m、3 000 m處，將河流作用圖層分為8類。

2.2.7 降雨量

降雨入滲影響邊坡穩定性，且邊坡在雨季易產生滑坡，因此將降雨量列入影響因子。從國家氣象信息中心下載研究區各氣象站降雨量數據，基于GIS平臺進行插值分析，得到區域降雨量矢量圖，區域多年平均降雨量最大值為948 mm，最小值為674 mm，以100 mm為區間，分級點定義在拐點600 mm、700 mm、800 mm、900 mm處，將降雨量分為5類。

2.2.8 植被覆蓋指數NDVI

研究表明，滑坡的發育常常與植被的發育狀態有關聯，而NDVI是植被生長狀態及植被覆蓋率的最佳指示因子，結果限定在[-1,1]之間，負值表示地面覆蓋為云、水、雪等，對可見光高反射；0表示有巖石或裸土等；正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大[4]。本次采用ENVI軟件對區域DEM提取植被指數，按照自然斷點法將其分為7類。

2.3 滑坡易發性分區及評價

2.3.1 滑坡易發性分區

本次研究共采用8類影響因子，將各影響因子分級圖層轉化為30 m×30 m柵格單元數據，各柵格見圖3。在此基礎上，應用ArcGIS的提取工具，得到滑坡點在各級影響因子類別中的分布情況，根據公式(2)計算各級指標的信息量值(表1)。將各信息量值賦值到柵格屬性中，應用ArcGIS的柵格計算器進行疊加處理，得到研究區最終的信息量柵格圖，應用自然斷點法將信息量劃分為5個等級，低易發區[-7.264,-3.176]、較低易發區[-3.176,-1.677]、中易發區[-1.677,-0.314]、較高易發區[-0.314,1.140]、高易發區[1.140,4.320](圖4)。

(a)坡度

(b)起伏度

(c)地層巖性

(d)構造作用

(e)人類工程活動

(f)河流作用

(h)降雨量

表1 各影響因子分級信息量

圖4 研究區滑坡易發性分區

2.3.2 滑坡分區評價

滑坡易發性分區結果表明，金沙江峽谷區滑坡高發區主要位于金沙江沿岸，呈帶狀分布，而沿岸山體陡峭，風化作用嚴重，河流作用活躍，加之人類工程活動影響，確實災害頻發，與實際相符。經統計，研究區有87.55 %的滑坡分布在較高易發區和高易發區，且較高易發區和高易發區面積占區域的45.94 %，將各易發等級柵格數與相應區域中滑坡數目由高到低，進行累加，得到成功率曲線[5](圖5)，曲線下面積為77.70 %，準確性較好。

圖5 滑坡易發性分區評價

3 結論

(1)基于信息量法和GIS平臺，選擇坡度、起伏度、地層巖性、構造作用、人類工程活動、河流作用、植被覆蓋指數、降雨量八個影響因子，以266個滑坡點為樣本，對金沙江峽谷區進行滑坡易發性分區，評價曲線面積(AUC)值為77.70 %，準確性較好。

(2)研究區滑坡易發于金沙江兩岸，呈帶狀分布，該區兩岸巖層陡峭，坡度多在60°以上，斷層發育，河流作用強烈，且修筑有公路，人工活動頻繁，實際滑坡頻發，與預測相符。