基于斜坡單元的陜西省城鎮地質災害風險調查評價*
——以西安市蔣村街道為例

姬永濤，王 鮮，郝 業，胡 鵬，王 鑫，韓秀清，喬丁丁

(陜西天地地質有限責任公司，陜西 西安 710054)

開展地質災害風險評價有助于及時研判區域地質災害形勢，針對性地采取風險管控措施，減輕地質災害造成的損失[1-2]。為此，我國先后部署開展了不同比例尺和調查單元的地質災害調查工作[3]，如研究區近年來依次開展了1∶100 000地質災害調查與區劃、1∶50 000地質災害詳細調查、1∶50 000地質災害風險調查評價等。然而已有研究大多基于歷史災害的基礎調查數據進行地質災害區劃或風險評價，很少將潛在風險指標納入區域地質災害風險評價的體系之中，或由于調查比例尺和數據精度的限制，導致風險評價結果較粗，不能很好地指導地質災害防災減災工作的準確實施。

當前以 GIS 空間分析技術為支撐，基于高精度基礎數據進行的區域地質災害風險評價能夠定量分析和評價區域地質災害發生的可能性及災害損失，可為防災減災、國土空間規劃和工程建設選址等提供重要的科學依據，現已成為地質災害防治領域研究的重要熱點問題[4-5]?；诖?，本次以陜西省西安市蔣村街道為研究區，在利用高精度光學遙感數據和雷達衛星數據進行地質災害隱患早期識別的基礎上，基于高精度DEM，對研究區具備孕災條件的區域劃分斜坡單元，并逐坡開展了大比例尺(1∶10 000～1∶2 000)地質災害詳細調查，做到了“一坡(溝)一卡”，全面系統地識別了可能的地質災害隱患，并獲取了影響研究區地質災害形成的主要地質環境因素和危險區范圍內準確的承災體信息；通過構建地質災害風險評價體系，利用 GIS 技術從研究區地質災害易發性、危險性、易損性和風險性 4 個方面進行了綜合分析，最終確定了研究區內每一個斜坡的風險等級；通過選取典型區域進行野外實地核查，驗證了評價結果的可靠性，并與該區域以往調查評價結果對比，顯示本次評價顯著提高了研究區地質災害風險評價的精度，為進一步實施地質災害精準管控奠定了堅實基礎。

1 研究區地質環境條件及地質災害概況

1.1 地質環境條件

蔣村街道位于陜西省西安市鄠邑區西南、秦嶺北麓，地理坐標介于108°25′～108°32′ E，33°54′～34°7′ N之間，南北長約27.3 km，東西寬約6 km，總面積131.46 km2。境內地勢南高北低，海拔2 720～500 m，構成明顯的秦嶺山地—山前沖洪積扇—沖洪積平原地貌。境內主要河流為甘河，屬渭河二級支流，沿南北向主溝道大致將研究區分割為東西兩個部分。研究區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，多年平均降水量為638.4 mm，降水量自南向北逐漸降低，年際最大降水量為1 039.9 mm(1983年)，最少為322.9 mm(1995年)，年內降水主要集中在7—9月。

境內出露的地層主要有：元古界寬坪群變質巖，古生界碳酸鹽巖和碎屑巖，第四系碎石土和粘性土。變質巖主要分布于秦嶺北麓山前大斷裂南側，受斷裂構造影響，巖石完整性差、破碎嚴重；碳酸鹽巖和碎屑巖分布于南部中山區，巖石致密堅硬，多呈中-中厚層狀結構；碎石土主要分布于沖洪積扇區以及甘河沿岸，主要為全新統砂卵石夾含砂質粘土層，松散、滲透性強；粘性土分布于北部沖洪積平原區。境內主要易崩易滑地層為風積、殘坡積含碎石粘性土和碎屑堆積物。

境內大的構造斷裂主要有三條，其中與地質災害關系密切的斷裂為秦嶺北麓山前大斷裂，東西向橫貫全境，斷裂地貌非常清楚；以秦嶺北麓山前大斷裂為界可分為兩個構造單元，南部山區為北秦嶺加里東褶皺帶組成部分，北部平原為渭河斷陷的組成部分，現仍有南升北降活動。

1.2 地質災害隱患識別和發育特征

研究表明，利用高分辨率光學遙感數據和合成孔徑雷達干涉測量(InSAR) 技術可以有效反映滑坡、崩塌等地質災害發生的可能性和準確位置，是區域地質災害隱患早期識別的新技術[6]。因此，本次首先通過無人機航拍和三維傾斜攝影，獲取了研究區分辨率優于0.5 m的光學遙感影像(圖1)；同時利用Stacking技術對研究區2019年10月至2021年5月期間的55景Sentinel-1A數據進行處理，獲取了地表年平均形變速率圖(圖2)?；谝陨蟽身椉夹g對研究區地質災害隱患進行了早期識別，共解譯地質災害隱患點16處，經現場核查，16處解譯點均有變形跡象，結合變形程度和威脅對象最終確認地質災害隱患點5處，小范圍崩、滑等不良地質現象點11處。在此基礎上，開展了大比例尺(1∶10 000～1∶2 000)地質災害隱患點和孕災地質環境條件詳細調查，對遙感解譯識別結果進行補充，并為研究區地質災害風險評價提供基礎數據。

圖1 光學遙感解譯

圖2 InSAR解譯

詳細調查結果表明：受特殊的地質環境條件和氣候等自然條件影響，加之近年來境內切坡建房、修路和陡坡種植等不合理的開發利用，導致研究區滑坡、崩塌災害比較發育，截止2021年底，通過早期識別核查和現場調查共計確認地質災害隱患點19處(包含解譯確認的5處地質災害隱患點)，其中滑坡14處、崩塌5處(圖3)。境內地質災害的分布與地貌關系密切，其發生則與降雨條件高度相關，具有小規模、集中發育的特點。境內滑坡主要以淺層堆積層的蠕滑變形居多，崩塌則以傾倒式或滑移式土質崩塌為主。19 處地質災害隱患點直接威脅139戶、491人生命安全，威脅財產約7 789萬元。

圖3 蔣村街道地質災害隱患分布圖

2 地質災害風險評價體系構建

地質災害的發生是致災體在自然因素和社會因素的綜合影響下作用于承災體上產生的影響和破壞，具有危害性、可變性、不確定性以及復雜性等特征[7]。地質災害風險評價是對某一特定區域，在某種特定條件下發生地質災害時造成的人員、經濟等損失的可能性預測。目前，國內外學者普遍認為地質災害風險評價由地質災害危險性評價和易損性評價共同組成，并從危險性和易損性兩個方面構建指標體系，提出了表征風險程度的定量計算式：風險度 = 危險性 × 易損性[8]。筆者認為，地質災害風險評價可包括四個階段：易發性評價、危險性評價、承災體易損性評價和風險性評價(圖4)，不同階段評價有其不同的側重和用途。因此，本次從研究區地質災害易發性、危險性、承災體易損性和風險性等 4 個方面進行綜合分析。

圖4 地質災害風險評價系統示意圖

2.1 評價單元確定

區域地質災害風險評價中常用的單元類型有網格單元、地域單元、均一條件單元、子流域單元、斜坡單元等，其中斜坡單元是滑坡、崩塌等地質災害發育的基本單元，并且在各類控制或影響因素中，斜坡和溝谷的發育階段對滑坡、崩塌的形成具有明顯的控制作用[9]。因此，本次采用斜坡單元作為評價單元，以研究區地理底圖和精度5 m的DEM數據為基礎，結合地質環境條件，按照地形地貌、地層巖性、地質構造等的相似、相近程度，將研究區具備孕災條件的區域(去除北部平原區)劃分為661個斜坡單元，并逐一進行了圈定編號，斜坡單元總面積為89.49 km2，占研究區總面積的68.07%(圖5)。為了保證評價結果的合理性，按照5 m×5 m柵格大小將研究區DEM數據離散為5 258 918個單元格，在此基礎上進行指標提取，并按照最大面積法轉化為斜坡單元評價指標。

圖5 蔣村街道斜坡單元劃分圖

2.2 地質災害易發性評價方法

地質災害易發性反映某一特定區域內，由地質環境條件現狀綜合決定的地質災害發生的可能性，是評定某一區域內地質災害發生概率的自然屬性。目前國內外對易發性評價常用方法主要有邏輯回歸法、神經網絡法、綜合指數法、信息量法、支持向量機等[10-11]。本次選取綜合指數法，利用設定的規則將一系列與地質災害發生相關的影響因子無量綱化，采用權重來區別各個影響因子對地質災害易發性的貢獻，然后加權計算得到斜坡單元地質災害易發性綜合指數：

(1)

式中：Yi為第i個斜坡單元易發性綜合指數；Fj為第i個斜坡單元j類指標權重；Sj為第i個斜坡單元第j類指標賦值；n為影響因子項數。

2.3 地質災害危險性評價方法

地質災害易發性僅考慮了影響地質災害發育的靜態因素，未考慮在特定時間段發生某種影響地質災害形成的誘發因素。故本次通過總結分析研究區地質災害的形成機理，考慮降雨為研究區地質災害發生的主要誘發因素，采用基于極值降雨假設的地質災害危險性評價方法(即基于研究區歷史上有地質災害發生的事實，假設有監測記錄以來，最大日降雨量Lmax/day為災害發生的觸發因素)，計算各斜坡單元的危險性指數：。

(2)

式中：Hi為某種工況下第i個斜坡單元危險性指數；Yi為第i個斜坡單元易發性指數；Ymax為最大易發性指數；Pi為某種工況下第i個斜坡單元的給定時間段內的失穩概率，Pi=L/Lmax/day，Lmax/day為有監測紀錄以來研究區日最大降雨量，L為不同頻率(10%、5%、2%、1%)下的年最大日降雨量。

2.4 地質災害承災體易損性評價方法

承災體是指遭受地質災害危害的對象，如人員、物質、資源或生態環境等，易損性是在地質災害發生時，對危險范圍內的承災體所可能產生的損傷、破壞程度的評估[12]。本次根據研究區實際情況，選取人員易損性和物質易損性作為地質災害承災體易損性的評價指標。人員易損性主要考慮人口密度和年齡結構，物質易損性主要考慮建(構)筑物結構、用途、層數和道路的交通等級，各評價指標和權重見表 1。

2.5 地質災害風險性評價方法

結合地質災害危險性與承災體易損性，綜合確定各斜坡單元地質災害風險性的計算公式如式3。其中，根據承災體評價對象的不同，風險評價可分為人員傷亡風險評價和經濟損失風險評價，按照表2劃分斜坡單元風險等級后，以“就高原則”確定斜坡單元綜合風險等級：

(3)

式中：Ri為某工況下第i個斜坡單元的風險值；Hi為某工況下第i個斜坡單元危險性指數；Ej為某工況下第i個斜坡單元第j個承災體價值(人員數量，單位人；經濟價值，單位萬元)；Vj為某工況下第i個斜坡單元第j個承災體易損性。

表1 承災體易損性評價指標因子、權重及賦值分級表

表2 地質災害風險等級劃分標準表

3 西安市蔣村街道地質災害風險評價

3.1 數據來源

西安市蔣村街道地質災害風險評價基礎數據主要包括：地形、地質、植被覆蓋度、土地利用、地質災害及社會發展等，通過收集、實測、現場調查及勘查等多種方式獲得。其中，1∶10 000數字化地形圖、1∶50 000地質圖、精度優于5 m的DEM、精度優于1.0 m的遙感影像、植被覆蓋度、土地利用現狀、社會發展等數據通過收集獲得；1∶2 000數字化地形圖、精度優于1 m的DEM、精度優于0.5 m的遙感影像通過實測獲得；地質災害、斜坡結構、切坡高度等通過野外調查及勘查獲得；承災體房屋和人員信息通過收集第三次國土調查數據結合現場調查比對和行政村核實確定。

3.2 地質災害易發性評價

根據研究區地質災害發育特征及形成條件，選取坡度、坡高、坡向、坡型、地層巖性、地質構造、斜坡結構、切坡高度、道路、植被等10個影響因子建立了研究區地質災害易發性多指標綜合評價體系。同時，考慮到指標選取的客觀性和不同指標因子的獨立性，利用GIS軟件的多元分析模塊對上述因子進行相關性分析[13]，保證了評價因子選取的合理性。

基于對研究區地質災害影響因素和形成機理分析，采用層次分析法(AHP)，比較各指標的相對重要性，通過構造判斷矩陣計算各因子權重[14]，并結合試算最終確定各指標權重系數，進而對指標重分類后分別賦值，確立了以斜坡為單元的地質災害易發性評價指標體系及量化分值表(表3)。利用GIS平臺中的柵格計算工具對各指標影響指數進行疊加，從而得到蔣村街道各斜坡單元地質災害易發性綜合指數為1.27～4.58，進一步將斜坡單元地質災害易發性劃分為極高易發(4

表3 地質災害易發性評價指標體系及量化分值表

圖6 地質災害易發性分布圖

根據研究區地質災害發育現狀，采用ROC曲線對斜坡單元地質災害易發性評價結果進行檢驗[15](圖 7)，結果顯示預測精度為89.7%，表明上述評價方法和結果較為合理。

圖7 易發性評價結果ROC驗證曲線

3.3 地質災害危險性評價

根據資料分析及實地調查，研究區內地質災害形成幾乎都與降雨有關，在降雨時間地質災害的發生概率明顯增高，因此選取降雨為蔣村街道地質災害發生的誘發因素。

研究區有監測記錄以來最大日降水量值為130.6 mm(1991年7月28日)，參照研究區多年降水量數據，選取10%、5%、2%、1%概率下的年最大日降水量分別為35 mm、75 mm、150 mm、200 mm。在斜坡單元易發性評價的基礎上，利用GIS疊加不同降雨工況條件下的斜坡失穩概率，得到不同工況下斜坡單元危險性指數，按照極高危險(Yi>0.8)、高危險(0.8≥Yi>0.6)、中危險(0.6≥Yi>0.4)和低危險(0.4≥Yi>0)劃分為4個等級(圖8)。

圖8 不同降雨工況下地質災害危險性分布圖

3.4 地質災害承災體易損性評價

本次依據研究區第三次國土調查數據，在現場調查中對各斜坡單元內承災體進行比對，對于有疑議的數據與所屬行政村核實確定，共調查斜坡區承災體425戶、1 766人、各類房屋 1 913 間、道路總里程 52.5 km。按照表1進行了各類承災體易損性評價，得到研究區地質災害承災體易損性評價圖(圖 9)。

圖9 承災體易損性評價圖

3.5 地質災害風險性評價

在地質災害危險性和承災體易損性評價的基礎上，根據地質災害風險評價模型計算各斜坡單元風險性指數，其中危險性指數考慮研究區最大可能降雨條件，選用2%降雨工況下危險性指數參與計算。經計算，蔣村街道各斜坡單元人員傷亡風險指數介于0～38.96、經濟損失風險指數介于0～1 311.62，分別按照表2劃分風險等級后，以“就高原則”確定的斜坡單元綜合風險等級如圖10所示。

圖10 斜坡單元綜合風險評價圖

根據評價結果，蔣村街道風險等級極高斜坡1個、高風險斜坡11個、中風險斜坡24個、低風險斜坡625個，極高、高、中風險等級斜坡主要分布于甘峪溝溝口及兩側的低山區、沖洪積扇區。其中，極高風險斜坡1處，位于富村窯村，面積約0.15 km2，占研究區總面積0.11%；高風險斜坡11處，分布于富村窯村、東寨村、王過村、甘峪口村，面積合計0.86 km2，占比0.73%；中風險斜坡24處，主要分布于柳泉口村、曹村、富村窯村、東寨村、王過村、甘峪口村、郝家寨村，面積合計1.22 km2，占比0.97%；低風險斜坡625處，為極高、高、中風險等級斜坡以外的斜坡區域，面積合計87.26 km2，占比66.38%。

4 評價結果驗證與討論

4.1 評價結果實地驗證

為了檢驗本次評價結果的可靠性，選取1處極高風險等級斜坡和1處高風險等級斜坡進行了野外實地驗證。

極高風險斜坡(圖11、圖12)位于蔣村街道富村窯村，地貌類型為山前沖洪積扇，斜坡結構為土質斜坡，地層為第四系洪積層粉質黏土和砂礫石層，斜坡原始坡型為直線型陡坡，因村民于斜坡中下部開挖坡體修筑平臺形成“陡坡—平臺—陡坡”的階梯狀坡型，切坡形成的陡坎高度6～15 m；現場調查發現該坡體房前道路裂縫3～10 cm，多處民房院墻有明顯傾斜拉張裂縫，縫寬2～5 cm，房后陡坎局部發生滑塌，坡體上部有高約1.5～2.0 m錯坎，資料顯示該斜坡在2012年7月強降雨期間曾發生過局部滑動，部分村民房屋受損，直接經濟損失約20萬元；該斜坡范圍共有居民24戶、95人，房屋87間，威脅財產約1 450萬元，綜合風險等級評價為極高風險合理。

圖11 極高風險斜坡全貌

圖12 房屋院墻錯縫

圖13 高風險斜坡全貌

圖14 房后坡體局部滑動

高風險斜坡(圖13、圖14)位于蔣村街道王過村，地貌類型為秦嶺北麓低山區，斜坡結構類型為巖土復合斜坡，出露地層為第四系殘坡積粉質黏土和下元古界寬屏群石英片巖；村民切坡建房形成的陡坎高約6～10 m，上部斜坡經人工修整后呈中間低、兩側高的內凹型坡，降雨時易匯集水流；經實地調查，2021年9月份強降雨期間，該坡體房前道路約20 m發生滑塌，部分民房墻體有拉張裂縫，縫寬1～3 cm，房后坡體局部發生滑動堆積至村民院墻，調查時坡體上有多處拉張裂縫，裂縫寬3～10 cm，延伸約10 m；據調查，該斜坡于2012年、2019年雨季也曾發生局部滑動；該斜坡范圍共有居民4戶、9人，房屋12間，威脅財產約150萬元，綜合風險等級評價為高風險合理。

4.2 1∶10 000與1∶50 000風險調查評價結果對比

為說明本次1∶10 000風險評價結果與以往評價精度的不同，特截取2021年完成的西安市鄠邑區1:50 000風險調查評價結果中的蔣村街道部分進行對比，如圖15、圖16所示。

圖15 1∶50 000風險調查評價結果

圖16 1∶10 000風險調查評價結果

圖17 兩次風險調查評價結果對比柱狀圖

本次1∶10 000風險調查評價確定的中風險以上斜坡面積合計2.23 km2，1∶50 000風險調查評價確定的中風險以上斜坡面積合計25.49 km2，相比減少23.26 km2，減少幅度91.25%，占研究區總面積17.69%。其中，極高風險區、高風險區、中風險區面積分別減少4.67 km2、4.28 km2、14.31 km2，減少幅度分別為96.89%、83.27%、92.14%。

分析以上差異產生的原因主要有兩方面：調查的精度和評價依據的基礎數據精度。首先，1∶50 000風險調查評價時以鄠邑區為研究區，側重于地質災害隱患點調查，調查比例尺為1∶50 000～1∶10 000；本次1∶10 000風險調查評價以蔣村街道為研究區，將全區具備孕災條件的斜坡區劃分斜坡單元逐一開展調查，在調查地質災害隱患點的同時注重孕災地質環境條件的調查，調查比例尺為1∶10 000～1∶2 000；相比而言，本次對研究區地質災害和孕災條件的調查更細致，通過本次調查確認增加了9處地質災害隱患點，較以往調查的地質災害隱患點增加90%，也說明了本次調查的精度更高。其次，1∶50 000風險評價時采用的基礎數據中DEM精度為12.5 m、地形數據比例尺為1∶50 000～1∶10 000、遙感衛星數據精度為2～1 m，承災體數據僅調查了地質災害隱患點威脅范圍的承災體，地質災害風險評價時主要依據災害點分布密度圈定風險區；而本次評價時以斜坡為單元，采用的DEM精度為5 m、地形數據比例尺為1∶10 000～1∶2 000、遙感衛星數據精度為1～0.5 m，承災體數據以第三次國土調查數據為基礎，對涉及人員的承災體現場調查了每一處建(構)筑物內的人員情況，并與當地政府進行了核實，地質災害風險評價時充分考慮了研究區地質災害發育的地質環境條件。從圖15、16可看出，1∶50 000風險調查評價僅劃分中風險以上風險區4個，風險區范圍均較大；本次1∶10 000風險調查評價共劃分中風險以上風險區36個，劃定的風險區范圍更具體。同時可看出，本次劃分的中風險以上風險區基本位于1∶50 000風險調查評價劃分的風險區范圍內，且包含了研究區90%以上的中風險等級以上地質災害隱患點，本次劃分的中風險以上斜坡區地質災害發育密度為6.73處/km2，1∶50 000風險調查評價劃分的中風險以上斜坡區地質災害發育密度為0.39處/km2。

5 結論與展望

(1)蔣村街道共發育地質災害隱患點19處，其中滑坡14處、崩塌5處，滑坡主要以淺層堆積層的蠕滑變形居多，崩塌則以傾倒式或滑移式土質崩塌為主，境內地質災害的分布與地貌關系密切，其發生主要受降水條件影響，具有小規模、集中發育的特點。

(2)蔣村街道地質災害極高風險斜坡1處，位于富村窯村，面積0.15 km2，占研究區總面積0.11%；高風險斜坡11處，分布于富村窯村、東寨村、王過村、甘峪口村，面積合計0.86 km2，占比0.73%；中風險斜坡24處，主要分布于柳泉口村、曹村、富村窯村、東寨村、王過村、甘峪口村、郝家寨村，面積合計1.22 km2，占比0.97%；低風險斜坡面積合計87.26 km2，占比66.38%。極高、高、中風險斜坡主要分布于甘峪溝溝口及兩側的低山區和沖洪積扇區。

(3)通過評價結果實地驗證并與以往評價結果對比，本次調查評價精度更高，明確了研究區內地質災害風險分布區域和特征，為針對性地采取預防、避讓、治理或者相結合的方式實施地質災害防治和風險管控提供了依據，有利于提高防災減災工作的可操作性和時效性，做到有的放矢。

地質災害風險評價中易發性評價和危險性評價是基礎，承災體易損性評價是核心，災害點和風險區管控是應用。應深化地質災害風險評價與監測預警、減災規劃、防治工程效益的結合度，加快現代網絡技術在地質災害防治領域的應用，準確、及時傳送地質災害預警信息。開發適用的邊坡分級管理系統，加強地質災害風險管控。