基于信息量法與斜坡單元的貴州省三都縣打魚鎮地質災害風險評價

蘭中孝,鄭 冰,廖德武,張才兵,王 源,潘世佳

(1.貴州地礦基礎工程有限公司,貴州 貴陽 550081;2.貴州省地質調查院,貴州 貴陽 550081)

0 引言

西南山區地質環境脆弱,地質災害十分發育,嚴重威脅人民的生命財產安全[1]。近年來,地質災害風險評價成為了眾多學者的研究熱點,也取得了豐碩的研究成果。

地質災害風險評價過程主要包括易發性、危險性和易損性評價[2-4],評價方法和評價單元的選擇的選擇是評價的重要步驟。單一的評價模型有頻率比模型、證據權模型和信息量模型等[5],其中,操作方便和計算結果易于理解的信息量模型得到了廣泛的運用,評價過程中避免了主觀判斷,較好地符合實際[6]。評價單元主要分為斜坡單元和柵格單元,評價單元的適宜性也受到了廣泛的討論,基于斜坡單元的評價結果預測精度較高[7]。本文以貴州省打魚鎮為研究區,探討了信息量法與斜坡單元在小范圍地質災害風險評價中的適用性。

1 研究區概況

研究區位于貴州省三都縣北部(圖1),地處云貴高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶,地勢以丘陵地貌為主。氣候具有溫潤季風氣候特色,四季分明,近20 a平均降水量為1 384.2 mm降雨充沛。地層從老到新,從前震旦系至第四系均有出露,巖性以頁巖、粉砂巖等軟質巖為主。區內構造發育,受區域應力的控制,呈南北展布。區內地下水較為豐富,以松散孔隙水和基巖裂隙水為主。受孕災地質環境條件和降雨作用影響,研究區地質災害發育程度較高,通過資料收集和調查訪問,查明區內現狀及歷史地質災害隱患點共計24處,均為滑坡,對人民生命財產安全有較大威脅。

圖1 交通位置圖

2 研究方法與評價單元

2.1 信息量模型

信息量模型因其計算簡便,評價結果精準,現已廣泛用于地質災害易發性評價中。反映地質災害易發性的信息量是指特定區域(單元)內每一影響因素對地質災害易發性所起作用的大小,用條件概率表示:

(1)

式中:Nj為地質災害在Aj狀態下的單元數;N為地質災害單元總;Sj為研究區內j狀態下的單元數;S為研究區的總單元數。Ij為正時表示該指標促進地質災害發育。

2.2 斜坡單元

斜坡單元是按照地形、地質因素進行劃分,保留了工程地質條件基本特性的評價單元?；谘芯繀^DEM,通過ArcGIS水文分析功能,先后經過填洼,流向,流量,河網和分水嶺等相關計算,初步生成以山脊線和山谷線為界的斜坡單元?？紤]地質構造分界線、巖層分界線和斜坡結構分界線等地質界線,進行人工手動修正調整,最終形成單元內部屬性一致,單元外部屬性相異的斜坡單元[8]。

研究區總面積為58.51 km2,共劃分174個斜坡單元。其中最小面積為0.01 km2,最大面積為1.67 km2,平均面積為0.34 km2(圖2)。

圖2 斜坡單元劃分結果圖

3 評價過程

3.1 易發性評價

3.1.1 評價指標分析

地質災害發育受多種因素共同影響[9-12]。不同高程的植被類型、巖體風化程度、坡體應力可能有較大差別。巖組是地質災害的載體,不同類型的巖體孕育的災害類型與易發程度也不一樣。剖面曲率能夠反應斜坡的凹凸形態,通過控制降雨的匯流和物質運移影響地質災害的發育。剖面曲率為負表示該處為凸地形,反之則為凹地形,為零時地形平直。平面曲率(垂直于最大坡度方向)能夠客觀反映斜坡平面特征,能夠間接反映斜坡的水文、水文地質、演化變形趨勢與方向,這些都與斜坡地質災害的穩定息息相關。平面曲率為負表示該處為凹地形,反之則為凸地形,為零時地形平直。坡度決定的斜坡的臨空條件和卸荷發育程度,對斜坡穩定性起著至關重要的作用。水系對岸坡沖刷也會加速地質災害的發育。地質構造也可通過影響巖體節理和地貌等對地質災害發育起著重要的控制作用。高差是斜坡內坡頂與坡腳最大的相對高程差,是劃分地貌類型的一個重要指標,同時也是反映地形起伏和切割程度的一個指標。斜坡坡向與巖層層面、節理裂隙等結構面的交切關系形成了不同的斜坡結構類型,順層斜坡若具良好的臨空條件易發生滑坡,逆向斜坡的巖體結構面在一定的組合條件下易發生崩塌,因此不同類型的斜坡結構控制著地質災害空間分布和斜坡破壞模式。結合研究區地層巖性與產狀,斜坡結構大致劃分為順向斜坡,逆向斜坡,橫向斜坡,斜向斜坡4類。

運用ArcGIS軟件中的多元分析工具計算評價因子相關性矩陣,從而對初選因子進行的共線性進行分析,得到各因子相關系數表。兩組因子相關性系數絕對值越大,表示其相關性也越大。由表1可知,巖組與地質構造相關性系數為0.21,相關性較強,水系和坡高也存在明顯相關關系,相關性系數達到了0.23,予以剔除。綜上所述,根據研究區孕災地質環境條件與地質災害發育實際情況,最終選擇高差、坡度、平面曲率、剖面曲率、巖組、斜坡結構6個相互獨立的評價因子,構建了研究區地質災害易發性評價指標體系。

表1 評價因子相關性矩陣分析表

3.1.2 信息量值計算

根據研究區地質災害發育分布情況,對研究區各評價指標進行分級,得到了打魚鎮評價指標分級圖(圖3)。通過信息量模型,計算各級指標信息量值,結果見表2。將各指標信息量值計算結果進行疊加計算,采用自然間斷法劃分信息量總值,最終將研究區地質災害易發性分為極高、高、中和低4級(圖3g)。

表2 評價指標信息量值

表3 地質災害風險等級劃分表

表4 斜坡單元風險等級分布表

圖3 評價因子分級圖與易發性評價圖

3.2 危險性評價

地質災害危險性評價是在易發性評價的基礎上進行的。地質災害易發性評價主要是考慮地質體的內在特征,如坡度、高差、斜坡結構等,而危險性評價主要考慮外部誘因,如降雨、地震和人類工程活動等。結合研究區實際情況,危險性評價主要考慮降雨因素,基于易發性評價結果,聯合20 a一遇降雨工況得到了地質災害危險性評價圖(圖4a)。

圖4 危險性及易損性評價結果圖

3.3 易損性評價

承災體易損性是指地質災害現象發生時,在一定范圍內對承災體可能造成的損失。承災體的選擇主要考慮財產和人口兩個方面的因素,易損性的大小主要受當地的社會經濟水平發展影響。在充分研究分析打魚鎮地質災害及其承災體基本特征以及全面考慮研究區易損性評價的數據獲取的基礎上,選擇了人口、建筑物和道路指標,構建了適合研究區的地質災害易損性評價指標體系,結果見圖4b。

4 風險評價結果

基于研究區地質災害危險性和易損性評價結果,根據地質災害風險等級矩陣判據,得到了研究區地質災害風險等級圖(圖5)。將研究區地質災害風險等級劃分為極高風險、高風險、中風險和低風險4個等級,地質災害風險分區斜坡單元統計結果見表2。

圖5 地質災害風險評價結果圖

研究區地質災害風險斜坡以中風險和高風險為主,高風險斜坡個數為53個,占研究區斜坡單元總數30.5%,主要分布在山區坡度較陡的斜坡,區內主要發育頁巖、粉砂巖等軟巖,覆蓋層也相對松散,在降雨影響下易發生殘坡積層內部或沿著層間軟弱面的滑坡。中風險區主要位于河道兩岸和山前平緩地區,占比41.4%,分布面積最廣,由于其地勢相對較為平緩,地質災害發生程度較弱,因此風險相對較低。高風險區斜坡發育20處滑坡,中風險區發育5處,其余風險區未見地質災害發育。

5 結語

(1)根據研究區地質災害發育分布規律初步選取了評價指標,利用ArcGIS多元分析工具分析了指標相關性,建立了一套科學的評價指標體系。

(2)按照相似性的原則完成了研究區斜坡單元劃分,并基于斜坡單元與信息量法,在地質災害易發性評價的基礎上,進行地質災害危險性和易損性評價,得到了研究區地質災害風險評價圖。評價結果與實際保持一致,為區域防災減災提供了重要的參考依據。