云南橫斷山區鄉鎮滑坡災害易發性評價

吳興貴,王藍婷,丁梓逸,張小亮,周源海,王宇棟

(1.昆明理工大學公共安全與應急管理學院,昆明 650093;2.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院有限公司,昆明 650041;3.云南凌業地基基礎工程有限公司,昆明 650051)

據2016年統計,滑坡災害在我國地質災害中占比最大,已成為我國主要的地質災害類型之一[1],嚴重威脅人的生命財產安全?；聻暮Φ陌l生與多種因素相關,各種因素之間存在不確定性及相互作用的復雜性特點[2]。隨著社會經濟的發展,GIS技術的引進,國內不少學者對滑坡地質災害進行了有意義的探索和研究。

橫斷山區是我國地質結構最為復雜的區域之一,是東部環太平洋區域和西部古地中海區間的交接過渡地帶,由于橫斷山區地質環境復雜,地貌類型多樣,生態環境脆弱,使該區域滑坡災害易發且危害嚴重[3]。2006～2015年期間,橫斷山區發生山地災害932起,其中滑坡382起,造成了巨大的生命財產損失。近年,例如2018年發生的特大“白格滑坡”,造成了金沙江堵塞和重大經濟損失,是社會影響較大的一起滑坡事件。國內學者對橫斷山區內山地災害開展了相關研究,黃靖等[4]對橫斷山區涼山州地質災害的空間分布特征進行了探討;曹楠等[5]分析了橫斷山區內西昌的地質災害分布規律;蘭恒星等[6]對橫斷山區內小江流域的滑坡災害影響因子開展了深入分析;邊江豪等[3]對整個橫斷山區山地災害進行了分布特征分析及動態演化規律研究。目前,對橫斷山區的研究主要以大區域(整個橫斷山區,州區,縣域)尺度為主,且主要分析探討災害孕育條件及分布特征,且目前在對滑坡災害易發性研究中,研究區域尺度主要聚焦于縣域及以上,而在城鎮區域,由于經濟發展建設,山體開挖,建房切坡,公路建設等活動也更加頻繁,從而誘發地質災害發生。且由于鄉鎮人口“大分部,小聚居”的分布特點,地質災害發生對山區鄉鎮人口的影響也會尤為嚴重。區域滑坡易發性是進行區域滑坡災害危險性及風險評價的基礎,對山區鄉鎮進行國土資源開發、鄉鎮規劃與建設時規避災害風險有著重要意義。

綜上所述,針對橫斷山區鄉鎮級滑坡災害易發性評價的不足,本文以地處橫斷山區境內的瀾滄縣安康佤族鄉為研究區,基于GIS,將AHP與綜合指數模型相結合,選取滑坡災害易發性評價影響因子并計算權重,對研究區內滑坡災害易發性進行評價并分區,為鄉鎮安全規劃及制定滑坡災害防治方案提供參考。

1 研究區概況與數據準備

1.1 研究區概況

安康佤族鄉位于云南省普洱市瀾滄拉祜族自治縣西北部,瀾滄江以西,東經99°61′37″～99°78′41″,北緯23°07′72″～23°25′06″(圖 1),行政區域面積179 km2,地處橫斷山脈怒山山系南段,區域內地貌類型為中切割中山峽谷地貌,海拔高程多為1 800 m以下,切割深度500～1 000 m。鄉境內多為高山,地勢呈西北高,東南低。

圖1 研究區位置及影像圖

該地區屬于亞熱地山地季風氣候,具有氣候溫和、四季不明顯的特征。研究區境內主要河道有二級河流一條,三級河流兩條,河網密度0.75 km/km2,鄉內地層巖組主要為變質石英砂巖、絹英片巖、夾板巖、千枚巖。據云南省瀾滄縣地質災害詳細調查顯示,安康鄉共有10個地質災害隱患點,其中滑坡災害隱患點7個,災害點密度5.59個/100 km2,是瀾滄縣災害分布密集鄉之一。

1.2 數據準備

本文用到的數據主要有安康鄉行政邊界,DEM,地質圖,滑坡歷史災害點,土地利用類型等。其中DEM主要用于高程、坡度、坡向、起伏度、水系、曲率的提取。行政邊界來源于91衛圖,DEM來源于地理空間數據云,地質圖來源于全國地質資料館,滑坡歷史災害點來源于瀾滄縣地質災害詳細調查。參考安康佤族鄉地理經緯度,結合投影坐標系計算方法,將研究區所有圖層的坐標系設置為WGS-1984-UTM-Zone-47N。

2 易發性分區評價方法及因子選取

2.1 易發程度分區評價方法

目前,常用的易發性評價模型包括:信息量模型、確定系數法、邏輯回歸模型、網絡神經、決策樹、綜合強度指數法等。研究表明,不同的模型對同一研究區評價的結果不會產生太大差異[7],但每種模型都有其適用的條件及不足,前面的幾種方法均大量需要歷史災害點為基礎,本次研究區為鄉級小區域,歷史災害點數據少,不能有效客觀的反映災害分布情況,因此,本文采用易發綜合強度指數法,對安康鄉滑坡災害易發性進行分區研究?；谘芯繀^實際情況及前人的相關研究總結,確定安康鄉滑坡易發性評價因子,利用AHP法計算各因子權重,根據各評價因子的不同狀態,按照研究區實際情況劃分不同等級,并賦予不同等級分值,將影響因素不同等級的影響程度進行量化,利用GIS疊加分析計算出各個單元所有評價因子加權和,得出每一單元的易發程度指數,由易發程度指數將研究區劃分為高易發區、較高易發區、中易發區和低易發區。

2.2 評價單元確定

滑坡易發性評價常用的單元劃分方法主要有3種:

(1) 柵格單元:柵格單元的大小代表柵格評價單元的精度,為柵格數據最小單位的大小,一般為標準的正方形,每個像元的屬性也能反應該柵格的空間分布位置。具有計算簡單快捷,數據信息庫結構清晰的優點。

(2) 行政單元:按照行政區劃進行劃分,思路清晰,可操作性強。但該方法分割了研究區域的整體性,忽略了同一評價因子在不同單元之間的聯系,評價結果正確度較低。

(3) 斜坡單元:按照斜坡單元進行區域劃分,更接近真實的情況,與前兩個方法相比,該方法保證了構造單元的整體性、連續性。但是該方法沒有統一的劃分標準,受主觀意識的影響較大。

本文基于GIS的評價思路,具有數字高程模型等基礎資料,缺少滑坡整體性劃分的實際工作,因此本文選取柵格單元作為評價單元。本文收集的數據為30 m精度,因此本文將評價柵格單元劃分為30 m×30 m。

2.3 評價因子確定

影響滑坡發生的因素主要有地層巖性、地形地貌、降雨量、植被覆蓋及人類工程活動等,滑坡是多種因素聯合作用的結果[8]。由于研究區范圍不大,故本文只選取地形及斜坡穩定基本因素高程、坡度、坡向、起伏度、曲率、土地利用類型、距水系距離和距斷裂距離8個因素作為滑坡災害易發性評價影響因子(圖2),而地層巖性、降雨量等因素在該區域內基本相同故不做考慮。

(1) 高程:高程可以影響地下水徑流、降水量、植被分布、斜坡應力變化及人的活動范圍等,高程是影響降水量的主要因素,降水量與高程呈反相關關系,徑流量的變化與降水量類似,隨著高程的增加而減少。高程也決定著植被分布的梯度特性,不同高程下,植被種類與多樣性有著明顯的差別。同樣,高程也會影響人類活動的強度。而這些因素也是影響滑坡發生的重要誘發因素。由以往研究者對云南省滑坡災害分布特點的分析[9, 10],滑坡災害主要分布在1.0～2.0 km高程范圍內。研究區高程范圍為788～2 422 m,按影響情況將其重分類為4個等級,如圖2(a)。

(2) 坡度:坡度是影響斜坡穩定性的重要因素,有了坡度條件,滑坡才會順著坡面下滑。不同坡度對滑坡產生規模、類型及危險程度有著不同的影響,坡度也同樣影響著坡度堆積物勢能、植被分布特征及地表徑流量。隨著坡度的增大,斜坡剪切力也會增大,導致發生滑坡的概率增加,研究區坡度范圍為0°～62.2°間,將影響情況其重分類為4個等級,如圖2(b)。

(3) 坡向:是一個重要的地形特征,不同的坡體朝向的太陽輻射強度條件不同,進而對坡體土壤結構、植被多樣性和覆蓋率、水文地質等有著顯著影響[11]。據云南省坡向統計分析,在人類工程活動和地質背景相同的情況下,滑坡在陽坡發生的概率大于陰坡,滑坡密度呈現出南面高于北面、東面高于西面的特征,按影響情況將其重分類為4類,如圖2(c)。

(4) 起伏度:高程從整體上反應地形的變化,起伏度反應某確定面積內最高點與最低點的高差(評價單元的大小30 m×30 m),反應了地表起伏的變化。據起伏度與滑坡災害的分析,起伏度與滑坡災害有很大的相關性,研究區起伏度為0°～133°,將其按影響程度重分類為4類,如圖2(d)。

(5) 坡形:定量的表示地形表面的彎曲變形程度,反映的是坡面凹凸的形態。剖面曲率反映了坡面的平面形態,是曲率在垂直方向的分量,表示坡度從最大降落方向的高程變化率[12]。曲率越大,坡形越凸,反之則越凹。凹形隨著坡長的增加,坡度減小,坡體中部比坡體上下部更容易受到侵蝕,凸形坡坡頂平緩,坡底陡峭,坡腳應力較大,更容易發生大型滑坡?？偳试酱?表示地形地貌越復雜,也就越容易造成失重,導致坡體失穩。DEM數據可以提取剖面曲率,范圍分別為0～42,并依據前人研究[13]將其進行重分類,如圖2(e)。

(6) 土地利用類型:土地利用類型反映的是人類工程活動對滑坡的影響,隨著經濟建設的發展,人類的居民建房、公路建設、耕地利用等活動破壞了斜坡的穩定性,加劇滑坡災害的發展。建房切坡及公路開挖等人類活動是典型的地質災害孕育影響因素之一[14],本文將研究區土地利用類型分為4類,如圖2(f)。

(7) 距水系距離:河流侵蝕與水對坡體的巖土的浸泡軟化以及河流下切形成的斜坡臨空面對斜坡巖土體都會造成影響[15]。水系的發育與其對地表的切割能力成正向影響,此外,河流在枯水期與豐水期時,河流流域內的水文地質環境也會不同,也會影響斜坡的穩定性。本文對研究區距水系距離按400 m,400～800 m,800～1 600 m,>1 600 m的距離進行劃分,如圖2(g)。

(8) 距斷裂距離:是滑坡災害發育的影響因素之一,滑坡的形成機理、類型及規模都與斷裂有很大的關系。一方面,斷裂活動直接導致巖土層上部破壞、破裂,進而引發災害發生;另一方面,地質作用強烈地帶,土質較為疏松,巖層破碎程度高,導致風化作用更強,以至于發育滑坡的斜坡常較為集中。研究區內斷裂呈北東-南西向,傾向120°,傾角70°,巖石破碎,矽化強烈。本文對斷裂帶進行緩沖區創建,分別為0～800 m,800～1 600 m,1 600～3 000 m,>3 000 m,如圖2(h)。

圖2 滑坡易發性評價因子重分類圖

3 易發性評價

3.1 權重值計算

3.1.1 構造判斷矩陣

本研究擬采用層次分析法來求得各個評價因子的權重值,參考前人研究[16-19],及結合研究區實際滑坡易發性評價因子分級結果,采用T.L.saaty提出的1～9標度法,對已選定的評價因子之間的相互重要性進行打分,構建判斷矩陣表,見表 1。

表1 因子權重比較矩陣表

3.1.2 一致性檢驗

在spss中采用和積法進行分析計算,針對高程、坡度、坡向、曲率、起伏度、土地利用類型、距水系的距離、距斷裂距離分析得到特征向量(表 2)及最大特征值λmax為8.638。對判斷矩陣一致性進行檢驗,公式如下:

(1)

式(1)中,CI為一致性指標;n為矩陣階數;CR為隨機一致性比率;RI為平均隨機一致性指標。當CR<0.1,表示該判斷矩陣滿足一致性檢驗,指標權重賦值合理,反之則需對矩陣進行調整。計算得出CI值為0.091,查明一致性指標RI為1.410,根據檢驗性指標CR=CI/RI=0.091/1.410=0.065<0.1,則本次研究判斷矩陣具有較好的一致性,最終進行歸一化處理,得到各個評價因子的權重值如表 2中所示。權重計算得出因子的重要性依次是坡度、起伏度、坡向、曲率、高程、距水系距離、土地利用類型、距斷裂距離。如果僅采用易發強度綜合指數進行易發性研究,而沒有對各個因子的權重進行約束,則有可能會過度強調水系及土地利用的作用。

表2 因子特征向量及權重

3.2 評價因子等級劃分與量化

利用定量與半定量結合的方法,研究分析每個評價因子與滑坡災害空間分布與發育規模的對應關系以及內在聯系,確定滑坡各評價因子的權重分配后,按照前人[9, 10, 20]對各類評價因子的研究成果及研究區實際情況,將評分標準量化,見表3。

表3 評價因子分級與賦值

3.3 滑坡易發性分區

對研究區滑坡易發性評價時,通過AHP對各因子賦予權重之后,對等級評分加權處理后再評價,優于把評價因子直接疊加,結果會更合理。綜合指數模型在選擇評價因子、柵格單元劃分、因子權重劃分、因子賦值等研究之后建立危險性指數,將評價因子各等級區間加權疊加得出該研究區的滑坡易發性指數(LSI)。

按表1和表2的參數,對評價單元取值,利用柵格計算器進行加權疊加計算,計算單元的滑坡易發評價指數。

(2)

式(2)中,PLSI為滑坡易發性綜合危險性指數;Wi為評價因子權重;Xi為評價因子得分。運用公式算出每個柵格的滑坡易發性指數,得到研究區滑坡易發性指數在1～3.738區間。為直觀體現評價結果,依據GIS中自然間距分類法對易發性指數進行分級,劃分為4個分區,見表4。并在GIS軟件中繪制研究區滑坡災害易發性分區圖,如圖 3。

低易發區:分布在研究區南、西南方向,面積32.54 km2,占總面積比例為17.84%,分布較為集中。為人類工程活動較少地區,下翁散和啊福新寨在此區域內,目前調查發現存在滑坡災害0處。

表4 滑坡易發性綜合評價表

圖3 滑坡易發性分區

中易發區:主要分布在研究區中部及西部部分區域,面積為61.27 km2,占總面積比例為33.57%,分布較零散。南柵村、班壩村、糯波村在此區域內,目前調查發現存在滑坡災害1處。

較高易發區:主要分布在研究區東部、北部及東北方部分區域,面積為62.16 km2,占總面積比例為34.06%,分布較零散。該區域人類工程活動較多,上寨村、安康大新寨、南岱小寨、亮山在此區域內,目前調查發現存在滑坡災害3處。

高易發區:主要分布在研究區北部及東部及中部部分區域,面積為26.52 km2,占總面積比例為14.53%,分布較分散,主要靠近水系及山地。糯壩茶廠、安康村、南竹下寨、南竹新寨,南柵十一隊在此區域內,目前調查發現存在滑坡災害3處。

3.4 合理性檢驗

滑坡災害易發性評價是一個多標準、多因素的過程,對評價結果的合理性檢驗是不可少的一步。本文采用受試者工作特征曲線(ROC曲線)對本文易發性結果進行驗證。該方法以真陽性率為縱坐標,以假陽性率為橫坐標,形成曲線,曲線下的面積(AUC)用來預測結果合理性,其值越大,則越合理,一般,AUC值在0.7～0.9間,則說明結果具有較高的合理性,當AUC的值大于0.9時,則說明合理性最好。本文以研究區滑坡災害點數據作為基礎,結合隨機選取的非災害點,分別對災害點及非災害點的評價指數數據進行提取,將災害點數據目標值設為1,非災害點數據目標值設為0,把處理好的數據導入SPSS軟件中進行運算,得到本次易發性評價的ROC曲線(圖4),由計算結果得,AUC值為0.822,證明易發性分區結果具有較好的合理性。

圖4 易發性評價結果的ROC曲線

4 結論與討論

4.1 結論

(1) 本文以地處橫斷山區的瀾滄縣安康佤族鄉為研究區,根據研究區實際情況選取高程、坡度、坡向、曲率、起伏度、土地利用類型、距水系距離和距斷裂距離8個評價因子,建立評價指標體系,并采用AHP計算因子權重。研究表明,坡度、距斷裂距離、起伏度、曲率是影響研究區滑坡發育的最重要的4個因素。

(2) 將研究區滑坡易發性劃分為4個分區,低易發區、中易發區、較高易發區和高易發區,占地面積分別為:32.54 km2、61.27 km2、62.16 km2、26.52 km2,其中較高易發區和高易發區共占總面積的48.5%,說明研究區滑坡易發性較高。

(3) 得到易發性分區與現有滑坡災害隱患點呈正相關,災害隱患點越多,易發性越高,表示該評價結果符合實際情況。采用ROC曲線對分區結果進行合理性檢驗,得到AUC值為0.822,說明本次易發性分區結果具有較高的合理性和可靠性,表示綜合指數模型適用于小區域滑坡易發性評價。

(4) 研究區易發性高及較高區域主要集中在斷裂帶附近區域,且為村民生活、人口密度較高區域,一旦發生災害將對村民的生命財產造成威脅。其中,上寨村、安康大新寨、南岱小寨、亮山處于滑坡高易發性區域,該區域在后續的開發與建設中要盡量加強滑坡災害的防治,同時對已經開挖的邊坡采取相應措施,防范滑坡災害的發生。

4.2 討論

(1) 目前,在省級、市級、縣級大尺度上的地質災害易發性研究普遍使用信息量模型、確定系數法、邏輯回歸模型、網絡神經法等模型。這些方法均需要豐富歷史災害點等數據資料作為支撐,而在小區域尺度上的災害易發性評價歷史災害數據較少,資料不夠豐富,因此本文采用綜合指數模型,將層次分析法與其結合,是一種定性定量相結合的一種綜合衡量方法。研究結果表明該方法適用于研究區域資料不夠豐富的小區域尺度災害易發性評價。

(2) 本文研究受限于數據資料限制,其分析深度及精度還存在不足之處。例如,用層次分析法計算因子權重存在一定的主觀性,鄉域內地層巖性及植被覆蓋度無法進行細致的劃分與分析;另外,由于地形復雜及研究區域的限制,將評價單元按柵格劃分,未按照斜坡單元劃分,未能更好體現出實際地形特征與地貌的吻合度,這些還可以進行更進一步的細致研究。