云南省大關縣地質災害風險性評價及分區研究

和子祺,李波,蔡映坤,劉志明,馬云燕

(昆明理工大學國土資源工程學院,昆明 650093)

大關縣作為云南省省級劃定的水富-大關-巧家-東川地質災害危險區、地質活動斷裂帶、滇東北地震活躍區,生態環境十分脆弱。受區域地形地貌的影響,人類活動主要集中在深切河谷及山前堆積區,特殊的高原山地地區加之不合理的人類活動及降雨等誘發因素的影響,致使區內地質災害類型多樣且各類型地質災害密集發育,是云南省遭受地質災害最為嚴重的縣市之一[1-6]。

而為有效地預防地質災害,需要首先完成地質災害的易發性評價,還需要從區域上進行地質災害危險性評價,對區域的社會屬性進行深入了解,進行研究區的易損性研究。在易發性評價、危險性評價、易損性評價基礎上完成地質災害風險評價,反應研究區地質災害總體風險水平。

自2015年大關縣完成1∶5萬地質災害詳細調查以來,指導地質災害防治的區劃以及相關建議嚴重滯后,與現狀嚴重不符,影響當地人民的生命財產安全及經濟的發展。因此,亟待進行新一次的地質災害調查與風險評價工作,在以往已有資料的基礎上進一步提高精度,充分利用新理論調查、研判、評價地質災害風險,為地質災害防治工作提供依據。本文結合現有的地質災害數據資料,以ArcGIS為平臺,對大關縣進行地質災害風險性評價,編制地質災害風險區劃圖,對該區地質災害防治和地質災害風險管控提供依據,并以此研究成果為大關縣地質災害防治“十四五”規劃提供支撐。

1 研究區概況以及地質災害情況

大關縣位于云南省東北部,昭通地區的腹心地帶?？h境氣溫平面差異不大,垂直差異突出,為山區立體氣候,全年平均氣溫15.0℃, 最高40.3℃,最低-6.4℃?？h境內降水分布不均衡,年平均降水量992.9 mm[7]。整個縣域地貌以峽谷山岳地形地貌為主,山高坡陡,溝谷縱橫,地勢南北高,中間低,相對高差大。大關縣境內除太古界、元古界和古生界、中生界的地層個別缺失外,其余地層均有出露。地層出露巖性主要為淺海相碳酸鹽巖,濱海相及海陸交互相的砂巖、粉砂巖,巖漿巖主要為二疊系玄武巖。溝谷和斜坡地帶廣布第四系松散堆積層。大關處于揚子準地臺邊緣,川滇經向構造帶北段。區內以褶皺和斷裂構造為主,總體為北東向。境內構造形跡北部和南部主要以南北向或北西向構造為主,中部構造形跡主要為北東向。地層褶皺寬闊,多數以短軸背斜出現,按展布方向可分為南北、北東、北西和東西向構造?？h域內新構造運動強烈,近代地震活動強烈,河谷下切,河流深切和側蝕作用加劇[8]。根據最新云南省的地質災害調查工作的開展,區內共發育地質災害點567處,包括滑坡299處、崩塌210處、泥石流56條及地面塌陷2處,多沿區內各主要河道及其支流谷坡區集中發育。其中滑坡以土質滑坡為主,且多為淺層、推移式、小型滑坡;崩塌以巖質崩塌為主,且多為墜落式、小型崩塌;泥石流以溝谷型、低-中頻、發育期、中-小型的泥石流為主,水源類型均為暴雨型,按物質組成多為泥石流型;2處地面塌陷特征不明顯,僅局部地表出現開裂等變形跡象。

2 大關縣地質災害風險性評價及分區

地質災害風險性評價及分區是一項系統的、綜合的評價手段,包括了地質災害易發性評價、地質災害危險性評價以及承災體易損性評價的內容,對地質災害的防治具有重要的理論和實際意義。通過對云南省大關縣的野外地質災害調查和相關資料的收集,建立了該區的風險性評價模型,即風險性=危險性×易損性。評價步驟首先對研究區進行了易發性評價,采用柵格單元作為評價單元,由于進行全縣域地質災害風險評價影響因子較多,不同影響因子間相互聯系、相互制約,通過對各常用評價方法進行比較,本文采用基于層次分析法-信息量法模型進行;其次,以10 a平均降雨量為誘發因素,再利用信息量法對其進行信息量值計算,結合地質災害易發性指數對研究區進行了地質災害危險性評價;第三,以收集到的最新大關縣年鑒及第三次全國土地普查數據為基礎,基于承災體易損性各屬性特點,選擇人口密度、道路密度、耕地密度及GDP密度作為本次地質災害易損性評價指標對研究區進行地質災害易損性評價;最后依據完成的危險性評價、易損性評價,利用ARCGIS軟件的疊加分析功能,完成大關縣的地質災害風險性區劃。

2.1 大關縣地質災害易發性評價及分區

2.1.1 評價方法

(1) 信息量法

主要通過各指標區間已知災點信息量值的計算,表征各指標區間對發生該類型地質災害的貢獻值,最終進行區域地質災害易發性的評價。對某種因素特定狀態下地質災害信息量計算公式為:

(1)

式中,Ixi→A為對應因素x在i狀態或區間條件下,地質災害A發生的信息量值;Ni為對應因素x在i狀態或區間條件下,地質災害A面積或點數;N為調查區地質災害A總面積或總點數;Si為對應因素x在i狀態或區間條件下的分布面積;S為調查區總面積。

當Ixi→A>0時,反映了地質災害A在對應因素x在i狀態或區間下發生地質災害的可能性較大,或者說該狀態或區間有利于地質災害A的發生;當Ixi→A<0時,則反之說明不利于地質災害A的發生;當Ixi→A=0時,反映了不提供有關地質災害A發生與否的任何信息[9]。

每個評價單元地質災害的易發性是各因素綜合影響的結果,各影響因素又存在不同的狀態或區間,各因素各狀態區間地質災害發生的總信息量值計算公式為:

(2)

式中,I為每個評價單元地質災害發生的總信息量值;Ni為對應因素在i狀態或區間條件下地質災害的面積或地質災害的數量;Si為對應因素在i狀態或區間分布的總面積;N為調查區地質災害的總面積或總地質災害數量;S為調查區總面積。

(2) 層次分析法

層次分析法是一種將復雜的問題轉化為有序的階梯層次結構的多準則決策方法,具有實用性、系統性、簡潔性。在對各影響因素與地質災害及各影響因素之間的相關性進行深入分析的基礎上,利用層次分析法能有效地將各影響因素的權重進行數字化[10]。

(3) 易發性指數

信息量模型未對各評價因子之間的關系及其權重進行分析考慮,本次研究為了提高評價的真實性、客觀性,將各次級因子信息量值(Ii)與其對應因子的權重值(ωi)計算出易發性指數(Yi)(見式3),最終通過易發性指數進行地質災害易發性的分析評價。

Yi=Ii×ωi

(3)

2.1.2 評價流程

(1) 評價單元的確定

常用的評價單元類型主要包括行政單元、柵格單元、均一條件單元及斜坡單元等?？紤]評價精度問題,選擇了柵格單元作為本次研究的評價單元?；谇捌趯W者的經驗公式[11],1∶50 000的調查評價工作柵格單元的大小計算結果為32.85 m。

Gs=7.49+0.000 6s-2.0×10-9s2

+2.9×10-15s3

(4)

式中,Gs為經驗網格大小;s為原始等高線數據精度的分母(50 000)。

利用ARCGIS的矢量柵格轉化功能以DEM數據為基礎,進行柵格單元的劃分,共劃分出24 319 122個柵格單元,按柵格單元進行各影響因素數據的提取。

(2) 評價因子的確定

① 因子選取

本次評價基于各孕災地質條件與各類地質災害的相關性及其各影響因素之間的相關性的分析,最終選取坡度、高程、斷層距離、工程地質巖組、水系距離以及道路距離6個影響因素作為滑坡、崩塌的評價因子;溝坡坡度、相對高差、溝壑密度、構造密度、工程地質巖組、道路密度及滑坡崩塌災點密度7個影響因素作為泥石流的評價因子。

② 次級因子劃分

在分析各類型地質災害的發育與其各因子區間分布特征的基礎上,將各評價因子進行次級評價因子劃分,滑坡崩塌共劃分出30個次級因子,泥石流劃分出38個次級因子。

(3) 評價因子的信息量計算

評價因子信息量的計算,是在統計各類地質災害在各因子區間內分布的基礎上進行的,基于各類地質災害的性質,滑坡崩塌進行各區間內災點分布比率統計,而泥石流進行各區間內泥石流流域面積比率的統計。

① 滑坡

各評價因子滑坡總信息量值的大小順序為:工程地質巖組>斷層距離>水系距離>高程>坡度>道路距離。根據各次級評價因子信息量值的正負判斷,滑坡在10°～45°坡度區間,<1 500 m高程區間,<500 m、1 500～2 500 m斷層距離區間,層狀較堅硬工程巖組、層狀軟硬相間工程巖組、層狀軟弱工程巖組、松散結構軟弱土層4個工程地質巖組,<500 m水系距離區間及<200 m道路距離區間內易發生滑坡。

② 崩塌

各評價因子崩塌總信息量值的大小順序為:坡度>斷層距離>道路距離>水系距離>工程地質巖組>高程。根據各次級評價因子信息量值的正負判斷,崩塌易發區間分別為:>25°坡度區間,<1 500 m高程區間,<1 500 m斷層距離區間,層狀較堅硬工程巖組、層狀軟硬相間工程巖組、層狀軟弱工程巖組3個工程地質巖組,<500 m水系距離區間及<400 m道路距離區間。

③ 泥石流

各評價因子泥石流總信息量值的大小順序為:構造密度>滑坡崩塌災點密度>道路密度>坡度>工程地質巖組>溝壑密度>相對高差。根據各次級評價因子信息量值的正負判斷,泥石流易發區間分別為:>25°坡度區間,100～1 600 m相對高差區間,2～3 km/km2溝壑密度區間,>0.2 km/km2構造密度區間,層狀較堅硬工程巖組、層狀軟硬相間工程巖組兩個工程地質巖組,1～5 km/km2道路密度區間及<0.5、2～3.5個/km2滑坡崩塌災點密度區間。

表1 泥石流各次級評價因子易發性指數計算結果統計表

(4)評價因子權重計算

①構建層次模型

由于本次研究不考慮次級評價因子的權重,只計算各評價因子的權重,因此只構建由目標圖層和指標圖層組成的層次模型,基于滑坡崩塌和泥石流所選取的評價因子不同,分別建立滑坡崩塌及泥石流兩個層次模型。

②構造判斷矩陣

在孕災地質條件分析的基礎上,結合各評價因子總信息量值的大小及專家打分,用Santy1-9標度方法進行調查區判斷矩陣的構造,由于各評價因子分別與滑坡、崩塌、泥石流的相關性有所不同,分別進行判斷矩陣的構造。

③權重值計算

采用和積法對以上各判斷矩陣根據公式進行特征向量的計算,也就是各評價因子的權重值。

④一致性檢驗

根據公式計算各判斷矩陣的λmax、CI及CR構建的各判斷矩陣CR均<0.1,因此構建的各判斷矩陣均具有滿意的一致性。

⑤易發性指數計算

表2 滑坡崩塌各次級評價因子易發性指數計算結果統計表

利用公式進行各災害類型各次級評價因子易發性指數計算,計算結果見表1、表2。

2.1.3 易發性評價結果

將滑坡、崩塌及泥石流易發性指數按等級重分類后從低至高依次賦值為1、2、3、4,再進行疊加,形成縣域地質災害易發性指數分布圖,再將調查區劃分為極高、高、中、低4個易發性等級(圖1)。區內地質災害易發性等級劃分及其地質災害分布情況見表3。

表3 地質災害易發性分級統計表

2.2 大關縣地質災害危險性評價及分區

地質災害危險性是指在某種誘發條件下,一定范圍內在某一時間段發生地質災害可能性的大小。地質災害危險性評價除了要解決地質災害會在什么地方發生、以何種方式發生、發生的類型及其破壞方式等,還要了解發生的條件以及概率大小等問題。

地質災害危險性的評價,就是利用地質學原理、數學方法等相結合,充分考慮地質災害系統的各種特征,對系統內部各影響因素及其相互關系進行綜合的、動態地分析,建立區域地質災害發展模式,進而分析確定區域內現今或是將來一段時間內、特定條件下,地質災害發生的可能性。

圖1 地質災害易發性指數分布圖

2.2.1 評價指標體系

本次研究在地質災害易發性評價基礎上,選擇10 a平均降雨量為誘發因素進行地質災害危險性分析評價。以國家地球系統科學數據中心官方網站下載的2011～2020年逐月降雨數據為基礎,通過提取與疊加分析,得出調查區內10 a平均降雨柵格數據。結合滑坡崩塌點在降雨區間的統計分析,計算出各降雨區間的信息量值及降雨強度指數,再疊加地質災害易發性指數得到地質災害危險性指數。

2.2.2 危險性評價

將地質災害易發性指數按極高、高、中、低4個等級依次賦值為4、3、2、1,再對應乘以易發性指數權重值0.7對易發性指數柵格進行重新賦值,最終與降雨量強度指數進行疊加得到調查區的地質災害危險性指數圖。利用ARCGIS自然間斷點分級法將危險性指數劃分為極高、高、中、低4個危險等級區間,如圖2所示。區內地質災害危險性等級劃分及其地質災害分布情況見表4。

圖2 地質災害危險性指數分布圖

表4 地質災害危險性分級統計表

2.3 大關縣地質災害易損性評價及分區

地質災害易損性的評價主體是承災體,而承災體易損性是一個包括物質易損性、環境易損性、經濟易損性及社會易損性等多重屬性的集合體。要客觀、合理地進行地質災害易損性評價,就要選擇合理的指標,真實客觀地反映調查區承災體的基本特征,而且要考慮信息的可提取性。

以收集到的最新大關縣年鑒及第三次全國土地普查數據為基礎,基于承災體易損性各屬性特點,選擇人口密度、道路密度、耕地密度及GDP密度作為本次地質災害易損性評價指標。根據各易損性評價指標的易損性指數進行賦值,再進行疊加得到最終的地質災害易損性指數分布圖。將易損性指數分為極高、高、中、低4個等級區間,如圖3所示。區內地質災害易損性等級劃分及其分布情況見表5。

表5 地質災害易損性分級統計表

2.4 大關縣地質災害風險性評價及分區

地質災害風險性評價是對地質災害的發生及其造成人員、經濟等損失可能性的預評價,是在充分調查分析地質災害各孕災地質條件及其各誘發因素的基礎上,結合范圍內人口、經濟等可能造成損失的大小、程度及其抗災強度等的分析評價,最終進行的地質災害綜合性評價。

通過地質災害風險性指數=地質災害危險性指數×易損性指數的計算,得到縣域地質災害風險性指數分布圖(圖4)。根據風險性指數大小,利用自然間斷點法將調查區劃分為極高、高、中、低4個風險等級(圖5)。

圖4 地質災害風險性指數分布圖

圖5 地質災害風險性分區圖

表6 地質災害風險性分區統計表

根據大關縣地質災害風險性分區圖(參見圖5)綜合分析野外實際調查情況包括災點分布及其危險性、風險性等進行判斷,結合孕災地質條件的分析,對調查區進行地質災害風險區的圈定,最終劃分出3個極高風險區、5個高風險區、2個中風險區及4個低風險區,見表6?？芍獦O高風險區占縣域面積的1.33%,高風險區占縣域面積的10.02%,中風險區占縣域面積的19.5%,低風險區占縣域面積的69.15%。

根據風險性分區圖以及野外實地調查情況,將這4個風險性等級區域劃分為3級11個亞區,包括5個重點防治區、2個次重點防治區和4個一般防治區。其中風險性極高或高定為重點防治區,風險性中定為次重點防治區,風險性低定位一般防治區。重點防治區包括①木桿重點防治區,分布于木桿向斜山的地貌區木桿河右岸斜坡下部,呈不規則片狀分布。②高橋重點防治區,分布于高橋河背斜山地地貌區新開河匯入高橋河地帶,呈片狀分布。③吉利重點防治區,分布于大關河北東向斷褶河谷地貌區中部,呈不規則環帶狀分布。④大關縣中部重點防治區,分布于大關河、灑漁河、洛澤河及其主要支流谷坡區中下部,呈不規則帶狀、環帶狀分布。⑤天星重點防治區,分布于洛澤河斷褶山地地貌區洛澤河支流陳家溝中下游流域,呈不規則片狀分布。次重點防治區包括①木桿次重點防治區,分布于木桿向斜山地地貌區內木桿河近東西段及主要支流下游谷坡區,呈不規則片狀分布。②大關縣中部次重點防治區,分布于大關河、灑漁河、洛澤河、高橋河下游及其主要支流谷坡區中上部,呈不規則帶狀、環帶狀分布。一般防治區包括①大關縣北西部一般防治區,分布于調查區北西部,主要分布于木桿、高橋、壽山及吉利西部、悅樂北部,呈片狀分布。②大關縣中部一般防治區,主要分布于吉利、壽山、天星3個鄉鎮交界地帶,呈不規則片狀分布。③大關縣東部一般防治區,主要分布于天星鎮羅漢壩景區范圍內,呈不規則片狀分布。④大關縣南部一般防治區,主要分布于上高橋、悅樂中南部、翠華西南部、玉碗南部及天星和翠華交界地帶,呈不規則片狀分布。

3 結論

根據地質災害風險性評價體系,分別開展了研究區地質災害易發性評價、危險性評價和易損性評價。根據研究區特征,因地制宜,對于滑坡和崩塌選取了6個評價因子,泥石流選取了7個評價因子作為地質災害易發性評價指標,再選取10 a平均降雨量作為地質災害危險性評價指標,最后選擇了人口密度、道路密度、耕地密度及GDP密度作為易損性評價指標。

采用信息量法模型和層次分析法進行地質災害危險性評價其考慮了各因子的權重也考慮了各評級因子內部各等級狀態的信息量值,使得對地質災害風險性評價更加準確、科學。

使用ArcGIS強大的數據處理、空間分析、統計功能完成了研究區地質災害易發性、危險性、易損性、風險性評價和區劃,評價結果符合大關縣地質災害現狀,具有較高的準確性,為大關縣地質災害防治以及地質災害風險管控提供依據。

根據大關縣地質災害風險性區劃,重點防治區建議防治措施以工程措施、群測群防及普適型監測為主,輔以少量搬遷避讓和生物工程,在未防治前加強監測預警。次重點防治區建議防治措施以群測群防及普適型監測為主,工程措施、搬遷避讓為輔,在工程治理和搬遷避讓完工前應加強監測。一般防治區建議防治措施以加強地質災害防治培訓宣傳,對管理人員提供防治專業知識培訓,對群眾提供不定期的基本常識的普及宣傳教育以及定期組織相關人員對地質災害隱患點進行動態巡查、排查、核查。