基于信息量模型的廈門市崩塌和滑坡地質災害易發性評價

吳少元

(廈門地質工程勘察院，福建 廈門 361008)

地質災害易發性是指造成地區經濟損失和人員傷亡的地質事件發生的可能性，可能性越大，地質災害發生的次數就越多。崩塌和滑坡地質災害易發性評價是在已調查的崩塌和滑坡地質災害的基礎上，分析斜坡體在所處的地形地貌、地質構造、氣象水文、植被覆蓋、人類活動等綜合條件下發生崩塌和滑坡地質災害的可能性，它是后續崩塌和滑坡地質災害危險性評價與風險評價的基礎[1-7]。

廈門市發育的地質災害類型主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降和滾石滾落等災種，其中以崩塌和滑坡最為發育，其次為泥石流和滾石滾落，地面沉降、地面塌陷和地裂縫偶有發育[8]。截至2017年2月，廈門市共發生崩塌地質災害85處，滑坡地質災害13處。

由于崩塌和滑坡兩種地質災害的產生機理和影響因素有很多共性，而泥石流、地面沉降、滾石滾落等地質災害的產生機理與崩塌和滑坡地質災害的差異較大，故本文將廈門市最為發育的兩大災種——崩塌和滑坡地質災害合并考慮，暫不考慮其他災種，以廈門市崩塌和滑坡地質災害為基礎，在野外詳細調查和資料收集的基礎上，采用信息量法并結合GIS技術對廈門市崩塌和滑坡地質災害的易發性進行評價，得到廈門市崩塌和滑坡地質災害易發性等級分區圖，并根據野外實際調查情況對其進行修正，為廈門市地質災害的防治工作提供技術支撐。

1 研究區概況

廈門市地處我國東南沿海、福建省東南部，西接漳州，東臨泉州，與寶島臺灣隔海相望。廈門市下轄翔安區、同安區、海滄區、集美區、湖里區、思明區6個市轄區，其地形地貌十分復雜，區內位于閩東南沿海九龍江口，依山傍水，屬濱海丘陵、島嶼、半島區，最高峰位于同安區北部云頂山，高程為1 175.2 m。

研究區屬于亞熱帶季風氣候，氣候溫和濕潤，冬無嚴寒，夏無酷暑，多年平均氣溫為20.8℃，最高氣溫為38.4℃，最低氣溫為2.0℃；多年平均降雨量為1 143.5 mm，月平均降雨量為43.4 mm，雨量充沛，極端年最大降雨量為1 707 mm；多年平均蒸發量為1 910.4 mm，蒸發量大于降雨量；3～8月份較潮濕，平均相對濕度為80%～85%，10月至翌年2月較干燥，相對濕度為70%，多年平均濕度為77%。

2 研究方法

目前常用的地質災害易發性評價模型有統計分析模型、確定性模型、主觀推斷分析模型和模式識別模型等[8-9]，信息量模型屬于統計分析模型中的一種，由于其理論明確、操作容易，在滑坡和崩塌地質災害易發性評價中得到了廣泛的應用[8-13]。考慮到廈門市已發生的崩塌和滑坡地質災害資料較齊全，各類評價因子較清晰，本文擬采用信息量法對廈門市崩塌和滑坡地質災害的易發性進行評價。

所謂信息量法，就是通過對已變形或破壞區域的現實情況和提供的信息，將反映各類影響區域穩定的實測值轉化為信息值，即通過某些因素對所提供的研究對象的信息量進行計算來評價[10]。在崩塌和滑坡地質災害易發性評價時，各種影響因子與地質災害形成的關系在理論上尚無定論，信息量法通過統計學的方法，計算出不同影響因子對崩塌和滑坡地質災害的發生所提供的信息量值，用來量化其對崩塌和滑坡地質災害的影響程度，并在調查數據的基礎上，定性地對影響因子進行分類，即可客觀地反映出影響因子與崩塌和滑坡地質災害發育程度之間的關系，以避免人為主觀給定，出現賦值不合理的情況。

3 信息量模型的建立

3.1 信息量模型的理論基礎

信息量模型是通過計算各類影響因素對崩塌和滑坡地質災害的發生所提供的信息量值，作為地質災害易發性等級劃分的定量指標。

在對崩塌和滑坡地質災害信息進行預測時，有一個基本的觀點：預測或判定某崩塌和滑坡地質災害發生的可能性與我們所能獲取的各類影響因子以及已發生崩塌和滑坡地質災害的數量和質量有關，判定的標準是信息量值，即：

(1)

式中：I(Y,x1,x2,…,xn,)為影響因素組合x1,x2,…,xn對崩塌和滑坡地質災害的發生所提供的信息量值;P(Y,x1,x2,…,xn)為影響因素x1,x2,…,xn組合條件下崩塌和滑坡地質災害發生的概率。

3.2 信息量模型的建立

信息量模型的建立步驟如下：

(1) 計算影響因素xi對發生的崩塌和滑坡地質災害事件(K)提供的信息量值I(xi，K)：

(2)

式中：P(xi|K)為發生崩塌和滑坡地質災害時出現xi的概率；P(xi)為研究區內出現xi的概率。

公式(2)是理論上的信息量模型，實際中一般利用下式來計算樣本的概率：

(3)

式中：S為評價單元的總數;N為崩塌和滑坡地質災害單元的總數；Si為包含評價因素xi的單元數；Ni為分布在影響因素xi內的崩塌和滑坡地質災害單元數。

(2) 計算單元內n種影響因子對崩塌和滑坡地質災害的發生所提供的總信息量值Ii：

(4)

(3) 某單元內影響崩塌和滑坡地質災害發生的綜合性指標則用總的信息量值Ii來表示，Ii值越大，表明該單元內崩塌和滑坡地質災害發生的概率越大，即該單元內崩塌和滑坡地質災害的易發性越高。

3.3 評價因子的選擇

通過對廈門市崩塌和滑坡地質災害調查資料的統計分析，并結合對典型崩塌和滑坡地質災害的詳細勘查，本文選取地形坡度、地面高程、地質構造、工程地質巖組、年平均降雨量、土地利用與人類活動、道路7大影響因素作為廈門市崩塌和滑坡地質災害易發性評價的主要評價因子。

4 研究區崩塌和滑坡地質災害易發性評價

4.1 單元格網的確定和評價因子的子類劃分

網格單元大小的選取與多種要素有關，在大多數情況下，單元格網的選取主要取決于專家系統，本文結合廈門市的地形地貌以及原始數據等客觀情況，本次研究選取的網格單元大小為30 m×30 m。

另外，結合研究區地質災害的發育特征，對選取的地質災害評價因子進行了子類劃分，各評價因子的子類劃分結果見表1。

表1 研究區地質災害評價因子的子類劃分結果

4.1.1 地形坡度

滑坡和崩塌地質災害的形成是一種自然力降低坡度的過程，這兩種地質災害的發生與地形坡度存在密切的關系，一般而言，地形坡度越大，越有利于崩塌和滑坡地質災害的發生。參考野外調查結果，并結合研究區崩塌和滑坡地質災害的發育特征，本文繪制了廈門市地形坡度分級圖，見圖1。

圖1 廈門市地形坡度分級圖Fig.1 Classification map of terrain gradient in Xiamen City

由圖1可見，廈門市滑坡和崩塌地質災害主要發生在地形坡度大于25°的陡坡(以人工邊坡為主)地帶，其災害點占地質災害總數的74.5%；滑坡和崩塌地質災害發生在地形坡度為10°～25°的緩坡地帶的災害點，占地質災害總數的17.3%；而滑坡和崩塌地質災害發生在地形坡度小于10°的平臺地帶的災害點，僅占地質災害總數的8.2%。

4.1.2 地面高程

參考野外調查結果，并結合研究區崩塌和滑坡地質災害的發育特征，本文繪制了廈門市地面高程分級圖，見圖2。

圖2 廈門市地面高程分級圖Fig.2 Classification map of elevation in Xiamen City

由圖2可見，廈門市平原區的分布面積最大，地面高程均小于50 m，面積為1 144 km2，崩塌和滑坡地質災害發育20處；地面高程50～500 m為丘陵區，主要分布于廈門市北部山區，面積為595 km2，崩塌和滑坡地質災害發育35處；地面高程500～1 000 m為低山區，面積為140 km2，崩塌和滑坡地質災害發育40處；地面高程大于1 000 m為中山區，面積為3.36 km2，崩塌和滑坡地質災害發育1處。

4.1.3 地質構造

參考野外調查結果，并結合研究區崩塌和滑坡地質災害的發育特征，本文繪制了廈門市地質構造分級圖，見圖3。

圖3 廈門市地質構造分級圖Fig.3 Classification map of geological structural in Xiamen City

由圖3可見，廈門市崩塌和滑坡地質災害的發育部分受到區域地質構造的影響，一般斷裂帶的影響范圍在1 km左右，故本文選擇斷裂帶的影響范圍1 km以內作為崩塌和滑坡地質災害的發育受區域地質構造的影響范圍。

4.1.4 工程地質巖組

參考野外調查結果，并結合研究區崩塌和滑坡地質災害的發育特征，本文繪制了廈門市工程地質巖組分級圖，見圖4。

圖4 廈門市工程地質巖組分級圖Fig.4 Classification map of engineering geological strata in Xiamen City

由圖4可見，廈門市內地層巖性主要有第四系沖洪積與海積砂土黏土層、三疊系和侏羅系沉積碎屑巖以及花崗巖和閃長巖等侵入巖。其中，第四系地層主要分布于平原區，其穩定性好；沉積碎屑巖一般較堅硬，但強風化地帶強度低、穩定性差；花崗巖和閃長巖等侵入巖巖石整體較完整，但地表或淺部巖石球狀風化強烈，產生危巖與巖崩的可能性較大，且局部斷裂破碎帶強度低、穩定性差。根據研究區地層巖性的特征，將廈門市工程地質巖組劃分為第四系砂土黏土層、沉積碎屑巖、風化強烈的侵入巖。經統計顯示，廈門市崩塌和滑坡地質災害發生在侵入巖區域的占比為54.1%，發生在沉積碎屑巖區域的占比為32.6%，發生在第四系區域的占比為13.3%。

4.1.5 年平均降雨量

在宏觀上，崩塌和滑坡地質災害的發生頻次與年平均降雨量的大小可近似認為呈正相關。根據廈門市多年降雨資料，并結合崩塌和滑坡地質災害的發生頻率，本文將年平均降雨量分為4個等級：<1 200 mm，1 200～1 600 mm，1 600～1 800 mm，>1 800 mm，見圖5。

圖5 廈門市多年平均降雨量分級圖Fig.5 Classification map of multi-year average rainfall in Xiamen City

由圖5可見，降雨量越小，研究區崩塌和滑坡地質災害發生的頻次越低；降雨量越大，研究區崩塌和滑坡地質災害發生的頻次越高；廈門市多年平均降雨量大于1 800 mm的區域發生崩塌和滑坡地質災害的占比為55.1%。

4.1.6 土地利用與人類活動

廈門市土地利用類型主要分為林地、草地(耕地)、建設用地和水體4類(見圖6)，其中林地的植被覆蓋度好，對崩塌和滑坡地質災害發育的影響較小，建設用地主要為人類活動區域，對崩塌和滑坡地質災害發育的影響最大。另據統計，廈門市崩塌和滑坡地質災害的發育68.75%受人類活動的影響。

圖6 廈門市土地利用分級圖Fig.6 Classification map of land-use in Xiamen City

4.1.7 道路

道路修建與維護也屬于人類活動，如坡腳開挖、植被破壞容易造成崩塌和滑坡地質災害。本文選取山區鐵路、公路道路兩側0.2 km2范圍內區域作為研究區崩塌和滑坡地質災害的道路影響范圍，見圖7。

圖7 廈門市道路分級圖Fig.7 Classification map of road in Xiamen City

4.2 評價因子子類的信息量值計算

根據下面公式計算各評價因子的信息量值：

(5)

式中:Ni/Si可以理解為子單元中崩塌和滑坡地質災害點的平均密度；N/S為研究區中總的崩塌和滑坡地質災害點的平均密度。

本文以廈門市崩塌和滑坡地質災害的資料收集和野外調查數據為基礎數據，對各評價因子子類的信息量值進行了計算，其計算結果見表2。

表2 廈門市地質災害各評價因子子類的信息量值計算結果

由表2可知，各評價因子子類的信息量值排名前6的評價因子分別是：①地面高程>1 000 m；②地形坡度為25°～35°；③地面高程為500～1 000 m；④年平均降雨量>1 800 mm；⑤沉積碎屑巖；⑥地形坡度>35°。根據統計學規律，這些因素對滑坡和崩塌地質災害的產生起到了正面作用，是崩塌和滑坡地質災害形成的主要影響因素；而對于地形坡度<10°、地面高程<50 m、第四系、年平均降雨量為1 200～1 600 m等信息量值表現為高負值的評價因子，表明這幾種狀態下滑坡和崩塌地質災害的發生率較低。

4.3 評價結果與分析

本文運用ArcGIS的重分類功能，將計算出的評價因子子類的信息量值賦給每個子類進行分區，再將各評價因子進行柵格累加分區，最終得到廈門市崩塌和滑坡地質災害易發性的綜合信息量圖層，其信息量值的值域范圍為-8.52～7.16。參考野外調查結果，將研究區信息量值進行高易發區、中易發區、低易發區三個等級劃分，對應信息量值的值域范圍分別為4.0～7.16、1.60～4.0、1.60～-8.52，最終得到廈門市對應的崩塌和滑坡易發性等級分區圖，見圖8。

圖8 廈門市崩塌和滑坡地質災害易發性等級分區圖Fig.8 Classification map of collapse and landslide susceptibility in Xiamen City

由圖8可見，廈門市崩塌和滑坡地質災害的分布特征如下：①崩塌和滑坡地質災害高易發區，主要分布于廈門市北部低山區，行政區屬于同安區，面積為42.35 km2，占比為2.49%，崩塌和滑坡地質災害共發育15處，發育密度為0.35個/km2;②崩塌和滑坡地質災害中易發區，主要分布于廈門市北部低山丘陵區以及在廈門島內有零星分布，在行政區上主要分布于同安區的蓮花鎮、汀溪鎮，翔安區的新圩鎮，集美區的灌口鎮，海滄區的東孚鎮、新陽街道，以及廈門島上兩座山，總面積為523.7 km2，占比為30.82%，崩塌和滑坡地質災害共發育60處，發育密度為0.11處/km2；③崩塌和滑坡地質災害低易發區，主要分布于廈門市平原區及海域，總面積為1 133.24 km2，占比為66.69%，崩塌和滑坡地質災害共發育23處，發育密度為0.02處/km2。

5 結論

本文以廈門市崩塌和滑坡地質災害為研究對象，選取地形坡度、地面高程、地質構造、工程地質巖組、年平均降雨量、土地利用與人為活動、道路7大影響因素作為研究區崩塌和滑坡地質災害易發性評價的評價因子，采用信息量法并結合GIS技術，對廈門市崩塌和滑坡地質災害的易發性進行了評價，得到廈門市地質災害易發性等級分區圖。該地質災害易發性分區圖與廈門市地質災害的分布特征基本一致，對廈門市防災減災工作具有一定的指導意義。