鎮巴縣地質災害發育規律與危險性評價

史琳鵬，范 文,2*，李 培，曹琰波，柴小慶，全倬梁

(1.長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安710054；2.信息產業部電子綜合勘察設計院，陜西 西安 710054；3.長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710054)

鎮巴縣地處秦嶺山區，區域地質構造、地形地貌復雜多變，地質環境脆弱，是地質災害高發、頻發的典型地區之一[1-2]。加之受人類工程活動的影響，區內地質災害頻發不斷，具有強度大、范圍廣、數量多等特點[3-4]。

2000年7月13日，鎮巴、紫陽兩縣遭受特大暴雨，引發山洪、滑坡及泥石流，致236人死亡，392人受傷，7.95億元的直接經濟損失，成為2000年全國五大自然災害區之一[5]。為了保障人民群眾的生命和財產安全，對該區地質災害的危險性評價研究顯得尤為重要。

本文依托《漢江中游任河流域鎮巴縣幅地質災害調查及專題研究》項目，基于野外調查，分析了鎮巴縣幅地質災害的發育分布規律。基于層次分析法對鎮巴縣幅地質災害進行了危險性評價，研究成果可為鎮巴縣城鄉規劃與地質災害防治提供參考。

1 地質環境概況

1.1 地理位置

研究區位于陜西省漢中市鎮巴縣，屬漢江支流涇洋河流域。國家干線川陜公路(G210國道)縱貫工作區南北，中東部有由梁家灣通往鎮巴縣城的鎮節路，西部有沿著月灘河由北向南貫穿工作區的長沙路，同時由襄渝鐵路及包(包頭)-茂(茂名)高速公路穿越鎮巴縣東南角，連通省會西安與工作區，距離西安市約220 km。區域內省道S310貫穿涇洋河流域，有通村便道，交通便利，水電及通訊條件良好。

1.2 地形地貌

研究區西部為大巴山，東部為米倉山。區內地質構造以褶皺、斷層為主，巖性以變質巖和沉積巖為主。地形高程在580～1 980 m之間，以山地為主。按照地貌圖制圖規范，將區內地形根據其絕對高程和相對高程的大小劃分為三類：低山區、中山區和河谷階地區。

1.3 地質構造與地層巖性

研究區位于鎮巴-大池壩隱伏斷裂附近以北及司上雞心領褶皺束以西的龍門-大巴臺緣隆褶帶，因工作區地處兩大構造單元的過渡帶，區內褶皺、斷裂構造發育，地質災害常有發生。

區內出露的地層由老到新包括南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、二疊系、三疊系和侏羅系地層，巖性主要以灰巖為主，其次還不同程度分布有砂巖、泥巖、頁巖和硅質巖(圖1)。

圖1 構造巖性圖

1.4 氣候條件

研究區屬北亞熱帶濕潤大陸季風氣候類型，氣候濕潤，夏季多雨，秋季多為連陰雨，冬季穩定較為舒適。據2006—2015年降水統計資料可知，多年平均降水量1 279.5 mm，多年最大降水量1 963.4 mm(2011年)，最小降水量915.4 mm(2008年)。并且夏、秋兩季月平均降水量占全年最多。月平均降水量最多月份為5—9月，最小月份為1月。多年月平均降水量1月以后逐月增加，7月份平均降水量為最高(292 mm)，一般7月份以后月平均降水量逐漸減少。降雨往往是斜坡失穩的決定性因素[6]。

2 地質災害類型

通過91衛圖助手下載精度為0.5 m的2015、2018年的GoogleEarth亞米級高分辨率影像，采用目視解譯的方法對該區域地質災害進行遙感解譯。最后基于遙感解譯與野外實地考察，得到研究區主要災害類型有滑坡、崩塌、泥石流三種。其中滑坡93處，崩塌6處，泥石流4處(圖2)。

圖2 地質災害類型分布

按照《崩塌滑坡泥石流調查與風險評價技術要求》(試用版)中對滑坡類型進行劃分，滑坡按照物質組成劃分為土質、巖質、碎屑滑坡，分別占57%、19%、24%；按擴展方式主要分為推移式、擴大式和牽引式，分別占80%，1%，19%；按照滑坡的規模均為小型滑坡。崩塌均為小型崩塌，其中巖質崩塌6處，無土質崩塌；破壞方式以滑移式最為發育，傾倒式次之；根據滑動狀態，處于休止階段和破壞階段各占50%；對其穩定性進行分析，不穩定和基本穩定分別占34%和66%。泥石流按照物質組成劃分，其中泥石流和水石流分別占75%和25%；按照規模等級劃分，此次調查泥石流均為中型泥石流；按照水源類型劃分，調查區內均為暴雨型泥石流；按照地貌劃分，均為山區泥石流；按照流域形態劃分，均為溝谷型泥石流，流域呈扇形或狹長條形，均可劃分出物源區，流通區與堆積區。

3 地質災害的空間發育規律

由于研究區內地質災害類型主要為滑坡，占災害總數的90%，因此本文主要研究了滑坡的發育分布規律[7-9]。選取8個因子：坡形、坡度、起伏度、高程、地貌、工程巖組、距斷裂距離、距水系距離，以評價各因子分級同地質災害分布的相關性[10]。

3.1 坡形與滑坡災害

根據坡面形態可以將斜坡分成凹面型坡、平坡和凸面型坡，根據DEM提取的曲率是對地面坡度沿最大坡降方向地面高程變化率的度量，可以間接地表示坡面形態。曲率>0為凸面型坡，曲率<0為凹面型坡，曲率=0為平坡[11](圖3(a))。統計分析災害與坡型的關系，結果如表1和圖3(b)所示?？梢?，災害密度在0附近為最小，越往兩側災害密度越大。由于在0附近地形較為平坦，滑坡發生較少，往左右兩側曲率增加，地勢變陡，易發生滑坡災害。

圖3 滑坡點分布與坡形關系

3.2 坡度與滑坡災害

將坡度劃分為6個等級：0°～10°、10°～20°、20°～30°、30°～40°、40°～50°、>50°(圖4(a))。對災害在不同坡度區間的數量關系進行統計，結果如表2和圖4(b)所示?？梢?，災害密度在0°～10°坡度區間最大，達0.37個/km2,其次為20°～30°坡度區間。經分析，人類活動多集中在較平坦地區，加劇了斜坡的變形運動。

表1 滑坡分布與坡形的關系

表2 滑坡分布與坡度的關系

圖4 滑坡點分布與坡度關系

3.3 起伏度與滑坡災害

將起伏度劃分為5個等級：0～10、10～30、30～50、50～70、>70(圖5(a))。對災害在不同起伏度區間的數量關系進行統計，結果如表3和圖5(b)所示。可見，起伏度0～30 m的區域災害密度最大，其次30～50 m區域范圍，起伏度>50 m的區域災害密度較小，主要因為起伏度>50 m的區域受人類工程經濟活動影響較小，起伏度>70 m的區域無災害分布。

3.4 高程與滑坡災害

研究區以低山為主，高差較大，海拔高度變化范圍在580～1 980 m之間。

根據調查區高程對災害點的貢獻程度不同，可將高程分為不同的類，并近似認為每一類的貢獻程度相同。將高程分為以下5類：500～800 m、800～1 000 m、1 000～1 200 m、1 200～1 400 m、>1 400 m(圖6(a))。對災害在不同高程區間的數量關系進行統計，結果如表4和圖6(b)所示?？梢姡瑸暮γ芏入S著高程的增加而減少，滑坡主要發生在500～800 m之間，這主要有兩個原因：一是該區域大多是河谷區，區內的公路、廠房等設施往往是沿河道修建，使得斜坡容易發生變形滑塌；二是高程在500～800 m區間的地形較為陡峭，是區域上河流從寬谷進入峽谷的過渡部位，因此滑坡災害最為發育。

表3 滑坡分布與起伏度的關系

圖5 滑坡點分布與起伏度關系

3.5 地貌與滑坡災害

研究區可分為中山區、低山區和河谷階地地貌(圖7(a))。在Arcgis軟件中疊加分析地質災害和地形地貌，可見地質災害在各類地貌中均有分布。分析結果如表5和圖7(b)所示?？梢姡蜕絽^的地質災害分布最多；災害密度以低山區最大，約0.59個/km2，中山區最小。主要原因為大多人類工程活動都分布在低山區和河谷階地，促使了災害的發生。

圖6 滑坡點分布與高程關系

表5 滑坡分布與地貌的關系

3.6 工程巖組與滑坡災害

研究區發育有不同地質時期的多種巖組。根據各種巖石建造組合特征，將調查區出露地層劃分為碳酸鹽巖建造、碎屑巖建造、松散堆積三種建造類型。按照巖層單層厚度、巖質類型和巖體結構劃分，該區內主要為堅硬、較堅硬厚、中、薄層灰巖、白云質灰巖巖組(Ⅰ),堅硬、較堅硬灰巖夾軟弱泥、頁、粉砂巖巖組(Ⅱ)，碎屑巖建造按照單層厚度、巖質類型和巖體結構進一步劃分為軟弱泥、頁、粉砂巖夾堅硬、較堅硬灰巖巖組(Ⅲ)，較堅硬、軟弱厚、中、薄層石英砂巖巖組(Ⅳ),軟弱中薄層泥、頁、粉砂巖互層巖組(Ⅴ)，松散巖類主要是第四系松散堆積物(VI)(圖8(a))。統計分析災害點與工程巖組的關系，結果如表6和圖8(b)所示?？梢姡谒南邓缮⒍逊e物地區的災害密度最大。

圖7 滑坡點分布與地貌關系

表6 滑坡分布與工程巖組的關系

3.7 斷裂與滑坡災害

研究區主要發育有司上小洋壩斷裂、大池壩鎮巴斷裂以及其他小斷裂。依據地質圖中斷裂信息，統計分析斷裂對地質災害的影響，根據距斷裂的距離劃分為7個區域：<200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m、800～1 000 m、1 000～1 200 m、>1 200 m(圖9(a))。統計分析災害與斷裂的關系，結果如表7和圖9(b)所示?？梢?，隨著距斷裂距離的增加，災害并無明顯的減少。表明斷裂對研究區地質災害的分布控制作用不明顯。

圖8 滑坡點分布與工程巖組關系

表7 滑坡分布與斷裂的關系

圖9 滑坡點分布與斷裂關系

3.8 水系與滑坡災害

研究區水系眾多，其中主要河流為涇洋河、牧羊河，并且伴有大量的支流。由于河水的側向侵蝕和下切作用不斷侵蝕河流兩岸的坡腳，另一方面，由于河水的軟化作用使巖體的強度降低，以及河流水位的漲落所引發的動水壓力變化，流域內的坡體穩定性相對較差。將河流影響范圍劃分為4個區域：<200、200～400、400～600、>600 m，疊加地質災害(圖10(a))。統計分析各距離區間范圍內災害分布，結果如表8和圖10(b)所示。可見，在0～600 m范圍內，隨著與河流距離的增大，地質災害數量和密度明顯減少，表明在此區域內河流對地質災害有很強的控制作用。

表8 滑坡分布與河流的關系

圖10 滑坡點分布與河流關系

4 地質災害風險評價

4.1 評價方法及層次結構模型

傳統層次分析法其基本原理是將決策中有關的元素分解為目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析[12-15]。通過對影響因素的兩兩比較，綜合決定影響因子的權重[16-17]。采用一致性比率(CR)來判斷評價因子比較結果的合理性，其范圍在0～1之間。該方法具有成熟、可靠等優點，缺點是由專家打分具有一定的主觀性，并且需要反復調整判斷矩陣直至滿足一致性檢驗[18]。

改進層次分析法調整了矩陣的運算方法，不用進行一致性檢驗。具體步驟為：(1)對判斷矩陣進行對數計算，(2)求最優傳遞矩陣，(3)對最優傳遞矩陣進行冪計算得到擬最優矩陣，(4)歸一化求權重系數。從而降低了因反復調整判斷矩陣而帶來的主觀性，使得分析結果更加合理準確[19]。

在進行調查區地質災害危險性分區時，依據災害的發育特點，以地質災害危險性作為目標層，歷史狀況、地質環境條件和破壞動力條件構成二級評價因子，進而選取對調查區地質災害危險性影響明顯的因素作為三級評價因子(圖11)，包括災害點密度、坡高指標、坡度指標等9種。首先采用專家打分和Matlab軟件確定各因子的評價權重，然后使用 Arcgis軟件進行空間分析，并將該9種因子進行量化和歸一化處理，利用柵格將各因子的權重進行疊加計算，計算公式為：

(1)

式中：B為滑坡發育程度指數；bi為第i個評價指標；ri為第i個評價指標的權重；n為評價指標的總數。最后選取合理的分區界線值對得到的柵格圖件進行分區，將全區劃分為高、中、低危險區。

圖11 危險性評價層次結構模型

4.2 評價因子權重的確立

(1)構造判斷矩陣

通過野外實地災害調查，分析因子對災害的影響規律，以此來判斷該因子對于災害形成的貢獻度大小，并與專家打分結合起來，最終確定該調查區的評價因子判斷矩陣，用來表示評價因子對滑坡災害的影響程度。

(2)確定各因子權重系數

對判斷矩陣(表9)進行以10為底的對數運算得到矩陣A，通過Matlab數值分析軟件求得最優傳遞矩陣B，并對其進行以10為底的冪運算得到擬最優矩陣C(表10)，再對矩陣C進行列歸一化并每行數字相加得到向量D，最后對向量D進行歸一化處理，得到相對權重系數向量E(表11)[20-21]。

4.3 影響因子的量化及歸一化處理

為消除不同影響因素在定量化過程中不同量綱的影響，方便影響因子統計疊加綜合評判，采用極大值歸一化進行數據無量綱處理[22]。

(2)

式中：yi為數據無量綱處理后的數據；xmax、xmin分別為各主控因素量化值的最大值、最小值。

4.4 評價結果分析

根據各評價指標，將調查區的指標量以及權重進行疊加計算，獲取全區的危險程度指標，以Arcgis中的自然斷點法為劃分依據，找出臨界點作為分界點，將調查區劃分為高危險區(-0.23～-0.03)、中危險區(-0.03～0.08)、低危險區(0.18～0.47)(圖12)。

由上圖可以看出，地質災害高危險區主要集中在調查區中部及東部，分布于涇洋河及其支流孫溪溝、潘家河、白河等地，途徑鎮巴縣涇洋鎮，部分位于蔡家河流域。由于山前緩坡坡度較小，地形平緩，更適宜于人類工程活動，比如耕地和修建房屋等，尤其是調查區的公路多是沿河道開挖，也使得高危險區往往是在主河道兩側。高危險區總面積約62.05 km2，災害點密度為1.176個/km2；而中危險區域主要為涇陽河流域，月灘河流域等主要河道及其支流，這些地段人類工程活動以耕地和修建房屋開挖道路為主，總面積約143.43 km2，災害點密度為0.125個/km2；低危險區主要為無人區，總面積約224.57 km2，災害點密度為0.009個/km2。

表9 滑坡影響因子判斷矩陣

表10 滑坡影響因子擬最優矩陣

D=[0.1584 0.3024 0.4203 0.4752 0.6741 1.0278 0.9909 1.9395 3.0114]T

E=[0.0176 0.0336 0.0467 0.0528 0.0749 0.1142 0.1101 0.2155 0.3346]T

表11 各評價因子的權重系數

圖12 地質災害危險性分區圖

5 結論

1)地質災害多發育在曲率較大的凹凸面坡、坡度為0°～10°、起伏度為0～30 m的斜坡中，且集中分布在河谷兩側的高程500～800 m的低山區。在0～600 m范圍內隨著地質災害與河流距離的增加，災害數量和密度明顯減少。

2)利用改進層次分析法評價了鎮巴縣幅地質災害的危險性，可分為高、中、低三類，面積分別為62.05、143.43、224.57 km2。高危險區主要分布在涇洋河流域，途經鎮巴縣城和涇陽鎮，占調查區面積的14.4%。研究成果可為鎮巴縣防災減災工作提供參考。