基于信息量法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價
——以重慶市巫山縣縣城為例

溫金梅，楊 龍，茍 敬，李德龍，吳 濤

1.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊（重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院），重慶400700；2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 南江水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶401120

重慶市巫山縣地處三峽水庫腹地，氣候多變，地形起伏，植被發(fā)育，地層復雜，新構(gòu)造運動強烈，造成該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱.過度的土地資源開發(fā)加劇了對地質(zhì)環(huán)境的破壞，導致災(zāi)害頻發(fā)，嚴重制約當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展.因此，在深入研究巫山縣城地質(zhì)環(huán)境和災(zāi)害背景的基礎(chǔ)上，對造成地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境影響的因素進行了分析.通過ArcGIS結(jié)合信息量計算方法對其地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性因素進行計算和評價，提出相關(guān)的科學研究對策和建議，為實現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境與巫山縣社會經(jīng)濟環(huán)境的均衡協(xié)調(diào)發(fā)展及其科學管理提供服務(wù)，為實施城市安全生產(chǎn)運營及防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學依據(jù).

1 信息量法

地質(zhì)災(zāi)害（y）受多種地質(zhì)環(huán)境因素（xi）影響，在各種不同的地質(zhì)環(huán)境因素中，其所起的作用是不同的［1］.從信息預測的角度考慮，地質(zhì)災(zāi)害是否發(fā)生與各種地質(zhì)環(huán)境因素共同作用有關(guān)，這種共同作用的大小（貢獻值）可用信息量法來計算①李鐵鋒，等.地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求.中國地質(zhì)調(diào)查局，2019..

1.1 計算公式

信息量法計算公式如下：

可將上式換算成：

式中：I（y，x1x2…xn）為x1，x2，…，xn因子共同對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻值；P（y，x1x2…xn）為x1，x2，…，xn因子共同作用下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率；P（y）為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率；Ix1（y，x2）為x1因子存在時，x2因子對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻值.

I（y，x1x2…xn）值可正可負，即當I（y，x1x2…xn）＞0時，P（y，x1x2…xn）＞P（y）；當I（y，x1x2…xn）＜0時，P（y，x1x2…xn）＜P（y）.因此，當I（y，x1x2…xn）＞0，則表示x1，x2，…，xn因子共同作用有利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生；當I（y，x1x2…xn）＜0時，則表示x1，x2，…，xn因子共同作用不利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生.

1.2 計算方法

假定巫山縣城評價區(qū)剖分成Q個單元格，其中已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害所占的單元個數(shù)有Q0個；同時假定評價區(qū)內(nèi)具有相同因子共同對地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生作用的單元有R個，其中發(fā)生了地質(zhì)災(zāi)害的單元個數(shù)有R0個.根據(jù)上述公式，x1，x2，…，xn因子共同對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻值（信息量）可表述為：

利用面積比法可將上式換算成：

式中：D為評價區(qū)內(nèi)單元總面積；D0為已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元個數(shù)所占面積總和；B為具有相同因子x1，x2，…，xn共同作用的單元總面積；B0為具有相同因子x1，x2，…，xn共同作用的單元中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元面積總和.

通常，由于影響地質(zhì)災(zāi)害的因素較多，相應(yīng)的共同作用形式也較多.為了便于計算，先計算單因子的信息量，再將各因子信息量在ArcGIS上進行疊加［2-3］，則將上式改寫如下：

式中：I為評價區(qū)內(nèi)某單元信息量預測值；Bi為因子xi所占單元的總面積；B0i為因子xi所占單元中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元總面積.

2 地質(zhì)災(zāi)害影響因素分析及數(shù)據(jù)處理

在結(jié)合分析區(qū)內(nèi)自然地形特征、地質(zhì)條件和前人對該區(qū)或類似地區(qū)的相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上②蒲磊，等.重慶市巫山縣地質(zhì)災(zāi)害排查報告.重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計院，2015.，再根據(jù)巫山縣城市地質(zhì)調(diào)查過程中對地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，確定影響巫山縣縣城地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素，包括地形和地貌條件、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡結(jié)構(gòu)類型、三峽水庫水位和其他人類工程活動等6種因素［4-5］.其中地形地貌條件可細分為地形坡度和地形起伏程度2個因子.

2.1 地形地貌

2.1.1 地形坡度

根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計分析，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)與地形坡度具有密切相關(guān)性.如區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害在坡度40°以上發(fā)育的較少，在40°以下極其發(fā)育，其中坡度在20～40°間最易失穩(wěn)（如表1）.可見，地形坡度是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要因素之一.

表1 不同地形坡度條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育統(tǒng)計表Table 1 Statistics of geohazard development by terrain gradients

通過ArcGIS的3D分析功能對評價區(qū)1∶10000地形數(shù)據(jù)進行柵格插值生成DEM柵格，再利用ArcGIS的3D分析工具“柵格表面”下的“坡度”命令從DEM柵格數(shù)據(jù)上提取地形坡度要素，最后用自然斷點法對地形坡度進行區(qū)間劃分，為［0，10.8°］、（10.8°，23.2°］、（23.2°，34°］、（34°，45.8°］、（45.8°，88.5°］，并統(tǒng)計不同坡度內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率.

2.1.2 地形起伏程度

根據(jù)調(diào)查資料統(tǒng)計分析，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)與地形起伏也具有密切相關(guān)性.地形起伏越大，其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性反而越小.

通過ArcGIS的3D分析功能對評價區(qū)1∶10000地形數(shù)據(jù)進行柵格插值生成DEM柵格，再利用ArcGIS的“領(lǐng)域分析”工具和代數(shù)疊加生成地形起伏程度要素，最后用自然斷點法對地形起伏程度進行區(qū)間劃分，為［0，9.7 m］、（9.7，19.4 m］、（19.4，31 m］、（31，64.9 m］、（64.9，247 m］，并統(tǒng)計不同地形起伏程度內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率.

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

評價區(qū)內(nèi)主要褶皺構(gòu)造為巫山復式向斜和七曜山背斜①吳國代，等.1∶5萬大昌幅和巫山幅修側(cè).重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院，2013..由于七曜山背斜位于評價區(qū)西北角，影響面積小，構(gòu)造簡單，且無地質(zhì)災(zāi)害分布，而評價區(qū)次級構(gòu)造復雜［6］，巖體破碎，因此對巫山復式向斜內(nèi)的構(gòu)造和巖體破碎程度做綜合定性分區(qū)，得到評價區(qū)構(gòu)造發(fā)育程度，并統(tǒng)計不同構(gòu)造發(fā)育程度內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率.

2.3 工程地質(zhì)巖組

結(jié)合巖石堅硬度、巖性組合、巖體結(jié)構(gòu)及巖溶化程度等，可將區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖組劃分為以下幾類：T2b2＋4、T1d4；T2b1＋3、T1d1；T1d2＋3、T1j2＋4；T1j1＋3.

根據(jù)調(diào)查資料顯示，區(qū)內(nèi)約80%的滑坡發(fā)育在T2b地層中［7-8］（如表2），主要因為該地層中的泥頁巖、泥灰?guī)r較軟弱，經(jīng)降雨浸潤后易軟化、易滑.可見，工程地質(zhì)巖組與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生關(guān)系密切.

表2 不同巖組條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育統(tǒng)計表Table 2 Statistics of geohazard development by formation conditions

通過ArcGIS轉(zhuǎn)換工具下“面轉(zhuǎn)柵格”命令對賦有分區(qū)屬性的shape數(shù)據(jù)進行柵格轉(zhuǎn)換，得出區(qū)內(nèi)巖性分級柵格圖，并統(tǒng)計不同巖組內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率.

2.4 斜坡結(jié)構(gòu)類型

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育與斜坡結(jié)構(gòu)類型具有相關(guān)性（如表3所示）.在順向坡坡體中，地質(zhì)災(zāi)害尤為發(fā)育，橫向坡、順斜坡、反向斜坡依次減弱.

表3 不同斜坡結(jié)構(gòu)條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育統(tǒng)計表Table 3 Statistics of geohazard development by slope structure types

利用ArcGIS的3D分析工具“柵格表面”下的“坡向”命令從DEM柵格數(shù)據(jù)上提取斜坡坡向要素，然后對賦有產(chǎn)狀屬性的shape數(shù)據(jù)插值，得出傾向柵格圖，再利用柵格計算器得出斜坡類型分布情況，并統(tǒng)計不同斜坡類型內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率.

2.5 三峽庫水位影響

長江干流橫穿評價區(qū)，受三峽水庫的水位漲落影響，庫岸斜坡坡腳長期遭受侵蝕沖蝕－暴露風化作用，為其失穩(wěn)變形提供了良好的條件［9-11］.據(jù)統(tǒng)計，評價區(qū)地質(zhì)災(zāi)害大多分布在水系附近，如在水系100 m范圍內(nèi)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害最多，其次為100～300 m，300～500 m，＞500 m.因此，通過ArcGIS“多環(huán)緩沖”工具提取水系不同影響程度的柵格圖，并統(tǒng)計其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率.

2.6 人類工程活動

評價區(qū)中工程建設(shè)切坡是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素［12-13］，改變了斜坡原有形態(tài)，對其穩(wěn)定性構(gòu)成影響.因此，對評價區(qū)內(nèi)的交通要道和密集居民點進行緩沖分析，并統(tǒng)計不同緩沖區(qū)影響范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率.劃分區(qū)間為影響強烈區(qū)、較強烈區(qū)、中等區(qū)、不強烈區(qū)，并統(tǒng)計不同影響程度內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率.

3 基于信息量法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

3.1 評價方法

在上述各因素分析的基礎(chǔ)上，基于GIS技術(shù)的信息量法對評價區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行評價.即將量化后的每個單元在GIS平臺上進行各種空間信息疊加［14-16］，再與評價區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的實際情況對比驗證，形成較為合理的評價分區(qū)結(jié)果.

3.2 評價指標信息量計算

采用信息量模型，對上述6類指標7個因子的狀態(tài)信息量值進行計算，再應(yīng)用ArcGIS將上述各評價指標對應(yīng)的信息量值進行疊加，獲得評價區(qū)柵格總信息量分布，如表4所示.

3.3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價

根據(jù)ArcGIS計算結(jié)果，凡是信息量值大于0的單元，則屬利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域；信息量值小于0的單元，則屬不利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的區(qū)域［17-18］.然后再通過ArcGIS的疊加分析和重分類功能將其劃分4個等級（極高易發(fā)、高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)）［19-20］，其信息量值分別為0.75～1，0.5～0.75，0～0.5，從而得出分區(qū)評價圖（圖1）.

表4 評價因子信息量表Table 4 Information values of evaluation factors

3.4 與實際比對驗證

圖1 重慶市巫山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價圖Fig.1 Evaluation map of geohazard susceptibility in Wushan County，Chongqing

從圖1可知，極高易發(fā)區(qū)面積為26.78 km2，占比13.31%，共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害60處，其點密度為2.27個/km2；高易發(fā)區(qū)面積54.56 km2，占比27.13%，共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害78處，點密度1.43個/km2；中易發(fā)區(qū)面積23.44 km2，占比11.65%，共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點12處，點密度0.512個/km2；低易發(fā)區(qū)面積96.35 km2，占比47.81%，地質(zhì)災(zāi)害點13處，點密度0.135個/km2.由此可見，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性越高其地質(zhì)災(zāi)害點密度越大，與評價區(qū)的實際情況①侯雪峰，等.三峽庫區(qū)長江干流庫岸地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報告.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊，2016.相吻合.因此，采用信息量法進行評價效果較好.

4 結(jié)論與建議

據(jù)上述分析得知，影響地質(zhì)災(zāi)害的主要因素有地形地貌條件、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)類型、三峽庫水位和其他人類工程活動，再結(jié)合ArcGIS軟件分析功能，采用信息量計算模型對上述因子的信息量進行計算，以此得出地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)結(jié)果.據(jù)已有收集資料比對，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性越高的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的點密度越大，這與評價區(qū)的實際情況吻合.由此可見，利用信息量法進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價具有一定的可靠性，可以較準確地預測某地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，這對于類似地質(zhì)環(huán)境條件的地區(qū)具有借鑒作用.

另據(jù)評價結(jié)果，極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)主要分布于長江及大寧河支流庫岸段，如江東組團龍水村（次級褶皺極發(fā)育區(qū)），巫峽鎮(zhèn)楊柳村、紅廟村、石里村、七星村，兩坪鄉(xiāng)周家村等區(qū)域.建議限制性地開展以上區(qū)域內(nèi)的規(guī)劃建設(shè)工作，如確需開展，需在建設(shè)前和建設(shè)中做好地質(zhì)災(zāi)害防治和斜坡的穩(wěn)定性評價工作，以免誘發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害.