黃土高原東部基本農田地質環境安全性評價

余悠然 王冉 李振 劉世奇 王鶴

摘要：黃土高原地區地表破碎，水土流失嚴重，易發生滑坡、崩塌、地面塌陷等地質災害，損毀農田，威脅農業生產安全。以山西省古交市為研究區，采用信息量耦合二元邏輯（Logistic）回歸模型和地理信息系統（GIS）空間分析工具，在劃定地質災害易發性分區的基礎上，開展古交市基本農田地質環境安全性評價研究，研究結果表明：（1）古交市地質災害極高、高、中、低易發區的面積占比分別為9.70%、12.27%、21.17%、56.86%，中心城區、城鎮村居民區和交通干線附近地質災害發生概率最高;（2）古交市基本農田地質環境安全性分為極低、低、中、高4個等級，其對應范圍內基本農田面積占比分別為11.82%、17.02%、26.67%、44.49%。古交市地質環境已對基本農田安全造成威脅，黃土高原地區基本農田劃定和布局優化調整時，應深入考慮地質災害、水土流失等地質環境問題造成的影響。

關鍵詞：黃土高原;古交市;地質災害;基本農田;地質環境安全性評價

中圖分類號：X43 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2021）16-0220-07

我國耕地資源稀缺，嚴守耕地紅線，保證糧食安全是我國的基本國策，為此我國實行基本農田保護制度[1]，而基本農田保護的核心內容就是要保存基本農田的生產力[2]。黃土垂直節理發育，具有較強的濕陷性，因此黃土高原是我國地質災害的頻發地區[3]。各類地質災害不僅會破壞農業基礎設施，還會導致土壤肥力下降、耕作層受到破壞等后果，進而造成農田生產力下降。目前，我國基本農田的劃定多是從自然稟賦、區位條件[4]等方面考慮，我國學者對基本農田質量的評價和布局的優化也主要從自然氣候、地力大小、基礎設施、經濟效益、區位因素、環境清潔程度和可持續利用幾個方面進行[5-8]，而對地質災害、水土流失等可能造成農田損毀、產量減少的地質環境影響考慮不足[9]。受滑坡、崩塌、泥石流等地質災害破壞的農田，短期內難以恢復耕種，造成耕地面積減少。山西省古交市位于黃土高原東部，地表溝壑縱橫，多黃土塬、梁、峁，耕地面積少，是我國重要的產煤基地和最大的煉焦基地，然而長期以來各種人類活動對當地地表造成了嚴重破壞，地質災害頻繁發生，給當地基本農田保有量和糧食安全產生了威脅。目前評價地質災害易發性的方法有信息量法、邏輯回歸法、隨機森林算法等，綜合考慮研究區實際情況以及資料的豐富程度。本研究采用信息量耦合二元邏輯（Logistic）回歸方法分析山西省古交市地質災害易發性，并在此基礎上開展基本農田地質環境安全性評價。目前針對研究區基本農田展開的研究較少，當地對基本農田受地質災害威脅的重視不足，本研究將為古交市基本農田保護工作提供參考，也將為其他地質災害易發區的基本農田布局調整優化提供科學依據，幫助減少因地質災害而造成的基本農田折損。

1 研究區域及數據

1.1 研究區概況

古交市地處黃土高原東部、山西省中部（111°43′08″～112°21′05″E，37°40′06″～38°08′09″N）（圖1），隸屬太原市下轄縣級市，總面積為1 512.345 km2，現轄3鎮7鄉4個街道，總人口為21.18萬人，國內生產總值（GDP）為36.61億元，糧食總產量為 10 955 t（2018年）。2019年，全市共有耕地 19 740.26 hm2，基本農田15 792.33 hm2，主要分布于古交市北部的河口鎮和南部的岔口鄉、邢家社鄉，占基本農田總數的51.71%。古交市屬于溫帶大陸性氣候，年均降水量為391.58 mm，四面環山，中部地勢低緩，平均海拔為1 604 m，形成了以中山為主的地貌形態。地表黃土厚度小于50 m，多分布于低山丘陵區和中部梁峁及其邊坡地帶，區域內河谷縱橫，水土流失嚴重。境內礦產資源豐富，多年來工礦開采給當地造成植被破壞、地面塌陷等嚴重環境問題。據《山西省2019年度地質災害防治方案》，山西省全境均屬地質災害易發區。古交市地質災害頻繁發生，截至2017年底，共有287個地質災害（隱患）點，其中已發生的各類地質災害點有117個，各類潛在地質災害隱患點有170個。

1.2 數據來源

數字高程模型（DEM）數據來源于地理空間數據云平臺的ASTER GDEM 30 m分辨率數字高程數據，在地理信息系統（GIS）軟件中提取坡度、高程、坡向等信息。地質災害（隱患）點來源于《山西省古交市地質災害詳細調查報告》。基本農田、道路、河流、城鎮村居民區等數據來源于古交市土地利用現狀圖，本研究結合遙感影像對其進行了修正。地貌、地質數據來源于BIGMAP軟件，用于提取地貌類型、地質構造、巖土體類型信息，上述數據均通過GIS軟件進行配準、投影變換、矢量化等處理，坐標系統一為2000國家大地坐標系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）。

2 研究方法

2.1 地質災害易發性評價方法

基本農田劃定會對耕地土壤清潔程度、田面坡度、集中連片度、水利和水土保持設施[10-12]等提出具體要求，但對地質災害的重視程度尚有不足。地表坡度、水土保持狀況等在一定程度上可以表征地質環境對基本農田的約束作用，但倘若周邊發生地質災害，依然會對農田造成負面影響。本研究采用構建信息量法和二元Logistic回歸方法的耦合模型，開展古交市地質災害易發性研究，同單一模型相比，耦合模型可以在不過多增加工作量的前提下顯著提高模型預測精度[13]。在此基礎上，進一步分析地質災害易發性對基本農田安全的影響。本研究以287個地質災害（隱患）點和287個隨機生成的非地質災害點作為樣本，將地質災害發生定義為1，不發生定義為0，計算各分級影響因子的信息量值，并通過相關性分析和共線性診斷剔除相關性過強的多余因子，提高模型預測精度，再利用二元Logistic回歸模型得到最終的地質災害易發性預測結果。信息量法和二元Logistic回歸模型表達式如下：

式中：A表示地質災害發生;I（Xi，A）表示在A條件下致災因子（Xi）提供的信息量值;Ni為分布在因素Xi內變形破壞單元總數;N為研究區已知變形破壞單元總數;Si為研究區內含有評價因素Xi的面積;S為研究區總面積;β1～βk為影響系數;α為常量;Pi是地質災害發生的概率;1-Pi為災害不發生的概率。

2.2 影響因子分析

2.2.1 地質災害影響因子分析 根據研究區現場調查情況和地質特點，本研究將從自然因素和人為因素論述各要素對地質災害發育的影響。自然因素包括地貌類型、高程、坡度、坡向、巖土體類型、斷層、河流等，人為因素包括城鎮村居民區建設、道路建設和采礦活動等。

從地貌類型來看，古交市梁狀黃土丘陵區的地質災害最為集中，該區域黃土垂直節理發育、土質松散，是地質災害形成的有利條件，同時又與采礦等人類活動頻繁區有較多重疊，更易誘發地質災害。單從坡度上來看，坡度越大的區域地質災害發生的可能性越大，但高程高、坡度大的區域多屬于建設用地不適宜區，人類活動極少，誘發地質災害的可能性較低。從坡向上來看，陽坡受太陽輻照時間更長，巖石風化程度更高，更有利于地質災害發育。從巖土體類型來看，粉土巖組分布的區域地質災害數量最多，粉土垂直節理發育且具有濕陷性，當大量雨水沖刷時，極易形成泥石流和滑坡等地質災害;斷層是巖層所受應力超過自身極限而產生的斷裂錯位，在距離斷層較近的地區，巖石破碎易被風化，巖土結構更為脆弱，也更易發生地質災害;河流的浸泡、侵蝕對河谷兩岸坡體的穩定性和強度也會有影響。古交市全境均為地質災害易發區，各項工程建設過程中可能出現不合理開挖坡腳、隨意堆放土石土方等問題，易誘發滑坡、崩塌等地質災害;跟道路建設和居民區建設相比，采礦活動對地表及周邊環境的改造最為強烈，生產過程中產生的采空區和廢渣的隨意堆積，為各類地質災害的發生創造了條件。

2.2.2 影響因子分級 為便于計算影響因子的信息量值，本研究對10個影響因子進行分級。對于離散型數據，直接依據野外實地調查時的分級;對于連續型數據，依據各分級區間內災害點比例與點密度曲線的突變點分級[14]。首先將影響因子按步長進行分割，即高程、距道路距離、距斷層距離按 200 m，坡度按5°，距河流距離按100 m為步長進行災害點比例與點密度統計。

如圖2所示，將高程按1 000、1 200、1 600分級;坡度按10°、25°、45°分級;距斷層距離按400、800、1 800 m分級;距河流距離按200、500、800 m分級;距道路距離按200、800、1 200 m分級。

2.2.3 信息量值計算 根據影響因子分級結果和公式（1）計算各級影響因子的信息量值，如表1所示。

2.2.4 影響因子相關性分析 為保證影響因子間的相互獨立，本研究在SPSS中采用斯皮爾曼方法進行因子間的相關性分析，并結合研究區實際情況剔除相關性較大的因子。當相關系數大于0.5時，認為2個因子間存在一定的相關性[15]。如表2所示，地貌類型、高程、距斷層距離和距道路距離與其他因子間的相關系數有的超過0.5，考慮到斷層對區域地質穩定性的影響，且研究區交通干線兩側存在大量無防護的高陡邊坡，這2個因子對地質災害的發生有較重要的影響，應予以保留，最終選取巖土體類型、坡度、坡向、距斷層距離、距道路距離、距水系距離、距居民區距離、距礦區距離為地質災害易發性模型評價因子。

2.3 地質災害易發性評價模型計算

在進行二元Logistic回歸分析前，須要對影響因子進行共線性診斷，各要素的方差膨脹因子（VIF）值均小于10，表明因子間不存在多重共線性，可以進行回歸分析。導入287個地質災害點和287個非

地質災害點作為樣本，得到Logistic回歸方程：

lgP=0.468+0.559x1+0.483x2+0.761x3+0.535x4-0.118x5+0.999x6+1.070x7+0.873x8。

式中：x1、x2、…、 x8分別對應巖土體類型、坡度、坡向、距斷層距離、距水系距離、距道路距離、距居民區距離和距礦區距離。從回歸系數大小來看，距道路距離、距居民區距離和距礦區距離的系數分別為0.999、1.070、0.873，表明這3個因子對地質災害發生起主要控制作用，說明研究區內地質災害發生的可能性與人類活動的頻繁程度有較大相關性。而巖土體類型、坡度、坡向等影響因子不是古交市地質災害發生的最主要影響因素。

為檢驗模型精度，本研究選用接受者操作特征（ROC）曲線對模型預測結果進行驗證，當曲線下面積（AUC）為0.5～1.0時，說明結果可靠[15-16]。將模型預測結果和樣本數據檢驗值代入得到AUC為0.897 8，遠大于0.5，證明該模型計算結果可靠。

3 結果與分析

3.1 地質災害易發性分區

將得到的各項回歸系數代入公式（2）和公式（3），在GIS軟件中通過柵格計算工具將各影響因子圖層疊加得到每個柵格單元地質災害發生概率（P），其范圍為0.009 94～0.999 48。按自然斷點法分為4個區間：（0.009 94，0.196 21）（低易發區）、[0.0196 21，0.479 49）（中易發區）、[0.479 49，0.782 17）（高易發區）、[0.782 17，0.999 48]（極高易發區），各分區面積占比分別為56.86%、21.17%、12.27%、9.70%（圖3）。極高和高易發區主要集中于主城區、居民區和交通干道沿線，中易發區多與礦區分布相重合，低易發區分布在古交市四周人口密度低、人類活動較少的山地地區。

3.2 基本農田地質環境安全性評價

依據前文得到的古交市地質災害易發性分區，對古交市現有基本農田地質環境安全性進行評價。將地質災害易發性等級分區圖和基本農田分布圖進行疊加分析，地質災害易發性等級和基本農田安全性等級（圖4）的對應關系為極高-極低、高-低、中-中、低-高。從古交市基本農田地質環境安全性評價等級圖（圖4）和安全性分級統計表（表3）來看，古交市中部地區的基本農田地質環境安全性最低，并沿主要交通干線呈射線狀向四周輻射。位于古交市中部的鎮城底鎮、梭峪鄉、西曲街辦、屯蘭街辦、桃園街辦和東曲街辦，其范圍內有22.43%的基本農田安全性等級為極低，30.91%的基本農田安全性等級為低。在不采取任何措施的情況下，古交市有近30%的基本農田將受到地質災害的破壞。

將基本農田地質環境安全性評價結果與道路、城鎮村居民區、礦區疊加展示，如圖5所示，可發現道路兩側和居民區周邊的基本農田地質環境安全性等級多為極低和低，經統計，在道路和居民區周邊100 m范圍內，有基本農田397.35 hm2，其中地質環境安全性等級為極低的基本農田有258.20 hm2，占64.98%，安全性等級為低的占30.68%;礦區范圍內的基本農田共有3 247.43 hm2，安全性等級為極低的基本農田占24.40%，安全性等級為低的基本農田占29.51%。根據表3可知，有90.10%的極低安全等級、67.96%低安全等級基本農田是分布在人類工程活動影響范圍內的。經實地考查發現，古交城市中心和交通干線附近，仍有部分工程活動遺留的高陡邊坡，且缺少必要的防護措施。由于古交市多黃土梁峁分布，當地村民選址建房時難以遠離邊坡，施工時若對周圍坡腳及巖土體結構造成破壞，易誘發地質災害，增加對周邊基本農田的威脅。長期的礦產資源開發更是對地表的強烈改造，生產過程中不僅會對土壤造成污染，還會引發地裂縫、地面塌陷等問題，形成規模較大的塌坑和積水洼地，加劇水土流失速率，導致土壤肥力下降，使基本農田質量嚴重下降甚至無法耕種。而分布在研究區四周山地地區的基本農田安全性等級較高，這是由于該區域高程相對較高，又無大量礦產資源，人口密度小，人類工程活動對地表的擾動少，地表植被相對茂密，可鞏固水土、阻滯降雨對地表的沖刷，從而在一定程度上提高了該區域基本農田的安全性等級。

4 結論與展望

本研究利用信息量耦合二元Logistic回歸模型對古交市基本農田地質環境安全性進行了評價，得到以下結論：（1）古交市地質災害易發性等級分為極高易發區、高易發區、中易發區和低易發區，面積占比分別為9.70%、12.27%、21.17%、56.86%，易受地質災害影響的范圍大。極高和高易發區主要集中于主城區、居民區和交通干道沿線，中易發區多與礦區分布相重合，低易發區分布在古交市四周人口密度低、人類活動較少的山地地區。（2）以地質災害易發性為基礎開展古交市基本農田地質環境安全性評價研究，基本農田安全性等級為極低、低、中、高所對應的面積占比分別為11.82%、17.02%、26.67%、44.49%，古交市基本農田安全正面臨地質環境的嚴重威脅，各項人類活動是導致地質環境對基本農田產生負面影響的主要因素，積極采取相應措施保護基本農田數量、質量不受破壞已刻不容緩。以古交市為參考，黃土高原地區將城鎮周邊、交通沿線易被占用的優質耕地劃為基本農田或開展基本農田布局優化時，應深入考慮當地地質環境對基本農田的約束作用，切實做好水土保持、防災減災等相應工作，必要時須對基本農田周邊地質災害隱患點進行工程治理，對于現有地質災害易發區內的基本農田，可以通過土地置換的方式進行調整，確保做到牢守耕地紅線，保護糧食安全。

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