基于信息量模型的小流域泥石流災害易發性分析

張 博

(西山煤電集團 技術中心，山西 太原 030053)

中國地質環境的特殊性決定了地質災害的多樣性、易發性及其區域變異性[1].地質災害易發區是指具備地質災害發生的地質構造、地形地貌和氣候條件，容易發生地質災害的區域。地質災害易發程度區劃側重的是滑坡、崩塌、泥石流等災害地質現象發育的數量多少和活躍程度；評價單元可基于小流域[2]、柵格單元、地貌單元[3]等。評價方法有信息量法[4]、Logistic回歸耦合模型[5-6]、模糊綜合評價方法[7]、灰色關聯分析模型和GIS空間分析方法[8]、層次分析法與確定性系數法相耦合的加權確定性系數法[9]等。地質災害易發區評價的關鍵是評價因子的選取，現階段選取的評價因子有坡度、坡向、高程、地層、距斷層的距離、距水系的距離、距道路的距離[10]、斜坡坡高、歸一化植被指數、工程地質巖組、活動斷裂、河流、年平均降雨量、地震和人類工程活動[11]、累計匯水面積、水域、土地利用[12]、道路、起伏度、坡形[13-14]等。李益敏等基于小流域評價單元、選擇距斷裂帶距離、巖性、melton比率、流域延伸率、流域高差率、河流彎曲系數、流域水系密度、平均植被覆蓋度、年均降水量、距道路距離、距居民點距離等11個評價指標[2]，張英杰等選取森林覆蓋率、高程、地質巖組、坡度、降雨量、現狀地質災害點密度、人口密度和公路密度等8個因子作為評價指標[8].

呂梁山區高差大，溝壑縱橫，構造復雜，是地質災害易發區，地質災害類型主要有崩塌、滑坡、塌陷、泥石流、地裂縫，以及煤礦開采引發的地表沉陷、地裂縫等，嚴重威脅著村莊、道路、電塔、耕地等的安全，因此，對地質災害易發性評價顯得尤為重要。本文以數字高程模型(DEM)為主要數據源，選取地形條件、工程地質巖組、地質構造、植被覆蓋度等6個因子作為評價指標，對呂梁山東麓陳臺溝小流域進行地質災害易發性評價。

1 地質概況

陳臺溝小流域位于呂梁山中段東麓的西冶川，為黃河一級支流文峪河的三級支流。小流域面積9.83 km2，河流長度6.26 km，河谷平均寬度920 m，水系分支比3.2，支流間平均寬度230 m，河流彎曲度1.05.陳臺溝流域高程在1 210～1 850 m，1 200～1 300 m占8.3%、1 300～1 400 m占12.5%、1 400～15 00 m占16.9%、1 500～1 600 m占27.2%、1 600～1 700 m占25.5%、1 700～1 800 m占8.9%、1 800～1 900 m占0.7%，1 500～1 700 m高程分布最廣，占小流域面積的52.7%.在相同降雨或徑流沖刷條件下，土壤流失程度因坡度不同而有較大差異，該流域優勢坡向為東、東北、北、東南，劣勢坡向為西南、西。0°～5°為平坡，占2%；6°～15°為緩坡，占12.9%；16°～25°為斜坡，占29.9%；26°～35°為陡坡，占36.3%；36°～40°為急陡坡，占11.5%；41°～45°為急坡，占5.5%；46°以上為險坡，占1.9%.險坡與陡坡共占55.2%.支溝走向以NNW和NNE向為主。

陳臺溝小流域地表出露地層由老到新為太古宇界河口群(Ar)，元古界花崗巖體(Pt)，古生界的寒武系、奧陶系(-O)、石炭系和二疊系(C-P)，中生界的三疊系(T)，新生界的第四系(Q)。采用起伏比法計算的面積高程積分HI結果為0.563，混合雜巖、花崗巖、片麻巖帶計算的HI結果為0.43，灰巖帶計算的HI結果為0.5，砂泥巖帶計算HI結果為0.36，HI值能反映出巖石的抗侵蝕能力，灰巖、花崗巖等抗侵蝕能力強于砂泥巖。

2 地質災害易發性影響因子選取

影響地質災害的因素多而復雜，野外調查顯示，陳臺溝小流域最嚴重的地質災害是泥石流，導致該流域泥石流災害發生的因素主要有高程、坡度、坡向、工程地質巖組、地質構造、植被覆蓋度、水的作用、土地利用等8個相關指標，應用ArcGIS軟件中多元分析工具計算協方差和相關矩陣功能進行相關性分析，得到各因素之間的相關性系數(表1)，依據相關系數篩選，得到高程、坡度、坡向、工程地質巖組、地質構造、植被覆蓋度等6個因子可作為陳臺溝小流域泥石流易發性的評價指標。

表1 各因素間相關系數表

3 泥石流災害易發性評價

信息量模型是利用信息熵的概念分析各種因素綜合作用下地質災害易發性的模型，在地質災害易發性評價研究和實踐中得到了廣泛的應用。信息量越大，地質災害發生的可能性越大，在求得每個單元在所有影響因子條件下的信息量值后，通過求和即可得到單個評價單元內總的信息量值：

(1)

式中：

I—評價單元總的信息量值；

Ii—評價因素xi的信息量值；

n—所選取的評價因子的總數。

將評價單元總的信息量值I作為判斷該單元在影響地質災害時的綜合作用指標：I>0時，該單元處有利于地質災害的形成，且I值越大，易發性程度越高；I<0時，該單元處不利于地質災害的形成，且I值越小，易發性程度越低。

以1∶50 000地形地質圖為數據源，以野外調查獲得的14個泥石流災害隱患點為樣本數據，借助ArcGIS軟件和信息量評價模型，針對陳臺溝小流域泥石流災害易發性進行評價。

在ArcGIS 中，將以上6個因子進行疊加并分析，將各個評價因子圖層和對應的泥石流災害隱患點分布圖在軟件中做空間分析運算，得到地質災害在每種因素的各個類別中的分布情況，得出每一因子圖層中各類型中泥石流災害的分布密度，即Ni/Si值，見表2，然后利用式(1)，計算結果即為各評價因子內各類別的信息量。最后根據加權信息量值對泥石流災害的易發性進行分級，并且對整個研究區進行重新分類，判斷出易發生泥石流災害點。

表2 各評價因子信息量計算結果表

對陳臺溝地區地質災害易發性的分析，將信息量進行排序后，得到陳臺溝小流域內易發生泥石流災害的易發性分區圖(圖1).

圖1 易發性評價分區圖

4 結 論

1)呂梁山中段陳臺溝小流域泥石流易發性評價指標為6個，分別是高程、坡度、坡向、工程地質巖組、地質構造、植被覆蓋。

2)信息量模型的小流域泥石流易發性評價方法可以客觀地反映地質災害受地質環境條件的影響。

山區小流域泥石流災害易發性評價對于山區地質規劃扶貧與新農村建設有較重要的實用價值。