長江上游磨刀溪流域地質災害易發性分區評價

徐錦宏，翁茂芝，胡元平，王寧濤

(1.湖北省地質災害防治中心，湖北 武漢 430034；2.湖北省地質調查院，湖北 武漢 430034；3.中國地質調查局 武漢地質調查中心，湖北 武漢 430205)

三峽地區(庫區)是中國地質災害最高發的地區之一，近年來隨著移民安置、重大工程建設等基本完成，該區開始進入鄉村振興和城鎮建設快速發展期，地質環境問題日益突出，亟需開展地質災害評估工作[1-4]。地質災害易發性評價是地質災害評估的主要內容之一，其技術方法體系已經較為成熟，研究重點是地質災害發生的條件和地質災害易發性評價模型[5]。地質災害發生的條件分為內因和外因，其中內因主要指地質災害發生地段的地形地貌、地層巖性、地質構造等工程地質條件，是地質體的基本屬性[6-8]；外因主要指地質災害發生地段的氣象水文、人類工程活動、新構造運動與地震等工程動力地質作用，是地質災害發生的重要誘因[9-11]。地質災害易發性評價模型(方法)很多，被廣大學者采用的主要有信息量法[12-13]、加權信息量法[14-15]、層次分析法[16-17]、組合賦權法[18]、神經網絡法[19]等?；谛畔⒘糠ǖ牡刭|災害易發性評價過程一般為：在調查研究區工程地質條件和工程動力地質作用基礎上，提取地質災害主要影響因素，將研究區在某單一因素作用下發生地質災害的可能性進行定量化，并以此類推，直至實現所有主要影響因素的貢獻量化，然后將不同影響因素的貢獻進行疊加，獲得研究區地質災害發生可能性的總定量化結果。

磨刀溪流域地處三峽地區，是長江上游重要的一級支流流域，該流域內共發育各類地質災害605處，其中滑坡(含隱患點)469處、崩塌(含隱患點)130處、泥石流(含隱患點)6處，分別占地質災害總數的77.5%、21.5%、1.0%；中—小型規模的地質災害占比約90%，表明該區主要發育中—小型滑坡、崩塌地質災害。本次以磨刀溪流域為研究區，在分析區內滑坡和崩塌的發育特征及形成規律基礎上，選取地形地貌、地質、人類工程活動3個方面的10個評價因子，采用信息量法進行地質災害易發性分區評價，可為流域地質災害的風險評價及防災減災工作提供重要依據。

1 研究區概況

磨刀溪是長江一級支流，河長183 km，其流域地跨重慶市云陽縣、萬州區、石柱縣和湖北省恩施州利川市(圖1)，地理坐標：東經108°15′～109°05′，北緯30°07′～30°56′，面積3 104.63 km2。研究區位于中國地理上第一階梯向第二階梯過渡帶，山脈總體走向NE，地勢整體為東南高西北低，為中低山峽谷地貌(高程為135～1 923 m)。磨刀溪主要受方斗山和齊岳山夾持，由西南向東北匯入長江右岸，自然落差約1 100 m，河谷多呈“V”形和“U”形，其徑流主要來源于降水補給，徑流的年內、年際變化與降水一致。該區發育典型的亞熱帶濕潤性季風氣候，多年平均降雨量為1 100～1 400 mm。

圖1 研究區地理位置圖

研究區主要發育中生代沉積巖，從下三疊統大冶組(T1d)至上侏羅統蓬萊鎮組(J3p)連續出露，第四系(Q)主要沿河谷、沖溝零星分布。下三疊統嘉陵江組(T1j)、上侏羅統遂寧組(J3s)—蓬萊鎮組(J3p)往往分別構成背斜、向斜的核部地層，一般出露不全。區內構造十分發育，褶皺主要有萬縣復向斜、方斗山背斜、趕場向斜、龍駒壩背斜，斷裂主要有方斗山背斜伴生的外壩逆斷層、自生橋逆斷層、茨竹埡正斷層、走馬嶺平移斷層、楠木椏—大埡口逆斷層和齊岳山背斜伴生的馬落池逆沖斷層和中槽斷層。

2 地質災害發育特征

2.1 地形地貌對地質災害的影響

坡度直接影響斜坡表面殘坡積物的厚度、物質的穩定性和水動力條件，從而影響地質災害發生的強度和規模[20]。研究區地質災害受坡度控制的發育強度排序為：險坡(坡度>45°)>急坡(坡度40°～45°)>斜坡(坡度15°～25°)>陡坡(坡度25°～35°)>急陡坡(坡度35°～40°)>緩坡(坡度5°～15°)>平坦坡(坡度0°～5°)。區內坡度>40°的急坡和險坡多發育崩塌和崩塌衍生滑坡，坡度為15°～25°的斜坡多發育滑坡，而緩坡和平坦坡較少發育地質災害。

坡向是斜坡地形的重要指標，對地質災害的影響主要表現在不同坡向的坡體產生的小氣候與水熱比存在差異性，進而影響坡體上的植被覆蓋率與水體蒸騰強度[20]。地質災害在不同坡向的發育強度排序為：300°～360°>110°～180°>0°～50°>180°～250°>50°～110°>250°～300°，這與磨刀溪流域斜坡結構類型密切相關。

地質災害的發育與其分布高程密切相關。一方面，流域范圍內河流下切形成的階地分布于相對統一的高程范圍內，在河流對階地的侵蝕和沖洪積等作用下，其斜坡坡度和地表堆積物厚度存在一定的分帶性，從而使得滑坡的發育與高程相關。另一方面，不同的高程范圍人類工程活動強度不同，使得不同高程的臨空面條件具有差異性，因而高程是滑坡孕災環境的重要因子。統計發現，研究區內滑坡主要集中在550～1 000 m高程范圍，其次為150～550 m高程范圍；崩塌主要集中在850～1 000 m高程范圍，其次為350～850 m和1 000～1 300 m高程范圍。

斜坡結構反映了地層傾向與坡向的交切關系，決定了滑坡的空間形態，影響了地質災害所處的地質環境和應力環境[21]。本文統計了不同斜坡結構下地質災害的發育情況(圖2)，發現地質災害發育數量由多到少分別為：水平層狀斜坡>橫向斜坡>斜逆向斜坡>斜順向斜坡>順向伏傾斜坡>逆向斜坡>順向等傾斜坡>順向飄傾斜坡，發育強度由高到低分別為：順向伏傾斜坡>斜逆向斜坡>順向等傾斜坡>水平層狀斜坡>斜順向斜坡>逆向斜坡>橫向斜坡>順向飄傾斜坡，表明順向伏傾斜坡、斜逆向斜坡、順向等傾斜坡更有利于地質災害的發育。

圖2 地質災害與斜坡結構關系圖

河流侵蝕加深加寬河床是崩滑體形成和復活的重要外動力因素之一，因此水系發育情況影響了地質災害的發育程度。研究認為，距離水系越近，地質災害發生的概率就越高[22]，因此地質災害往往沿水系分布的特征較明顯。根據三峽地區研究資料，該區新構造運動主要表現為大面積的間歇性隆升，地殼抬升階段，河流下切，谷坡增高變陡；地殼抬升相對停頓階段，河流側蝕作用加強，谷坡后退，形成階地，在此期間往往伴隨發育大量滑坡、崩塌等地質災害[23]。研究區內較早(時間記錄不詳)形成的大型滑坡基本上位于原河谷強烈侵蝕下切階段的枯、洪水位變動帶內。一般認為支流、支溝的發育要晚于干流，其侵蝕作用更加強烈(例如龍駒河落差約800 m)，發生地質災害的可能性也更大，因此磨刀溪流域的主要支流，尤其是龍駒河、建南河、蘇馬河、泥溪河兩岸的地質災害發育密度較大(圖3)。同時，磨刀溪下游龍角—河口段因受三峽庫區水位變動影響，地質災害也較為密集。

圖3 地質災害與水系分布圖

2.2 地質條件對地質災害的影響

研究區地質災害主要分布于中侏羅統上沙溪廟組(J2s)、第四系松散堆積層中，數量均超過100處，而其他地層分布區發育的地質災害均在50處以下(圖4)。在地質災害發育強度上，第四系松散堆積層、下—中侏羅統自流井組(J1-2z)最有利于地質災害發育。因此第四系松散堆積層、中侏羅統上沙溪廟組、下—中侏羅統自流井組是地質災害重點調查對象。

圖4 地質災害與地層關系圖

新構造運動控制了地形地貌、局部氣候及生態環境的演化，也直接或間接控制著地質災害的發育[24]。研究區構造線總體呈NE向，主要發育一系列由向斜、背斜相間排列所構成的隔擋式褶皺，這些褶皺在新生代形成，屬于新構造運動產物。研究區內向斜核部寬緩開闊，地層平緩，但其兩翼與背斜交接部位的地層產狀往往發生突變，由5°～10°突變為80°左右甚至倒轉，并伴隨發育次級層間撓曲或揉皺。受這些次級構造影響，向斜與背斜交接帶的巖體中節理發育、結構破碎，導致在這些構造交接帶易于發生順層滑坡等地質災害，使得構造交接帶的地質災害密度較高(圖5)。

圖5 地質災害與構造、交通線路分布圖

2.3 人類工程活動對地質災害的影響

研究區內居民多沿公路兩側居住，在修建公路及建房過程中不可避免地產生切坡，導致坡腳臨空和卸荷裂隙發育，多引發小型崩塌等地質災害。由于公路多沿著河岸分布，因此地質災害沿河流、公路分布具重疊性。研究區內共發育崩塌130處，其中磨刀溪支流龍駒河段即發育崩塌89處，占崩塌總數的68.5%。著名的G318國道沿龍駒河河谷分布，該國道和沿線居民地的建設形成大規模的公路高切坡，導致此段崩塌密布，尤其是謀道—木魚寨段，除了邊坡高陡，還具有巨厚層狀砂巖夾黏土巖組合，導致崩塌更加高發。

2.4 降雨對地質災害的影響

降雨是地質災害形成的主要誘因[6]。本次研究收集了研究區各縣市近50年的降雨資料，考慮到地質災害主要集中于磨刀溪中下游地區，因此以重慶市云陽縣、萬州區的降雨數據代表研究區降雨數據進行統計分析。將研究區近50年來有具體時間記錄的地質災害作月際數量變化曲線(圖6)，對照多年月平均降雨量可知，研究區降雨量分布具正態分布特征，降雨主要集中在5—9月；地質災害在6—8月高發，尤其是7月發生的地質災害近140處，表明地質災害發生的數量與降雨量呈正相關關系，其降雨型地質災害的特征十分明顯。綜合研究表明，集中的短時強降雨是區內地質災害的主要誘發因素。

圖6 地質災害與多年月平均降雨量關系圖

3 地質災害易發性分區評價

3.1 評價模型

信息量模型作為一種定量分析方法，可以直觀反映研究區內致災因子對形成地質災害的敏感度和貢獻率[25]。預測地質災害產生與否與預測過程中信息的數量和質量有關，可以用信息量來衡量，即評價單元信息量值越大，地質災害發生的可能性就越高。由于地質災害的發生受多個致災因子的影響，且不同的致災因子具有不同的影響程度，因此需要計算出評價單元內各致災因子的綜合信息量值，其計算公式為：

(1)

Ii值的大小直接反映該評價單元產生地質災害的可能性，是地質災害易發性分區評價的重要性指標。當Ii>0時，表示評價因子i對預測地質災害是有利的；當Ii<0時，表示評價因子i產生地質災害；當Ii=0時，表示評價因子i不提供有關地質災害發生與否的任何信息，即i可以被篩選，排除其作為評價因子。

在實際操作時，首先將各評價因子單獨作一個圖層，然后將其與地質災害分布圖在ArcGIS軟件中作空間疊加分析，計算得到地質災害在該評價因子中的信息量值；然后使用ArcGIS軟件柵格計算功能，計算得到地質災害評價單元內的綜合信息量值，生成以信息量大小為衡量標準的地質災害易發性分區圖。

3.2 評價單元劃分

目前應用較成熟的評價單元類型包括柵格單元和斜坡單元，前者易于處理各類評價因子的圖層數據，多應用于較小比例尺條件下的易發性評價；后者將評價區劃分為不同的斜坡單元，評價結果更符合斜坡體的自然發育狀態，且可以采用確定性評價模型進行計算，多適用于大比例尺條件下的易發性評價。綜合考慮認為，研究區基本地理圖件的比例尺為1∶5萬，等高線間距為20 m，因此采用10 m×10 m的柵格單元開展易發性評價更為合理。

3.3 評價因子選取與分級

研究區內地質災害以滑坡和崩塌為主，其形成是內因與外因共同作用的結果，內因主要包括地形地貌條件(如坡度、坡向、高程、斜坡結構、水系等)、地質條件(如地層、構造等)等，外因主要包括人類工程活動(如公路、建房等)、降雨等。根據研究區地質災害調查結果，在分析各因素對地質災害發育特征及分布規律的基礎上，選取坡度、坡向、高程、斜坡結構、一級水系、其他水系、地層巖性、地質構造、縣鄉公路、省道與國道10個評價因子來計算信息量。

根據研究區坡度、坡向、高程實際分布情況，采用自然斷點法進行區間劃分，其中坡度分為6個等級，分級區間(單位：(°))為[0，5]、(5，15]、(15，25]、(25，35]、(35，45]、(45，80](圖7-a)；坡向分為6個等級，分級區間(單位：(°))為[0，50]、(50，110]、(110，180]、(180，250]、(250，300]、(300，360](圖7-b)；高程分為10個等級，分級區間(單位：m)為[100，350]、(350，550]、(550，700]、(700，850]、(850，1 000]、(1 000，1 150]、(1 150，1 300]、(1 300，1 400]、(1 400，1 550]、(1 550，1 920](圖7-c)。根據研究區斜坡的種類，將斜坡結構分為順向斜坡(0°～30°)、斜順向斜坡(30°～60°)、橫向斜坡(60°～120°)、斜逆向斜坡(120°～150°)、逆向斜坡(150°～180°)和水平層狀斜坡6類(圖7-d)。根據地質災害點距河流的遠近關系，將距一級水系的距離分為4個等級，分級區間(單位：m)為[0，200]、(200，500]、(500，1 000]、(1 000，1 500](圖7-e)；將距其他水系的距離分為3個等級，分級區間(單位：m)為[0，200]、(200，500]、(500，1 000](圖7-f)，然后利用ArcGIS軟件空間分析功能沿水系軸線生成相應的緩沖區。

主要參照1∶5萬區域地質調查資料，以“組”為單位將地層劃分為11個等級，即下三疊統大冶組(T1d)、嘉陵江組(T1j)，中三疊統巴東組(T2b)，上三疊統須家河組(T3xj)，下侏羅統珍珠沖組(J1z)，下—中侏羅統自流井組(J1-2z)，中侏羅統新田溝組(J2x)、下沙溪廟組(J2xs)、上沙溪廟組(J2s)，上侏羅統遂寧組(J3s)、蓬萊鎮組(J3p)(圖8-a)。由于1∶5萬區域地質調查資料中未圈定第四系范圍，因而本次評價時缺少第四系這一地層因素，略顯不足。根據1∶5萬區域地質調查資料，以NE向褶皺軸線為基準線，將距褶皺軸線的距離分為3個等級，分級區間(單位：m)為[0，200]、(200，400]、(400，800](圖8-b)，同樣在ArcGIS軟件中生成相應的緩沖區。

提取研究區主要道路后，根據地質災害點距道路的遠近關系，將距縣鄉公路的距離分為5個等級，分級區間(單位：m)為[0，50]、(50，100]、(100，200]、(200，300]、(300，400](圖9-a)；將距省道與國道的距離分為4個等級，分級區間(單位：m)為[0，50]、(50，100]、(100，200]、(200，300](圖9-b)。

3.4 易發性分區評價

采用信息量模型，計算滑坡、崩塌在10個評價因子的各個等級下的信息量值，然后將各評價因子按信息量值進行柵格計算，將量化后的每個柵格單元在ArcGIS軟件中進行空間信息疊加，得到研究區滑坡、崩塌每個柵格單元的總信息量值。研究區滑坡總信息量值范圍為-6.5～7，將-2.2、-0.4、1.4作為滑坡易發性等級劃分的總信息量界限值，即滑坡總信息量值[-6.5，-2.2]、(-2.2，-0.4]、(-0.4，1.4]、(1.4，7]分別對應滑坡不易發區、低易發區、中易發區和高易發區。同理，將-7、-1、3.5作為崩塌易發性等級劃分的總信息量界限值，劃分出4個崩塌易發性分區，即不易發區[-10，-7]、低易發區(-7，-1]、中易發區(-1，3.5]和高易發區(3.5，9.5]。在分別獲得滑坡和崩塌的易發性分區結果后，采用矩陣法(表1)將兩者進行疊加，得到研究區地質災害易發性分區圖(圖10)。

表1 滑坡和崩塌易發性疊加計算矩陣

評價結果(表2)表明，研究區內地質災害高易發區主要沿水系分布，面積為416.80 km2，占研究區總面積的13.43%，發育41.0%的地質災害(248處)，并細分為6個亞區；中易發區分布于高易發區周圍，面積為892.16 km2，占研究區總面積的28.74%，發育36.7%的地質災害(222處)，并細分為7個亞區；低易發區分布于中易發區周圍，面積為829.07 km2，占研究區總面積的26.70%，發育16.7%的地質災害(101處)，并細分為4個亞區；不易發區主要分布于研究區東南部，面積為966.60 km2，占研究區總面積的31.13%，僅發育5.6%的地質災害(34處)，并細分為3個亞區。

表2 地質災害易發性分區結果

完成地質災害易發性評價后，需要對評價結果的精度進行檢驗，可以采用成功率驗證法[26]。如圖11所示，橫軸表示地質災害易發性指數，縱軸表示地質災害在易發性指數區間內的累計發生頻率，成功率曲線下方的面積(AUC)則表征了模型評價結果的精度，AUC值越大，評價結果精度越高。計算得出AUC值為88.5%，表明本次評價結果精度較高。

圖11 地質災害易發性分區結果成功率曲線圖

4 結論

(1)磨刀溪流域發育的地質災害以滑坡、崩塌為主，其規模以中—小型為主。

(2)磨刀溪流域的地形地貌和地質條件控制了地質災害的發育與分布，人類工程活動和降雨為地質災害發生的主要誘因。

(3)選取坡度、坡向、高程、斜坡結構、一級水系、其他水系、地層、構造、縣鄉公路、省道及國道10個評價因子，采用信息量模型法分別開展滑坡、崩塌的易發性評價；然后采用疊加計算矩陣，綜合計算得出磨刀溪流域的地質災害易發性分區結果，評價結果精度較高(成功率為88.5%)。研究區地質災害易發性分區分為高、中、低、不易發區4種類型，面積分別為416.80、892.16、829.07、966.60 km2，分別占研究區總面積的13.43%、28.74%、26.70%、31.13%。

(4)地質災害高易發區沿主要水系分布，表明流域區的水系分布是地質災害發生的關鍵控制條件。