黃岡市羅田縣城關鎮(zhèn)斜坡地質(zhì)災害風險評價

譚偉，田巍，劉鋼一，周佑平

（湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034）

羅田縣城關鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)發(fā)展及建設用地的獲取多依賴伴山切坡。長期的切坡活動造成了部分坡體變形，并由此引發(fā)了多處地質(zhì)災害，威脅百姓生命財產(chǎn)安全。該區(qū)曾開展過多次地災調(diào)查工作，2000年以前主要以1∶500000及1∶200000區(qū)域環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作為主，2000年以后逐步開展1∶100000及1∶50000地質(zhì)災害詳細調(diào)查工作，這些工作都是以整個行政區(qū)為單元開展的小比例尺調(diào)查工作，未針對集鎮(zhèn)斜坡開展過大比例尺評價工作。為此，本文依托羅田縣城關鎮(zhèn)地質(zhì)災害調(diào)勘查項目（1∶10000），基于ArcGIS軟件，采用層次分析法，以斜坡為單元，對鎮(zhèn)區(qū)進行地質(zhì)災害易發(fā)性評價及區(qū)劃，可為鎮(zhèn)區(qū)發(fā)展提供技術支撐。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 地形地貌

羅田縣城關鎮(zhèn)地處大別山南麓，屬剝蝕丘陵—山間河谷沖積平原地貌。最高處為羅田河以西大寺閣西側(cè)，丘頂高程213.8 m，最低點為羅田河河床，高程63 m。羅田河兩岸一般山脈多呈北東向展布，形成由北東向南西漸低的地形，平原地區(qū)多沿羅田河兩岸分布，面積小，城市發(fā)展及建設用地的獲取多依賴伴山切坡。

1.2 地層巖性

太古宇大別群分布于工作區(qū)南側(cè)局部地區(qū)，由各種片麻巖交替成層，并夾雜變粒巖等。元古宇紅安群廣泛分布于工作區(qū)，巖性為黑云角閃斜長片麻巖、斜長角閃巖、黑云二長片麻巖、花崗質(zhì)片麻巖。全新統(tǒng)沖洪積層、殘坡積層主要分布于河流兩側(cè)的階地與漫灘、河床中和丘陵的斜坡與凹溝地帶，由粉質(zhì)黏土、砂、砂礫石等物質(zhì)組成。區(qū)內(nèi)巖漿活動，主要為燕山期涼亭河超單元勝利單元（JS）童家灣單元（JT）花崗巖、二長花崗巖，呈青灰色—淺肉紅色，分布于羅田河河流兩側(cè)（湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，2021）。

1.3 地質(zhì)構造與地震

羅田縣城關鎮(zhèn)地處大別山南麓，大地構造上屬于秦嶺褶皺系桐柏—大別山中間隆起大別山復背斜羅田褶皺束。羅田縣城關鎮(zhèn)地質(zhì)構造不發(fā)育，未見明顯的斷裂及褶皺發(fā)育。

根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB 18306—2015），羅田縣地震動峰值加速度為0.05 g，對應的地震基本烈度值為Ⅵ度。

1.4 人類工程活動

區(qū)內(nèi)人類工程活動主要集中在主城區(qū)的羅田河兩岸。由于人工建設活動的日益頻繁，在城關鎮(zhèn)經(jīng)濟和社會發(fā)展進步的同時，大規(guī)模的建設活動打破了斜坡的原始平衡狀態(tài)，并人為引起了地質(zhì)災害，主要表現(xiàn)為城區(qū)和居民點建設、交通路網(wǎng)建設、農(nóng)業(yè)開發(fā)、河堤改造。

2 斜坡單元劃分

首先使用ArcGIS中的水文分析模塊根據(jù)原始DEM數(shù)據(jù)獲得山谷曲線，同時進行DEM數(shù)據(jù)中的洼地填充獲得整個研究區(qū)域的水流向圖，從而得出各單元的累積流量；通過確定最小匯水單元數(shù)，可以得出不同面積的匯水區(qū)，其界線即為分水線；然后再把原DEM數(shù)值反轉(zhuǎn)，用類似方式可以得出負地形的集水流域，提取負地形的山脊線；最后將原始DEM數(shù)據(jù)獲得的集水流域和反轉(zhuǎn)DEM后獲取的集水流域疊加融合，得到初步劃分的斜坡單元（楊淞月等，2021；付圣等，2017；霍艾迪等，2011）。按照上述方法（圖1），結(jié)合現(xiàn)場實地調(diào)查結(jié)果，考慮承災體的分布，對有承災對象的區(qū)域進行手動調(diào)整，最終將評價區(qū)劃分為圖2所示208塊斜坡單元域。

圖1 斜坡單元劃分流程Fig.1 Slope Unit Flow Chart

圖2 評價區(qū)斜坡單元Fig.2 Slope element of evaluation area

3 地質(zhì)災害易發(fā)性評價

3.1 易發(fā)性評價方法

采用層次分析法進行評價，其基本思路是根據(jù)工程問題的性質(zhì)和要求達到的總目標，將問題分解成不同的分目標、子目標，并按目標間的相互關聯(lián)程度與隸屬關系分組，形成多層次的結(jié)構，通過兩兩比較的方式確定層次中諸目標的相對重要性，同時運用矩陣運算確定子目標對其上一層目標的相對重要性。層層下去，最終確定出子目標對總目標的重要性（袁獻偉等，2010）。

3.2 確定地質(zhì)災害易發(fā)性評價層次結(jié)構模型

根據(jù)層次分析法的基本原理，建立地質(zhì)災害易發(fā)性評價梯階層次結(jié)構模型（圖3）。目標層（A）為斜坡地質(zhì)災害易發(fā)性評價；準則層（B）為易發(fā)性影響因素，包括地形地貌（B1）、地質(zhì)特征（B2）、地表水系（B3）和植被覆蓋（B4）；指標層（C）為各準則層所包含的地質(zhì)災害影響因素評價指標（崔霖峰等，2017；丁文潔等，2020；桂蕾，2014；李家明等，2014；田春陽，2020；高麗琰等，2017）。

圖3 地質(zhì)災害易發(fā)性評價指標Fig.3 Evaluation index of Geological Hazard Susceptibility

3.3 構造崩滑地質(zhì)災害易發(fā)性因素和子因素的判斷矩陣

通過分析區(qū)域崩滑地質(zhì)災害條件及影響因素，列出各層次的判斷矩陣，如表1至表3所示。

表1 評價區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性B層權重矩陣Tab.1 B layer weight matrix of geological hazard susceptibility in evaluation area

表2 評價區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性C1-C3層權重矩陣Tab.2 C1-C3 layer weight matrix of geological hazard susceptibility in evaluation area

表3 評價區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性C4-C5層權重矩陣Tab.3 C4-C5 layer weight matrix of geological hazard susceptibility in evaluation area

通過計算，得到判斷矩陣中同一層次相應因素對上一層次某元素相對重要性的排序權重，CR檢驗值均小于0.1，滿足一致性檢驗。B層指標權重與C層指標權重相乘，可得到各評價因子的計算總權重值，見表4和表5。

表4 滑坡易發(fā)性評價指標權重矩陣Tab.4 Weight Matrix of landslide susceptibility evaluation index

表5 崩塌易發(fā)性評價指標權重矩陣Tab.5 Weight Matrix of evaluation index of vulnerability to collapse

3.4 滑坡、崩塌災害易發(fā)性分區(qū)

根據(jù)層次分析法的評價因子賦值及權重計算結(jié)果，基于ArcGIS軟件的空間分析功能，將所有評價因子進行加權疊加，得到滑坡、崩塌易發(fā)性結(jié)果。歸一化后按照0≥低易發(fā)＞0.25、0.25≥中易發(fā)＞0.50、0.50≥高易發(fā)＞0.75、0.75≥極高易發(fā)＞1.00進行等級劃分，分別得到評價區(qū)滑坡、崩塌的易發(fā)性分區(qū)結(jié)果（陳飛等，2018），見圖4-a、圖4-b。

評價區(qū)滑坡災害易發(fā)性和崩塌災害易發(fā)性具有相似性，部分地區(qū)易發(fā)性等級重合，滑坡、崩塌均分布在高、極高易發(fā)區(qū)內(nèi)，且極高易發(fā)區(qū)內(nèi)災害密度、災害面積密度均明顯高于高易發(fā)區(qū)，符合地質(zhì)災害易發(fā)性評價的基本原則，評價結(jié)果較為合理。

3.5 地質(zhì)災害綜合易發(fā)性評價結(jié)果

通過崩塌和滑坡地質(zhì)災害易發(fā)性的分析，分別得到評價區(qū)滑坡災害、崩塌災害易發(fā)性評價分區(qū)，但評價區(qū)所需地質(zhì)災害易發(fā)性評價分區(qū)，需要將二者進行疊加分析。為確保評價區(qū)域的合理性，分別判別各斜坡單元內(nèi)滑坡災害、崩塌災害易發(fā)性結(jié)果的高低，采取就高原則確定斜坡單元內(nèi)地質(zhì)災害綜合易發(fā)性，最終得到評價區(qū)綜合易發(fā)性評價分區(qū)圖（圖4-c）。

圖4 地質(zhì)災害易發(fā)性評價分區(qū)圖Fig.4 Zoning map of geological hazard susceptibility assessment

4 地質(zhì)災害危險性評價

4.1 確定評價模型

危險性評價是在易發(fā)性評價的基礎上，加上誘發(fā)因素，即人類工程活動和降雨?；驹砗鸵装l(fā)性評價一樣，評價模型見圖5。

圖5 地質(zhì)災害危險性評價模型圖Fig.5 Model map of Geological Hazard Risk Assessment

4.2 構造崩滑地質(zhì)災害危險性因素和子因素的判斷矩陣

通過分析區(qū)域崩滑地質(zhì)災害誘發(fā)因素，列出各層的判斷矩陣，如表6、表7所示。

表6 評價區(qū)地質(zhì)災害危險性B層權重矩陣Tab.6 Evaluation area disaster risk B layer weight matrix

表7 評價區(qū)地質(zhì)災害誘發(fā)程度C層權重矩陣Tab.7 Evaluation Area disaster-induced degree C layer weight matrix

通過計算，得到判斷矩陣中同一層次相應因素對上一層次某元素相對重要性的排序權重，CR檢驗值均小于0.1，滿足一致性檢驗。B層指標權重與C層指標權重相乘，可得到如表8所示各評價因子的計算總權重值（魯?shù)梅降龋?013；曾龍，2013）。

表8 滑坡和崩塌危險性評價指標權重矩陣Tab.8 Weight Matrix of landslide and collapse risk assessment index

4.3 地質(zhì)災害危險性評價結(jié)果

根據(jù)上述評價指標量化結(jié)果和相應的權重值，基于ArcGIS軟件的空間分析功能，利用柵格計算器將人類工程活動分別與不同重現(xiàn)期降雨的區(qū)間賦值進行加權疊加及歸一化處理，得到不同降雨工況下的誘發(fā)性評價結(jié)果，再按照滑坡和崩塌災害的數(shù)量比進行疊加得到綜合誘發(fā)性?？紤]到地質(zhì)災害孕災因子比誘發(fā)因子更重要，這里將誘發(fā)性結(jié)果和易發(fā)性評價結(jié)果按照1∶2進行疊加，將結(jié)果按照0≥低危險＞0.25、0.25≥中危險＞0.50、0.50≥高危險＞0.75、0.75≥極高危險＞1.00進行劃分，得到不同降雨工況下斜坡單元的危險性分區(qū)圖。見圖6。

從圖6可以看出，隨著降雨量的增加，高危險區(qū)和極高危險區(qū)的斜坡單元數(shù)量逐漸增加，面積逐漸增大。且隨著降雨量的增加，高危險、極高危險區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)育的數(shù)量逐漸增多，與實際相符。

圖6 不同降雨工況下危險性分區(qū)圖Fig.6 Hazard zonation under different rainfall conditions

5 地質(zhì)災害易損性評價

易損性是災害影響范圍內(nèi)一個或多個承災體遭受損失的難易程度。承災體包括一個地區(qū)內(nèi)潛在受地質(zhì)災害影響的人口、建筑物、工程設施、經(jīng)濟活動和土地利用類型等，可分為社會承災體和經(jīng)濟承災體2類。社會承災體主要考慮受災人員，易損性表達為人員在地質(zhì)災害影響范圍內(nèi)傷亡的概率。對于建筑物、各類設施及土地利用類型等經(jīng)濟類承災體，易損性表征其結(jié)構受損的可能性或價值損失的程度。

5.1 人口易損性評價

人口易損性應考慮人口年齡、文化程度和地方防治力度等因素。根據(jù)評價區(qū)內(nèi)各斜坡單元內(nèi)人口年齡結(jié)構、文化程度和地方防治力度情況，構建評價區(qū)人口易損性計算公式（張桂榮等，2007）：

式中：Vpi為人口易損性值，Vpi=0～1；Wa為人口年齡評價因素的權重，本次評價工作Wa的值取0.3；Ca為人口年齡系數(shù)，Ca=0～1，0表示評價區(qū)人口全部為青壯年人，1表示全部為老年人和少年兒童；Wq為文化程度評價因素的權重，本次評價工作Wq的值取0.3；Cq為文化程度系數(shù)，Cq=0～1，0表示評價區(qū)人口均接受了初中及以上教育，1表示評價區(qū)人口受教育程度非常低，尚無接受初中及以上的教育人員；Wg為地方防治力度評價因素的權重，本次評價工作Wg值為0.4；Cg為地方防治力度系數(shù)，取值0～1，0表示地方防治力度極高，1表示無地質(zhì)災害防治力度。

將評價區(qū)斜坡單元內(nèi)人口年齡結(jié)構、文化程度和地方防治力度情況代入公式（1）進行計算，得到評價區(qū)內(nèi)斜坡單元人口易損性值，按照0≥低易損＞0.1、0.1≥中易損＞0.4、0.4≥高易損＞0.7、0.7≥極高易損＞1.0的進行等級劃分，得到評價區(qū)人口易損性分區(qū)圖（圖7）。

圖7 人口易損性分區(qū)圖Fig.7 Population vulnerability zoning

5.2 經(jīng)濟易損性評價

經(jīng)濟易損性包括單項經(jīng)濟易損性和綜合經(jīng)濟易損性，單項經(jīng)濟易損性是指各單項經(jīng)濟類承災體的易損性，各單項經(jīng)濟類型的易損性值可在地質(zhì)災害危險性評價分區(qū)的基礎上，根據(jù)遙感解譯和地面調(diào)查與研究的結(jié)果確定。

綜合經(jīng)濟易損性是各單項經(jīng)濟易損性的疊加，通過對易損性指數(shù)計算結(jié)果的分析，結(jié)合全區(qū)易損程度分布情況，確定易損程度分區(qū)界限值，劃分4個不同等級的區(qū)域，形成以斜坡為單元的易損性評價分區(qū)結(jié)果。

評價區(qū)的單項承災體經(jīng)濟易損性評價采用參照表打分法。結(jié)合評價區(qū)內(nèi)承災體屬性特點，綜合評價區(qū)危險性等級，構建評價區(qū)經(jīng)濟易損性賦值表（表9）。

表9 經(jīng)濟易損性賦值表Tab.9 Economic vulnerability evaluation table

評價區(qū)綜合易損性評價方法采用公式（2）進行評價計算，

式中：Ve為單元綜合易損性值；S為單元面積；Vij為第i類承災體遭受j類危害的損失程度，即分項易損性；Sij為第i類承災體遭受j類危害的平面分布面積；Pij為第i類承災體遭受j類危害的損失程度概率；m為單元數(shù)量（廖祥東等，2020）。

通過評價區(qū)斜坡單元危險性等級判別斜坡單元內(nèi)房屋建筑、土地資源以及道路的單項易損性，將結(jié)果帶入公式（2）進行計算，按0≥低易損＞0.1、0.1≥中易損＞0.4、0.4≥高易損＞0.7、0.7≥極高易損＞1.0進行等級劃分，得到評價區(qū)經(jīng)濟綜合易損性分布圖（圖8）。

圖8 經(jīng)濟承災體綜合易損性分區(qū)圖Fig.8 Comprehensive vulnerability zoning map of economic disaster-bearing bodies

6 地質(zhì)災害風險評價

6.1 風險評價方法

根據(jù)地質(zhì)災害危險性評價和易損性評價結(jié)果，采用定量的方法進行風險評價。定量的方法是基于得到的承災體價值、危險性、易損性等參數(shù)，利用地質(zhì)災害風險評估計算公式得到斜坡風險總值，具體公式如下（王小麗，2013）：

式中，P（L）為斜坡危險性概率，V（prop：S）為承災體易損性，N（people）為威脅人口，E為承災體價值，Rp為人口風險，Re為經(jīng)濟風險，R為總風險。斜坡危險性概率包含斜坡內(nèi)地質(zhì)災害危險性失穩(wěn)概率和地質(zhì)災害發(fā)生與承災體相遇的空間概率。地質(zhì)災害危險性失穩(wěn)概率即為斜坡單元危險性值歸一化結(jié)果；地質(zhì)災害發(fā)生與承災體相遇的空間概率即為評價區(qū)內(nèi)已發(fā)生的地質(zhì)災害總面積與評價區(qū)斜坡單元面積的比值。

6.2 人口風險性評價

通過人口風險計算公式（3），使用ArcGIS軟件將不同降雨工況下的斜坡危險性、人口易損性和人口數(shù)量相乘，得到不同降雨工況下的斜坡人口風險值，再將每塊斜坡單元上人口風險值相加得到斜坡單元人口風險總值，按0≥低易損＞0.1、0.1≥中易損＞2.0、2.0≥高易損＞10、以及極高易損＞10進行風險等級劃分，最終得到不同降雨工況下的人口風險分區(qū)圖（圖9）。

圖9 不同降雨工況下人口風險性分區(qū)圖Fig.9 Zoning of population risk under different rainfall conditions

6.3 經(jīng)濟風險性評價

通過經(jīng)濟風險計算公式（4），將不同降雨工況下的斜坡危險性、經(jīng)濟易損性和承災體價值進行相乘計算，得到經(jīng)濟風險值，然后通過將每塊斜坡單元上經(jīng)濟風險值相加得到斜坡單元經(jīng)濟風險總值，并將經(jīng)濟風險總值按0～1萬元、1～20萬元、20～100萬元、≥100萬元進行風險等級劃分，最終得到不同降雨工況下的經(jīng)濟風險區(qū)劃圖（圖10）。

圖10 不同降雨工況下經(jīng)濟風險性分區(qū)圖Fig.10 Economic risk zonation under different rainfall conditions

6.4 綜合風險性評價

通過綜合風險判別公式（5），將斜坡單元內(nèi)人口風險性和經(jīng)濟風險性進行判別，采取就高的原則，最終得到不同降雨工況下地質(zhì)災害風險區(qū)劃圖（圖11）。

圖11 不同降雨工況下地質(zhì)災害風險區(qū)劃圖（續(xù)）Fig.11 Comprehensive risk zoning map under different rainfall industries and mines

通過地質(zhì)災害風險區(qū)劃結(jié)果可知，極高風險區(qū)呈條帶狀分布于中部區(qū)域，且隨著降雨工況的增加極高風險區(qū)面積逐漸增加，同時評價區(qū)南部極高風險區(qū)面積逐漸增加。高風險地區(qū)以城關鎮(zhèn)街道辦事處為中心，沿著羅田河及其支流兩側(cè)分布。這些地區(qū)人類工程活動較強，道路、建筑和人口等主要承災體類型沿羅田河及其支流走向相關性較強，由于這些地區(qū)人口較為密集，同時經(jīng)濟類承災體中高價值承災體密度大，也導致這些地區(qū)具有較高的經(jīng)濟價值，加上城關鎮(zhèn)土地資源較為緊張，房屋建筑、道路、公共設施等典型人類工程活動主要在坡腳處進行，對自然斜坡的穩(wěn)定性和原生植被覆蓋程度造成了極大的破壞。反觀遠離河流兩側(cè)的斜坡單元，部分斜坡單元即使具備了典型孕災條件和較強的人類工程活動，但由于人口、經(jīng)濟類承災體分布較少，導致這些地區(qū)綜合風險相對較低。

7 結(jié)論

1）利用ArcGIS軟件對工作區(qū)進行斜坡單元劃分，并結(jié)合現(xiàn)場實地調(diào)查結(jié)果，考慮承災體的分布，對有承災對象的區(qū)域進行手動調(diào)整，最終將評價區(qū)劃分為208塊斜坡單元域。

2）采用層次分析法選取7個評價因子對工作區(qū)分崩塌和滑坡2類災種進行易發(fā)性評價，最后采取就高原則將2類災種進行疊加，得到工作區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性評價分區(qū)結(jié)果。

3）在易發(fā)性評價基礎上，通過疊加人類工程活動和降雨得到不同工況下危險性評價分區(qū)圖。結(jié)果表明隨著降雨量的增加，高危險區(qū)和極高危險區(qū)的斜坡單元數(shù)量逐漸增加，且隨著降雨量的增加，高危險、極高危險區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)育的數(shù)量逐漸增多，與實際相符。

4）通過選取人口年齡、文化程度、地方防治力度和建筑物、各類設施及土地類型等承災體對工作區(qū)進行人口和經(jīng)濟易損性評價，并在此基礎上疊加危險性，最終得到工作區(qū)綜合風險分區(qū)。通過分析風險區(qū)劃結(jié)果可知，極高風險區(qū)分布于土門坳村、橋南村、六十石村和豐衣坳村等人類工程活動強的區(qū)域，且隨著降雨工況的增加極高風險區(qū)面積逐漸增加，威脅對象及威脅資產(chǎn)也逐漸增加。