基于GIS的龍羊峽水電站庫區(qū)滑坡易發(fā)性評價

李 建 王文彪

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450000）

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是指災(zāi)害體在多種致災(zāi)因子作用下發(fā)生的可能性大小［1］，國外相關(guān)研究起步較早：Guptar等［2］在拉姆根加河流域內(nèi)進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，Gomez等［3］采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展委內(nèi)瑞拉賈博諾薩河盆地內(nèi)的滑坡易發(fā)性評價。國內(nèi)相關(guān)研究起步稍晚：王小東等［4］選取高程、坡度、坡向、距斷層距離、巖層傾向與坡向的關(guān)系和距水系距離等6個評價因子運用層次分析法對白龍江引水工程水源區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進行易發(fā)性評價。焦偉之等［5］選取坡高、坡向、坡度、工程巖組、構(gòu)造、河流、道路等7個評價因子建立了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標。溫鑫等［6］選取了高程、坡度、巖性、斜坡結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、距斷層距離、距道路距離等7個因子采用信息量模型對川東南古藺縣進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價。李萍等［7］從地質(zhì)環(huán)境、地理環(huán)境、人類工程活動3個因素出發(fā)，選取了研究區(qū)災(zāi)害密切相關(guān)的14個因子構(gòu)建了永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型，并采用層次分析法計算了各個因子的權(quán)重后對永德縣地質(zhì)災(zāi)害進行了易發(fā)性評價。

本研究以龍羊峽水庫為研究區(qū)，基于前人的研究成果、現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果及遙感解譯成果，綜合分析了研究區(qū)的滑坡發(fā)育特征，運用GIS和層次分析法，選取地層巖性、高程、坡度、坡向、植被覆蓋度、降雨、水位漲幅等7個評價因子對研究區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害進行了易發(fā)性評價。為研究區(qū)滑坡的預(yù)測預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)等提供重要參考價值。

1 研究區(qū)概況

龍羊峽水電站位于青海省共和縣與貴南縣交界處龍羊峽峽谷進口下游約1.5 km處，水庫正常蓄水位2 600 m，庫容約247億m3，為黃河上游第一梯級電站，也是最大的高原水庫［8］。研究區(qū)位于青海省共和盆地東部邊緣，是我國青藏高原東北部一個新生代斷陷盆地，盆地內(nèi)部則為近水平產(chǎn)狀的挽近沉積層，構(gòu)造簡單。研究區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系河湖相松散堆積物，主要是由灰、黃、紅色黏土、砂壤土、壤土、砂土組成，厚度達500～600 m（未見底）。研究區(qū)屬于半干旱性氣候，以干寒風、冰凍期長、氣溫變幅大、降雨量少、蒸發(fā)量大為特點，年平均降雨量271 mm，年平均蒸發(fā)量2 030 mm。地下水主要依靠大氣降雨和融雪滲入補給，向黃河及支溝排泄。據(jù)蘭州地震大隊資料，自1900年有地震記載以來，盆地及鄰近地區(qū)未發(fā)生過強震［9］。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究中的基本數(shù)據(jù)（降雨、植被覆蓋度）通過中國科學院資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心直接獲取；地層巖性根據(jù)1∶10萬地質(zhì)圖提取；地形坡度、坡向指標通過研究區(qū)域內(nèi)的DEM高程數(shù)據(jù)（空間分辨率為30 m），水位漲幅數(shù)據(jù)來源于黃河水利委員會實時監(jiān)測的水位數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

層次分析法在1971年由Saaty提出，是一種多層次權(quán)重的決策分析方法。該方法將實際問題按邏輯性分解為多層次，并比較不同層次中各因素之間的關(guān)聯(lián)程度，最終求得最底層（指標層）相對于最高層（目標層）的權(quán)重。運用層次分析法分析建模時，一般分為以下幾個步驟：①建立層次結(jié)構(gòu)模型；②構(gòu)造判斷矩陣；③計算因子權(quán)重并作一致性檢驗［10］。

3 評價指標體系的構(gòu)建

3.1 評價因子的選取

滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往受多個因素的影響，可大致歸為兩大類，內(nèi)部因素和誘發(fā)因素，選擇評價因子要具有代表性、全面且利于表達。研究區(qū)呈串珠狀分布的斷陷盆地與環(huán)抱山地地形的組合，此段河床變窄，沖刷、下切強，溝谷縱橫，切割密度大，由于新構(gòu)造運動的差異性，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)河谷呈極不對稱的形態(tài)，北岸抬升高于南岸，這使北岸形成緩坡階地，南岸形成高陡邊坡；地層巖性主要以第三系和第四系的湖湘地層為主，這套地層具有似巖非巖，似土非土的半成巖特征，強度低［11］。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究區(qū)內(nèi)的植被生長情況不同，北岸較南岸覆蓋程度高；且自龍羊峽水庫投入運營后，庫水位呈周期性漲幅。因此，基于研究區(qū)特殊地質(zhì)環(huán)境條件，選取了高程、坡向、坡度、地層巖性、降雨、植被覆蓋度、水位漲幅，共7個致災(zāi)因子構(gòu)建滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價指標體系。

通過各評價因子之間進行兩兩對比，構(gòu)造了判斷矩陣算得因子權(quán)重并做了一致性檢驗，見表1；若CR＜0.1則一致性較好。并結(jié)合眾多學者對評價因子的量化分級方法，對研究區(qū)7個評價因子進行量化分級，各因子的所占的權(quán)重與分級標準見表2。

表1 構(gòu)造判斷矩陣

表2 因子的權(quán)重及分級

3.2 評價指標的分析

3.2.1 高程。不同高程范圍斜坡的臨空條件不同、河流切割程度不同及人類活動強度的不同，這些因素導(dǎo)致滑坡災(zāi)害在某一高程內(nèi)集中發(fā)育，如圖1所示。從30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)中提取高程數(shù)據(jù)，高程范圍為2 456～3 594 m，龍羊峽水庫近壩岸地質(zhì)災(zāi)害主要分布在高程帶為2 600 m～2 800 m的區(qū)域內(nèi)，因為該高程帶受庫水位周期性波動影響大，其他依次遞減。

圖1 高程分布

3.2.2 坡度。坡度是滑坡災(zāi)害的重要影響因素。坡度可以反映坡體否具備臨空面，坡度越大，斜坡穩(wěn)定性越低，另一方面，坡度可以影響地表水徑流、地下水的排泄補給等，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此坡度大于40°時被定位4級，其他隨著坡度降低依次遞減。采用30 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)提取坡度數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 坡度分布

3.2.3 坡向。坡向是指斜坡的朝向，由于太陽的輻射導(dǎo)致不同朝向坡體，其承受太陽光照強度不同，導(dǎo)致巖土體的物理力學性質(zhì)不同，以及坡體內(nèi)的地下水分布情況也不一樣，日照時間短，巖土體風化程度低，邊坡穩(wěn)定性越強。由于研究區(qū)位于北半球，南向坡為陽坡，日照時間長、太陽輻射強、晝夜溫差大、風化程度高，因此坡向為67.5°~202.5°被定義為4級，其他依次遞減。基于30 m的DEM提取坡向因子，并劃分為337.5°~22.5°、22.5°~67.5°、67.5°~112.5°、112.5°~157.5°、157.5°~202.5°、202.5°~247.5°、247.5°~292.5°、292.5°~337.5°八個坡向，如圖3所示。

圖3 坡向分布

3.2.4 地層巖性。地層巖性是滑坡災(zāi)害發(fā)育的重要影響因素。不同的巖性其巖石風化殘積物的強度和滲透性不同，一般來說，巖性軟弱，結(jié)構(gòu)不完整，裂隙極度發(fā)育時，斜坡穩(wěn)定性較低，容易發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。結(jié)合現(xiàn)場實際調(diào)查情況并根據(jù)1∶10萬地質(zhì)圖提取出研究區(qū)地層巖性特征，如圖4所示。由于半成巖似巖非巖的特性，強度較低，因此被定為4級；花崗巖強度最高被定為1級；碎屑巖、泥質(zhì)巖被定為3級；火山巖、火山碎屑巖被定為2級。

圖4 地層巖性分布

3.2.5 降雨。降雨是滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的誘發(fā)因素，當發(fā)生強降雨時，雨水入滲到巖土體內(nèi)使其軟化，導(dǎo)致其強度變低，誘發(fā)滑坡災(zāi)害的發(fā)生。通過收集氣象資料并根據(jù)氣象站站點插值得到了研究區(qū)的降雨圖，如圖5所示。以年平均降雨量作為指標，定性地描述降雨對滑坡災(zāi)害發(fā)生的影響，降雨量越大，越易發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害，因此把年平均降雨量超過340 mm定位4級，其他依次減小。

圖5 降雨分布

3.2.6 植被覆蓋度。植被的發(fā)育對滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生有著重要的影響因素，往往植被發(fā)育的地方，不易發(fā)生滑坡，植被指標通過植被覆蓋度來量化，由于植物葉面能吸收可見光紅外波段而反射近紅外波段，因此可以基于兩個波段值的不同組合得到不同的植被指數(shù)，植被覆蓋度越低越易發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害，因此把低覆蓋度定義為4級，其他依次遞減。選取標準化差植被指數(shù)NDVI作為分析指標，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 植被覆蓋度

3.2.7 水位漲幅。據(jù)（黃河水利委員會）實時監(jiān)測得水庫水位信息，水庫正常運行后庫水位呈周期性波動，每年1月—6月庫水位由2 600 m下降至2 590 m，6月—1月由2 590 m上升至2 600 m。根據(jù)水庫的水位變化，每年庫水位漲幅約10 m，其中，越靠近水庫水壩水位漲幅的幅度越大，因此被定義為4級，并依次向后遞減，如圖7所示。

圖7 水位漲幅

4 易發(fā)性評價結(jié)果及分析

基于ArcGIS平臺，使用自然斷點法，得出龍羊峽水電站庫區(qū)滑坡進行易發(fā)性分區(qū)圖，分為極低易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)性和高易發(fā)性四個區(qū)，如圖8所示。從圖中可以得知，研究區(qū)高易發(fā)區(qū)面積有420.23 km2，占總面積的15.7%，中易發(fā)性區(qū)共有848.97 km2，占總面積的31.8%。低易發(fā)性區(qū)共有1 183 km2，占總面積的44.3%，極低易發(fā)性區(qū)共有214.91 km2，占總面積的8.2%。通過現(xiàn)場調(diào)查及遙感解譯研究區(qū)滑坡基本信息與所屬分區(qū)如表3所示，滑坡基本處于中高易發(fā)性分區(qū)中，這與易發(fā)性評價結(jié)果相吻合。

圖8 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)

表3 滑坡基本信息

5 結(jié)論

①構(gòu)建了龍羊峽水電站庫區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標體系，并依據(jù)研究區(qū)滑坡災(zāi)害特征，選取了高程、坡度、坡向、地層巖性、降雨、植被覆蓋度、水位漲幅7個因子作為滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價的指標。

②基于ArcGIS平臺得出易發(fā)性分區(qū)圖，結(jié)果表明：高易發(fā)區(qū)占總面積的15.7%，中易發(fā)區(qū)占總面積的31.8%，低易發(fā)區(qū)占總面積的44.3%，極低易發(fā)區(qū)占總面積的8.2%。

③高易發(fā)區(qū)主要位于龍羊峽水庫近壩岸右岸處；中易發(fā)性主要集中龍羊峽水庫右岸的中上游處；低易發(fā)區(qū)主要分布在龍羊峽水庫上游左岸處；極低易發(fā)區(qū)主要分布在龍羊峽庫尾距水系較遠處。