基于斜坡單元鄂西山區典型集鎮地質災害風險評價

李彧磊, 熊啟華*, 龍婧, 王芮瓊, 陳標典, 曾嘉

(1.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室(湖北省地質局), 武漢 430000; 2.湖北省地質環境總站, 武漢 430000)

湖北地處華中腹地,是中國地質災害多發易發頻發的省份,鄂西中低山區是全國地質災害重點防治區。恩施州巴東縣野三關鎮是湖北省小城鎮綜合改革試點鎮,是湖北大西南的陸路咽喉。近幾年,野三關鎮工程建設發展加快,特別是人類工程活動對山體斜坡開挖,破壞了坡體結構,誘發了滑坡、崩塌等災害,造成人民生命財產損失。

地質災害風險調查評價是地質災害綜合防治的重要手段[1]。20世紀80年代,國外學者提出了一些滑坡危險性評價的定量化研究方法,但缺乏標準化的理論框架和技術路線。90年代以來,一些國家和地區的學術機構相繼出版了與滑坡風險相關的法規條例和技術指南。其中,滑坡和工程邊坡聯合技術委員會(JCT-1)對滑坡災害各層次工作理論方法和流程進行了詳細規范化的表述,強調不同尺度評價的精度要求[2-6]。中國地質災害風險評價起步相對較晚,大多開展小比例尺地質災害風險評價。文獻[7-10]論述了地質災害的風險調查評價的內容和方法、評價體系、評價過程,為評價理論方法和技術流程奠定了基礎。李春燕等[11]基于概率統計法論述了易損性量化評價方法及其分級標準,實現了縣域單元地質災害風險定性評估。王芳等[12]以三峽庫區萬州區為例進行不同日降雨工況下滑坡危險性分析。張茂省等[13]提出了一套山區地質災害調查與風險評價的思路和技術方法。李冠宇等[14]以韓城市為例,采用聚類分析方法進行了地質災害風險性評價,評價結果與實際情況相符。陳敏慧等[15]采用信息量法和確定系數法對茂縣地質災害易發性進行評價,評價準確度較好。趙陽等[16]以麗水地區為研究對象,基于最低合理可行原則,分別建立了生命和財產可接受準則模型,研究結果為風險評估和管理提供了參考。

然而,由于精度限制,小比例尺風險調查評價結果可能出現部分風險區偏大或風險區內存在地形平緩這種不易發災害的情況,不能滿足新形勢城鎮地質災害風險管控的需求。因此,以斜坡為單元開展鄂西山區集鎮大比例尺風險評價工作是目前亟待解決的問題?，F以湖北省恩施州巴東縣野三關集鎮為研究區,在前期大比例尺(1∶10 000～1∶2 000)地質災害調(勘)查基礎上,以斜坡為風險評價單元,利用地理信息系統(geographic information system, GIS)技術分別從易發性、危險性、易損性和風險性建立了地質災害風險評價體系,為推進鄂西山區集鎮精細化“隱患點+風險區雙控”體系建設提供了理論依據和實際指導。

1 研究區地質環境背景

野三關鎮處于鄂西暴雨中心區域,具有降雨連續集中和年際變化大等特點。研究區屬于構造剝蝕低中山地貌區,海拔高程700～1 391 m,地形起伏較大,相對高差150～350 m,溝谷發育,切割深度大,多呈V形,兩岸多為陡坡或懸崖峭壁,山頂多呈圓錐狀,如圖1所示。

圖1 研究區地勢圖Fig.1 Elevation map of the study area

區內屬于揚子地層區上揚子地層分區,處于揚子陸塊古生代-中生代盆地碳酸鹽巖與碎屑巖沉積區,志留系至三疊系和第四系地層均有出露。區內褶皺、斷裂構造較發育,褶皺主要以北北東向為主,近東西向為輔;斷裂主要為近東西向和北東-北北東向兩組。巖土體工程地質類型可劃分為層狀碎屑巖工程地質巖類、層狀碳酸鹽巖工程地質巖類和松散土體工程地質巖類3種工程地質巖類。

2 研究區地質災害孕災條件分析

研究區內地質災害及隱患主要為滑坡、崩塌,共發育14處,其中滑坡10處、崩塌4處,以小型為主?；乱匀浠?牽引式、蠕滑-推移式變形模式為主,而崩塌以滑移式、傾倒式變形模式為主,如表1所示。地質災害空間上沿公路呈線形集中分布,時間上一般集中發生在5—8月。

2.1 孕災地質環境背景分析

區內為中低山地貌,斜坡多為陡坡地形,一般坡度在25°～30°,漁泉河沿線為切割較深的溝谷地帶,為災害形成提供了良好的臨空基礎,如圖2所示。

表1 研究區地質災害基本特征統計表Table 1 Statistical table of basic characteristics of geohazards in the study area

圖2 溝谷地帶地質災害分布圖Fig.2 Distribution map of geohazards in the valley area

區內易滑地層主要是志留系下統羅惹坪組、二疊系上統龍潭組、孤峰組、三疊系下統大冶組第一段,巖性為軟硬相間的泥砂巖、硅質巖夾頁巖,該類巖組中巖質滑坡(HP1-004、HP1-009)發育數量最多;而土質滑坡和斜坡坍滑變形更易發生于母巖為軟巖的殘坡積或崩坡積物中,如柳家山社區3組滑坡(HP1-003)、猴子包滑坡(HP1-007)變形區滑床巖性為泥砂巖,如圖3所示。區內易崩地層主要是集中于二疊系中統茅口組、二疊系上統下窯組、三疊系下統大冶組第二段,巖性為灰巖、灰巖局部夾泥巖,厚層狀構造,巖石致密堅硬,巖溶發育但不均一,與下覆巖層的差異風化作用下,常形成陡崖(BT1-002等),在地貌上多形成陡坡或陡壁。

圖3 區內地質災害工程地質巖組分布圖Fig.3 Relationship between geohazard and engineering geological unit in the study area

研究區褶皺和斷層較為發育,在向背斜構造核部張性裂隙發育;斷層以北東向較為發育。以上構造使巖體破碎、完整性較差(HP1-006等),降低了巖體力學性質,為崩塌、滑坡發育提供了物質來源。

區內巖質滑坡(HP1-002等)大多發生在順向坡,占比80%,巖層面往往成為斜坡巖體滑動的優勢結構面,在外力作用下容易發生失穩;崩塌(危巖體)則主要發育在逆向坡結構中,占比50%。

依據調查統計,區內地質災害發育與植被覆蓋相關性不明顯,故在易發性評價中植被因子權重偏低。

2.2 地質災害影響因素分析

受降雨影響,研究區內滑坡災害具群發性和季節性的特征,其中80%的滑坡發生在雨季,以5—8月份為主,如圖4所示。降雨對斜坡起加載作用,雨水滲入,弱化巖體,軟化軟弱結構面,改變斜坡力學性能,對斜坡穩定性造成影響。

圖4 研究區受降雨誘發的滑坡(HP1-001)Fig.4 Rainfall-triggered landslide in the study area

人類工程活動也是區內地質災害形成的重要影響因素,其中有57%的地質災害是由人類工程切坡所誘發。研究區屬中低山地貌單元,修路切坡形成大量的高陡邊坡,有些路段地層與坡向一致形成順向臨空面,容易誘發崩塌、滑坡等地質災害。

3 山區集鎮地質災害風險評價

3.1 斜坡單元劃分

在山區地質災害風險管控工作需要基于斜坡開展,以斜坡單元進行評價能提高成果的實用性。以“集水區重疊法”為劃分方法[17],利用正反DEM(digital elevation model)分別提取集水區的山脊線與匯水區山谷線,再融合,最后依據山體陰影、遙感影像等地形因素和地層巖性因素進行人工校正,以得到更符合實際的斜坡單元。具體流程如圖5所示。

圖5 斜坡單元劃分流程圖Fig.5 Flow chart of slope unit division

按照上述方法及流程,將研究區共劃分出329個斜坡單元(圖6),地質災害易發性、危險性、易損性和風險性評價均以斜坡單元進行。

圖6 斜坡單元劃分結果圖Fig.6 Map of slope unit division

3.2 評價方法

3.2.1 易發性評價方法

易發性評價是風險評價的第一步,是在孕災地質環境背景下地質災害發育的空間概率的度量。本文使用層次分析法[18-19]以斜坡為單元分災種進行易發性評價。首先分別將滑坡、崩塌易發性評價分解為目標層、準則層、指標層,結合孕災地質環境條件分析分別構建滑坡、崩塌兩種地質災害判斷矩陣。通過矩陣計算,進行層次總排序及其一致性檢驗,再將B層權重和C層權重相乘疊加最終得到滑坡、崩塌易發性評價指標的權重值。然后基于各評價指標與地質災害的關系,將其以斜坡為單元進行賦值、重分類。最后,加權計算得到斜坡單元地質災害易發性綜合指數。

3.2.2 危險性評價方法

斜坡地質災害危險性是對區域內滑坡等災害在特定時間內發生的概率的度量[17,20]。本文研究基于降雨頻率理論采用層次分析法進行危險性評價,即綜合考慮災害發生的時間概率和空間概率。時間概率采用不同重現期降雨量來表征;空間概率是考慮人類工程活動影響下斜坡地質災害發生的空間概率,即人類工程活動因素與地質災害易發性指數的疊加。

設a為尺度參數,u為分布密度參數,x為降雨樣本,y為臨界降雨值[17],計算降雨極值首先要對參數a、u進行估計,采用Gumbel法對參數進行估計,計算過程如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

某一重現期為T的極限降雨強度RT的計算公式為

(5)

式(5)中:RT為極限降雨強度,mm;T為重現期, a。

3.2.3 易損性評價方法

易損性是對承災體因災遭受損失難易程度的度量。根據承災體的特征,分為人口易損性和經濟易損性。人口易損性為人員因災的傷亡概率;經濟易損性為建筑物、交通等線形工程及土地類型等承災體結構受損的可能性[11,21]。本文研究中采用綜合指數法,首先分析統計各類承災體的分布特征,然后依據其受損難易程度進行無量綱化賦值,最后分別疊加計算斜坡單元人口、經濟易損性指數。

3.2.4 風險性評價方法

根據地質災害危險性評估和易損性評價結果,進行計算斜坡地質災害風險總值[22-23],其中,人口風險依據式(6)計算,經濟風險依據式(7)計算,總風險依據式(8)計算。

Rpeople=PLVprop:SNpeople

(6)

Rproperty=PLVprop:SE

(7)

R=max(Rpeople,Rpropery)

(8)

式中:PL為斜坡危險性;Vprop:S為易損性;Npeople為人口承災體密度;E為經濟承災體單位價值;Rpeople為人口風險;Rproperty為經濟風險;R為綜合風險。

3.3 地質災害易發性評價

3.3.1 評價指標建立

根據前文對區內孕災地質環境背景的分析,選取表征溝谷切割形態的地形地貌因子(斜坡坡度、斜坡高差、剖面曲率)、表征溝谷切割密度的地表水系因子(水系密度)、表征地質特征的因子(工程地質巖組、地質構造和斜坡結構)和表征植被發育的因子(植被覆蓋率)作為崩滑地質災害易發性評價指標。

3.3.2 評價模型和判斷矩陣構建

圖7 地質災害易發性評價模型Fig.7 Evaluation model of geohazard susceptibility

首先,根據4個影響因素對應的8個評價指標,構建崩滑災害易發性評價層次結構模型,如圖7所示。基于層次分析法理論,分別計算滑坡和崩塌兩類地質災害各評價因子的總權重值,如表2和表3所示。然后,基于各評價指標與地質災害的關系,將其進行重分類,得到各單因素分級圖,如圖8所示。

3.3.3 地質災害易發性分區

根據層次分析法權重計算結果,將8個評價因子進行加權疊加分析,分別得到滑坡、崩塌易發性指數,再對采用就高級別原則進行圖層空間疊加,將易發性(I)劃分為極高易發區(I>4.0)、高易發區(3.5

表2 滑坡易發性評價指標權重矩陣Table 2 Index weight matrix of landslide susceptibility assessment

表3 崩塌易發性評價指標權重矩陣Table 3 Index weight matrix of rockfall susceptibility assessment

3.4 地質災害危險性評價

3.4.1 評價指標建立

根據野三關鎮地質災害影響因素分析,選擇降雨和人類工程活動兩個誘發條件。

收集恩施巴東地區近30 a逐日降雨量,采用式(1)～式(5)計算在不同重現期的累計降雨閾值如表4所示。

人類工程活動主要考慮工程切坡對斜坡的影響,本文采用道路密度、房屋密度和管線密度來綜合表征工程切坡的強度。

表4 不同重現期降雨閾值Table 4 Rainfall thresholds for different return periods

3.4.2 評價模型構建

危險性評價模型是在易發性評價的基礎上,疊加降雨和人類工程活動因素,如圖10所示。目標層(A)為地質災害危險性評價;準則層(B)為危險性影響因素包括易發性評價(B1)、降雨(B2)和人類工程活動(B3);指標層(C)為道理密度、管線密度和房屋建筑密度評價指標。

3.4.3 評價模型判斷矩陣構建

基于層次分析法理論,分別計算滑坡和崩塌兩類地質災害危險性評價因子的總權重值,如表5所示。依據3個人類工程活動指標與地質災害分布的關系,進行賦值重分類,得到人類工程活動單因素分級圖,如圖11所示。

表5 滑坡和崩塌危險性評價指標權重矩陣Table 5 Index weight matrix of geohazard probability assessment

圖8 地質災害易發性評價單因子分級圖Fig.8 Distribution chart of assessment index on geohazard susceptibility

圖9 地質災害易發性分區圖Fig.9 Zoning map of geohazard susceptibility

圖10 地質災害危險性評價模型Fig.10 Evaluation model of geohazard probability

圖11 人類工程活動單因子分級圖Fig.11 Distribution chart of assessment index on human engineering activities

3.4.4 地質災害危險性分區

根據層次分析法權重計算結果,將道路密度、管道密度、房屋密度指標分別與不同降雨重現期(10年一遇降雨、20年一遇降雨、50年一遇降雨和100年一遇降雨)的區間賦值進行加權疊加,得到不同降雨工況下的誘發性評價指數,再按照滑坡和崩塌發育比例進行疊加得到綜合誘發性指數?？紤]到易發性的重要性大于誘發因素,本文將易發性評價指數和綜合誘發性指數以2∶1進行加權疊加,最終得到不同降雨工況下以斜坡為單元的地質災害危險性評價結果,如圖12所示。

圖12 不同重現期地質災害危險性分區圖Fig.12 Zoning map of geohazard probability in different return periods

統計計算得到不同降雨工況下危險性分區面積,隨著降雨量的增加,高危險區和極高危險區面積逐漸增加,當遇到50年一遇降雨時,極高危險區面積1.01 km2,占總面積的2.81%;高危險區面積14.92 km2,占總面積的41.47%;中危險區面積14.73 km2,占總面積的40.94%;低危險區面積5.32 km2,占總面積的14.78%。2020年7—9月汛期新發生的地質災害(滑坡HP1-002、滑坡HP1-003和滑坡HP1-004)均位于極高危險區和高危險區。

3.5 地質災害易損性評價

3.5.1 人口易損性評價

根據各行政村(社區)的人口數量統計,計算野三關集鎮以建筑面積為單元的人口密度。然后,根據野三關鎮人口分布和地質災害危險性等級進行人口易損性賦值(表6),得到人口易損性分布圖,如圖13所示。

表6 人口易損性賦值表Table 6 Assessment index of population vulnerability to geohazard

圖13 人口易損性分區圖(50年一遇降雨)Fig.13 Zoning map of population vulnerability to geohazard in 50-year return period

3.5.2 經濟易損性評價

根據野三關集鎮經濟承災體類型并綜合地質災害危險性等級進行經濟易損性賦值,如表7所示。對建筑物、土地資源、道路和管道等經濟承災體進行疊加得到經濟易損性分區圖,如圖14所示。

表7 經濟易損性賦值表Table 7 Assessment index of property vulnerability to geohazard

3.6 地質災害風險性評價

3.6.1 人口風險

通過式(6)計算得到不同降雨工況下的斜坡人口風險值,然后將斜坡單元上的每個人口風險值求和得到斜坡單元的人口風險總值,再將人口風險總值重分類為人口極高、高、中和低風險區,最終得到不同降雨工況下的人口風險區劃圖。

圖14 經濟易損分區圖(50年一遇降雨)Fig.14 Zoning map of property vulnerability to geohazard in 50-year return period

3.6.2 經濟風險

收集研究區承災體價值信息,通過式(7)計算得到經濟風險值,然后將斜坡單元上的每個經濟承災體風險值求和得到斜坡單元的經濟風險總值,再將經濟風險總值重分類為經濟極高、高、中和低風險區,最終得到不同降雨工況下的經濟風險區劃圖。

3.6.3 綜合風險

通過式(8),疊加得到不同降雨工況下地質災害綜合風險區劃,如圖15所示。

隨著降雨量的增加,高風險區和極高風險區的面積逐漸增加,當遇到50年一遇降雨時,極高風險區占研究區的6.09%,主要集中在G318國道壇子巖段和猴子包段斜坡、巴野公路棺木巖段斜坡、玉麟大道斜坡和火車站斜坡,該區有地質災害3處;高風險區占研究區的33.01%,主要分布在集鎮-火車站公路沿線斜坡、G318國道壇子巖-陰坡段斜坡、貓兒坪村斜坡、故縣坪-天生橋電站斜坡一帶,該區有地質災害6處;中風險區占研究區的40.23%,該區有地質災害4處;低風險區占研究區的20.67%,該區有地質災害1處。

3.7 地質災害風險管控建議

基于研究區地質災害風險調查評價結果,針對極高、高風險區的地質災害隱患點和有變形跡象的斜坡建議采取工程治理或專業監測措施,制定應急預案;針對中、低風險區的地質災害和斜坡建議建立長期警措施,以定期巡查為主專業監測為輔。

從研究區地質災害風險評價角度,結合集鎮土地規劃,對集鎮發展方向提出了建議,如圖16所示。

4 結論

以湖北省恩施州巴東縣野三關集鎮為研究對象,總結了區內地質災害孕災條件,建立了以斜坡為單元地質災害風險評價體系,分別進行了地質災害易發性、危險性、易損性和風險性評價,得出如下結論。

圖15 綜合風險分區圖Fig.15 Zoning map of geohazard risk in different return periods

圖16 集鎮發展方向建議圖Fig.16 Proposal map of development direction

(1)研究區內發育地質災害隱患點14處,其中滑坡10處和崩塌4處?；伦冃纹茐囊匀浠?牽引式、蠕滑-推移式為主;崩塌變形破壞以滑移式、傾倒式為主。地質災害空間上沿公路呈線線形集中分布,時間上一般集中發生在5—8月。

(2)研究區內孕災地質背景主要包括地形地貌、地層巖性、地質構造、斜坡結構等:切割較深的溝谷地帶(漁泉河沿線)為地質災害孕育提供了臨空基礎;斷裂帶和褶皺破壞巖石完整性為地質災害發育提供了物質來源;軟硬相間的砂泥巖及風化帶為地質災害易滑巖組;順向坡為主的斜坡結構類型為巖質滑坡發育提供了優勢結構面。大氣降雨和人類工程活動是地質災害的主要影響因素。

(3)運用層次分析法,以斜坡為單元構建了地質災害易發性評價模型。結果顯示,34.86%的區域為極高易發和高易發,呈帶狀分布于東北側G318國道沿線斜坡。綜合考慮人類工程活動和降雨誘發因素,基于不同降雨工況對研究區地質災害危險性進行分區,隨著降雨工況的增大,高危險區和極高危險區面積逐漸增加。

(4)根據研究區人口數據、建筑、道路和管道分布和土地利用現狀,分別進行人口和經濟易損性評價。再進一步結合危險性和易損性結果,進行不同重現期地質災害風險評價。結果表明,隨著降雨量的增加,高風險區和極高風險區的面積逐漸增加,主要分布于研究區東北片區。

(5)根據地質災害風險區劃結果,對研究區提出了地質災害風險防控建議和集鎮發展方向建議,為推進山區集鎮精細化“隱患點+風險區雙控”體系建設提供了理論依據和實際指導。