基于相關(guān)性分析法因子選取的信息量模型滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

陳君 于浩洋 張童康 王娜

（1 新疆地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第三地質(zhì)大隊(duì) 新疆庫爾勒 841000 2 中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局 陜西西安 710100）

0 引言

滑坡作為我國最常見的地質(zhì)災(zāi)害，也是對國民造成傷害最大的自然災(zāi)害之一［1-2］。由于河流及其各支流的長期侵蝕，新疆特克斯縣形成了河谷深切的復(fù)雜地形。特克斯縣海拔高差達(dá)4 075 m，境內(nèi)自然地質(zhì)背景環(huán)境特殊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，河谷強(qiáng)烈侵蝕切割，各種滑坡、崩塌等斜坡地質(zhì)災(zāi)害普遍發(fā)育［3］。尤其是近年來人類工程活動(dòng)加劇，滑坡災(zāi)害的發(fā)生越來越多，新疆特克斯縣人民的生命財(cái)產(chǎn)安全受到很大威脅。因此，進(jìn)行滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)工作，科學(xué)分析滑坡的易發(fā)性，對特克斯縣滑坡災(zāi)害的預(yù)防和減輕具有重要意義。

合理評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性十分重要，近年來許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究。2016 年，張俊等［4］依據(jù)各指標(biāo)條件下滑坡累計(jì)發(fā)生頻率曲線斜率的變化，分別運(yùn)用信息量模型和邏輯回歸模型建立各自的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)體系，對三峽庫區(qū)萬州區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。2017 年，戴嵐欣等［5］采用邏輯回歸模型，利用地震、地形和地質(zhì)3 大因素（8 個(gè)因子）對九寨溝地震引起的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了快速評(píng)價(jià)和分區(qū)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)校驗(yàn)證明該模型的準(zhǔn)確率達(dá)0.851，經(jīng)驗(yàn)證模型精度較高。2018 年，黃發(fā)明等［6］提出基于聚類分析和SVM 的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，所提出的SOM-SVM 模型用于三峽庫區(qū)萬州區(qū)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，并將得到的易發(fā)性結(jié)果與隨機(jī)選取非滑坡的單獨(dú)SVM 模型結(jié)果做對比。結(jié)果顯示SOM-SVM 模型具有比單獨(dú)SVM 模型更高的成功率和預(yù)測率。2020 年，張玘愷等［7］通過地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，采用信息量（I）、確定性系數(shù)（CF）、邏輯回歸（LR）、邏輯回歸–信息量（LR-I）和邏輯回歸–確定性系數(shù)（LR-CF）耦合模型的快速評(píng)估方法，對九寨溝縣范圍內(nèi)滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，并對5 種模型進(jìn)行比較研究。同年，林榮福等［8］基于參數(shù)優(yōu)化的隨機(jī)森林模型計(jì)算出客觀權(quán)重，將客觀權(quán)重賦予各評(píng)價(jià)因子，對各評(píng)價(jià)因子信息量加權(quán)疊加。最后基于自然間斷點(diǎn)法將得到的綜合信息量圖進(jìn)行滑坡易發(fā)性劃分。徐勝華［9］利用IOE 模型計(jì)算SVM 的調(diào)節(jié)因子，并通過PSO 算法迭代求解SVM 最優(yōu)解，根據(jù)SVM 二分類得到的隸屬度來區(qū)分滑坡災(zāi)害易發(fā)性。田乃滿等［10］以福建省南平市蔡源流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以四川省綿陽市北川縣為驗(yàn)證區(qū)，從預(yù)測精度、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)量敏感性3 個(gè)方面深入對比BP 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和CART 決策樹模型在滑坡易發(fā)性分析中的效果。2022 年，李信等［11］采用信息量模型和信息量-邏輯回歸模型對以海南島五指山市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。這些研究都只是停留在研究地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型上，卻忽視了對其評(píng)價(jià)因子的獨(dú)立性選取。本文首先基于ArcGIS 空間分析功能對初始因子的獨(dú)立性進(jìn)行分析，選取相對獨(dú)立的評(píng)價(jià)因子構(gòu)建信息量模型法，對新疆特克斯縣滑坡易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

特克斯縣行政區(qū)范圍歸屬伊犁哈薩克自治州管轄，地處天山北麓西部特克斯昭蘇盆地東端。地理坐標(biāo)：東經(jīng)81°19′00″～82°37′30″，北緯42°22′30″～43°25′30″。西接昭蘇縣，南鄰拜城縣，東南與和靜縣毗連，東面與東北面和鞏留縣接壤，西北是察布查爾錫伯族自治縣，東西寬109 km，南北長116 km，全縣總面積8 352 km2。特克斯縣城東距自治區(qū)首府烏魯木齊市827 km，北距伊寧市119 km，有省道S220 與伊寧市相連，與鞏留縣、昭蘇縣均有公路相通，特克斯縣境內(nèi)主要公路有：北部連接鞏留縣、西側(cè)連接昭蘇縣的省道S220，吾爾塔米斯村至托斯曼薩依縣道X770、S220 至齊勒烏澤克鎮(zhèn)縣道768、城區(qū)至喀拉托海鎮(zhèn)縣道765、縣城區(qū)至闊克鐵熱克鄉(xiāng)766 縣道、阿克塔木至喬拉克鐵熱克鎮(zhèn)767 縣道、另還有289 鄉(xiāng)道、288 鄉(xiāng)道、287 鄉(xiāng)道、272 鄉(xiāng)道、282 鄉(xiāng)道、276 鄉(xiāng)道、城162 鄉(xiāng)道等鄉(xiāng)村道路組成交通網(wǎng)絡(luò)，交通較為便利。

2 研究方法

對比各種常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法，發(fā)現(xiàn)信息量法是目前發(fā)展較為成熟的方法。因此，特克斯縣的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)采用信息量法進(jìn)行。信息量模型通過將研究區(qū)內(nèi)滑坡點(diǎn)和滑坡影響因子，根據(jù)各影響因子對滑坡的影響程度，對每個(gè)分區(qū)的信息量進(jìn)行計(jì)算［12］。信息量模型作為定量反演地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的一個(gè)重要模型，具有操作簡單、穩(wěn)定性高、結(jié)果精準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，在滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)中得到了廣泛運(yùn)用。通過把反映區(qū)域穩(wěn)定性因素的影響實(shí)測值換算成信息量值作為易發(fā)性區(qū)劃的量化指標(biāo)，對滑坡易發(fā)性程度進(jìn)行劃分，見式（1）。

式中：I 為評(píng)價(jià)單元總的信息量值，體現(xiàn)了單元破壞的可能性；n 為因子數(shù)；H 為地質(zhì)災(zāi)害數(shù)；S 為已知總單元數(shù)；N 為破壞的單元總數(shù)；Si為指標(biāo)xi 的單元個(gè)數(shù)；Ni為指標(biāo)xi的破壞單元數(shù)。

當(dāng)I 越大，越有利于發(fā)生變形破壞，表明地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率越大［13-14］。

2.1 評(píng)價(jià)單元

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的嚴(yán)重程度受諸多因素的影響，在局部區(qū)域表現(xiàn)出明顯的差異性和復(fù)雜性。因此，地災(zāi)易發(fā)性評(píng)價(jià)首先需要考慮的是確定評(píng)價(jià)單元。目前，國內(nèi)外的評(píng)價(jià)單元區(qū)劃方法包括規(guī)則柵格單元、子流域單元、自然斜坡或地貌單元、行政單元等。對比分析上述方法，結(jié)合特克斯縣的實(shí)際情況，對一般調(diào)查區(qū)的滑坡和崩塌地災(zāi)易發(fā)性評(píng)價(jià)，選取規(guī)則柵格單元作為評(píng)價(jià)單元。具體而言，用ArcGIS 軟件將全區(qū)進(jìn)行柵格化，柵格尺寸為25 m×25 m，全區(qū)共分為13 112 275 個(gè)柵格單元，如圖1 所示。

圖1 柵格單元

2.2 滑坡點(diǎn)的分布

在特克斯縣地質(zhì)災(zāi)害中，滑坡是區(qū)內(nèi)發(fā)育最多的，發(fā)育有167 處。主要發(fā)育于齊勒烏澤克鎮(zhèn)、喬拉克鐵熱克鎮(zhèn)、喀拉托海鎮(zhèn)、喀拉達(dá)拉鎮(zhèn)瓊庫什臺(tái)。齊勒烏澤鎮(zhèn)發(fā)育64 處滑坡，占滑坡總數(shù)的38.3%；喬拉克鐵熱克鎮(zhèn)39 處，占滑坡總數(shù)的23.4%；喀拉托海鎮(zhèn)和喀拉達(dá)拉鎮(zhèn)，均為19 處，各占滑坡總數(shù)11.4%。具體分布情況如圖2 所示。

圖2 滑坡點(diǎn)的分布

2.3 評(píng)價(jià)因子的選取

指標(biāo)體系的構(gòu)建是地災(zāi)易發(fā)性評(píng)價(jià)的重要步驟。對于滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，常用的指標(biāo)有6 個(gè)。

（1）地形：高程、坡度、溝壑密度、地勢起伏度等。

（2）地貌：地貌單元、微地貌形態(tài)、總體地勢等。

（3）地層巖性：巖性特征、巖層厚度、巖石成因類型等。

（4）地質(zhì)構(gòu)造：斷層、褶皺、節(jié)理裂隙等。

（5）地震：烈度、動(dòng)峰值加速度、歷史地震活動(dòng)情況等。

（6）工程地質(zhì)：區(qū)域地殼穩(wěn)定性，基巖埋深，主要持力層巖性、承載力、巖土體工程地質(zhì)分區(qū)等。

顯然，由于某些因素包含的參數(shù)很難取得，不可能包含所有的地質(zhì)環(huán)境因素評(píng)價(jià)滑坡易發(fā)性。因此，基于特克斯縣收集到的資料，選擇高程、坡度、坡向、工程地質(zhì)巖組、距水系距離、距斷層距離和距道路距離7 個(gè)影響因子作為評(píng)價(jià)因子。由于這些評(píng)價(jià)因子并非絕對相互獨(dú)立，彼此之間存在一定的相關(guān)性。如果不經(jīng)過處理，各評(píng)價(jià)因子之間的影響可能會(huì)疊加權(quán)重，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果錯(cuò)誤或者不準(zhǔn)確。為了保證評(píng)價(jià)因子的相互獨(dú)立性，對上述評(píng)價(jià)因子進(jìn)行二次篩選。具體來說，采用ArcGIS 空間分析工具對上述7 個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算相關(guān)性系數(shù)（如表1），衡量各評(píng)價(jià)因子的相關(guān)程度。R 的取值范圍為［-1，1］，約接近1，表示兩兩指標(biāo)的相關(guān)性越高。

表1 |R|表征相關(guān)程度表

表2 給出了各評(píng)價(jià)因子的相關(guān)性系數(shù)矩陣。可見，高程、距道路距離和坡度之間具有較高的相關(guān)性。其中，高程與距道路距離相關(guān)性最高，可刪除距道路距離這一評(píng)價(jià)因子。

表2 初步選取評(píng)價(jià)因子相關(guān)性矩陣

2.4 評(píng)價(jià)因子信息量計(jì)算

統(tǒng)計(jì)滑坡地災(zāi)點(diǎn)的數(shù)量，根據(jù)信息量方法，計(jì)算獲得滑坡各評(píng)價(jià)因子的信息量，如表3 所示。可見，信息量中最大的評(píng)價(jià)因子分級(jí)是工程巖組中的層狀軟弱-較軟弱且以泥巖為主的碎屑巖巖組。最小的信息量評(píng)價(jià)因子分級(jí)是工程巖組中的塊狀、層狀較堅(jiān)硬-較軟弱以砂巖為主碎屑巖巖組。

表3 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)因子信息量值

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

應(yīng)用ArcGIS 軟件計(jì)算每個(gè)柵格圖層的信息量，獲得滑坡易發(fā)性指數(shù)。全區(qū)的滑坡易發(fā)性指數(shù)在-8.76 到5.90 之間。根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》，易發(fā)性可分為“非易發(fā)區(qū)”“低易發(fā)區(qū)”“中易發(fā)區(qū)”和“高易發(fā)區(qū)”。其中，“非易發(fā)區(qū)”一般情況下默認(rèn)為不會(huì)發(fā)生地災(zāi)的區(qū)域。

基于滑坡易發(fā)性指數(shù)，按“低易發(fā)區(qū)”（-8.76～＜0）、“中易發(fā)區(qū)”（0～＜3）和“高易發(fā)區(qū)”（3～5.9）的標(biāo)準(zhǔn)劃分，利用自然間斷法對特克斯縣的滑坡易發(fā)性進(jìn)行分區(qū)，如圖3 所示。可見，全區(qū)滑坡高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)主要分布于特克斯縣中部和西北部地區(qū)。其中，齊勒烏澤克鄉(xiāng)的高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)占比最高。

圖3 特克斯縣滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 給出了滑坡易發(fā)性的分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。可見，特克斯縣的滑坡高易發(fā)區(qū)面積為330 km2，占比為3.9%；中易發(fā)區(qū)面積為1 257 km2，占比為15%；低易發(fā)區(qū)面積為6 648 km2，占比為79.7%；非易發(fā)區(qū)面積為118 km2，占比為1.4%。

表4 特克斯縣滑坡易發(fā)性統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)特克斯縣滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果，可知：特克斯縣地質(zhì)災(zāi)害高和中易發(fā)區(qū)主要分布于北部沿河流地區(qū)。其中，齊勒烏澤克鄉(xiāng)的高易發(fā)區(qū)最多。南部地區(qū)由于多為堅(jiān)硬-較堅(jiān)硬的中厚層狀碳酸鹽巖組，巖土性質(zhì)較好，因此大多數(shù)地區(qū)為低易發(fā)區(qū)。

4 結(jié)論

本文通過相關(guān)性分析法結(jié)合信息量模型法對新疆特克斯縣的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到了以下結(jié)論：

（1）通過相關(guān)性分析法對初始選取的高程、坡度、坡向、工程地質(zhì)巖組、距水系距離、距斷層距離和距道路距離7 個(gè)影響因子進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高程與距道路距離相關(guān)性最高，刪除距道路距離后最終選取了高程、坡度、坡向、工程地質(zhì)巖組、距水系距離、距斷層距離6 個(gè)評(píng)價(jià)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（2）計(jì)算上述6 個(gè)因子的信息量并代入信息量模型，將新疆特克斯的滑坡易發(fā)性分為高、中、低、非4 個(gè)易發(fā)區(qū)，其中滑坡高易發(fā)區(qū)占地面積約330 km2，占3.9%；中易發(fā)區(qū)面積約1 257 km2，占15.0%；低易發(fā)區(qū)面積約6 648 km2，占79.7%；非易發(fā)區(qū)面積約118 km2，占1.4%。與實(shí)地調(diào)查結(jié)果相符，該分區(qū)結(jié)果可為新疆特克斯縣滑坡災(zāi)害防治提供依據(jù)。