不同喀斯特類型區地質災害敏感性研究

楊彩云,胡 穩,黃 勇

(1.貴州省第三測繪院,貴陽 550000; 2.中國科學院生態環境研究中心,北京 100000; 3.中科綠洲(北京)生態工程技術有限公司,北京 100000)

0 引言

世界上最大的喀斯特集中分布在以我國貴州省為中心的西南地區,面積約55萬km2,占全國喀斯特面積的15.97%[1-2]。貴州喀斯特地區地質災害具有分布廣、突發性強、類型多等特點[3-5]。《中國氣象災害大典》(貴州卷)[6]統計顯示,1952—2000年,貴州滑坡、泥石流災害引起的經濟損失達4.4億元,毀壞房屋2 847間,受災戶數5 688戶,受災人數24 298人,其中死亡人數610人,受傷人數122人,傷亡人數10人,破壞農田或耕地4.96萬畝,糧食損失0.85 t,家畜死亡282頭。截至2006年,六盤水市共有地質災害點1 043處[7]。2007—2015年,銅仁市共發生地質災害820起,直接經濟損失近9 000萬元[8]。

研究顯示,地質災害多發生在碳酸鹽區域[9]。貴州省的碳酸鹽巖中,約有34.6%的不純碳酸鹽巖區域,其喀斯特發育特征與普通喀斯特有著明顯的區別[10]。胡鋒[11]等提出亞喀斯特概念,即發育在不純碳酸鹽巖及碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖夾層之上的一種過度地貌形態,介于純喀斯特與非喀斯特之間,由巖性決定。近些年,關于喀斯特區域的地質災害敏感性評價[12-15]及影響因素[16-17]研究較多,涉及多種相關因子,如氣候、區域地質條件、地質災害、地球化學、生態環境現狀、地質環境破壞速率、人類活動等7個評價要素及相應的18個評價因子常被選為地質災害敏感性評價指標體系構建中[18],但關于不同喀斯特類型區對地質災害的影響研究較少。

對貴州省3種不同喀斯特類型區進行地質災害敏感性評價及等級劃分,統計地質災害敏感性在3類喀斯特類型區內的面積占比,以10 km格網為對象,對每個格網中的喀斯特類型區(非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特)面積占比與各地質災害敏感性面積占比進行分級,分析兩者的相關性,從而分析喀斯特類型區與地質災害的關系。為豐富喀斯特地區地質災害研究、合理指導地質災害預防及治理提供參考。

貴州省喀斯特地貌分布范圍大,屬于高原山地地貌,地勢西高東低,自中部向北、東、南三面呈階梯式傾斜,平均海拔1 100 m左右,高原山地居多,主要有高原、山地、丘陵及盆地4種地貌類型。碳酸鹽巖出露面積大、分布連續,有自震旦系到三疊系的古老碳酸鹽巖地層[19]。貴州省林業資源豐富,2016年全省森林覆蓋率達到52%。調查顯示,貴州省石漠化面積約為3.7萬km2,主要分布在六盤水、黔西南、黔南、安順、畢節等所在的喀斯特地區的南部和西部[20]。

1 數據來源

根據貴州省地理環境與氣候條件,選擇小流域面積、土壤保持量、高程、離斷層線距離、基巖裸露率、土地利用類型、植被覆蓋度、地形起伏度、坡度等9個因子,對貴州北盤江流域進行地質災害敏感性評價,采用自然斷點法,將每個評價因子分為5個等級,數值越大,代表該因子對敏感度影響越大。

坡度、地形起伏度、高程、小流域面積等數據是基于貴州北盤江流域的DEM數據,利用ArcGIS表面分析功能、柵格計算器及水文分析工具分別提取出來。植被覆蓋度是基于貴州北盤江流域內2015年的Landsat TM /ETM影像,借助ENVI軟件提取出來。土地利用類型采用非監督分類方法,結合植被指數、紋理、像元亮度、像元大小等指數提取出來,分為林地、灌木、草地、濕地、耕地、建設用地及裸地等類型。斷層線分布數據來源于國土資源科學數據共享中心地址調查分中心。純喀斯特、亞喀斯特及非喀斯特類型區的劃分依據胡鋒[11]等提出的亞喀斯特發育程度的巖性屬性,包括不純碳酸鹽巖(如泥質石灰巖、泥質白云巖)、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖夾層兩類。土壤保持量數據基于2015年的降水、土壤、高程等數據,運用通用土壤流失方程(RUSELE)估算出來。基巖裸露率計算采用遙感反演獲取[21],將單個像元作為計算分析的基本單元,計算出每個單元的植被覆蓋度及土壤裸露率,而基巖裸露率為減去以上兩個數據的結果。

2 研究方法

2.1 層次分析法確定指標權重

評價指標因子權重的方法有很多,而層次分析法可建立多級評價模型,能充分地將專家的經驗判斷量化,效果較好,可把復雜問題中的各因素指標層次化、條理化及有序化,根據客觀條件進行模糊判斷,定量化表示每一層次各因素指標的重要性,利用數學方法確定指標因子的相對重要性次序的權重[22-23]。

以地質災害敏感性為目的層,地形地貌、地質及環境3個因子為準則層,各子系統中的指標要素為基礎層,構建評價指標的層次結構。依據評價指標對研究區地質災害的影響程度,利用專家打分法給每個指標打分,指標分值越高,表示指標的相對重要性越大[24-25]。通過對地質災害敏感性評價指標的兩兩比較,得到指標的兩兩判斷矩陣,利用層次分析法計算出各評價指標的權重,如表1所示。

表1 地質環境評價指標判斷矩陣及權重Tab.1 Judgment matrix and weight of geological environment evaluation index

2.2 數學模型與綜合評價

利用加權平均法計算出地質災害敏感度,根據地質災害敏感度劃分出貴州北盤江流域地質災害敏感性,如式(1):

式中:St為地質災害敏感性評價指數,Wi為第i個評價指標的權重,Fi為第i個評價指標圖層,n為評價指標的個數。

運用Arcgis的重分類功能,對評價出來的地質災害敏感性評價指數St按照自然斷點法,將其分為不敏感(St<3.795 8)、輕度敏感(3.795 8≤St<4.470 6)、中度敏感(4.470 6≤St<5.068 4)、敏感(5.068 4≤St<5.719 6)及極度敏感(St>5.719 6)5種敏感性,得到貴州北盤江流域地質災害敏感性圖,如圖1所示。

圖1 貴州省地質災害敏感性圖Fig.1 Geological hazard sensitivity in Guizhou Province

3 評價結果與分析

3.1 貴州省喀斯特類型區分布狀況

將喀斯特類型區進行劃分,得到分布范圍,如圖2所示。純喀斯特分布范圍廣,在貴州省各地州市均有分布,主要集中在黔西南州的西南部、中部和北部,畢節的西部和東部,六盤水、安順、貴陽的大部分區域及黔南州的西部、北部和東南部,黔東南州的西北部,遵義的南部,銅仁的東部。亞喀斯特分布相對零散,在各地州市均有分布,相對集中于畢節的中部,黔南州南部的部分地區,安順的東部及遵義的中部與北部。非喀斯特相對集中分布在黔東南州,遵義的西北部與東北部地區及黔西南州的東部,其余相對零散地分布在各地州市。對3類喀斯特類型區的分布面積進行統計,如表2所示。由此可知,喀斯特區域占貴州省面積的61.57%。

圖2 貴州省3類喀斯特類型區的空間分布Fig.2 Distribution of 3 types of Karst in Guizhou Province

表2 貴州省三類喀斯特類型區面積及占比Tab.2 Area and ratio of 3 types of Karst in Guizhou Province

3.2 喀斯特類型區地質災害敏感性狀況

分析地質災害敏感性狀況可以看出,各等級面積從總體上表現為中度敏感>敏感>輕度敏感>極敏感>不敏感,敏感和極敏感區域占貴州省總面積的36.8%,88.11%的區域存在一定程度的地質災害敏感。

從不同喀斯特典型區域來分析地質災害敏感性的分布狀況,可以看出,非喀斯特區域表現為中度敏感>輕度敏感>敏感>不敏感>極敏感,亞喀斯特區域表現為中度敏感>敏感>輕度敏感>不敏感>極敏感,而純喀斯特區域表現為敏感>中度敏感>輕度敏感>極敏感>不敏感,如圖3所示。非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特3種喀斯特典型區域內主要的地質災害敏感性在增加。

圖3 3類喀斯特類型區地質災害敏感性統計結果Fig.3 Statistics of geological hazard sensitivity of 3 types of Karst regions

具體的統計數據如表3所示。非喀斯特區域中,地質災害敏感性為敏感或極敏感的區域分布面積占比分別為22.92%、9.04%。亞喀斯特區域中,地質災害敏感性為敏感或極敏感的區域分布面積占比分別為24.71%、11.36%。純喀斯特區域中,地質災害敏感性為敏感或極敏感的區域分布面積占比分別為26.11%、15.55%。以上結果均表現出純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特的特征。

表3 貴州省地質災害敏感性綜合評價統計表Tab.3 Comprehensive assessment statistics of geological hazard sensitivity in Guizhou Province

3.3 喀斯特類型區與地質災害敏感性相關性

地理格網是一種依據統一規則,將地理空間進行連續分割,使空間不確定性控制在統一范圍內的系統,便于對地理數據的采集與分析。以10 km格網為對象,計算貴州省3類喀斯特類型區(非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特)面積占比與各地質災害敏感性面積占比,并分級處理,具體分級標準如表4所示。采用IBM SPSS Statistics 22社會科學統計軟件進行偏相關分析,結果如表5所示。

表4 三類喀斯特類型區面積占比和地質災害敏感性面積占比分級Tab.4 3 types of Karst region ratio and geological hazard sensitivity area grading

表5 貴州省三類喀斯特類型區與地質災害敏感性偏相關分析Tab.5 Partial correlation analysis between 3 types of Karst and geological hazard sensitivity in Guizhou

非喀斯特區與輕度敏感、中度敏感區呈正相關,與敏感、極敏感區呈負相關。純喀斯特區與輕度敏感、中度敏感區呈負相關,與敏感、極敏感區呈負相關,且均通過置信度為99%的顯著性檢驗,但相關性較低,其中非喀斯特區和純喀斯特區與中度敏感性的相關性最高,分別為0.355、0.305,其次為輕度敏感性。處于非喀斯特與純喀斯特之間的亞喀斯特則未表現出一定的相關性規律。由此規律可以看出,越典型的喀斯特類型在一個區域內的占比越大,該區域高敏感區占比越大,即地質災害敏感性與喀斯特類型存在關聯性,這種關聯性強弱表現為純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特。較低的相關性說明喀斯特類型對地質災害敏感性具有較小的影響。

4 討論

目前,已有的研究主要集中于區域內的地質災害敏感性評價,還有關于不同喀斯特類型區地表地貌特征、植被特征等研究。通過對三大喀斯特類型區內地質災害敏感性面積占比進行統計及對比,得出地質災害敏感性為敏感或極敏感的區域分布面積占比表現出純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特的特征。以10 km格網為對象,對三大喀斯特類型區內的地質災害敏感性面積占比分級進行相關性分析,得出地質災害敏感性與喀斯特類型區存在關聯性,這種關聯性強弱表現為純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特。兩種方法得到的結果一致,均達到了預期效果,說明喀斯特越典型,地質災害敏感性越高。在相關性分析中顯示,喀斯特類型區與地質災害敏感性的相關性低,說明喀斯特類型對地質災害敏感性具有較小的影響。

非喀斯特主要分布在非可溶性鹽巖或埋藏型碳酸鹽巖之上,難于被溶蝕,土層厚度大,植被覆蓋度高,土地利用價值大,生態效應積極作用明顯,地貌類型主要以緩坡、盆地及平地為主,地形起伏度小。亞喀斯特主要發育在不純碳酸鹽巖及碳酸鹽巖非碳酸巖夾層之上,巖石中泥質成分及酸不溶物占比高,溶蝕速度相較于純喀斯特區域慢,成土速率相對高,往往擁有較厚的土層,植被覆蓋度較高,土地利用價值較大,生態效應較好。亞喀斯特區域地下溶洞發育程度低,地下洞穴分布少,地貌類型以丘陵、丘陵谷地、洼地、盆地和中山為主,平均坡度在15°左右,地形起伏度相對較緩。純喀斯特主要發育在純碳酸鹽巖之上,巖石中泥質、酸不溶物等雜質含量較少,溶蝕速度快,成土速率緩慢,往往擁有很薄的土層,甚至是基巖裸露,形成石漠化,植被覆蓋度低,生態環境脆弱。因為純喀斯特區域碳酸鹽純度高,易于被溶蝕、侵蝕等,地貌發育強烈,擁有峰叢、峰林、洼地、槽谷、溶洞、暗河、豎井等喀斯特景觀。