基于GIS的河南省電網工程地質災害風險區評價研究

孫才華,范小光,劉 強,方 林

(1.國網河南省電力公司,河南 鄭州 450052; 2.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司,河南 鄭州 450007;3.河南省自然資源監測和國土整治院,河南 鄭州 450000)

電網工程安全對保障國家經濟發展和民生具有十分重要的意義[1-3]。河南省地質構造復雜,北部、西部、南部多為山地丘陵地形,滑坡、崩塌及泥石流等地質災害較多,東部平原地區分布著物理力學性質較差且地域性較強的特殊土,這些特殊巖土在地表水徑流、地下水和大氣降水等條件下,易于產生地質災害。加上近幾年來極端天氣的頻繁出現,使得復雜地質條件下各種地質災害發生頻率大幅提高,對電網工程規劃建設造成的影響也日趨嚴重[4-6]。因此,有必要在電網工程規劃選址前進行區域性地質災害危險性評價。

地質災害的災種分布、災害生成制約因素、災害發生的時間與空間規律都具有較強的區域特征[7]。劉厚健等[8-9]歸納總結750 kV官亭—蘭州東輸電線路主要地質問題主要包括構造穩定性、滑坡、泥石流、地裂縫、濕陷性等;李學豐等[10-11]對750 kV蘭州—銀川輸電線路的工程地質環境進行了評價,并指出黃土的濕陷性是該線的主要工程地質問題;高文龍[12]指出采空區穩定變形對山西境內電網工程安全性的影響非常大。青海—西藏電網工程的選線則主要考慮的是凍土和厚層地下冰的分布發育規律[13-14]。因此地質災害風險性評價往往需要根據電網工程所在區域的地質災害特點,對評價方法、評價指標、指標權重及風險等級等方面進行調整[15-17]。馮治學等[18]針對玉溪市電網遭受地質災害特點選取了7個評價指標,采用AHP和熵值法計算各評價指標的權重,并利用聚類分析法對電網地質災害脆弱性評價分級;黃冬梅等[19]利用空間插值、自然間斷點分級方法得到地質災害危害程度,然后通過主觀和客觀賦權相結合的方法確定各個影響因子的權重,通過采用Dijkstra算法得到最優輸電線路路徑。

本文針對河南省的地質災害特點,綜合相關勘察數據,詳細分析影響河南省電網工程建設和安全運行的不良地質災害因素,建立河南省電網工程地質災害風險性評價指標體系,并開展不良地質災害危險性評價研究,研究結果將對河南省電網工程區域規劃及防災減災具有重要意義。

1 研究區概況

河南省地形地貌如圖1所示。河南省境內平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%、17.7%。靈寶市境內的老鴉岔為全省最高峰,海拔2 413.8 m;最低處在固始縣的淮河出省處,僅23.2 m。省內地勢總體上西高東低,東部為黃淮海平原,地勢較為平坦,西北部為太行山地,南部主要是豫南山地,西部為豫西山地。河南省境內河流眾多,分屬黃河、淮河、長江及海河水系,由西向北、東、南呈放射狀分流。

圖1 河南省地形地貌Fig.1 Topography and landform of Henan Province

2 評價指標模型建立

2.1 評價方法

人工神經網絡模型一種優秀的機器學習模型,被廣泛地應用于各類地質危險性評價和風險評估中[20],其流程圖如圖2所示。

圖2 人工神經網絡評價模型流程[21]Fig.2 Flow chart of artificial neural network evaluation model

本文運用newff函數建立神經網絡模型,人工神經網絡結構一般分為輸入層、隱含層和輸出層,各層之間通過節點間的連接權值依次連接。人工神經網絡的訓練過程主要有兩個過程組成,分別是信號的正向傳輸和誤差反向傳輸。其中各指標信號正向傳播,在輸入層輸入后,經過隱含層處理后到達輸出層。若在輸出層輸出的誤差過大,則需要把誤差反向傳播調整網絡的連接權值,使得誤差達到最小偏差信號。

2.2 評價指標選取

評價指標體系的建立是開展災害風險區評價工作非常重要的一步。在綜合分析河南省不良地質災害發育規律的基礎上,結合以往的工程經驗,總結出河南省電網工程災害風險性評價指標可以分為主導指標、觸發指標和潛在指標,如圖3所示。①主導指標。主導指標指對不良地質災害的發生起控制作用的指標,主要包括地形地貌、巖土體類型、水文地質條件和地質構造等。②觸發指標。觸發指標指能誘發不良地質災害發生的主要指標。常見有地震、降雨和人類工程活動等,人工工程活動主要包括植被覆蓋率、礦山和交通建設的情況。③潛在指標。潛在指標是根據已發生地質災害的強度來分析來今后地質災害發生的潛在危險性,主要考慮以往地質災害的規模和數量,常用災害點密度來表示。

圖3 地質災害風險性評價指標體系Fig.3 Index system of risk evaluation for geological hazard

3 評價指標模型建立

3.1 風險評價單元劃分

地質災害風險性評價單元的劃分計算結果具有很大影響。考慮到柵格數據可以以矩陣的形式存儲在計算機中使得運算更準確迅速,因此本次采用柵格單元作為評價單元,根據經緯度在1∶50萬圖上對河南省國土面積進行單元網格剖分,剖分規格為0.6′×0.6′,剖分精度大致相當于1.1 km×1.3 km,共將全省剖分為163 504個單元格,以每個柵格單元作為一個最小的危險性評價單元,如圖4所示。

圖4 河南省網格剖分Fig.4 Grid division map of Henan Province

3.2 風險評價指標量化

考慮到工程地質災害評價指標中既有定量指標,還有定性指標,且各種指標間的單位差異較大,無法綜合評價同一目標。因此在評價計算前需要對評價指標進行歸一化處理。對于定量指標可采用公式(1)將指標的數值進行歸一化處理,將定量指標進行分級賦值。針對定性指標,可以根據指標大小與危險性的關系進行歸一化賦值,離地質構造、水系中心線和礦山越近,地質災害風險性越大,歸一化賦值趨于1,反之賦值趨于0。

式中,x′為評價指標歸一化處理后數值;max(xi)為評價指標量化的最大值;min(xi)為評價指標量化的最小值。

3.3 數據預處理

(1)災害密度。地質災害發育密度可以反映出區域地理與地質環境條件對地質災害發生的影響程度。統計河南省滑坡、崩塌以及泥石流的發育情況,并進行災害點密度分析,并根據式(1)進行歸一化處理,得到河南省滑坡、崩塌、泥石流的災害密度歸一化分區圖,如圖5所示。

圖5 地質災害密度歸一化分區Fig.5 Normalized zoning of geological hazard density

(2)坡高。坡高在某種意義上可以反映發生滑坡的危害程度。一般來說,斜坡越高,坡體的穩定性就越差,發生滑坡的概率就越大。斜坡單元法劃分的每一個評價單元對應一個斜坡坡高,河南省邊坡的最高高度可達1 383.54 m[21],然后進行歸一化處理,如圖6(a)所示。

圖6 地質災害評價指標歸一化分區Fig.6 Normalized grading map of evaluation index of geological hazards

(3)坡度。陡峭的斜坡往往為崩塌滑坡的發生提供了有利的條件。研究區滑坡發生主要集中于坡度23°～53°,占比可58.21%,崩塌發生主要集中于坡度>61°,占比可達82.35%。圖6(b)為河南省斜坡坡度分布歸一化圖。

(4)坡面曲率。坡面曲率可以反映坡型對地質災害的影響,坡面曲率可以采用河南省DEM高程模型直接提取,如圖6(c)所示。

(5)巖土體類型。地層巖性是地質災害產生的物質基礎,一般來說,巖土體力學強度越高、完整性越好,地質災害發生的概率越小。依據巖性的堅硬程度以及完整性對每一巖土體賦值,河南省分布有巖漿巖、碳酸巖、碎屑巖、變質巖、黏性土、砂性土、礫質土和黃土類土,分別賦值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8,如圖6(d)所示。

(6)地質構造。地質構造發育地段,巖體結構相對較破碎,不良地質災害發育數量較多。根據研究區地質構造分布的實際情況,將斷裂影響范圍分5類,0～2.5、2.5～5、5～7.5、7.5～10、>10 km緩沖區,分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,其歸一化分區圖如圖6(e)所示。

(7)河網水系。受到水動力作用的影響下,臨近河岸地帶易發生崩塌、滑坡等不良地質災害。以河網水系邊緣為軸線每隔0.5 km為一級向外側設置緩沖區,即0～0.5、0.5～1、1～1.5、1.5～2、>2 km緩沖區,分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,如圖6(f)所示。

(8)地震動峰值加速度。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)可以確定出河南省地震動峰值加速度分別為0.05g、0.10g、0.15g、0.20g,按照危險性程度賦值為0.2、0.4、0.6、0.8,如圖6(g)所示。

(9)植被指數。植物的根莖有固定表層巖土體的作用,可以起到減緩坡面水流的流動速度和穩固斜坡的作用。一般植被指數越大說明植被覆蓋程度越高,不良地質災害發育的程度越低。圖6(h)為河南省植被指數歸一化分區圖。

(10)降雨強度。降雨強度是誘發許多邊坡地質災害最直接的因素。河南省百年一遇24 h降雨量在150～600 mm,因此對降雨強度>400、300～400、200～300、<200 mm/d分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2,分布如圖6(i)所示。

(11)年均降雨量。年均降水量可以反映降雨的長期特征,有數據統計,不良地質災害的數量隨年均降水量的增加而有所增大,河南省的年降雨量在500～1 300 mm,圖6(j)為年均降雨量歸一矢量化后的分區圖。

(12)路網密度。路網密度可以反映出人類工程活動的強弱。路網密度主要考慮一些重要道路,河南省交通密度歸一化處理后如圖6(k)所示。

(13)礦山分布。采礦形成的采空區易誘發地面沉降及地裂縫等地質災害,從河南省1∶50萬地理地圖中提取礦山點狀地理實體,建立緩沖區進行空間分析,確定礦山對落災點的影響情況,對以下分級:0～250、250～500、500～750、750～1 000、>1 000 m緩沖區,分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,如圖6(l)所示。

4 風險評價結果

評價計算主要通過計算機編程,將提取的地質災害風險評價指標歸一化后,作為人工神經網絡的輸入層,在給定初始權值后,選擇典型的評價單元,并將其的定性評價結果作為人工神經網絡的輸出層,進行網絡訓練,可以得出各評價指標的權重,見表1。

表1 評價指標權重值Tab.1 Weights of evaluation index

5 地質環境分區評價結果

在ArcGIS軟件平臺下,構建各影響指標柵格圖層,利用空間分析模塊中的柵格計算工具,對各影響指標的權重值在各統計單元進行加權疊加,對不良地質作用進行風險區劃,如圖7所示。從圖7中可以看出,河南地區大部分地區為無風險區,其中無風險區和低風險區面積分別為117 974、12 654 km2,分別約占全區總面積的70.64%和7.58%,場地平坦,地基條件好,地質災害少。河南省中、高風險區面積分別為24 857、11 515 km2,約占河南面積的14.88%和6.90%,主要分布在西北部的太行山脈,豫南山地的大別山脈和豫西山地的伏牛山、外方山、熊耳山、嵩箕山、崤山,在電網工程規劃選址時要注意風險。

圖7 河南省不良地質作用綜合風險Fig.7 Grading map of adverse geological action assessment for Henan Province

6 結論

(1) 根據河南省地質環境條件,結合電網工程特點,考慮地質災害主導因素、觸發因素和潛在因素,選取了坡高、坡度、坡面曲率、巖土體類型、河網水系、地質構造、地震峰值加速度、植被指數、礦山分布、路網密度、年降雨量、降雨強度及災點密度等13個因素作為評價指標,利用人工神經網絡方法計算各評價指標的權重,并構建河南地質災害風險區評價模型。

(2) 河南省電網工程地質災害風險區評價結果表明:河南地區大部分地區為無風險和低風險區,地質災害少,適宜電網工程的建設。地質災害危險性較高的地區主要分布在河南南部太行山脈、豫西和豫南地區。

(3) 電網工程地質災害風險區評價可反映出地質災害對電網工程活動的影響程度,評價結果可為河南省的電網線路規劃及防災減災工作提供理論依據和科學指導。