基于GIS加權疊加的區域地質災害易發性評價

劉玉娟

(安徽工業經濟職業技術學院 地質與建筑工程學院,安徽 合肥 230051)

0 引言

地質災害的類型有多種,無論是自然因素導致的還是人為因素誘發的,只要是對人民自身和財產造成威脅的災難性地質破壞都為地質災害,例如:泥石流、山體滑坡、地面塌陷,等[1].為最大程度降低地質災害產生的危害,地質工作者們采用定量研究的方法對地質災害發生規律進行研究.地質災害易發性分區定量評價的數學模型是區域地質災害風險評價的關鍵,也是區域地質災害易發性評價的重點和難點.目前區域地質災害易發性評價中的方法主要有總體分析法[2]、加權疊加法[3]、Logistic回歸法[4]、信息量法[5]、聚類分析法[6]、模糊綜合評判法[7]、神經網絡法[8],等.朱省峰等[9]針對定遠縣地質災害頻發問題進行野外調查并對災害出現頻率、分布等情況進行研究,經過一系列分析后發現這一地區地質災害發生的頻率和地形狀態、地質巖石形態、斷裂地質構造等致災條件有密不可分的關系.張先敏等[10]利用國產資源系列衛星數據及DOM數據等遙感數據進行定遠縣地質災害類型解譯.然而,運用GIS加權疊加模型對定遠縣地質災害易發性評價尚缺乏研究工作.

在總結前人研究資料以及定遠縣地質災害野外調查基礎上,文章以定遠縣地質災害易發性評價為研究對象,采用ArcGIS 軟件將研究區地質災害致災因子進行網格化分割,通過重分類計算方法將因子賦值,最后采用加權疊加模型進行易發性分區劃分.成果為定遠縣地質災害易發性綜合評價分區圖,可以為定遠縣地質災害風險調查工作及地方政府地質災害防治帶來指導意義.

1 研究區地質災害概況

定遠縣位于安徽省中東部的丘陵區、江淮之間.野外調查發現,定遠縣地質災害發育受區域地質作用控制.地質災害主要分布在定遠縣北部和東部的丘陵地區,且巖石風化強烈的地帶;地面塌陷主要分布在東北部丘陵地區和定遠城區的石膏礦區、東興的鹽礦區;河流岸崩主要分布在大橋鎮至三和集鎮一帶的池河沿岸;不穩定斜坡則分布于定遠縣北部的丘陵地區.定遠縣地質災害隱患點具體分布如圖1所示.導致地質災害的原因有很多,例如人為施工影響、地形地勢、降水情況、土層分布、地質結構、巖土類型、地質變動,等[9].針對不同情況的地質破壞性災難問題,區域致災因素的影響程度各不相同.

圖1 定遠縣地質災害隱患點分布圖

2 評價方法和評價因子的選取

2.1 研究思路

內外動力地質作用控制地質災害形成,同時還要考慮人類工程活動對地質災害的誘發作用.定遠縣地質災害易發性分區充分顧及災害形成背景,采用加權疊加方法對評價因子進行計算分析.具體研究步驟:

(1)在對定遠縣地質災害形成背景外業調查基礎上,構建易發性評價因子數據,采用專家打分法將每個評價因子數據分為5個等級,接著對各等級評價因子進行加權,同時賦予每一級強度指數.

(2)將定遠縣整體進行劃分,分為50 m × 50 m的單元格.因為ArcGIS具備將柵格圖像進行自動網格化的功能,所以在分析時只需要處理該分辨率的柵格問題.

(3)運用ArcGIS將各等級評價因子按照50 m × 50 m的標準進行柵格化處理,接著通過重分類方法為各等級評價因子提供合理正確的強度指數數據.

(4)利用ArcGIS的柵格計算方法,加權計算各項數據,最終得出總體柵格圖像,這一圖像中柵格權重數據就是定遠縣地質災害易發性分區的分析數據值(A).

易發程度指數的通用表達式[11]為

將地質災害易發程度情況設為A;將評價因子的權重情況設為αi;將導致地質災害發生的影響因素設bi.

(5)根據易發性分區的分析數據值(A) 的高低,對定遠縣地質災害進行易發性分區.

2.2 評價因子選取

文章充分利用野外調查成果,從發育特征、基礎地質因素和影響因素3個方面開展評價工作.地質災害發育密度屬于發育特征方面.基礎地質因素一般為地形坡度、高程、工程地質巖組、地質構造.影響因素為人類工程活動.充分考慮定遠縣地理特征、地質災害數據的可獲得性、空間分析的數據精度,在保證評價有效性的前提下,采用地質災害發育密度、地形坡度、工程地質巖組、地質構造、高程、人類工程活動6個指標,作為地質災害易發性分區評價的評價因子.

2.3 評價因子分析

2.3.1 地質災害發育密度

地質災害發育密度是指通過已有地質災害的空間分布情況去評估區域地質災害的易發性[3].文章經過詳細調查后總結出有關定遠縣地質災害的83個點位,根據ArcGIS 開展點核密度狀況研究.根據不同地區地質災害點的稀疏程度,將其分為4個區域.其中極高密度區域,強度定在5分,高密度、中密度、低密度以及極低密度區域強度依次減低,依次分別為4分、3分、2分以及1分.通過評分以及統計,獲得反應其地質災害發育密度評價的柵格圖形,如圖2所示.從中可以得出定遠縣地質災害發育密度情況(圖2a).

圖2 易發性評價因子分級圖

2.3.2 地形坡度

針對山地滑坡、地質崩塌等地質災害問題,坡度是非常關鍵的影響因素.同等情況下高坡度和低坡度所導致的災害種類、規模等亦是不同[3].按照災害點在對應坡度的分布情況,給予不同因子評價數值:坡度0°～<15°給予1分值,35°～<45°給予2分值,坡度15°～<25°給予3分值,坡度45°～<90°給予4分值,坡度25°～<35°給予5分值.通過定遠縣DEM對坡度變化及大小進行分析研究,最終得出坡度分區柵格圖,見圖2.

2.3.3 工程地質巖組條件

工程地質巖組情況的不同也會導致地質災害發生頻率不同.通過分析定遠縣地質災害點的分布情況,對不同工程地質巖組進行劃分如圖2所示,可以看出定遠縣北部山區的饅頭組泥頁巖夾中厚層灰巖是地質災害容易發生的地層,縣域東部的變質砂巖地質災害亦容易發生.在前人研究的基礎上[1],通過定遠縣地質災害點在每個工程地質巖組的不同分布情況,給予不同的因子評價數值:將碳酸鹽巖巖組設為5分,其中多為寒武-奧陶紀堅硬的中-厚層狀具軟弱夾層碳酸鹽巖;其中選擇元古界的堅硬-較軟弱層狀千枚巖、變質砂巖、變質凝灰巖為主淺變質巖巖組設為4分;將碎屑巖巖組設為3分,多為白堊系的堅硬-較軟弱中厚-巨厚層砂礫巖;侵入巖巖組2分,多為堅硬塊裂狀花崗巖;噴出巖巖組1分,其中多為堅硬塊裂狀玄武巖.

2.3.4 地質構造

地質災害發生情況還和區域地質構造有著千絲萬縷的聯系.構造程度較強的地區,結構面發育密集,從而出現巖石破裂的情況,破裂的巖石會對地質災害的發生造成間接性影響[9].以斷層線分別向兩邊設立0～<500 m,500～<1 000 m,1 000～<2 000 m,2 000～<3 000 m,>3 000 m共計5個緩沖區類型.地質構造因子評價賦值為:0～<500得5分,500～<1 000得4分,1 000～<2 000得3分,2 000～3 000得2分,>3 000得1分,獲取地質構造評價分區情況如圖2(d)所示.

2.3.5 高程

高程是區域地貌的變化表現,因此也體現了地貌對地質災害發生與否的影響[5].定遠縣的大部分地區屬于江淮波狀平原區地帶,只有池河東側的部分地區屬于沿江丘陵平原區地帶.總體地勢呈現北部高于南部的形態,北部地區多為地勢高低相間的丘陵,而南部地區則較為平坦,多為河谷型平原.從崩塌、不穩定斜坡(不包括岸崩)分布高程看,高程0～180 m范圍內均有災害隱患點分布,其中高程50～200 m范圍內隱患點最多,占隱患點總數的63.16%,主要是地形起伏大、人類工程活動強烈、切坡較多.所以可以發現高程是影響地質災害出現頻率的重要因素.根據定遠縣地貌特點和災害地區的位置變化,將高程因子評價賦值:100～<200 m為5分,200～<400 m為4分,50～<100 m為3分,20～<50 m為2分,0～<20 m為1分,劃分結果如圖2(e)所示.

2.3.6 人類工程活動

隨著定遠縣經濟建設的迅速發展,無論是大肆采礦,還是高速發展的城建建設,均或多或少影響到了地表原始地質情況,進一步致使地質災害頻繁發生.在這些工程中,影響最大的就是長距離施工工程,例如公路、鐵路等[12].所以文章主要針對公共道路可能對于地質災害造成的干預情況展開探討,其中以省道及高速公路等道路中心為原點,以500 m為距離間隔,共分為5個區域.將各區設為不同的數值,內部向外部依次為5分、4分、3分、2分,至于不在緩沖區的區域,則是賦值為1分.

經過計算獲得人類工程活動因素評價分區情況如圖2(f)所示,從中可以清晰觀察出人為修建活動的影響情況.

2.4 評價因子權重計算及賦值

根據6個方面確定定遠縣地質災害易發性評價因子情況,分別為地質災害發育密度、地形坡度、工程地質巖組、地質構造、高程、人類工程活動,其權重總數量和為1.

參考不同方面影響程度的大小,根據專家打分法為各評價因子設立權重數值,各參評因素賦值標準及權重分配見表1.

表1 定遠縣地質災害易發程度評價中各參評因素賦值標準及權重分配表

3 地質災害易發性評價

基于計算得到的易發程度柵格圖像,統籌ArcGIS完成的加權疊加模型,同時借助自然間距分類方法[3],劃分相對科學適宜的分區界限值,即高易發區、中易發區、低易發區、不易發4大區域類型,劃分結果如圖3所示.

圖3 定遠縣地質災害易發程度分區評價圖

地質災害高易發區總面積為200.66 km2,占全縣總面積的7.30%,主要分布在定遠縣北部山區,主要包括能仁鄉、永康鎮、西卅店鎮、定城鎮的部分區域.其地貌類型主要為中高丘,地形起伏較大,災害點密度極高.地層主要為寒武系饅頭組、張夏組、崮山組,白堊系張橋組,巖性以中-厚層狀具軟弱夾層的碳酸鹽巖巖組為主,局部具泥頁巖等軟弱夾層.地質構造發育,斷裂總體走向20°左右,區域節理方向以近南北和東西向為主,節理與北東向斷層及伴生結構面吻合,基巖風化程度較高,部分破碎不完整,遇強降雨易形成崩塌、滑坡等地質災害.該區分布有泉塢山、中山等十余家采石場,人類工程活動強烈,植被覆蓋受到破壞.此外,高易發區中還包括池河鎮東南部崩塌地質災害發育,地層主要為中元古界北將軍巖組和西冷巖組,巖性以大理巖、千枚巖、凝灰巖主,地貌類型則是主要表現為高丘,其相對高差非常明顯,巖組抗風化能力低,且軟化可能性較大,巖石風化問題較為嚴峻,存在著明顯的崩塌地質災害隱患.

地質災害中易發區總面積為417.81 km2,占全縣總面積的15.21%,其重點位于高易發區以南區域,包括定遠縣能仁鄉、永康鎮、西卅店鎮、定城鎮、范崗鄉、藕塘鎮、拂曉鄉和池河鎮的東部.地貌類型為波狀平原,地形相對高差較小,屬于地質災害點高密度區和中密度區.上覆土體為第四系松散層,巖性為白堊系張橋組石英砂巖、邱莊組砂礫巖、新莊組泥巖、砂巖為主.巖組巖石抗風化能力較為遜色,一般風化層厚度較大,有著明顯的易于軟化特征.該區有眾多石膏礦分布,采空地面塌陷,地質災害高發.藕塘鎮與拂曉鄉一帶,由于人類活動強烈,表現為人工采砂和種植農作物,區內岸崩地質災害較發育.

地質災害低易發區總面積為1 905.29 km2,占全縣總面積的69.36%,主要分布在爐橋鎮、朱灣鎮、嚴橋鄉、定城鎮南部一帶.地質災害非易發區總面積為223.33 km2,占全縣總面積的8.13%.上述兩區因為地表上覆土體為第四系松散層,基巖出露較少,構造發育不強烈,人類工程活動一般,以城鎮建設為主,地質災害不易發.

4 結論

(1)以詳細的野外地質背景調查為基礎,采用地質災害發育密度、地形坡度、工程地質巖組、地質構造、高程、人類工程活動6個地質災害致災因子,構建定遠縣地質災害易發性評價綜合指標體系.

(2)利用ArcGIS軟件對各評價因子進行網格劃分、重分類工具賦予各范圍評價因子的分數、加權疊加工具賦予各因子權重值.易發性分區結果顯示,定遠縣地質災害不易發區占全縣總面積的8.13%,共223.33 km2;地質災害低易發區占總體的69.36%,共1 905.29 km2;地質災害中易發區占總體面積的15.21%,共417.81 km2;地質災害高易發區占總體面積的7.30%,共200.66 km2.

(3)文章根據定遠縣地質災害致災因子野外調查成果資料,構建定遠縣地質災害易發性分區評價指標體系,采用ArcGIS的空間分析功能中的加權疊加模型進行易發性分區,成果可為1∶5萬定遠縣地質災害風險調查評價工作提供依據.