基于GIS和信息量模型的山地環境地質災害易發性評價
——以湖北省秭歸縣為例

謝 爽, 陳 松, 陳江軍, 汪 江, 陶 峰

(1.湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434000; 2.湖北省水文地質工程地質勘察院有限公司,湖北 武漢 430074)

中國地形地貌復雜,構造活動強烈,地質災害多發,地質環境十分脆弱[1-3]。根據《2022年全國地質災害通報》,僅2022年全國共發生地質災害5 659起,造成人員死亡90人、失蹤16人、受傷24人,直接經濟損失高達15億元。湖北省秭歸縣地處鄂西北地質災害高發區,是該省地質災害重點防治區。區內地質環境極其復雜,地質災害密集多發,嚴重威脅著當地居民的財產及人身安全。因此,在研究該區地質災害形成機理的基礎上進行地質災害預防管理和綜合防治,對防災減災工作和地方經濟健康穩定發展都具有重要意義[4]。

地質災害易發性評價是通過結合已有地質災害發育情況及其形成機理,選擇控制和影響地質災害形成的主要因素,同時運用合適的評價方法對地質災害未來潛在發生概率進行估算,從而完成地質災害易發性預測分區[5]。早期的地質災害評價主要依據野外調查和航片解譯情況,由專家對地質災害敏感性進行研判,因此也被稱為專家打分評價法[6]。但由于該方法的評價精度受限于野外調查精細程度以及專家經驗,使得不同調查者和專家得出的結果無法進行橫向對比[7]。隨著GIS技術被引入到地質災害評價中,地質災害易發性評價逐步向定量化發展。而后眾多數學模型如多元統計分析、人工神經網絡、回歸分析和信息量模型也被運用到地質災害易發性評價中,這些方法的使用極大地提高了評價結果的準確性[8]。國內外學者在地質災害易發性評價研究中逐步發現,信息量模型具有較高的客觀性,同時實施過程也較為簡便[9-11]。

本文結合湖北省秭歸縣地質災害分布現狀,選取高程、坡度、坡向、斜坡結構、距構造帶距離、工程地質巖組、水系密度等7個控制因素,運用GIS技術和信息量模型相結合的評價方法對研究區地質災害易發性開展定量評價研究,為秭歸縣地質災害的防治和管理提供理論依據。

1 研究區概況

研究區秭歸縣位于鄂西,三峽庫區庫首,地跨東經110°18′～111°00′、北緯30°38′～31°11′(圖1)。區內地貌類型按成因及形態可主要分為侵蝕堆積地貌和侵蝕構造地貌兩大類,地勢總體呈現西南高東北低[12]。區內地層發育齊全,自元古界至第四系均有出露。元古界崆嶺群見于東部,震旦系和古生界呈條帶狀展布于東部—南部邊緣,三疊系和侏羅系廣泛發育于中、西、北部,白堊系僅見于仙女山、周坪等地,第四系主要分布于長江沿岸及其支流河谷地帶、沖溝和緩坡處。

圖1 研究區位置圖

區內地勢起伏大,地質構造復雜,地質環境極為脆弱。據統計,區內地質災害點共有1 137處,其中滑坡876處、崩塌250處、地面塌陷10處、泥石流1處,分別占地質災害總數的77.04%、21.99%、0.88%、0.09%。

2 地質災害影響因子的提取與分析

地質災害的形成是環境和人為因素作用下的結果,受內部和外部等多種因素共同影響。通過對前人研究成果的總結,結合研究區實際情況,選擇高程、坡度、坡向、斜坡結構、距構造帶距離、工程地質巖組、水系密度等7個控制因素[13-16]。

2.1 地形地貌因子

2.1.1高程

高程不僅在一定程度上反映地貌的變化,同時也顯著影響土壤特性[17]。研究區地勢總體呈現西南高東北低,相對高差在500～1 300 m,結合研究區地形地貌特征及地質災害分布特征統計規律,將高程劃分為4個類別:①≤200 m;②200～500 m;③500～1 000 m;④>1 000 m。

地質災害與高程的關系如圖2所示。從統計結果可以看出,研究區內的1 137處地質災害點與其所處地面高程關系特征為:>1 000 m高程區段發育地質災害點95處,占地質災害總數的8.35%;500～1 000 m高程區段發育地質災害點350處,占地質災害總數的30.78%;200～500 m高程區段發育地質災害點451處,占地質災害總數的39.67%;≤200 m高程區段發育地質災害點241處,占地質災害總數的21.20%。

圖2 地質災害與高程關系

2.1.2坡度

坡度不僅對地質災害地表水的徑流、地下水的補給和排泄、植被覆蓋率起著決定作用,還影響其應力分布[18],同時坡度也是地質災害穩定性的控制因素。利用研究區等高線數據和ArcGIS軟件表面分析slope功能,可以獲得研究區的地形坡度。綜合考慮研究區的地質災害分布情況,將坡度劃分為4個級別:①≤10°;②10°～25°;③25°～60°;④>60°。地質災害與地形坡度關系如圖3所示。經分類統計可以發現,1 137處地質災害點與其所處地形坡度關系特征為:≤10°的平臺地形中發育地質災害點33處,占地質災害總數的2.90%;10°～25°的緩坡地形中發育地質災害點207處,占地質災害總數的18.21%;25°～60°的陡坡地形中發育地質災害點640處,占地質災害總數的56.29%;>60°的陡崖地形中發育地質災害點257處,占地質災害總數的22.60%。這其中25°～60°的陡坡地形中發育地質災害點最多,說明該坡度范圍利于坡體物質下滑變形。

圖3 地質災害與坡度關系

2.1.3坡向

坡向是指山坡朝向,控制著斜坡表面光照時間和強度,進而影響巖土體結構的穩定性[19]。在ArcGIS軟件中,利用3×3矩形窗口進行分析掃描,可獲取研究區的坡向圖層(圖4)。經統計分析發現,研究區407處地質災害點發生在坡面正E和NE向,占地質災害總數的35.8%。從衛星遙感解譯中也可以發現,長江兩岸秭歸縣城以北,坡向朝E-NE側的山體破壞嚴重,而朝W側的地質災害規模較小。

圖4 地質災害與坡向關系

2.1.4斜坡結構

斜坡結構可反映巖層傾向和地形坡向之間的組合關系。兩者相差在30°以內,為順向坡;相差在30°～60°間,為斜交順向坡;相差在60°～120°間,為橫向坡;相差在120°～150°間,為斜交逆向坡;相差在150°～180°間,為逆向坡;對于沒有明顯的層理構造,主要受節理控制的巖石斜坡為塊狀坡。根據調查統計(表1)發現,在順向坡中發育地質災害點179處,占地質災害總數的15.74%;在斜交順向坡中發育地質災害點214處,占地質災害總數的18.82%;在橫向坡中發育地質災害點393處,占地質災害總數的34.57%;在斜交逆向坡中發育地質災害點187處,占地質災害總數的16.45%;在平緩層狀斜坡中發育地質災害點145處,占地質災害總數的12.75%;在塊狀坡中發育地質災害點19處,占地質災害總數的1.67%。研究區內地質災害較為發育的斜坡結構類型為橫向坡,其次為斜交順向坡,斜坡結構類型決定了地質災害發育的強度及類型。

表1 不同斜坡類型地質災害發育數量統計表

2.2 地質構造因子

2.2.1斷裂

斷裂對滑坡的主要影響是斷裂及其附近一定范圍內的巖土體結構遭到破壞,降低了斜坡的完整性,同時作為重要的地下水通道,對斜坡的變形和破壞帶來了不利影響。

研究區處于新華夏構造體系鄂西隆起帶北端和淮陽山字型構造體系的復合部位,構造格局較為復雜。區內NW向構造主要由一系列的褶皺和斷裂所組成;EW向構造分布于南部,主要構造形跡為香龍山背斜及其東側的五龍褶皺帶;新華夏系為區內重要的構造體系,主要表現為新華夏系聯合弧形構造和新華夏系復合式構造兩種形式。研究區內主要斷裂有仙女山斷裂、九畹溪斷裂、天陽坪斷裂、興山斷裂、香龍山斷裂帶、水田壩斷裂及桂花樹包—天池嶺斷裂(表2)。以上斷裂附近發育各類地質災害點309處,占區內地質災害總數的27.17%。區內地質災害與距構造帶距離之間的關系如圖5所示。從圖中可以發現,研究區地質災害在構造帶附近1 000 m的范圍內集中發育,共有地質災害點859處,占區內地質災害總數的75.55%,同時距構造帶距離越遠,地質災害點越少。可以看出,斷裂是控制區內地質災害發育的重要因素。

表2 主要斷裂附近地質災害點統計表

圖5 地質災害與距構造帶距離的關系

2.2.2褶皺

研究區主要褶皺構造有秭歸向斜、黃陵背斜、百福坪—流來觀背斜、茶店子復向斜、香龍山背斜及五龍褶皺帶,以上褶皺共發育各類地質災害點793處,占區內地質災害總數的69.75%(表3,圖6)。由于褶皺軸部是地應力較集中的部位,因此構造裂隙發育,特別是先壓后張的高傾角切層裂隙,往往起到巖體崩滑切割邊界的作用。同時裂隙發育區剝蝕作用較強,松散殘坡積物常斜貼于基巖上,為土質滑坡提供了物質基礎。

表3 主要褶皺附近地質災害點統計表

圖6 地質災害與地質構造分布圖

2.3 工程地質巖組因子

地層條件是產生地質災害的物質基礎,其不但影響地質環境的穩定性,還決定巖土體強度、應力分布和變形破壞特征[20]。不同類型的工程地質巖組,對地質災害形成的影響程度有明顯差異。地層與地質災害分布統計如表4所示。根據統計分析可以看出,侏羅系(J)地層中分布有地質災害點543處,占地質災害總數的47.8%,屬區內最主要的易滑地層,其成分主要為泥質粉砂巖、粉砂巖、粉砂質泥巖、鈣質粉砂巖、長石(石英)砂巖與粉砂巖、泥質粉砂巖互層巖組;同時三疊系下統大冶組(T1dy)灰巖巖組,志留系下統新灘組(S1x)黏土質粉砂巖、粉砂質頁巖巖組,志留系下統羅惹坪組(S1lr)泥巖、頁巖、鈣質泥巖、粉砂巖巖組也為區內易滑地層。以上表明,區內地層巖性變化大,工程地質性質空間變化復雜,軟弱巖土體分布廣泛,抗剪能力較差,受外力作用時易發生滑坡、崩塌等地質災害。

表4 不同地層分布區地質災害發育數量統計表

2.4 水系因子

水系密度是描述溝壑切割程度的一個指標,也是氣候、地形、巖性、植被等因素的綜合指標。水系密度越大,說明河流溝谷越多、地面越破碎、地面物質穩定性越低[21]。長江自西向東橫貫秭歸縣全境,區內溪流網布,其長江一級支流主要有茅坪河、九畹溪、龍馬溪、香溪河、童莊河、歸州河、青干河及泄灘河。在本次地質災害易發性分區中,水系密度采用單位面積內河流總長度進行統計,按自然間斷點分級法分為0～0.399、0.399～0.797、0.797～1.195、1.195～1.594、1.594～1.992 km/km2等5類。如圖7所示,研究區絕大多數地質災害發生在水系密度為1.195～1.992 km/km2的范圍內,占地質災害總數的59.8%,且隨著水系密度減小,地質災害發生數量明顯降低。

圖7 地質災害與水系密度的關系

3 致災因子信息量的計算及易發性評價

3.1 信息量模型

信息量模型是一種統計分析預測的方法,最初起源于信息論,后被眾多學者逐步運用于地質災害易發性評價中[1-3]。其原理是根據已知地質災害區的影響因素,來推算地質災害易發性的信息量,從而建立相應的評價模型,并依據類比原則外推到鄰區,進而實現對整個區域的易發性評價。

首先,單獨計算各評價因素xi對地質災害事件(L)發生提供的信息i(xi),采用樣本頻率計算,用以計算信息量,具體計算公式如下:

(1)

式中:S為研究區評價單元總數;N為研究區含有地質災害分布的單元總數;Si為研究區內含有評價因素xi的單元數;Ni為分布在xi特定類別內的地質災害單元數。

每個評價單元內的總信息量可表示為:

(2)

式中:Ii為評價單元內總信息量值;n為參評因子數。

總信息量值(Ii)可用于指示該單元發生地質災害的可能性,其數值越大表示地質災害越容易發生,該單元的地質災害風險性也就越高,最終依據全部單元信息量劃分成不同的易發性等級。

3.2 信息量模型計算與易發性分區

前面對研究區地質災害點和地質災害控制因素進行了相關性分析,根據分析結果最終選取了高程、坡度、坡向、斜坡結構、距構造帶距離、工程地質巖組、水系密度作為地質災害易發性評價因子。另外評價單元大小也會直接影響評價結果,本次評價在依據前人經驗公式[18]的基礎上,將柵格大小確定為30 m×30 m。

利用GIS軟件將研究區每個參與評價的因子柵格化處理,轉化為30 m×30 m數據,最終將研究區劃分為2 532 085個柵格單元。利用研究區等高線數據和ArcGIS軟件表面分析slope功能,生成高程、坡度、坡向和斜坡結構等因子圖(圖8-a～d);從地形圖中提取水系密度因子圖(8-e);從地質圖中提取距構造帶距離和工程地質巖組因子圖(8-f～g)。然后根據公式(1)計算各影響因子對地質災害發生的信息量(表5),生成單因子信息量圖。通過公式(2)計算總信息量,得到總信息量分布圖。采用ArcGIS軟件空間分析中的重分類工具,按照自然斷點法,同時結合研究區實際情況,依次劃分為極高、高、中、低四級易發區,得到研究區地質災害易發性評價結果,如表6和圖9所示。

表5 各評價因子信息量表

表6 各易發性分區地質災害發育數量統計表

圖8 地質災害易發性評價因子圖

圖9 地質災害易發性評價圖

3.3 評價結果分析

通過對地質災害易發性分區進行統計分析得出,區內低易發(Ⅳ)區的面積最大,中易發區(Ⅲ)次之,高和極高易發區(Ⅱ、Ⅰ)的面積較小;而各個易發區中所含地質災害點數量在低、中、高、極高易發區中具有依次增高的特征。極高易發區發育地質災害點634處,占地質災害總數的55.76%;高易發區發育地質災害點339處,占地質災害總數的29.82%;中易發區發育地質災害點107處,占地質災害總數的9.41%;低易發區發育地質災害點57處,占地質災害總數的5.01%。

可以看出極高和高易發區共發育地質災害點973處,占地質災害總數的85.58%,這也基本符合研究區地質災害的易發性分區,說明本次易發性分區能夠比較客觀反映地質災害的分布情況。

4 結論與討論

秭歸縣是湖北省內典型的地質災害高發區,區內地質環境極為復雜脆弱,具有溝谷縱橫、河網密布的特點,為地質災害的發育提供了極為有利的地形和物源條件,致使地質災害頻發,嚴重威脅居民的生產和生活,也制約了當地經濟的發展。

(1) 通過對研究區地質災害的分析得出,區內地質災害呈現帶狀集中展布式分布,與距構造帶距離和水系密度具有較強的相關性。距構造帶距離越遠,地質災害發育程度明顯減弱,同時隨著水系密度的減小,地質災害也表現出逐漸減弱的趨勢。區內地質災害主要分布在25°～60°坡度,200～500 m高程區段,橫向坡,泥質粉砂巖、粉砂巖、長石(石英)砂巖與粉砂巖互層巖組中。

(2) 本次基于GIS和信息量模型相結合的評價方法進行秭歸縣地質災害易發性評價,將研究區分為極高、高、中和低四級易發區。地質災害易發性分區規律與實際調查成果基本一致,能夠比較客觀反映地質災害危險的分布情況,為研究區地質災害預測和防治提供了有效依據。

(3) 由于研究區地質災害主要以滑坡為主,其他類型地質災害較少,故未對每種地質災害類型單獨進行易發性評價研究,但從評價結果上來看,綜合災種易發性分區規律仍能較好地反映實際地質災害分布情況,對于揭示秭歸縣地質災害分布特征和發育規律具有良好的借鑒作用。針對秭歸縣單一災種易發性研究,將會在未來工作中繼續深入探討,以期能更加全面客觀地反映秭歸縣地質災害發育規律。