基于GIS 的甘肅省東鄉縣鎖南鎮地質災害易發性和危險性分區評價

趙欣 陳寧

（1 甘肅省有色工程勘察設計研究院 甘肅蘭州 730000 2 西北師范大學地理與環境科學學院 甘肅蘭州 730070）

地質環境是人類生存和發展的基礎，由于環境惡化或人類不合理的開發利用導致的地質災害嚴重破壞人類賴以生存的環境，并且造成巨大的生命財產損失［1］，尤其在我國西北地區發生頻率較高［2］，地質災害風險管理難度較大［3］。東鄉族自治縣位于甘肅省中部西南面，臨夏回族自治州東北部，以東鄉族發祥地和絲綢古道南路上的重要通道而聞名，是全國唯一的以東鄉族為主體的少數民族自治縣。然而，區內溝壑密集，地形坡度較大且坡形、坡向多變，植被覆蓋率低，雨季集中，暴雨頻發，水土流失嚴重，加之區內特殊的黃土—泥巖組合的巖土體發育，崩塌、滑坡等地質災害發生頻繁，嚴重影響著境內人民群眾的生命財產安全［4］。因此，如何選擇合適的災害易發性評價方法，建立評價模型，劃分研究區內危險區域和易發性等級，為防災減災提供科學的指導，是當前的研究熱點之一。

1 研究區概況

鎖南鎮位于東鄉縣中部黃河上級支流巴謝河上游，臨夏盆地北緣，地勢為黃土覆蓋的殘梁及溝谷呈放射狀向四周延伸，區內出露地層主要為新近系臨夏組泥巖、砂巖與第四系黃土。

1.1 氣象

研究區地處黃土高原和青藏高原過渡地帶，屬溫帶半干旱氣候。區內多年平均降水量536 mm，24 h 最大降水量64.7 mm（1970 年8 月18 日），1 h 最大降水量45 mm，降水主要集中于6—9 月，占全年降水總量的70.4%，多年平均蒸發量為1 421.2 mm，是年均降水量的2.6 倍。降水多以暴雨和連陰雨的形式出現，年均暴雨天數2.9 d，最長連續降雨天數15 d，標準凍土深度120 cm。

1.2 地形特征

鎖南鎮地處東鄉縣中部，屬黃土丘陵地貌區，高程［2 068.1，2 460.3］ m，高差達［150，200］ m，基本形成以鎖南鎮為中心，黃土覆蓋的殘梁及溝谷呈放射狀向四周延伸的地勢特征。地貌類型決定了地形的此起彼伏，呈現出地形坡度、坡形、坡向的多變性。

1.2.1 坡度特征

利用1∶1 萬DEM 數據對東鄉縣鎖南鎮地形進行坡度因子提取，東鄉縣鎖南鎮坡度［0°，5°）的面積占9.8%；［5°，10°）的面積占6.3%；［10°，15°）的面積占17.9%；［15°，20°）的面積占18.1%；［20°，25°）的面積占12.7%；［25°，30°）的面積占10.1%；［30°，35°）的面積占9.1%；［35°，45°）的面積占12.7%；［45°，55°）的面積占3.1%；坡度≥55°地段極少，多為陡崖、斷壁，由于坡度過大，投影在平面上面積較小，僅占0.2%。

1.2.2 高差特征

區內斜坡坡高以 ［30，120）m 居多，占全區域面積的86.64%，其中坡高＜60 m 的地形占全縣總面積的47.46%，坡高［60，120）m 的地形占46.93%，坡高≥120 m 的占5.61%。這一比例也側面反映出本區溝谷發育，大部分地帶斜坡體高差較大，具有臨空面，為滑坡、崩塌的形成提供了非常有利的地形條件，是區內地質災害多發的重要因素之一。

1.3 地貌類型與特征

研究區地處黃土丘陵地貌單元內，鎖南鎮及其周邊呈溝梁相間的地形特征，梁頂起伏不大，總體呈緩坡狀的起伏形態，高差一般在［20，30］ m，寬［100，200］ m。研究區四周溝谷較發育，其溝谷底部與梁頂相對高差［150，200］ m，溝谷多呈“V”型，兩側坡度多在［20°，45°］，受雨水沖刷作用影響，近溝腦地帶側蝕和向源侵蝕嚴重，梁頂完整性較差，大部分地段已成為峁狀地形。原地形溝谷侵蝕切割強烈，梁頂完整性差，受人工改造作用大部分地段已成為階狀地形。

1.4 新構造運動

區內新構造運動明顯，以垂直升降運動為主，形成典型的黃土溝壑地形。區內各河谷形成多級階地，階地多呈基座式，且在各河谷兩岸分布呈不對稱性，表現為震蕩性及差異性抬升。新構造運動為本區滑坡的形成奠定了基礎。

1.5 地質災害發育特征

根據調查資料，研究區內共發育有滑坡（潛在滑坡）和崩塌（潛在崩塌）2 大類共170 處地質災害隱患點，其中滑坡（潛在滑坡）94 處，占比55%；崩塌（潛在崩塌）66 處，占比45%。滑坡（潛在滑坡）剖面形態多以“階梯型”為主，按照物質組成可分為土質滑坡（主要為黃土滑坡和殘坡積層滑坡）、巖土質滑坡和巖質滑坡（泥巖滑坡）3 類；按照滑體厚度可分淺層滑坡{［0，10）m}、中層滑坡{［10，25）m}、深層滑坡{［25，50）m}和超深層滑坡（≥50 m）。區內崩塌（潛在崩塌）剖面形態多以“直線型”為主，以人工斜坡為主，自然斜坡次之，人工斜坡坡寬數米至數十米不等，坡高［5，30］ m，坡度一般［50°，85°］；自然斜坡一般坡寬數十米至數百米不等，坡高［50，200］ m 不等。

2 地質災害易發性評價

2.1 評價方法

2.1.1 滑坡易發性評價

本文通過對研究區的已發生滑坡災害的規模、大小、地形特征、坡度、巖性等信息進行統計分析并依據滑坡形成條件，選擇地層巖性、斜坡結構類型、坡度、坡高和斜坡變形破壞特征等5 項影響因素（表1）采用易滑分值法進行滑坡易發程度綜合評判，滑坡易滑性分值計算見式（1）。

表1 滑坡易發程度量化評分表

式中：E滑表示滑坡易滑性分值；xi表示滑坡易發性影響因素；ai表示xi影響因素的權重。根據E滑值將滑坡易發性分為4 級：E滑≥25 對應高易發區，E滑=［20，25）對應中易發 區，E滑=［15，20）對應低易發區，E滑＜15 對應不發育區。

2.1.2 崩塌易發性評價

本文通過對研究區的已發生崩塌災害的實際情況和具體特點，最終確定崩塌形成的地形坡度、坡高、地層巖性、地質構造及發生頻率等5 項影響因素（表2）進行潛崩易發程度綜合評判，潛崩易發性分值計算見式（2）。

表2 崩塌易發程度量化評分表

式中：E崩表示崩塌易發性分值；xi表示崩塌易發的影響因素；ai表示xi影響因素的權重。根據E 崩值將崩塌易發性分為4 級：E崩≥25對應高易發區，E崩=［20，25）對應 中易發區，E崩=［15，19）對應低易發區，E崩＜15 對應不發育區。

2.1.3 易發性分區

根據易發性評價方法評判出每個評價單元的地質災害易發程度，并將其劃分為A、B、C、D 4 類，分別表示地質災害高、中、低易發區和不易發區，若有2 種或2 種以上的地質災害高易發區重疊時，則取值為4（表3）。

表3 地質災害易發程度取值表

2.2 評價單元

根據甘肅省 《重要城鎮地質災害調查與風險區劃技術導則》，將研究區的每個斜坡單元滑坡體和崩塌體視為一個完整對象，將災害體以外的斜坡帶、沖溝及其鄰近的地質環境背景相似的區域劃分為一個評價單元，以研究區地理底圖為基礎，充分考慮“區內相似、區際差異”原則和地質環境條件的差異性，將研究區劃分為不同的評價單元。對于地質環境條件相同的單元，可將單元合并；反之，地質環境條件變化明顯的單元，可將評價單元進一步細劃，主要根據單元內致災體的類型、特征、空間密度等，以使評價結果更為合理。

按照上述劃分原則，結合已確定的170 處地質災害隱患點和區內的地質環境條件，以鎖南鎮規劃區斜坡地帶為評價重點，并兼顧現狀地質災害和潛在地質災害發育特征，按照上述劃分方法，將研究區劃分成200 個評價單元。

2.3 評價結果

根據上述易發性評價方法，在定性分析和定量計算的基礎上，斜坡區評價單元與區內災害體評價單元采取 “就高原則”，即當定性分析的和定量計算得出的評價結論不一致時，取二者中的較高等級。將研究區劃分為地質災害高易發區、中易發區、低易發區和不發育區。其中，地質災害中易發區面積占比最大約7.81 km2，高易發區面積3.089 km2，低易發區面積2.44 km2，不發育區面積0.75 km2（表4）。

表4 地質災害易發性評價區劃結果

3 地質災害危險性評價

3.1 評價方法

基于目前各類危險性評價方法的優缺點，以及鎖南鎮地質災害的發育特征，本文在地質災害易發性評價的基礎上，以斜坡單元作為評價重點，兼顧現狀地質災害和潛在地質災害易發特征，通過對坡體失穩范圍的計算，考慮條件概率和動態變化過程，得出危險性分區結果。

3.1.1 滑坡（潛在滑坡）威脅范圍

對于斜坡變形的危害主要為其前緣危害區和其本身，在評價時，確定不同規模、頻率地質災害危害區范圍。滑坡直接或間接的最大影響范圍包括滑動區、滑體堆積區、裂縫區和堵斷河流的影響區。其堆積危害區范圍確定可按公式估算法計算。

（1）水平滑移距離。滑坡前緣滑移面的最大威脅距離，即為滑體影響范圍的最遠點，滑移的最大距離與坡高、滑速和滑移面上的摩擦系數有關，見式（3）。

式中：L（x）表示滑坡體最大水平滑移距離，m；△H 表示滑坡體前、后緣高差，m；n 表示滑坡體滑出條件系數，可參考表5 取［0.1，1.0］；φ 表示黃土的綜合內摩擦角（°）。

表5 滑坡體滑出條件系數表

2018 年7 月18 日，甘肅臨夏、定西等地發生短時強降雨，暴雨引發災害，特別是臨夏州東鄉縣受災嚴重，經對災后鎖南鎮隱患點排查的數據分析，預測值與實測值比較接近。

（2）橫向散開范圍。滑坡橫向散開的范圍與地形有關，一般取前緣寬的［1，2］倍。

3.1.2 滑坡概率計算

通過計算滑坡誘發因素的年超越概率來進行失穩概率分析，研究區滑坡的主要誘發因素為地震活動、降水條件和人類工程活動。根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）（2016版），東鄉縣設防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度按50 a 超越概率為10%計算，誘發滑坡的概率為0.0021。暴雨強度重現按50 a 一遇計算，則誘發滑坡的概率為0.02，20 a 一遇降雨，誘發滑坡的概率為0.05。

3.1.3 崩塌（潛在崩塌）

與易發性評價相同，崩塌（潛在崩塌）的威脅范圍和概率計算參照滑坡（潛在滑坡）評價方法，進而進行危險性評價。根據調查，區內發育的崩塌（潛在崩塌）平面形態多呈規則分布，剖面形態多為“直線型”。人工不穩定斜坡坡寬一般數米至數十米不等，坡高［5，30］ m，坡度［50°，85°］；自然不穩定斜坡坡寬一般數十米至數百米不等，坡高［50，200］ m，坡體總體上緩下陡，坡度［25°，40°］。大多在雨季有小規模的溜土、坍塌現象發生，同時受地形及人類工程活動的影響，易失穩嚴重威脅斜坡影響范圍內的人員及財產的安全。

3.2 評價單元

基于易發性評價劃分的200 個評價單元和斜坡影響范圍，將每個斜坡單元在暴雨工況下失穩的覆蓋范圍作為1 個評價單元、地震工況下失穩超出暴雨工況下的覆蓋范圍再作為1 個評價單元，而其他評價范圍不再單獨劃分危險性評價單元，故危險性評價共劃分出600 個評價單元。

3.3 評價結果

依據地質災害易發性分區和斜坡影響范圍的計算結果，對上述每個評價單元的危險性進行分析，對各評價單元危險性分級賦值，其中高、中、低危險區分別賦值為4、3、2。按照地質災害危險性評價方法，結合每個評價單元危險性計算結果，以“區內相似、區間相異”的原則，將研究區劃分為地質災害高危險區、中危險區和低危險區。地質災害高危險區面積為2.90 km2，中危險區面積為7.70 km2，低危險區面積為2.48 km2（表6）。

表6 地質災害危險性評價區劃結果

4 結論

（1）研究區目前共發育170 處地質災害隱患點，其中滑坡（潛在滑坡）占55%，崩塌（潛在崩塌）占45%。

（2）本文在傳統地質災害危險性評價方法的基礎上，將GIS技術應用于鎖南鎮地質災害易發性評價。根據鎖南鎮地質災害發育特征選取評價因子進行易發性評價，將研究區劃分為地質災害高易發區、中易發區、低易發區和不發育區，其面積分別為3.089、7.81、2.44 和0.75 km2，中易發區占比最大為55.5%，高易發區主要分布于研究區毛毛溝的溝腦斜坡地帶與溝腦右岸斜坡地帶。

（3）基于易發性評價，將研究區劃分為地質災害高危險區、中危險區和低危險區，其面積分別為2.90、7.70 和2.48 km2，中危險區占比最大為58.87%，高危險區主要分布于毛毛溝的溝腦斜坡地帶與溝腦右岸斜坡地帶。

（4）本文的評價結果與實際情況吻合，鎖南鎮未來的防治重點應側重于城鎮交通樞紐兩側、重要基礎設施區的黃土質滑坡。針對相同類型的災害區劃研究，未來可結合多重數據分析、機器學習算法的多源觀測模型來提高風險區劃的精度，最大程度管理好地質災害頻發區域。