ArcGIS在湖北省公路地質災害危險性評估中的應用★

楊吉紅，李 劍，侯欣雨

(1.湖北交投武天高速公路有限公司,湖北 天門 431701;2.湖北省交通規劃設計院股份有限公司,湖北 武漢 430051; 3.中國地質大學(武漢)工程學院,湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來,由于區域人口的增加和社會經濟的增加,城市化進程逐漸加快,公路工程也隨之快速發展。伴隨著公路的修建,兩側邊坡的自然地質條件被改變,應力平衡狀態遭到破壞,從而導致一系列自然災害的發生。

本文以整個湖北省的公路為研究對象,運用ArcGIS軟件對湖北省公路地質災害進行危險性分析與評估,科學判斷潛在的地質災害形成機制、規模和危險性,確定公路遭受地質災害的可能性和危險性等級,從而制定更加有效的安全措施,防止和降低災害發生對公路建設帶來的危害,保障公路的正常運行。

1 研究區概況

湖北省地處華中腹地、長江經濟帶中段[1]、全省西、北、東三面被山體環繞,地質條件較為復雜;境內地形地貌復雜多樣,包括山地、丘陵、平原和盆地等多種類型,其中以武漢市為中心的江漢平原、襄陽市所在的江陵盆地和咸寧市所在的江漢丘陵較為典型;研究區地處揚子古陸的東部邊緣,經歷了早古生代泛海及后來的大陸碰撞等過程,形成了一系列不同程度的褶皺、斷裂和逆沖構造,地質構造復雜,山體較為破碎,易滑地層、易溶巖層廣泛分布,尤其是鄂西、鄂東山地丘陵地區具有良好的孕災條件。

巖漿巖、沉積巖、變質巖在湖北省均有所分布。其中,沉積巖分布在鄂西地區、宜昌峽東地區;巖漿巖主要分布在大別山地區、鄂西黃陵地區和鄂東南地區;變質巖主要分布于武當—桐柏—大別山地區,該地區出露有世界上面積最大、保存最為完好的超高壓變質帶——大別山超高壓變質帶[2]。

受氣候條件、地形地貌、地質構造、地層巖性等因素的綜合作用,湖北省公路在修建和運行過程中,地質災害普遍發育,常見的地質災害主要包括滑坡、泥石流、巖溶塌陷。湖北省等高線分布圖見圖1。

2 危險性評估方法與原則

公路地質災害危險性評估是對公路所在地區的地質環境、地形地貌、水文地質等方面信息分析,結合公路工程設計和建設過程中的施工方式、技術規范及相關標準,對該地區可能出現的各類地質災害進行綜合評價,以確定潛在地質災害發生的可能和對公路安全運行造成的危害程度,對于危險性較大的地區及時采取相應的修復及防治措施,從而提升公路的安全性和通行能力。

2.1 評估方法

隨著公路交通事業的快速發展,人們對公路地質災害的重視程度大幅度提高,對災害區劃與防治的研究也逐漸加深并系統化,大致形成一套適用于災害研究的理論與方法體系。常見的地質災害評估方法有地理信息系統技術(GIS)、數學模型法、數值模擬法、地質勘查與現場調查法、統計分析法等(見表1)。

表1 地質災害評估方法優缺點

綜合對比以上幾種評估方法的優缺點,GIS技術具有以下優越性:

1)數據整合與分析:GIS能夠整合各種空間數據(包括地形、地貌、氣候、人口等),通過空間分析功能,揭示地質災害與空間因素之間的關系,提供全面的評估數據。

2)空間可視化與展示:GIS能夠將地理數據以圖形方式表示,提供直觀、易懂的地圖展示,可幫助決策者和公眾更好地理解地質災害評估結果,促進溝通和決策。

3)模型建立與預測:GIS可以與數學統計模型和數值模擬模型集成,通過空間分析和數據挖掘技術,預測地質災害的可能性和風險區域。

4)空間決策支持:GIS提供了一套空間決策支持系統,能夠幫助決策者進行地質災害風險評估、規劃和管理,優化資源配置和風險防控策略。

基于本次評價具有目標明確、范圍廣、所需數據種類多、精度要求高等特點,選用GIS技術進行本次地質災害評估。雖然GIS技術存在一定的不足之處,但是可以通過合理的方法和策略來減輕它們對評估結果的影響。如:

1)建立完善的數據管理系統,確保數據的有效性、完整性和一致性。采用標準化的數據格式和數據描述,以方便數據的共享和使用。同時建立數據質量控制流程,并進行定期的數據驗證和修正,提高數據的可靠性。

2)選擇更高分辨率的遙感影像或其他地理數據,以捕捉更詳細的地理特征和細節[3]。使用高分辨率衛星影像、航空影像或無人機數據作為數據源,提高數據的準確度和精度。

3)加強用戶培訓和技術支持,提高相關人員對GIS技術的應用能力。提供對用戶友好的界面和工具,簡化操作流程,降低使用門檻。同時,建立積極的用戶交流平臺,促進加經驗分享和問題解決。

ArcGIS是基于GIS技術的一款軟件,可以將包括地形數據、地貌數據、降雨數據、水系分布、土地利用類型等多種數據進行整合與集成,并在一張地圖上呈現出這些數據之間的關系。使用ArcGIS軟件進行地質災害危險性評估可以有效提高工作效率和準確性,為制定科學、規范和可行的預防措施提供有力的支持,保障公路的安全運行。

2.2 評估原則

1)評估過程中需要充分考慮周圍的自然、人文、物理等方面的因素對災害的影響,堅持以人為本、以工程建設為中心的原則,保障建設工程的安全運行。

2)地質災害危險性評估旨在為災害預防工作提供科學依據,預防應當放在首位,減輕災害損失是評估的核心目標之一。

3)突出重點的原則,關注地質災害易發區,特別關注規模較大的、距建設工程近的、危害大的地質災害[4]。

3 湖北省公路地質災害危險性評估

3.1 公路地質災害危險性分區

公路地質災害危險性分區是根據地質災害發生的概率和危害程度,將公路線路劃分為不同的風險區域。這可以幫助交通部門和相關機構采取相應的防范和管理措施,以確保公路的安全運行。具體步驟如下:

1)數據收集:在DataV網站、地理空間數據云等網站中獲取湖北省邊界、衛星遙感數據、DEM數字高程數據、地形地貌、氣候等數據。

2)數據預處理:對獲取的原始數據進行格式轉換、投影變換等預處理操作,使得數據具有一致性和統一性。

3)數據準備:根據地質災害類型(如滑坡、崩塌、泥石流等)的要求,對所得數據進行提取和處理。例如,可以提取出土壤類型、坡度、坡向、河流網絡等數據。

4)參數分析:根據地質災害危險性評估的方法和模型,使用ArcGIS中的地形分析、遙感分析、空間插值等工具和功能,對數據進行處理和分析。

5)排序和權重設置:根據地質災害危險性評估的要求,將評價因子進行排序和權重設置,以確定不同因子對地質災害的影響程度。

6)模型建立和分析:根據已有的地質災害危險性評估模型,將參數和權重輸入模型中進行分析和計算。使用ArcGIS中的模型構建工具,創建、運行和管理分析模型。

7)結果展示:根據分析結果,生成地質災害危險性分區圖(如圖2所示)。按照危險等級將湖北省劃分為5個等級的危險性區域,分別為高危險區、較高危險區、中危險區、較低危險區和低危險區[5-6],依據圖2中的危險性分區可以為湖北省公路建設和管理工作提供相應的指導。

3.2 公路地質災害危險性分析

根據分區結果,湖北省公路地質災害高危險區、較高危險區、中危險區、較低危險區和低危險區占比分別為18%,25%,26%,17%和14%,總體上約69%的區域屬于地質災害危險區,是我國地質災害多發的省份。

3.2.1 高危險區

鄂西南地區的巴東縣、利川市、恩施市、咸豐縣、鶴峰縣、來鳳縣、五峰縣以及武漢市黃坡北部等是地質災害高危險區。

鄂西南地區以中山為主,地勢高陡;平均年降雨量層狀可溶巖廣泛分布且溶蝕強烈,軟弱結構面發育;由于具備豐富的地質礦藏,人類活動主要為切坡棄渣及采礦活動,隨著西部大開發戰略的實施,宜萬鐵路、滬蓉高速等工程的修建,對該地區的地質環境造成一定的破壞,使得該地區滑坡、巖溶塌陷、泥石流等地質災害頻發。

武漢市黃坡北部位于大別山南麓,以丘陵山地為主,地勢相對較高且起伏較大,地質構造復雜,存在多條地質斷裂帶和地質褶皺,地表地殼運動活躍,地震風險較高,從而易引發滑坡、地面塌陷等地質災害。

3.2.2 較高危險區

鄂西北地區的十堰市、鄖縣、鄖西縣、丹江口市、竹溪縣、竹山縣、房縣、神農架林區、谷城縣,鄂東南地區的鄂州市、武漢南部、嵩陽縣、通山縣、通城縣、赤壁市,鄂東北地區的羅田縣、英山縣等位于地質災害危險度較高的區域。

鄂西北地區平均年降雨量約為800 mm～1 000 mm,以中低山為主,坡度陡峭,該區域的神農架高程達到3 105.4 m;北部地區巖性為變質巖,南部地區以碳酸鹽巖和碳酸鹽巖夾碎屑巖為主;人類活動主要有水庫運行、采礦活動和公路切坡。受人為因素及自然因素的影響,該地區常見的地質災害為崩塌、滑坡和泥石流。

鄂東南地區以低山、丘陵為主,谷深坡陡;通山、嵩陽以碳酸鹽巖、碳酸鹽巖夾碎屑巖為主,通城縣為花崗巖侵入區,風化砂層較厚;受采礦、修路切坡等活動的影響,泥石流、滑坡災害頻發。鄂州、武漢南部、赤壁等地區以丘崗為主,地形起伏小;巖性為碳酸鹽巖和碳酸鹽巖夾碎屑巖,上覆黏性土層,隱伏巖溶發育;人類活動主要為地下水開采與排放,該地區易發生巖溶塌陷。

鄂東北地區位于降雨帶中心,年均降雨量約為1 300 mm;中低山為主,坡度陡;巖性為變質火山巖、片麻巖,風化砂層較厚;區域內植被覆蓋度較低,水土流失嚴重;人類活動主要為修建公路和地熱開采,容易引發滑坡、泥石流災害。

3.2.3 中危險區

鄂北地區的宜城市、廣水市、大悟縣、隨州市等地區地質災害危險性等級為中等。

宜城市、廣水市地處江漢平原,地勢相對平坦,主要地質構造較為穩定。該地區的地質特點主要包括黃土、河流沖積平原和濕地等。地下水資源豐富,水位較高,易導致土壤液化和地下水涌出等地質災害。

大悟縣位于鄂北山區,以山地和丘陵為主,山地地形陡峭,地質構造復雜,易發生滑坡、崩塌和地面沉降等地質災害。

隨州市地處鄂北地區中部,地勢起伏較大,山地、丘陵和平原交錯;地質構造復雜,存在多個構造帶和斷裂帶,黃土、火山巖、變質巖和沉積巖等均有分布。由于地形起伏和地質條件的復雜性,該地區易受滑坡、地震和地面沉降等地質災害的影響。

3.2.4 較低危險區和低危險區

鄂中地區大部分區域處于低危險、較低危險區。該地區地勢相對平坦,沒有陡峭的山地或懸崖峭壁;地質條件較為穩定,沒有明顯的地震或地質構造活動,地下水位相對較低,巖石穩定性較高。此外,該地區的公路在修建之前往往經過精細規劃與設計,充分考慮地質條件,避免了在地質災害多發地區建設公路。

4 公路地質災害的防治措施

根據危險性評估結果,對地質災害發生概率較高的區域進行重點觀測和監測,并采取相應的治理措施,從而提高公路地質災害防范水平和救援能力。根據湖北省易發生的幾種地質災害,采取一些針對性的防治措施如下。

4.1 滑坡的防治措施

1)在公路選址時應盡可能避免選擇在地質災害易發區域進行建設,比如陡坡地帶、生成斷層及其周圍地帶、老滑坡和巖溶峰林等。

2)施工時要全面考慮路段的地質條件,根據邊坡的開挖深度、巖性、地形條件等,合理設計邊坡的坡度與坡型[7]。

3)對有地質災害風險的公路路段,要進行實時監測,根據不同的監測數據設置相應的報警值,一旦達到預警級別必須立即采取緊急措施;對于已出現地質災害隱患的地段,應根據隱患點類型,采取相應的加固、隔離等防護措施,比如固結、灌漿、加土、鑿洞、擋土墻、護欄等,進一步強化公路安全。

4)公路的排水系統是防治地災害的重要措施之一。除了設置泄水孔、雨水桶等排水設施外,還可以采取建設引水渠、攔擋坑等方式,將雨水往低處導流,以減少水土流失和公路被淹情況。

5)在易發生滑坡的區域進行植被覆蓋,增加生態覆蓋率,可以保護水源、防止滑坡,延緩土壤侵蝕,降低地質災害的發生。

4.2 泥石流的防治措施

1)在建設公路前對沿線區域進行地質勘察,評估風險并采取預防措施。

2)在公路修建時,對路基進行加固填方處理,增加公路的承載能力,降低泥石流來襲的損害。

3)對于已運行的公路,在公路兩側的邊坡上安裝各種監測系統,如泥石流監測儀、雨量監測儀等來實時監測公路周邊的地形地貌和天氣變化,及時預警并采取應對措施。

4)在坡面上挖掘溝槽,收集山體中的雨水和積雪融化后產生的泥石流,并將其引導到安全地帶;設置隔離柵欄或護欄,以避免泥石流襲擊公路和車輛。

5)一旦發生泥石流,應及時清理路面上的雜物以恢復交通正常。

4.3 巖溶塌陷的防治措施

1)在選擇公路建設路線時,應對擬建線路進行詳細的勘查,若線路需要穿過懸掛滑坡、巖洞、水源區等不穩定地質區域時則改變路線;若不能更改則安排適當的加固措施,同時也要嚴密監測相關地質災害的變化情況,并進行相應的處理和修繕。

2)在容易發生巖溶塌陷的區域進行實時監測,并通過各種手段收集相關數據,對可能發生的危險情況進行預警并及時采取維修和加固措施。

3)用合理的排水措施,保持路面干燥,減少水的滲透和侵蝕;禁止或限制在評估區內過量開采地下水。

4)禁止在評估區開展大型爆破試驗或進行大規模的機械振動[7]。

5 結語

通過對湖北省公路地質災害危險性進行評估,湖北省約69%的地區屬于危險區。其中,鄂中地區較為穩定,鄂西、鄂東以及鄂北地區受地質條件以及人類活動的影響,危險性較大。為降低地質災害對公路的危險性,保障公路的正常運行,根據不同的災害類型提出針對性措施進行防治。