胡 鵬,王念秦,宋貴昌,趙世龍,喬丁丁,郝 業
(1.西安科技大學 地質與環境學院,陜西 西安 710054;2.陜西天地地質有限責任公司,陜西 西安 710054)
地質災害被認為是在地球表面自然或人為引起的巖土體或巖土碎屑和水的混合物移動的災害性事件[1-2]。位于秦嶺北麓的陜西省西安市臨潼區仁宗街道為滿足社會經濟飛速發展需求,不斷加強人類經濟工程,切坡建房、削坡修路等逐年遞增。由此表現出滑坡、崩塌在人類活動強烈的時期相對集中;同時境內地質災害形成誘發因素幾乎都與降雨有關。
20世紀下半葉始,專家學者針對地質災害風險評估方法、評價單元、評價指標等各方面做出了許多創新,提出了大量的方法、模型、單元分割技術等[3-6],其主要趨勢是基于GIS提出了許多地質災害易發性區劃模型,目前較為常見的區劃模型包括:熵模型[7]、支持向量機模型[8]、人工神經網絡模型[9]、隨機森林模型[10]等?;谶@些模型,半定量化地確定地質災害易發性指標,對各敏感性指標進行疊加處理,并進行粗略的易發性、危險性分區,并缺少有效的驗證。
以斜坡為單元開展山區城鎮大比例尺滑坡危險性評價,能夠較準確地預測滑坡發生的具體空間位置[11]。我國先后部署進行了1∶100 000地質災害調查與區劃、1∶50 000地質災害詳細調查、1∶50 000地質災害風險調查評價等,與其相比,此次的風險評估(1∶10 000),針對仁宗街道開展地質災害風險評估更加側重孕災地質條件調查,調查精度更高,調查詳細程度和投入的時間更多,對調查區地質災害發育和孕災條件特征調查和分析更深入;評價尺度更小、針對性更強。至此,在1∶10 000地質災害詳細調查基礎上,對仁宗街道調查孕災地質條件和歷史災情,識別新的地質災害隱患點,總結其發育特征及其影響因素;并利用GIS技術以斜坡為單元來確定仁宗街道地質災害易發性、危險性,調查評價地質災害承災體易損性,開展區域地質災害風險評估,劃定地質災害風險防治區,并分別提出了基于防災減災和工程建設的地質災害風險管控措施建議,為仁宗街道防災減災、國土空間規劃和用途管制等提供基礎依據和技術支撐,有利于提高地方政府科學決策效率和精準性,提升地質災害防治水平。
研究區仁宗街道位于臨潼區南部(109°12′30″~109°20′50″E、34°17′18″~34°23′06″N),地處驪山北麓,東西長約13 km,南北寬約10.8 km,總面積61.96 km2,包含玉川村、仁宗村、莊王村、茨林村、芋坡村、房巖村、壕栗村7個行政村。境內常年四季冷暖、干濕分明,降雨季節分配不均,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年平均氣溫14.3 ℃,極端低溫-16.5 ℃,極端高溫42.2 ℃;多年平均降水量約635 mm,7-9月是主要降水期,其中9月為降雨峰值期,降水強度明顯大于其他月份,且多伴隨大雨和暴雨。降水量最大年份為2021年,降水量達1 081.5 mm。境內地下水類型為第四系松散層孔隙潛水和基巖構造裂隙水,其主要來源于南部低山丘陵及下部深層地下水承壓補給,大氣降水補給次之。
仁宗街道整體呈“西北高、東南低”地勢,地貌由東南向西北可劃分為兩大地貌單元:黃土丘陵溝壑區和驪山斷塊基巖山區,海拔520~1 302 m。黃土丘陵溝壑區面積30.25 km2,位于仁宗街道東部和東南部,侵蝕強烈,水土流失嚴重;驪山斷塊基巖山區面積31.44 km2,位于仁宗街道西北部,南坡緩、北坡陡,溝壑密度大,地形破碎,海拔1 000 m左右,最高海拔仁宗廟1 302 m,四周斷層發育,溝谷深切呈陡狹的“V”字形,分水嶺梁脊一般呈渾圓平頂狀,平緩耕地或建設用地較少。仁宗街道西北部驪山斷塊基巖山區山體由太古界、下元古界變質巖系組成基底,中生代花崗巖侵入,周圍出露新生代地層,斷層發育,巖層破碎?;鶐r山區主要出露太古界太華群變質巖,燕山期花崗巖以巖株侵入太華群地層中;東部及東南部黃土丘陵山區主要為第四紀風積黃土和古近系漸新統砂質泥巖、細砂巖夾灰白色含礫中粗砂巖。境內地質構造主要為小型斷層和隱伏活動斷裂,鄰近區域的主要斷裂有驪山北緣斷裂、臨潼-長安斷裂以及老鴉溝斷裂等。
在詳盡分析已發生地質災害歷史數據的基礎上,綜合野外調查和研究區高分辨率遙感影像數據解譯提取,確定仁宗街道發育40處地質災害隱患點,其險情等級以中小型為主,包括滑坡20處(大型1處、中型2處,小型17處)和崩塌20處(中型3處,小型17處),占地質災害隱患點數的50%。仁宗街道黃土丘陵溝壑區發育滑坡和崩塌兩類,其中滑坡以黃土層內滑坡為主、其次為黃土-泥巖接觸面滑坡,少量為砂泥巖殘坡積層滑坡,滑坡規模以小型為主,中大型較少,對人員和財產威脅較大的往往是小型滑坡;崩塌主要為土質崩塌,其中絕大多數為黃土崩塌,少量為殘坡積層崩塌隱患,規模等級以小型為主,與人為切坡活動關系密切,在居民區屋后的高陡斜坡往往構成較大的地質災害隱患。驪山斷塊基巖山區的滑坡主要以淺層殘坡積層滑坡為主,規模主要為小型,與人類切坡建房、修路等活動密切相關,常呈周期性發生,雖規模一般不大,但因為主要分布于交通干線兩側及居民區屋后,對人員和建構筑物具有一定威脅;驪山斷塊基巖山區的1處崩塌隱患均與人類不合理切坡有關,受人為切坡難易程度影響。
仁宗街道的地質災害分布規律嚴格受自然地質條件和人為因素的共同制約,數量多、分布面廣,主要分布在人類工程活動強烈的時期和區域,在豐水年份和豐水季節相對集中。因此,研究區地質災害主要受地形地貌、人類活動和降雨影響。
地形地貌與滑坡發生的關系十分密切,是滑坡形成的主控因素之一[12]。堆積、侵蝕作用形成的宏觀地貌是影響地質災害發育位置的宏觀因素,地形越平坦寬闊、地質災害發育頻率越低,地表切割越強烈、地形越復雜、則地質災害越發育;而斜坡的坡形、坡高、坡度、坡向以及沖溝、凹槽等構成的微觀地貌,是影響地質災害發育類型和規模的微觀因素。仁宗街道整體地質環境條件較差,平緩耕地及建設用地少。
境內引發地質災害的人類工程活動主要為人為切坡建房、修路。仁宗街道地形起伏變化大,平緩地形少,居住環境有限。人們為生存需要,切坡建房和修路難以完全避免,但切坡往往會加劇房前屋后斜坡體變形。另由于切坡保護措施不當,加上降雨凍融等誘發因素極易引發地質災害。地質災害分布于居民點屋后、道路旁高陡斜坡處、溝谷兩側,往往構成較大的地質災害隱患。
境內雨季地質災害的發育概率明顯增高,境內地質災害形成誘發因素幾乎都與降雨有關。連續性降雨時,因地表水持續對斜坡的滲透,故崩塌、滑坡發生的概率明顯增大。當坡體存在優勢滲透通道時,降雨所形成的地表徑流沿裂隙的大量灌入,使坡體含水量增加,甚至達到飽和狀態,在坡體內部也形成不斷擴大的飽和區[13],增加斜坡重量,加大了斜坡內的剪切下滑力,降低土體顆粒間黏結力和滑帶土的抗剪強度,同時造成地下潛水位升高,靜、動水壓力增大,造成斜坡整體發生變形[14]。另外,地下水對巖土固體骨架會產生溶蝕作用,并產生空隙水壓力和滲透壓力,削減了有效應力,從而降低斜坡穩定性,不利于坡體的穩定。
建立地質災害風險評估體系的第一步驟是確定斜坡單元[15]。以工作區地理底圖(來自西安市臨潼區仁宗街道地質災害風險調查組航訓成果)為基礎,根據地質環境條件的相似程度,將評價區域劃分為不同單元。合并地質環境條件變化不明顯的斜坡單元,細化地質環境條件變化明顯的斜坡單元。據此,將仁宗街道劃分成663個斜坡單元來進行風險評估(圖1)。

圖1 仁宗街道斜坡單元及柵格單元劃分圖
美國滑坡學者VARNES[16]提出災害風險概念,包括地質災害發生的可能性和其發生后導致的損失兩個方面[4],主要評估斜坡單元某一時間段內地質災害對生命類和經濟類承災體所造成的潛在綜合損失風險[17]。地質災害風險值越高,表示未來發生地質災害的風險性就越大。風險值是在危險性分析和承災體易損性分析的基礎上獲得的,可用危險性指數、承災體價值及其易損性的乘積來表示。地質災害危險性是在某些引發因素作用下,在一定區域內某一時間段發生地質災害的可能性[18]。地質災害危險性評價是指在地質災害易發性評價的基礎上,疊加區域內主要誘發因素致災概率圖層,如降雨因素,對區域內某一時間段發生特定規模和類型地質災害的可能性進行評價。地質災害易發性是風險評估的基礎,可以為地質災害空間概率提供中間數據[19],是指一定區域內由孕災地質條件控制的地質災害發生的可能性,是充分考慮各種地質環境因素的疊加作用來評價某特定地質環境中產生地質災害的可能性[20]。地質災害易損性是指地質災害發生后,在其影響范圍內的承災體可能遭受破壞的嚴重程度[17]。承災體包括建筑物、道路和人口分布三類。風險值計算公式如下:
依據上述辨識所得的兩個傳遞函數,求取得出與模型相對應的DMC控制器,結合2.2中提出的加權算法,構成本文提到的多模型DMC控制器;同時,采取在工作點1下的單一模型作為仿真被控對象,設計傳統的PID控制器。其結構如圖4所示。
(1)
式中:R為某工況下某評價單元風險值;H為某工況下某評價單元的危險性指數;Ej、Vj分別為某工況下某評價單元內第j個承災體的價值和易損性;Yi為第i個斜坡單元的易發性指數;Fj為某單元某指標權重;Sj為某單元某指標賦值;Ymax-最大易發性指數;Lmax/day為日最大降雨量值;L為大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨四種不同工況下的降雨量。
根據仁宗街道地質災害發育規律及形成條件,基于精度5 m的DEM數據、1∶10 000比例尺的地形數據、野外調查及工程勘查中采集數據,分析后選取坡度、坡高、坡向、坡型、巖土體類型、斜坡結構、道路緩沖區、切坡高度、植被覆蓋指數(NDVI)等9個影響因子(表1),并繪制成各自的易發性評價指標圖(圖2a~圖2i)。按照劃分的斜坡單元,根據每個指標權重和賦值統計每個斜坡單元內的易發性值Yi,形成基于斜坡單元的仁宗街道地質災害易發性圖(圖2j)。

表1 地質災害易發性評價指標分類與來源表

圖2 仁宗街道地質災害風險評估指標圖
根據歷史資料,地震在此地區發生概率較小,為此不考慮地震作用,只考慮降雨對地質災害危險性的影響。根據臨潼區多年降雨情況,Lmax/day為100 mm,L分別取值:50 mm(大雨)、75 mm(暴雨)、100 mm(大暴雨)、150 mm(特大暴雨),求得由降雨誘發的斜坡失穩概率(L/Lmax/day),對易發性圖疊加得到降雨工況下斜坡危險性指數(H),形成地質災害危險性圖(圖2k)。建筑物依據第三次國土調查數據成果的地類提取,結合現場調查和高精度遙感影像的識別提取和綜合分析后,確定建筑密度和結構類型指標;人口分布主要依據第七次人口普查數據,在現場調查中對各斜坡單元內承災體進行比對;據此分別形成建筑物易損性圖、道路易損性圖和人口分布核密度圖(圖2l~圖2n)。將不同類型承災體易損性進行疊加,獲得綜合易損性評價圖(圖2o)。
根據野外對663個斜坡單元的穩定狀況及其發展趨勢做出評價,確定其穩定性后通過疊加承災體的數量及屬性特征確定危害性,以表2作為定性評價劃分標準,就高不就低的原則,定性判定了仁宗街道663個斜坡單元的風險等級,確定了仁宗街道境內斜坡單元風險定性評價結果(表3,圖3)。仁宗街道663個斜坡單元風險定性評價結果中無極高風險性斜坡,是因為境內人員總數低且人員居住較分散、無重大產業及工程建設,因此危害性等級較低;高風險性斜坡總計28處(4.22%);中風險性斜坡總計73處(11.01%);低風險斜坡共562處(84.77%)。

表2 地質災害風險等級劃分表

表3 斜坡單元地質災害風險定性評價結果表
根據野外調查的地質災害定性評估和定量疊加危險性、易損性計算得出的仁宗街道地質災害風險值,對仁宗街道663個斜坡單元逐一進行風險等級判定,確定了仁宗街道斜坡單元地質災害綜合風險評估圖(表4,圖4)。由表4可知,26處(占比3.92%)高風險斜坡面積1.51 km2(占比2.44%),含地質災害隱患點20個,主要分布于居民聚集或道路通過的存在人工切坡的區域,涉及調查區內所有行政村,與區內人口分布較分散有關,該類斜坡受人類工程活動和自然環境共同影響,普遍裂隙發育、風化強烈,歷史災險情較多。75處(占比11.31%)中風險斜坡面積5.48 km2(占比8.85%),含地質災害隱患點19個,主要分布于主要交通線路沿線,受修路切坡和半挖半填等人類工程活動影響,該區域普遍存在人工邊坡及填方區域,且在一些填方邊坡下有村民居住,在降雨等誘發作用下易形成災險情。562處(占比84.77%)低風險斜坡面積54.97 km2(88.71%),含地質災害隱患點1個,主要位于道路不通和無人居住的斜坡區,或一些地質災害災險情較低的區域,是由人類工程活動較少所致??傊?,因改善居住條件和當地發展需要,切坡建房、削坡修路等人類工程活動強烈,造成高、中風險性斜坡百余處,嚴重威脅著當地人民生命和財產安全,本著“以人為本”和“生命至上”的原則,此類中、高風險等級斜坡應該引起當地群眾和管理部門足夠重視。

表4 仁宗街道斜坡單元風險性等級及面積統計表

圖4 仁宗街道地質災害綜合風險評價圖

圖5 茨林村高風險斜坡(XP0089)

圖6 壕栗村高風險斜坡(XP0252)
從26處高風險等級斜坡中選取2處高風險斜坡進行了野外實地驗證,來確保本次地質災害風險評估的準確性。
該高風險斜坡位于茨林村,斜坡單元編號XP0089。所處地貌類型為黃土丘陵溝壑區,出露地層主要為第四系黃土。該處村民集中居住于斜坡中上部,人們在斜坡上切坡修筑平坦地形進行建房、修路,居民主要分兩排居住于階梯型斜坡上下平臺,平臺間高陡邊坡高約10 m,2021年雨季,該高陡邊坡發生滑塌,滑塌體寬度約30 m,造成坡腳一戶村民房屋嚴重受損,此外,其房屋門口斜坡也發生小范圍淺層滑動,造成門口道路開裂、塌陷;現場調查發現,上部平臺聯排居住的村民房屋內橫向有數十米長裂縫,部分村民家中有與斜坡傾向相同的拉張裂縫,裂縫寬1~3 cm,顯示上部平臺坡體有滑動趨勢。該風險斜坡內危險區域共有村民12戶、42人、房屋46間,威脅財產約380萬元,綜合風險評價確定該斜坡為高風險,結果合理。
本次評估仁宗街道內無地質災害極高風險斜坡,是由于仁宗街道屬驪山山區和黃土丘陵溝壑區,人口密度和固定資產經濟總量總體較低。境內地質災害總體表現為“規模小、突發性強、成災率高、危害性等級偏低”等特點,鮮有群死群傷和造成重大經濟損失的地質災害。
考慮地質災害風險、人口聚集區、擬建(在建)重要工程區這三類因素,將仁宗街道劃分為三級地質災害防治區,得出仁宗街道地質災害防治區劃圖,共分為52個防治區,即重點防治區10個,次重點防治區35個,一般防治區7個(圖7)。

圖7 仁宗街道地質災害防治區劃圖
仁宗街道10處重點防治區總面積1.02 km2(占防治區總面積的1.65%),主要位于居民居住較集中、建房修路切坡程度高、存在大量高陡斜坡的高風險斜坡和主要交通干線沿線,此類區域地質環境條件差、人類活動頻繁、工程擾動誘發地質災害可能性大,在強降雨等外界誘發因素作用下極易發生地質災害,且一旦發生可能造成重大人員或財產損失,影響較嚴重。35處次重點防治區總面積1.49 km2(占防治區總面積的2.42%),主要位于西部驪山斷塊基巖山區灞臨路、斜仁路、土仁路等道路沿線和東部黃土丘陵區代仁路以及通村道路、居民聚集區,此類區域地質環境條件較差,人類工程活動頻繁,在強降雨作用下,常有小范圍變形滑塌現象,可能造成一定的人員和財產損失。按行政村范圍劃分的7處一般防治區總面積59.44 km2(占防治區總面積的95.93%),主要分布于西部驪山斷塊基巖山區道路沿線以外、中部山區、東部和東南部人跡罕至的溝谷區,主要包括境內無人居住或人跡罕至的斜坡區,此外還包括人口密度低、地質災害易發性和危險程度低的斜坡區。
3.2.1 地質災害隱患點風險防控措施
充分利用“天-空-地-深”一體化風險識別調查體系,開展對仁宗街道40處地質災害隱患點和防治區精細化調查評價。在地質災害隱患點附近顯著位置設立警示標識,做好觀察和監測,采取必要的防災措施,達到提前避讓和預防危害發生的目的。對于已經搬遷的災害點,受威脅房屋應盡量拆除。仁宗街道有5處地質災害隱患點已于2021年完成工程治理,有3處已于2022年完成工程治理。經分析其余地質災害隱患點特征,建議對下官組崩塌、石河組崩塌2#等2處地質災害隱患點實施排危除險,對黃樓組滑坡、芋坡組崩塌、莊坪組崩塌等12處地質災害隱患點進行工程治理。仁宗街道境內主要為低山區和丘陵區,人員居住分布零散,個別災害點威脅對象少但危險程度高、治理難度大。因此,考慮到經濟性原則,對災害體規模大、防治難度高、防治費用高、威脅對象少的災害點建議采取搬遷避讓的措施。本次建議對上官組崩塌和南灣組滑坡兩處地質災害點的威脅對象進行搬遷避讓。
3.2.2 地質災害風險斜坡風險防控措施
建立針對仁宗街道地質災害風險斜坡的管控臺賬和群測群防體系,實現“隱患點+防治區”雙控。根據氣象預報數據確定氣象預警區劃,將氣象預警區劃格點預報疊加風險斜坡,與氣象預報結合提高預警精度,實現風險斜坡地質災害預警。境內建議建設場地選擇在坡體地質結構穩定、巖土體結構簡單的地段;移民搬遷新址應選擇在凹型和階梯型坡等逆向類斜坡附近,盡量遠離直線型和凸起型正向類斜坡,坡度以<30°為宜;盡量避開節理、裂隙、地下水活動強烈等易引發地質災害的地段;應盡量選擇在位置相對較高的坡臺、頂面平緩寬闊的低緩小山丘或高地上,盡量避免選擇在堆積層厚、坡面沖溝發育、坡形復雜、地勢較低、溝谷呈扇形的溝口洪積扇、河谷高漫灘、坡積層較厚的坡裙、坡腳及沖溝坡谷流通面位置。
根據地質災害點分布與切坡程度關系分析,仁宗街道允許建設區主要位于南部和東南部黃土丘陵溝壑區,也是地質災害多發區。境內不合理的切坡建房、修路等是誘發地質災害的主要因素,呈現出切坡密度和程度越大的區域,地質災害點密度也越大的特點(圖8)。

圖8 仁宗街道地質災害點分布與切坡程度關系圖
至此,提出仁宗街道工程建設引發地質災害的兩種模式:切坡建房致災模式和削坡修路致災模式。切坡建房致災模式主要發生在居民房屋后,在境內最為普遍和具有代表性。以崩塌、滑坡為主,其中東部黃土丘陵區以黃土崩塌最為典型,南部以堆積層滑坡為主。據調查結果,凡谷沿坡比小于0.4的宅基邊坡一般存在崩塌隱患。削坡修路致災模式主要發生在交通沿線,引發的地質災害主要是崩塌、滑坡,其前兆特征是道路兩旁有危石滾下或者路面裂縫、深陷,隨后往往有崩塌或滑坡發生。
總之,按照“發現隱患、監測隱患、發布預警、果斷撤離”地質災害防治全鏈條閉環管理思路,要以精細化風險識別、動態化風險調整、層級化責任落實、精準化風險預警、規范化風險防御、多元化群眾參與、多樣化風險分擔、制度化風險管理、專業化技術支撐、智慧化信息服務的“十化模式”,來構建仁宗街道的地質災害“隱患點+防治區”雙控管理思路和經驗。建立“隱患點+風險區”清單、避險轉移人員清單、避險場所清單;實施隱患點認定與核銷動態更新、風險區范圍和風險等級動態調整;建立地質災害風險區“縣長-鎮長-村主任-組長-片長-坡長”的責任體系,并落實獎勵激勵措施;采用區域地質災害氣象預報預警和隱患點風險區專業監測預警兩種方式相結合精準風險預警;適時會商研判趨勢、預報預警分級響應、避險人員果斷撤離、災情險情應急響應;積極科普宣傳、提高防災減災意識,群眾主動參與、強化識災避險能力,強化科技攻關、破解技術難點堵點;搭建地質災害全生命周期管控的系統、安全、長效風險防范和分攤機制,分散和轉移社會風險,保障人民群眾生命財產安全,實現風險共防、共擔、共治的良好局面,營造了安全穩定的社會環境;健全風險管理制度、規范雙控工作模式,規范用地審批、源頭遏制地質災害增量;提高風險調查、監測預警、人員隊伍專業化水平;基于陜西省地質災害綜合防治信息平臺,實現仁宗街道地質災害防治信息“一張圖”管理,實現地質災害“隱患點+風險區”調查評價、監測預警、綜合治理等全生命周期管理。
1)分析得出地質災害在人類活動、工程活動強烈的區域相對集中,在易滑或易崩地層巖性組合部位相對集中,在現代人類活動強烈的時期相對集中,在豐水年份和豐水季節相對集中,其中與地質災害關系尤為密切的是人類工程活動中的切坡建房和削坡修路。
2)構建了仁宗街道地質災害風險評估體系,建立了基于易發性、危險性與易損性的風險模型,得出境內地質災害高風險斜坡26處,面積1.51 km2,占調查區總面積2.44%,主要分布于居民聚集或道路通過的存在強烈人工切坡的區域,涉及調查區內所有行政村;中風險斜坡共75處,面積5.48 km2,占調查區總面積8.85%,主要分布于主要交通線路沿線和居民區周圍;低風險斜坡單元共562處,面積54.97 km2,占調查區總面積88.71%,主要位于境內人口密度低的高山溝谷區。
3)地質災害防治區劃共劃分為10個重點防治區總面積1.02 km2,占調查區總面積的1.65%;35個次重點防治區總面積1.49 km2,占調查區總面積的2.42%;7個一般防治區面積合計59.44 km2,占調查區總面積95.93%。分別提出了仁宗街道關于隱患點、風險斜坡的風險防控措施建議、關于建設用地的基于切坡建房和削坡修路致災模式的風險防控措施建議。
仁宗街道地質災害隱患點數量多,應采取分階段分步驟實施工程治理、簡易治理、搬遷避讓和長期監測相結合的地質災害防治措施,期間應進一步做好群測群防工作,加強重點地質災害點專業監測。同時,應注重地質災害早期識別技術應用,充分發揮遙感技術優勢,將遙感技術貫穿至風險調查評價的全部過程中,是解決“隱患在哪里”的重要技術工作。