滑坡災害危險性評價信息圖譜研究＊——以福建省莆田市為例

劉文玉,吳湘濱,安 靜,劉江龍

(中南大學地學與環境工程學院,湖南長沙 410083)

0 引言

我國是一個滑坡災害頻繁發生的國家,滑坡對人們的生命財產安全和社會建設構成了極大的威脅。自從1990年代以來,國內外學者針對區域滑坡地質災害危險性評價這一問題展開了一系列的研究工作。如印度Roorkee大學[1]在多源數據集的基礎上,引入滑坡危險性系數(LNRF),對喜馬拉雅山麓Ramganga Catchment地區進行了滑坡災害危險性分帶,得到了滑坡災害危險性分區圖。A.K.Pachauri[2]等人在對喜馬拉雅Garhwal地區進行滑坡分區時,嘗試在地形分類的基礎上進行易發性制圖,提供了一個基于地質學和地形學的滑坡制圖實例。A.Uromeihy等人[3]基于簡單格網單元,考慮滑坡的一系列影響因素,如巖性、坡度、構造運動、土地利用以及地下水作用等,將每一個格網單元滑坡發生的概率及其對影響因素的評價結果以SPI表示,然后用模糊綜合評判計算潛在災害指數(HPI),所得結果用來繪制伊朗Khorshrostam地區滑坡災害分區圖。國內也有不少學者在這一領域也開展了一系列研究工作。如采用層次分析法通過對山體滑坡致災因子的定性分析,建立山體滑坡致災因子層次結構圖;根據判斷矩陣計算出山體滑坡各致災因子的影響權重來進行定量評價,并結合實際情況確定危險度等級,為山體滑坡預警提供依據[4];其他不少學者也從不同的角度分別對區域滑坡地質災害危險性評價進行過研究,如利用GIS技術、3S技術對滑坡災害進行檢測與分析等[5-6]。

地學信息圖譜是在繼承中國傳統研究成果的基礎上,運用3S技術和信息網絡等當代先進技術和現代科學理論發展起來的,具有圖形與譜系的雙重特性,是一種地理時空分析方法論[7-8]。地學信息圖譜作為地學問題的一種研究思路和方法論,有助于深化地學現象和過程滑坡研究[9]。本文將地學信息圖譜應用于滑坡災害危險性評價,利用地形圖,專題地圖、遙感圖像、災害數據庫、文本統計數據等大量時間、空間及屬性信息,經過圖形思維與抽象概括,以圖譜的形式表現滑坡發生的機制及規律,并在此基礎上結合數學模型對研究區的滑坡危險性進行評價,從而為滑坡災害預測提供重要的科學依據。

1 研究區概況

福建省莆田市包括城廂區、荔城區、涵江區、秀嶼區和仙游縣,位于福建沿海中部,臺灣海峽西岸,北依省會福州市,南靠閩南“金三角”,是沿海經濟開發區之一。該市屬福建東南沿海低山丘陵區,地勢由西北向東南呈梯狀傾斜。西部和北部以山地為主,低山、峽谷、盆地錯雜其間;中部和東部為沖積平原和海積平原;東南部沿海為半島和丘陵臺地,地勢低平,港灣環抱。山地地貌約占全市總面積的80%以上,西北部多為高山峻嶺,海拔500 m以上的山峰246座,其中1 000 m以上的36座。

莆田市地質災害點多面廣,主要類型有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等。已調查的災害點共388處,其中滑坡257處,占已調查地質災害總數的66.24%。

2 滑坡災害危險性影響因子分析及圖譜構建

2.1 滑坡地質災害數據庫的建立

利用MapGIS軟件進行矢量化,完成了莆田市滑坡分布圖、行政區劃圖、地形圖、地質圖等基礎圖件的入庫,然后在圖形庫的基礎上,將滑坡災害相關數據輸入到對應圖元的屬性結構中。

2.2 滑坡與地質環境關系分析

從建立的滑坡災害數據庫中提取地形圖與滑坡點空間分布圖,將兩者疊加(圖1),發現滑坡發生的數量在不同的高程范圍差別較大。另外根據等高線的形狀及其與滑坡點的相對位置可以粗略地看出滑坡的發生與坡度、坡向也有一定的關系,大多數滑坡點都分布在200～800 m高程范圍,且地勢較為平坦的地區。

圖1 滑坡與地形關系圖

莆田市巖土體主要分為5類:塊狀堅硬火山巖組(J),塊狀堅硬侵入巖組(γ),層狀較堅硬火山碎屑沉積巖組(K),粘土、砂、礫卵石土體(Q),粘土、粘性土土體(Qeld)等。將莆田市巖性空間分布圖與滑坡點空間分布圖疊加(圖2),發現滑坡在不同的巖層發生的數量有很大差別。

圖2 滑坡與巖性關系圖

2.3 滑坡影響因子信息圖譜構建

根據上述分析結果,確定高程、坡度、坡向、巖性作為評價滑坡危險性的影響因子,對滑坡點與各影響因子不同形態之間的關系進行歸類并劃分等級,從而得到各影響因子譜系表(表1)。

表1 滑坡影響因子譜系表

提取莆田市等高線數據,利用MapGIS軟件的DT M模塊按照表1生成高程、坡向、坡度信息圖譜(圖3～圖5),并對莆田市地質巖性空間分布圖按照表1重新分類得到巖性信息圖譜(圖6)。

圖3 高程信息圖譜

圖4 坡向信息圖譜

圖5 坡度信息圖譜

圖6 巖性信息圖譜

2.4 滑坡影響因子權重的確定

由于選取的影響因子有的是分類變量,有的是連續變量,無法直接用來進行定量分析,因此采用數據驅動權重原理[10]來確定各影響因子不同類別的權重,以滑坡在各因子對應的譜系中發生的概率作為權重,由此得到各影響因子的權重值(表2)。

表2 滑坡危險性評價因子權重

圖7 滑坡危險性評價信息圖譜單元

圖8 滑坡點與危險性評價結果信息圖譜關系圖

3 滑坡災害危險性評價及信息圖譜生成

3.1 信息圖譜單元的提取

利用MapGIS軟件空間疊加分析功能,把每一個滑坡影響因子圖譜做為一個單獨的圖層,再將所有圖層疊加,得到一個新的圖層,該圖層中的每一個多邊形區域都只代表每個因子的單一類別,這樣就得到了評價所需的信息圖譜單元。通過疊加分析,得到了212 043個統計單元,如圖7所示。

3.2 基于邏輯回歸模型的危險性評價

邏輯回歸分析是一種針對定性定量變量進行預測的統計分析方法。由于選取的滑坡地質災害影響因子如巖性等是定性的,并且因變量是一個判斷滑坡發生與否的分類變量,因此選取邏輯回歸方法對得出的信息圖譜單元進行分析。

設P為滑坡發生的概率,取值范圍為[0,1],則1-P為滑坡不發生的概率,取P/(1-P)的自然對數ln(P/(1-P)),即對P作Logit變換,記為LogitP,其取值范圍為(-∞,+∞)。以P為因變量,建立線性回歸方程:

對于包含一個以上自變量的邏輯回歸分類概率方程為

式中:P為觀測值相對于滑坡的發生概率,B為多元回歸系數。

借助專業的統計分析軟件SPSS對研究區進行分析。在得到的疊加結果圖層中隨機選取部分已發生滑坡單元和未發生滑坡的單元作為試驗區,以對應的權重作為自變量,滑坡發生與否作為因變量,將試驗區數據導入SPSS軟件中,得到研究區邏輯回歸模型如下:

式中:P為滑坡發生概率;X1為坡度概率函數;X2為高程概率函數;X3為巖性概率函數;X4為坡向概率函數。

利用邏輯回歸模型對數據進行擬合,其中Cox&nell R2和Nagelkerke R2兩個統計量表示回歸模型所能解釋的因變量變異的百分比,兩個結果分別為0.749和1.000,表示因變量的變異有74.9%～100%是由自變量引起的,說明得到的模型擬合度比較好。

利用GIS軟件將整個研究區圖像轉成數字矩陣并輸入SPSS軟件,根據建立的邏輯回歸模型計算每個圖譜單元滑坡危險性概率。

3.3 滑坡災害危險性評價信息圖譜的生成

邏輯回歸分析的結果只是一種數字化的形式,不能直接反映研究區的危險性情況,因此需要對得到的結果進行分類并劃分相應的等級。由于研究區域情況各異,對于危險性等級的劃分,目前還沒有公認的標準,通過對得到的分析結果進行統計分析,按照如下方式將研究區劃分為4個危險性級別(表3)。

表3 滑坡危險性評價標準

將評價得到的結果轉到GIS軟件中,根據前面給出的判斷標準,對每個圖譜單元進行歸納并分類,進而生成滑坡危險性評價結果信息圖譜。

4 莆田市滑坡地質災害信息圖譜分析

從莆田市滑坡危險性評價信息圖譜可以看出:極高危險區和高危險區主要分布在該市的中部,呈帶狀向北東方向展布;中危險區分布于極高危險區和高危險區的兩側以及研究區的西南部;低危險區則主要集中在研究區的東南部并向北西方向展布。所得到的危險性區劃結果與莆田市國土局提供的地質災害易發區規劃圖基本吻合。

莆田市滑坡多發區的地質條件為:高程范圍200～800 m,坡度范圍25°～45°,粘性土體斜坡處。所統計的257處滑坡發生在1958-2003年之間,其中1990年之前共發生20處滑坡,僅占滑坡總數的7.78%,這種現象的出現與莆田市社會經濟發展狀況緊密相關。1990年以后莆田市經濟迅速發展,人口數量不斷增加,人地關系緊張,使得人類生存的空間逐步向山區擴展,為了保護有限耕地,削坡建房、開山種果等社會經濟活動頻繁,伴隨其他不合理的工程活動,造成莆田市地質環境條件不斷惡化。位于陽坡的巖土體化學風化和物理風化作用強烈,大部分土壤被沖刷,使得土層變薄,造成嚴重的水土流失。受這些自然和人類活動因素的綜合影響,在暴雨、地震等因素的誘發下導致滑坡災害頻發。

由于滑坡的發生發展是隨著時間的變化而變化的,所以滑坡危險性的空間分布也會隨時間變化而產生變化。將莆田市的滑坡分布圖與得到的危險性評價結果圖譜疊加(圖8)。經統計,有15處位于低危險區,96處位于中危險區,146處位于高-極高危險區。位于低危險區的滑坡主要發生在1990年以后,大都分布在人口密集的地區,雖然地質條件本身產生滑坡的危險性較小,但由于人類頻繁地進行各種不合理的工程經濟活動,在暴雨和地震的誘發下導致滑坡災害的發生。在中危險區分布的96處滑坡中,有62處滑坡發生在200 m高程以下或1 000 m高程以上,這些地區雖然人口密度相對較小,但受人類工程活動主導因素的影響,在暴雨和地震等因素誘發下也可導致滑坡的發生;其余36處滑坡位于400～800 m高程范圍內。總的來看,得到的危險性評價結果精度在80%以上。

5 結語

以福建省莆田市為例,對滑坡災害危險性評價信息圖譜進行實例研究,以圖的形式直觀地展現了莆田市的滑坡災害情況,又以譜的形式反演了滑坡發生的規律,將圖與譜相結合,從圖譜的角度對研究區進行了危險性評價。所建立的滑坡災害危險性評價信息圖譜能夠實時更新、編輯和處理,為區域滑坡災害危險性的預測和反演提供了矢量化的圖形信息。

由評價結果來看,極高危險區和高危險區主要分布在莆田市的中部,呈帶狀向北東方向展布;中危險區分布于極高危險區和高危險區的兩側以及研究區的西南部;低危險區則主要集中在研究區的東南部并向北西方向展布。該分區基本反映了莆田市地質災害發育的現狀。

滑坡災害危險性評價信息圖譜的研究不僅擴大了地學信息圖譜的應用領域,豐富了其理論體系,同時也給滑坡災害危險性評價帶來了圖形化的思維方式及新的評價理念。

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