基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃研究

許憶

（浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州 310014）

基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃研究

許憶

（浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江杭州 310014）

GIS具有強(qiáng)大的空間分析能力和數(shù)據(jù)處理能力，可用于對(duì)各種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率和可能的致災(zāi)后果進(jìn)行評(píng)估，通過開展對(duì)多種不同信息的綜合分析，分析空間對(duì)象之間的相互關(guān)系，從而揭示地質(zhì)災(zāi)害的演化規(guī)律，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論依據(jù)。以GIS在地質(zhì)災(zāi)害中的運(yùn)用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，提出一種基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃方法，并將該方法用于Vulcano火山島的實(shí)例研究中，取得了較好的效果。

地質(zhì)災(zāi)害；地理信息系統(tǒng)；危險(xiǎn)性區(qū)劃；預(yù)警技術(shù)；空間分析

地質(zhì)災(zāi)害是指在地質(zhì)營(yíng)力或人類活動(dòng)的作用下形成的，對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成破壞損失的一種災(zāi)害形式，主要包括滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地震、火山和地?zé)岬染唧w災(zāi)害類型［1］。地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性區(qū)劃，是一種地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)測(cè)的工作手段，首先以現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害的分布特征和演化機(jī)制研究為基礎(chǔ)，篩選出各類地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素，即地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃的參評(píng)指標(biāo)；其次通過一定的數(shù)學(xué)模型對(duì)潛在的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算；最后以計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，對(duì)研究區(qū)該類地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行空間劃分［2］。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃方法，存在著較多的缺點(diǎn)和弊端。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS），是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)涉及到計(jì)算機(jī)學(xué)、測(cè)繪遙感學(xué)、空間科學(xué)、地理學(xué)、信息科學(xué)和管理科學(xué)等諸多學(xué)科。將GIS技術(shù)引進(jìn)到地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃中，可有效解決上述缺點(diǎn)和弊端。

1 GIS在地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用

1.1 地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)和管理

地理信息系統(tǒng)具有多種存儲(chǔ)管理和分析計(jì)算功能，通過建立地質(zhì)災(zāi)害的空間信息管理數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的分析資料進(jìn)行分類管理，用于可視化查詢地質(zhì)災(zāi)害的空間分布特征，從而對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)程度進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)。在此基礎(chǔ)上，可對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的各類影響因素間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行定量化計(jì)算，以計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，開展地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率和致災(zāi)范圍的預(yù)測(cè)研究。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性區(qū)劃評(píng)價(jià)

地質(zhì)條件具有明顯的不確定性，不同地質(zhì)條件之間也具有復(fù)雜的相互關(guān)系。因此，地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性區(qū)劃應(yīng)以大量基礎(chǔ)地質(zhì)條件調(diào)查為基礎(chǔ)。采用GIS開展地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃，應(yīng)通過上述基礎(chǔ)資料的計(jì)算分析，獲得具有可靠性和確定性的計(jì)算結(jié)果。具體實(shí)施步驟如下：①通過地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)外因影響因素分析，篩選出合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)；②選取合理的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)條件，開展地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃；③根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃結(jié)果，為地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論和技術(shù)支撐。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警技術(shù)

地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)主要包括幾個(gè)單元：地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情模擬單元、空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)單元、地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情預(yù)測(cè)分析單元。地理信息系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)、處理、分析、計(jì)算和成圖，地理信息系統(tǒng)在進(jìn)行多因素定量模擬分析，以及對(duì)各因素之間相互關(guān)系的定量計(jì)算方面，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

2 基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃

2.1 目的和作用

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃的基本內(nèi)容是：以研究區(qū)該種地質(zhì)災(zāi)害類型在地質(zhì)歷史中的活動(dòng)程度，以及該種地質(zhì)災(zāi)害類型的形成條件為基礎(chǔ)，結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際自然條件和當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)，對(duì)該種地質(zhì)災(zāi)害可能的危險(xiǎn)程度和預(yù)計(jì)的空間分布規(guī)律開展預(yù)測(cè)研究，以此為基礎(chǔ)劃分該種地質(zhì)災(zāi)害類型的危險(xiǎn)等級(jí)。基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果，可以為地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和防治規(guī)劃提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)具有重大意義，直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。

2.2 基本步驟

2.2.1 研究區(qū)網(wǎng)格單元剖分。地質(zhì)災(zāi)害所涉及的工作區(qū)域需要進(jìn)行網(wǎng)格剖分，一般網(wǎng)格剖分可采用柵格數(shù)據(jù)處理方法，根據(jù)不同情況確定每個(gè)單元的面積。對(duì)于地質(zhì)條件較為單一的地區(qū)，網(wǎng)格剖分可稍大稀疏一些；對(duì)地質(zhì)條件較為復(fù)雜的地區(qū)，網(wǎng)格剖分可稍微緊密一些。依據(jù)上述基本原則，將地質(zhì)災(zāi)害所涉及的研究區(qū)劃分為若干個(gè)網(wǎng)格。

2.2.2 評(píng)價(jià)因素的選取與數(shù)字化。選取評(píng)價(jià)因素的基本原則是，從地質(zhì)災(zāi)害的本質(zhì)特征出發(fā)，通過分析地質(zhì)災(zāi)害的具體表現(xiàn)形式及其對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的損害程度，篩選出地質(zhì)災(zāi)害的不同影響因素。一般地質(zhì)災(zāi)害的各種影響因素主要可分為兩類：基本因素和影響因素。基本因素是指地質(zhì)災(zāi)害最為本質(zhì)的內(nèi)在特征；影響因素是指影響和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的外在因素。在評(píng)價(jià)因素選取過程中，需要對(duì)各類評(píng)價(jià)因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)而對(duì)不同影響因素的不同狀態(tài)進(jìn)行定性劃分。最后，在上述分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)各評(píng)價(jià)因素的不同狀態(tài)，計(jì)算出該類地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的影響程度，從而獲得其信息量值。

2.2.3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃。采用GIS疊加各網(wǎng)格中不同評(píng)價(jià)因素的信息量值，從而得到各網(wǎng)格信息量的綜合評(píng)價(jià)值。其具有突出的客觀性，該方法可在常規(guī)分析方法中無法使用的類別數(shù)據(jù)中較好地運(yùn)用，具有操作便利的優(yōu)點(diǎn)。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果具有較好的可靠性，且操作過程簡(jiǎn)便，可在地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性、易損性、風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中較好地運(yùn)用。

3 實(shí)例研究

3.1 基本概況

Vulcano火山島位于意大利南部西西里以外的地中海中，是世界著名的旅游地。火山島南北長(zhǎng)約7.0km，東西寬約4.5km，面積約為20km2，夏季高峰季節(jié)日游客達(dá)5萬(wàn)人，冬季旅游淡季日游客為1 000人左右，島上固定居民為280人，有通訊中心、能源供應(yīng)中心、淡水供應(yīng)中心、碼頭、直升飛機(jī)場(chǎng)、小學(xué)、警察和醫(yī)療點(diǎn)等必要的生活設(shè)施。

Vulcano火山島上埃特納火山處在幾組斷裂的交匯部位，一直活動(dòng)頻繁，是有史記載以來噴發(fā)歷史最為悠久的火山，近年來埃特納火山一直處于活動(dòng)狀態(tài)。為保證當(dāng)?shù)鼐用窦坝慰偷纳拓?cái)產(chǎn)安全，減少損失，對(duì)Vulca?no活火山進(jìn)行災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估具有重要意義。本文利用MAPGIS，考慮熔巖流、火山彈、火山灰、有害氣體和次生災(zāi)害5種災(zāi)害類型對(duì)Vulcano火山進(jìn)行危險(xiǎn)性分析。

3.2 火山地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃

本文將火山地質(zhì)災(zāi)害分成5種具體災(zāi)害后，按照各種災(zāi)害的影響因素，利用MapGIS軟件作出各種災(zāi)害的危險(xiǎn)性區(qū)劃圖，最后按照各種災(zāi)害的權(quán)重，在MapGIS軟件上進(jìn)行加權(quán)疊加后得到研究區(qū)域的火山災(zāi)害總體危險(xiǎn)性區(qū)劃圖。

3.2.1 區(qū)域內(nèi)單元網(wǎng)格剖分。利用MapGIS軟件對(duì)Vulcano火山島進(jìn)行網(wǎng)格單元剖分。共劃分單元525個(gè)，如圖1所示。

圖1 Vulcano火山島網(wǎng)格單元?jiǎng)澐謭D

3.2.2 具體災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃。將每一種火山災(zāi)害的不同影響因素進(jìn)行權(quán)衡計(jì)算，進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)。按照5個(gè)等級(jí)：極高危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)與極低危險(xiǎn)區(qū)域來區(qū)劃。限于篇幅，本文只對(duì)熔巖流災(zāi)害作出具體分析，山彈、火山灰、有害氣體和次生災(zāi)害的區(qū)劃過程與熔巖流的基本一致。

熔巖流是指從火山口噴溢流出的熔巖，其溫度常在900～1 200℃，其形成于非爆炸式噴發(fā)或者爆炸式噴發(fā)熔巖噴泉。熔巖流所到之處，全部毀滅。因此，巖漿流具有毀滅性的破壞力。其劃分標(biāo)準(zhǔn)為歷次噴發(fā)熔巖流的范圍和強(qiáng)度，距火山口距離的遠(yuǎn)近，地形坡度陡緩。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，該島有2個(gè)火山，主火山南側(cè)海拔約為350m，北側(cè)海拔約為250m，北側(cè)居民聚集區(qū)海拔約為20m，相對(duì)高差較大。因此，發(fā)現(xiàn)火山一旦噴發(fā)，出現(xiàn)熔巖流將會(huì)對(duì)北側(cè)居民區(qū)重大影響。火山東南側(cè)為一沖溝，發(fā)生熔巖流災(zāi)害時(shí)，熔巖流極易沿沖溝活動(dòng)。北部小火山海拔約為85m，高差約為60m，噴發(fā)次數(shù)較少。因此，在小火山周圍定為高危險(xiǎn)區(qū)。綜合考慮得出巖溶流危險(xiǎn)性MapGIS區(qū)劃圖如圖2所示。

圖2 熔巖流危險(xiǎn)性區(qū)劃圖

3.2.3 各災(zāi)害權(quán)重計(jì)算。綜合考慮每種災(zāi)害的頻率權(quán)重和強(qiáng)度權(quán)重2種因素。頻率權(quán)重是根據(jù)火山在每一次噴發(fā)時(shí)某一種具體災(zāi)害的發(fā)生概率的比值求得，強(qiáng)度權(quán)重是根據(jù)每種具體災(zāi)害發(fā)生時(shí)的強(qiáng)度對(duì)比求得。綜合考慮2種因素后求得一個(gè)計(jì)算平均權(quán)重，如表1所示。

表1 各災(zāi)害權(quán)重分配表

3.2.4 各災(zāi)害加權(quán)疊加。首先對(duì)各種災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃圖中的等級(jí)進(jìn)行賦屬性值，將極高危險(xiǎn)單元賦屬性值5，高危險(xiǎn)賦屬性值4，中危險(xiǎn)賦屬性值3，低危險(xiǎn)賦屬性值2，極低危險(xiǎn)賦屬性值1。每一個(gè)單元格的總體危險(xiǎn)性根據(jù)5種災(zāi)害進(jìn)行加權(quán)疊加后確定，計(jì)算公式如下：

式（1）中，H為總的危險(xiǎn)性屬性值；αm為第m種災(zāi)害的權(quán)重；為第i個(gè)單元第m種災(zāi)害的危險(xiǎn)性，分為5個(gè)等級(jí)（屬性賦值1～5）。

對(duì)各種災(zāi)害類型進(jìn)行加權(quán)疊加，疊加后的單元格等級(jí)屬性數(shù)值范圍在1～5，按照等級(jí)高低劃分總體危險(xiǎn)性，標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 屬性值區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)表

3.2.5 總體危險(xiǎn)性區(qū)劃圖。將熔巖流、火山彈、火山灰、有害氣體和次生災(zāi)害5種災(zāi)害類型，分別按照5個(gè)等級(jí)：極高危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)與極低危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行區(qū)劃，并對(duì)每一個(gè)單元格進(jìn)行賦值。最終采用式（1）進(jìn)行加權(quán)疊加，并采用表2所示的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)，利用MapGIS生成最終危險(xiǎn)性區(qū)劃圖，如圖3所示。

圖3 火山災(zāi)害總危險(xiǎn)性區(qū)劃圖

4 結(jié)論

地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃涉及的信息具有多樣性和空間性，是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃方法，存在著較多的缺點(diǎn)和弊端。將GIS技術(shù)引進(jìn)到地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃中，可有效解決上述缺點(diǎn)和弊端。在不同空間和時(shí)間尺度上，采用GIS技術(shù)研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境，管理各項(xiàng)地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)信息，計(jì)算各項(xiàng)地質(zhì)災(zāi)害之間的復(fù)雜數(shù)據(jù)，最終評(píng)價(jià)各種災(zāi)害的發(fā)生概率及致災(zāi)后果。基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃可對(duì)多種不同信息進(jìn)行綜合分析，探索空間對(duì)象之間的相互關(guān)系，分析潛在災(zāi)害和災(zāi)害對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的影響。采用GIS對(duì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的計(jì)算和輸出功能，基于綜合屬性分析方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行區(qū)劃，使地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃進(jìn)入了信息化、定量化、自動(dòng)化的新階段，為我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了技術(shù)支撐。基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃結(jié)果具有較好的可靠性和可操作性，值得進(jìn)一步推廣運(yùn)用。

［1］羅元華，張梁，張業(yè)成.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法［M］.北京：地質(zhì)出版社，1998.

［2］張梁，張建軍.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃理論與方法［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2002（4）：323-326.

Research on Geological Hazards Risk Zonation Based on GIS

Xu Yi
（Zhejiang Huadong Constructions Engineering Co.Ltd.，Hangzhou Zhejiang 310014）

GIS has powerful spatial analysis and data processing capacities,and it can be applied to evaluate the probability and possible consequences of geological disasters.And through the comprehensive analysis of various in?formation,the GIS can find out the relationship between different space objects,so as to illustrate the evolvement rule of geological disasters,which will provide a scientific basis for decision-making of disaster prevention and mitiga?tion.A geological disaster risk zonation method was proposed,which was based on GIS and it’s actuality of applica?tion in geological disasters.The proposed method was applied in the study of volcanic island Vulcano instance,and good results have been achieved.

geological hazards；GIS；hazard zonation；early warning technology；spatial analysis

P694；P208

：A

：1003-5168（2017）01-0027-03

2016-12-03

許憶（1962-），男，大專，高級(jí)工程師，研究方向：水利水電工程勘察及地質(zhì)災(zāi)害防治。