基于GIS的湖南省滑坡災害風險和損失評估

申懷飛, 楊清潔, 魏億鑫, 閆旭倩, 閔家森, 吳宇琛

(許昌學院 城市與環境學院, 河南 許昌 461000)

根據2016年的《中國地質調查百項成果》顯示，地質災害造成的人員傷亡和財產損失占據年平均因災損失的30%以上，滑坡災害占地質災害總量的1/2以上，對人們的生命以及財產安全造成巨大威脅[1]。地形地貌、地質構造、降雨和人類活動是導致滑坡的主要因素[2]，其中，降雨為最活躍多變的自然誘發因素，其誘發的滑坡占滑坡總數的90%[3]。隨著生態與環境信息逐漸為決策者重視，滑坡危險性評價引起了諸多學者的關注，并取得重要進展。如1999年，Pilgrim[4]指出了滑坡災害風險評價對于滑坡防治決策的重要性；唐川[5]提出滑坡災害評價是全面反映災情、優化防御措施、進行減災決策的重要依據；汪敏等[6]研究了滑坡災害易損性和破壞損失評價方法，分析了滑坡災害破壞效應以及受災體的價值。目前國內外學者大都采用層次分析法、人工神經網絡模型等方法進行滑坡災害的評估。如Lamek Nahayo等[7]通過GIS技術和AHP決策方法對盧旺達滑坡的脆弱性進行評估，并利用R-index方法進行驗證，加深了對滑坡脆弱性的認識；Guzzetti等[8]基于統計的分類模型，選擇繪圖單元得到意大利中部翁布里亞的滑坡敏感性圖，并對其進行了分級和驗證。在滑坡因素研究方面，學者采用多學科的知識相互交叉融合對地區滑坡因素進行分析，并逐步由定性研究轉變為定量研究。自1965年Garrison提出“地理信息系統”概念以來，國內外學者已將GIS技術廣泛應用到地質災害研究中，Norsuzila Yaa’cob認為隨著遙感(RS)和地理信息系統(GIS)的發展，空間信息處理技術已被廣泛應用到滑坡災害易發性評價中[9]。龔健雅等[10]將空間信息處理軟件和統計分析工具的相結合，大大提高了數據的獲取、處理與分析的效率，也促進了更多評價模型和方法的應用。向喜瓊[11]指出了區域滑坡地質災害發育規律和成因機制的重要性，建議風險評價時應將評價指標分為內在因素、外在因素、敏感因子和先決性因子；朱良峰等[12]利用GIS技術、信息量模型和專家打分模型得到了中國滑坡危險性和社會經濟易損性評價結果；唐緒波等[13]通過構建信息量模型并結合ArcGIS軟件得到了神農架林區的危險性、易損性和滑坡風險性結果，為神農架林區的防災減災工作提供了一些依據。馬慧[14]根據地質災害形成的條件，總結了湖南省懷化市地質災害的發育特征，圈定懷化市地質災害的高、中、低易發區，并為該地區各種地質災害提出了不同的防治建議。綜上所述，目前的研究主要集中于小區域單體滑坡，不能從整體上把握某個地區的滑坡特征；對滑坡的形成機理研究較少；大多數學者采用定性或定量評價的方法，但帶有一定的主觀性。鑒于此，本文綜合考慮了地形、植被、人口、降水等因素，基于層次分析法，并結合GIS空間技術對研究區滑坡發生的風險和損失等級進行了評估，以期豐富滑坡防治理論及方法，提高人們對滑坡災害的防護意識，減少滑坡災害造成的經濟及社會損失。

1 研究區概況

湖南省位于中國中南部、長江中游地區，界于108°47′—114°15′E，24°38′—30°08′N，東西寬667 km，南北長774 km，總面積約2.11×105km2。位于江漢平原向南嶺山地和江南丘陵向云貴高原的過渡地帶，地貌地形復雜多樣，山地集中分布在東、南、西三面，以沉積巖地貌為主。屬大陸性亞熱帶季風濕潤氣候，年平均降水量約1 200～1 700 mm，降雨集中且區域差異明顯。滑坡災害的形成受到很多因素的影響，海拔高程、地層巖性和距斷層的距離都是影響滑坡的重要因素[15]。在時間上，滑坡活動與暴雨、大暴雨及特大暴雨的頻次相吻合[16]。據湖南省人民政府統計，2018年湖南省地質災害發育隱患點較多，多分布于湖南省的西北部、中部以及南部地區，東北部相對較少，共計220處，其中滑坡150處、地面塌陷39處、泥石流34處、崩塌5處、不穩定斜坡4處，災害類型以滑坡為主。

2 研究數據和方法

2.1 數據來源及預處理

本文數據主要包括DEM、歸一化植被指數(NDVI)、降水、地震、巖性及其他矢量數據等多個數據集。其中，DEM數據來自地理空間數據云，空間分辨率30 m；土地利用數據來自全國地理信息資源目錄服務系統的“30 m地表覆蓋數據”，包括耕地、草地、水體、人造地表、裸地等數據類型；降水數據來自中國氣象數據網的中國地面累年值/日值數據(1981—2010年累年20：00—20：00日降水量)；土壤數據來自于國家地球系統科學數據中心，包括粗砂土、粉土、砂壤土、壤土、粉黏土、壤黏土、黏土等類型；其他矢量數據來自全國地理信息資源目錄服務系統的“1∶25萬全國基礎地理數據庫”，數據相對完整，質量良好。

本文對數據的預處理主要利用ArcGIS 10.5和ENVI 5.3軟件平臺，包括遙感影像輻射定標、大氣校正、幾何配準、鑲嵌、裁剪；并計算得到坡度、地形起伏度、NDVI、降雨量插值圖、地震點核密度、人口密度、距河流距離等多個數據集。

2.2 評價指標體系

滑坡危險性評價不僅分析已發生滑坡，更要對未來可能性滑坡進行評估，旨在采取措施進行預防。開展區域滑坡敏感性研究，首先要確定影響滑坡災害發生的關鍵因子[17]。本文在收集整理研究區多年滑坡災害的基礎上，選取影響滑坡的多個自然和社會經濟因素，例如：降水、巖性、土壤、植被覆蓋、人口密度等，通過層次分析模型完成湖南省滑坡風險和損失評價。 (1) 風險性評估因子。考慮研究區自然和社會條件，本文綜合選取了對滑坡影響的多種因素(圖1，附圖3)，結合自然間斷點法和實際情況將各因子重分為5類，經ArcGIS加權運算，最終得到湖南省低風險、較低風險、中度風險、較高風險、高風險5個風險等級，并將評價結果導出為專題圖。 (2) 損失等級評估因子。滑坡災害損失評估是一門涉及多學科、多領域的研究課題，是災害防治工作中的重要環節，決定了防災的具體措施和投入資金的數額。本文選取了人口密度、公路線密度作為損失評估的社會經濟因素(圖2)。

圖1 湖南省滑坡風險評估部分因子

2.3 層次分析法

層次分析法(AHP)是指將某一決策問題按目標層、準則層和方案層3個層次進行分析，是研究中常用的一種定性和定量分析的權重決策方法。本文依次將風險評估體系劃分為“目標層：A；準則層B；次指標層C；指標層D”4級評價指標。其中包括2個2級指標，5個3級指標，12個4級指標。通過建立判斷矩陣，找到某一層指標的元素相對于其上一層元素的影響程度，判斷兩元素之間的重要程度；為判斷矩陣計算出的權重是否有效，進行一致性檢驗，通過計算得到各層次的各指標權重從大到小排序，結果詳見表1。

圖2 湖南省損失性風險評估因子

表1 湖南省滑坡風險評估體系

3 結果與分析

3.1 風險評估結果及驗證

為驗證研究區滑坡結果的正確性，本文利用2018年湖南省實際發生的150處滑坡點與滑坡風險性等級圖疊加，得到每個等級中滑坡的數量，即檢驗結果(附圖4，表2)。檢驗結果表明，75%以上的驗證滑坡點分布在高風險、較高風險及中等風險區，其中，53.33%的滑坡驗證點分布在高風險、較高風險區，表明評價結果與滑坡實際發生情況基本吻合。

表2 湖南省滑坡風險性等級分區檢驗表

3.2 風險等級空間特征

湖南省滑坡風險等級大多處于中低風險等級，少部分為較高風險或高風險等級。統計表明，以中度風險等級最多，占全省面積的31.31%，共66 164.98 km2，其次為較低風險、較高風險、低風險、高風險，占比依次為24.92%，22.09%，13.88%和7.79%，各等級面積依次為52 667.57，46 686.51，29 340.13，16 455.52 km2(表2)。

滑坡往往以該地區自身條件為基礎、誘發因素為主導而產生，其中降雨是普遍誘發因素，與氣象變化的時間分布極為一致，由近5 a湖南省滑坡災害統計資料可知，全省90%以上的自然滑坡發生于夏季暴雨期(4—8月)；地理上主要集中分布在湖南省中部、東南及北部地區。從空間分布格局來看，湖南省滑坡風險性等級總體上呈現出中部、東南高，西南、東北低的特征(附圖5)。全省滑坡災害高風險和較高風險的區域分布在中部的益陽市和西南部的郴州市。結合危險性指標的空間分異，以益陽市、郴州市的東部和長沙市的東部為例，可以得到這些地區大多具備降水量大、地形復雜多山谷、坡地等特征。丘陵—低山區為高發區，即多分布在高程200～800 m的區域一帶。滑坡的發育大致分為3個階段，大中型滑坡發育的階段性最為明顯，其經過長時間的蠕動變形，能夠形成大中型滑坡的孕災環境，經過自然和人為因素的多次作用產生滑動，然后恢復穩定；而小型滑坡一般經過多種因素多次作用即可完成蠕動—滑動—恢復穩定過程。人為活動引發的滑坡，通常是由于人類的社會工程降低了邊坡原有的穩定性，經過暴雨的疊加作用引發滑坡，從而使得公路兩側最為突出[18]。由各市風險級別統計圖(圖3)可知，低風險、較低風險、中度風險、較高風險、高風險5類風險等級在14個地州市分布中存在差異，益陽市高風險等級面積2 315.37 km2，占全市面積的18.79%；較高風險為3 259.43 km2，占全市面積的26.45%；中等風險為2 795.16 km2，占全面積的22.68%；較低風險等級面積1 699.28 km2，占比為13.79%；低風險面積為2 254.42 km2，占比為18.29%；且益陽市為14個地州市中高風險等級占比最大的地級市，說明了該市滑坡風險最高。邵陽市低風險等級面積為5 205.41 km2，占全市面積的25.04%；較低風險等級面積為6 454.59 km2，占比為31.05%；中等等級風險面積為5 317.56 km2，占全市面積的25.58%；較高風險等級面積為3 169.88 km2，占全市面積的15.25%；高風險等級面積為637.58 km2，占全市面積的3.07%，對比分析其他各市5類風險等級占比情況，可看出邵陽市是滑坡風險最低的地級市。湖南省滑坡風險系數分布格局總體可以概括為“三四四三”，即風險系數最高的市包括益陽、郴州、長沙；其次為湘潭、婁底、株洲和張家界，懷化、常德、永州和岳陽風險等級為一般；衡陽、邵陽和湘西風險等級最低(附圖5)。

圖3 湖南省各市風險級別統計

3.3 滑坡損失評估

由附圖5可知，滑坡災害損失等級整體呈現出東高西低，局部不均勻的分布特征。全省災害損失等級高的區域分布在東部的長沙市、衡陽市；低風險區以環湖南省外圍地級市居多，主要集中在永州市東部、懷化市西南、張家界市等地區；中度損失區域集中在高損失等級周圍，主要包括婁底市、湘潭市西南部、邵陽市東部和東北部。鑒于損失等級分布圖依據人口密度和公路線密度計算得到，由此可推測出經濟發展水平高、人口較多的地區，相應的損失等級也越高。例如：省會長沙市、衡陽市及湘潭市東北部；而經濟發展水平較低的張家界市、懷化市西南部、郴州市東南部損失等級水平則較低，通過對比分析當地自然地理環境因子數據，確定該地區主要地理特征為：海拔高、坡度大，地形起伏度也相對于其他州市大。另外，郴州市處于地震帶邊緣，發生地震較其他地區頻繁，導致該地區人口密度較低，基礎設施較為落后，因此由滑坡造成的經濟社會損失也相對較低。

3.4 湖南省滑坡防控建議

通過對湖南省滑坡災害的風險與損失評估，結合2015—2019年滑坡災害實況(表3)，針對湖南省3種主要滑坡類型(降雨、地形條件和人為爆破誘發)提出以下防控建議。湖南省滑坡災害中的高風險區、較高風險區分布的益陽市、婁底市、湘潭市、益陽市、岳陽市、長沙市屬降雨型滑坡，其占比高達95%以上，降雨是該區域誘發滑坡的主導因素，且滑坡多伴有水土流失災害[19]。因此，這些區域在滑坡災害防控時，要興修水利、合理建立排水溝；加大孔隙水壓力，降低地下水位，提高斜坡的穩定性；同時還可植樹造林提高植被覆蓋度，降低雨水的下滲[20]。坡面是攔蓄利用降雨徑流的主要區域，具有承上啟下的作用，也是水土流失產生的主要區域[21]。湖南省張家界市、常德市、永州市等的交界地帶滑坡風險較高，對比評價指標發現坡度、地形起伏度對其影響較大，滑坡發育明顯受其分布控制，歸屬于斜坡型滑坡。研究表明，滑坡監測水平高，群防群測組織好，有利于提前做好防災減災準備，如削坡減載、坡腳加固[22]。湖南省湘西土家族苗族自治州、張家界市兩地區近5 a由于山體開挖、景區修整等人為因素造成了山體滑坡，因此判定兩地人為爆破是誘發滑坡的主要原因。針對此類滑坡災害要形成以“政府為主導，落實到個人”的防控理念，完善民間資本參與投資水土保持項目機制，抓好重點區域治理，明確山體開挖規格，進一步提高水土保持監測基礎能力；在高發區實施人口遷移政策，減少人員的傷亡[23]。

表3 近5 a湖南省部分地級市常見滑坡類型

4 討論與結論

(1) 湖南省滑坡風險等級大多處于中低風險等級，以中度風險等級最多，占全省面積的31.31%，少部分為較高風險或高風險等級分布。從空間格局來看，湖南省滑坡風險系數分布總體可以概括為“三四四三”，即風險系數最高的市包括益陽、郴州、長沙；其次為湘潭、婁底、株洲和張家界，懷化、常德、永州和岳陽風險等級為一般；衡陽、邵陽和湘西風險等級最低。呈現出東北、西南低，東南、中部高的分布特征。

(2) 損失等級整體呈現出東高西低，局部分布不均勻的特征，其中損失等級高的區域主要包括長沙市、衡陽市及湘潭市東北部。

(3) 滑坡防治主要包括預防和治理，即加強滑坡監測預警機制和開展救援工作，依據各地區常見滑坡類型，有針對性地保護滑坡易發區，減少滑坡災害發生的可能性。

由于數據缺失，滑坡風險性評估未能考慮到當地政府實施救災的能力和水平。運用層次分析法對湖南省各地區的滑坡災害進行風險評估，得出的結果比較符合實際，可信度較高；但主觀性較強，具有一定的局限性。后續研究可采用耦合的方式，從滑坡的預測監測、形成機制、評估方法和防治措施等方面進行，對不同的滑坡區域選擇不同評價指標，并在此基礎上制定評價標準，是滑坡風險評估發展的重要方向。