基于信息量法的重慶云陽縣（三峽庫區）地質災害易發性評價

張利芹，李浩，顧超，潘會彬，付鵬偉

（1.河南省地質礦產勘查開發局第四地質礦產調查院，河南 鄭州 450000；2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051；3.中國石化河南油田分公司勘探開發研究院，河南 南陽 473132；4.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410000；5.新鄉學院土木工程與建筑學院，河南 新鄉 453003）

0 引言

長江三峽庫區由于其特殊的地質環境和強烈的人類工程活動的影響，在該地區地質災害尤為頻發（夏輝，2018）。云陽縣位于三峽庫區中部，地理坐標為東經108°35′32″～109°14′51″，北緯30°35′6″～31°26′30″，云陽縣境內的滑坡等地質災害歷來也較為嚴重（尹玲玲，2018），既制約著當地城鎮化建設和經濟發展，也威脅著人民的生命及財產安全，因此開展地質災害風險評價變得尤為重要，目前針對云陽縣長江兩岸地質災害風險評價較多，以縣域為單元的評價相對較少，杜常見等（2017）認為云陽縣滑坡災害高易發區主要集中在人類工程活動頻繁的縣城開發區和庫水位變動帶庫岸斜坡，該文在基于近年參與地質災害詳查的基礎上，開展了地質災害易發性評價。根據風險的定義，地質災害風險為危險性、危害性的積（殷坤龍等，2007）。開展地質災害風險評價最基礎的工作需要進行易發性評價（喬建平等，2008），而易發性則是對研究區內特定的孕災環境中可能發生地質災害的難易程度進行評價。目前，基于GIS 的地質災害易發性評價常用的評價模型有信息量模型、邏輯回歸模型、支持向量機模型等（張茂省和唐亞明，2008）。

在信息量法方面，國內外學者開展了較多研究。Akbar and Ha（2011）采用信息量法開展了巴基斯坦東北部山區地質災害易發性評價；Epifanio et al.（2014）和Vijith et al.（2009）采用信息量法對葡萄牙及印度喀拉拉邦的山區滑坡進行了易發性評價；Saha et al.（2005）在喜馬拉雅同樣采用信息量法開展了地質災害易發性評價；阮沈勇和黃潤秋（2001）以長江三峽庫區為典型實例，基于GIS 平臺采用信息量法模型，分析了該方法在地質災害危險性區劃中的適用性；朱良峰等（2004）在基于GIS 平臺開發的滑坡地質災害風險性評價系統基礎上，利用信息量法對中國滑坡災害進行了易發性評價；石菊松等（2007）采用信息量法以鄂西清江流域隔河巖水庫庫區為例進行了易發性評價與制圖。張春山等（2008）采用信息量法進行了隴縣地質災害危險性評價；張俊等（2016）運用信息量模型和邏輯回歸模型分別開展易發性評價，表明信息量法評價結果更為可靠。該文在收集區域地質災害調查資料的基礎上，通過基于GIS 的信息量法（龍萬學，2009），評價了云陽縣的地質災害易發程度，對于制定地質災害防治規劃、預防和減輕地質災害的危害具有重要意義。

1 信息量法原理

信息量法的理論基礎是信息論，采用滑坡災害發生過程中熵的減少來表征滑坡災害事件產生的可能性（王佳佳等，2014）。信息量模型屬于貝葉斯概率模型的一種，評估過程中可以較好地融合工程地質專家的主觀經驗及成災要素與地質災害相關性的客觀特征。

信息量模型利用概率形式進行定量描述，反映了不同成災要素區間對地質災害形成的貢獻大小，地質災害信息量IAj→B表達式為：

在實際操作中為了便于計算，通常將式（1）中概率轉化成樣本頻率進行計算，于是可將式（1）變換為：

式（2）中，IAj→B—對應成災要素A中第j區間地質災害B 發生的信息量；Nj—對應成災要素A中第j區間的地質災害災點數；Sj—對成災要素A 中第j區間的分布面積；N—區域地質災害的總災點數；S—區域總面積。

信息量模型中IAj→B值通常可以有正負之分，“正值”表明該要素區間對地質災害形成的貢獻量大于區域本底值，有利于地質災害發生；“負值”表明該要素區間不利于地質災害發生；“0 值”表明該要素區間對于地質災害形成的貢獻水平中等。

2 研究區概況

云陽縣地處重慶市東部，屬三峽庫區萬州-巫山段中部。長江主航道接近于西東對角線橫穿云陽全境，地貌主要受華鎣山-方斗山弧形褶皺體系和大巴山斷褶帶所控制，形成以單斜低山、背斜梳狀低山為主的中低山地貌，構成區內地貌的基本山骨架。區內出露地層有第四系、侏羅系及三疊系，其中侏羅系出露面積占80%以上，主要以碎屑巖為主。區內以褶皺構造為主，褶皺形態以寬平的屜形向斜和狹窄的高背斜相間排列，組成隔檔式構造。受脆弱的地質環境背景影響，加之近年來城鎮建設、采礦、公路建設等人類工程活動日趨強烈，區內地質災害發育，遍及42 個鄉鎮，根據調查資料及收集詳查資料，云陽縣地災點共1363 點，其中滑坡（不穩定斜坡）1312 處，崩塌（危巖體）40 處，泥石流11 處。

3 易發性評價

3.1 數據來源及評價單元選取

地質災害易發性評價一般需要地理、地質、測繪、社會經濟等資料數據。該文采用的1 ∶5 萬DLG數據由國家測繪局提供；所采用的基礎地質數據來源于從全國地質資料館收集的1 ∶5 萬、1 ∶20 萬區域地質調查報告等資料；采用的地質災害點主要來源于云陽縣國土局地質災害排查詳查等資料。以上資料作為易發性評價的基礎。

評價單元方面，國內應用比較成熟的預測單元主要包括：柵格單元、地域單元、均一條件單元、子流域單元和斜坡單元（唐亞明，2011）。目前，針對以縣域行政單元的小比例尺地質災害易發評價多采用柵格單元進行評價，此外柵格單元作為地質災害易發性評價具有數據處理速度快等優勢，因此論文以柵格為單元進行地質災害易發性評價。為滿足評價精度要求，該文選取25 m×25 m 柵格分辨率，研究區柵格共5833829 個柵格單元，面積約3646.14 km2（因坐標系差異，與官方公布數據3649 km2有誤差）。經計算，研究區地質災害信息量背景值為0.3738。

3.2 指標選取及分級

地質災害易發性評價的基本假設是未來發生的地質災害形式和程度與已發生的地質災害形式和程度是基本一致的（DAI-2002）。據野外調查，選取了控制區內地質災害發育的6 個關鍵性指標，為地形坡度、坡高、工程地質巖組、地質構造、水系、人類工程活動。

（1）地形坡度、坡高

應用Arcgis 空間分析工具，從DEM 數據中提取坡度、坡高信息，為精確統計每個區間內地質災害信息，將研究區坡度按10°進行分級；綜合研究區地貌類型及分級精細程度，將高程分為9 級；利用Arcgis重分類工具，統計了各個指標因素的面積比例及地質災害比例，見圖1～3。

從圖1 可見，研究區坡度面積與坡度大小呈負相關，同樣隨著坡度的增加，地質災害發育頻率降低，這個結果可能與高位地質災害調查程度較低有一定關系。從災害百分比看，地質災害點主要集中在坡度小于30°的區域發生，在（0，10］及（10，20］的區間內，地質災害發育頻率更高。從圖2～3 可見，在200～800 m 范圍內，地質災害占比均在20%以上，在200～600 m 范圍內，其地質災害發育頻率更高，表明其對地質災害發育影響程度更大。

（2）工程地質巖組

圖1 各坡度區間面積百分比與災害百分比統計圖

研究區出露地層有第四系、侏羅系及三疊系，按照工程地質巖組可分為3 大類5 小類。①第四系松散土體類（Ⅰ），主要為沖洪積層（）、崩坡積層（）等，主要分布于長江及其支流沿岸階地及漫灘；②層狀碎屑巖類Ⅱ1（中厚層石英砂巖夾泥質粉砂巖、細砂巖、泥頁巖），主要包括地層有侏羅系下統珍珠沖組（J1z）、中-下統自流井組（J1-2z）、侏羅系中統新田溝組（J2x）和沙溪廟組（J2s），含有軟弱夾層；③層狀碎屑巖類Ⅱ2（厚層長石石英砂巖夾砂質泥巖），主要包括地層有侏羅系上統遂寧組（J3s）和蓬萊鎮組（J3p）；④層狀碎屑巖類Ⅱ3（石英砂巖、長石石英砂巖夾頁巖、煤層），主要地層為三疊系上統須家河組（T3xj），含有煤層，巖組相對較為軟弱；⑤層狀碳酸鹽巖類Ⅲ（薄至中層狀灰巖，白云質灰巖及泥質灰巖），主要包括地層有三疊系上統嘉陵江組（T1j）、大冶組（T1d）和三疊系中統巴東組（T2b），相對堅硬。

圖2 云陽縣地質災害分布與高程關系圖

圖3 各高程區間面積百分比與災害百分比統計圖

在Arcgis 內統計了各個指標因素的面積比例及地質災害比例，見圖4～5，并計算了其信息量值。據圖5 表明，除去水系所占面積，地質災害主要集中在Ⅱ1、Ⅱ2這兩大類巖組中，一方面跟出露該地層面積較大有關，另一方面該2 個巖組地層地質災害頻率更高，表明了區域地質災害主要受軟弱的侏羅系粉砂巖、泥巖、石英砂巖軟弱互層地層的控制。

（3）地質構造

圖4 云陽縣地質災害分布與工程地質巖組關系圖

研究區內發育以褶皺構造為主，見有少量斷裂構造（圖4），高陡背斜與寬緩向斜相間排列的侏羅山式隔擋式褶皺構造，導致云陽縣順向斜坡結構發育，加之倒轉褶皺、層間滑動構造與節理、劈理發育，特別是在高陡背斜兩翼，發育較多中型-大型順層巖質滑坡。根據構造發育特點及控災條件，將研究區構造帶共劃分4 個影響區間，單位為m，分別為（0，300］、（300，1 000］、（1 000，2 000］、＞2 000。從圖6 可見，區域內地質災害發育頻率與構造距離的遠近關系不大，但較明顯的是在距構造帶皺跡線較近的區域，地質災害頻率較大。

（4）河流水系及人類工程活動

圖5 各巖組面積百分比與災害百分比統計圖

圖6 各構造帶面積百分比與災害百分比統計圖

河流水系及人類工程活動對地質災害的影響來源于外因，研究區長江水系支流遍布，在庫水波動下，斜坡體前緣空隙水壓力等周期性變化，加之侏羅系砂泥巖經水浸泡沖刷后，多發生崩解現象，加速了地質災害的發育。據水系的距離將研究區劃分成6個等級，單位為m，為（0，100］、（100，200］、（200，300］、（300，400］、（400，500］、＞500。隨著新型城鎮化的推進及村村通等工程建設，對地質環境影響較大，常誘發地質災害。論文選取了道路作為一項影響指標進行評價，分為5 級，單位為m，分別為（0，50］、（50，100］、（100，300］、（300，500］、＞500。

由圖7～8 可見，研究區內大多數地質災害距發育距主要水系500 m 以外，但距離水系越近其地質災害發育頻率越高；研究區內地質災害與道路關系密切，多數災害發生在距離道路100 m 范圍內（災害點位置定在滑坡后壁，與道路無絕對相關性），同樣距離道路越近，其地質災害頻率更高。

4 評價結果

圖7 各水系區間面積百分比與災害百分比統計圖

圖8 各道路區間面積百分比與災害百分比統計圖

通過確定各指標分級并計算了各個分級下的信息量值，結果見表1，應用柵格疊加工具并利用自然斷點法進行重分類，將云陽縣地質災害易發性分成4 個等級，為不易發區（-8.8，-2.8］，面積為207.25 km2，占比5.68%；低易發區（-2.8，-0.5］，面積為1 061.21 km2，占比29.11%；中易發區（-0.5，0.5］，面積為1 801.68 km2，占比49.41%；高易發區（0.5，2.3］，面積為576 km2，占比15.80%。云陽縣地質災害易發程度分區見圖9。由結果可見，易發程度高的區域有沿長江及其支流分布的特點，一方面是因為庫水波動下斜坡受河流降雨等條件的控制，坡體在流水沖刷、軟化崩解、靜水及動水壓力等條件下易變形滑動，另一方面沿河流兩岸也是人類居住密集、城鎮建設較集中的區域，在不利的切坡等條件，易誘發滑坡等地質災害；地質災害易發程度較低的區域主要集中在云陽縣北部海拔較高的區域及工程地質巖組為灰巖、白云巖的區域，主要原因該區域內人類工程活動較少，加之灰巖白云巖質地較為堅硬，偶見崩塌等小型災害，整體災害發育頻率較低。中易發區主要集中在工程地質巖組Ⅱ1、Ⅱ2 中，這2個巖組中主要含有砂巖、粉砂巖與泥巖等軟弱夾層，在云陽地區中夾層中黏土礦物含量較高，易形成軟弱面，導致發生順層滑坡、崩塌等災害。

圖9 云陽縣地質災害易發程度分區圖

表1 各指標狀態信息量表

5 結論

該文以三峽庫區云陽縣為研究對象，在調查研究基礎上，選擇高程、坡度、工程地質巖組、構造、水系、道路等6 個致災因素建立了地質災害易發性評價指標，指標體系可為相關縣域行政單元提供參考。基于信息量法開展了小比例尺的地質災害易發性評價，結果表明地質災害易發程度較高的區域集中在長江及其支流兩岸且人類工程活動較密集的區域，并表現出在侏羅系軟弱互層砂泥巖地層集中發育的特點，其結果與研究區詳查結果較為吻合，可為下一步風險評價提供依據，也可為地質災害防治及早期識別提供技術支撐。由于詳查資料關于高位地質災害針對性調查較少，因此易發性評價結果中坡度與地質災害的關系需要進一步研究，建議開展星空地一體化地質災害調查研究，加強Insar 等高科技應用及高位地質災害排查，為減災防災提供更大支撐。