陜西省略陽縣地質災害危險性區(qū)劃評估

封建民，楊 波，謝瑞蓮，祝苓玉，王 艷

（1.咸陽師范學院資源環(huán)境與歷史文化學院，陜西 咸陽 712000；2.西安郵電大學計算機學院，陜西 長安 710127；3.佛坪縣林業(yè)局，陜西 佛坪 723400；4.陜西省榆林市榆陽區(qū)農業(yè)技術推廣中心，陜西 榆林 719000）

中國山區(qū)面積占國土面積的三分之二，地質災害的活動強度、暴發(fā)規(guī)模、經(jīng)濟損失和人員傷亡方面的數(shù)據(jù)均居世界前列。特別是山地丘陵區(qū)突發(fā)性的滑坡、泥石流等災害嚴重制約我國山地丘陵區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展[1]。陜南秦巴山區(qū)地質構造復雜、受深大斷裂及強烈的流水侵蝕等內外地質作用的影響，突發(fā)性滑坡、崩塌、泥石流等地質災害的發(fā)生幾率很高，破壞力強，以崩塌、滑坡、泥石流為主的地質災害（隱患）數(shù)量多、分布廣危害嚴重[2]。汶川地震后以勉縣、略陽縣及寧強縣為代表，成為陜西省西南部地質災害的多發(fā)區(qū)。略陽縣地質災害無論從數(shù)量、規(guī)模及引發(fā)的潛在危害均不同程度的增多[3]。我國地質災害的風險評價研究起步較晚，興起于20 世紀80 年代，本世紀初期頒布了《地質災害防治條例》和《全國地質災害防治規(guī)劃》。目前地質災害風險評理論的研究和GIS、RS、GPS 技術深度融合，逐漸形成了以3S 技術為支撐的地質災害風險評價理論[4]。相關研究證明在GIS 平臺中利用信息量模型對地質災害危險性進行評價，較為簡單、客觀[5-10]，適合山區(qū)的地質災害評價。

1 研究區(qū)概況

略陽縣地處陜西南部的漢中市西北部，位于秦嶺山脈南麓，介于105°41′E ～106°30′E， 33°07′N ～33°38′N 之間（圖1）。區(qū)域內丘陵山地縱橫，海拔高度介于613～2 401 m 間，高差約1 788 m，年平均降雨量800～900 mm 左右，空間分布差異較大，從西北向東南方向降雨量逐漸增多。略陽縣內氣候適宜，年平均氣溫在6～13℃之間，冬無嚴寒、夏無酷暑。區(qū)域內河網(wǎng)分布密、水系發(fā)達，主要包括中西部的嘉陵江水系和東部的漢江水系，兩水系均屬于長江流域，水資源豐富，具有很大的開發(fā)價值。略陽縣的地質巖層主要有元古界碧口群、震旦系等系。境內地質結構復雜，地層發(fā)育完整，有略陽大斷層和略陽大斜背等特殊地質構造。根據(jù)中國地震峰值加速度2001 年的區(qū)劃圖，略陽地區(qū)地震加速度為（0.10～0.15）×9.806 65 m/s2，地震設防烈度為Ⅶ度[11]。略陽地區(qū)大地構造位置跨一級構造單元昆侖秦嶺褶皺系， 主要有褶皺和斷層兩種地質構造，以東西向線狀褶皺為主, 斷裂構造主要有NEE、NWW、近SN 及NW、NE 向等幾組；節(jié)理裂隙走向以NWW 向和NEE 向為主， 傾角在30°～60°之間較為集中。主要地質災害以滑坡、崩塌、巖溶、泥石流較為常見。斷層主要包括嘉陵江和八渡河匯流處的逆斷層、靈巖寺南逆斷層、吳家營逆斷層[12]。縣域內崩塌、滑坡、泥石流等地質災害呈現(xiàn)出明顯的空間衰減趨勢和漸變規(guī)律[8]，并與地質地貌有著密切的關系。影響區(qū)內泥石流、滑坡、崩塌等地質災害的主要因素有地層巖性、坡度、植被覆蓋度、土地利用類型、河流侵蝕、人類活動等[6]。汶川地震后，域內累計發(fā)生各種災害點共計225 處，所以對略陽縣進行危險性評價與分區(qū)有現(xiàn)實意義。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

2 數(shù)據(jù)處理及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及預處理

本文主要采用數(shù)據(jù)有1∶10 000 DEM 數(shù)據(jù)；1∶50 000地質圖；1∶50 000 土地利用類型數(shù)據(jù)及其他基礎地理數(shù)據(jù)和地質災害詳細調查等專題數(shù)據(jù)。首先將不同來源的數(shù)據(jù)空間配準后統(tǒng)一變換到高斯克呂格投影下，其次提取所需要的數(shù)據(jù)，通過DEM 提取坡度、地形起伏度和河網(wǎng)數(shù)據(jù)，從地質圖中通過數(shù)字化提取巖性、斷層等數(shù)據(jù)，地質災害詳細調查專題數(shù)據(jù)中提取地面塌陷、崩塌、滑坡、泥石流等地質災害空間數(shù)據(jù)。

2.2 評價方法

本文采用信息量模型來評價地質災害危險性。信息量由概率來估算，如公式（1）所示[6]。

式中，S 為研究區(qū)域待評估柵格總數(shù)；N 為地質災害發(fā)生的總次數(shù)；Si為區(qū)域內含有評價因子的柵格數(shù)；Ni為在評價因子中地質災害的個數(shù)。一般情況下，每個待評價柵格是由多個因子相互作用的結果，各種因子又包括若干類型。對柵格各類型的信息量求和，即可確定該柵格的總信息量，如公式（2）所示。

式中，Ii為待評估柵格的總信息量數(shù)值；n 為參加評估的因子個數(shù)。通過總信息量Li確定柵格的危險級別，當Ii＜0 時，表明該柵格發(fā)生地質災害的概率比區(qū)域平均發(fā)生地質災害的概率小；Ii＝0 時，表明該柵格發(fā)生地質災害的可能性與區(qū)域平均發(fā)生的可能性相等；Ii＞0 時，表明該柵格發(fā)生地質災害的可能性比區(qū)域平均發(fā)生的可能性更大。最后對所有柵格的總信息量值劃分類別，分成不同的危險等級[13]。

2.3 地質災害控制因子提取與分析

2.3.1 坡度因子

利用1∶10 000 DEM 數(shù)據(jù)，在ArcGIS 9.3 軟件3D Analyst Tools 下使用Slope 工具提取坡度因子。為了更直觀地反映出地質災害的發(fā)生與坡度的關系，將坡度柵格數(shù)據(jù)按照5°為步長區(qū)間進行重采樣，坡度由小到大分成13 個等級，如圖6a 所示。統(tǒng)計得到的每個坡度范圍內災害發(fā)生的次數(shù)，如圖2 所示。從坡度圖來看，略陽縣坡度陡峭，坡度在0°～71.14°之間。由地質災害與坡度的關系圖得到，地質災害主要集中發(fā)生在15°～40°之間，所發(fā)生災害的次數(shù)達到140 個，占總災害數(shù)的76.50%。

圖2 地質災害與坡度關系

2.3.2 地形起伏度因子

地形起伏度是描述地貌形態(tài)主要指標之一，它是指某一確定面積內最高和最低點之間的高差，也是區(qū)域地貌對比研究與區(qū)分地貌類型的客觀依據(jù)[14]。將略陽縣劃分為平坦起伏、小起伏、中起伏3 種類型。通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)平坦起伏（0～20 m）、小起伏（20 ～75 m）和中起伏（75 ～300 m）3 種類型占總面積的比例分別是14.8%、79.4%和5.8%。小起伏地形在略陽縣占比最大，相對應的平坦起伏和中起伏所分布的面積較小。

2.3.3 巖性因子

作為斜坡的重要組成部分，巖土層的自身特性對斜坡的穩(wěn)定性有著很大的影響[13]。本文中的巖性因子數(shù)據(jù)在略陽縣的地質圖上采集得到，結合略陽縣內的實際情況將巖體劃分為八類工程地質巖組[15]，分別是砂礫卵石碎石為主的松散巖組、碎石砂土為主的松散半膠結巖組、粉粘土為主的半膠結巖組、泥巖頁巖砂巖互層等半堅硬巖組、灰?guī)r泥灰?guī)r夾砂巖泥巖堅硬半堅硬巖組、板巖變質砂巖等半堅硬巖組、酸性巖漿巖堅硬巖組和中基性超基性巖漿巖堅硬巖組，并依次對其進行編號，分別對應1、2……8。根據(jù)從地質圖上提取的地層巖性，利用ArcGIS 9.3 中的空間分析命令，生成如圖6c 所示，統(tǒng)計出在不同巖層上地質災害發(fā)生的次數(shù)，其結果如圖3 所示。略陽縣內滑坡在不同巖層上共發(fā)生了171 次，占災害總數(shù)的76.3%，其中在松散巖組上就發(fā)生了74 次。可以看出當巖性較軟或是酸性的時候發(fā)生地質災害的可能性比較高，反觀相對較硬的巖層發(fā)生的可能性就比較低。

圖3 地質災害與工程地質巖組分布關系

2.3.4 水系因子

通過對歷史時期地震災害資料的成果調查發(fā)現(xiàn),沿河流兩側常有較強的地震次生災害發(fā)生。在ArcGIS中通過對地形圖進行相關操作得到水系分布圖。通過與水系的距離研究自然災害的發(fā)生特征，將水系范圍劃分為400 m、800 m、1 200 m、1 600 m、2 000 m、2 400 m、2 800 m、3 200 m、3 600 m、4 000 m 和4 400 m，得到與河流距離分布圖，如圖6d 所示。進行相關區(qū)域的特征分析，得到災害發(fā)生的地方與水系距離之間的關系，如圖4 所示。在河流2 400 m 的范圍內地質災害共發(fā)生的次數(shù)達到了200 次左右，在災害總數(shù)量中的占比達89.3%。距離河流越遠，災害發(fā)生的次數(shù)呈現(xiàn)出逐漸減小的狀態(tài)，滑坡是主要的地質災害。通過此分析發(fā)現(xiàn)，水系在地質災害的研究中起著十分重要的作用。

圖4 各類型地質災害與水系的分布關系

2.3.5 斷層因子

斜坡的穩(wěn)定性受到斷層構造的影響，在斷層及其附近的區(qū)域內，斷層構造活動對巖土體產(chǎn)生了很大的破壞，使坡面的穩(wěn)定性有所降低，同時也為地下水的流動創(chuàng)造了更多的通道，地質災害沿著斷裂構造呈帶狀發(fā)育[13]。略陽縣位于昆侖秦嶺褶皺系，褶皺呈線狀分布、生長，其斷裂構造主要有NEE、NWW 等幾組類型。斷裂構造極其復雜，長期以來一些斷裂有復活現(xiàn)象。通過在地質圖上提取的斷裂構造數(shù)據(jù)，運用ArcGIS 中的距離制圖命令，得到斷層數(shù)據(jù)。通過分析災害發(fā)生的地方與斷層距離的關系，將斷層范圍劃分為1 000 m、2 000 m、3000 m、4 000 m、5 000 m和15 000 m，得到斷層因子圖，如圖6e 所示。從圖5可知，略陽縣內的災害主要發(fā)生在距離斷層1 000 ～3 000 m 的區(qū)域內，以滑坡為主。因此，斷層對滑坡災害的發(fā)生有著很大的促進作用。同時，當與斷層的距離越來越小時，發(fā)生地質災害的次數(shù)反而隨之增大，從而就說明發(fā)生災害的概率較大，距離其越遠，災害發(fā)生的次數(shù)逐漸減少，其發(fā)生的概率就越小。通過此分析說明，略陽縣內地質災害的發(fā)生受到斷裂構造的影響也很大。

圖5 地質災害與斷層分布關系

2.3.6 土地利用類型

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人類活動對自然環(huán)境造成很大的影響和破壞，特別是對土地資源不正確的開發(fā)利用，加快了地質環(huán)境的惡化，成為地質災害活動加劇的主要因素之一。在本文中通過遙感影像解譯的獲取土地利用和覆蓋信息，根據(jù)全國第二次土地利用調查分類準則，結合區(qū)域特征，將略陽縣內的土地利用類型有灌木林、草地等7 種類型，如圖6f 所示。通過對不同土地利用類型下發(fā)生的地質災害次數(shù)和種類進行統(tǒng)計，分析顯示地質災害主要在有林地、草地和耕地發(fā)生，分別占比為17%、38.1%和23.9%。地質災害的發(fā)生與植被覆蓋有著密切的聯(lián)系，同時還發(fā)現(xiàn)植被對斜坡的穩(wěn)定性有重要的作用。

2.3.7 基于GIS 的信息量模型的計算

根據(jù)相關研究成果，在山區(qū)縣域尺度下柵格單元分辨率的選擇由經(jīng)驗公式估算[16]。根據(jù)本研究數(shù)據(jù)，選擇分辨率為30 m 的柵格，對每個影響因子的原始數(shù)據(jù)進行相關操作，通過對影響因子數(shù)據(jù)進行空間分析，然后利用公式（1）計算各因子在地質災害中的信息量，如表1 所示。將表1 中的各類型信息量值分別賦值給相應的類型，生成單獨的信息量數(shù)據(jù)，再通過公式（2）將所有的單信息量數(shù)據(jù)圖層在柵格計算器中全部相加得到總信息量圖層；對總的信息量值圖層數(shù)據(jù)進行重分級，劃分危險性等級區(qū)域如圖9 所示。

表1 各評價因子的信息量計算結果

圖6 地質災害危險性評價因子

3 評價結果和分析

3.1 危險區(qū)劃范圍界定

通過GIS 的運算，得到了多因素信息量數(shù)據(jù)圖層，其數(shù)值范圍在-5.985 4～3.246 之間。為了得到危險性區(qū)劃判斷標準并進行相關的數(shù)據(jù)分析，在ArcGIS 中運用重分級命令對多因素信息量值進行了以0.5 為步長的重分級，共劃分了19 個步長區(qū)間（圖7、8）。通過對比發(fā)現(xiàn)，在-2.985 4、0.014 6 和2.014 6 處有比較明顯的拐點，結合研究區(qū)域的地質情況和ArcGIS 中的重分類功能，將研究區(qū)域劃分為極低度危險區(qū)、低度危險區(qū)、中度危險區(qū)、高度危險區(qū)4 個等級，其信息量值的大小范圍主要為：-5.985 4 ～-2.985 4、-2.985 4～0.014 6、0.014 6～2.014 6 和2.0146～3.246（圖9），面積分別占略陽縣總面積的4.01%、60.77%、33.66%和1.56%。可以看出，低度危險區(qū)包含了一半以上的地質災害，同時低度危險區(qū)所包含各種類型的巖層和水系、斷層的距離相對較遠，地質災害發(fā)生的次數(shù)和規(guī)模都較小，是穩(wěn)定性相對較好的區(qū)域；中度危險區(qū)距離水系、以及坡度較大的區(qū)域比較近，穩(wěn)定性相對較差；高度危險區(qū)大部分集中在地區(qū)內的水系附近且坡度更大、以及松散堆積的巖層周邊，這些地方發(fā)生地質災害的頻率比較高。

圖7 信息量與柵格個數(shù)分布圖

圖8 信息量與累計柵格個數(shù)分布圖

圖9 地質災害危險性評價圖

3.2 坡度對地質災害危險性的影響

地質災害發(fā)生的區(qū)域主要集中在15°～40°之間，在災害發(fā)生總數(shù)中占比達76.50%。在圖9 的危險性評價圖中，高危險區(qū)主要在河流沿岸，中危險區(qū)主要分布在略陽縣中部坡度較小的地區(qū)。在15°～40°坡度下，極低的比例是3.13%，低危險區(qū)的比例是51.14%，中危的占比達43.38%，高危占比2.35%。中危及以上危險區(qū)所占的比例達到45.73%。坡度逐漸增加，災害發(fā)生的幾率反而逐漸下降。15°～40°坡度區(qū)間，在略陽縣的總面積中占比達到69.4%，是農業(yè)種植和工業(yè)開礦的主要場所。導致該坡度范圍地質災害的發(fā)生比較頻繁，且以滑坡居多。

表2 15°～40°坡度下地質災害危險性分布統(tǒng)計

3.3 距水系和斷層的距離對地質災害危險性的影響

地質災害的發(fā)生受到很多因素的影響，但是與水系和斷層的距離關系對地質災害發(fā)生的作用尤為突出。可以看出與水系和斷層的距離越近，發(fā)生地質災害的次數(shù)越多，從數(shù)據(jù)層面體現(xiàn)了地質災害的防范重點在水系、斷層較近的區(qū)域。在獲得的略陽縣地質災害危險性評價圖中可以清晰的看到，紅色的區(qū)域表示的是高危險區(qū)，主要分布在河流兩側，與河流走向基本一致。在河流兩側，由于水流對河床的沖刷以及河流兩岸的土壤含水量較高，造成地質災害頻繁發(fā)生。在略陽縣的中部，東西方向上主要分布著中危險區(qū)，該區(qū)域的地表下存在著大量的斷層，斷層上方的巖石因為斷層運動變的支離破碎，易于風化，為地質災害的發(fā)生提供了充分的條件。地殼斷塊沿著斷層產(chǎn)生相對位移時，與其相對應的地球表面隨之產(chǎn)生震動，在震動的作用下，由于巖石破碎導致發(fā)生地質災害的可能性變大。

4 結論與討論

汶川地震后略陽縣內地質災害數(shù)量、規(guī)模及引發(fā)的潛在危害均不同程度的增多，各種災害點共計225 處。易發(fā)地質災害的區(qū)域主要分布在距離河流和斷裂構造帶相對較近的范圍，當與河流和斷層的距離逐漸增大時，地質災害發(fā)生的可能性隨之減小。從坡度來看，在15°～40°之間是地質災害頻繁發(fā)生的區(qū)域，在總災害數(shù)中占比達76.50%。從地質巖組的角度分析，地質松散巖組區(qū)域是災害發(fā)生的集中地區(qū)，占比達33.03%。從地形起伏度的角度來看，地質災害的發(fā)生主要集中在小起伏地區(qū)（20～75 m），占區(qū)內總災害數(shù)量的79.4%。總體而言，略陽縣的地質災害危險程度比較高，并且地質條件、人口分布特征、社會經(jīng)濟發(fā)展等方面對地質災害的發(fā)生有著較大的影響。

2008 年的汶川大地震對略陽縣影響至今，震后山體松動，要恢復到相對穩(wěn)定的狀態(tài)需要較長的時間。在以后的防治工作中，應加強對中、高度危險區(qū)域內的山體觀測和在極端天氣下的地質 災害預警，防止惡劣天氣下，突發(fā)的地質災害對群眾生命安全的威脅。略陽縣地質地貌特殊，巖石成分復雜。因此在交通線路、廠礦選址時，應重點考慮地質災害的影響，根據(jù)危險性評價圖并結合實地自然情況做出合理規(guī)劃，避免類似于略陽電廠選址在山體巖石滑坡群中的情況發(fā)生[17]。地質災害對生產(chǎn)生活的威脅不容忽視，只有合理的做出危險區(qū)劃預警報，才能在實際生產(chǎn)生活中將土地價值、社會效益發(fā)揮到最大，將災害對于人類的威脅降到最低。