楊淞月,翁茂芝,田 華,王寧濤,連志鵬
(1.湖北省應急救援中心,湖北 武漢 430064;2.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034;3.武漢中科巖土工程技術培訓有限公司,湖北 武漢 430071;4.中國地質調查局武漢地質調查中心,湖北 武漢 430205)
地質災害給人類造成了巨大的損失。古今中外的學者通過各種研究手段,研究了地質災害的孕育及發展,探究其規律,以實現對地質災害的風險評價及預警預報,盡量降低其造成的損失。
地質災害的發育及分布通常受控于所在地區的自然環境和工程地質條件,其相關研究主要分為兩個方面:不同空間條件下,因地形、構造、水系、人類活動等因素的不同屬性,使地質災害具有一定的空間分布規律;不同時間條件下不同季節或不同年份,因氣候、風化作用等的差異性,使地質災害具有一定的時間分布規律。
根據地質災害分布的時空規律,考慮地質災害發育地區的工程地質條件,通過可靠的時空分析方法,如層次分析法、證據權法、信息量法、神經網絡方法等可對地質災害的時空分布規律進行量化分析。不同的分析方法具有不同特點,但這類方法都有一個明顯特點:通過統計分析和模糊評價的方法,將大量的概率時間定量化,即從看似規律不明顯的事件中,提取可供參考的大體趨勢。通過以上方法將地質災害孕育規律定量化,并進行定量化區劃,進而對地質災害的時空分布規律進行定量評價。
本文以湖北省鶴峰縣城區為研究區,基于研究區地質災害的統計調查,分析了控制區內地質災害的孕災規律,并從地質災害的時空分布出發,完成了研究區滑坡地質災害易發性、危險性的評價分析,同時考慮建筑物及室內人口易損性,完成了區內滑坡地質災害的風險評價,以為研究區及其周邊地區的地質災害發育分布特征研究以及防治規劃制定與風險管理提供依據。
湖北省鶴峰縣地處鄂西褶皺山地,山脈走向與褶皺構造線方向一致。全境地勢呈西北高、東南低,平均海撥高程為1 147 m。本次研究區為鶴峰縣城關鎮,溇水河穿城而過,海拔高程為475~1 004 m(見圖1),面積約為32 km,處于構造侵蝕低中山區,位于鶴峰向斜核部近中段部位。該向斜核部穿切縣城中部至西部,從溪坪經石龍洞、新莊、容美、太坪、毛壩直抵分水嶺,向西同來鳳向斜聯成一體。

圖1 研究區海拔圖Fig.1 Elevation map of the study area
研究區出露的地層主要為三疊系中統巴東組第二段(Tb
),地質構造較為簡單,未見大的斷裂構造形跡。根據研究區巖土體工程地質性質和巖層的組合關系,可劃分為土體和巖體兩大類,共7個巖組(見圖2)。受構造的影響,區內NE、NW向節理裂隙較為發育,破壞了巖體完整性,在一定程度上影響了坡體穩定性。
圖2 研究區巖組分布圖Fig.2 Distribution map of petrofabric in the study area
研究區內共發育地質災害及隱患點15處,其中滑坡13處,崩塌2處,見表1。
研究區內地質災害以滑坡變形為主,其孕育和發展受地形地貌、地層巖性、地質構造以及降雨和人類工程活動等誘因的影響,控制區內地質災害的孕災規律主要有地形地貌控制規律、地層巖性控制規律、地質構造控制規律和誘因控制規律四個方面。
研究區13處滑坡地質災害有11處集中發育在500~600 m高程段,區內滑坡地質災害兩側邊界以基巖凸梁地貌為主,滑坡后緣大多為三面高中間低的圈椅狀匯水地形,前緣多為溝谷橫切或工程切坡形成的高陡臨空面。
滑坡地質災害多發生于地形坡度在15°~40°的陡坡上(見表1),而地形坡度小于15°或大于40°的斜坡地段,滑坡災害點分布較少。前者由于地形坡度小,地形平緩,巖土體不易滑動;而后者由于地形坡度較大,通常巖質堅硬,不易形成滑坡地質災害。

表1 研究區地質災害及隱患點統計表
地層巖性是滑坡形成的物質基礎,由于地層巖性不同,其抗剪強度各不相同,發生滑坡的難易程度也會不同。軟弱地層力學強度低、抗風化能力差,遇水易軟化、崩解,同時也易形成大量的松散物質,形成土質滑坡。
碎屑巖地層在研究區的分布面積為8.2 km,占調查總面積(30 km)的27.33%,發育在該巖類中的地質災害點為13處(其中滑坡12處,崩塌1處);而層狀碳酸鹽巖夾碎屑巖地層在研究區的分布面積為19.67 km,占調查總面積的65.57%,發育在該巖類中的地質災害點為2處(其中滑坡1處,崩塌1處)。研究區內主要出露的地層為三疊系中統巴東組第二、四段(Tb
、Tb
),巖性以泥質粉砂巖、砂巖等碎屑巖為主,其飽和抗壓強度一般小于15 MPa,多屬軟巖。此類碎屑巖地層區地質災害較為發育(見圖3),為研究區內的易滑巖組區域。土質滑坡(及滑坡隱患點)主要發生在母巖為軟質巖石殘坡積沉積物中,區內有8處滑坡地質災害所處基巖巖性為三疊系中統巴東組(Tb
)泥質粉砂巖、粉砂質泥巖軟質巖巖組。區內2處巖質滑坡均發生在碎屑巖巖組中,巖性為Tb
泥質粉砂巖、泥巖互層,屬于易滑地層,為斜坡滑移變形的發生提供了有利條件。
圖3 研究區滑坡地質災害與巖組分布關系圖Fig.3 Relationship between landslide geological hazard and petrofabric distribution in the study area
b
軟硬相間易滑地層構成的順向坡或斜交順向坡,特定的地質構造與地貌配置為孕災創造了有利條件。其次,構造作用致使巖體結構面節理裂隙較為發育,尤其在軟弱巖層中節理裂隙發育更為明顯,造成研究區內斜坡巖體易受風化及其他地質營力的影響,導致其物理力學性質差,易形成不穩定地質體。2.4.1 水
水對地質災害的影響巨大,不僅加速了邊坡的風化變形,而且改變了坡體自重,調整了斜坡內部應力狀態,同時降低了軟弱夾層的摩擦系數,致使坡體局部出現各種變形,如裂縫、下挫、坍滑等。
根據野外調查及資料分析,研究區內絕大多數地質災害均發生在雨季,以5、6、7、8、9月份為主,其次為4、10月份。水對地質災害的影響主要表現為:地下水使巖土體浸水軟化,大大降低了巖土體的抗剪強度,增加了土體的重量,從而誘發斜坡變形;水在相對隔水層與上層土體接觸面附近滯留,易軟化
接觸面土體,從而誘發斜坡沿該接觸面的變形;洪水期河流水位上漲,地下水水位明顯升高,會對斜坡穩定性造成明顯的影響。
2.4.2 人類工程活動
人類工程活動對研究區內滑坡地質災害形成的影響明顯,隨著經濟建設的迅速發展,人類工程活動日漸增強,鶴峰縣人類工程活動主要表現為城鎮及公路建設、居民建房、水利水電開發等,大量的人類工程活動破壞了斜坡穩定狀態,誘發了滑坡地質災害的產生。
建房切坡、公路開挖等人類工程活動是典型的地質災害孕災控制因素之一,見圖4。

圖4 人類活動誘發地質災害示意圖Fig.4 Sketch map of geological hazards induced by human activities
研究區內發育的主要地質災害為滑坡,因此本次選取區內滑坡地質災害為研究對象進行風險評價。
滑坡地質災害易發性評價是風險評價的基礎,特別是為滑坡空間概率提供關鍵的中間數據。滑坡地質災害是發生在地表并具有明顯的時間屬性和空間屬性的自然地質現象,其影響因素在自然地質地理演化循環過程中有相對固定的地空信息。
滑坡地質災害易發性評價主要包括評價單元劃分、評價指標提取與分析、評價模型構建和精度評價4個環節。以下將重點針對評價單元劃分和評價模型構建做重點介紹。
3.1.1 評價模型
本文在種類繁多的評價模型中選取經過眾多專家學者應用且發展成熟的信息模型,對研究區滑坡地質災害易發性進行定量評價。信息量模型理論認為地質災害的產生與預測過程中所獲取的信息數量和質量有關,可用信息量來衡量,信息量越大,表明產生地質災害的可能性越大。
由于作用于滑坡地質災害的因素很多,相應的因素組合狀態也特別多,樣本統計數量往往受到限制,故可采用簡化的單因素信息量模型進行分步計算,再進行綜合疊加分析,相應的信息量模型如下:

(1)

I
值的大小直接說明該單元產生滑坡的可能性,是滑坡地質災害易發性區劃的重要性指標。信息量越大,滑坡可能發生的概率越大。當I
>0時,表示因素i
對滑坡發生是有利的;當I
<0時,表明因素i
不利于滑坡發生;當I
=0時,則表示因素i
不提供有關滑坡發生與否的任何信息,即因素i
可以篩選掉,排除其作為預測因子。3.1.2 評價單元劃分
不同的單元劃分對不同研究尺度的滑坡地質災害易發性評價結果有很大的影響,因此對于區域滑坡地質災害易發性評價首要的步驟是確定評價單元的劃分方法和類型。本次研究采用柵格單元與斜坡單元相結合的方法來劃分評價單元。由于本項目中所評價的對象尺度為1∶10 000,因此后續評價過程中在無人機所測數字高程模型的基礎上,選取10 m×10 m作為柵格評價的尺度單元。

圖5 斜坡單元劃分流程圖Fig.5 Flow chart of slope unit division
在滑坡地質災害的風險管理工作中,防災工作需要基于斜坡展開,為了提高評價成果的可用性,需要以斜坡單元易發性高低的形式表達。以“集水區重疊法”為劃分方法,認為斜坡單元是斜坡段的一部分,或是集水流域的1/2,利用正反地形分別提取集水流域的山脊線與山谷線,將生成的集水流域和反向集水流域融合,再依據山體陰影、坡體形態等地形因素和地層巖性因素人工修改斜坡單元,如對面積過大、形狀不符合實際情況的斜坡單元進行修正,以得到大小、形狀與實際地形高度吻合的斜坡單元,具體流程(見圖5)如下:首先,利用ArcGIS中的水文分析模塊由原始DEM數據提取山谷線的同時,進行DEM數據的洼地填充以求取整個研究區的流向圖,獲得各單元的累計流量;然后,通過設定最小匯水單元數,得到不同面積的匯水區,其邊界即為分水線;再后,將原始DEM數據反轉,用同樣方法得到負地形的集水流域,提取負地形的山脊線;最后,將原始DEM數據獲得的集水流域和反轉DEM數據后獲取的集水流域進行疊加融合,得到初步劃分的斜坡單元。
以上疊加得到的斜坡單元不能直接作為評價單元,還需要后期進行人工調整,除了進行縫隙合并、空洞補全、調整重疊區域等細節工作外,還需要考慮山體陰影、等高線、地層巖性等因素(見圖6)進一步調整斜坡單元的邊界,用于滑坡地質災害易發性評價。

圖6 研究區斜坡單元劃分示意圖Fig.6 Schematic diagram of slope unit division in the study area
考慮研究區比例尺的大小,根據無人機所測10 m分辨率的數字高程模型,將全區劃分為313 190個10 m×10 m柵格單元;同時,利用地形線提取山脊山谷線、山體陰影和坡度坡向圖,結合野外調查對單個斜坡單元進行劃分,完成研究區共955個自然斜坡單元的劃分,見圖7和圖8。

圖7 研究區斜坡單元劃分圖Fig.7 Slope unit division in the study area

圖8 研究區斜坡單元劃分三維示意圖Fig.8 Three dimensional diagram of slope unit division in the study area
3.1.3 評價因子選取
在前期對研究區地質災害發育規律分析的基礎上,完成對地形坡度、坡向、高程、坡面形態、地層巖性、坡體結構、公路影響距離、土地利用類型等相關因子的信息量提取,見圖9。另外,鶴峰縣在近年建設過程中,溇水河人為改造很大,城區段和部分河岸被漿砌擋墻砌護,失去了其自然屬性,對滑體穩定性的影響較小,故將河流因子剔除。
3.1.4 滑坡地質災害易發性分區
采用綜合信息量模型,考慮各因素對滑坡等地質災害貢獻性的大小(見表3),利用公式(1)建立綜合因素評價模型。
進一步對所獲取的研究區滑坡的易發性量值進行相對等級劃分,用于指導地質災害的定性評估與決策。通過統計全區柵格信息量分布數據,將數據突變點作為等級劃分臨界值,將全區滑坡的易發性劃分為4個等級:高易發區(I
>2.768)、中易發區(-4.809 5<I
≤2.768)、低易發區(-9.356<I
≤-4.809 5)、極低易發區(I
≤-9.356)。為了評估分級結果的準確性,采用受試者特征曲線ROC(Receiver Operating characteristic Curve)對預測結果進行精度分析(見圖10),結果表明:預測精度達89.38%,說明前期預測過程和結果較為合理。
圖9 研究區滑坡地質災害易發性評價因子分布圖Fig.9 Distribution chart of landslide risk assessment factors in the study area

表3 研究區地質災害評價因素及其信息量

圖10 ROC曲線Fig.10 ROC curve
根據滑坡地質災害易發性分級區間,對全區滑坡地質災害易發性柵格單元圖進行分級,并通過斜坡單元分布,提取斜坡內柵格信息量數據,以實現研究區基于斜坡單元的滑坡地質災害易發性分區。最終考慮將斜坡單元內柵格信息量均值作為該斜坡單元的滑坡地質災害易發性代表值,并在此基礎上,對所有斜坡單元的滑坡地質災害易發性進行等級劃分,見圖11。

圖11 研究區滑坡地質災害易發性分區圖Fig.11 Zoning map of landslide susceptibility in the study area
3.2.1 評價模型
滑坡地質災害的危險性H
由災害發生的空間概率、時間概率和規模概率共同決定。其計算公式如下:H
=P
(A
)×P
(N
)×P
(S
)(2)
式中:P
(A
)為滑坡規模大小的超越概率;P
(N
)為滑坡發生的時間概率,即指不同重現期滑坡發生的超越概率;P
(S
)為滑坡發生的空間概率。(1) 滑坡規模大小的超越概率P
(A
):本次研究采用滑坡體積作為其規模大小的評價參數,即可以通過斜坡的體積與面積(在斜坡分布圖上可測得)的對應關系,間接獲取滑坡體積及其超越概率,但需要統計區內滑坡地質災害的體積與面積的關系。通常,地質災害的體積y
與其面積x
之間存在如下關系:y
=ax
(3)
通過統計鶴峰縣城區及其附近地質環境條件相似地區(咸豐、宣恩)相關歷史滑坡的體積與面積數據,擬合得到鶴峰縣城區內滑坡體積與其面積的關系式為
y
=2.303 5x
(4)
根據公式(4),可依據研究區內劃分的每一個斜坡單元的面積計算出每個斜坡單元的體積。觀察歷史滑坡的體積大小(即方量),找出歷史滑坡集中分布的方量值,鶴峰縣城區的滑坡體積大小集中分布在5×10m和10×10m,對應的斜坡面積分別是1.899×10m和3.370 8×10m,故分兩種情況進行分析。
對于滑坡方量為5×10m的情況,當滑坡體積大于5×10m時,對應的面積也應要大于1.899×10m,則有:

(5)
對于滑坡方量為10×10m的情況,當滑坡體積大于10×10m時,對應的面積也應要大于3.370 8×10m,則有:

(6)
根據統計分析,對于鶴峰縣城區及其附近地區(咸豐、宣恩),有a
=1.055 4,a
=0.494 8。(2) 滑坡發生的時間概率P
(N
):滑坡發生的時間概率,由滑坡在測區內以不同的重現期發生至少1次災害的超越概率來確定。本研究認為該時間概率服從泊松分布,其計算公式如下:
(7)
式中:t
為重現期(a),這里可以為1 a、10 a、20 a、50 a、100 a;T
為研究區內最新歷史滑坡和最老歷史滑坡的年份之差,分別為2015年和1994年,故T
=21;N
為斜坡單元里發生滑坡的個數(個),若重現期為10 a和20 a,則N
等于歷史滑坡加上極高易發區斜坡個數,若重現期為50 a和100 a,則N
等于歷史滑坡加上極高易發區和高易發區斜坡個數。(3) 滑坡發生的空間概率P
(S
):滑坡發生的空間概率意指歷史滑坡現象在評價單元內發生的可能性大小,其值為0~1之間的取值。本研究認為該空間概率可由滑坡地質災害易發性評價結果經歸一化處理體現。3.2.2 滑坡地質災害危險性分析
將研究區滑坡地質災害易發性評價時利用信息量法得到的每個斜坡的證據權值歸一化處理后得到的值作為斜坡的P
(S
)值,然后利用公式(2)即可計算得到每個斜坡單元的H
?;麦w積大于5萬方、10萬方工況下的研究區滑坡危險性分布圖,見圖12和圖13。
圖12 不同重現期研究區滑坡地質災害危險性分區圖(體積大于5萬方工況)Fig.12 Landslide risk zoning map of the study area in different return periods (with volume greater than 50 000 cubic meters)

圖13 不同重現期研究區滑坡地質災害危險性分區圖(體積大于10萬方工況)Fig.13 Landslide risk zoning map of the study area in different return periods (with volume greater than 100 000 cubic meters)
根據研究區滑坡地質災害危險性評價結果可以發現,相同重現期情況下,體積大于5萬方工況的滑坡地質災害危險性整體大于體積大于10萬方工況;而相同體積工況條件下,隨著重現期時間的增加,研究區內滑坡地質災害總體危險性不斷增大,滑坡地質災害危險性高的區域由河流兩岸城市建設區漸漸擴大至其他地區。
易損性是承災體在面對特定強度災害時抗災能力的度量,是災害強度和承載能力的函數。易損性的定義表明易損性主要表現在致災強度和承災體抗災能力。本次主要針對建筑物和室內人口的滑坡地質災害易損性進行評價。由于建筑物和人口屬性的數據缺失,本研究擬采用定性-半定量的方式計算其易損性。
3.3.1 建筑物易損性評價
滑坡在運動過程中,滑坡體對滑坡運動范圍內建筑物的易損性與滑體物質沖擊力直接相關,該沖擊力與滑坡的速度平方和滑坡體的密度成正比。計算過程中由于無滑坡速度量化值,只有滑坡的運動距離,故采用滑坡運動速度隨滑程衰減的假設,將建筑物易損性定義為如表4所示方案。

表4 滑坡影響范圍分區與對應的建筑物易損性
滑坡的運動范圍,可以通過Corominas等和Scheidegger的滑坡運動距離經驗公式計算:
lg(H
/L
)=A
+B
lgV
(8)
式中:H
為滑坡前后緣高程差(m);L
為從滑坡后緣開始計算的投影滑動距離(m)(見圖14);V
為滑坡方量(m)。
圖14 滑坡滑動距離L示意圖Fig.14 Diagram of landslide sliding distance L
通過對比分析Corominas等和Scheidegger的滑坡運動距離經驗公式,對鶴峰縣城區已發生的滑坡的運動過程和影響范圍進行反分析,確定出適合鶴峰縣城市及其附近地區(咸豐、宣恩)滑坡的滑動距離計算公式為
lg(H
/L
)=-0.156 6×lgV
+0.624 19(9)
根據前期調查成果,對圖12和圖13中不同工況下出現的高危險性斜坡單元進行方量估算以及滑動距離估算,并將該滑動距離計算結果相應地繪制于各工況下滑坡地質災害危險性分區圖中,斜坡影響范圍局部示意見圖15,以此作為后續承災體確定和風險計算的依據。

圖15 斜坡影響范圍局部示意圖Fig.15 Local sketch map of slope image range
3.3.2 室內人口易損性評價
本次評估對象僅考慮室內靜態人口的風險。由于室內人口易損性與建筑物易損性直接相關,因此可通過室內人口易損性與建筑物易損性之間的對應關系來實現室內人口易損性的計算。
滑體上人口易損性統一賦值為1.0。室內人口易損性V
-的計算公式為V
-=0.001 4×e6.07(10)
式中:V
為建筑物易損性。
圖16 室內人口易損性(Vp -s)與建筑物易損性 (Vs)的關系曲線Fig.16 Relation curve of vulnerability of indoor population and vulnerability of structure
3.4.1 評價模型
地質災害風險可定義為危險性(Hazard)、易損性(Vulnerability)與承災體(Elements at risk)三者的乘積。在前述地質災害危險性分析、承災體易損性分析以及承災體數量或經濟價值分析等成果的基礎上,利用地質災害風險評估模型,可計算得到地質災害經濟與人口風險,具體計算公式如下:
R
=E
×H
×V
(11)
式中:R
為地質災害的經濟與人口風險;E
為受地質災害威脅的對象,包括人口、經濟等;H
為特定地區范圍內某種潛在地質災害在一定時間內發生的概率;V
為承災體易損性值,可用0~1表示。3.4.2 滑坡地質災害風險分析
結合地質災害發生的空間概率、斜坡方量和運動距離的估算,實現對受威脅對象(承災體)的確定:處于危險性高的斜坡體上及其影響范圍內的建筑物、人口、公共設施、土地資源等是本次研究要考慮的承災對象。限于研究區的實際調查數據情況,僅對可能的受威脅建筑物進行評估。
將危險性屬于中、高級別的斜坡及其影響范圍內的建筑物認為是受威脅的對象,分別統計不同體積工況、不同重現期內受威脅對象的個數(見表5),也可以分辨受威脅建筑物,并將斜坡的危險性值賦予對應斜坡上及其影響范圍內的受威脅建筑物,統計不同體積工況、不同重現期內研究區滑坡地質災害威脅建筑物的危險性值,經公式(11)計算可得到風險值,見表5。

表5 不同體積工況、不同重現期內研究區滑坡地質災害威脅建筑物統計表
不同體積工況、不同重現期內研究區滑坡地質災害威脅建筑物空間分布圖,見圖17和圖18。由于數據缺失,該風險值未考慮建筑物結構、樓層數以及建筑物年齡的差異性。

圖17 不同重現期內研究區滑坡地質災害威脅建筑物空間分布圖(體積大于5萬方工況)Fig.17 Spatial distribution of buildings threatened by landslides in different volume conditions and return periods in the study area (with volume greater than 50 000 cubic meters)

圖18 不同重現期內研究區滑坡地質災害威脅建筑物空間分布圖(體積大于10萬方工況)Fig.18 Spatial distribution of buildings threatened by landslides in different volume conditions and return periods in the study area (with volume greater than 100 000 cubic meters)
對研究區內不同危險性等級的斜坡,采用矩陣疊加方式,綜合提出滑坡地質災害風險防控措施原則,具體建議如下:具有高級別危險概率的斜坡、具有高級別風險的斜坡應實施工程治理方案;具有中等級別危險概率的斜坡、具有中等級別風險的斜坡應實施工程治理、專業監測或群測群防綜合方案,見表6。

表6 研究區滑坡地質災害風險防控措施原則
(1) 研究區地質災害孕育主要受地形地貌、地層巖性、地質構造及相關誘因控制。
(2) 研究區滑坡地質災害多發生于地形坡度在15°~40°的陡坡上,崩塌地質災害則在地形坡度為40°~50°的陡坡上較常見;區內泥質粉砂巖、泥巖互層巖層發育廣泛,屬于易滑地層;區域構造作用不僅在區內構成順向坡或順向斜交坡,還使巖體破碎嚴重、易風化,這些均為地質災害的發生創造了有利條件;水和人類工程活動對滑坡地質災害的影響顯著,多雨季節以及城鎮建設、坡腳開挖等人類工程活動明顯的地區,滑坡地質災害發育更明顯。
(3) 基于研究區滑坡地質災害易發性評價結果,考慮滑坡規模超越概率和時間概率,結果表明:體積大于5萬方工況的滑坡危險性整體大于體積大于10萬方工況;相同體積工況條件下,重現期越長,研究區內滑坡總體危險性不斷增大,滑坡危險性高的區域由河流兩岸城市建設區漸漸擴大至其他地區。
(4) 考慮建筑物易損性、室內人口易損性,獲得研究區不同體積工況、不同重現期內受威脅對象的風險值,可為研究區地質災害防治規劃制定與風險管理提供可靠依據。