青藏高原高山峽谷地貌區(qū)地質(zhì)災害危險性評價
——以雅江縣為例

李怡飛, 劉延國, 梁麗萍, 李景吉

(1.成都理工大學 地球科學學院, 成都 610059; 2.西南科技大學, 四川 綿陽 621010;3.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學), 成都 610059; 4.成都理工大學 生態(tài)環(huán)境學院, 成都 610059)

青藏高原崛起促成了其東南緣的高山峽谷地貌的形成。雅江縣位于青藏高原東南緣，該區(qū)域地質(zhì)活動強烈，構(gòu)造復雜，并具有典型的高原深谷地貌特征[1]。縣內(nèi)峽谷兩側(cè)山勢陡峭，再加上降水、植被覆蓋度低以及強烈的人類工程活動等其他因素影響，此區(qū)域是泥石流、滑坡等地質(zhì)災害高發(fā)區(qū)。

地質(zhì)災害對人類生產(chǎn)活動、區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境都產(chǎn)生了極為重要的影響[2-3]，對地質(zhì)災害進行研究能夠為人類規(guī)避風險、生態(tài)環(huán)境保護提供可靠的依據(jù)。目前地質(zhì)災害危險性評價方法眾多，張曉東、李莉等[4-5]采用層次分析法，對鹽池縣、平武縣進行研究，結(jié)果較為可靠，但層次分析法還是有一定的主觀性，需要對研究區(qū)域成災機理等問題進行深入研究才能克服不足。楊樂[6]、呂遠強等[7]分別采用灰色關(guān)聯(lián)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法進行地質(zhì)災害危險性評價研究。吳柏清等[8]采用信息量方法，對九龍縣進行研究，評價結(jié)果與實際調(diào)查成果相符合；張波等[9-14]也使用信息量法進行地質(zhì)災害危險性評價并得到了很好的結(jié)果，可見此方法易于實現(xiàn)并且結(jié)果客觀可靠。

本文以雅江縣為研究區(qū)域，運用GIS與信息量模型相結(jié)合的方法進行地質(zhì)災害(泥石流、滑坡、崩塌)危險性評價，一定程度上能夠揭示青藏高原東南緣區(qū)域的地質(zhì)災害危險性區(qū)劃特征，并且可以幫助當?shù)卣玫剡M行地質(zhì)災害防治規(guī)劃以及區(qū)域規(guī)劃建設(shè)，減少泥石流、滑坡、崩塌等地質(zhì)災害造成的人員和經(jīng)濟損失，為區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供保障。

1 研究區(qū)概況

雅江縣(29°03′—30°30′N，100°19′—101°26′E)處于青藏高原東南緣、四川省甘孜藏族自治州南部，全縣轄區(qū)面積7 681.5 km2。該縣地處川西北丘狀高原山區(qū)和橫斷山脈中段，地勢北高南低。縣域內(nèi)西南部是極高山地貌(面積占比5%)，中部為河谷地貌(面積占比2.5%)，西北和東北部為山原地貌(面積占比92.5%)，其中大部分地區(qū)海拔3 000 m以上，有35座山峰海拔5 000 m以上。雅江縣最高點在東緣努其巴山峰，海拔5 252 m，最低點在牙衣河鄉(xiāng)布林永河口，海拔2 266 m。研究區(qū)內(nèi)雅礱江自北向南貫穿，河床海拔不足2 600 m，斜坡坡頂高程可達3 500 m，相對高差900多米，坡度多在30°以上，岸坡陡峭[15]。

2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究所需使用的數(shù)據(jù)主要包括工程巖組、土壤類型、土地利用類型、數(shù)字高程模型(DEM)、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、降水量等多個數(shù)據(jù)集。其中，工程巖組數(shù)據(jù)來源于中國地質(zhì)調(diào)查局1∶20萬地質(zhì)圖；土壤類型數(shù)據(jù)使用南京土壤所1∶100萬中國土壤數(shù)據(jù)庫(http:∥vdb3.soil.csdb.cn/)；土地利用類型基于2018年土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)庫并結(jié)合《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2017)生成；DEM以及NDVI數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)下載；1989—2018年降水量數(shù)據(jù)下載自國家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/)。

2.2 地質(zhì)災害危險性評價方法

2.2.1 評價因子選取 地質(zhì)災害危險性受多種因素影響和制約，并且不同因素對其影響和制約程度也不同[16-18]。合理地選擇評價因子才能更加準確地做出地質(zhì)災害危險性評價，每個研究區(qū)具體情況不盡相同，都具有其自身特點，因此評價因子也需要謹慎考量，本研究區(qū)評價因子的選擇不僅參考了大量已有研究成果，還結(jié)合了雅江縣當?shù)乇阑鞯刭|(zhì)災害的實際情況和具體特點。最終選擇工程巖組、土壤類型、土地利用類型、坡度、坡向、NDVI、距河流距離、距道路距離和降水量等9個因子進行雅江縣地質(zhì)災害危險性評價，各評價因子分級情況見圖1。基于軟件ArcGIS 10.6，由DEM數(shù)據(jù)生成雅江縣坡度和坡向數(shù)據(jù)；距河流距離和距道路距離因子分別根據(jù)雅江縣河流和道路分布圖利用緩沖區(qū)功能分析計算提取；降水量數(shù)據(jù)根據(jù)1989—2018年雅江縣周邊6個氣象站點多年平均降水量，運用Kriging方法進行插值得到雅江縣內(nèi)降水空間分布圖。

2.2.2 信息量法 信息量法源于信息理論，是一種對數(shù)化隨機分布概率以解決度量問題的定量統(tǒng)計預測方法，早已被廣泛應用于滑坡、斜坡穩(wěn)定性的空間預測等環(huán)境地質(zhì)研究中。信息量法的應用思路可簡單理解為通過計算某種地質(zhì)因素提供的研究對象的信息量值，根據(jù)其大小來評價其與地質(zhì)災害發(fā)生的關(guān)系[8-14]。信息量法在地質(zhì)災害評價中的使用，使得各評價因子與地質(zhì)災害的關(guān)系緊密程度被更直觀、數(shù)字化地表達。

信息量是條件概率運算，但在實際應用時各評價因子對地質(zhì)災害發(fā)生的貢獻率是用樣本頻率來計算：

(1)

式中:S為研究區(qū)評價單元總數(shù);N為研究區(qū)有地質(zhì)災害分布的單元總數(shù);Si為研究區(qū)內(nèi)含有評價因素Xi的單元數(shù);Ni為分布在因素Xi內(nèi)特定類別內(nèi)的地質(zhì)災害單元數(shù)。

單元的危險性等級由總信息量值I來確定，各評價因子單元的綜合信息量值越大，表示其貢獻率越大，則越有利于地質(zhì)災害的發(fā)生，意味著該區(qū)域危險性等級越高，反之，貢獻率低不利于地質(zhì)災害發(fā)生，其危險性也就越低。需要計算出所有單元格綜合信息量值，根據(jù)其值大小進行類別劃分，得到等級不同的危險區(qū)。

圖1 地質(zhì)災害評價因子分級

(2)

式中:I為評價單元總的信息量值;n為參評因子數(shù)。

根據(jù)前面的分析結(jié)果，選取土壤類型、坡度、坡向、工程巖組、降雨量、距道路距離、距河流距離、歸一化植被指數(shù)(NDVI)和土地利用類型9個指標因子開展地質(zhì)災害危險性評價。

首先，利用ArcGIS軟件平臺，將各評價因子的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為30 m×30 m的柵格數(shù)據(jù)，再分析各評價因子與地質(zhì)災害點的空間位置關(guān)系并根據(jù)公式(1)計算每個評價因子下的每個等級信息量值，最后利用公式(2)以及疊加9個評價因子含有信息量值的圖層，依據(jù)其綜合信息量值大小重分類，得到賦有綜合信息量值的研究區(qū)地質(zhì)災害危險性分區(qū)圖。

3 評價結(jié)果與驗證

3.1 地質(zhì)災害分布特征

雅江縣地質(zhì)災害點基于谷歌衛(wèi)星影像(2018年)通過目視解譯獲取，并經(jīng)實地調(diào)查驗證，地質(zhì)災害主要類型包括滑坡、泥石流和崩塌，共計224處災害點。利用GIS的空間分析功能統(tǒng)計上述評價因子與地質(zhì)災害數(shù)量和密度的關(guān)系，見圖2。從工程巖組來看，地質(zhì)災害密度最大的是硬質(zhì)巖體，約為0.03個/km2。土壤類型中，地質(zhì)災害主要發(fā)生在半淋溶土類型，有地質(zhì)災害點130個，災害密度約為0.19個/km2。土地利用類型中，地質(zhì)災害在水域及水利設(shè)施用地發(fā)育較多，地質(zhì)災害密度約為0.82個/km2。坡度大于20°更易發(fā)生地質(zhì)災害，200個地質(zhì)災害點都處于20°以上坡面，其中>35°時地質(zhì)災害密度最大，約為0.05個/km2。南坡地質(zhì)災害更加發(fā)育，災害密度約為0.04個/km2。距河流距離小于400 m地質(zhì)災害最集中，200 m內(nèi)的地質(zhì)災害密度約為0.27個/km2，200～400 m的地質(zhì)災害密度約為0.20個/km2。距道路距離小于200 m時地質(zhì)災害更集中，100 m內(nèi)與100～200 m地質(zhì)災害密度均大約為0.09個/km2。NDVI在0.6～0.8地質(zhì)災害密度最大，約為0.04個/km2，有地質(zhì)災害點135處。年均降水量在68～70 mm有地質(zhì)災害99處，地質(zhì)災害密度約為0.05個/km2。

圖2 評價因子與地質(zhì)災害關(guān)系

3.2 危險性評價結(jié)果與驗證

3.2.1 危險性評價 根據(jù)上文信息量公式計算得出各分級指標的信息量值，見表1。在ArcGIS軟件中，依據(jù)總信息量值采用自然斷點分級法對雅江縣進行地質(zhì)災害危險性分區(qū)，分為極低、低、中、高、極高危險區(qū)5個分區(qū)[8]，為了能直觀地看出地質(zhì)災害點分別落在何種級別危險性區(qū)域，特將地質(zhì)災害點與危險性分區(qū)圖疊加成圖(圖3)。

表1 各因素信息量

圖3 地質(zhì)災害危險性分區(qū)

利用ArcGIS的空間統(tǒng)計功能統(tǒng)計5個等級的危險性分區(qū)面積，分區(qū)面積與雅江縣面積之比為：極低危險區(qū)20.67%，低危險區(qū)41.50%，主要是高山區(qū)，人口密度低，受人類工程活動影響小；中危險區(qū)23.41%，主要是在道路附近這種人類工程活動比較強烈的地方；高危險區(qū)9.89%，極高危險區(qū)4.53%，基本位于河流兩側(cè)，主要發(fā)生泥石流災害。

經(jīng)信息量模型分區(qū)結(jié)果和統(tǒng)計情況(表2)表明，研究區(qū)共170處地質(zhì)災害位于高危險區(qū)以及極高危險區(qū)，占總地質(zhì)災害的75.89%。其中高危險區(qū)地質(zhì)災害與總災害比為18.30%；極高危險區(qū)地質(zhì)災害與總災害比為57.59%。中等及以下等級危險區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育較少。因此，最終結(jié)果可以看出地質(zhì)災害點與危險性分區(qū)吻合度較高，利用GIS和信息量法得出的危險性分區(qū)結(jié)果比較理想。

表2 危險性分區(qū)結(jié)果統(tǒng)計

3.2.2 評價精度驗證 受訓者操作特征曲線(receiver operating characteristics，ROC)是評價模型精準度的常用方法[19-20]。它以預測結(jié)果的每個值作為可能的判斷閾值，以假陽性率(特異度)為橫坐標，即代表研究區(qū)中非地質(zhì)災害實例經(jīng)試驗診斷為陰性(不真實地質(zhì)災害)的概率；以真陽性率(靈敏度)為縱坐標，即代表真實地質(zhì)災害經(jīng)試驗診斷為陽性(發(fā)生地質(zhì)災害)的概率。ROC曲線線下面積(Area Under Curve)取值范圍為[0.5,1]，中間一條斜線為參考線，其線下面積0.5，ROC曲線越靠近左上角，其線下面積越大，表示模型精度越高。

研究區(qū)內(nèi)共有地質(zhì)災害點224處，為了更客觀、公正地進行模型精度驗證，運用ArcGIS在研究區(qū)內(nèi)隨機生成224個測試樣本點，將這些測試樣本點以及實際地質(zhì)災害點的概率數(shù)據(jù)導入SPSS軟件中并繪制出ROC曲線，即圖4，可以看出ROC曲線很接近左上角，AUC值為0.909，非常接近1。可見在本研究區(qū)構(gòu)建的信息量模型精度較高，所得地質(zhì)災害危險性評價結(jié)果可靠。

圖4 地質(zhì)災害危險性評價結(jié)果ROC圖

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

從工程巖組來看，地質(zhì)災害更易發(fā)生在硬質(zhì)巖體中，新鮮巖石力學強度相對較高，但風化后強度顯著降低，常發(fā)生滑坡、崩塌等工程地質(zhì)問題。土壤類型中，地質(zhì)災害主要發(fā)生在半淋溶土類型，半淋溶土發(fā)生層分化明顯，表層具有不同厚度的腐殖質(zhì)層，其下游粘化土層，透水性相對較差，不利于泄洪。土地利用類型中，水域及水利設(shè)施用地地質(zhì)災害更多，一是因為水域多為低地勢、溝谷深壑，二是河流沖刷容易造成巖(土)體滑動。坡度大于20°地帶更有利于地質(zhì)災害的發(fā)育，較大的地面或溝谷坡度為其發(fā)生提供了基礎(chǔ)條件。地災更集中在南坡，來自南方的暖濕氣流在南坡造成較為豐富的降水。距河流距離小于400 m、距道路距離小于200 m時地質(zhì)災害更集中，河流沖刷或道路的使用使得巖(土)體更易松動。NDVI在0.6～0.8，年均降水量在68～70 mm更易發(fā)生地質(zhì)災害，雖然植被覆蓋度較高，但植被更喜在陽坡(南坡)生長，更多的降水也使得土壤更加松軟、巖體更易滑動。

地質(zhì)災害評價有定性評價與定量評價，定性評價受主觀影響，而定量評價是根據(jù)大量數(shù)據(jù)所計算得出的結(jié)果，更加客觀，因此，信息量法在地質(zhì)災害評價中受到廣泛應用[21-24]。本研究還存在許多不足，評價因子和模型選取的不同可能也會造成最終結(jié)果的差別，沒有運用多個模型相互補充和驗證，但是最終評價結(jié)果與青藏高原高山峽谷地貌區(qū)其他縣特征比較吻合，有一定的區(qū)域代表性。深受深切河谷地貌和人類工程活動影響，地質(zhì)災害主要分布在斷裂發(fā)育、巖體較破碎的河流兩側(cè)以及道路旁邊。

目前，雅江縣還沒有一個完善的地質(zhì)災害評價系統(tǒng)，本文的危險性分區(qū)為其地質(zhì)災害評價系統(tǒng)添磚加瓦，也為以后其他人員的相關(guān)研究提供參考。青藏高原東南緣地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，水系發(fā)達，同時還受其他多種因素影響，地質(zhì)災害頻發(fā)，但是關(guān)于地質(zhì)災害的研究還不是很成熟，本文也為青藏高原東南緣地區(qū)的地質(zhì)災害危險性評價提供一個參考依據(jù)。

4.2 結(jié) 論

(1) 根據(jù)各評價因子信息量值來看，研究區(qū)致災評價因子中土地利用類型、距河流距離和距道路距離所占比重較大，是地質(zhì)災害的主控因子。從各評價要素提供的信息量值來看，硬質(zhì)工程巖組，土壤類型為半淋溶土，土地利用類型為水域及水利設(shè)施用地，坡度>20°，坡向為南，NDVI值在0.6～0.8，距離河流400 m以內(nèi)，距離道路200 m以內(nèi)，降水量在68～70 mm，地質(zhì)災害危險性越高。

(2) 地質(zhì)災害危險性分區(qū)結(jié)果表明，研究區(qū)14.42%被劃為高危險區(qū)以及極高危險區(qū)，研究區(qū)內(nèi)224處地質(zhì)災害點，其中170處落在高危險區(qū)和極高危險區(qū)中，占總災害點的75.89%。中危險區(qū)面積占23.41%，有35處地質(zhì)災害點，占總災害點數(shù)15.63%。低危險區(qū)與極低危險區(qū)面積占研究區(qū)面積62.17%，共有災害點19個，占總災害點數(shù)的8.48%。AUC值為0.909，表明利用信息量法進行研究區(qū)危險性區(qū)劃較為精確。