G219阿克賽欽段地質災害分布特征及易發性評價

賀強，尚彥軍，喬華，呂東，梁世川，崔振東

（1.新疆維吾爾自治區地質環境監測院，新疆 烏魯木齊 830000；2.中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029；3.新疆工程學院新疆地質災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830023)

我國西部山區道路工程多穿越構造活動強烈、地形地貌多變區域，工程地質條件復雜，崩塌、滑坡、泥石流等地質災害發育，道路工程運行受到威脅[1-3]。G219（新藏公路）為我國重要的進疆、進藏路線，對西部資源開發及鞏固西部邊防意義重大。其跨越塔里木盆地、昆侖山、青藏高原等地貌單元，是世界上海拔最高、道路最險、路況極差和環境最惡劣的高原山區公路。沿線崩塌、滑坡、泥石流等地質災害頻發，常造成道路中斷，道路運維受到嚴重影響[4]。G219阿克塞欽路段（以下簡稱阿克賽欽段）地處我國地形陡變、構造活動強烈的昆侖山-喀喇昆侖山高原山區[5-7]。公路從賽圖拉鎮途經三十里營房、康西瓦、大紅柳灘、泉水溝、甜水海、六三五道班，沿線穿越昆侖山、喀喇昆侖山，翻越康西瓦達坂、奇臺達坂等數10 個冰達坂。由于道路附近地勢起伏大，新構造活動活躍，地震發生頻率高，凍融等物理風化作用強烈，車輛通行嚴重受崩滑流等地質災害影響，不利于沿線交通運輸及社會經濟發展[8-10]。楊坤、馬東濤等先后調查G219新疆段沿線泥石流、崩塌、滑坡等災害發育特征，對沿線災害形成機理進行研究[4，8-9，11]；楊發相等基于地理條件，分析地貌對公路安全的影響[6]，并利用GIS 制圖，開展包括G219 在內的新疆公路自然區劃研究，將G219新疆段沿線劃分為帕米爾-昆侖-阿爾金山凍融作用區及鐵龍潭-肖庫勒凍融作用高原區[12]。新時代“西部大開發”等戰略實施的不斷深入，對G219等西部邊疆要道的交通安全提出更高要求[13]，現有研究已不能滿足G219 交通線路的防災減災需求，沿線區域性地質災害評價工作亟須開展。地質災害易發性評價是地質災害風險性評價的基礎，3S 技術的發展提高了區域地質災害易發性評價模型的精度，帶來易發性評價研究的快速發展。相比以往基于專家經驗的定性分析，采用頻率比法、信息量法、邏輯回歸等統計模型及神經網絡等方法的評價模型更為客觀、準確率高，成為目前地質災害易發性評價工作的主要方法[2-3，14-16]。焦方謙等采用證據權模型，選取高程、坡度、坡向、地形起伏度、巖性、降雨量與水系距離等因素為影響因子，對中國境內天山及南北麓區域泥石流進行災害易發性評價[14]。李郎平等采用改進頻率比法，選取地面高程、地形坡度、地形坡向、地形曲率、地形起伏度等影響地質災害的主要因素，對川藏鐵路沿線地區的崩滑流等地質災害易發性進行評價及分區[2]。趙良軍等選取地層巖性、斷層密度、坡度、坡向、地表高程、植被指數等6個評估因子，結合頻率比法和二元Logistic 回歸模型進行北天山果子溝地質災害易發性分析[15]。尚彥軍等基于層次分析法，利用Arc GIS 工具，選取匯流面積、縱坡度、面積寬度比、堆積區面積和距公路距離等影響因子，開展中巴公路奧依塔克-布倫口段泥石流危險性評價[3]。李坤等選取地形、地震、地層巖性、斷層、降水、溫差等為評價因素，利用GIS分析工具，完成中巴公路國內段沿線地質災害易發性分析[16]。

本文利用收集的阿克賽欽段地質災害信息數據庫，選取坡度、坡向、高程、工程地質巖組、PGA、距斷層距離、距河流距離、距公路距離等8個災害影響因子，采取可以直觀表現災害區域分布規律、災害影響意義明確的頻率比法進行阿克賽欽段地質災害易發性評價，并結合AUC曲線驗證評價結果。

1 研究區概況

1.1 地質地理條件

G219 阿克賽欽段位于和田縣南部昆侖山與喀喇昆侖山間，是半封閉性山間盆地，屬青藏高原與塔里木盆地的結合部。地質構造上北部為昆南地塊、巴顏喀拉褶皺帶，南部為甜水海地塊，構造活動強烈，自北向南主要分布有康西瓦斷裂、大紅柳灘斷裂、泉水溝斷裂及天神達坂斷裂等活動構造[5,17-18]。康西瓦斷裂是區域內重要斷裂，為多條斷裂帶構成的寬3～5 km的構造帶，斷裂兩側因動力作用發育糜棱巖帶、角礫巖帶和片理巖化帶，破碎帶寬數百米，最寬處達1 000 m[5]。公路沿線主要出露有長城系石英巖、砂巖等；寒武—奧陶系粉砂巖、灰巖；志留系千枚巖、變質細砂巖、板巖等；石炭系灰巖、砂巖等；二疊系礫巖、細砂巖等；三疊系礫巖、砂巖、粉砂巖等；白堊系石英砂巖、粉砂巖、灰巖及古生代、中生代花崗巖等（圖1）。

圖1 G219阿克賽欽段沿線地形地貌圖Fig.1 The topographic and physiognomic map of G219 in Aksai Chin

沿線東南部地表徑流補給于山間局部洼地，形成許多咸水湖，屬封閉性部分；西北部地表徑流匯集為喀拉喀什河，流至塔里木盆地，為和田河西源，屬外泄性山間盆地性質。盆地海拔均超過4 000 m，沿線平均海拔4 500 m 以上。研究區屬高寒氣候區，以康西瓦為例，年平均溫度-0.6℃，1 月平均溫度-11.3℃，7月平均溫度9.8℃，無霜期10天，10℃以上活動積溫為20℃。盆地位于雨影面，西南季風很難越過喜馬拉雅山進入，西風氣流也難越過喀喇昆侖山和西昆侖山，周邊地區實測年降水量不到100 mm，如康西瓦36 mm，天文點47 mm。

1.2 地質災害發育情況

研究區地質災害多沿公路兩側發育，主要類型有泥石流、滑坡、崩塌。現場調查及遙感解譯形成的災害數據庫有泥石流災害點36個、滑坡災害點30個及崩塌災害點18 個。空間分布上泥石流災害多發育于康西瓦斷裂附近河谷一帶的高山峽谷區，康西瓦斷裂帶附近動力作用產生的破碎帶為泥石流形成提供了充足物源，山高谷深的地貌特征利于泥石流發育[4]。滑坡、崩塌災害主要分布在康西瓦-大紅柳灘區域，該區公路切坡等工程擾動作用強烈，巖體應力平衡條件受到破壞，坡體穩定性降低，甚至發生破壞，引發滑坡、崩塌等地質災害。但在泉水溝以南的高原區，地勢起伏較小，活動構造發育強度較低，除六三五道班南部部分區域，崩滑流等地質災害分布不多。

2 研究方法

因方法簡單直觀且意義明確，頻率比法（Frequency Ratio Model）為地質災害易發性評價研究中應用最廣泛方法之一[19-21]。頻率比法據一定規則將具體地質災害類型的某一影響因子分為i（i=1，2，3，…，n）個等級，那么某影響因子某個級別的頻率比為FRi：

因崩滑流等地質災害是內外動力耦合作用的結果，具體地質災害類型往往有多個不同影響因子。若給定地質災害有j（j=1，2，3，…，n）個影響因子，那么，研究區某一給定空間位置所屬的影響因子分級頻率比記為FRi（j），則該空間位置關于j個因子頻率比FR（j）=FRi（j）。最后，將該空間位置所有影響因子頻率比相加，得到該空間位置關于給定地質災害類型的易發性指數SI（Susceptibility Index）[2]：

3 影響因子選取及分級

3.1 數據來源

本文采用數據源有：①ASTER GDEM 30m分辨率數字高程數據（http://www.gscloud.cn/），用于生成坡度、坡向及高程地形地貌數據；②1∶25 萬地質圖（https://geocloud.cgs.gov.cn/#/home），用于生成工程地質巖組數據；③活斷層數據（https://www.eq-igl.ac.cn/gjdzhdcyjzx/index.html）；④PGA 數據（http://www.gb18306.net/）；⑤OpenStreetMap 官方網站的地理信息數據（https://www.openstreetmap.org/#map=4/36.96/104.17），用于提取道路及河流數據。

3.2 影響因子選取與分級

阿克賽欽段崩滑流地質災害發育受地形地貌、地層巖性及構造活動等多種因素影響。據研究區災害調查情況及前人研究，選取坡度、坡向、高程、工程地質巖組、PGA、距斷層距離、距河流距離及距公路距離等8 個影響因子進行阿克賽欽段沿線崩滑流地質災害的易發性評價。評價單元類型采用柵格單元。FRij值越大，說明j 類影響因子的i 級內災害越容易發生。據（式1）各影響因子分級FR值計算結果見表1。

表1 各影響因子頻率比計算結果Table1 Frequency ratios of geohazards influencing factors

3.2.1 坡度

坡度與坡體結構面、水文條件、植被覆蓋度、軟弱結構面空間幾何關系等多種因素相關，是決定地質災害發生的一個重要因素。按自然斷點法，將研究區內坡度分為5 類，坡度高的區域主要分布在泉水溝以北（圖2）。坡度因子下各級FR值與坡度大小為正相關（圖3-a）。

圖2 坡度因子圖層Fig.2 The map of slope distribution

圖3 影響因子各級頻率比統計圖Fig.3 The histograms about frequency ratios of geohazard influencing factors

3.2.2 坡向

坡向與地質災害發育有著密切關系，它影響土壤濕度、斜坡光照時間等因素。不同坡向斜坡所受太陽輻射強度及風力條件不同，因而影響斜坡表面水的蒸發及下滲、植被覆蓋、坡面侵蝕與風化作用等，并影響斜坡穩定性。本研究對坡向進行離散化處理，45°為一分級狀態，共計8 個類別（表1）。坡向在180°～270°范圍內FR值明顯高于其他坡向（圖3-b）。該范圍所在區域主要位于康西瓦河谷北側，即為昆侖山南坡（圖4）。由于前文提到該區幾乎不受西風或西南季風影響，降雨稀少。出現上述情況是因南坡日照強度高，冰雪融水作用顯著，提供了水動力條件，易誘發崩滑流災害。

圖4 坡向因子圖層Fig.4 The map of aspect distribution

3.2.3 高程

高程是一個地區宏觀地貌的重要表征，不同高程范圍內具不同氣候特征、水文條件等，與風化作用類型、植被類型、降雨條件、溫度條件及人類活動程度密切相關，從而影響斜坡的穩定性。本研究采用自然斷點法，將區域內高程分布為5種級別狀態（圖5），可見地質災害在4 000～4 500 m 范圍內最集中（圖3-c）。

圖5 高程因子圖層Fig.5 The map of elevation distribution

3.2.4 工程地質巖組

地層巖性是地質災害發生的重要地質條件，地層巖土體性質不同，在風化程度、節理裂隙分布、巖石強度等方面也有所不同，從而影響斜坡形態、地勢高低、巖體強度等，并影響斜坡的穩定性。本研究基于1∶25萬地質圖，參考《工程巖體分級標準》（GB/T50218-2014）巖石飽和單軸抗壓強度UCS，將研究區地層巖性劃分為堅硬巖組、較堅硬巖組、較軟弱巖組、軟弱巖組、松散巖組及冰川、湖泊等類型（圖3-d）。區域內弱風化花崗巖、灰巖等較堅硬、堅硬巖組主要分布在構造活動強烈、冰川活躍的康西瓦河谷區（圖6）。這一帶巖體節理裂隙發育、凍融物理風化強烈，易形成泥石流、滑坡等地質災害。

圖6 工程地質巖組因子圖層Fig.6 The map of engineering geological rock group distribution

3.2.5 PGA

地震頻發不利于斜坡穩定。地震發生往往引發滑坡群形式的聚集性災害現象，高震級地震釋放的能量巨大，還會誘發大型，甚至特大型滑坡、崩塌災害。研究區沿線PGA主要為0.15 g、0.20 g（圖7），且FR值與PGA值表現出明顯的正比例關系（圖3-e）。因在本研究中區域過小，PGA為0.30 g的地區并未發現明顯地質災害。

圖7 PGA（地震動峰值加速度）因子圖層Fig.7 The map of PGA distribution

3.2.6 距斷層距離

區域內康西瓦斷裂帶等構造活動區域往往巖體破碎、穩定性差，為崩塌、滑坡提供了有利條件。斷層面、節理面等地質構造結構面，控制著破壞面的空間位置和崩滑災害邊界。斷裂帶附近因動力作用多形成斷層崖、斷裂谷地貌，地表起伏大，為崩滑流災害發生提供有利的地貌條件，大量崩滑堆積體也為泥石流形成提供了豐富物質基礎。一般距離斷層距離越近，越易發生崩塌、滑坡災害。本研究將距斷層距離劃分為5類級別狀態（圖6）。圖3-f中，FR值與距斷層距離明顯表現為反比例關系。

3.2.7 距河流距離

河流對坡腳有沖刷和侵蝕作用，河水位的季節變化性大還會造成坡體水文條件的周期變化，弱化坡體結構，不利于斜坡的穩定。河流的分布密度、徑流量、流速等決定了侵蝕坡體的能力。本研究將距河流距離劃分為5類級別狀態（圖9）。阿克賽欽段沿線區域河流3 km以內河流侵蝕作用強烈（圖2），且在該范圍內FR值與距河流距離表現出反比關系。

圖8 距斷層距離因子圖層Fig.8 The map of distribution about the distance from faults

圖9 距河流距離因子圖層Fig.9 The map of distribution about the distance from rivers

3.2.8 距公路距離

公路修建過程中的切坡等工程活動破壞了原有自然地貌和地質環境，造成坡體原有應力平衡改變，使得邊坡臨空面出現卸荷作用，導致坡體失穩，或直接引起邊坡破壞，誘發崩塌、滑坡災害。本研究以1 km 為基本步長，將距公路距離劃分為5 個級別狀態（圖10）。如圖2-h 所示，距公路距離因子各級別FR值隨距道路距離增大而不斷減小，兩者呈明顯負相關性。

圖10 距公路距離因子圖層Fig.10 The map of distribution about the distance from roads

4 易發性評價

4.1 易發性計算與區劃

據（式2），基于以上各影響因子不同級別計算得到的FR值，計算各個柵格的SI值。采用自然斷點法，將研究區內崩滑流災害易發性劃分為極高、高、中、低、極低5 類，得到地質災害易發性分區圖（圖11，表2）。

圖11 G219阿克賽欽段地質災害易發性分區圖Fig.11 The map of geohazards susceptibilities along G219 in Aksai Chin

表2 易發性分區統計結果Table 2 The statistical results of different geohazard susceptibility zones

阿克賽欽段地質災害極高易發區、高易發區主要分布在泉水溝以北的河谷北側及六三五道班南部部分區域，面積分別占研究區的7.99%、21.08%，各有63.71%、23.56%的總歷史災害面積占比。這些地區大部分為康西瓦斷裂、大紅柳灘-郭扎錯-泉水溝斷裂帶發育的賽圖拉-泉水溝一帶的高山峽谷區，特別是南坡區域，地勢起伏大，巖體破碎，凍融風化作用強烈。泉水溝以南地區，除六三五道班南部，基本為地表起伏不大的高原荒漠區，地質災害不發育，基本為災害低、極低易發區，康西瓦南部等部分河谷區域也有災害低、極低易發區分布，整體占研究區面積的22.85%、27.21%，發生該區的歷史災害面積不足全部歷史災害面積5%。研究區地質災害中等易發地區面積占20.87%，主要分布在賽圖拉-泉水溝一線的河谷地區，發育的歷史災害面積占總體歷史災害面積的8.35%。

4.2 易發性結果驗證

本文運用ROC 曲線方法檢驗頻率比模型的易發性評價結果準確率。AUC 為ROC 曲線的線下面積，其值越大，模型的準確率越高。圖12 中頻率比模型結果的AUC 值為0.854，說明本文采用的頻率比模型計算結果精度高，能夠較好地應用于阿克賽欽段崩滑流地質災害易發性評價研究。

圖12 ROC曲線圖Fig.12 ROC curve

5 結論

（1）G219阿克賽欽段地質地貌條件復雜，為地質災害多發區，特別是賽圖拉-大紅柳灘一帶，道路運行嚴重受地質災害影響。其中，泥石流災害大部分發育在康西瓦斷裂附近的河谷地區，崩滑災害主要分布在康西瓦-大紅柳灘附近切坡等擾動活動作用強烈的區域。

（2）本文采用頻率比法，選取坡度、坡向、高程、工程地質巖組、PGA、距斷層距離、距河流距離、距公路距離等8 個災害影響因子進行阿克賽欽段地質災害易發性評價。極高易發區、高易發區主要分布在泉水溝以北的河谷及六三五道班南部部分區域，面積分別占研究區的7.99%、21.08%；低、極低易發區主要分布在泉水溝以南地區及康西瓦南部部分河谷，各占研究區面積的22.85%、27.21%。

（3）本文采用的易發性模型計算精度較高，評價結果可作為G219 阿克賽欽段地質災害防治工作的理論依據與指導，本研究方法也為開展昆侖山等高原山區道路工程地質災害評價提供參考。