伊犁河谷主要交通線路兩側工程擾動災害易發性評價

魏濤，崔振東，尚彥軍，3，喬華，賀強，趙磊磊

(1.中國科學院地質與地球物理研究所中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029；2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049；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；4.新疆維吾爾自治區地質環境監測院，新疆 烏魯木齊 830002；5.中國礦業大學（北京）力學與建筑工程學院，北京100083)

隨著我國西部地區經濟與社會的快速發展，人類工程對地質環境的擾動日益加劇，導致滑坡、崩塌、泥石流等地質災害頻發，對地區發展與基礎設施造成巨大破壞。因此，進行相應地質災害易發性評價，為防災減災提供參考依據，對地區發展與工程建設具重要意義。

遙感技術（RS）與地理信息系統（GIS）在地質災害評價中得到廣泛應用。阮沈勇、王佳佳等采用信息量法模型[1-2]，結合GIS 技術，分別對三峽庫區滑坡、崩滑地質災害進行易發性區劃；朱良峰、叢威青、Wang Xuedong 等基于GIS 平臺[3-5]，建立了地質災害易發性評價系統或模型；邢秋菊等以萬州滑坡地質災害為例[6]，采用邏輯回歸分析法，進行滑坡危險性評價；許沖、劉麗娜等采用層次分析法[7-8]，應用GIS技術，對汶川地震區與蘆山地震區滑坡按易發程度進行分區；Tirthankar Basu 等利用RS-GIS 技術[9]，選取16個地形與地質指標，繪制印度西孟加拉邦吉什河流域的滑坡易發性分區圖；Wang Jingjing 等運用無人機遙感攝像技術[10]，采用加權系數法和信息模型法對四川省青川縣地質災害易發性進行評價；Chen Linfei 等采用證據權重模型和聚類分析法[11]，評價三峽庫區湖北段公路沿線潛在滑坡的易發性水平；祁生文等采用隸屬度函數模型[12]，構建地形起伏度與距斷裂距離的單極性S 形權重函數，繪制出青藏高原地區工程地質穩定性分區圖。

伊犁河谷由于特殊地理位置與氣候條件，導致凍融型地質災害非常發育。全區發育有滑坡1 706處，主要類型為黃土滑坡（1 364處）[13]。眾多專家學者對伊犁地區典型地質災害（如加郎普特滑坡-泥石流災害鏈[14-15]、皮里青河“3.24”黃土滑坡[16-17]、蘇阿蘇溝東岸黃土滑坡群等[18]）的成因及破壞機理等進行統計分析，并對伊犁部分地區地質災害易發性進行了評價[19-21]。結果顯示，區內地質災害的發生大多受到一定程度的人類工程擾動影響，如水庫蓄水、礦山開采、道路修建等。在各種工程活動中，交通線路因地理跨度大，跨越地形地貌單元多，沿線工程地質條件復雜，極易受地質災害影響，造成巨大經濟財產損失。

本文以伊犁河谷主要交通線路為研究對象，根據線路工程對地質環境的擾動主要沿縱向分布、橫向擾動范圍有限的特征，將交通線路兩側5 km范圍內區域為研究區。在眾多評價模型中，層次分析法使用較簡便、精度較高。本文采用層次分析法，選取高程、坡度、坡向、地表起伏度、工程地質巖組、PGA（峰值地面加速度）、距斷層距離、距道路距離、距河流距離等9個評價因子對伊犁河谷主要交通線路附近的工程擾動災害易發性進行分析。

1 伊犁河谷概況

伊犁河谷位于新疆西部，行政區劃包括伊寧市、伊寧縣、尼勒克縣、新源縣、鞏留縣、特克斯縣、昭蘇縣、察布查爾錫伯自治縣、霍城縣、奎屯市，總面積約5.64×104km2，地理坐標為80°10′～84°58′E，42°20′～44°49′N。由于奎屯市地形平坦，工程擾動災害不發育，與伊犁主體地區不相連，不劃入研究區內。區內主要交通線路有國道G217、G218、G30，省道S220、S237、S313、S315 及精伊霍鐵路，地表水系主要有伊犁河、特克斯河、喀什河及其它支流（圖1）。伊犁河是伊犁地區最長河流，自東向西橫貫伊犁盆地，最終流入哈薩克斯坦，在我國境內全長約476 km，其它河流均為伊犁河支流[20]。

圖1 伊犁河谷衛星影像Fig.1 Satellite image of the Ili Valley

伊犁河谷為東、南、北3 面高山環繞向西開口的喇叭形谷地，北部為NW 向科古琴山、博羅科努山、依連哈比爾尕山等北天山支脈，南部為NEE 向哈爾克他烏山、那拉提山等南天山支脈，中部自西向東分布著鐵木里克山、烏孫山、阿吾拉勒山等山脈。3 條山系將伊犁河谷分割成喀什河谷地、伊犁-鞏乃斯谷地與特克斯-昭蘇盆地，地形地貌總體呈“三山兩谷一盆地”（圖2）。受該地形影響，來自北冰洋和大西洋的潮濕氣流進入河谷后，遭三面環山的阻擋，使伊犁成為新疆降水最豐沛地區之一。區內年平均氣溫8.3℃左右，年平均降水量200～550 mm，年平均蒸發量約1 467.67 mm[20,22]。

伊犁河谷出露地層有中新元古界長城系特克斯群、長城—青白口系和薊縣—青白口系；古生界奧陶系至二疊系均有發育；中生界三疊、侏羅系及新生界古近、新近、第四系。區內大地構造屬天山-興安地槽褶皺區西南天山褶皺系西天山優地槽褶皺帶，屬北天山地震帶，該褶皺帶在研究區進一步劃分為博羅科努復背斜、伊犁地塊、哈克山復背斜3個四級構造單元。研究區處于強震活動帶，對應的地震烈度為Ⅶ-Ⅷ度。新構造運動強烈，主要為大面積繼承性升降運動和與之相伴生的斷裂和褶皺活動。受構造運動影響，伊犁地區斷裂活動較活躍（圖2）[22-24]。

圖2 伊犁河谷斷層分布Fig.2 Fault distribution in Ili Valley

伊犁河谷是新疆地質災害易發區和重災區，據Google Earth衛星影像圖，將交通線路修建后出現的地質災害定性為工程擾動災害。據第二次青藏科考遙感解譯數據，在交通線路兩側5 km范圍研究區內共解譯出工程擾動災害179 處，其中滑坡、崩塌158處，泥石流21 處。崩塌、滑坡主要集中在高山峽谷區，地形坡度高陡，經線路工程擾動，使崩滑災害易發；泥石流主要集中在區內G217 公路段，該區域海拔較高，凍融作用強烈。在雪山融水沖刷下，坡內碎屑物質積聚，導致泥石流災害發育。災害多發路段大多有斷層通過，如霍城縣東北部、昭蘇縣北部與東部、尼勒克縣東部，其中尼勒克東部路段沿線與喀什河相交，促進了地質災害的發育。

2 工程擾動災害易發性評價

2.1 評價因子

地質災害易發性評價主要考察地質體在所處地質環境中基礎地質條件及相互組合的作用下，發生地質災害的可能性[25]。本文在相關研究成果基礎上，選取高程、坡度、坡向、地表起伏度、工程地質巖組、PGA、距斷層距離、距道路距離、距河流距離等9個評價因子（圖3），對伊犁河谷內主要交通線路兩側5 km范圍內的工程擾動災害的易發性進行評價。

高程和地表起伏度是描述地貌形態的基本指標，宏觀上體現了內營力作用的相關性質與特征[26]。高程數據來源于地理空間數據云“ASTER GDEM 30M 分辨率數字高程數據”。高程因子對地質災害發育通常無直接影響（圖3-a），不同高程處氣候、溫度、降雨量、植被類型與覆蓋率及人類活動具有差異性，間接影響著工程擾動災害分布[26]。地表起伏度指在一定面積內最高點和最低點間的高差（圖3-b），是地質災害發育的重要影響因素。坡度與坡向利用ARCGIS 軟件空間分析模塊從數字高程數據中提取。坡度與地層巖性、氣候條件、水文條件、構造活動等因素有關（圖3-c），是地質災害發生的重要控制性因素。坡向對地質災害發育具一定影響（圖3-d），通常陽坡（0～180°）較陰坡（180°～360°）日照時間長，風化侵蝕強烈，更易發生泥石流等地質災害。工程地質巖組決定了巖土體的結構、強度、變形破壞特征（圖3-e），對地質災害發生具控制作用。松散巖組所在區域通常更利于地質災害發育，為地質災害發育提供了豐富的物源基礎。巖組劃分采用的地質圖為“中吉烏塔哈天山1∶100 萬地質圖”與“中國新疆及中亞鄰區1∶150 萬地質礦產圖”。PGA 指地震峰值地面加速度（圖3-f），地震活躍程度高、峰值地面加速度大區域，地震伴生地質災害通常極發育。PGA數據來源于“中國地震動參數區劃圖GB18306-2015”。距斷層距離越近（圖3-g），地層巖性越破碎，區域地質環境越不穩定，地質災害越易發生。斷層數據來源于國家地震活斷層研究中心。距道路距離代表工程擾動的劇烈程度（圖3-h），距離交通線路越遠，地質環境所受擾動影響越小，地質體越穩定。距河流距離也是地質災害的重要擾動因素（圖3-i），地表水徑流對邊坡的沖刷侵蝕作用嚴重降低了邊坡的穩定性。道路與水系數據來源于衛星影像解譯。

利用ARCGIS軟件將評價因子分級，并疊加災害柵格進行賦值計算，得到各級因子與工程擾動災害的關系（表1），其中FR為災害發生頻率比，指每一級指標下災害面積占災害總面積的比例與每一級指標面積占研究區總面積的比例之比，表示各級指標與災害發生的相關性。由表1看出，高程、坡度、高差、距道路距離4個因子與工程擾動災害的發生具較強相關性，高程越高、坡度越陡、高差越大、距道路越近，災害發生比率越高。

表1 各因子分級及其與工程擾動災害的關系Table 1 The classification of each factor and its relationship with engineering-disturbance disaster

2.2 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP），是由美國學者Thomas L.Saaty 于20 世紀70年代初提出的一種應用網絡系統理論和多目標綜合評價方法。通過將同一層次評價因子兩兩比較構建判斷矩陣確定各因子權重系數，并通過一致性檢驗指標判斷矩陣的一致性與合理性。判斷矩陣的標度及含義見表2，平均隨機一致性指標RI見表3。據表2構建上述9個評價因子判斷矩陣，并計算其權重值（表4，圖4）。

圖4 各評價因子權重值Fig.4 Weight value of each evaluation factor

表2 判斷矩陣的標度及含義Table 2 The scale and meaning of judgment matrix

表3 平均隨機一致性指標RITable 3 The average random consistency index RI

表4 判斷矩陣及各因子權重Table 4 Judgment matrix and weight of each factor

判斷矩陣最大特征根lmax=9.443 6，因評價因子個數n=9，由表3 得出對應平均隨機一致性指標RI=1.46，一致性指標CI=(lmax-n)/(n-1)=0.055 45。由此，一致性比例CR=CI/RI=0.038 0＜0.1，表明判斷矩陣滿足一致性要求。計算表明，坡度對地質災害影響程度最高，地表起伏度、工程地質巖組、PGA、距斷層距離、距河流距離、距道路距離、高程、坡向影響程度依次下降。

2.3 易發性評價

將上述評價因子不同級別計算得到的FR值與各因子權重值進行線性疊加，得到災害易發性指數：

式中：SI——災害易發性指數；

Wj——第j個評價因子權重；

FRi——第j個評價因子中第i級災害發生頻率比。

災害易發性指數越高，表明地質災害越易發生。ARCGIS軟件中將各評價因子進行加權疊加，構建研究區內滑坡易發性評價柵格圖。利用自然斷點法將易發性程度分為極高、高、中、低、極低5 類，得到地質災害易發性分區圖（圖5）。由圖5看出，高與極高易發區主要集中在山谷丘陵地帶，地形平坦區域多為極低易發區。新源至鞏留段公路北側與尼勒克縣東部路段擾動災害易發性較高。由圖1，2 看出，該路段沿線發育有WE 向斷層，并有河流并行，有利于擾動災害的發生。昭蘇縣西南側發育大面積高易發性分區，由圖3-（f）可知，該區域PGA 值為0.4 g，受地震影響極大，易發生擾動災害。工程擾動災害易發性分區統計見表5。易發性程度越高，擾動災害面密度越大，符合災害分布規律。高與極高易發區面積占比15%，有67%的災害分布于這兩個區域，評價結果較合理。

表5 易發性分區統計Table 5 Susceptibility partition statistics

圖5 易發性分區Fig.5 Partition of susceptibility

3 評價結果檢驗

以預測工程擾動災害面積百分比累加與實際擾動災害面積百分比累加關系構建ROC曲線（受試者工作特征曲線），利用曲線下面積百分比（AUC）可定量評價結果的準確性（圖6）。結果顯示，AUC 值為87.82%，表明研究區工程擾動災害易發性評價結果準確性良好。

圖6 ROC曲線Fig.6 The ROC curve

4 結論

（1）伊犁河谷主要交通線路沿線解譯出工程擾動災害179 處，多分布于地形高差起伏較大的山地丘陵區。擾動災害多發路段通常被斷層切割，導致巖性破碎，局部凍融作用強烈，有利于災害發生。部分路段沿線與斷層或水系并行，易造成工程擾動災害發育。

（2）本文主要研究伊犁河谷主要交通線路兩側工程擾動災害的易發性評價。采用層次分析法，對9個評價因子進行加權比較，認為坡度對研究區內工程擾動災害影響程度最大，地表起伏度、工程地質巖組、PGA、距斷層距離、距河流距離、距道路距離、高程、坡向影響依次減小。基于ARCGIS軟件，將研究區分為極高、高、中、低、極低5 個易發性分區，分區情況與解譯的工程擾動災害分布規律相符。統計結果顯示，67%的災害分布于高與極高易發區內（約占總面積的15%），ROC 曲線下面積百分比為87.82%，表明研究區易發性分區結果較合理，準確性良好。