基于ArcGIS的府谷縣地質災害與影響因素耦合分析

鄧念東，石輝，崔陽陽

(1.西安科技大學地質與環境學院， 陜西 西安 710054； 2.陜西省電力設計院有限公司， 陜西 西安 710054)

0 引言

陜西省榆林市府谷縣地處黃土高原北部，地理坐標位于東經110°25′40″～111°15′36″，北緯38°42′28″～39°33′44″之間。府谷縣地質環境脆弱，加之煤炭資源的不斷開采，地質災害愈發頻繁(張博，2009；賀玉成，2011；李永紅等，2016；張庭瑜，2016；崔陽陽等，2020；王戰社，2020)。近年來城鎮化建設加快及極端氣候的出現，府谷縣地質災害發育數量呈上升趨勢(韓玲等，2019)。據統計，府谷縣已發生的地質災害造成直接經濟損失達1960萬元，尤其是對公路和工礦企業的損害，嚴重制約了當地的經濟發展。本文基于ArcGIS平臺分析影響因素與地質災害的分布關系，統計分析地質災害的分布情況，對府谷縣地質災害進行系統性的分析研究，揭示其空間分布特征與影響因素的耦合關系，為府谷縣城市規劃提供科學依據，是府谷縣地質災害防治工作有效進行的前提。

1 府谷縣地質災害主要類型

據2014年府谷縣地質災害詳查數據，府谷縣地質災害主要類型為崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷4類，共計184處，地理位置及災害點分布情況如圖1所示。其中，崩塌116處，是各類災害點數量最多的災種，占災害點總數的63.04%；滑坡39處，占災害點總數的21.20%；地面塌陷16處，占災害點總數的8.70%；泥石流13處，占災害點總數的7.06%。

圖1 研究區地理位置圖(a，b)及災害點分布情況圖(c)

1.1 崩塌類型

崩塌在府谷縣分布最廣，是數量最多的地質災害類型。巖質崩塌最為常見，占崩塌總數的86.20%，且多數為人類工程活動誘發，為典型的崩塌形式；而土質崩塌發育數量相對較少，僅占崩塌總數的13.80%，崩塌過程中往往伴有滑移現象。巖質崩塌主要分布于交通線路沿線等人類工程活動強烈的區域，主要是由于人類工程活動破壞了原有斜坡的穩定性，加之斜坡巖體風化程度較強、節理發育、巖體松散破碎從而發生崩塌。土質崩塌雖分布較少，但主要在人口密集區分布，且多為沿陡立臨空面發生傾倒式破壞，常發育于雨季，嚴重威脅居民生命及財產安全。

1.2 滑坡類型

府谷縣滑坡類型均為黃土型滑坡，根據滑動帶(面)的位置，將其分為黃土滑坡和黃土基巖接觸面滑坡。區內滑坡以黃土滑坡為主，占滑坡總數的79.48%，滑體規模較小，92.3%的滑坡為小型滑坡。府谷縣地處黃土高原，第四系更新統黃土垂直節理發育，區內地形溝壑縱橫，組成的斜坡一般較陡，在降雨條件下，多發生土質滑坡。基巖接觸面滑坡在區內發育很少，僅有1處，且均由公路建設開挖坡腳所致。

1.3 地面塌陷類型

府谷縣有著豐富的煤炭資源，是我國主要的產煤基地之一。在煤炭開采中形成了采空區，誘發了大面積地表變形和地面塌陷災害的發生，區內地面塌陷以中小型為主。礦山企業采取了多種防護措施，如留設煤柱避繞村莊、為礦區居民修建新農村等，使得大多數地面塌陷災害僅造成土地開裂，而對人民群眾的生命安全威脅較小。

1.4 泥石流類型

研究區泥石流發育13處，其中泥石流隱患1處，以小型泥石流為主，主要分布在孤山川河各支流溝谷區域內。結合調查資料及泥石流發育形態和固體物質來源，研究區內所有泥石流均為溝谷型泥石流，固體物源主要為人類工程活動產生的棄渣。研究區雖然煤炭資源豐富，但區內未在溝谷中發現廢渣堆放。據了解，當地煤礦企業在溝內修建運煤公路時利用廢渣作為路基材料，從而減少了固體物質來源，阻斷了泥石流產生的必要條件。

2 府谷縣地質災害空間分布特征

府谷縣地質環境條件極差，地質災害主要類型為崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷。整體上看，全縣災害點主要分布在人口相對集中、人類工程活動強烈且植被稀少的河谷沿岸地區；就行政區域來講，府谷縣地質災害主要集中在府谷鎮，府谷鎮地形地貌主要為低山丘陵和河谷階地，黃河、孤山川河從境內流過，鎮內交通發達，出露地層涵蓋了府谷縣出露的所有地層類型，巖性以砂巖、泥巖、砂質及砂泥巖互層為主，巖體破碎，穩定性較差，是形成地質災害的主要原因。截至2021年，府谷縣各鄉鎮地質災害數量及分布情況如表1所示。

表1 府谷縣各鄉鎮(街道)地質災害分布情況/處

3 地質災害與影響因素耦合分析

3.1 地質災害與海拔、地形地貌的耦合分析

府谷縣總的地勢西北高，東南低，海拔高度765～1414 m，相對高差649 m。本文以分辨率為30 m×30 m的DEM數據為底圖，在ArcGIS軟件通過投影、重分類、多值提取至點等工具獲得地質災害與海拔關系圖(圖2)及各海拔區間災害點的類型和數量(表2)；以府谷縣地貌分區圖為底圖，在ArcGIS10.0軟件通過投影、面轉柵格、重分類、多值提取至點等工具獲得地質災害與地貌類型關系圖(圖3)及各地貌類型災害點的類型和數量(表3)。

表3 府谷縣地質災害與地貌類型分布情況/處

圖3 府谷縣地質災害與地貌類型關系圖

從中可以看出地質災害主要集中在海拔765～1250 m的范圍內(圖2；表2)，崩塌、滑坡和泥石流各占98.28%、100%和92.31%；海拔在1250～1350 m的災害點僅占地質災害點總數的4.89%，且以地面塌陷為主；而海拔在1350 m以上未發現地質災害。這是由于府谷縣地貌類型以黃土梁卯區和黃土梁崗區為主，該區域海拔900～1300 m，區內溝壑縱橫、地形破碎、人類工程活動強烈，為地質災害的形成提供了前提條件。海拔1350 m以上區域主要分布在府谷縣西北部基巖山區，植被覆蓋良好，水土保持相對較好，人煙稀少，無地質災害發生。

圖2 府谷縣地質災害與海拔關系圖

表2 府谷縣地質災害與海拔分布情況/處

從中可以看出，黃土梁崗區和河谷階地區地質災害點分別占地質災害點總數的27.71%和34.24%(圖3；表3)，其余兩種類型地貌單元內分布的地質災害數基本接近。黃土梁崗區內地面較平緩，起伏高差小，河流侵蝕較為微弱，但區內人類工程活動強烈，地質災害分布較多；河谷階地區受河流侵蝕作用強烈，基巖裸露，地質災害發育相對集中。

3.2 地質災害與坡度、坡向的耦合分析

以府谷縣DEM數據為底圖，利用ArcGIS軟件坡度、坡向工具提取得到府谷縣坡度圖(圖4)、坡向圖(圖5)。通過投影、多值提取至點等工具對府谷縣各地質災害點所處的坡度進行提取統計(表4)。分析發現93.10%的崩塌發生在坡度<25°的范圍內；超過一半的滑坡發生在坡度10°～20°的范圍內；而在0°～15°范圍內，地面塌陷和泥石流分別占93.75%和100%。

圖4 府谷縣地質災害與坡度關系圖

圖5 府谷縣地質災害與坡向關系圖

表4 府谷縣地質災害與坡度區間分布情況/處

我國將南坡、東南坡和西南坡統稱為陽坡，而將北坡、東北坡和西北坡統稱為陰坡(王朝陽，2008)。通過對府谷縣災害點所處的坡向進行提取統計(圖5；表5)。結果表明：發生在陽坡的災害點占災害點總數的53.8%，而發生在陰坡的災害點僅占25.0%。這是因為陽坡受季節性氣候變化影響較大，加之光照對斜坡巖土體的局部干濕循環、凍融循環、坡面侵蝕等影響較大，地質災害分布較多(鄭迎凱等，2020)。

表5 府谷縣各坡向地質災害分布情況/處

3.3 地質災害與降雨、河流水系的耦合分析

降雨是誘發府谷縣地質災害發生的主要外在因素。以府谷縣年均降水量等值線圖為底圖，在ArcGIS軟件獲得地質災害與年均降雨量關系圖(圖6)及各年均降雨量區間災害點的類型和數量(表6)。結果表明：年均降雨量在400～460 mm區域為府谷縣地質災害高易發區，這是因為降雨改變了斜坡上巖土體的水動力狀況，從而導致了地質災害的發生(郭子正等，2019)。據結果可知府谷縣79.31%的崩塌、89.74%的滑坡和76.92%的泥石流分布于年均降雨量在400～460 mm的區域內(表6)。

圖6 府谷縣地質災害與年均降雨量關系圖

表6 府谷縣各年均降雨量區間地質災害分布情況/處

河流水系對府谷縣地質災害的影響，主要表現為溝谷流水對河谷岸坡的側蝕和侵蝕作用。以府谷縣地表水系圖為底圖，在ArcGIS軟件獲得地質災害與河流水系關系圖(圖7)及地表水系距離各災害點的類型和數量(表7)。府谷縣境內水系發育的地段地質災害分布較為集中，尤其在黃河、孤山川河范圍內，地質災害密集分布，其他河流地質災害點分布則相對較為分散。據統計：府谷縣69.83%的崩塌、48.72%的滑坡和53.85%的泥石流分布在地表水系兩側400 m范圍內。

圖7 府谷縣地質災害與河流水系關系圖

表7 府谷縣各河流水系距離區間地質災害分布情況/處

3.4 地質災害與巖土體類型、歸一化植被指數的耦合分析

以府谷縣巖土體工程地質分類圖為底圖，在ArcGIS軟件獲得地質災害與巖土體類型關系圖(圖8)及各巖土體類型地質災害點的類型和數量(表8)。從統計數據來看，易發生地質災害的巖土體類型主要為層狀堅硬—半堅硬砂泥巖互層碎屑巖組，崩塌、滑坡和泥石流分別占了82.76%、53.85%和84.62%。這些地區地質災害發育的數量明顯多于黃土及第四系地層分布范圍內的災害數量。從地域來看，中部、東部和南部發育地質災害的地質環境條件明顯優于西部和北部地區地質環境條件。

圖8 府谷縣地質災害與巖土體類型關系圖

表8 府谷縣各巖土體類型地質災害分布情況/處

地質災害的發生與植被覆蓋情況有著密不可分的聯系(張秦華等，2018)。歸一化植被指數(NDVI)是目前對植被指數進行空間監測最先進的技術和研究手段，它能夠很好的反映出植被覆蓋、生物量及生態系統參數的變化(趙志平等，2009)。在地理空間數據云獲得landsat 8 OLI_TIRS衛星影像數據，基于ArcGIS軟件獲得地質災害與歸一化植被指數圖(圖9)及各NDVI區間地質災害點的類型和數量(表9)。據統計：77.59%的崩塌、69.23%的滑坡、81.25%的地面塌陷和69.23%的泥石流都分布在NDVI為0.06～0.22區間內。該區間植被覆蓋率較低，水土流失嚴重，土地荒漠化嚴重，加之人類工程活動強烈，因此地質災害分布數量普遍較多。

圖9 府谷縣地質災害與歸一化植被指數關系圖

表9 府谷縣各NDVI區間地質災害分布情況/處

3.5 地質災害與道路、人口密度的耦合分析

隨著經濟的不斷發展，近年來府谷縣修建了許多交通線路。由于地處基巖山區，修建公路對山體坡腳進行開挖，形成了大大小小的高陡邊坡，加之府谷地層多為砂泥巖互層，風化較為嚴重，節理較為發育，且保護措施又很差，因此公路建設誘發了大量崩塌、滑坡地質災害及其隱患點(楊軍強，2017；馬嘯，2021；王念秦等，2021；朱利輝等，2021)。據統計72.41%的崩塌、69.23%的滑坡和61.54%的泥石流均分布在道路兩側400 m的范圍內(表10)。府谷縣地質災害與道路關系如圖10所示。

表10 府谷縣各道路距離區間地質災害分布情況/處

圖10 府谷縣地質災害與道路關系圖

人口密度與地質災害密切相關。一般來說，人們往往選擇居住在地質環境相對較好的地段，但隨著城鎮化建設速度的不斷加快，人類工程活動對地質災害的影響越來越明顯，呈現出人口密度較大的地方地質災害相對較多的現象(張曉敏等，2018；高玉欣等，2021)。府谷縣作為產煤大縣，經濟發展迅速，周邊及外來人口大量涌入縣城及各鎮駐地，使得房地產開發異常火爆，原有居民房屋快速改建為多層甚至高層住宅。各類城市建設工程進行了大規模山體開挖，嚴重破壞了原有斜坡穩定性，且多數無有效的工程防護，產生了大量崩塌、滑坡等災害隱患(張博，2009；洪增林等，2020；楊海峰和翟國方，2021)。據統計74.14%的崩塌、71.79%的滑坡和69.23%的泥石流均分布在人口密度大于100人/km2的范圍內。府谷縣地質災害與人口密度關系及不同人口密度區間內災害點的類型及數量如圖11及表11所示。

表11 府谷縣各人口密度區間地質災害分布情況/處

圖11 府谷縣地質災害與人口密度關系圖

4 結論

(1)府谷縣地質災害類型眾多，受人類工程活動影響顯著。地質災害以中小型崩塌為主，集中發育于府谷鎮、新民鎮。影響地質災害發生的因素分為外因和內因，地形地貌、地層巖性等是內因，降雨量、人類工程活動等是外因。

(2)地質災害主要集中在海拔765～1250 m的人類工程活動集中的區域內。地形地貌是形成地質災害隱患的主要內在因素，黃土梁崗區和河谷階地區地質災害發育較多，分別占地質災害點總數的27.71%和34.24%。在坡度<25°的范圍內，分布著93.10%的崩塌；在0～15°范圍內，地面塌陷和泥石流分別占93.75%和100%。此外，受太陽光照的影響，發生在陽坡的災害點占災害點總數的53.8%，而發生在陰坡的災害點僅占25.0%。

(3)地質災害受降雨量季節變化影響明顯，超過75%的崩塌、滑坡和泥石流均分布于年均降雨量在400～460 mm的區域內。此外，地質災害沿河流兩岸呈集中帶狀分布，距離河流越近越容易發生地質災害，69.83%的崩塌、48.72%的滑坡和53.85%的泥石流分布在地表水系兩側400 m范圍內。

(4)府谷縣有利于發生地質災害的巖土體類型主要為層狀堅硬—半堅硬砂泥巖互層碎屑巖組。此外，植被覆蓋程度對地質災害的影響明顯，77.59%的崩塌、69.23%的滑坡、81.25%的地面塌陷和69.23的泥石流都分布在NDVI為0.06～0.22區間內。

(5)工程活動強烈的地區，地質災害越易發生。在道路兩側400 m的范圍內分布著72.41%的崩塌、69.23%的滑坡和61.54%的泥石流。此外，地質災害總體分布于人口密集區域，74.14%的崩塌、71.79%的滑坡和69.23%的泥石流均分布在人口密度大于100人/km2的范圍內。

致謝感謝馬建全老師、丁一碩士、邢聰聰碩士、李宇新碩士、羅鵬翔碩士、郭亞雷碩士對本文撰寫及修改方面提供的幫助。