山區縣域小流域滑坡點密度研究

林慶

(重慶市萬盛經開區規劃和自然資源局，重慶 400074)

1 引 言

由于地形特征及地理位置原因，山區縣域大多位于山地、丘陵以及較為崎嶇的高原地區，這些地區滑坡、泥石流以及山洪等自然災害時常發生，已嚴重制約我國國民經濟發展，威脅著山區人民生命及財產安全，是影響我國經濟可持續發展的重要因素。單位流域面積內滑坡點個數即滑坡點密度，某地區滑坡點密度越高，則該地區發生滑坡災害可能性越大，通過滑坡點密度可科學確定該地區滑坡災害危險程度，對該地區防災減災意義重大。

地理信息系統(GIS)具有完善的地理空間信息處理功能和良好的模型載入與區劃效果展示能力，因此基于GIS技術可以較好地完成滑坡災害點密度的危險區劃[1]。本文以忠縣為例，在地理信息系統水文分析模塊支持下，通過對數字高程模型洼地填充，水流方向提取、匯流累積量計算等，完成小流域劃分；在此基礎上耦合歷史滑坡災害點數據，調用屬性表連接、空間分析等功能得到基于小流域的滑坡點密度分布，采用幾何級數分類法進行危險分區，結果可為忠縣城鄉規劃編制以及滑坡災害預防治理提供參考和指導。

2 技術方法

數字高程模型(DEM)中包含豐富地形、地貌及水文等信息，是各種分辨率地形特征的真實反映。在獲取DEM基礎上，通過ArcGIS水文分析模塊一系列功能分析，劃分得到研究區小流域。將研究區歷年滑坡災害點經緯度Excel表格導入ArcGIS生成點文件，調用ArcGIS軟件中疊加分析得到歷史滑坡點與小流域相交部分，在此基礎上對小流域面積以及小流域面積內滑坡點個數進行統計，利用屬性字段計算器(Field Calculator)計算研究區小流域滑坡點密度值并采用幾何級數分類法進行危險分區，最終得到分區結果。

具體流程如下：

第一步：對數字高程模型(DEM)洼地進行填充

一般來說，DEM被認為是比較光滑的地形表面真實模擬，但由于流域網格和地形結構線間斷及不正確連通這些都使DEM表面存在著一些凹陷[2]。凹陷的區域對提取水文數據的精度會產生影響，因此，必須先調用ArcGIS水文分析模塊中Fill工具對DEM進行填洼平處理，獲取無洼地光滑DEM基礎上再進行水流方向計算。

第二步：提取水流方向

地表徑流在流域空間一般呈現由地勢高處流向地勢低處，經流域出口最終排除流域，而水流流出柵格單元方向即為水流方向。在確定水流方向前提下，進一步確定整個流域走向，最終劃分出流域界限得到小流域。本文采用目前較常用的D8法[3]確定水流方向，即假定每個中心柵格單元水流方向可能流向8個相鄰的單元，通過計算中心網格與8個相鄰網格間的距離權落差值，其中流出網格則為距離權落差值最大的網格，對應水流方向即為中心網格流出點[4]，通過利用ArcGIS中的Flow Direction指令，提取在光滑DEM中每個柵格單元內的水流方向。

第三步：計算匯流累積量值

地表徑流模擬過程中，匯流累積量值的大小代表著該網格匯聚水流能力強弱，網格柵格匯流累積量值越大，對應匯流能力也就越強，該柵格地形特征可能為地表徑流[5]。通過對每個柵格單元流向矩陣依次掃描，根據水流方向追蹤到DEM邊界，掃描完畢整個水流方向矩陣，其結果對應為該流域匯流能力的柵格分布即為匯流累積量，當中匯流量值較大者可視為河谷，值等于零則是較高的地方，可視為流域分水嶺[6]。在獲取無洼地光滑DEM基礎上，通過ArcGIS中的Flow accumulation指令得到匯流累積量柵格成果。

第四步：提取河網并分級

當匯流量達到一定閾值時，則有可能產生地表徑流，所有大于該臨界匯流閾值的柵格都是潛在水流路徑，對應的河流網格即為所要提取河網。閾值確定尤為重要，其決定了待提取河網精度以及疏密度，利用“柵格計算器”條件函數com(flowacc_flow>N，1)設定合理匯流閾值，提取所有大于設定閾值(N)的河網，并結合手中現有水系數據資料進行反復對比校驗最終確定臨界匯流閾值提取河網，在此基礎上采用Strahler分級方法對提取河網進行分級。

第五步：小流域劃分

流域又稱集水區域，是指流經其中的水流和其他物質從一個公共的出水口排出，從而形成一個集中的排水區域[6]。基于提取到水流方向、柵格河網及河網分級結果，通過ArcGIS流域地形特征分析中watershed指令得到河網結構信息并確定分水嶺位置，最終實現對研究區小流域劃分。

第六步：滑坡點密度值計算及分區

以研究區歷史滑坡災害點作為統計數據，通過ArcGIS導入生成點文件，耦合小流域劃分結果，調用疊加分析工具得到滑坡點與流域相交部分，在此基礎上對小流域面積以及流域內滑坡點個數進行統計，通過柵格計算器得到滑坡災害點密度值，采用幾何級數分類法對滑坡災害點密度值進行危險分區進而得到分區結果。

3 案例分析

3.1 研究區概況

忠縣地處三峽庫區腹心地帶，長江上游地區，東北鄰萬州區，東南接石柱縣，西界墊江縣，西南接壤豐都縣，北與梁平區為界，地理坐標位于北緯30°03′～30°35′，東經107°3′～108°14′，地形呈“三山兩槽”，典型山區丘陵地貌，海拔高度最低為 117 m，最高為 1 680 m，東西長 66.45 km，南北寬 60.15 km，行政上現轄2個街道、21個鎮、6個鄉[7]。以測繪部門忠縣地形圖為原數據，通過MapGIS軟件對等高線進行提取并賦高程值，對照國家標準分幅單元圖進行拼接，將格式轉換輸出shp文件，并將shp文件導入ArcGIS進行分析，最終得到忠縣DEM數字高程模型。忠縣區位及DEM如圖1所示。

圖1 忠縣區位及DEM圖

3.2 忠縣小流域劃分

(1)忠縣DEM填充、水流方向提取及匯流累積量計算。以忠縣DEM數字高程模型為基礎，調用Hydrology工具中Fill指令進行DEM填充預處理。填洼處理后的DEM先后調用Hydrology工具中direction指令和accumulation指令得到忠縣水流方向和匯流累積量如圖2、圖3所示。

圖2 忠縣流向圖 圖3 忠縣匯流量柵格圖

(2)網提取。以忠縣匯流累積量作為輸入，調用Multi Map Output工具，利用“柵格計算器”條件函數com(flowacc_flow>N，1)設定匯流閾值，提取出所有大于設定閾值(N)的網格。通過不同閾值設定生成的河網，結合手中忠縣實際水系數據對比分析(圖4)，發現當閾值為1 000與忠縣實際水系分布最為接近，由此取閾值為1 000提取河網。

圖4 忠縣實際水系與閾值N=1000提取河網對比

(3)劃分小流域。提取河網基礎上，調用ArcGIS中hydrology工具集中的stream link指令，獲取對應流域邊界，以出水口數據為輸入，調用hydrology工具集中的watershed指令，對流域的邊界分水嶺位置進行確定，最終劃定小流域。當閾值取1 000(最優集水面積閾值為 10 km2)時，最終將忠縣流域總共劃分為237個小流域，如圖5所示。

圖5 忠縣小流域劃分結果

3.3 滑坡點數據生成、小流域面積及流域內滑坡點密度統計

(1)以忠縣歷史滑坡災害點經緯度坐標統計數據表為基礎，將Excel表格導入ArcGIS，調用“Display XY data”進行設置生成點文件。在此基礎上，調用Intersect工具得到與小流域重合的滑坡災害點成果，如圖6所示。

圖6 忠縣小流域滑坡災害點圖

(2)調用ArcGIS中空間分析工具集中的Convert指令，將小流域劃分成果轉換為對應矢量數據，在此基礎上打開屬性列表，添加area字段，調用Calculate Geometry即可計算得到各小流域面積。

(3)以滑坡災害點成果為基礎，在屬性表中新建“Count”字段，利用柵格計算器工具，將“Count”字段值賦值為1。在矢量小流域劃分成果中，調用join功能，選擇將滑坡災害點成果圖層與小流域劃分成果圖層建立空間連接，然后選擇“Sum”，新生成矢量圖層屬性表中“Sum_Count”則表示每個小流域中滑坡災害點個數[8]。在此基礎上，新建“滑坡點密度”字段，利用ArcGIS柵格計算器工具，輸入“滑坡點密度=Sum_Count/area”指令，結果為小流域滑坡災害點密度，如圖7所示。

圖7 忠縣小流域滑坡災害點密度成果圖

3.4 滑坡點密度危險分區

在忠縣小流域滑坡災害點密度成果基礎上，為更直觀展現滑坡災害點密度趨勢，對滑坡災害點密度成果進行危險分區。在ArcGIS軟件支持下，對比不同分級方法，最終選擇Geometry Interval(幾何級數分類法)對忠縣小流域滑坡災害點密度結果進行危險分區，分為4個等級，其中高風險區滑坡點密度 0.529 1～2.850 9(個/km2)，面積為 377.85 km2，占忠縣總面積18.59%；中風險區滑坡點密度 0.095 9～0.529 1(個/km2)，面積為 386.39 km2，占忠縣總面積19.01%；低風險區滑坡點密度 0.015 1～0.095 9(個/km2)，面積為 86.48 km2，占忠縣總面積4.26%；微風險區滑坡點密度0～0.015 1(個/km2)，面積為 1 181.43 km2，占忠縣總面積58.14%，危險分區成果如圖8所示。

圖8 忠縣小流域滑坡災害點密度危險分區圖

4 結果與討論

(1)基于重慶市忠縣DEM數據，利用ArcGIS水文分析模塊實現對忠縣小流域劃分。結果表明：與實際水系最為相似的河網是閾值取1 000時提取的河網，由此將研究區流域水系劃分為237小流域。值得注意：選擇不同閾值，對應提取河網密度不同，子流域劃分結果亦不同，如何選擇最為適合匯流累積量閾值，除了反復對比驗證，提取方法亦有待進一步研究。

(2)得到忠縣小流域劃分結果基礎上，疊加忠縣歷史滑坡災害點數據，調用屬性表連接、空間分析等功能得到忠縣小流域滑坡點密度成果，采用Geometry Interval(幾何級數分類法)對忠縣小流域滑坡點密度成果進行危險分區，分為高風險、中風險、低風險及微風險區，其中高風險區滑坡點密度 0.529 1～2.850 9(個/km2)，中風險區滑坡點密度0.095 9～0.529 1(個/km2)，低風險區滑坡點密度 0.015 1～0.095 9(個/km2)，微風險區滑坡點密度0～0.015 1(個/km2)，分區結果可為忠縣城鄉規劃編制提供參考，如避免在高風險區部署重點投資項目及居民點等，同時還可為合理制定忠縣滑坡災害防災、救災方案提供支撐，對忠縣山洪、泥石流以及崩塌等其他自然災害危險性評價提供重要評價指標。