基于GIS 的聶拉木縣地震滑坡的研究

郝樹峰，孫 璐，徐 悅

西藏大學 工學院，西藏拉薩 850011

地震是指地殼快速釋放能量過程中造成的振動，期間會產生地震波的一種自然現象[1]。以往發生的地震事件表明，幾乎所有在山區發生的地震不僅會導致山區內房屋和建筑物的倒塌，還可能引發不同規模的滑坡、洪水或其他次生災害。

聶拉木縣地處喜馬拉雅地震帶，受地殼運動的影響，地震發生頻率較高。2015年4月25日，尼泊爾發生地震，造成27人死亡、38 806戶民房受損，受災人數超過30萬，其中嚴重受災人數約為14萬[2]。近年來，通過治理，聶拉木縣的地質環境得到了很大的改善，但該區域仍然會不時發生地震，地震滑坡災害發生的概率也居高不下。

當前，國內常采用統計的方法對地震滑坡進行研究，但對因子的劃分以及分類主觀因素較強，導致其結果偏向于主觀化。因此，應將影響地震滑坡的因素分為孕災因素和致災因素，從主客觀因素相結合的角度研究災害影響因素的構成。其中孕災因素是指區域本身固有的因素，指研究區地形起伏度、坡度、坡向、植被覆蓋度的分布情況；致災因素指的是地震和降雨作用，研究地震動峰值加速度以及降雨的分布特征。

使用層次分析法可以客觀地對地震影響因素進行劃分和權重計算，通過將每個影響因子進行量化處理，從而確定每個因子的權重。使用GIS技術繪制其研究成果，并保存為tiff格式，為明晰聶拉木縣地震災害風險空間分布、風險管理和城市規劃提供一定科學依據。

1 研究區概況

聶拉木縣地處喜馬拉雅山區，隸屬于我國西藏日喀則市，平均海拔在4 500 m以上，下管轄7個鄉鎮。據第7次人口普查，該縣常住人口1.7萬余人。研究區地質構造活動強烈，其主要構造線以東西向為主。喜馬拉雅山脈橫貫東西，阻擋了印度洋暖濕氣流向北的運動，導致山脊的南北兩側氣候呈現明顯差異。北部植被稀疏，氣候干旱少雨，南部植被茂密，氣溫較高，雨量充沛。

2 數據來源

數據來源于《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2015)；歐洲中天氣中心的氣象數據；聶拉木縣行政區劃shp文件；研究區的30 m的DEM柵格數據，其數據主要來源為地理空間數據云。投影坐標統一使用WGS_1984_45的數據坐標系。

3 影響地震滑坡的主要因素

3.1 地震動峰值加速度

依據聶拉木縣地震構造被背景，采用地震動峰值加速度作為影響因子。由圖1可知，聶拉木縣南部地區地震動峰值加速度最高，尤其是樟木鎮南部地區達到0.2 g，2015年尼泊爾發生了8.1級地震，該區域受到了嚴重的波及，也成了地震造成滑坡的高發區域。

圖1 聶拉木縣地震動加速度分布圖

3.2 降雨量

降雨會增加地表濕度，進而使土壤之間的摩擦力下降，增大地震破壞土體間的內部結構的可能性[3]。由圖2可知，整個縣的年均降雨量在690 mm以上，樟木鎮年均降雨量可達3 000 mm以上。由于研究區降水差異較大，故使用等間隔分割法將降雨區間分為5個區間。

圖2 聶拉木縣降雨量分布圖

3.3 坡度

坡度的大小會影響地震滑坡發生的可能性，坡體與地面的夾角越大，其穩定性越差，越容易發生災害。聶拉木縣北部區域的坡度變化多是在30°以下，南部局部地區出現60°或近似垂直的斜坡。使用ArcGIS軟件將坡度平均分為5個區間(圖3)。

圖3 聶拉木縣坡度分布圖

3.4 坡向

聶拉木縣處于喜馬拉雅山南坡，整體坡向屬于陽面。隨著坡向的不斷變化，斜坡上的植被覆蓋率、降雨量和蒸發量的大小也會相應地發生變化，進而影響斜坡上巖土體的物理力學性質以及地下水的孔隙壓力分布情況，從而提高地震滑坡發生的可能性(圖4)[4]。

圖4 聶拉木縣坡向分布圖

3.5 相對高差

地震滑坡通常發生在高坡度和高相對高差的區域。聶拉木縣地形差異較大，由北到南海拔逐漸降低。亞來鄉以北的平均海拔在4 000 m以上，且全部處于高原面上；從亞來鄉以南海拔開始逐漸降低，出現了相對高差＞80 m的區域。從聶拉木鎮開始至樟木鎮海拔下降幅度較大，并形成了高山峽谷地貌，其中樟木鎮及其周圍的平均高差可達60 m以上(圖5)。

圖5 聶拉木縣相對高差分布圖

3.6 植被覆蓋率

植被覆蓋率與降雨量之間存在相互作用，是地震滑坡災害發生的重要原因之一。

當植被覆蓋率高時，較少的降雨量可以被植被攔截和吸收，從而降低滑坡災害發生的概率。但降雨量過多時，植被無法應對過多的水分，土壤會發生飽和，土體會受到重力作用發生滑坡；當植被覆蓋率較低時，由于缺少足夠的植被來阻止水分流失和土壤侵蝕，發生滑坡災害的概率也會提高(圖6)[5]。

圖6 聶拉木縣植被覆蓋率分布圖

4 地震滑坡區劃圖

4.1 權重計算

通過分析，地震滑坡與地震峰值加速度、降雨量、坡度、坡向、相對高差和植被覆蓋率6個影響因子密切相關。為了更加客觀地評價各個因子之間的權重關系，使用層次分析法對其權重進行計算，通過對影響因子進行兩兩比較，采用1、3、5、7表示重要度。1表示兩者一樣重要，3表示后者比前者稍微重要，依次類推，重要程度逐漸增加，2、4、6為中間值。根據以上原則建立矩陣如表1所示。

表1 相關矩陣

參照表1的矩陣計算最大特征根λ=6.4，特征向量ω=[0.304897,0.255688,0.229496,0.062488,0.069837,0.077595]。采用隨機一致性比率判斷矩陣的一致性，當IC>0，RC<0.1時，判斷矩陣通過一致性檢驗。IR為6階，可取參考值為1.26。通過公式1可得到IC值為0.12，RC值為0.06。

分別對上述所選取的6類影響因子劃分賦值并按照新的值重新定義。結果如表2所示。使用ArcGIS平臺作為研究平臺，根據影響因子的分類與賦值結果對以上影響因子進行歸一化處理。并根據特征向量ω可得到每個影響因子的權重。每個柵格單元預測地震滑坡值=∑(ω×每個影響影子的歸一化值)。采用ArcGIS中的柵格計算器生成預測地震滑坡指數柵格數據。

表2 隨機一致性指標IR參數取值表

4.2 繪制地震滑坡區劃圖

將得到的預測地震滑坡柵格圖按表2分類處理后，將出現滑坡的可能性分類為Ⅰ～Ⅴ類，等級越高越易出現滑坡。根據處理后的結果，利用ArcGIS軟件平臺繪制聶拉木縣預測地震滑坡區劃圖，并存儲為tiff格式。利用ArcGIS對預測地震滑坡的不同區域進行統計分析，結果如表3、圖7所示。

表3 各因子賦值結果

表4 滑坡等級Ⅰ～Ⅴ范圍統計表

圖7 預測地震滑坡區劃圖

5 結論

基于ArcGIS軟件運用層次分析法對影響地震滑坡的6個影響因子進行分析，并繪制出聶拉木縣預測地震滑坡的區劃圖，得出以下結論：

(1)聶拉木縣的孕災因素與致災因素之間存在的相互作用的關系。其中地震動峰值加速度其權重系數占比最高為0.3，為致災因子。相對南邊，聶拉木縣北邊發生地震較少，地震滑坡也較少，所研究結果較為符合實際情況。

(2)根據其分布結果，聶拉木縣整體發生地震滑坡災害由北到南逐漸嚴重，特別是樟木鎮及以南靠近喜馬拉雅山地區更為嚴重，其Ⅴ級的面積為110.16 km2。