ArcGIS在湖北省公路地質(zhì)災(zāi)害危險性評估中的應(yīng)用★

楊吉紅，李 劍，侯欣雨

(1.湖北交投武天高速公路有限公司,湖北 天門 431701;2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司,湖北 武漢 430051; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

0 引言

近年來,由于區(qū)域人口的增加和社會經(jīng)濟的增加,城市化進程逐漸加快,公路工程也隨之快速發(fā)展。伴隨著公路的修建,兩側(cè)邊坡的自然地質(zhì)條件被改變,應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞,從而導(dǎo)致一系列自然災(zāi)害的發(fā)生。

本文以整個湖北省的公路為研究對象,運用ArcGIS軟件對湖北省公路地質(zhì)災(zāi)害進行危險性分析與評估,科學(xué)判斷潛在的地質(zhì)災(zāi)害形成機制、規(guī)模和危險性,確定公路遭受地質(zhì)災(zāi)害的可能性和危險性等級,從而制定更加有效的安全措施,防止和降低災(zāi)害發(fā)生對公路建設(shè)帶來的危害,保障公路的正常運行。

1 研究區(qū)概況

湖北省地處華中腹地、長江經(jīng)濟帶中段[1]、全省西、北、東三面被山體環(huán)繞,地質(zhì)條件較為復(fù)雜;境內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣,包括山地、丘陵、平原和盆地等多種類型,其中以武漢市為中心的江漢平原、襄陽市所在的江陵盆地和咸寧市所在的江漢丘陵較為典型;研究區(qū)地處揚子古陸的東部邊緣,經(jīng)歷了早古生代泛海及后來的大陸碰撞等過程,形成了一系列不同程度的褶皺、斷裂和逆沖構(gòu)造,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,山體較為破碎,易滑地層、易溶巖層廣泛分布,尤其是鄂西、鄂東山地丘陵地區(qū)具有良好的孕災(zāi)條件。

巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖在湖北省均有所分布。其中,沉積巖分布在鄂西地區(qū)、宜昌峽東地區(qū);巖漿巖主要分布在大別山地區(qū)、鄂西黃陵地區(qū)和鄂東南地區(qū);變質(zhì)巖主要分布于武當(dāng)—桐柏—大別山地區(qū),該地區(qū)出露有世界上面積最大、保存最為完好的超高壓變質(zhì)帶——大別山超高壓變質(zhì)帶[2]。

受氣候條件、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等因素的綜合作用,湖北省公路在修建和運行過程中,地質(zhì)災(zāi)害普遍發(fā)育,常見的地質(zhì)災(zāi)害主要包括滑坡、泥石流、巖溶塌陷。湖北省等高線分布圖見圖1。

2 危險性評估方法與原則

公路地質(zhì)災(zāi)害危險性評估是對公路所在地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境、地形地貌、水文地質(zhì)等方面信息分析,結(jié)合公路工程設(shè)計和建設(shè)過程中的施工方式、技術(shù)規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對該地區(qū)可能出現(xiàn)的各類地質(zhì)災(zāi)害進行綜合評價,以確定潛在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能和對公路安全運行造成的危害程度,對于危險性較大的地區(qū)及時采取相應(yīng)的修復(fù)及防治措施,從而提升公路的安全性和通行能力。

2.1 評估方法

隨著公路交通事業(yè)的快速發(fā)展,人們對公路地質(zhì)災(zāi)害的重視程度大幅度提高,對災(zāi)害區(qū)劃與防治的研究也逐漸加深并系統(tǒng)化,大致形成一套適用于災(zāi)害研究的理論與方法體系。常見的地質(zhì)災(zāi)害評估方法有地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)、數(shù)學(xué)模型法、數(shù)值模擬法、地質(zhì)勘查與現(xiàn)場調(diào)查法、統(tǒng)計分析法等(見表1)。

表1 地質(zhì)災(zāi)害評估方法優(yōu)缺點

綜合對比以上幾種評估方法的優(yōu)缺點,GIS技術(shù)具有以下優(yōu)越性:

1)數(shù)據(jù)整合與分析:GIS能夠整合各種空間數(shù)據(jù)(包括地形、地貌、氣候、人口等),通過空間分析功能,揭示地質(zhì)災(zāi)害與空間因素之間的關(guān)系,提供全面的評估數(shù)據(jù)。

2)空間可視化與展示:GIS能夠?qū)⒌乩頂?shù)據(jù)以圖形方式表示,提供直觀、易懂的地圖展示,可幫助決策者和公眾更好地理解地質(zhì)災(zāi)害評估結(jié)果,促進溝通和決策。

3)模型建立與預(yù)測:GIS可以與數(shù)學(xué)統(tǒng)計模型和數(shù)值模擬模型集成,通過空間分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的可能性和風(fēng)險區(qū)域。

4)空間決策支持:GIS提供了一套空間決策支持系統(tǒng),能夠幫助決策者進行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估、規(guī)劃和管理,優(yōu)化資源配置和風(fēng)險防控策略。

基于本次評價具有目標(biāo)明確、范圍廣、所需數(shù)據(jù)種類多、精度要求高等特點,選用GIS技術(shù)進行本次地質(zhì)災(zāi)害評估。雖然GIS技術(shù)存在一定的不足之處,但是可以通過合理的方法和策略來減輕它們對評估結(jié)果的影響。如:

1)建立完善的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),確保數(shù)據(jù)的有效性、完整性和一致性。采用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)描述,以方便數(shù)據(jù)的共享和使用。同時建立數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程,并進行定期的數(shù)據(jù)驗證和修正,提高數(shù)據(jù)的可靠性。

2)選擇更高分辨率的遙感影像或其他地理數(shù)據(jù),以捕捉更詳細的地理特征和細節(jié)[3]。使用高分辨率衛(wèi)星影像、航空影像或無人機數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源,提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和精度。

3)加強用戶培訓(xùn)和技術(shù)支持,提高相關(guān)人員對GIS技術(shù)的應(yīng)用能力。提供對用戶友好的界面和工具,簡化操作流程,降低使用門檻。同時,建立積極的用戶交流平臺,促進加經(jīng)驗分享和問題解決。

ArcGIS是基于GIS技術(shù)的一款軟件,可以將包括地形數(shù)據(jù)、地貌數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、水系分布、土地利用類型等多種數(shù)據(jù)進行整合與集成,并在一張地圖上呈現(xiàn)出這些數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。使用ArcGIS軟件進行地質(zhì)災(zāi)害危險性評估可以有效提高工作效率和準(zhǔn)確性,為制定科學(xué)、規(guī)范和可行的預(yù)防措施提供有力的支持,保障公路的安全運行。

2.2 評估原則

1)評估過程中需要充分考慮周圍的自然、人文、物理等方面的因素對災(zāi)害的影響,堅持以人為本、以工程建設(shè)為中心的原則,保障建設(shè)工程的安全運行。

2)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估旨在為災(zāi)害預(yù)防工作提供科學(xué)依據(jù),預(yù)防應(yīng)當(dāng)放在首位,減輕災(zāi)害損失是評估的核心目標(biāo)之一。

3)突出重點的原則,關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū),特別關(guān)注規(guī)模較大的、距建設(shè)工程近的、危害大的地質(zhì)災(zāi)害[4]。

3 湖北省公路地質(zhì)災(zāi)害危險性評估

3.1 公路地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)

公路地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)是根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率和危害程度,將公路線路劃分為不同的風(fēng)險區(qū)域。這可以幫助交通部門和相關(guān)機構(gòu)采取相應(yīng)的防范和管理措施,以確保公路的安全運行。具體步驟如下:

1)數(shù)據(jù)收集:在DataV網(wǎng)站、地理空間數(shù)據(jù)云等網(wǎng)站中獲取湖北省邊界、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)、地形地貌、氣候等數(shù)據(jù)。

2)數(shù)據(jù)預(yù)處理:對獲取的原始數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、投影變換等預(yù)處理操作,使得數(shù)據(jù)具有一致性和統(tǒng)一性。

3)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備:根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害類型(如滑坡、崩塌、泥石流等)的要求,對所得數(shù)據(jù)進行提取和處理。例如,可以提取出土壤類型、坡度、坡向、河流網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)。

4)參數(shù)分析:根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估的方法和模型,使用ArcGIS中的地形分析、遙感分析、空間插值等工具和功能,對數(shù)據(jù)進行處理和分析。

5)排序和權(quán)重設(shè)置:根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估的要求,將評價因子進行排序和權(quán)重設(shè)置,以確定不同因子對地質(zhì)災(zāi)害的影響程度。

6)模型建立和分析:根據(jù)已有的地質(zhì)災(zāi)害危險性評估模型,將參數(shù)和權(quán)重輸入模型中進行分析和計算。使用ArcGIS中的模型構(gòu)建工具,創(chuàng)建、運行和管理分析模型。

7)結(jié)果展示:根據(jù)分析結(jié)果,生成地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)圖(如圖2所示)。按照危險等級將湖北省劃分為5個等級的危險性區(qū)域,分別為高危險區(qū)、較高危險區(qū)、中危險區(qū)、較低危險區(qū)和低危險區(qū)[5-6],依據(jù)圖2中的危險性分區(qū)可以為湖北省公路建設(shè)和管理工作提供相應(yīng)的指導(dǎo)。

3.2 公路地質(zhì)災(zāi)害危險性分析

根據(jù)分區(qū)結(jié)果,湖北省公路地質(zhì)災(zāi)害高危險區(qū)、較高危險區(qū)、中危險區(qū)、較低危險區(qū)和低危險區(qū)占比分別為18%,25%,26%,17%和14%,總體上約69%的區(qū)域?qū)儆诘刭|(zhì)災(zāi)害危險區(qū),是我國地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的省份。

3.2.1 高危險區(qū)

鄂西南地區(qū)的巴東縣、利川市、恩施市、咸豐縣、鶴峰縣、來鳳縣、五峰縣以及武漢市黃坡北部等是地質(zhì)災(zāi)害高危險區(qū)。

鄂西南地區(qū)以中山為主,地勢高陡;平均年降雨量層狀可溶巖廣泛分布且溶蝕強烈,軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育;由于具備豐富的地質(zhì)礦藏,人類活動主要為切坡棄渣及采礦活動,隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施,宜萬鐵路、滬蓉高速等工程的修建,對該地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境造成一定的破壞,使得該地區(qū)滑坡、巖溶塌陷、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。

武漢市黃坡北部位于大別山南麓,以丘陵山地為主,地勢相對較高且起伏較大,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,存在多條地質(zhì)斷裂帶和地質(zhì)褶皺,地表地殼運動活躍,地震風(fēng)險較高,從而易引發(fā)滑坡、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。

3.2.2 較高危險區(qū)

鄂西北地區(qū)的十堰市、鄖縣、鄖西縣、丹江口市、竹溪縣、竹山縣、房縣、神農(nóng)架林區(qū)、谷城縣,鄂東南地區(qū)的鄂州市、武漢南部、嵩陽縣、通山縣、通城縣、赤壁市,鄂東北地區(qū)的羅田縣、英山縣等位于地質(zhì)災(zāi)害危險度較高的區(qū)域。

鄂西北地區(qū)平均年降雨量約為800 mm～1 000 mm,以中低山為主,坡度陡峭,該區(qū)域的神農(nóng)架高程達到3 105.4 m;北部地區(qū)巖性為變質(zhì)巖,南部地區(qū)以碳酸鹽巖和碳酸鹽巖夾碎屑巖為主;人類活動主要有水庫運行、采礦活動和公路切坡。受人為因素及自然因素的影響,該地區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害為崩塌、滑坡和泥石流。

鄂東南地區(qū)以低山、丘陵為主,谷深坡陡;通山、嵩陽以碳酸鹽巖、碳酸鹽巖夾碎屑巖為主,通城縣為花崗巖侵入?yún)^(qū),風(fēng)化砂層較厚;受采礦、修路切坡等活動的影響,泥石流、滑坡災(zāi)害頻發(fā)。鄂州、武漢南部、赤壁等地區(qū)以丘崗為主,地形起伏小;巖性為碳酸鹽巖和碳酸鹽巖夾碎屑巖,上覆黏性土層,隱伏巖溶發(fā)育;人類活動主要為地下水開采與排放,該地區(qū)易發(fā)生巖溶塌陷。

鄂東北地區(qū)位于降雨帶中心,年均降雨量約為1 300 mm;中低山為主,坡度陡;巖性為變質(zhì)火山巖、片麻巖,風(fēng)化砂層較厚;區(qū)域內(nèi)植被覆蓋度較低,水土流失嚴(yán)重;人類活動主要為修建公路和地?zé)衢_采,容易引發(fā)滑坡、泥石流災(zāi)害。

3.2.3 中危險區(qū)

鄂北地區(qū)的宜城市、廣水市、大悟縣、隨州市等地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性等級為中等。

宜城市、廣水市地處江漢平原,地勢相對平坦,主要地質(zhì)構(gòu)造較為穩(wěn)定。該地區(qū)的地質(zhì)特點主要包括黃土、河流沖積平原和濕地等。地下水資源豐富,水位較高,易導(dǎo)致土壤液化和地下水涌出等地質(zhì)災(zāi)害。

大悟縣位于鄂北山區(qū),以山地和丘陵為主,山地地形陡峭,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,易發(fā)生滑坡、崩塌和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害。

隨州市地處鄂北地區(qū)中部,地勢起伏較大,山地、丘陵和平原交錯;地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,存在多個構(gòu)造帶和斷裂帶,黃土、火山巖、變質(zhì)巖和沉積巖等均有分布。由于地形起伏和地質(zhì)條件的復(fù)雜性,該地區(qū)易受滑坡、地震和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的影響。

3.2.4 較低危險區(qū)和低危險區(qū)

鄂中地區(qū)大部分區(qū)域處于低危險、較低危險區(qū)。該地區(qū)地勢相對平坦,沒有陡峭的山地或懸崖峭壁;地質(zhì)條件較為穩(wěn)定,沒有明顯的地震或地質(zhì)構(gòu)造活動,地下水位相對較低,巖石穩(wěn)定性較高。此外,該地區(qū)的公路在修建之前往往經(jīng)過精細規(guī)劃與設(shè)計,充分考慮地質(zhì)條件,避免了在地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)建設(shè)公路。

4 公路地質(zhì)災(zāi)害的防治措施

根據(jù)危險性評估結(jié)果,對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較高的區(qū)域進行重點觀測和監(jiān)測,并采取相應(yīng)的治理措施,從而提高公路地質(zhì)災(zāi)害防范水平和救援能力。根據(jù)湖北省易發(fā)生的幾種地質(zhì)災(zāi)害,采取一些針對性的防治措施如下。

4.1 滑坡的防治措施

1)在公路選址時應(yīng)盡可能避免選擇在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)域進行建設(shè),比如陡坡地帶、生成斷層及其周圍地帶、老滑坡和巖溶峰林等。

2)施工時要全面考慮路段的地質(zhì)條件,根據(jù)邊坡的開挖深度、巖性、地形條件等,合理設(shè)計邊坡的坡度與坡型[7]。

3)對有地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的公路路段,要進行實時監(jiān)測,根據(jù)不同的監(jiān)測數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的報警值,一旦達到預(yù)警級別必須立即采取緊急措施;對于已出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害隱患的地段,應(yīng)根據(jù)隱患點類型,采取相應(yīng)的加固、隔離等防護措施,比如固結(jié)、灌漿、加土、鑿洞、擋土墻、護欄等,進一步強化公路安全。

4)公路的排水系統(tǒng)是防治地災(zāi)害的重要措施之一。除了設(shè)置泄水孔、雨水桶等排水設(shè)施外,還可以采取建設(shè)引水渠、攔擋坑等方式,將雨水往低處導(dǎo)流,以減少水土流失和公路被淹情況。

5)在易發(fā)生滑坡的區(qū)域進行植被覆蓋,增加生態(tài)覆蓋率,可以保護水源、防止滑坡,延緩?fù)寥狼治g,降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

4.2 泥石流的防治措施

1)在建設(shè)公路前對沿線區(qū)域進行地質(zhì)勘察,評估風(fēng)險并采取預(yù)防措施。

2)在公路修建時,對路基進行加固填方處理,增加公路的承載能力,降低泥石流來襲的損害。

3)對于已運行的公路,在公路兩側(cè)的邊坡上安裝各種監(jiān)測系統(tǒng),如泥石流監(jiān)測儀、雨量監(jiān)測儀等來實時監(jiān)測公路周邊的地形地貌和天氣變化,及時預(yù)警并采取應(yīng)對措施。

4)在坡面上挖掘溝槽,收集山體中的雨水和積雪融化后產(chǎn)生的泥石流,并將其引導(dǎo)到安全地帶;設(shè)置隔離柵欄或護欄,以避免泥石流襲擊公路和車輛。

5)一旦發(fā)生泥石流,應(yīng)及時清理路面上的雜物以恢復(fù)交通正常。

4.3 巖溶塌陷的防治措施

1)在選擇公路建設(shè)路線時,應(yīng)對擬建線路進行詳細的勘查,若線路需要穿過懸掛滑坡、巖洞、水源區(qū)等不穩(wěn)定地質(zhì)區(qū)域時則改變路線;若不能更改則安排適當(dāng)?shù)募庸檀胧?同時也要嚴(yán)密監(jiān)測相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的變化情況,并進行相應(yīng)的處理和修繕。

2)在容易發(fā)生巖溶塌陷的區(qū)域進行實時監(jiān)測,并通過各種手段收集相關(guān)數(shù)據(jù),對可能發(fā)生的危險情況進行預(yù)警并及時采取維修和加固措施。

3)用合理的排水措施,保持路面干燥,減少水的滲透和侵蝕;禁止或限制在評估區(qū)內(nèi)過量開采地下水。

4)禁止在評估區(qū)開展大型爆破試驗或進行大規(guī)模的機械振動[7]。

5 結(jié)語

通過對湖北省公路地質(zhì)災(zāi)害危險性進行評估,湖北省約69%的地區(qū)屬于危險區(qū)。其中,鄂中地區(qū)較為穩(wěn)定,鄂西、鄂東以及鄂北地區(qū)受地質(zhì)條件以及人類活動的影響,危險性較大。為降低地質(zhì)災(zāi)害對公路的危險性,保障公路的正常運行,根據(jù)不同的災(zāi)害類型提出針對性措施進行防治。