基于信息量模型的黑山峽地區(qū)滑坡易發(fā)性風險評價

關鍵詞：滑坡；易發(fā)性；風險評價；信息量模型；黑山峽地區(qū)

黑山峽地區(qū)地質(zhì)條件復雜，活躍的斷層和頻發(fā)的地震活動導致該區(qū)域滑坡災害頻發(fā)。降水和人類活動也對滑坡的發(fā)生具有顯著影響?；乱装l(fā)性評價旨在確定一個區(qū)域內(nèi)發(fā)生滑坡的概率，并提供相關預防和保護建議。對大區(qū)域滑坡風險進行評價時，常選擇基于歷史災害數(shù)據(jù)與影響因子的統(tǒng)計分析法。具體方法包括頻率比法、潛在滑坡面積法、信息量法和變異系數(shù)法，其中信息量法因邏輯清晰、效果顯著而被廣泛應用。由于滑坡易發(fā)性受到多種因素的影響，因此需要有針對性地開展滑坡評價因子的分析與篩選，建立評價指標體系。

自1959年以來，黑山峽水利樞紐壩址及庫區(qū)復雜的地質(zhì)條件備受爭議，成為影響水利樞紐建設的重要因素之一。隨著黑山峽水利樞紐工程被列入國家2020-2022年重點推進的150項重大水利名錄，工程建設前期工作正在穩(wěn)步有序開展，對黑山峽地區(qū)地質(zhì)災害隱患及風險進行評價顯得尤為重要。基于此，本文以黑山峽地區(qū)為研究對象，基于自然地理、氣候、地形地貌、土壤植被、河流水系等背景資料，采用信息量模型開展黑山峽地區(qū)滑坡易發(fā)性風險評價，以期為黑山峽水利樞紐的建設提供科學依據(jù)。

1研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源及評價因子選取

1.1研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)來源

黃河黑山峽河段位于甘肅省、寧夏回族自治區(qū)交界處，自甘肅省靖遠縣興隆鄉(xiāng)大廟村至寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)甘塘鎮(zhèn)孟家灣村，全長71km，其中甘肅省境內(nèi)長度為41km（含兩省區(qū)界河長度20km），寧夏回族自治區(qū)境內(nèi)長度50km。黑山峽地區(qū)地理位置見圖1。

研究區(qū)有滑坡209處，滑坡點數(shù)據(jù)源自中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心（https．∥www. resdc. cn/），包括滑坡點經(jīng)緯度、險情等級、滑坡類型等：數(shù)字高程模型（DEM）、年平均降水量、NDVI數(shù)據(jù)源自地理空間數(shù)據(jù)云（http：//www.gscloud.cn/），坡度、曲率由DEM提取得到：地層巖性、斷層信息源自中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)云（https：//geocloud.cgs.gov.cn/）；路網(wǎng)和水系信息源自全國地理信息資源目錄服務系統(tǒng)（http：//www.webmap.cn/）。

1.2評價因子選取原則

1）代表性原則。不同區(qū)域具有不同的地質(zhì)地形條件，應考慮研究區(qū)地層巖性條件、地形地貌、人類活動等，選取具有代表性的評價因子，避免盲目套用其他區(qū)域的評價體系。

2）獨立性原則。滑坡是多個因子在非線性關系情況下共同作用的結果，應選擇獨立性強的評價因子，避免因子之間存在一定相關性及重復性，導致模型預測失真。

3）經(jīng)驗性原則。應借鑒長期深入一線工作且對地質(zhì)災害具有深入了解的專家的經(jīng)驗，結合已有相關文獻，選取具有經(jīng)驗性的評價因子，以避免評價因子選擇的盲目性。

（4）簡明性原則。評價因子應具有簡潔明了、易獲取等特點，有利于研究的復現(xiàn)與推廣。

1.3評價因子選取結果

在參考前人研究的基礎上，根據(jù)研究區(qū)滑坡分布與環(huán)境因子的特點，初步選定DEM、坡度、曲率、地層巖性、與斷層的距離、降水量、NDVI、與道路的距離、與水系的距離為研究區(qū)滑坡易發(fā)性評價因子。

研究區(qū)高程為1178～3309m，總體地勢為東西高中間低、南高北低。研究區(qū)坡度為0°～66.9°，中部、南部坡度大，北部坡度小（大多地區(qū)小于10°），中部河谷附近河流侵蝕與地質(zhì)作用導致地表大量被沖刷，出現(xiàn)了較陡峭的坡體。研究區(qū)地表曲率為-5～3 m-1，80%的地區(qū)地表曲率約為1m-1，曲率分布與坡度較為一致，主要表現(xiàn)為河谷周圍較大．高原與山地較小。

研究區(qū)出露的巖石類型主要包括變質(zhì)碎屑巖、花崗巖、黃土、礫巖、泥巖、砂、砂巖等，多數(shù)巖石性質(zhì)較為軟弱。最多的巖石類型為砂巖，分布面積約為9000km2，主要集中于西南部與中部：其次是砂與黃土，分布面積均為6000km2，主要分布于北部和東南部；研究區(qū)內(nèi)僅包含少量的堅硬巖石，主要為花崗巖、志留紀蛇綠橄欖巖、灰綠色石片巖夾少量大理巖、石英巖透鏡體、灰白色云母石英（鈉長）片巖夾大理巖等。因此，研究區(qū)地表總體穩(wěn)定性較差，在地質(zhì)活動或者持續(xù)降水情況下易發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災害。

研究區(qū)活動斷層較多，均呈東西走向，由南至北分別為白楊樹溝斷裂、西灣斷裂、海原斷裂、老虎山斷裂、五佛寺斷裂、罐罐嶺斷裂和白墩子斷裂，其中海原斷裂十分活躍，受影響地區(qū)常發(fā)生地震，從而引發(fā)次生地質(zhì)災害。

降水和山體滑坡的關系密切，研究區(qū)降水量總體較小，年平均降水量僅為305mm，降水量較大的地區(qū)主要集中于東南部。

河流對區(qū)域地表穩(wěn)定性的影響巨大，不同于降水，河流的沖積侵蝕作用主要集中在河流兩岸。研究區(qū)道路與水系分布見圖2，水系主要包括黃河、祖厲河、下沙河、老莊河、大沙河，總干渠、北干渠、東干渠等人工河。

人類活動對邊坡的影響很大，主要選擇道路相關數(shù)據(jù)表征人類活動。研究區(qū)道路主要包括國道G106、G247，高速公路G6（京藏高速）和G2012（定武高速），省道S103、S205、S217、S247、S308、靖白公路等以及其他縣鄉(xiāng)道路。

NDVI能夠表示區(qū)域植被覆蓋情況，是一種應用廣泛的遙感指數(shù)。研究區(qū)總體植被覆蓋情況較差，NDVI值為0.2～0.4，東北部中衛(wèi)市、中部河谷地區(qū)、西北部景泰縣等地NDVI值較大。

1.4評價因子的相關性分析

相關性分析是通過計算2個或2個以上變量間的相關系數(shù)，判斷變量之間的密切程度，是數(shù)據(jù)分析中較為常用的一類手段。目前相關性分析方法主要有斯皮爾曼相關系數(shù)法、Pearson相關系數(shù)法和卡德爾相關系數(shù)法等，其中Pearson相關系數(shù)法具有泛化能力強的特點，近些年被廣泛應用。Pearson相關系數(shù)計算公式如下：

利用SPSS軟件進行Pearson相關性分析，結果見表1。

經(jīng)過對比，認為選用的所有因子兩兩間相關性均較低，因此保留全部因子。

2信息量法計算過程

信息量法的主要特點是不僅考慮到景觀因子（如坡度、坡向、高程等），而且考慮到土壤水分、土體穩(wěn)定性等影響滑坡的土壤力學和物理因子，因此有較高的應用價值。同時，信息量法基于豐富的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和GIS技術，使得其評估結果更為科學、準確。信息量法計算過程如下。

1）數(shù)據(jù)預處理。通過地形測繪、實地勘察等方式采集滑坡易發(fā)性評價所需數(shù)據(jù)，利用平滑、濾波等方法去除噪聲和異常值，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。采用空間或日寸間插值法對缺失數(shù)據(jù)進行補全，確保數(shù)據(jù)完整性。將不同類型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格或矢量數(shù)據(jù)，以便在GIS平臺上進行處理和分析。

2）因子權重確定。首先，篩選出與滑坡易發(fā)性相關的主要因子并進行歸一化處理，確保數(shù)據(jù)可比性。其次，利用統(tǒng)計方法和多元分析進一步篩選出對滑坡易發(fā)性貢獻較大的因子。最后，采用專家評分、構建層次分析模型、計算信息熵等方法，分配各因子的權重，確保模型科學、準確地反映滑坡空間分布。

3）信息量計算。按照打分標準對每個因子進行打分，根據(jù)所得分數(shù)和權重計算該因子的信息量。信息量模型首先計算各評價因子對滑坡發(fā)生貢獻的信息量，，即計算樣本頻率：

式中：S為研究區(qū)評價單元格總數(shù)；S；為研究區(qū)含評價指標x；的評價單元格總數(shù)；N為研究區(qū)存在滑坡的評價單元格總數(shù)；N為研究區(qū)內(nèi)含有評價指標x且發(fā)生滑坡的評價單元格總數(shù)：A為研究區(qū)內(nèi)發(fā)生滑坡事件的集合或條件，反映滑坡發(fā)生的總體情況。

3滑坡易發(fā)性風險評價結果

3.1評價單元選擇

評價單元的選擇對于滑坡易發(fā)性評價結果具有顯著影響。目前，國內(nèi)外相關研究的評價單元主要有行政區(qū)劃單元、斜坡單元、規(guī)則格網(wǎng)單元、地貌單元等，其中規(guī)則格網(wǎng)單元使用最多，斜坡單元次之。

斜坡單元是基于DEM生成集水流域，從中提取山脊線和山谷線而劃分得到的。這種基于地形條件的單元劃分方法，可以很好地反映地形地貌差異，適用于滑坡災害評價。但在實際工程應用中，斜坡單元的劃分非常復雜、困難，依賴人工經(jīng)驗具有較強的不確定性，因此本研究選用規(guī)則格網(wǎng)單元。

規(guī)則格網(wǎng)單元是將研究區(qū)按照既定大小劃分的一種地理單元，例如30mx30m的正方形格網(wǎng)。規(guī)則格網(wǎng)具有創(chuàng)建簡單、計算效率高的特點，在各類生態(tài)環(huán)境評價與災害評價中得到廣泛使用。規(guī)則格網(wǎng)能夠?qū)⑹噶繑?shù)據(jù)無損轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，因此具有較高的確定性。規(guī)則格網(wǎng)的大小影響預測結果的準確性，尺寸過小導致單元劃分個數(shù)過多，使得計算復雜；尺寸過大不能精確反映研究區(qū)基本情況。采用Lee等提出的經(jīng)驗公式計算格網(wǎng)尺寸，公式為

3.2信息量計算

根據(jù)自然斷點法對評價因子（DEM、坡度、降水量等）進行分級，對各因子進行信息量計算，結果見表2。

某因子分級的信息量值越大，其對滑坡發(fā)生的正貢獻越大。由表2可知，與道路的距離為[0，200）m的信息量值最大，達到1.41;其次是與水系的距離為[0，500）m，信息量值為1.11。由此可見，研究區(qū)內(nèi)滑坡發(fā)生受道路和水系的影響極大，大量滑坡發(fā)生在與道路和水系距離較近的區(qū)域。

3.3信息量疊加與分區(qū)

根據(jù)信息量計算公式，使用柵格計算器將具有信息量值的因子進行疊加，得到研究區(qū)總體信息量圖層（見圖3）。

根據(jù)計算結果，研究區(qū)總體信息量為-3.129～3.273，用綠、紅色帶表示，越接近紅色表示滑坡易發(fā)性程度越高。

根據(jù)總體信息量，采用自然斷點法將研究區(qū)滑坡易發(fā)性分為5個等級：極低易發(fā)區(qū)[-3.129，-1.221）、低易發(fā)區(qū)[-1.221，-0.518）、中易發(fā)區(qū)[-0.518，0.109）、高易發(fā)區(qū)[0.109，0.837）、極高易發(fā)區(qū)[0.837，3.273]，分區(qū)圖見圖4。

分析圖4可知，研究區(qū)滑坡易發(fā)性等級呈由南向北下降、由東向西下降的格局?；聵O高易發(fā)區(qū)主要分布于研究區(qū)東北部寧夏回族自治區(qū)沙坡頭區(qū)、南部甘肅省靖遠縣以及主要公路與河流沿線，共有126個滑坡點。這些區(qū)域海拔普遍較低，地層巖性主要為砂和黃土等，其中沙坡頭區(qū)地層巖性有黃土、砂與少量泥巖，靖遠縣地層巖性為砂、黃土，在河流沖積與人類活動的影響下極易發(fā)生地表斜坡失穩(wěn)。在極高易發(fā)區(qū)中，河流與道路的影響最大，災害分布與河流、道路分布具有極強的空間相關性。

高易發(fā)區(qū)主要分布于研究區(qū)東南部和西南部，具有沿極高易發(fā)區(qū)向外擴散的分布格局。具體地，高易發(fā)區(qū)集中于甘肅省蘭州市北部、靖遠縣中南部，寧夏回族自治區(qū)沙坡頭區(qū)南部和海原縣西部，有48個滑坡點位于高易發(fā)區(qū)。

中等易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和極低易發(fā)區(qū)主要分布于研究區(qū)中部和西北部，包括內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善盟、甘肅省景泰縣等地區(qū)。這些地區(qū)海拔較高但地勢平坦，坡度均小于20°，地層巖性主要為砂巖、泥巖、花崗巖，水系密度低、河流沖積作用弱，道路極少、人類活動強度低，地表主要被草地等植被覆蓋，因此這些區(qū)域發(fā)生滑坡的可能性較低。

各分區(qū)柵格數(shù)量及滑坡點數(shù)量見表3。極高易發(fā)區(qū)格柵占總區(qū)域的7.60%．該區(qū)域滑坡點數(shù)量占比達到60.29%，頻率比（FR）值達到7.94。一般認為FR值大于1.00表示較易發(fā)生滑坡，小于1.00則反之。對于滑坡點數(shù)量占比而言，高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)的滑坡點數(shù)量之和占滑坡點總數(shù)的比例超過80.00%，而其他區(qū)域只有少量滑坡點，表明基于信息量模型的研究區(qū)滑坡易發(fā)性評價結果具有可靠性與科學性。

4結束語

滑坡發(fā)生受地質(zhì)條件、氣候條件和人類活動等多種因素的影響，對這些因素進行分析有助于確定滑坡危險區(qū)域，采取相應的預防或應對措施。本文選取DEM、坡度、曲率、地層巖性、與斷層的距離、與水系的距離、NDVI、與道路的距離、降水量9個因子作為黑山峽地區(qū)滑坡易發(fā)性評價指標，按照滑坡易發(fā)性對黑山峽地區(qū)進行分區(qū)。研究區(qū)滑坡災害極高易發(fā)區(qū)位于東北部中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)、南部靖遠縣以及主要河流與道路沿線，原因是這些地區(qū)地層巖性較為軟弱，主要為砂、黃土等，在河流沖積與人類活動的影響下極易發(fā)生地表斜坡失穩(wěn)。