滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)信息圖譜研究＊——以福建省莆田市為例

劉文玉,吳湘濱,安 靜,劉江龍

(中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)滑坡災(zāi)害頻繁發(fā)生的國(guó)家,滑坡對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)建設(shè)構(gòu)成了極大的威脅。自從1990年代以來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)區(qū)域滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)這一問(wèn)題展開了一系列的研究工作。如印度Roorkee大學(xué)[1]在多源數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上,引入滑坡危險(xiǎn)性系數(shù)(LNRF),對(duì)喜馬拉雅山麓Ramganga Catchment地區(qū)進(jìn)行了滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性分帶,得到了滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖。A.K.Pachauri[2]等人在對(duì)喜馬拉雅Garhwal地區(qū)進(jìn)行滑坡分區(qū)時(shí),嘗試在地形分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行易發(fā)性制圖,提供了一個(gè)基于地質(zhì)學(xué)和地形學(xué)的滑坡制圖實(shí)例。A.Uromeihy等人[3]基于簡(jiǎn)單格網(wǎng)單元,考慮滑坡的一系列影響因素,如巖性、坡度、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、土地利用以及地下水作用等,將每一個(gè)格網(wǎng)單元滑坡發(fā)生的概率及其對(duì)影響因素的評(píng)價(jià)結(jié)果以SPI表示,然后用模糊綜合評(píng)判計(jì)算潛在災(zāi)害指數(shù)(HPI),所得結(jié)果用來(lái)繪制伊朗Khorshrostam地區(qū)滑坡災(zāi)害分區(qū)圖。國(guó)內(nèi)也有不少學(xué)者在這一領(lǐng)域也開展了一系列研究工作。如采用層次分析法通過(guò)對(duì)山體滑坡致災(zāi)因子的定性分析,建立山體滑坡致災(zāi)因子層次結(jié)構(gòu)圖;根據(jù)判斷矩陣計(jì)算出山體滑坡各致災(zāi)因子的影響權(quán)重來(lái)進(jìn)行定量評(píng)價(jià),并結(jié)合實(shí)際情況確定危險(xiǎn)度等級(jí),為山體滑坡預(yù)警提供依據(jù)[4];其他不少學(xué)者也從不同的角度分別對(duì)區(qū)域滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)進(jìn)行過(guò)研究,如利用GIS技術(shù)、3S技術(shù)對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行檢測(cè)與分析等[5-6]。

地學(xué)信息圖譜是在繼承中國(guó)傳統(tǒng)研究成果的基礎(chǔ)上,運(yùn)用3S技術(shù)和信息網(wǎng)絡(luò)等當(dāng)代先進(jìn)技術(shù)和現(xiàn)代科學(xué)理論發(fā)展起來(lái)的,具有圖形與譜系的雙重特性,是一種地理時(shí)空分析方法論[7-8]。地學(xué)信息圖譜作為地學(xué)問(wèn)題的一種研究思路和方法論,有助于深化地學(xué)現(xiàn)象和過(guò)程滑坡研究[9]。本文將地學(xué)信息圖譜應(yīng)用于滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),利用地形圖,專題地圖、遙感圖像、災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)、文本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等大量時(shí)間、空間及屬性信息,經(jīng)過(guò)圖形思維與抽象概括,以圖譜的形式表現(xiàn)滑坡發(fā)生的機(jī)制及規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)學(xué)模型對(duì)研究區(qū)的滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),從而為滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

福建省莆田市包括城廂區(qū)、荔城區(qū)、涵江區(qū)、秀嶼區(qū)和仙游縣,位于福建沿海中部,臺(tái)灣海峽西岸,北依省會(huì)福州市,南靠閩南“金三角”,是沿海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)之一。該市屬福建東南沿海低山丘陵區(qū),地勢(shì)由西北向東南呈梯狀傾斜。西部和北部以山地為主,低山、峽谷、盆地錯(cuò)雜其間;中部和東部為沖積平原和海積平原;東南部沿海為半島和丘陵臺(tái)地,地勢(shì)低平,港灣環(huán)抱。山地地貌約占全市總面積的80%以上,西北部多為高山峻嶺,海拔500 m以上的山峰246座,其中1 000 m以上的36座。

莆田市地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣,主要類型有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等。已調(diào)查的災(zāi)害點(diǎn)共388處,其中滑坡257處,占已調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的66.24%。

2 滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性影響因子分析及圖譜構(gòu)建

2.1 滑坡地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

利用MapGIS軟件進(jìn)行矢量化,完成了莆田市滑坡分布圖、行政區(qū)劃圖、地形圖、地質(zhì)圖等基礎(chǔ)圖件的入庫(kù),然后在圖形庫(kù)的基礎(chǔ)上,將滑坡災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)輸入到對(duì)應(yīng)圖元的屬性結(jié)構(gòu)中。

2.2 滑坡與地質(zhì)環(huán)境關(guān)系分析

從建立的滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)中提取地形圖與滑坡點(diǎn)空間分布圖,將兩者疊加(圖1),發(fā)現(xiàn)滑坡發(fā)生的數(shù)量在不同的高程范圍差別較大。另外根據(jù)等高線的形狀及其與滑坡點(diǎn)的相對(duì)位置可以粗略地看出滑坡的發(fā)生與坡度、坡向也有一定的關(guān)系,大多數(shù)滑坡點(diǎn)都分布在200～800 m高程范圍,且地勢(shì)較為平坦的地區(qū)。

圖1 滑坡與地形關(guān)系圖

莆田市巖土體主要分為5類:塊狀堅(jiān)硬火山巖組(J),塊狀堅(jiān)硬侵入巖組(γ),層狀較堅(jiān)硬火山碎屑沉積巖組(K),粘土、砂、礫卵石土體(Q),粘土、粘性土土體(Qeld)等。將莆田市巖性空間分布圖與滑坡點(diǎn)空間分布圖疊加(圖2),發(fā)現(xiàn)滑坡在不同的巖層發(fā)生的數(shù)量有很大差別。

圖2 滑坡與巖性關(guān)系圖

2.3 滑坡影響因子信息圖譜構(gòu)建

根據(jù)上述分析結(jié)果,確定高程、坡度、坡向、巖性作為評(píng)價(jià)滑坡危險(xiǎn)性的影響因子,對(duì)滑坡點(diǎn)與各影響因子不同形態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行歸類并劃分等級(jí),從而得到各影響因子譜系表(表1)。

表1 滑坡影響因子譜系表

提取莆田市等高線數(shù)據(jù),利用MapGIS軟件的DT M模塊按照表1生成高程、坡向、坡度信息圖譜(圖3～圖5),并對(duì)莆田市地質(zhì)巖性空間分布圖按照表1重新分類得到巖性信息圖譜(圖6)。

圖3 高程信息圖譜

圖4 坡向信息圖譜

圖5 坡度信息圖譜

圖6 巖性信息圖譜

2.4 滑坡影響因子權(quán)重的確定

由于選取的影響因子有的是分類變量,有的是連續(xù)變量,無(wú)法直接用來(lái)進(jìn)行定量分析,因此采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)權(quán)重原理[10]來(lái)確定各影響因子不同類別的權(quán)重,以滑坡在各因子對(duì)應(yīng)的譜系中發(fā)生的概率作為權(quán)重,由此得到各影響因子的權(quán)重值(表2)。

表2 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子權(quán)重

圖7 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)信息圖譜單元

圖8 滑坡點(diǎn)與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果信息圖譜關(guān)系圖

3 滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及信息圖譜生成

3.1 信息圖譜單元的提取

利用MapGIS軟件空間疊加分析功能,把每一個(gè)滑坡影響因子圖譜做為一個(gè)單獨(dú)的圖層,再將所有圖層疊加,得到一個(gè)新的圖層,該圖層中的每一個(gè)多邊形區(qū)域都只代表每個(gè)因子的單一類別,這樣就得到了評(píng)價(jià)所需的信息圖譜單元。通過(guò)疊加分析,得到了212 043個(gè)統(tǒng)計(jì)單元,如圖7所示。

3.2 基于邏輯回歸模型的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

邏輯回歸分析是一種針對(duì)定性定量變量進(jìn)行預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)分析方法。由于選取的滑坡地質(zhì)災(zāi)害影響因子如巖性等是定性的,并且因變量是一個(gè)判斷滑坡發(fā)生與否的分類變量,因此選取邏輯回歸方法對(duì)得出的信息圖譜單元進(jìn)行分析。

設(shè)P為滑坡發(fā)生的概率,取值范圍為[0,1],則1-P為滑坡不發(fā)生的概率,取P/(1-P)的自然對(duì)數(shù)ln(P/(1-P)),即對(duì)P作Logit變換,記為L(zhǎng)ogitP,其取值范圍為(-∞,+∞)。以P為因變量,建立線性回歸方程:

對(duì)于包含一個(gè)以上自變量的邏輯回歸分類概率方程為

式中:P為觀測(cè)值相對(duì)于滑坡的發(fā)生概率,B為多元回歸系數(shù)。

借助專業(yè)的統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分析。在得到的疊加結(jié)果圖層中隨機(jī)選取部分已發(fā)生滑坡單元和未發(fā)生滑坡的單元作為試驗(yàn)區(qū),以對(duì)應(yīng)的權(quán)重作為自變量,滑坡發(fā)生與否作為因變量,將試驗(yàn)區(qū)數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件中,得到研究區(qū)邏輯回歸模型如下:

式中:P為滑坡發(fā)生概率;X1為坡度概率函數(shù);X2為高程概率函數(shù);X3為巖性概率函數(shù);X4為坡向概率函數(shù)。

利用邏輯回歸模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,其中Cox&nell R2和Nagelkerke R2兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量表示回歸模型所能解釋的因變量變異的百分比,兩個(gè)結(jié)果分別為0.749和1.000,表示因變量的變異有74.9%～100%是由自變量引起的,說(shuō)明得到的模型擬合度比較好。

利用GIS軟件將整個(gè)研究區(qū)圖像轉(zhuǎn)成數(shù)字矩陣并輸入SPSS軟件,根據(jù)建立的邏輯回歸模型計(jì)算每個(gè)圖譜單元滑坡危險(xiǎn)性概率。

3.3 滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)信息圖譜的生成

邏輯回歸分析的結(jié)果只是一種數(shù)字化的形式,不能直接反映研究區(qū)的危險(xiǎn)性情況,因此需要對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分類并劃分相應(yīng)的等級(jí)。由于研究區(qū)域情況各異,對(duì)于危險(xiǎn)性等級(jí)的劃分,目前還沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)對(duì)得到的分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,按照如下方式將研究區(qū)劃分為4個(gè)危險(xiǎn)性級(jí)別(表3)。

表3 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

將評(píng)價(jià)得到的結(jié)果轉(zhuǎn)到GIS軟件中,根據(jù)前面給出的判斷標(biāo)準(zhǔn),對(duì)每個(gè)圖譜單元進(jìn)行歸納并分類,進(jìn)而生成滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果信息圖譜。

4 莆田市滑坡地質(zhì)災(zāi)害信息圖譜分析

從莆田市滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)信息圖譜可以看出:極高危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在該市的中部,呈帶狀向北東方向展布;中危險(xiǎn)區(qū)分布于極高危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)的兩側(cè)以及研究區(qū)的西南部;低危險(xiǎn)區(qū)則主要集中在研究區(qū)的東南部并向北西方向展布。所得到的危險(xiǎn)性區(qū)劃結(jié)果與莆田市國(guó)土局提供的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)規(guī)劃圖基本吻合。

莆田市滑坡多發(fā)區(qū)的地質(zhì)條件為:高程范圍200～800 m,坡度范圍25°～45°,粘性土體斜坡處。所統(tǒng)計(jì)的257處滑坡發(fā)生在1958-2003年之間,其中1990年之前共發(fā)生20處滑坡,僅占滑坡總數(shù)的7.78%,這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與莆田市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r緊密相關(guān)。1990年以后莆田市經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展,人口數(shù)量不斷增加,人地關(guān)系緊張,使得人類生存的空間逐步向山區(qū)擴(kuò)展,為了保護(hù)有限耕地,削坡建房、開山種果等社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁,伴隨其他不合理的工程活動(dòng),造成莆田市地質(zhì)環(huán)境條件不斷惡化。位于陽(yáng)坡的巖土體化學(xué)風(fēng)化和物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈,大部分土壤被沖刷,使得土層變薄,造成嚴(yán)重的水土流失。受這些自然和人類活動(dòng)因素的綜合影響,在暴雨、地震等因素的誘發(fā)下導(dǎo)致滑坡災(zāi)害頻發(fā)。

由于滑坡的發(fā)生發(fā)展是隨著時(shí)間的變化而變化的,所以滑坡危險(xiǎn)性的空間分布也會(huì)隨時(shí)間變化而產(chǎn)生變化。將莆田市的滑坡分布圖與得到的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果圖譜疊加(圖8)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),有15處位于低危險(xiǎn)區(qū),96處位于中危險(xiǎn)區(qū),146處位于高-極高危險(xiǎn)區(qū)。位于低危險(xiǎn)區(qū)的滑坡主要發(fā)生在1990年以后,大都分布在人口密集的地區(qū),雖然地質(zhì)條件本身產(chǎn)生滑坡的危險(xiǎn)性較小,但由于人類頻繁地進(jìn)行各種不合理的工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng),在暴雨和地震的誘發(fā)下導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的發(fā)生。在中危險(xiǎn)區(qū)分布的96處滑坡中,有62處滑坡發(fā)生在200 m高程以下或1 000 m高程以上,這些地區(qū)雖然人口密度相對(duì)較小,但受人類工程活動(dòng)主導(dǎo)因素的影響,在暴雨和地震等因素誘發(fā)下也可導(dǎo)致滑坡的發(fā)生;其余36處滑坡位于400～800 m高程范圍內(nèi)?？偟膩?lái)看,得到的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果精度在80%以上。

5 結(jié)語(yǔ)

以福建省莆田市為例,對(duì)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)信息圖譜進(jìn)行實(shí)例研究,以圖的形式直觀地展現(xiàn)了莆田市的滑坡災(zāi)害情況,又以譜的形式反演了滑坡發(fā)生的規(guī)律,將圖與譜相結(jié)合,從圖譜的角度對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。所建立的滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)信息圖譜能夠?qū)崟r(shí)更新、編輯和處理,為區(qū)域滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)和反演提供了矢量化的圖形信息。

由評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看,極高危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在莆田市的中部,呈帶狀向北東方向展布;中危險(xiǎn)區(qū)分布于極高危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)的兩側(cè)以及研究區(qū)的西南部;低危險(xiǎn)區(qū)則主要集中在研究區(qū)的東南部并向北西方向展布。該分區(qū)基本反映了莆田市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的現(xiàn)狀。

滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)信息圖譜的研究不僅擴(kuò)大了地學(xué)信息圖譜的應(yīng)用領(lǐng)域,豐富了其理論體系,同時(shí)也給滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)帶來(lái)了圖形化的思維方式及新的評(píng)價(jià)理念。

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