基于GIS 的華鎣市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

劉任鴻, 李明輝, 鄧英爾, 朱華平, 黃 勇, 胡淑杰

(1. 成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院, 四川 成都 610059; 2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心, 四川 成都 610081)

引言

我國(guó)是世界上地質(zhì)環(huán)境脆弱、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國(guó)家之一[1]。 近年來(lái),由于極端氣候和人為因素的影響,導(dǎo)致了大量地質(zhì)災(zāi)害事件的發(fā)生,給我國(guó)人民生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失[2]。 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要內(nèi)容[3],在地質(zhì)災(zāi)害防治工作中起著重要的作用,可為區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害防治和城市規(guī)劃建設(shè)等提供科學(xué)的依據(jù)。

目前對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的定量評(píng)價(jià)方法主要包括邏輯回歸分析方法、證據(jù)權(quán)法、信息量法、確定性系數(shù)分析方法等,以及多種分析方法的耦合分析[4-9]。由于信息量模型算法穩(wěn)定性好,操作簡(jiǎn)單,能夠較客觀地反映評(píng)價(jià)結(jié)果,所以被許多學(xué)者廣泛地運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃評(píng)價(jià)中[10-13]。 本文運(yùn)用信息量模型,以華鎣市為研究對(duì)象,選取坡度、坡向、坡高、工程地質(zhì)巖組、斷層、河流影響距離、道路和采礦活動(dòng)8 個(gè)評(píng)價(jià)因子,利用GIS 空間分析平臺(tái)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià),并對(duì)其評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 信息量模型

信息量模型屬于貝葉斯概率模型的一種,它利用概率形式進(jìn)行定量描述,從而反映區(qū)域內(nèi)不同成災(zāi)要素區(qū)間對(duì)地質(zhì)災(zāi)害形成的貢獻(xiàn)大小[14],即信息量用條件概率表示為

式中:I(Y,X1X2... Xn)——為 因 素 組 合X1X2...Xn對(duì)地質(zhì)災(zāi)害Y 所提供的信息量(Nat);P(Y,X1X2...Xn)——為因素X1X2...Xn組合條件下地質(zhì)災(zāi)害Y 發(fā)生的概率;

p(Y)——為地質(zhì)災(zāi)害 Y 發(fā)生概率的區(qū)域背景值;

為了便于計(jì)算,我們通常在進(jìn)行具體運(yùn)算時(shí)將總體概率改為樣本頻率進(jìn)行計(jì)算,于是上式可轉(zhuǎn)化為:

式中:I——總信息量值;

Ii——對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害因子分級(jí)i信息量值;

Ni——對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害因子分級(jí)i地質(zhì)災(zāi)害柵格單元數(shù);

Si——對(duì)應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害因子分級(jí)i總的柵格單元數(shù);

N——已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的柵格單元數(shù);

S——研究區(qū)總的柵格單元數(shù);

2 研究區(qū)概況

華鎣市位于廣安市南部,地處華鎣山脈中段西麓,渠江以東。 地理坐標(biāo)為東經(jīng) 106°36′ ～ 106°54′,北緯 30°06′ ～ 30°28′,南北長(zhǎng)約 40km,東西寬約28km。 該區(qū)屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候特征,氣候溫和、雨量充沛、四季分明。

研究區(qū)地勢(shì)東高西低,大致以襄陽(yáng)鐵路為界,可將其分為東西兩個(gè)不同的地貌類型,西部地形高差較小,主要以丘陵、淺丘為主;東部地形高差較大,多為低、中山地貌。

區(qū)內(nèi)出露地層有寒武系、奧陶系、志留系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系及第四系。 其中分布最廣的為侏羅系,主要分布于研究區(qū)西部,寒武系—三疊系主要分布于研究區(qū)的東部,而第四系松散堆積層主要沿渠江兩岸零星不連續(xù)分布。 由于巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)復(fù)雜多樣,可將其劃分為8 個(gè)工程巖組:中-厚層硬質(zhì)砂巖夾軟質(zhì)泥頁(yè)巖組(A1);中-厚層次硬質(zhì)砂巖與次軟質(zhì)泥巖不等厚互層巖組(A2);薄-中厚層次硬質(zhì)砂巖與次軟質(zhì)泥巖頁(yè)巖夾泥質(zhì)灰?guī)r互層巖組(A3);片狀-薄層狀極軟質(zhì)頁(yè)巖、黏土巖組(A4);中-厚層狀硬質(zhì)、強(qiáng)巖溶化灰?guī)r、白云巖組(B1);薄-厚層狀硬質(zhì)夾軟質(zhì)中等巖溶化灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r夾泥巖、頁(yè)巖巖組(B2);薄-中厚層狀軟硬相間、中等巖溶化灰?guī)r與泥頁(yè)巖不等厚互層巖組(B3);粉質(zhì)黏土、粉土、砂礫石工程巖組(C1)。

構(gòu)造上,研究區(qū)位于川東帚狀構(gòu)造的華鎣山隆褶中間部位,斷裂構(gòu)造主要集中分布在東部山區(qū)[15]。 研究區(qū)自1960 年以來(lái),有文字記載的地震共22 次,其中地震震級(jí)大于5 級(jí)的有4 次,最大地震震級(jí)為5.5 級(jí)。

華鎣市自然環(huán)境復(fù)雜,災(zāi)害類型眾多,發(fā)生頻繁[16]。 根據(jù)收集的資料及野外調(diào)查,區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害180 處,地質(zhì)災(zāi)害類型主要為滑坡、不穩(wěn)定斜坡、崩塌、地面塌陷和泥石流等5 種。 其中滑坡數(shù)量最多,為104 處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的57.78%,其次為崩塌和不穩(wěn)定斜坡,分別為40 處和24 處,占比為22.22%和13.33%。 地面塌陷和泥石流較少,分別為8 處和4 處,占比為4.44%和2.22%。 研究區(qū)災(zāi)害點(diǎn)分布如圖1。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution map of geological hazard points

3 基于GIS 的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

本文的數(shù)據(jù)源主要包括地理空間數(shù)據(jù)云30m×30m 分辨率的 DEM 數(shù)據(jù)、1∶5 萬(wàn)地質(zhì)圖、礦山分布圖、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)和野外調(diào)查資料等。

3.1 評(píng)價(jià)單元的選取

確定適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)單元類型,是進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。 單元類型的選取是否合理,將影響著評(píng)價(jià)的精度和結(jié)果的可靠性。 目前常用評(píng)價(jià)單元主要有網(wǎng)格單元、地域單元、均一條件單元、斜坡單元等[17]。 本文采用柵格單元方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行易發(fā)評(píng)價(jià),由于不同比例尺選取的適宜網(wǎng)格大小有所差異[18],根據(jù)適宜格網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)公式

式中:GS——適宜格網(wǎng)大小;

S——地圖數(shù)字比例尺分母;

圖2 影響因子災(zāi)害數(shù)量、點(diǎn)密度相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Statistical graphs showing correlations between disaster numbers and point densities of impact factors

本次研究區(qū)采用的地圖數(shù)字比例尺為1∶50000,通過以上公式計(jì)算可得GS=32.85,為了方便后期對(duì)各因子圖層?xùn)鸥裨贏rcGIS 中進(jìn)行疊加分析,故以30m×30m 的柵格單元作為其最小的評(píng)價(jià)單元,將研究區(qū)劃分為483873 個(gè)柵格單元。

3.2 評(píng)價(jià)因子分析

影響地質(zhì)災(zāi)害的因素很多,且各因素間關(guān)系復(fù)雜,影響程度大小也各不相同,故選取合適的評(píng)價(jià)因子尤為重要。 本文在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)背景,選取了坡度、坡向、坡高、地層巖性、斷層、河流影響距離、道路和采礦活動(dòng)等8 個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分析。

3.2.1 坡度

地形坡度是地質(zhì)災(zāi)害的重要孕災(zāi)因子,斜坡坡度的大小影響著斜坡的應(yīng)力分布和斜坡堆積物的厚度[19]。 通常情況下,坡度越陡,對(duì)坡體的穩(wěn)定性越不利。 當(dāng)坡體較緩時(shí),坡體的破壞形式通常以滑坡為主;而隨著坡度變陡,破壞形式則多以崩塌為主。 通過ArcGIS 將整個(gè)研究區(qū)劃分為5 個(gè)坡度等級(jí),從圖2-a 中可以看出,地質(zhì)災(zāi)害多集中發(fā)育于坡度為6° ～27°之間。 當(dāng)坡度在 0 ～27°時(shí),地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和災(zāi)害點(diǎn)的密度隨坡度的增加而增加;而坡度在27 ～90°時(shí),地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的數(shù)量和災(zāi)害點(diǎn)密度隨坡度增加明顯減少。

3.2.2 坡向

不同的坡向由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有所差異,使得斜坡的溫度、水蒸發(fā)量、植被覆蓋及坡面巖土體風(fēng)化特征的不同,導(dǎo)致斜坡地下孔隙水的分布和巖土體物理力學(xué)特征不同,進(jìn)而影響斜坡的穩(wěn)定性[20]。通過 ArcGIS 將整研究區(qū)以 float、N、NE、E、SE、S、SW、W、NW 劃分為9 個(gè)坡向等級(jí)。 從圖 2-b 中可以看出,在坡向?yàn)?SE、S、SW、W、NW 的方向,地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育,而在坡向?yàn)镾E 方向,發(fā)育的災(zāi)害點(diǎn)密度最高。

3.2.3 坡高

坡高在一定條件下給滑坡、崩塌、泥石流等災(zāi)害提供了一定的勢(shì)能,它控制著斜坡的應(yīng)力分布,對(duì)斜坡的穩(wěn)定性造成影響。 通過ArcGIS 將研究區(qū)劃分為6 個(gè)坡高等級(jí)。 從圖2-c 中可以看出,地質(zhì)災(zāi)害主要分布在坡高為40 ～100m 的區(qū)域,地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和災(zāi)害點(diǎn)密度均較高,且隨著坡高的增大,災(zāi)害點(diǎn)密度呈遞增的趨勢(shì),并在坡高為80 ～100m達(dá)到峰值。

3.2.4 工程地質(zhì)巖組

巖土體作為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ),由于不同巖土的物理力學(xué)性質(zhì)有所差異,這造成了不同巖土體發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的難易程度和發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害類型也各不相同。 根據(jù)研究區(qū)的工程地質(zhì)情況,將其劃分為8 個(gè)工程地質(zhì)巖組。 從圖2-d 中可以看出,除了A4 和C1 工程巖組外,地質(zhì)災(zāi)害在其他工程巖組均有發(fā)育,且在A3 巖組災(zāi)害點(diǎn)密度最高;而在A2 工程巖組發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量最多,這主要是由于該工程巖組的面積大,占研究區(qū)面積的57.32%。

3.2.5 斷層

由于受斷層的影響,一般情況下,沿著斷層帶附近巖石相對(duì)較為破碎,巖石風(fēng)化嚴(yán)重,為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了有利的條件。 利用ArcGIS 的多環(huán)緩沖區(qū)工具,得到斷層影響分級(jí)圖。 通過圖2-e 中可以看出在距離斷層0 ～2500m 區(qū)域范圍內(nèi),地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和災(zāi)害點(diǎn)密度與距斷層距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而在距斷層距離大于2500m 區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的數(shù)量和災(zāi)害點(diǎn)密度最高,這說(shuō)明在一定距離范圍內(nèi),斷層構(gòu)造對(duì)地質(zhì)發(fā)育有利,而當(dāng)超過一定距離范圍,斷層對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育影響不大。

3.2.6 河流影響距離

研究區(qū)地表水資源豐富,水文網(wǎng)密布,河流對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響主要體現(xiàn)在河流的侵蝕、沖刷作用,河流水位的變化會(huì)引起河流兩岸地下水位的變化,從而影響斜坡的穩(wěn)定性。 通過ArcGIS 的多環(huán)緩沖區(qū)工具建立河流緩沖區(qū),并將其劃分為6 個(gè)河流距離等級(jí)。 通過圖2-f 中可以看出距離河流200 ～400m 范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和災(zāi)害點(diǎn)密度較高,并隨著距離河流越來(lái)越遠(yuǎn),災(zāi)害點(diǎn)密度與河流距離大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2.7 道路

道路對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響,主要體現(xiàn)在公路切坡和坡腳的開挖,破壞了斜坡的穩(wěn)定性。 通過ArcGIS的多環(huán)緩沖區(qū)工具對(duì)研究區(qū)主要的交通道路建立多環(huán)緩沖區(qū),并將其劃分為6 個(gè)距離道路等級(jí)。 通過圖2-g 中可以看出,在距離公路0 ～750m 區(qū)域范圍內(nèi),地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和災(zāi)害點(diǎn)密度與公路距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,且在0 ～25m 區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育數(shù)量和密度最高。

3.2.8 采礦活動(dòng)

研究區(qū)內(nèi)礦產(chǎn)資源豐富,各種礦山開采活動(dòng)較為活躍,尤其是煤礦的地下開采引起的地面變形和地面塌陷,露天采石場(chǎng)不合理的開挖和放坡常常引起斜坡失穩(wěn)。 通過ArcGIS 的多環(huán)緩沖區(qū)工具將研究區(qū)的礦山點(diǎn)建立多環(huán)緩沖區(qū),并將研究區(qū)劃分為7 個(gè)距離等級(jí),通過圖2-h 中可以看出,地質(zhì)災(zāi)害在距離礦山點(diǎn)0 ～2000m 區(qū)域范圍內(nèi),地質(zhì)點(diǎn)密度和數(shù)量大體與距礦山距離呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這在一定程度上說(shuō)明,礦山開采對(duì)地質(zhì)災(zāi)害具有明顯的影響。

3.3 評(píng)價(jià)因子信息量計(jì)算

根據(jù)信息量模型計(jì)算出各評(píng)價(jià)因子分級(jí)的信息量值,結(jié)果如表1。 對(duì)8 個(gè)評(píng)價(jià)因子共52 因子分級(jí),按信息量從大到小排序,得出排序靠前的狀態(tài)為:(1)A3 工程巖組;(2)坡高 40m ～100m;(3)距道路距離0 ～250m;(4)坡高100m ～120m;(5)距礦山0 ～500m;(6)距河流距離 200 ～400m。 因此,工程地質(zhì)巖組、坡高、道路、礦山開采、河流影響距離為該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要影響因素。

3.4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

在得出各因子分級(jí)信息量和評(píng)級(jí)因子分級(jí)圖(圖3)的基礎(chǔ)上,通過ArcGIS 軟件的空間分析功能,對(duì)各單因子圖層進(jìn)行重分類和賦值,然后利用ArcGIS 軟件的柵格計(jì)算器進(jìn)行各評(píng)價(jià)因子圖層信息量疊加,最終獲得地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)柵格圖。通過自然間斷法對(duì)獲得的易發(fā)性評(píng)價(jià)柵格圖層進(jìn)行重分類,將研究區(qū)易發(fā)性評(píng)價(jià)分為4 個(gè)等級(jí),即高易發(fā)區(qū)(3. 7636 ～0. 7040)、中易發(fā)區(qū)(0. 7040 ～-0.3348)、低易發(fā)區(qū)(-0.3348 ～-1.3344)、極低易發(fā)區(qū)(-1.3344 ～ -4.0775)。

表1 各評(píng)價(jià)因子分級(jí)信息量值Table 1 Information value of each evaluation factor classified

圖3 評(píng)價(jià)因子分級(jí)圖Fig.3 Grading diagrams of evaluation factors

根據(jù)對(duì)華鎣市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果(表2、圖4)。 將研究區(qū)劃分為4 個(gè)易發(fā)性等級(jí),即高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和極低易發(fā)區(qū)。 其中高易發(fā)區(qū)面積為75.38km2,占研究區(qū)總面積的17.31%,主要分布于祿市鎮(zhèn)東部—華龍街道東部—雙河街道東部—古橋街道中部一帶、觀音溪鎮(zhèn)中部—溪口鎮(zhèn)一帶和渠江沿岸地區(qū); 中易發(fā)區(qū)面積為120.32km2,占研究區(qū)總面積的27.63%,主要分布于慶華鎮(zhèn)—觀音溪鎮(zhèn)西部一帶、陽(yáng)和鎮(zhèn)中部—高興鎮(zhèn)中部一帶、天池鎮(zhèn)—紅巖鄉(xiāng)南部一帶;低易發(fā)區(qū)面積為142.21 km2,占研究區(qū)面積的32.66%,主要分布于觀音溪鎮(zhèn)東部—高興鎮(zhèn)東部—陽(yáng)和鎮(zhèn)東部以及紅巖鄉(xiāng)北部一帶、明月鎮(zhèn)東部—永興鎮(zhèn)一帶;極低易發(fā)區(qū)面積為97. 56 km2,占研究區(qū)面積的22.40%,主要分布于高興鎮(zhèn)西部—陽(yáng)和鎮(zhèn)西部—古橋鎮(zhèn)西部一帶、華龍街道西部—祿市鎮(zhèn)西部一帶。

表2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of geological disaster prone regions in the study area

圖4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)Fig.4 The susceptibility map of the geologic hazards

3.5 精度評(píng)價(jià)

對(duì)研究區(qū)采用受試者工作特征曲線(ROC)進(jìn)行定量檢驗(yàn),以橫坐標(biāo)為易發(fā)性面積累計(jì)百分比,縱坐標(biāo)為地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量累計(jì)百分比,得到一條曲線,并將其線下面積作為其評(píng)價(jià)精度,面積越大,表明評(píng)價(jià)精度越高。 結(jié)果顯示,曲線下面積(AUC)為72.50,即評(píng)價(jià)精度為72.50%(圖5)。 這說(shuō)明運(yùn)用信息量模型對(duì)華鎣市易發(fā)性評(píng)價(jià)適用性較好,評(píng)價(jià)結(jié)果能夠?yàn)樵搮^(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果ROC 圖Fig.5 ROC graph for geological hazard assessments

4 總結(jié)

(1)以華鎣市為研究對(duì)象,通過選取坡度、坡向、坡高、工程地質(zhì)巖組、斷層、河流影響距離、道路和采礦活動(dòng)8 個(gè)評(píng)價(jià)因子,運(yùn)用信息量評(píng)價(jià)方法,對(duì)該市展開地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性定量評(píng)價(jià)。

(2)對(duì)各因子分級(jí)信息量分析表明:地質(zhì)災(zāi)害在A3 工程巖組、坡高40 ～100m、距道路距離0 ～250m、坡高 100 ～120m、距礦山 0 ～500m、距河流距離200 ～400m 的區(qū)域內(nèi)最為發(fā)育。 這說(shuō)明工程地質(zhì)巖組、坡高、道路、礦山開采、河流影響距離為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要影響因素。

(3)根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,將研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和極低易發(fā)4 個(gè)等級(jí),其中高易發(fā)區(qū)面積75.38km2、中易發(fā)區(qū)120.31km2、低易發(fā)區(qū)142.21km2、極低易發(fā)區(qū)97.56km2,分別占研究 區(qū)總 面 積 的 17.31%、 27.63%、 32.66%和22.40%。

(4)本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果的AUC 值為72.50,即評(píng)價(jià)精度為72.50%,評(píng)價(jià)結(jié)果良好,能夠?yàn)樗拇ㄊ∪A鎣市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。