基于加權(quán)信息量法的棗陽市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價研究

李姍姍, 譚光超, 柳曉晨, 劉家闊

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊,湖北 荊州 434020)

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)是指具備地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境等條件,容易或可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的劃分方法有綜合危險性指數(shù)法、信息量模型法、襲擾指數(shù)法等[1-3]。早期的地質(zhì)預(yù)防,主要由專家打分對地質(zhì)災(zāi)害敏感性進行判斷和評價[4],取得了較好的效果。20世紀(jì)60年代,GIS技術(shù)的出現(xiàn),促進了地質(zhì)行業(yè)的應(yīng)用和研究,其空間分析功能更是解決了專家評價中數(shù)據(jù)疊加分析的難題。近年來,國內(nèi)外利用GIS技術(shù)開展地質(zhì)災(zāi)害研究日益增多,逐漸將數(shù)理統(tǒng)計方法應(yīng)用于地質(zhì)行業(yè)[5-7],從地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機理和數(shù)學(xué)原理的角度對地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報進行研究,使其從定性分析逐步向定量分析發(fā)展,提高了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

本文采用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)信息量法,以GIS技術(shù)和RS技術(shù)為基礎(chǔ),從致災(zāi)機理上對各致災(zāi)因子進行選取和分析,使用ArcGIS空間分析技術(shù),完成了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)定量評價,為棗陽市經(jīng)濟發(fā)展和城鎮(zhèn)規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

棗陽市地處桐柏山南延余脈、大洪山北延余脈與鄂北崗地交匯地帶;唐河自北向南流經(jīng)測區(qū)西側(cè),為棗陽市與襄陽市之間的界河。區(qū)內(nèi)地勢總體上北東高南西低,呈向南西方向開口的“撮箕”型地勢,形成北部和東部高、西部及中部低的地貌特征。

研究區(qū)以平林—耿集一帶穿過的襄(樊)—廣(濟)大斷裂(下稱耿集—古井深斷層)為界,區(qū)內(nèi)可分為揚子準(zhǔn)地臺及秦嶺褶皺系兩個構(gòu)造單元;揚子準(zhǔn)地臺區(qū)僅分布于區(qū)內(nèi)東南角小片區(qū)域,屬大巴山—大洪山臺緣褶皺帶北東的大洪山褶皺束。北側(cè)紅層基底及基巖隆起帶均屬秦嶺褶皺系中秦嶺加里東褶皺帶的隨棗加里東褶皺帶以及縱跨其上的南襄斷坳的南部;以吳店鎮(zhèn)—王城鎮(zhèn)一線為界,以北屬棗陽—隨州褶皺束,以南屬大巴山—隨縣加里東褶皺帶;紅層蓋層屬南襄斷坳(圖1)。

筆者通過對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀的詳細調(diào)查,查明區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害或地質(zhì)災(zāi)害隱患點39處,其中滑坡7處,占地質(zhì)災(zāi)害總點數(shù)的17.95%;崩塌3處,占地質(zhì)災(zāi)害總點數(shù)的7.69%;不穩(wěn)定斜坡29處,占地質(zhì)災(zāi)害總點數(shù)的74.36%[8](表1)。區(qū)內(nèi)人類工程活動強烈區(qū)域破壞了原有生態(tài)環(huán)境,由此工程誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)愈演愈烈之勢,給當(dāng)?shù)鼐用裨斐闪藝乐氐慕?jīng)濟損失和巨大威脅。

圖1 棗陽市地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.1 Distribution map of geological disasters in Zaoyang City1.Ⅳ級褶皺帶；2.區(qū)域構(gòu)造；3.倒轉(zhuǎn)背斜軸；4.倒轉(zhuǎn)向斜軸；5.斷裂；6.角度不整合界線；7.地質(zhì)災(zāi)害點；8.第四系盆地；9.燕山期侵入巖區(qū)；10.元古界陡嶺群變質(zhì)巖秦嶺區(qū)；11.青白口系—下震旦系耀嶺河群秦嶺區(qū)；1 2.下古生界寒武系—志留系秦嶺區(qū)；13.青白口系—震旦系、寒武系揚子地臺。

表1 棗陽市地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模與類型統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of scale and type of geological disasters in Zaoyang City

類型中型(10×104～100×104 m3)小型(<104 m3)合計/處滑坡12021崩塌066不穩(wěn)定斜坡12829

1.2 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

本次研究利用GIS建立空間數(shù)據(jù)庫,其中包括地理數(shù)據(jù)(行政界線、水系交通、居民點)、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)(地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造)、地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)據(jù)(滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡)和柵格數(shù)據(jù)(DEM高程數(shù)據(jù)、植被覆蓋程度數(shù)據(jù)、降雨量分布數(shù)據(jù))。

2 加權(quán)信息量模型及基于GIS的應(yīng)用分析

2.1 加權(quán)信息量模型

本次評價將層次分析法和信息量法相結(jié)合,即加權(quán)信息量法。

2.1.1 層次分析法

層次分析法是將與決策相關(guān)的元素分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層等,構(gòu)造各層次中所有的判斷矩陣,計算各評價因子權(quán)重并驗證其一致性。

層次分析法的不足是單因素內(nèi)部的不同子類或數(shù)值的各自所占權(quán)重只能直接主觀給定或通過歸一化主觀給定,容易出差錯。

2.1.2 信息量法

信息預(yù)測的觀點認為,某事件Y的產(chǎn)生與否與預(yù)測過程中所獲取信息的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān),是用信息量來衡量的,即:

信息量分析模型是通過計算諸影響因素對地質(zhì)災(zāi)害所提供的信息量值,作為區(qū)劃定量指標(biāo),此方法既能正確地反映地質(zhì)災(zāi)害的基本規(guī)律,又簡便、易行、實用,且便于推廣應(yīng)用。

一般情況下,由于影響地質(zhì)災(zāi)害的因素很多,相應(yīng)的因素組合狀態(tài)也特別多,而樣本統(tǒng)計數(shù)量往往受到限制,故可采用簡化的單因素信息量模型進行分步計算,再綜合疊加分析,相應(yīng)的信息量模型可改寫為:

信息量法的不足是沒有考慮不同因素對事件的相對影響程度大小的不同,只是將各因素的信息量簡單1∶1相加,這將影響評價結(jié)果的合理性。

2.1.3 加權(quán)信息量法

加權(quán)信息量法是用信息量法求出因素內(nèi)各子類的信息量值,采用層次分析法計算出各因素間的權(quán)重,加權(quán)疊加得到總信息量值(圖2)。

加權(quán)信息量法將層次分析法可以通過判斷矩陣給出各因素間的權(quán)重的優(yōu)勢和信息量法計算因素分類的優(yōu)勢相結(jié)合,準(zhǔn)確計算出各因素對事件的影響。

2.2 基于ArcGIS的信息量疊加計算

2.2.1 信息采集

基于GIS空間分析的因子信息采集方法如下:用1∶5萬地形圖提取基礎(chǔ)地理信息,用遙感影像提取植被信息,利用降雨量等值線圖提取降雨量指標(biāo),地質(zhì)及工程地質(zhì)條件主要從1∶5萬地質(zhì)圖上提取,而人類工程活動信息主要依靠研究區(qū)發(fā)展規(guī)劃等提取。

圖2 加權(quán)信息量法易發(fā)性分區(qū)示意圖Fig.2 Zoning map of susceptibility weighted information method

2.2.2 基于GIS的信息量疊加分析

疊加分析是GIS空間分析的重要組成部分,包括交叉、合并等多個功能。將采集到的各個評價因子信息作為一個單獨的圖層,然后將評價因子圖層分別在地質(zhì)災(zāi)害分布圖GIS中作空間疊加分析,得到地質(zhì)災(zāi)害點在不同因子分類中的分布密度;根據(jù)單個評價單元內(nèi)總的信息量計算公式,計算出各因子所得信息量,對各地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)因子的柵格層進行重新分類,將各因子圖層根據(jù)得到的信息量重新生成信息量圖;利用ArcGIS柵格計算功能完成地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)因子的綜合信息量計算,生成以信息量大小衡量地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度指數(shù)計算結(jié)果及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖。

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分

3.1 評價單元

應(yīng)用GIS評價區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性時,主要為以下5種形式:格網(wǎng)單元、地域單元、均一條件單元、子流域單元、邊坡單元。其中,格網(wǎng)單元對應(yīng)于GIS中的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),是柵格GIS中常用的一種基本單元。

本次研究中選取的柵格單元大小為100 m×100 m,選用此單元將整個研究區(qū)共劃分為3 270 000個單元。

3.2 評價指標(biāo)體系

地質(zhì)災(zāi)害的影響因素較多,主要分為基礎(chǔ)因素(工程地質(zhì)巖組、構(gòu)造、河流、植被覆蓋率、坡度等)和誘發(fā)因素(地震、降雨、交通等)。由于棗陽市屬微震多、震級小的地區(qū),因此誘發(fā)因素中不考慮地震。結(jié)合棗陽市自然地理特征和前人對該區(qū)的研究,在充分考慮資料的可獲得性、研究區(qū)尺度大小、研究范圍的大小以及研究精度的要求等因素的前提下,選取了以下6個因素作為評價因子。

3.2.1 坡度

坡度是地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性的控制因素,影響了地表水及地下水的補徑排、植被的覆蓋率和應(yīng)力分布。利用研究區(qū)等高線數(shù)據(jù)和ArcGIS表面分析slope功能,可以獲得研究區(qū)的地形坡度。綜合考慮棗陽市的地質(zhì)災(zāi)害分布情況,將地形坡度劃分為5個級別:①0°～8°;②8°～15°;③15°～25°;④25°～35°;⑤>35°(圖3)。

3.2.2 植被覆蓋率

植被覆蓋率從一定程度上反映地貌的變化,也間接反映地貌對地質(zhì)災(zāi)害的影響。調(diào)查區(qū)植被覆蓋區(qū)分布于中東部、東北部及西部一帶,如新市大阜山為高植被覆蓋區(qū),植被覆蓋率可達80%。結(jié)合棗陽市地形地貌特征,將植被覆蓋程度劃分為4個類別:①高覆蓋;②中覆蓋;③低覆蓋;④裸土(圖4)。

3.2.3 工程地質(zhì)巖組

地層條件是產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)基礎(chǔ),不但決定巖土體強度、應(yīng)力分布,而且影響地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性及變形破壞特征。由于不同類型的工程地質(zhì)巖組對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害形成的影響程度有明顯差異,根據(jù)其對滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的影響程度將棗陽市內(nèi)工程地質(zhì)巖組歸并為4個巖組:①堅硬巖;②較堅硬巖;③軟質(zhì)巖;④土體(圖5)。

3.2.4 地質(zhì)構(gòu)造

斷裂對滑坡的影響主要是破壞巖土體結(jié)構(gòu),降低斜坡的完整性程度,以及作為重要的地下水通道影響斜坡的變形。褶皺引起大范圍的巖層產(chǎn)狀的變化,破壞巖體的完整性。一般采取對斷裂和褶皺軸跡的距離分析來確定影響范圍。本次調(diào)查在構(gòu)造帶兩側(cè)延伸范圍設(shè)置緩沖區(qū),以200 m、1 000 m為分界點劃分出3個區(qū)域(圖6)。

3.2.5 降雨

降雨是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要誘發(fā)因素之一,其與崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在正相關(guān)的關(guān)系。調(diào)查區(qū)降雨多集中在夏季,呈南至北東逐漸減少的趨勢,大致以838 mm、932 mm、1 019 mm、1 081 mm為分界點分為五個區(qū)域(圖7)。

3.2.6 人類工程活動

農(nóng)林牧業(yè)活動、城鎮(zhèn)與農(nóng)村建設(shè)、水利工程建設(shè)、道路工程建設(shè)和礦產(chǎn)資源開發(fā)等人類工程活動是造成地質(zhì)災(zāi)害的直接誘因和巨大驅(qū)動力。結(jié)合棗陽市的具體情況,發(fā)現(xiàn)在建設(shè)公路、鐵路的過程中對斜坡多采用截彎取直、削坡填平的施工方案,將原本較為穩(wěn)定的自然邊坡改造成了高陡邊坡,破壞了斜坡內(nèi)應(yīng)力平衡,降低了坡體穩(wěn)定性,同時由于缺乏必要的坡面防護措施,為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生埋下了許多隱患。因此根據(jù)人類工程活動這一要素活動劇烈程度來量化,按自然間斷點分級法分為3類(圖8)。

圖3 棗陽市坡度圖Fig.3 Slope map of Zaoyang City

圖4 棗陽市植被覆蓋圖Fig.4 Vegetation map of Zaoyang City

圖5 棗陽市工程地質(zhì)巖組圖Fig.5 Engineering geological group of Zaoyang City

圖6 棗陽市構(gòu)造帶距離圖Fig.6 Distance map of tectonic zone of Zaoyang City

圖7 棗陽市降雨重分類圖Fig.7 Heavy rainfall classification map of Zaoyang City

圖8 棗陽市人類工程活動圖Fig.8 Human engineering activity map of Zaoyang City

3.3 計算方法及過程

3.3.1 應(yīng)用層次分析法計算評價因子的權(quán)重

采用目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層三層結(jié)構(gòu)建立評價層次模型。完整的評價體系如圖9。

采用專家打分的方法,兩兩比較確定因素間的重要性比值,構(gòu)建易發(fā)性判斷矩陣A-B(表2)、誘發(fā)因素判斷矩陣B1-C(表3)、基礎(chǔ)因素判斷矩陣B2-C(表4)。計算各判斷矩陣的最大特征根和特征向量,并通過一致性判斷(表5)。

將B1-C、B2-C的權(quán)重Wi在A-B下歸一化,得到6個方案因素的總排序(表6)。

圖9 棗陽市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價體系圖Fig.9 Evaluation system of geological hazard prone zoning in Zaoyang City

表2 易發(fā)性判斷矩陣A-BTable 2 Susceptibility matrix A-B

表3 誘發(fā)因素判斷矩陣B2-CTable 3 Induction factorbjudgement matrix B2-C

表4 控制因素判斷矩陣B1-CTable 4 Control factor judgement matrix B1-C

表5 判斷矩陣權(quán)重計算表Table 5 Weighting matrix of judgement matrix

表6 棗陽地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價體系層次總排序Table 6 General ranking of geological disasters prone assessment system in Zaoyang City

3.3.2 運用信息量法確定評價因子各子類的信息量

在地質(zhì)災(zāi)害中,單因素信息量可用樣本頻率計算:

式中:S為研究區(qū)單元總數(shù);Si為研究區(qū)內(nèi)含有評價因素xi的單元總數(shù);N為研究區(qū)內(nèi)含有地質(zhì)災(zāi)害的單元總數(shù);Ni為研究區(qū)內(nèi)同時含有地質(zhì)災(zāi)害和評價因素xi的單元數(shù)。經(jīng)過計算得到各子類的信息量,具體見表7。

3.3.3 加權(quán)計算總信息量

將評價因子權(quán)重排序和評價因子子類信息量值代入式中,即可計算出各單元的總信息量值。

表7 評價因素各子類信息量表Table 7 Information subscales of evaluation factors

在ArcGIS中,只需使用柵格代數(shù)計算器,對各評價因素信息量分布圖層,按總排序權(quán)重疊加即可得到總信息量分布圖(圖10)。

通過計算得出研究區(qū)總信息量分布在-0.496 8～0.756 6區(qū)間內(nèi),單元的總信息量值越大代表越容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

圖10 棗陽市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)總信息量分布圖Fig.10 Distribution map of regional total information of geological disasters in Zaoyang City

3.3.4 易發(fā)程度等級劃分

采用GIS空間分析中柵格重分類工具,按照自然斷點分級法,找出三個突變點作為分區(qū)界線將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果圖分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、不易發(fā)區(qū)4類。最后,在定量分區(qū)的基礎(chǔ)上,綜合考慮各種因素進行人工修正,得到最終的棗陽市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖(圖11)。

根據(jù)ArcGIS疊加分析的棗陽市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖,結(jié)合各單元易發(fā)性級別,本著同類歸并的原則,對區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律、形成條件等綜合分析后所形成的宏觀地質(zhì)災(zāi)害性易發(fā)區(qū)分區(qū)進行適當(dāng)修正,劃分出地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū),并進行分區(qū)評價,最終將區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度劃分為高、中、低、不四級易發(fā)區(qū)7個亞區(qū),見表8和圖11。

圖11 棗陽市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.11 Zoning map of geological disasters susceptibility in Zaoyang City1.地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)及編號；2.地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)及編號；3.地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)及編號；4.地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)及編號；5.分區(qū)界線；6.滑坡；7.崩塌；8.不穩(wěn)定斜坡。

表8 棗陽市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)表Table 8 Geological hazard prone area table in Zaoyang City

4 結(jié)論

(1) 本文以棗陽市為研究對象,選取坡度、高程、巖性等對地質(zhì)災(zāi)害有直接或間接影響的因素建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)體系,并結(jié)合ArcGIS技術(shù)和加權(quán)信息量模型開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價,結(jié)果表明地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖與研究區(qū)的實際情況基本吻合,能較好地劃分出研究區(qū)內(nèi)高易發(fā)區(qū),對資源開發(fā)和環(huán)境保護等有一定的指導(dǎo)意義。

(2) 選取坡度、植被、巖性、構(gòu)造、降雨量、人類工程活動程度因素,使用加權(quán)信息量法進行易發(fā)性分區(qū)。其中不易發(fā)區(qū)1 743.7 km2,占全縣面積的53.12%;低易發(fā)區(qū)1 315.72 km2,占40.15%;中易發(fā)區(qū)126.18 km2,占3.85%;高易發(fā)區(qū)91.36 km2,占2.79%。

(3) 人類工程活動(切坡修路等)所造成的大量不穩(wěn)定邊坡是研究區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的最大隱患,因此在災(zāi)害易發(fā)區(qū)進行人類工程活動時應(yīng)先進行地質(zhì)災(zāi)害危險性評估。

(4) 本文直接對地質(zhì)災(zāi)害范圍與地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)進行空間分析,改進了過去“以點代面”(以地質(zhì)災(zāi)害點與易發(fā)區(qū)進行空間分析)的分析方法,把反映地質(zhì)災(zāi)害形成與發(fā)生的影響因素實測值轉(zhuǎn)換為區(qū)域穩(wěn)定性的信息量值,提高了統(tǒng)計的準(zhǔn)確性,為該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃與預(yù)測預(yù)報提供了技術(shù)支持。