基于信息量模型的廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

吳少元

(廈門地質(zhì)工程勘察院，福建 廈門 361008)

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是指造成地區(qū)經(jīng)濟損失和人員傷亡的地質(zhì)事件發(fā)生的可能性，可能性越大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)就越多。崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價是在已調(diào)查的崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)上，分析斜坡體在所處的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文、植被覆蓋、人類活動等綜合條件下發(fā)生崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可能性，它是后續(xù)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險性評價與風(fēng)險評價的基礎(chǔ)[1-7]。

廈門市發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降和滾石滾落等災(zāi)種，其中以崩塌和滑坡最為發(fā)育，其次為泥石流和滾石滾落，地面沉降、地面塌陷和地裂縫偶有發(fā)育[8]。截至2017年2月，廈門市共發(fā)生崩塌地質(zhì)災(zāi)害85處，滑坡地質(zhì)災(zāi)害13處。

由于崩塌和滑坡兩種地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生機理和影響因素有很多共性，而泥石流、地面沉降、滾石滾落等地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生機理與崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的差異較大，故本文將廈門市最為發(fā)育的兩大災(zāi)種——崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害合并考慮，暫不考慮其他災(zāi)種，以廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害為基礎(chǔ)，在野外詳細調(diào)查和資料收集的基礎(chǔ)上，采用信息量法并結(jié)合GIS技術(shù)對廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進行評價，得到廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級分區(qū)圖，并根據(jù)野外實際調(diào)查情況對其進行修正，為廈門市地質(zhì)災(zāi)害的防治工作提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

廈門市地處我國東南沿海、福建省東南部，西接漳州，東臨泉州，與寶島臺灣隔海相望。廈門市下轄翔安區(qū)、同安區(qū)、海滄區(qū)、集美區(qū)、湖里區(qū)、思明區(qū)6個市轄區(qū)，其地形地貌十分復(fù)雜，區(qū)內(nèi)位于閩東南沿海九龍江口，依山傍水，屬濱海丘陵、島嶼、半島區(qū)，最高峰位于同安區(qū)北部云頂山，高程為1 175.2 m。

研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫和濕潤，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，多年平均氣溫為20.8℃，最高氣溫為38.4℃，最低氣溫為2.0℃；多年平均降雨量為1 143.5 mm，月平均降雨量為43.4 mm，雨量充沛，極端年最大降雨量為1 707 mm；多年平均蒸發(fā)量為1 910.4 mm，蒸發(fā)量大于降雨量；3～8月份較潮濕，平均相對濕度為80%～85%，10月至翌年2月較干燥，相對濕度為70%，多年平均濕度為77%。

2 研究方法

目前常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型有統(tǒng)計分析模型、確定性模型、主觀推斷分析模型和模式識別模型等[8-9]，信息量模型屬于統(tǒng)計分析模型中的一種，由于其理論明確、操作容易，在滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中得到了廣泛的應(yīng)用[8-13]?？紤]到廈門市已發(fā)生的崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害資料較齊全，各類評價因子較清晰，本文擬采用信息量法對廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進行評價。

所謂信息量法，就是通過對已變形或破壞區(qū)域的現(xiàn)實情況和提供的信息，將反映各類影響區(qū)域穩(wěn)定的實測值轉(zhuǎn)化為信息值，即通過某些因素對所提供的研究對象的信息量進行計算來評價[10]。在崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價時，各種影響因子與地質(zhì)災(zāi)害形成的關(guān)系在理論上尚無定論，信息量法通過統(tǒng)計學(xué)的方法，計算出不同影響因子對崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生所提供的信息量值，用來量化其對崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的影響程度，并在調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，定性地對影響因子進行分類，即可客觀地反映出影響因子與崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度之間的關(guān)系，以避免人為主觀給定，出現(xiàn)賦值不合理的情況。

3 信息量模型的建立

3.1 信息量模型的理論基礎(chǔ)

信息量模型是通過計算各類影響因素對崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生所提供的信息量值，作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級劃分的定量指標(biāo)。

在對崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害信息進行預(yù)測時，有一個基本的觀點：預(yù)測或判定某崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性與我們所能獲取的各類影響因子以及已發(fā)生崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān)，判定的標(biāo)準(zhǔn)是信息量值，即：

(1)

式中：I(Y,x1,x2,…,xn,)為影響因素組合x1,x2,…,xn對崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生所提供的信息量值;P(Y,x1,x2,…,xn)為影響因素x1,x2,…,xn組合條件下崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。

3.2 信息量模型的建立

信息量模型的建立步驟如下：

(1) 計算影響因素xi對發(fā)生的崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害事件(K)提供的信息量值I(xi，K)：

(2)

式中：P(xi|K)為發(fā)生崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害時出現(xiàn)xi的概率；P(xi)為研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)xi的概率。

公式(2)是理論上的信息量模型，實際中一般利用下式來計算樣本的概率：

(3)

式中：S為評價單元的總數(shù);N為崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害單元的總數(shù)；Si為包含評價因素xi的單元數(shù)；Ni為分布在影響因素xi內(nèi)的崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害單元數(shù)。

(2) 計算單元內(nèi)n種影響因子對崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生所提供的總信息量值Ii：

(4)

(3) 某單元內(nèi)影響崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的綜合性指標(biāo)則用總的信息量值Ii來表示，Ii值越大，表明該單元內(nèi)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率越大，即該單元內(nèi)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性越高。

3.3 評價因子的選擇

通過對廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查資料的統(tǒng)計分析，并結(jié)合對典型崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的詳細勘查，本文選取地形坡度、地面高程、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組、年平均降雨量、土地利用與人類活動、道路7大影響因素作為廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的主要評價因子。

4 研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

4.1 單元格網(wǎng)的確定和評價因子的子類劃分

網(wǎng)格單元大小的選取與多種要素有關(guān)，在大多數(shù)情況下，單元格網(wǎng)的選取主要取決于專家系統(tǒng)，本文結(jié)合廈門市的地形地貌以及原始數(shù)據(jù)等客觀情況，本次研究選取的網(wǎng)格單元大小為30 m×30 m。

另外，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征，對選取的地質(zhì)災(zāi)害評價因子進行了子類劃分，各評價因子的子類劃分結(jié)果見表1。

表1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評價因子的子類劃分結(jié)果

4.1.1 地形坡度

滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害的形成是一種自然力降低坡度的過程，這兩種地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與地形坡度存在密切的關(guān)系，一般而言，地形坡度越大，越有利于崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。參考野外調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征，本文繪制了廈門市地形坡度分級圖，見圖1。

圖1 廈門市地形坡度分級圖Fig.1 Classification map of terrain gradient in Xiamen City

由圖1可見，廈門市滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在地形坡度大于25°的陡坡(以人工邊坡為主)地帶，其災(zāi)害點占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的74.5%；滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在地形坡度為10°～25°的緩坡地帶的災(zāi)害點，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的17.3%；而滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在地形坡度小于10°的平臺地帶的災(zāi)害點，僅占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的8.2%。

4.1.2 地面高程

參考野外調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征，本文繪制了廈門市地面高程分級圖，見圖2。

圖2 廈門市地面高程分級圖Fig.2 Classification map of elevation in Xiamen City

由圖2可見，廈門市平原區(qū)的分布面積最大，地面高程均小于50 m，面積為1 144 km2，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育20處；地面高程50～500 m為丘陵區(qū)，主要分布于廈門市北部山區(qū)，面積為595 km2，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育35處；地面高程500～1 000 m為低山區(qū)，面積為140 km2，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育40處；地面高程大于1 000 m為中山區(qū)，面積為3.36 km2，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育1處。

4.1.3 地質(zhì)構(gòu)造

參考野外調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征，本文繪制了廈門市地質(zhì)構(gòu)造分級圖，見圖3。

圖3 廈門市地質(zhì)構(gòu)造分級圖Fig.3 Classification map of geological structural in Xiamen City

由圖3可見，廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育部分受到區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響，一般斷裂帶的影響范圍在1 km左右，故本文選擇斷裂帶的影響范圍1 km以內(nèi)作為崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的影響范圍。

4.1.4 工程地質(zhì)巖組

參考野外調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征，本文繪制了廈門市工程地質(zhì)巖組分級圖，見圖4。

圖4 廈門市工程地質(zhì)巖組分級圖Fig.4 Classification map of engineering geological strata in Xiamen City

由圖4可見，廈門市內(nèi)地層巖性主要有第四系沖洪積與海積砂土黏土層、三疊系和侏羅系沉積碎屑巖以及花崗巖和閃長巖等侵入巖。其中，第四系地層主要分布于平原區(qū)，其穩(wěn)定性好；沉積碎屑巖一般較堅硬，但強風(fēng)化地帶強度低、穩(wěn)定性差；花崗巖和閃長巖等侵入巖巖石整體較完整，但地表或淺部巖石球狀風(fēng)化強烈，產(chǎn)生危巖與巖崩的可能性較大，且局部斷裂破碎帶強度低、穩(wěn)定性差。根據(jù)研究區(qū)地層巖性的特征，將廈門市工程地質(zhì)巖組劃分為第四系砂土黏土層、沉積碎屑巖、風(fēng)化強烈的侵入巖。經(jīng)統(tǒng)計顯示，廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在侵入巖區(qū)域的占比為54.1%，發(fā)生在沉積碎屑巖區(qū)域的占比為32.6%，發(fā)生在第四系區(qū)域的占比為13.3%。

4.1.5 年平均降雨量

在宏觀上，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻次與年平均降雨量的大小可近似認為呈正相關(guān)。根據(jù)廈門市多年降雨資料，并結(jié)合崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率，本文將年平均降雨量分為4個等級：<1 200 mm，1 200～1 600 mm，1 600～1 800 mm，>1 800 mm，見圖5。

圖5 廈門市多年平均降雨量分級圖Fig.5 Classification map of multi-year average rainfall in Xiamen City

由圖5可見，降雨量越小，研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻次越低；降雨量越大，研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻次越高；廈門市多年平均降雨量大于1 800 mm的區(qū)域發(fā)生崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的占比為55.1%。

4.1.6 土地利用與人類活動

廈門市土地利用類型主要分為林地、草地(耕地)、建設(shè)用地和水體4類(見圖6)，其中林地的植被覆蓋度好，對崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的影響較小，建設(shè)用地主要為人類活動區(qū)域，對崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的影響最大。另據(jù)統(tǒng)計，廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育68.75%受人類活動的影響。

圖6 廈門市土地利用分級圖Fig.6 Classification map of land-use in Xiamen City

4.1.7 道路

道路修建與維護也屬于人類活動，如坡腳開挖、植被破壞容易造成崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害。本文選取山區(qū)鐵路、公路道路兩側(cè)0.2 km2范圍內(nèi)區(qū)域作為研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的道路影響范圍，見圖7。

圖7 廈門市道路分級圖Fig.7 Classification map of road in Xiamen City

4.2 評價因子子類的信息量值計算

根據(jù)下面公式計算各評價因子的信息量值：

(5)

式中:Ni/Si可以理解為子單元中崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害點的平均密度；N/S為研究區(qū)中總的崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害點的平均密度。

本文以廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的資料收集和野外調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對各評價因子子類的信息量值進行了計算，其計算結(jié)果見表2。

表2 廈門市地質(zhì)災(zāi)害各評價因子子類的信息量值計算結(jié)果

由表2可知，各評價因子子類的信息量值排名前6的評價因子分別是：①地面高程>1 000 m；②地形坡度為25°～35°；③地面高程為500～1 000 m；④年平均降雨量>1 800 mm；⑤沉積碎屑巖；⑥地形坡度>35°。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，這些因素對滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生起到了正面作用，是崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害形成的主要影響因素；而對于地形坡度<10°、地面高程<50 m、第四系、年平均降雨量為1 200～1 600 m等信息量值表現(xiàn)為高負值的評價因子，表明這幾種狀態(tài)下滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生率較低。

4.3 評價結(jié)果與分析

本文運用ArcGIS的重分類功能，將計算出的評價因子子類的信息量值賦給每個子類進行分區(qū)，再將各評價因子進行柵格累加分區(qū)，最終得到廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的綜合信息量圖層，其信息量值的值域范圍為-8.52～7.16。參考野外調(diào)查結(jié)果，將研究區(qū)信息量值進行高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)三個等級劃分，對應(yīng)信息量值的值域范圍分別為4.0～7.16、1.60～4.0、1.60～-8.52，最終得到廈門市對應(yīng)的崩塌和滑坡易發(fā)性等級分區(qū)圖，見圖8。

圖8 廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級分區(qū)圖Fig.8 Classification map of collapse and landslide susceptibility in Xiamen City

由圖8可見，廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的分布特征如下：①崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，主要分布于廈門市北部低山區(qū)，行政區(qū)屬于同安區(qū)，面積為42.35 km2，占比為2.49%，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害共發(fā)育15處，發(fā)育密度為0.35個/km2;②崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，主要分布于廈門市北部低山丘陵區(qū)以及在廈門島內(nèi)有零星分布，在行政區(qū)上主要分布于同安區(qū)的蓮花鎮(zhèn)、汀溪鎮(zhèn)，翔安區(qū)的新圩鎮(zhèn)，集美區(qū)的灌口鎮(zhèn)，海滄區(qū)的東孚鎮(zhèn)、新陽街道，以及廈門島上兩座山，總面積為523.7 km2，占比為30.82%，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害共發(fā)育60處，發(fā)育密度為0.11處/km2；③崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)，主要分布于廈門市平原區(qū)及海域，總面積為1 133.24 km2，占比為66.69%，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害共發(fā)育23處，發(fā)育密度為0.02處/km2。

5 結(jié)論

本文以廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害為研究對象，選取地形坡度、地面高程、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組、年平均降雨量、土地利用與人為活動、道路7大影響因素作為研究區(qū)崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的評價因子，采用信息量法并結(jié)合GIS技術(shù)，對廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進行了評價，得到廈門市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級分區(qū)圖。該地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖與廈門市地質(zhì)災(zāi)害的分布特征基本一致，對廈門市防災(zāi)減災(zāi)工作具有一定的指導(dǎo)意義。