基于ArcGIS信息量模型在烏魯木齊市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的效果分析

李崇博 宋玉 戚向陽(yáng)

摘 ? 要：在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布圖基礎(chǔ)上，基于信息量模型，選定研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育各影響因子及信息量值，據(jù)實(shí)際情況人為對(duì)信息量負(fù)值進(jìn)行修正，同時(shí)利用ArcGIS的空間疊加分析完成研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖。結(jié)果顯示，易發(fā)性分區(qū)結(jié)果與野外實(shí)際調(diào)查情況相吻合，能在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中起重要參考作用。

關(guān)鍵詞：烏魯木齊;地質(zhì)災(zāi)害;影響因子;信息量模型;易發(fā)性評(píng)價(jià)

烏魯木齊市地質(zhì)地貌條件復(fù)雜，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型主要有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫等。此外烏魯木齊市季節(jié)性降水、冰雪融水及人類活動(dòng)頻繁等特點(diǎn)導(dǎo)致新增地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)出現(xiàn)。因此對(duì)烏魯木齊市進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

國(guó)內(nèi)學(xué)者借鑒國(guó)外研究方法，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估[1]。殷坤龍等就滑坡災(zāi)害和斜坡不穩(wěn)定性空間預(yù)測(cè)與區(qū)劃進(jìn)行了深入研究，提出了滑坡災(zāi)害區(qū)劃研究的信息分析系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了基于MapGIS技術(shù)的滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃及計(jì)算機(jī)制圖等[2]。魏平新等基于ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行了廣東省滑坡災(zāi)害區(qū)劃研究[3];徐為等采用GIS與AHP耦合模型進(jìn)行戛灑鎮(zhèn)滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，上述成果表明信息量模型、層次分析法以及滑坡災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)指數(shù)三者綜合運(yùn)用可以很好地得到滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指數(shù)[4];李明等利用ArcGIS的疊加分析完成了神農(nóng)溪流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖，輔以專家打分模型對(duì)該分區(qū)圖進(jìn)行了修正，達(dá)到了較好的預(yù)測(cè)效果[5];樊芷吟等采用信息模型與Logistic回歸模型耦合對(duì)汶川縣進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與研究區(qū)實(shí)際情況相近，能在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中起重要參考作用[6]。本文利用信息量模型在烏魯木齊市主城區(qū)選取地質(zhì)災(zāi)害影響因子，進(jìn)行研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分，對(duì)減少該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率具重要意義。

1 ?研究區(qū)概況

烏魯木齊地處中國(guó)西北，毗鄰中亞各國(guó)，地形地貌復(fù)雜，三面環(huán)山，北部平原開闊，南部、東部高，中部、北部低的特征（圖1）。地層多樣，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育;工程巖體特性空間變化復(fù)雜，以第四紀(jì)松散粘性碎石土及碎屑巖為代表的軟弱巖土體分布廣泛。溫帶大陸性干旱氣候，使其降雨量小于蒸發(fā)量。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，河流均系內(nèi)陸河，分別屬于烏魯木齊河水系、頭屯河水系、柴窩堡湖水系、白楊河水系和阿拉溝水系。

2 ?評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)因子的選取

2.1 ?評(píng)價(jià)因子選取與分級(jí)

對(duì)烏魯木齊市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及時(shí)空分布規(guī)律的分析：受地形地貌控制，研究區(qū)內(nèi)崩塌和滑坡在垂直高程上具明顯不均勻性;巖土體的性質(zhì)對(duì)斜坡的穩(wěn)定性有較大影響且具絕對(duì)控制性;斷層發(fā)育程度及作用能夠?qū)χ苓厧r土體應(yīng)力造成破壞，對(duì)其穩(wěn)定性造成一定影響;降水量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的形成及演化有重要作用;公路交通、停采煤礦是研究區(qū)內(nèi)最具代表性的人類工程活動(dòng)，其中煤礦開采對(duì)地面塌陷及地裂縫災(zāi)害影響最明顯。

分析各個(gè)因子對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的控制結(jié)果，共確定9個(gè)指標(biāo)因子：高程、坡度、坡向、斷層、水系、工程巖組、降水量、災(zāi)害點(diǎn)密度、道路及煤礦組成本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。據(jù)以往研究者經(jīng)驗(yàn)與災(zāi)害點(diǎn)分布規(guī)律對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行分級(jí)。

2.1.1 ?地質(zhì)災(zāi)害在地形單元的幾何形態(tài)

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害沿中部斷裂構(gòu)造呈NE向條帶狀分布，對(duì)地形的幾何形態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)因子的提取極為重要。為此，本文選取了高程、坡向及坡度3個(gè)評(píng)價(jià)因子。高程因子進(jìn)一步劃分為：小于600 m、600～800 m、800～1 000 m、1 000～1 200 m、大于1 200 m共5種形態(tài)（圖2-a）。將坡向因子按8個(gè)方位分級(jí) ? ? （圖2-b）;針對(duì)坡度因子，進(jìn)一步劃分為：0°～10°、10°～20°、20°～30°、30°～64°共4種形態(tài)（圖3）。

由圖2，3可知，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在600～1 200 m的高程范圍中，大于1 200 m的高程范圍鮮有發(fā)生;坡度小于20°多發(fā)生;北坡和東坡地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育。

2.1.2 ?地質(zhì)災(zāi)害在自然條件下各影響因子的幾何分 ? ? ? ? ? 布形態(tài)

崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在斷層、水系、工程巖組、降雨量等影響因子的分布情況（圖4，5）。其中，災(zāi)害點(diǎn)較集中的分布在距離斷層1 km的范圍內(nèi)，并隨著與斷層距離的增加，災(zāi)害點(diǎn)分布呈現(xiàn)出明顯的“遞減”現(xiàn)象;崩塌、滑坡災(zāi)害集中發(fā)生在1 km以內(nèi)的河流緩沖區(qū)，在大于1 000 m水系緩沖區(qū)，災(zāi)害點(diǎn)零星分布;在松散粘性碎石土類巖土體中，多發(fā)育崩塌地質(zhì)災(zāi)害，滑坡地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)育于堅(jiān)硬-較軟弱互層狀砂巖類巖土體中;降水量300～450 mm的范圍有大量地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布。

2.1.3 ?災(zāi)害點(diǎn)密度

烏魯木齊市主要發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫等。根據(jù)2014年《新疆烏魯木齊市地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報(bào)告》及2017年實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，截止2017年研究區(qū)內(nèi)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害146處，其中包括崩塌21處、滑坡17處、地面塌陷89處與地裂縫19條;采用ArcGIS10.2中的空間分析中的點(diǎn)密度分析，將地質(zhì)災(zāi)害相對(duì)集中分布劃為高密度區(qū)，零星分布相對(duì)不集中的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)劃分低密度區(qū)（圖6-a）。

2.1.4 ?人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響

在研究區(qū)選取道路為人類活動(dòng)的因子具有一定的代表性，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在道路通達(dá)、密集且距離路網(wǎng)50 m范圍，災(zāi)害發(fā)生頻率隨著路網(wǎng)距離的升高而逐漸降低（圖6-b）。

2.2 ?評(píng)價(jià)模型原理

信息量模型預(yù)測(cè)法采用地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過(guò)程中熵的減少來(lái)表征地質(zhì)災(zāi)害事件產(chǎn)生的可能性。地質(zhì)災(zāi)害是在多種因素相互作用下而形成的，通過(guò)計(jì)算各個(gè)因素的信息量，并加權(quán)疊加各個(gè)因素的信息量，建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，信息量越大，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性越高，其計(jì)算方法如下：

式中：I（Y，x1，x2，…xn）為因素組合x1，x2，…xn對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量;P（Y，x1，x2，…xn）為在因素組合x1，x2，…xn下地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率;P（Y）為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率;Ix1（Y，x2）為因素x1存在時(shí)，因素x2對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量;I為預(yù)測(cè)區(qū)某單元信息量預(yù)測(cè)值;Si為分布在因素xi內(nèi)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量;S為工作區(qū)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害的總數(shù);Ni為具有因素xi屬性的柵格面積總數(shù);N為工作區(qū)柵格面積總數(shù);Yi為致災(zāi)因子指標(biāo)值。

3 ?研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

烏魯木齊市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要表現(xiàn)為崩塌、滑坡、塌陷和地裂縫，其中，崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害受自然條件的影響居多，塌陷和地裂縫地質(zhì)災(zāi)害受人類活動(dòng)影響居多，主要以煤礦采空區(qū)形成的次生地質(zhì)災(zāi)害。本次將崩塌和滑坡2種地質(zhì)災(zāi)害類型合并統(tǒng)計(jì)，并選取崩塌、滑坡、地面塌陷和地裂縫為地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)點(diǎn)。

將各因子圖層分別與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布位置在ArcGis中進(jìn)行空間分析，可得到地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在不同因子分類中的分布密度，根據(jù)分布密度可計(jì)算每個(gè)因子的信息量值。由表1可知，地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生在高程600～1 200 m，隨著坡度的增大，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生率降低;地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在松散粘性碎石土巖土體及堅(jiān)硬-較軟弱互層狀砂巖類巖土體區(qū)。斷層、河流及道路對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響，均表現(xiàn)出一定的距離效應(yīng)，其中斷層因素在一定距離對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有較大影響，近年河流水量下降，部分河道水源枯竭，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響減弱;在北坡易發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

根據(jù)信息量計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)部分因子的信息量為負(fù)值，說(shuō)明該因子不利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，但也可能是具備該因子的地質(zhì)災(zāi)害在區(qū)內(nèi)發(fā)育較少，并不一定代表其不重要。如表1中評(píng)價(jià)因子斷層距離小于500 m，其信息量值為負(fù)數(shù)，但它同樣也是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的較有利因素。因此，針對(duì)信息量值為負(fù)數(shù)的因子需逐一進(jìn)行分析并修正。

對(duì)9種因子圖層進(jìn)行空間疊加分析，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的自然斷點(diǎn)法（natural break）將易發(fā)性區(qū)劃重新分類后，再經(jīng)人工修正，生成以信息量大小衡量的工作區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖（圖7），得出高、中、低和不易發(fā)區(qū)。高易發(fā)區(qū)主要分布在研究區(qū)中部，沿?cái)鄬幼呦蚍植?，與實(shí)際野外調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)一致。說(shuō)明ArcGis信息量模型的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分結(jié)果與野外調(diào)查實(shí)際情況相吻合。

4 ?結(jié)論

（1） 在前人研究及分析災(zāi)害點(diǎn)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，選定了高程、坡向、坡度等9個(gè)因子利用信息量模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。研究結(jié)果說(shuō)明斷裂構(gòu)造對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性影響較大，同時(shí)，地形地貌、人類活動(dòng)的影響較突出。

（2） 信息量負(fù)值說(shuō)明該影響因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生起阻礙作用，不利于災(zāi)害的發(fā)生，但不能一概而論。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生在不同的地質(zhì)條件下具多樣性，影響因子的評(píng)價(jià)在不同區(qū)域評(píng)價(jià)的效果不同，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行信息量的修正。

（3） 將選取的9個(gè)影響因子在信息量模型中疊加計(jì)算，并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害形成的各種因素和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀，將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度劃分為高、中、低和不易發(fā)區(qū)，結(jié)果顯示基于ArcGIS信息量模型的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)和野外實(shí)際調(diào)查相吻合，從而驗(yàn)證了區(qū)劃結(jié)果的合理性和可靠性。

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Abstract：On the basis of the geological hazard distribution map and the information quantity model，the influence factors and the information value of the geological disaster development in the study area are selected，and the negative value of the information is corrected according to the actual situation.At the same time，the geological disaster prone area map of the study area is completed by using the spatial superposition analysis of ArcGIS.The results show that the results of susceptibility zoning coincide with the field investigation，and can play an important reference role in the risk assessment of geological hazards.

Key words：Urumqi;Geologic hazard;Impact factor;Information quantity model;Susceptibility evaluation