基于滑坡分類的西寧市滑坡易發(fā)性評價

孫長明，馬潤勇，尚合欣，謝文波，李 焱，劉 義，王 彪，王思源

(1.長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

我國山區(qū)地形復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育，地質(zhì)災(zāi)害隱患廣泛分布，其中尤以滑坡為最[1]。因此，滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報及其評價治理，成為廣大工程地質(zhì)工作者始終關(guān)注的重要研究內(nèi)容之一。在現(xiàn)有的滑坡易發(fā)性評價流程中，首先考慮的是影響滑坡災(zāi)害發(fā)生的因素，確定滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)，再通過統(tǒng)計方法[2-4]或等間距法，對評價指標(biāo)進行分級，最后利用定性或定量的易發(fā)性評價方法計算滑坡易發(fā)性指數(shù)[5]，進行易發(fā)性分區(qū)。其中，建立科學(xué)準確的易發(fā)性評價指標(biāo)體系，對最終的評價結(jié)果至關(guān)重要[6-7]。

國內(nèi)外學(xué)者在確定滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)方面進行了諸多研究。馮杭建等[8]、Pradhan[9]等分別對多種不同的滑坡影響因素組合進行易發(fā)性評價對比，得出最佳因素組合，從而確定滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)體系；王衛(wèi)東等[10]利用確定性系數(shù)法對滑坡影響因素的重要性進行排序，得出導(dǎo)致滑坡發(fā)生的關(guān)鍵影響因素——巖性、坡度、地形地貌，以及距河流、構(gòu)造線、公路、鐵路的距離；Zhou C等[11]、Chen W等[12]基于信息增益率剔除對滑坡影響較小的因素；王佳佳等[3]、王森等[13]等則利用相關(guān)性分析剔除相關(guān)性較高的因素; Taskin Kavzoglu等[7]、唐睿旋等[14]等基于遺傳算法(genetic algorithm)，獲取最優(yōu)的易發(fā)性評價指標(biāo)體系。

以上指標(biāo)的確定大多都是以相應(yīng)研究區(qū)內(nèi)全體滑坡為對象，且僅計算了各評價指標(biāo)對全體滑坡的權(quán)重。由于在同一區(qū)域內(nèi)，發(fā)育的滑坡類型可能有所不同，各評價指標(biāo)對不同類型的滑坡就有著不同的影響程度，若不對滑坡類型加以區(qū)分，各指標(biāo)權(quán)重則無法精確地反映其對滑坡的影響，同時，權(quán)重也難以得到有效的解釋，由此得來的滑坡易發(fā)性指數(shù)也不能準確地反映滑坡發(fā)生的空間概率，從而導(dǎo)致易發(fā)性分區(qū)的準確率不高。目前僅有少數(shù)學(xué)者對這一問題進行研究。如Zhou等[11]將研究區(qū)滑坡分為堆積層滑坡和巖崩；郭子正等[6]將研究區(qū)內(nèi)滑坡分為緩傾角地層滑坡和陡傾角地層滑坡；彭令[15]則按照物質(zhì)組成將滑坡分為土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡。其中，Zhou等[11]分別去除對兩種滑坡權(quán)重最小的評價指標(biāo)，由此得到兩套評價指標(biāo)，但兩套指標(biāo)差別較小，且未分析其相關(guān)性。彭令[15]則利用粗糙集理論對評價指標(biāo)進行約簡，由此得到兩套評價指標(biāo)，卻失之冗雜，土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡的評價指標(biāo)分別有十六七個之多，且兩套指標(biāo)中關(guān)鍵因素保持一致。以上研究表明，對于不同滑坡來說，影響因素大多一致，區(qū)別僅在于其影響程度即權(quán)重之不同。

鑒于此，本文以西寧市市區(qū)為研究對象，針對西寧市滑坡特征及發(fā)育機理，將研究區(qū)內(nèi)滑坡分為土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡，基于野外調(diào)查和相關(guān)性分析，選取8項評價指標(biāo)，分別論述其對兩種滑坡的影響，計算其對兩種滑坡的信息量和權(quán)重。同時，考慮到單一信息量模型不能反映各評價指標(biāo)在滑坡發(fā)生過程中所起作用的大小，因此，在滑坡分類的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)信息量模型進行滑坡易發(fā)性評價。

1 研究區(qū)滑坡分類

研究區(qū)地處湟水河中上游，支流眾多，地貌類型屬山間河谷型地貌，同時也是黃土高原西端與正處于強烈隆升階段的青藏高原的過渡地帶，斷裂發(fā)育[16]，巖體受共軛節(jié)理切割破碎。區(qū)內(nèi)出露基巖主要有泥巖、砂巖、石膏巖等，地表上黃土類土、砂卵礫類土及殘、坡積物等第四系土層分布亦較廣泛。

1.1 數(shù)據(jù)來源

使用的數(shù)據(jù)包括：(1)西寧市區(qū)1∶1萬地形圖，用于提取高程、坡度、坡向、曲率等信息；(2)西寧市區(qū)1∶1萬地質(zhì)圖，用于提取地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、河流水系等信息；(3)1∶1萬地質(zhì)災(zāi)害分布圖；(4)野外實際調(diào)查資料等。

1.2 滑坡分類

針對西寧市滑坡特征及發(fā)育機理，將研究區(qū)內(nèi)滑坡分為土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡。土質(zhì)滑坡物質(zhì)組成主要為第四系黃土，屬近地堆積，顆粒較粗大，黏聚力較低，變形能不易積累，在坡腳受河流侵蝕或人工開挖后極易發(fā)生黃土滑坡現(xiàn)象，且滑面埋深淺，滑坡量較小，多以淺層牽引滑動為主。巖質(zhì)滑坡主要物質(zhì)組成為泥巖、砂巖夾石膏巖，產(chǎn)狀平緩近水平，受構(gòu)造作用影響巖體內(nèi)發(fā)育共軛節(jié)理，易成為優(yōu)勢拉裂面和剪切面，同時，基巖互層結(jié)構(gòu)明顯，泥巖呈磚紅色，堅硬，遇水易泥化、軟化，形成軟弱結(jié)構(gòu)面，穩(wěn)定性差，主要發(fā)育坐落式和推移式滑坡。

根據(jù)《青海省西寧市地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查報告》[17]以及野外實地調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)共有滑坡184處，占全區(qū)總地質(zhì)災(zāi)害點的62.58%。其中土質(zhì)滑坡59處，占滑坡總數(shù)的32.1%；巖質(zhì)滑坡125處，占滑坡總數(shù)的67.9%(圖1)。

圖1 研究區(qū)各類型滑坡分布圖

2 易發(fā)性評價方法

2.1 信息量模型

信息量模型的理論基礎(chǔ)是信息預(yù)測學(xué)。信息預(yù)測的觀點認為：滑坡災(zāi)害的產(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[18]。信息量越大，表明發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大。信息量模型計算公式如下[3]：

(1)

式中：Ii——因素xi在該地區(qū)內(nèi)對滑坡災(zāi)害提供的信息量值；

A——研究區(qū)總面積；

A0——研究區(qū)滑坡總面積；

Si——因素xi的總面積；

若以滑坡數(shù)量來表示，式(1)可改寫為

(2)

Z0——研究區(qū)內(nèi)滑坡總數(shù)量。

單一信息量模型的缺陷是未考慮各評價指標(biāo)在滑坡發(fā)生過程中所起作用的大小，因而不能反映各評價指標(biāo)對滑坡影響程度的差異[19]。

2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常包括一個輸入層、一個或多個隱含層和一個輸出層(圖2)，適用于解決輸入因子與輸出結(jié)果之間存在復(fù)雜關(guān)系的問題[21]，因此常用于滑坡易發(fā)性評價，其中應(yīng)用最廣泛的是使用誤差反向傳播算法進行訓(xùn)練的多層感知器(MLP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[22]。但在以往研究中，僅僅是利用其非線性映射能力對滑坡數(shù)據(jù)進行預(yù)測，具有明顯的黑箱性[4]，對預(yù)測結(jié)果難以做出有效的解釋。因此本文僅利用MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定評價指標(biāo)權(quán)重。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

MLP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練需要一組已知目標(biāo)輸出的樣本集。訓(xùn)練時先使用隨機值作為權(quán)值，輸入樣本集得到網(wǎng)絡(luò)輸出。然后根據(jù)實際輸出與目標(biāo)輸出計算誤差，再根據(jù)反向傳播算法逐層修改權(quán)值，使誤差逐步減小。如此反復(fù)，直到誤差不再下降。具體而言，等量的滑坡點與非滑坡點作為樣本集，目標(biāo)輸出則為是否發(fā)生滑坡。如圖2所示，將等量滑坡點與非滑坡點的評價指標(biāo)數(shù)據(jù)進行歸一化，作為輸入層，將是否發(fā)生滑坡作為目標(biāo)輸出，設(shè)置激活函數(shù)、隱含層層數(shù)、學(xué)習(xí)率、動能和培訓(xùn)時長等參數(shù)，在SPSS軟件內(nèi)進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，從而得出各評價指標(biāo)的權(quán)值。

3 滑坡評價指標(biāo)體系

采用20 m×20 m分辨率的柵格單元，作為滑坡易發(fā)性評價的基本單元。在此基礎(chǔ)上，進行滑坡的易發(fā)性評價指標(biāo)選取、分級和易發(fā)性評價。

3.1 評價指標(biāo)選取

滑坡的產(chǎn)生是由基礎(chǔ)工程地質(zhì)條件與外界環(huán)境因素共同作用造成的。前者是指對滑坡發(fā)生起控制性作用的因素，如地形地貌、地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造等；后者指對滑坡發(fā)生起觸發(fā)作用的因素，如降雨、地震、人類工程活動等。這些因素之間存在一定的相關(guān)性，如果不經(jīng)過處理，各因素之間的權(quán)重可能會疊加，進而導(dǎo)致評價結(jié)果的不準確。因此，需要對各影響因素進行相關(guān)性分析[3]。本文基于野外實際調(diào)查，并結(jié)合前人經(jīng)驗，選取高程、坡度、坡向、剖面曲率、平面曲率、工程地質(zhì)巖組，以及滑坡點距斷層、水系、道路的距離遠近等9項因素進行相關(guān)性分析，得出上述指標(biāo)的相關(guān)性系數(shù)(表1)。由表1可知：高程與坡度、斷層和水系的相關(guān)性較大，相關(guān)性系數(shù)均大于0.350。因此將高程因素剔除，選取剩余8個因素作為滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)。

表1 各因素間的相關(guān)性系數(shù)

圖3 地形類因子

3.2 評價指標(biāo)分級

(1)地形類因子

由圖3可知：1)土質(zhì)滑坡點分布密度較高的地形因素條件為：坡度在30°～42°之間；坡向向南、向西和西南方向(157.5°～292.5°)；剖面曲率在-1～1范圍內(nèi)；平面曲率在-1～1范圍內(nèi)。從滑坡點相對分布密度特征來看，坡度在42°～48°之間、坡向向南和西南方向、剖面曲率在1～2(凸形坡)范圍內(nèi)、平面曲率在1～2范圍內(nèi)時，容易發(fā)生土質(zhì)滑坡。2)巖質(zhì)滑坡點分布密度較高的地形因素條件為：坡度在30°～42°之間；坡向向西、西南和西北方向(202.5°～337.5°)；剖面曲率為-1～1；平面曲率為-1～1。就滑坡點相對分布密度而言，坡度在36°～42°之間、坡向為西向、剖面曲率在-3～-1(凹形坡)范圍內(nèi)、平面曲率在2～3范圍內(nèi)時，容易發(fā)生巖質(zhì)滑坡。

(2)地質(zhì)類因子

選取工程地質(zhì)巖組、滑坡點距斷層的距離作為衡量滑坡易發(fā)性的地質(zhì)類因子。其中，工程地質(zhì)巖組是影響滑坡發(fā)育的重要內(nèi)因，不同巖性的物理力學(xué)參數(shù)存在較大差異，因而會直接影響邊坡穩(wěn)定性[6]。研究區(qū)內(nèi)出露地層，根據(jù)巖性結(jié)構(gòu)和強度，可將其分為①黃土類土、②砂卵礫類土、③混雜堆積類土、④軟弱層狀碎屑巖巖組、⑤較堅硬層狀碎屑巖巖組、⑥較堅硬-堅硬層狀變質(zhì)巖巖組、⑦堅硬塊狀侵入巖巖組等7類(表2)。由表可見：1)土質(zhì)滑坡多發(fā)生于黃土類土和混雜堆積類土中，滑坡點相對分布密度則以混雜堆積類土為高。2)巖質(zhì)滑坡多發(fā)生于軟弱層狀碎屑巖巖組和較堅硬層狀碎屑巖巖組中，就滑坡點相對分布密度而言，較堅硬-堅硬層狀質(zhì)巖巖組中更容易發(fā)生巖質(zhì)滑坡。

表2 工程地質(zhì)巖組

注：“/”表示該類型滑坡未在某類工程地質(zhì)巖組中發(fā)生。

斷層與斜坡體中軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育具有一定的相關(guān)性，斷裂帶附近巖土體完整性低，易發(fā)生滑坡[2]。利用ArcGIS緩沖區(qū)工具，將滑坡點距斷層的距離分為如圖4所示的6個級別。由圖可見：1)土質(zhì)滑坡的發(fā)生與其距斷層距離的相關(guān)性較弱，且大部分的土質(zhì)滑坡發(fā)生于距斷層距離1 500 m以外。2)巖質(zhì)滑坡與其距斷層的距離呈現(xiàn)較為明顯的負相關(guān)，即距斷層距離越近，滑坡點相對分布密度越高，且距斷層距離300～600 m時，最容易發(fā)生巖質(zhì)滑坡。

圖4 滑坡距斷層距離

(3)水文類因子

水系是誘發(fā)滑坡發(fā)生的主要外因之一。河流水系對斜坡坡腳產(chǎn)生的沖刷掏蝕作用，會削弱斜坡前緣抗力和增大臨空面，降低斜坡穩(wěn)定性[23]。研究區(qū)內(nèi)水系眾多(圖2)，但規(guī)模、流量等各不相同，因此將其分為兩個等級：第一級為雙線河、雙線渠等，如湟水河及其較大的支流，多分布于西寧市內(nèi)；第二級為單線河、單線渠、沖溝等，多分布于西寧市外的山地中。其中，一級水系以 200 m步長建立緩沖區(qū)，二級水系以100 m步長建立緩沖區(qū)，具體分級方式見圖5。由圖可見：1)根據(jù)滑坡點分布密度，滑坡的發(fā)生與其距水系的距離具有明顯的負相關(guān)性，即距水系越近，發(fā)生滑坡的數(shù)量越多。2)就滑坡點相對分布密度而言，距一級水系0～200 m或距二級水系0～100 m時，容易發(fā)生土質(zhì)和巖質(zhì)滑坡。

圖5 滑坡距水系距離

(4)人類工程活動

野外調(diào)查時發(fā)現(xiàn)由道路建設(shè)引發(fā)的山體滑坡尤為多見，修路的切坡點常常會引起邊坡失穩(wěn)，從而引發(fā)滑坡災(zāi)害。因此道路條件常作為滑坡易發(fā)性分析的評價指標(biāo)之一[24]。具體評價分類時，將道路分為兩級：第一級為一級公路、鐵路、高速公路、國道、省道等；第二級為縣道、大車路、鄉(xiāng)村路、小路等。其中，一級道路以100 m步長建立緩沖區(qū)，二級道路以50 m步長建立緩沖區(qū)，具體分級方式見圖6。由圖可見：1)土質(zhì)滑坡與其距道路的距離遠近有較為明顯的負相關(guān)性，即距道路距離越近，土質(zhì)滑坡點分布密度越高；道路緩沖區(qū)為1級即距一級道路0～100 m或距二級道路0～50 m時，土質(zhì)滑坡點相對分布密度較高，容易發(fā)生土質(zhì)滑坡。2)巖質(zhì)滑坡多集中于道路6級緩沖區(qū)，且?guī)r質(zhì)滑坡與其距道路的距離遠近相關(guān)性較弱，同時，巖質(zhì)滑坡點相對分布密度在道路5級、6級緩沖區(qū)較高，說明道路建設(shè)對巖質(zhì)滑坡影響較弱。

圖6 滑坡距道路距離

4 易發(fā)性評價

4.1 加權(quán)信息量計算

根據(jù)各指標(biāo)狀態(tài)分級，基于GIS柵格數(shù)據(jù)，利用式(2)計算出土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡各指標(biāo)狀態(tài)的信息量值(表3)。

表3 各評價指標(biāo)信息量值

注：x1～x58為上文從坡度0°～6°依次至6級道路緩沖區(qū)的所有指標(biāo)狀態(tài)。

利用ArcGIS創(chuàng)建隨機點工具提取59個非土質(zhì)滑坡點和125個非巖質(zhì)滑坡點，為確保所提取的非滑坡點處于不易發(fā)生滑坡的地質(zhì)環(huán)境中，將上述得到的信息量作為易發(fā)性指數(shù)，在ArcGIS中分別制成易發(fā)性分區(qū)圖，并從所得的較低易發(fā)區(qū)內(nèi)隨機提取非滑坡點。將滑坡點與非滑坡點導(dǎo)入至SPSS進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，從而得出土質(zhì)與巖質(zhì)滑坡評價指標(biāo)權(quán)重(表4)。

將評價指標(biāo)權(quán)重與信息量相乘，即最終用于評價滑坡易發(fā)性的易發(fā)性指數(shù)——加權(quán)信息量。對滑坡易發(fā)性指數(shù)進行重分類，分為極低易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)等4級，并分別賦值1，2，3，4，從而得出土質(zhì)、巖質(zhì)以及未經(jīng)過滑坡分類的全體滑坡易發(fā)性分區(qū)圖(圖7a)。該圖中每一柵格單元均含易發(fā)性等級信息，利用ArcGIS柵格計算器工具將土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡易發(fā)性分區(qū)圖疊加，每一柵格單元最終取值為易發(fā)性等級較大者，從而得到基于滑坡分類和加權(quán)信息量的滑坡易發(fā)性分區(qū)圖(圖7b)

4.2 評價精度比較

以往研究中，常見的易發(fā)性精度評價方法有兩種：一種是統(tǒng)計方法，統(tǒng)計歷史滑坡點落在較高易發(fā)區(qū)內(nèi)的比例；另一種是ROC曲線[4]。

表4 各指標(biāo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果(表5)，未經(jīng)滑坡分類得到的易發(fā)性分區(qū)圖中，有137個滑坡點落在高易發(fā)區(qū)中，占滑坡點總數(shù)的74.46%；經(jīng)過滑坡分類后則有152個滑坡點落在高易發(fā)區(qū)中，占滑坡點總數(shù)的82.61%，與未經(jīng)滑坡分類得到的結(jié)果比較，滑坡易發(fā)性評價精度提高了10.9%。同時，高易發(fā)區(qū)面積也有所增加，由圖7可知，所增加的面積主要集中在研究區(qū)東部湟水河兩岸，巖性主要以泥巖、砂巖、石膏巖為主，且具互層結(jié)構(gòu)，受到降雨、地下水等活動，易形成軟弱結(jié)構(gòu)面，導(dǎo)致滑坡發(fā)生。

圖7 滑坡易發(fā)性分區(qū)對比圖

表5 滑坡數(shù)量統(tǒng)計

但統(tǒng)計方法的弊端在于，它對易發(fā)性分區(qū)臨界值的依賴性較大，其結(jié)果會隨易發(fā)區(qū)臨界值的變化而變化[25]。ROC曲線則無此缺點，ROC曲線是以預(yù)測結(jié)果的每一個值作為可能的判斷閾值，由此計算得到相應(yīng)的靈敏度和特異度，以假正類率即(1-特異度)為橫坐標(biāo)，以真正類率即靈敏度為縱坐標(biāo)繪制而成[26]。其中，假正類率即非滑坡單元被正確預(yù)測的比例，真正類率即滑坡單元被正確預(yù)測的比例。ROC曲線下的面積(AUC)可用于評價模型精度，AUC值越大，表明模型的成功率越高。將模型最后的預(yù)測值導(dǎo)入SPSS中進行ROC分析，可得出滑坡單元和非滑坡單元被正確預(yù)測的比例，從而得出基于滑坡分類和未經(jīng)滑坡分類的ROC曲線(圖8)，其AUC值分別為0.823和0.782，表明經(jīng)過滑坡分類后，滑坡易發(fā)性評價精度可提高5.2%。

圖8 ROC曲線

5 結(jié)論

(1)利用相關(guān)性分析，剔除相關(guān)性系數(shù)較大的高程因素，選取坡度、坡向、剖面曲率、平面曲率、工程地質(zhì)巖組，以及滑坡點距斷層、水系、道路的距離遠近等8項因素作為評價指標(biāo)，避免各因素之間的權(quán)重疊加，保證了影響因素的相互獨立性。

(2)采用加權(quán)信息量模型進行滑坡易發(fā)性評價，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重與信息量相乘作為易發(fā)性指數(shù)，與單一的信息量模型相比，該過程考慮了各評價指標(biāo)在滑坡發(fā)生過程中所起作用的大小，反映了不同指標(biāo)影響程度的差異。

(3)基于滑坡特征及其發(fā)育機理對研究區(qū)滑坡進行分類，并賦予評價指標(biāo)體系不同的權(quán)重。統(tǒng)計方法和ROC曲線的結(jié)果顯示，基于滑坡分類的滑坡易發(fā)性評價成功率達82.61%和82.30%，與未進行滑坡分類相比較，分別提高了約10.90%和5.2%；同時，經(jīng)過滑坡分類后，湟水河兩岸地質(zhì)條件較差的地區(qū)亦轉(zhuǎn)變?yōu)榛赂咭装l(fā)區(qū)。兩種結(jié)果均表明，滑坡分類可以有效提高滑坡易發(fā)性評價效果。