基于GIS和信息量模型的安徽池州地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

王 雷，吳君平，趙冰雪，3，姚志強(qiáng)，張樂勤

(1.池州學(xué)院地理與規(guī)劃學(xué)院，安徽 池州 247000；2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站， 安徽 合肥 230000；3.南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引言

池州地處安徽西南，北與安慶市隔江相望，南鄰黃山市，西與江西省毗鄰。池州西北部為沿江平原，地勢(shì)低平，河湖交錯(cuò)，地表由第四紀(jì)全新世和更新世沖積、坡積和洪積物組成；中部為崗沖相間丘陵區(qū)，由中元古界淺變質(zhì)巖及古生代碎屑巖和碳酸鹽巖及燕山晚期巖漿巖等組成；東南部以九華山、老山、牯牛降和仙寓山構(gòu)成南部山區(qū)骨架(圖1)。區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造單元屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)區(qū)，橫跨下?lián)P子臺(tái)坳和江南臺(tái)隆兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，經(jīng)過多期次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，褶皺、斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，使巖石破碎，易于風(fēng)化。地層間的主干斷裂有東至斷裂、葛公斷裂、高坦斷裂、江南深斷裂、周王深斷裂等。在安徽省地質(zhì)災(zāi)害防治“十三五”規(guī)劃中，池州市被列為崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷的重點(diǎn)防治區(qū)域[1]。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of study area

目前已有多位學(xué)者對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，但由于不同的地質(zhì)、氣候、人類活動(dòng)環(huán)境下，影響因素有所不同，各因子的適宜性也有差別，目前沒有形成統(tǒng)一的方法[2-4]。常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型主要有：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5-6]、信息量法[7-10]、綜合指數(shù)法[11-12]、層次分析法[13-14]、邏輯回歸分析[15-16]、證據(jù)權(quán)法[17]等。信息量法具有原理簡(jiǎn)單，易于建模且具有較高精度的特點(diǎn)，近年來，以GIS為代表的空間信息技術(shù)結(jié)合信息量模型已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的評(píng)價(jià)中[7-10,18-19]。

基于信息量模型，借助GIS技術(shù)分析地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性，步驟如下：(1)選取與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的影響因子，完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理；(2)運(yùn)用ArcGIS重分類和區(qū)域統(tǒng)計(jì)工具統(tǒng)計(jì)各影響因子不同區(qū)間的災(zāi)害信息；(3)依據(jù)統(tǒng)計(jì)信息，分析各因子的空間分布特征及其與災(zāi)害發(fā)生的關(guān)系，計(jì)算致災(zāi)因子不同區(qū)間的信息量；(4)對(duì)單因子不同區(qū)間按信息量重新賦值，獲得單因子信息量圖，借助疊加分析方法，獲得綜合信息量圖層；(5)采用分位數(shù)法將綜合信息量圖層劃分為50個(gè)區(qū)間，在此基礎(chǔ)上依據(jù)不同區(qū)間的災(zāi)害點(diǎn)密度將圖層劃歸為5個(gè)易發(fā)區(qū)間；(6)統(tǒng)計(jì)不同易發(fā)區(qū)間的面積占比與災(zāi)積比，判斷區(qū)間劃分的合理性。

1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)包括全市388個(gè)歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，來源于安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站池州站，其中滑坡146個(gè)，崩塌199個(gè)，塌陷21個(gè)，泥石流22個(gè)?？紤]該區(qū)主要的災(zāi)害類型為崩塌和滑坡以及不同災(zāi)害類型致災(zāi)因素的差異，本文選取其中的345個(gè)滑坡和崩塌災(zāi)害點(diǎn)作為災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)。坡度和坡向通過ASTER GDEM V2數(shù)據(jù)生成，數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云，分辨率為30 m；道路數(shù)據(jù)源于Open Street Map，在此基礎(chǔ)上，借助Google影像完善道路網(wǎng)；河流數(shù)據(jù)基于DEM通過ArcGIS水文分析工具獲??；地層巖性和斷裂數(shù)據(jù)來源于安徽省地質(zhì)圖；土地利用類型數(shù)據(jù)來源于FROM-GLC(http://data.ess.tsinghua.edu.cn/)，分辨率為10 m；降雨量數(shù)據(jù)來源于安徽省水文局水文信息網(wǎng)(http://yc.wswj.net/ahsxx/LOL/public/public.html)，有效站點(diǎn)數(shù)92個(gè)，選取2014—2018年的年均降雨量作為站點(diǎn)的年降雨量值，通過張力樣條插值生成全區(qū)降雨量空間分布圖。

2 信息量模型

信息量模型源于信息理論中量化描述信息的一種統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)方法，由美國(guó)數(shù)學(xué)家，信息論創(chuàng)始人香農(nóng)提出[20]，被許多學(xué)者廣泛的應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受多種因素的影響，在不同的地理環(huán)境中，各種影響因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生的作用有所差異。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與否與評(píng)價(jià)過程中各因素信息量的大小有關(guān)，以已發(fā)生災(zāi)害的影響因素為依據(jù)，推算標(biāo)志災(zāi)害發(fā)生概率的信息量，建立評(píng)價(jià)模型，從而對(duì)整個(gè)區(qū)域的災(zāi)害易發(fā)性做出評(píng)價(jià)。信息量通過事件概率來計(jì)算，見公式(1)

(1)

其中I(E,x1x2…xn)為因素x1x2…xn組合條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的信息量，p(E|x1x2…xn)為x1x2…xn組合下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，p(E)為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。式(1)可改寫為：

I(E,x1x2…xn)=I(E,x1)+Ix1(E,x2)+…+

Ix1x2…xn-1(E,xn)

(2)

Ix1(E,x2)為因素x1存在的條件下，因素x2所提供的信息量。

通常情況下，影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因素有很多，在排除因子相互影響的前提下，可計(jì)算各因子的單因子信息量，通過疊加得到多因子共同作用下的綜合信息量，見公式(3)

(3)

式(3)中Ii為各因子的信息量，可用頻率估計(jì)條件概率來估算因素xi對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生事件(E)提供的信息量。

ArcGIS中采用柵格數(shù)據(jù)組織評(píng)價(jià)單元，通常情況下，每個(gè)柵格單元由多個(gè)影響因素，各因素又被劃分為多個(gè)區(qū)間或類別，對(duì)每個(gè)柵格單元的信息量進(jìn)行求和就得到該柵格單元的信息量，見公式(4)

(4)

式中：n——評(píng)價(jià)因子個(gè)數(shù)；

A——研究區(qū)評(píng)價(jià)單元總面積；

N——研究區(qū)內(nèi)含有災(zāi)害點(diǎn)的總數(shù)；

Ai——研究區(qū)含有評(píng)價(jià)因素xi的單元總面積；

Ni——分布在評(píng)價(jià)因素xi的災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)。

I為柵格單元的信息量預(yù)測(cè)值，I值有正有負(fù)，當(dāng)I大于0時(shí)表示多因素的組合有利于柵格單元發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，反之則表示不利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。信息量的值越大表示越易于發(fā)生災(zāi)害。

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

3.1 災(zāi)害影響因子分析

本文通過收集影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，最終選取坡度、坡向、工程地質(zhì)巖組、斷裂、道路、河流、降雨量、土地利用類型8個(gè)影響因子進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。利用ArcGIS對(duì)因子進(jìn)行分級(jí)，離散型因子根據(jù)已有的分類標(biāo)準(zhǔn)，如：工程地質(zhì)巖組、土地利用類型。連續(xù)型因子中坡度、坡向采用細(xì)化等間距的分級(jí)方式；降雨量按100 mm等間距分級(jí)；距斷裂、道路和河流的距離參考已有研究[9,21]，結(jié)合區(qū)間內(nèi)的災(zāi)害密度進(jìn)行分級(jí)，各因子劃分區(qū)間見表1。

(1)地形因素

地形決定著區(qū)域地面能量與物質(zhì)的再分配，是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的基礎(chǔ)條件?；贒EM進(jìn)行坡度和坡向計(jì)算。其中坡度以5°為間隔，劃分為10個(gè)等級(jí)。坡向以正北為0°，依順時(shí)針方向增至360°，每隔30°將坡向劃分為12個(gè)區(qū)間，另外ArcGIS中-1代表水平面，故共有13個(gè)區(qū)間。

由圖2(a)可見，隨著坡度的增大整體災(zāi)害密度表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，坡度大于20°以上的區(qū)間占總面積的32.34%，區(qū)間內(nèi)災(zāi)害密度高。從圖2(b)可知，坡向與災(zāi)害發(fā)生總體表現(xiàn)為東南(90°～210°)方向密度較高，西北方向密度低，這與池州夏季受東南季風(fēng)影響，陽坡的水熱條件更為顯著，易于造成地質(zhì)災(zāi)害相吻合。

(2)地質(zhì)構(gòu)造

依據(jù)池州市巖土體類型劃分和特征一覽表[22]將區(qū)域劃分為7類工程地質(zhì)巖組：堅(jiān)硬-較堅(jiān)硬塊裂狀花崗巖為主巖漿巖巖組(R)；堅(jiān)硬-較堅(jiān)硬中-厚層狀巖溶較發(fā)育的碳酸鹽巖巖組(O)；較堅(jiān)硬-軟弱層狀碳酸鹽巖與碎屑巖巖組(P+T)；堅(jiān)硬-軟弱薄-厚層狀砂巖泥巖頁巖為主碎屑巖巖組(S)；堅(jiān)硬-較軟弱中厚-巨厚層狀砂礫巖為主碎屑巖巖組(K)；較堅(jiān)硬-軟弱片狀含云母千枚巖、板巖巖組(Pt2)；第四紀(jì)松散巖類巖組(Q)。由圖2(c)可見：地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生密度最大的是R，其面積占總面積的11.67%，災(zāi)害密度為10.97個(gè)/100 km2。

研究區(qū)內(nèi)經(jīng)過多次的地質(zhì)構(gòu)造，發(fā)育了多條斷裂，斷裂帶附近受斷裂作用影響易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。以斷裂帶為中心做5個(gè)等級(jí)的緩沖區(qū)。由圖2(d)可見，災(zāi)害發(fā)生的密度在斷裂帶附近明顯高于其它地方。

(3)道路

池州屬于皖南低山丘陵區(qū)，山區(qū)村落主要沿河道和山谷分布，且房屋多依山而建。山區(qū)道路在建設(shè)過程中多存在開挖坡體的情況，這會(huì)直接影響坡體的穩(wěn)定性，形成地質(zhì)災(zāi)害隱患。以池州主要道路為中心做5個(gè)等級(jí)的緩沖區(qū)。由圖2(e)可見，臨近道路的區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)密度明顯大于其它區(qū)域。

(4)河流

池州境內(nèi)有三大水系，九條主要河流，其中多數(shù)河流由南向北匯入長(zhǎng)江。在夏季強(qiáng)降雨條件下，山體斜坡易受水體的沖刷，影響其穩(wěn)定性。以河網(wǎng)為中心做5個(gè)等級(jí)的緩沖區(qū)。由圖2(f)可見，災(zāi)害發(fā)生的密度整體與臨近河流的距離成負(fù)相關(guān)性。

(5)降雨量

池州市屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，受東南季風(fēng)的影響，降雨量整體呈東南高西北低的特點(diǎn)。在降雨的主要季節(jié)，山區(qū)受地形因素的影響，降雨在短時(shí)局部空間上差異往往較為明顯，且總體與海拔的高度成正比。由圖2(g)可見，隨著降雨量的增加地質(zhì)災(zāi)害的密度呈明顯的上升趨勢(shì)，其中降雨量大于2 000 mm的區(qū)域?yàn)?zāi)害密度為10.80個(gè)/100 km2，其面積占總面積的10.74%。

(6)土地利用類型

在FROM-GLC 10 m土地利用數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，將池州土地利用類型劃分為耕地、林地、草地、水域、不透水面和裸地。由圖2(h)可見，裸地的災(zāi)害密度高達(dá)41.1個(gè)/100 km2，這主要是由于礦山開發(fā)造成了多起地質(zhì)災(zāi)害。

圖2 因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育貢獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of factors contribution to the development of geological disasters

3.2 致災(zāi)因子信息量計(jì)算

運(yùn)用ArcGIS重分類得到8個(gè)因子專題圖(圖3)，圖層?xùn)鸥駟卧笮?0 m×30 m，統(tǒng)計(jì)因子不同區(qū)間的面積及災(zāi)害發(fā)生數(shù)量獲得各因子不同區(qū)間的信息量表(表1)。根據(jù)信息量值對(duì)各因子圖層重新賦值得到各致災(zāi)因子的信息量圖層，利用柵格計(jì)算器疊加單因子信息量圖層得到綜合信息量分布圖。

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

對(duì)災(zāi)害易發(fā)性的分級(jí)，多數(shù)學(xué)者采用“自然斷點(diǎn)法”[9-10,18]，該方法認(rèn)為數(shù)據(jù)本身有斷點(diǎn)，其適宜性受到一定限制。本文首先對(duì)綜合信息量采用“分位數(shù)”分類法分為50個(gè)區(qū)間，從而保證每個(gè)區(qū)間的面積較為平均，在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間的災(zāi)害點(diǎn)密度。參考吳樹仁提出的分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)[4]，依據(jù)不同信息量區(qū)間的災(zāi)害點(diǎn)密度劃分易發(fā)性等級(jí)，將密度小于0.5個(gè)/100 km2的定為低易發(fā)區(qū)；大于0.5個(gè)/100 km2，小于2個(gè)/100 km2的定為較低易發(fā)區(qū)；大于2個(gè)/100 km2，小于5個(gè)/100 km2的定為中易發(fā)區(qū)；大于5個(gè)/100 km2，小于15個(gè)/100 km2定為較高易發(fā)區(qū)；大于15個(gè)/100 km2的定為高易發(fā)區(qū)。據(jù)此，由低易發(fā)區(qū)至高易發(fā)區(qū)的信息量區(qū)間分別為(-11.23，-4.44)、(-4.44，-1.19)、(-1.19，-0.05)、(-0.05，0.99)、(0.99，6.68)分類標(biāo)準(zhǔn)見圖4，結(jié)果見圖3(i)。

4 結(jié)果評(píng)價(jià)

通過疊加以上8個(gè)致災(zāi)因子，并對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果進(jìn)行區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析，可得各易發(fā)區(qū)內(nèi)主要的致災(zāi)因子的組合形式，結(jié)合圖3(i)可見：

(1)高和較高易發(fā)區(qū)面積為1 801.47 km2，約占全區(qū)面積的21.77%，主要分布在坡度較大的山區(qū)河谷兩側(cè)。究其原因是山區(qū)道路和村落多沿河道和山谷而建、人為開鑿邊坡和河流沖刷作用下容易造成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

圖3 評(píng)價(jià)因子分級(jí)和易發(fā)性等級(jí)Fig.3 The classified distribution maps of evaluation factors and susceptibility

表1 致災(zāi)因子信息量

圖4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Fig.4 The standard of the susceptibility classification

(2)中易發(fā)區(qū)面積為2 156.38 km2，約占全區(qū)面積的26.07%，主要位于遠(yuǎn)離道路和河流的山區(qū)，該區(qū)域受道路和流水等因素的影響較小，但由于地形坡度較大，較易在其他人為因素的影響下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

(3)較低和低易發(fā)區(qū)面積4 313.84 km2，約占全區(qū)面積的52.15%，主要分布在沿江平原地帶和南部山區(qū)地勢(shì)較為平緩的區(qū)域。沿江平原地帶由于地勢(shì)平坦，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性較小，南部山區(qū)部分遠(yuǎn)離道路、河流且坡度較小區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率也不大。

表2 不同易發(fā)性等級(jí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際災(zāi)害

通過GIS區(qū)域統(tǒng)計(jì)分析工具，獲取各易發(fā)等級(jí)區(qū)域的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量，統(tǒng)計(jì)不同易發(fā)等級(jí)的單元個(gè)數(shù)、各區(qū)域的面積占比、各區(qū)域的災(zāi)害點(diǎn)占總數(shù)量的比例、不同易發(fā)等級(jí)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害比例。由表2可見，隨著易發(fā)性等級(jí)的提高，單位面積內(nèi)的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量由0.33增加到25.73。高易發(fā)區(qū)和較高易發(fā)區(qū)占區(qū)域總面積的21.77%，而災(zāi)害發(fā)生數(shù)量占總災(zāi)害的70.15%，其中高易發(fā)區(qū)占48.7%，災(zāi)積比為6.17，明顯高于其他易發(fā)等級(jí)。

5 結(jié)論

(1)基于信息量模型，選取8個(gè)主要的致災(zāi)因子，借助GIS技術(shù)對(duì)安徽池州地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過計(jì)算不同因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的信息量，疊加計(jì)算獲得該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分布圖，依據(jù)災(zāi)害發(fā)生密度將易發(fā)性分為低易發(fā)區(qū)、較低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)5類。

(2)礦山開采區(qū)、道路附近100 m內(nèi)、河流附近200 m內(nèi)、塊裂狀花崗巖為主巖漿巖巖組、斷裂帶附近500 m以內(nèi)、降雨量大于2 000 mm的山區(qū)、坡度大于20°、山體的東南坡面是研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的集中區(qū)域。

(3)從高易發(fā)區(qū)的分布來看，坡度較大的山區(qū)道路和河流附近易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，表明在地形坡度較大的區(qū)域人類工程活動(dòng)和流水作用對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生影響明顯。

(4)隨著易發(fā)性等級(jí)的提高，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的比例快速上升，易發(fā)性等級(jí)與實(shí)際災(zāi)害發(fā)生的相符，高和較高易發(fā)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害占總災(zāi)害數(shù)量的70.15%，高易發(fā)區(qū)災(zāi)積比為6.17，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠，可為該區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治和經(jīng)濟(jì)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。