基于GIS的甕安縣地質(zhì)災害易發(fā)性和危險性分區(qū)評價

應智超，王中美，劉 兵，雙同釗(貴州大學 資源與環(huán)境工程學院，貴州 貴陽 550025)

近年來，地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System, GIS)技術在地質(zhì)災害易發(fā)性和危險性分區(qū)的研究中得到了廣泛的應用[1]。在長江三峽庫區(qū)，張詩茄等[2]運用信息量模型、支持向量機模型以及雙變量模型對庫區(qū)的滑坡空間分布和易發(fā)性進行分析和評價。在汶川地震災區(qū)，馬思遠等[3]運用層次分析法、確定性系數(shù)法等模型對震區(qū)內(nèi)同震滑坡的空間分布規(guī)律、主要影響因素、震后滑坡泥石流災害的時空演化規(guī)律進行了研究。在陜西、云南、西藏等地的滑坡災害高發(fā)區(qū)，張會仙、孫家偉等結(jié)合GIS運用不同的方法和模型對地質(zhì)災害的分布進行預測和評價[4-5]。GIS技術對劃定地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)和危險區(qū)范圍，評價地質(zhì)災害的危險程度，確定防災減災的重點對象具有重要意義[6-8]。因此，本文運用GIS技術[9-10]，對貴州省甕安縣地質(zhì)災害易發(fā)性和危險性進行分區(qū)評價。

1 地質(zhì)災害發(fā)育分布特征

甕安縣位于貴州省黔南布衣族苗族自治州的北部，地理坐標為東經(jīng)107°14′05″～107°30′45″，北緯26°50′45″～27°25′55″，全縣總面積1973.7 km2。截至2018年9月末，甕安縣有地質(zhì)災害隱患點48處，地質(zhì)災害點類型包括崩塌、滑坡、地面塌陷、泥石流(圖1),其中：滑坡21處，崩塌23處，地面塌陷6處，泥石流1處[11]。甕安縣地質(zhì)災害規(guī)模以中、小型為主，其中：大型災害點3處，中型災害點15處，小型災害點33處(圖2)。

圖1 甕安縣地質(zhì)災害分布圖Fig.1 Geological hazard distribution map of Weng’an county

圖2 甕安縣地質(zhì)災害類型柱狀圖Fig.2 Bar chart of geological hazard types in Weng’an county

2 易發(fā)性分區(qū)評價

2.1 評價方法

本文利用了易發(fā)性程度指數(shù)法，對甕安縣地質(zhì)災害的易發(fā)性分區(qū)進行研究。基于對甕安縣野外地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)災害成因的了解，確定甕安縣各地質(zhì)災害類型的各種評價因子及其權(quán)重。根據(jù)各評價因子的不同狀態(tài)，按照劃分標準劃分為不同的級別，并賦予該等級分值，計算出各單元所有評價因子的加權(quán)和就可以得出每一單元的地質(zhì)災害易發(fā)程度指數(shù)。最后，依據(jù)每一單元的易發(fā)程度指數(shù)，利用ArcGIS內(nèi)置的插值法對甕安縣進行地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)[12]。

2.2 單元網(wǎng)格

采用國際科學數(shù)據(jù)服務平臺獲得的ASTER GDEM數(shù)據(jù)單元為4像素×4像素，精度約30 m×30 m。利用GIS對甕安縣斜坡的坡度、坡向、高度等進行統(tǒng)計分析。

2.3 滑坡、崩塌地質(zhì)災害易發(fā)性評價

2.3.1滑坡、崩塌評價因子的確定

滑坡和崩塌的評價因子選取坡度，地層巖性及巖土體結(jié)構(gòu)，斜坡結(jié)構(gòu)或地質(zhì)構(gòu)造，新構(gòu)造活動與地震，人類工程活動，斜坡高度，降雨量，斜坡變形破壞情況或崩塌發(fā)生頻率與崩塌規(guī)模。利用定量與半定量的方法，研究每個評價因子與地質(zhì)災害空間分布以及發(fā)育規(guī)模的對應關系和內(nèi)在聯(lián)系，確定滑坡、崩塌各評價因子權(quán)重的分配[13]。并按照評價因子的普遍認識，將評分標準量化，見表1和表2。

表1 滑坡(含不穩(wěn)定斜坡)易發(fā)性量化評分標準Tab.1 Quantitative scoring criteria for the susceptibility of landslides (including unstable slopes)

表2 崩塌易發(fā)性量化評分標準Tab.2 Quantitative scoring criteria for collapse susceptibility

2.3.2滑坡、崩塌易發(fā)性分區(qū)標準

按表1和表2的參數(shù)，對評估單元取值，計算單元的滑坡和崩塌易發(fā)性評估指數(shù)。

(1)

式中：Efbh為滑坡和崩塌易發(fā)性評估指數(shù)，ai為評價因子權(quán)重，Aj為評價因子得分。Efbh≥0.7為滑坡、崩塌高易發(fā)，0.5≤Efbh<0.7為滑坡、崩塌中易發(fā)，0.3≤Efbh<0.5為滑坡、崩塌低易發(fā)，Efbh<0.3為滑坡、崩塌不易發(fā)。

2.4 地面塌陷地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)

2.4.1地面塌陷評價因子的確定

甕安縣大多數(shù)地面塌陷形成與人類工程活動有關，尤其與礦業(yè)活動地下開采有極其密切的關系。其成因主要取決于采掘強度和采掘空間頂板的巖石性質(zhì)，對地面塌陷的評估主要選取了地下采掘強度，頂板巖性結(jié)構(gòu)，頂板至地面厚度，地下采空面積，地下采掘巷道寬度，采掘方式，并按照影響因子的普遍認識，將評分標準量化列于表3。

2.4.2地面塌陷易發(fā)性分區(qū)標準

按表3的參數(shù)，對評估單元取值，計算單元的地面塌陷易發(fā)性評估指數(shù)。

表3 地面塌陷易發(fā)性量化評分標準Tab.3 Quantitative scoring criteria for ground collapse susceptibility

(2)

式中：Eftx為地面塌陷易發(fā)性評估指數(shù)，ai為評價因子權(quán)重，xj為環(huán)境變量得分。Eftx≥1.5為塌陷高易發(fā)，1.2≤Eftx<1.5為塌陷中易發(fā)，0.8≤Eftx<1.2為塌陷低易發(fā)，Eftx<0.8為塌陷不易發(fā)。

2.5 易發(fā)性分區(qū)結(jié)果

根據(jù)甕安縣地質(zhì)災害易發(fā)性的評價因子及其相應的權(quán)重，將每個評價因子對應的圖層進行屬性賦值并分類、轉(zhuǎn)化為柵格圖層。通過ArcGIS中內(nèi)置的空間分析工具，對各評價因子對應的柵格圖層進行相應的疊加運算，得到甕安縣每種類型地質(zhì)災害的易發(fā)性指數(shù)圖層。最后，利用ArcGIS對其進行自動插值處理，得到甕安縣地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)圖。

Y發(fā)=b·(Efbh+Eftx) ，

(3)

式中b為易發(fā)性評價權(quán)重。

將甕安縣地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3類，見圖3。

圖3 甕安縣地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of geological hazardsus-ceptibility in Weng’an county

(1)地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)(Ⅰ1—Ⅰ4)

地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)主要分布在烏江—湘江—甕安縣縣城(Ⅰ1)、建中西部(Ⅰ2)、猴場永和(Ⅰ3)、永和白水河(Ⅰ4)?？偯娣e819.56 km2，占全縣面積41.52%。區(qū)內(nèi)發(fā)育45處地質(zhì)災害(滑坡19處、崩塌19處、地面塌陷6處、泥石流1處)，災害點密度為5.49/(100 km2)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境脆弱，人類工程活動強烈，地質(zhì)災害相對發(fā)育。

地質(zhì)災害中易發(fā)區(qū)主要分布在珠藏江界河(Ⅱ1)、玉山中坪建中一帶(Ⅱ2)、天文(Ⅱ3)、建中西部(Ⅱ4)、甕安縣城西部平定營(Ⅱ5)、猴場一帶(Ⅱ6)、嵐關鄉(xiāng)東部(Ⅱ7)?？偯娣e762.2 km2，占全縣面積38.62%。區(qū)內(nèi)發(fā)育3處地質(zhì)災害(滑坡2處、崩塌1處、)，災害點密度為0.39/(100 km2)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境較差，人類工程活動較大，地質(zhì)災害很少發(fā)育。

(3)地質(zhì)災害低易發(fā)區(qū)(Ⅲ1—Ⅲ4)

地質(zhì)災害低易發(fā)區(qū)主要分布在甕安縣東部永和至嵐關(Ⅲ1)、西部中坪至建中(Ⅲ2)、北部珠藏(Ⅲ3)及牛場(Ⅲ4)一帶。區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境較好，人類工程活動強度低，地質(zhì)災害不太發(fā)育?？偯娣e共計391.94 km2，占全縣面積19.86%。

3 危險性分區(qū)評價

3.1 評價方法

3.1.1地質(zhì)災害易損性評價方法

地質(zhì)災害可能造成的社會經(jīng)濟易損程度，用易損性指數(shù)來度量。評價指標包括生命損失、財產(chǎn)損失、社會經(jīng)濟損失和資源與環(huán)境損失4個指標。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境分區(qū)單元易損性指數(shù)值，可定量化地綜合反映甕安縣地質(zhì)災害社會經(jīng)濟易損程度的空間分布。

地質(zhì)災害易損性指數(shù)Y損計算:

Y損=a·(Es+Ec+Ej+Ez)。

(4)

式中:a為損失率，Es為生命損失，Ec為財產(chǎn)損失，Ej為社會經(jīng)濟損失，Ez為資源與環(huán)境損失。Y損≥0.6為髙易損區(qū)，0.4≤Y損<0.6為中易損區(qū)，0.2≤Y損<0.4為低易損區(qū)，Y損<0.2為不易損區(qū)。

DPPH是一以氮為中心的穩(wěn)定的自由基,在517 nm處有一強吸收,呈深紫色,常被用于體外抗氧化評價[11]。當有自由基清除劑存在時,會與DPPH的單電子配對使其在517 nm的吸收消失或減弱,減弱程度與接受電子數(shù)量呈定量關系。因此,DPPH分析方法被廣泛用于清除自由基的研究。由圖4可知,香水蓮多糖溶液和維生素C對DPPH自由基都有清除作用,并且隨著濃度增加,對DPPH自由基的清除能力越強。在0.1～1.1 mg/mL的濃度范圍內(nèi),香水蓮多糖溶液對DPPH自由基的清除率隨多糖濃度的升高顯著增強,當濃度高于1.1 mg/mL時,香水蓮多糖溶液對DPPH自由基的清除能力與維生素C基本相當。

根據(jù)易損性指數(shù)，利用ArcGIS進行柵格化處理，疊加分析，得到甕安縣地質(zhì)災害易損性指數(shù)圖層，見圖4。根據(jù)易損性指數(shù)圖層，利用ArcGIS進行甕安縣地質(zhì)災害社會經(jīng)濟易損性分區(qū)。

圖4 甕安縣地質(zhì)災害易損性圖層Fig.4 Vulnerability layer of geological hazards in Weng’an county

3.1.2地質(zhì)災害危險性評價方法

地質(zhì)災害危險性評價分為易發(fā)性和易損性兩部分，利用ArcGIS的柵格計算工具計算出每個地質(zhì)環(huán)境分區(qū)單元的地質(zhì)災害危險性指數(shù):

W危=a1·Y發(fā)+a2·Y損。

(5)

式中：a1為地質(zhì)災害易發(fā)性指數(shù)的權(quán)重，一般取0.6;a2為地質(zhì)災害易損性指數(shù)的權(quán)重，一般取0.4。

3.2 地質(zhì)災害危險性評價結(jié)果

3.2.1危險性評價結(jié)果

根據(jù)上述地質(zhì)災害易發(fā)性指數(shù)和易損性指數(shù)結(jié)果，利用ArcGIS的空間分析工具對易發(fā)性和易損性柵格圖層進行疊加處理，得到甕安縣地質(zhì)災害危險性指數(shù)圖層。對評價結(jié)果進行合并處理，采用自然間斷點劃分方法將評價結(jié)果劃分為地質(zhì)災害高危險區(qū)(>3.03～4.00)、地質(zhì)災害中危險區(qū)(>2.11～3.03)及地質(zhì)災害低危險區(qū)(1.00～2.11)。甕安縣地質(zhì)災害危險性分區(qū)圖見圖5。

圖5 甕安縣地質(zhì)災害危險性分區(qū)圖Fig.5 Zoning map of geological hazard risk in Weng’an county

3.2.2危險性分區(qū)

(1)地質(zhì)災害高危險區(qū)(Ⅰ)

地質(zhì)災害高危險區(qū)共計4個亞區(qū)，包括烏江湘江河谷岸坡(Ⅰ1)、建中中坪西部(Ⅰ2)、甕安縣城至銀盞一帶 (Ⅰ3)、永和至猴場一帶(Ⅰ4)，總面積809.22 km2，占全縣面積41.00%。區(qū)內(nèi)地貌為溶蝕-侵蝕中低山地貌，地形起伏較大，斷層、褶皺相對發(fā)育，區(qū)內(nèi)人口分布較為集中，主要沿及寬谷、平壩一帶。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)44處地質(zhì)災害：滑坡18處、崩塌19處、地面塌陷6處、泥石流1處。

(2)地質(zhì)災害中危險區(qū)(Ⅱ)

地質(zhì)災害中危險區(qū)共計4個亞區(qū)，包括珠藏至江界河一帶(Ⅱ1)、天文玉山建中一帶(Ⅱ2)、建中西部(Ⅱ3)、猴場永和嵐關一帶(Ⅱ4)，總面積839.63 km2，占全縣面積42.54%。區(qū)內(nèi)地貌多為溶蝕性中低山地貌，區(qū)內(nèi)斷層較發(fā)育，多為北東向，人口分布相對較為集中。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)4處地質(zhì)災害，滑坡2處、崩塌2處。

(3)地質(zhì)災害低危險區(qū)(Ⅲ)

地質(zhì)災害低危險區(qū)共計3個亞區(qū)，包括珠藏油房一帶(Ⅲ1)、中坪建中一帶(Ⅲ2)、嵐關西部(Ⅲ3)。總面積324.85 km2，占全縣面積16.46%。區(qū)內(nèi)地勢相對平緩，地貌主要為丘陵、寬谷、平壩及緩坡為主，人類工程活動相對較弱，地質(zhì)構(gòu)造較為簡單，本次調(diào)查未見地質(zhì)災害發(fā)生，在連續(xù)降雨或暴雨情況下，易引發(fā)小規(guī)模滑坡，但危害不大。

4 結(jié)語

采用國際科學數(shù)據(jù)服務平臺獲得的ASTER GDEM 數(shù)據(jù)單元，參考野外地質(zhì)調(diào)查資料，選取了對甕安縣地質(zhì)災害發(fā)育影響較大的環(huán)境地質(zhì)變量作為評價因子，運用ArcGIS軟件對各單元內(nèi)各因子進行屬性的賦值，通過ArcGIS的柵格計算工具與自然插值法對甕安縣進行地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)。結(jié)果可劃分為高、中、低3類易發(fā)區(qū)?；?個易損性指標的確定與賦值，通過ArcGIS的柵格計算工具與自然插值法得到甕安縣易損性指數(shù)圖層。最后結(jié)合地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)圖和易損性指數(shù)圖層，利用ArcGIS將甕安縣地質(zhì)災害危險性區(qū)域劃分為高危險區(qū)、中危險區(qū)和低危險區(qū)3類危險區(qū)。劃分結(jié)果和野外調(diào)查結(jié)果能夠較好地相匹配。