基于斜坡單元優(yōu)化的高海拔地區(qū)滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)
——以金沙江白格滑坡為例

孟田，許曉露，劉漢湖

(成都理工大學(xué) 國土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 引 言

受地形地貌、地層巖性等影響，山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)[1]，滑坡是山區(qū)最常見的自然災(zāi)害之一[2]，給山區(qū)人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成相當(dāng)大的損害，常常導(dǎo)致基礎(chǔ)設(shè)施破壞，成為影響山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一，同時(shí)也是世界的第三大災(zāi)害[3]。金沙江上游多高山、峽谷地貌，滑坡頻發(fā)，開展此類地區(qū)滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)對優(yōu)化自然環(huán)境資源、保護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施，減少人員傷亡都有著重要意義。

隨著計(jì)算機(jī)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)發(fā)展，學(xué)者們不斷更新地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)的單元與方法。目前國內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)常用的基本單元有網(wǎng)格單元、柵格單元、流域單元、斜坡單元以及地形單元[4-6]等。其中斜坡單元可以提高與實(shí)際地貌的吻合程度[7]，眾多學(xué)者利用斜坡單元評價(jià)災(zāi)害，提高評價(jià)精度，取得先進(jìn)成果，例如，黃啟樂等[8]利用斜坡單元對災(zāi)害防治示范區(qū)木魚鎮(zhèn)進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)，提供科學(xué)的防治依據(jù)；邱丹丹等[6]利用優(yōu)化的斜坡單元完成滑坡敏感性分析的精度達(dá)到了98.72%。然而在過去的研究中，高海拔地區(qū)斜坡單元存在許多破碎小單元和不符合地形的直線，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力修改[9]?；诖?，本文擬優(yōu)化高海拔地區(qū)斜坡單元存在的問題，減少耗時(shí)耗力，提高評價(jià)精度，提供更科學(xué)合理的危險(xiǎn)性評價(jià)方法。結(jié)合研究區(qū)的實(shí)際情況，本文選取巖性、距斷層距離、平均坡度、平均高程、坡形、土地利用、距河流距離7個(gè)因子作為危險(xiǎn)性評價(jià)的評估因子，利用AHP模型和GIS分析功能對研究區(qū)進(jìn)行災(zāi)后危險(xiǎn)性評價(jià)。

1 研究區(qū)概況

金沙江白格滑坡位于西藏自治區(qū)江達(dá)縣與四川省白玉縣交界處金沙江右岸白格村，地理坐標(biāo)為31° 4′56.37″ N，98°42′9.70″ E。本文以白格滑坡為中心，選取西藏自治區(qū)江達(dá)縣、貢覺縣和四川省白玉縣三縣相交處為研究區(qū)域(圖1)，研究區(qū)坐標(biāo)30°00′～32°00′ N，98°00′～99°00′E，海拔高度在2 782～5 080 m間，總面積1 609 km2，位于橫斷山脈東段，金沙江上游河谷地帶，地質(zhì)構(gòu)造活躍，海拔高，地形高差大，為滑坡發(fā)生提供了自然臨空條件。

圖1 研究區(qū)域 Fig.1 Study area

2 優(yōu)化斜坡單元提取方法

斜坡單元是基于ArcGIS水文分析功能提取溝谷線形成的評價(jià)單元，包括填洼、提取流向流量、生成河網(wǎng)、生成集水流域等關(guān)鍵步驟。在上述過程中，填洼閾值影響溝谷線精確度，集水面積閾值決定斜坡單元的疏密程度。本文根據(jù)洼地深度選取最佳填洼閾值，而后通過河網(wǎng)密度-集水面積閾值擬合曲線，選取最佳集水面積閾值，提取的斜坡單元更符合實(shí)際地形，達(dá)到了優(yōu)化斜坡單元的目的。

研究區(qū)海拔高，地形高差大，默認(rèn)填洼閾值自動提取會出現(xiàn)無法識別的河流，因此繪制出大面積不符合地形的直線(圖2)。計(jì)算正地形洼地深度(1～82 m)，負(fù)地形洼地深度(1～245 m)，通過實(shí)驗(yàn)，最終將正地形填洼閾值設(shè)置為40 m，負(fù)地形填洼閾值設(shè)置為100 m，優(yōu)化高山地區(qū)斜坡單元的效果顯著(圖2)。

圖2 默認(rèn)填洼閾值和最佳填洼閾值填洼效果對比Fig.2 Comparison chart of default filling threshold and optimal filling threshold

通過擬合河網(wǎng)密度-集水面積閾值關(guān)系曲線，可見集水面積閾值增大時(shí)，河網(wǎng)密度呈現(xiàn)出兩個(gè)不同階段：迅速下降階段和緩速下降階段(圖3和圖4)，河網(wǎng)密度隨閾值變化趨于平緩的點(diǎn)對應(yīng)最佳閾值[10]。通過擬合曲線并求解二次導(dǎo)數(shù)，二次導(dǎo)數(shù)趨近于0時(shí)[7]，解出正地形為最佳填洼閾值，為1 300，負(fù)地形為1 500，提取的河流與實(shí)際河流吻合程度更好。

圖3 正地形河網(wǎng)密度與集水面積閾值的關(guān)系Fig.3 Topographical river network density-catchmentarea threshold relation

圖4 負(fù)地形河網(wǎng)密度-集水面積閾值關(guān)系Fig.4 Negative topographic river networkdensity-catch area threshold relation

最后結(jié)合坡向、影像，修改不合理斜坡單元，生成研究區(qū)符合地形的斜坡單元(圖5)，共1 017個(gè)，其中白格滑坡落于單獨(dú)的斜坡單元內(nèi)。

3 滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)

3.1 評價(jià)因子選擇與分級

地質(zhì)災(zāi)害受多種因素影響，具有不確定性和復(fù)雜性。地質(zhì)背景是滑坡發(fā)生的內(nèi)在條件，地形是孕育滑坡的基本條件，土地利用類型、水文、道路、降水等是滑坡的誘發(fā)因子[11]。

圖5 研究區(qū)斜坡單元

3.1.1 地質(zhì)因子

巖性對滑坡發(fā)育有明顯的影響，例如邊坡的類型、成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物以及節(jié)理差異化等對滑坡的形變均有很大影響。研究區(qū)巖性由絹云石英片巖、二云片巖、綠泥片巖、千枚巖、砂巖、板巖、礫巖構(gòu)成，侵入巖主要有二長花崗巖、花崗閃長巖。利用中國地質(zhì)調(diào)查局1∶20萬基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)將研究區(qū)巖性質(zhì)地分為4類：片狀半堅(jiān)硬巖石，塊狀-片狀半堅(jiān)硬巖石，塊狀-片狀堅(jiān)硬巖石，塊狀堅(jiān)硬巖石。斷層對滑坡發(fā)生也有重要影響，因?yàn)檠芯繀^(qū)SN向和NNW向斷裂發(fā)育，距斷層越近，巖體越破碎，強(qiáng)度越低，邊坡穩(wěn)定性越差，越容易發(fā)生滑坡。根據(jù)巖土類型和距離斷層距離對A1，A2分級賦值后，以斜坡單元為單位分別計(jì)其平均值[12]。

3.1.2 地形條件：

通常而言，斜坡更易發(fā)生滑坡，坡度增大，邊坡穩(wěn)定性降低，因此坡度對滑坡發(fā)育有重要的影響，但有研究表明[13-14]，坡度與滑坡發(fā)育概率之間的關(guān)系不是線性的，在25°～35°間的危險(xiǎn)性最高。高程對坡體應(yīng)力值大小有重要影響，坡高程越大，應(yīng)力值也越大，研究區(qū)地處高山峽谷地區(qū)，高程影響溫度、降雨、地表覆被、人類活動，因此，有必要選擇高程作為評價(jià)因子。曲率反映了斜坡的形態(tài)，不同曲率的地表侵蝕和地表徑流也不同，曲率<0，坡面為凹形或階梯形，危險(xiǎn)程度較低，而曲率>0時(shí)，坡面為直線或凸形，危險(xiǎn)程度較高，容易在坡腳處應(yīng)力集中失穩(wěn)。利用 ASTER GDEM 2的DEM數(shù)據(jù)提取平均坡度、平均高程和曲率(圖6)，利用自然斷點(diǎn)法分為5類。

3.1.3 其他因子

高山峽谷地區(qū)河流兩岸侵蝕作用明顯，對河谷巖土體穩(wěn)定性破壞強(qiáng)，一般而言，距離河流越近,侵蝕作用越強(qiáng)烈，越容易發(fā)生滑坡，基于DEM數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)河網(wǎng)化賦值。各類土地利用類型使基巖穩(wěn)定性不同，本文采用的土地利用數(shù)據(jù)來源于地表覆蓋制圖(FROM-GLC)，分為農(nóng)田、森林、草地、灌木、濕地、凍原、裸地、河流8種類型[15]，統(tǒng)計(jì)斜坡單元內(nèi)最大面積類型，作為斜坡土地利用類型并賦值。

因此本文選用巖性(A1)、距斷層距離(A2)、平均坡度(A3)、平均高程(A4)、坡形(A5)、距河流距離(A6)、土地利用(A7)作為滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)因子，對其進(jìn)行分級賦值的規(guī)則，如表1所示。

表1 評價(jià)因子分級賦值

3.2 評價(jià)體系

國內(nèi)外學(xué)者一般采用層次分析法、加權(quán)線性組合法、雙變量統(tǒng)計(jì)模型等作為地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)體系，本文采用層次分析法(AHP)實(shí)現(xiàn)定性和定量結(jié)合的系統(tǒng)多目標(biāo)決策[16-17]。層次分析法主要步驟有:建立評價(jià)模型、構(gòu)建判斷矩陣、計(jì)算最大特征值和特征向量、一致性檢驗(yàn)[18]。

圖6 研究區(qū)滑坡評價(jià)因子提取結(jié)果Fig.6 Extraction tesults of landslide evaluation factor of the study area

本文利用7個(gè)評價(jià)因子(Ai)建立研究區(qū)三層分析評價(jià)模型(圖7)。第一層目標(biāo)層(C),表現(xiàn)滑坡危險(xiǎn)性；第二層約束層(B)，由地質(zhì)因子(B1)、地形因子(B2)和其他因子(B3)組成；第三層由影響滑坡發(fā)生的具體7個(gè)因子構(gòu)成，包括巖性(A1)、距斷層距離(A2)、平均坡度(A3)、平均高程(A4)、坡形(A5)、距河流距離(A6)、土地利用(A7)。評價(jià)模型詳見圖7。

對相鄰兩層之間的各因素進(jìn)行兩兩重要度判斷(表2)，按重要度對元素進(jìn)行1～9賦值后構(gòu)造出判斷矩陣量化評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重(Wi)，見表3，矩陣一致性(0.017 6)可以接受。

圖7 滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)模型

表2 重要性標(biāo)度值

在滑坡形成原因分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家對各個(gè)因素打分情況，對每個(gè)因子進(jìn)行量化賦值，然后引入危險(xiǎn)性評價(jià)指數(shù)(R)表示災(zāi)后危險(xiǎn)性[19-22]。

(1)

式中：R為危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo);Ai為評價(jià)因子;Wi為評價(jià)因子權(quán)重。

表3 滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)因子權(quán)重

通過計(jì)算危險(xiǎn)性評價(jià)指數(shù)(R)，得到研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)制圖，將研究區(qū)危險(xiǎn)性劃分為5類，能較好地表現(xiàn)研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性，分別為：高危險(xiǎn)區(qū)>0.70；較高危險(xiǎn)區(qū)0.62 ～0.70；中危險(xiǎn)區(qū)0.55～0.62；較低危險(xiǎn)區(qū)0.46～0.55；低危險(xiǎn)區(qū)<0.46。高危險(xiǎn)區(qū)斜坡單元有181個(gè)，較高危險(xiǎn)區(qū)228個(gè)，中危險(xiǎn)區(qū)309個(gè)，較低危險(xiǎn)區(qū)202個(gè)，低危險(xiǎn)區(qū)97個(gè)。

3.3 驗(yàn)證及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證此方法危險(xiǎn)性評價(jià)的合理性，參考過去的研究文獻(xiàn)，從Google Earth上解譯驗(yàn)證這些滑坡，通過野外驗(yàn)證，研究區(qū)曾發(fā)生過滑坡共計(jì)21處，將其作為驗(yàn)證滑坡，構(gòu)建歷史滑坡庫。

驗(yàn)證滑坡有13處位于高危險(xiǎn)區(qū)、4處位于較高危險(xiǎn)區(qū)、3處位于中危險(xiǎn)區(qū)、1處位于較低危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)有0處，高-較高危險(xiǎn)率(a)占比為80.95%，高-較高危險(xiǎn)實(shí)際面積占全面積(b)的35.72%。用未優(yōu)化斜坡單元做危險(xiǎn)性評價(jià)時(shí)，有14處位于高危險(xiǎn)區(qū)，5處位于較高危險(xiǎn)區(qū)，中危險(xiǎn)2處，其余0處，高-較高危險(xiǎn)率占比為90.47%，高-較高實(shí)際面積占全面積的45.21%。驗(yàn)證滑坡集中率a/b(即高-較高危險(xiǎn)區(qū)與高-較高危險(xiǎn)性實(shí)際面積占全面積的比值)值越大，代表可以在較小面積內(nèi)集中較多的驗(yàn)證滑坡，說明評價(jià)結(jié)果越好。優(yōu)化斜坡單元a/b的值為2.266，未優(yōu)化斜坡單元a/b的值為2.001，優(yōu)化的斜坡單元評價(jià)結(jié)果要優(yōu)于未優(yōu)化的結(jié)果，能更好集中滑坡危險(xiǎn)性分布，但研究區(qū)內(nèi)驗(yàn)證滑坡比較少，后期可將此方法進(jìn)一步提升。低危險(xiǎn)區(qū)與較低危險(xiǎn)區(qū)驗(yàn)證滑坡占比4.76%，這部分視為不易發(fā)生滑坡地區(qū)存在的合理性。

圖8 研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性分級對比

優(yōu)化后的斜坡單元有兩點(diǎn)優(yōu)勢(表4)：(1)斜坡單元更符合實(shí)際地形，降低模型計(jì)算過程中容錯(cuò)率；(2)評價(jià)效果更好，驗(yàn)證滑坡比未優(yōu)化斜坡單元的集中率高，但研究區(qū)內(nèi)驗(yàn)證滑坡比較少，后期可將此方法在大范圍內(nèi)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提升。

表4 斜坡單元的驗(yàn)證滑坡集中率

從圖8分布情況看，有沿河流分布的特點(diǎn)，高危險(xiǎn)區(qū)及較高危險(xiǎn)區(qū)主要分布于金沙江沿岸，呈東南-西北向條狀分布，此處出露巖性為崗?fù)袔r組、拉納山組、圖姆溝組及曲嘎寺組，地層以砂巖、板巖、片巖等松散軟弱巖性為主，屬于易滑地層，區(qū)域內(nèi)東南-西北向構(gòu)造發(fā)育；同時(shí)高山峽谷地貌，地形相對高差大，海拔2 900～3 400 m，尤其是河谷地帶，在河流侵蝕作用下巖體不穩(wěn)固，也為滑坡發(fā)育提供自然臨空條件。

中危險(xiǎn)區(qū)主要有三疊系阿堵拉組、甲丕拉組板巖、炭質(zhì)頁巖、礫巖、含礫砂巖構(gòu)成，構(gòu)造活動較為強(qiáng)烈，沒有明顯的沿構(gòu)造斷裂分布的特點(diǎn)，相對高差較大，海拔在3 400～4 000 m。

低危險(xiǎn)區(qū)及較低危險(xiǎn)區(qū)以三疊系二長花崗巖、花崗閃長巖、志留紀(jì)碳酸鹽巖塊為主，質(zhì)地相對堅(jiān)硬，構(gòu)造發(fā)育程度弱，海拔在4 000 m以上。

研究區(qū)總體上沿主河流呈高危險(xiǎn)-較高危險(xiǎn)-中危險(xiǎn)環(huán)狀分布的特點(diǎn)，危險(xiǎn)性高的地區(qū)有沿河流分布的特點(diǎn)，較低危險(xiǎn)和低危險(xiǎn)區(qū)域分布于研究區(qū)西南部。低海拔地區(qū)受人類活動以及河流侵蝕影響大，地層松散，容易滑動。結(jié)果表明高危險(xiǎn)區(qū)主要包括熱果村、仁達(dá)村、白格村、波公村、圭利村、蘇巴村、申達(dá)村、色洪村、嘎特唐村等26個(gè)村莊。較高危險(xiǎn)區(qū)分布在高危險(xiǎn)區(qū)外圍，主要涉及的村莊有岡達(dá)、薛巴宗、玉巴、佐尼達(dá)烏村、覺帕、熱帕、俄它村等15個(gè)村莊。較低危險(xiǎn)區(qū)和低危險(xiǎn)區(qū)主要分布于研究區(qū)西南部分。

白格滑坡位于西金烏蘭-金沙江地層區(qū)噶金雪山巖群崗?fù)袔r組，以絹云石英片巖、二云片巖、千枚巖為主，局部夾有大理巖、玄武巖，混雜有超基性巖塊、輝長巖塊等，滑坡后緣斷層發(fā)育，有大塊整體超基性巖侵入巖塊。高程由2 782 m上升至3 730 m，平均坡度30.54°，坡面為凸形，斜坡單元所在范圍低海拔地區(qū)主要以森林、灌木土地利用類型為主，高海拔范圍漸變?yōu)椴莸芈愕?。?jīng)過計(jì)算，白格滑坡所在斜坡單元危險(xiǎn)性系數(shù)為0.85，落于高危險(xiǎn)區(qū)。

4 結(jié) 論

白格地區(qū)山高地險(xiǎn)、交通條件惡劣，研究存在難度。本文通過優(yōu)化斜坡單元，對研究區(qū)進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1)高山地區(qū)由于地形高差大，海拔高，利用ArcGIS水文分析功能自動提取斜坡單元時(shí)，會出現(xiàn)大面積不符合實(shí)際情況的直線區(qū)域。本文通過洼地深度選取最佳填洼閾值，擬合河網(wǎng)密度-集水面積閾值關(guān)系曲線，曲線二次導(dǎo)數(shù)為0的點(diǎn)對應(yīng)的閾值作為最佳集水面積閾值，達(dá)到優(yōu)化高山地區(qū)自動提取斜坡單元的目的，得到更符合實(shí)際的斜坡單元。結(jié)果證明，優(yōu)化后斜坡單元更符合實(shí)際地形，集中率比未優(yōu)化斜坡單元驗(yàn)證滑坡集中率高0.265，提升了評價(jià)效果。

(2)以斜坡單元為單位，對巖性、距斷層距離、平均坡度、平均高程、坡形、距河流距離、土地利用7個(gè)因子進(jìn)行綜合分析，并計(jì)算研究區(qū)危險(xiǎn)性指標(biāo)R，利用自然斷點(diǎn)法，可以將研究區(qū)危險(xiǎn)性劃分為5類，能較好表現(xiàn)研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性，分別為：低危險(xiǎn)區(qū)<0.46，較低危險(xiǎn)區(qū)0.46 ～0.55，中危險(xiǎn)區(qū)0.55～ 0.62，較高危險(xiǎn)區(qū)0.62 ～ 0.70，高危險(xiǎn)區(qū)>0.70，面積占18%。沿主干河流大致呈高危險(xiǎn)-較高危險(xiǎn)-中危險(xiǎn)交叉環(huán)狀分布，較低危險(xiǎn)和低危險(xiǎn)區(qū)域分布于研究區(qū)西南部。

(3)高危險(xiǎn)區(qū)共97個(gè)斜坡單元，多臨河分布，例如江達(dá)縣的熱果村、仁達(dá)村、白格村、波公村、圭利村、蘇巴村、申達(dá)村、色洪村、嘎特唐村、莫德村、隆特村、隆來村、格拉村、哈木村；白玉縣的亞力西村、阿卓村、吉松村、德玉村、卡崗村、卓英村、僧果村、扎盤村、基東村、白麥村、麻通村、康德洞等都是危險(xiǎn)性高的地區(qū)。