地理探測(cè)器在判別滑坡穩(wěn)定性影響因素中的應(yīng)用
——以西藏江達(dá)縣為例

支澤民，陳 瓊,2，張 強(qiáng)，周 強(qiáng),2，劉峰貴,2，趙富昌，陳永萍

（1.青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008；2.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810008；3.北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；4.北京師范大學(xué)環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875）

0 引言

滑坡是青藏高原東緣數(shù)量最多、分布最廣、危害性最大的一種地質(zhì)災(zāi)害類型。是山體斜坡的土體或巖體，在外界因素的影響和重力作用下，發(fā)生的非線性動(dòng)力學(xué)過程，受時(shí)空變化內(nèi)外因素綜合作用的結(jié)果[1]。青藏高原東緣117 個(gè)縣(區(qū)、市)共有10 560 處滑坡，其中巨型滑坡183 處，大型滑坡1 133 處，中型滑坡2 870 處，小型滑坡6 374 處，具有顯著的沿活動(dòng)斷裂帶、河流和道路密集分布的特征[2]。目前，我國關(guān)于滑坡的研究主要集中在滑坡形成的影響因素分析[3-6]、滑坡危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)與區(qū)劃[7-9]、滑坡防治工程措施研究[10-12]、滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[13-15]等方面。

青藏高原橫斷山區(qū)是我國高山峽谷密布地區(qū)，由于地形條件特殊，滑坡災(zāi)害受氣候變化和人類活動(dòng)雙重因素的影響，呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)態(tài)勢(shì)。因此，關(guān)注和研究該地區(qū)滑坡，對(duì)于本地區(qū)人居環(huán)境安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過地理探測(cè)器作為主要分析工具，以西藏江達(dá)縣滑坡災(zāi)害為對(duì)象，定量探測(cè)高山峽谷地區(qū)滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性的影響因素，揭示造成滑坡體失穩(wěn)的主要貢獻(xiàn)因子，為高山峽谷地區(qū)開展滑坡危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)、滑坡防治工程建設(shè)提供科學(xué)的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

青藏高原橫斷山區(qū)是我國高山、極高山最為集中的區(qū)域，河流深切，峽谷陡峻，是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)頻發(fā)區(qū)。江達(dá)縣位于橫斷山區(qū)東北部，面積13 164.09 km2。該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)構(gòu)造活躍，擠壓活動(dòng)強(qiáng)烈，形成眾多平行山脈縱向排列，為南北向水系發(fā)育奠定了基礎(chǔ)。其中，金沙江、通天河在其東部邊界長期強(qiáng)烈侵蝕下切，形成縱向深切峽谷，境內(nèi)還有藏曲、熱曲、卓克曲、絨曲、多曲等77 條面積50 km2以上的河流，強(qiáng)烈的下切侵蝕，也形成大量深切峽谷。因此，復(fù)雜的地質(zhì)和地表過程，使該地區(qū)形成極端復(fù)雜的高山峽谷區(qū)。區(qū)域最高海拔5 297 m，最低海拔2 822 m，相對(duì)高差達(dá)到2 475 m，平均海拔約3 600 m，地勢(shì)由西北向東南傾斜。該區(qū)域干濕季分明，年降水量約為550 mm，降水集中在夏季，由此夏季成為滑坡災(zāi)害的高發(fā)期。近些年來，由于該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)不斷增加，導(dǎo)致滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)（圖1）。

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

2018年10月，西藏自治區(qū)與四川省交界處的西藏江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村發(fā)生山體滑坡，即著名的“白格滑坡”?；略斐山鹕辰闪骱拥蓝氯?，形成巨大的堰塞湖，威脅到上下游數(shù)個(gè)村莊5 萬余人的生命財(cái)產(chǎn)安全。江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)熱多村鄉(xiāng)政府對(duì)面發(fā)生波羅寺滑坡，該滑坡為大型滑坡，主要受降雨影響，主要威脅鄉(xiāng)政府及附近村民、房屋等，威脅群眾300 余人；江達(dá)縣縣政府斜對(duì)面山體滑坡，發(fā)生于江達(dá)鎮(zhèn)將達(dá)村，該滑坡規(guī)模為中型滑坡，主要由人類工程活動(dòng)引起，威脅附近30 余戶400 余人生命財(cái)產(chǎn)安全以及317 國道部分路段。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)：滑坡數(shù)據(jù)來自第二次青藏科考對(duì)該地區(qū)的實(shí)地調(diào)查。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：分辨率為30 m 的DEM 數(shù)據(jù)、分辨率為1 km 的地貌數(shù)據(jù)、分辨率為1 km 的2015年降水?dāng)?shù)據(jù)（來自中國科學(xué)院數(shù)據(jù)共享網(wǎng)http://www.resdc.cn/）；河流數(shù)據(jù)、道路數(shù)據(jù)、縣級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)（來自國家基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫http://www.ngcc.cn/ngcc/html/1/）；地震動(dòng)峰值加速度、1∶1 800 000 青藏高原及鄰區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖（昌都部分為1∶500 000）、地層巖性數(shù)據(jù)（來自地質(zhì)空間數(shù)據(jù)云http://geocloud.cgs.gov.cn/）。

2.2 研究方法

2.2.1 地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是假設(shè)研究區(qū)分為若干子區(qū)域，如果子區(qū)域的方差之和小于區(qū)域總方差，則存在空間分異性；如果兩變量的空間分布趨于一致，則二者存在統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)性[16]。同時(shí)，根據(jù)地理學(xué)第一定律，地理事物或?qū)傩栽诳臻g分布上互為相關(guān)，存在集聚、隨機(jī)或者規(guī)則分布的科學(xué)定律[17]進(jìn)行地理探測(cè)。

（1）分異與因子探測(cè)：探測(cè)因變量Y的空間分異性，以及探測(cè)某自變量因子X多大程度上解釋了Y的空間分異。用q值度量，表達(dá)式為：

式中：q——各影響因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性的解釋力；

N、σ2——分別為樣本量和方差；

Nh、σ2h——h（h=1，2，···，L）層樣本量和方差。其取值范圍為[0, 1]，數(shù)值越大表明影響因素對(duì)滑坡穩(wěn)定性的解釋力越強(qiáng)，數(shù)值為0 說明影響因素與滑坡穩(wěn)定性完全無關(guān)，數(shù)值為1 說明影響因素可以完全解釋滑坡穩(wěn)定性的分布差異。

（2）交互作用探測(cè)：用來識(shí)別不同影響因素相互作用的結(jié)果，即評(píng)估影響因素1 與影響因素2 共同作用時(shí)對(duì)于因變量的解釋力是否會(huì)增強(qiáng)或者減弱，或這些因素對(duì)于因變量Y的影響是獨(dú)立的[16]。q(X1∩X2)＜Min[q(X1),q(X2)]表明兩因素交互后，線性減弱；Min(q(X1),q(X2))＜q(X1∩X2)＜Max(q(X1),q(X2))表明兩因素交互后，單因素非線性減弱；q(X1∩X2)＞Max(q(X1),q(X2))表明兩因素交互后，雙因子增強(qiáng)；q(X1∩X2)=q(X1)+q(X2)表明兩因素呈相互獨(dú)立；q(X1∩X2)＞q(X1)+q(X2)表明兩因素交互后，非線性增強(qiáng)。

（3）生態(tài)探測(cè)：用于比較兩因子X1 和X2 對(duì)屬性Y的空間分布的影響是否有顯著的差異[17]，主要探測(cè)不同因素解釋力的相對(duì)重要性差異，通過F檢驗(yàn)度量：

式中：NX1、NX2-分別表示兩個(gè)因子X1 和X2 的樣本量；

SSWX1和SSWX2-分別表示由X1 和X2 形成的分層的層內(nèi)方差之和。

其中零假設(shè)H0：SSWX1＝SSWX2。如果在α 的顯著性水平上拒絕H0，這表明兩因子X1 和X2 對(duì)屬性Y的空間分布的影響存在著顯著的差異。

2.2.2 穩(wěn)定性影響因子選取

（1）滑坡穩(wěn)定性影響因子：滑坡穩(wěn)定性是指自然地理、地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性等背景條件下滑坡的穩(wěn)定程度，表征地理地質(zhì)環(huán)境基本屬性對(duì)滑坡穩(wěn)定性的控制作用。因此，本文在眾多的滑坡穩(wěn)定性影響因素中，結(jié)合高山峽谷地區(qū)的地理地質(zhì)特征，以實(shí)地調(diào)查的滑坡穩(wěn)定性作為因變量（Y），選取了坡度[18]（X1）、距斷層距離（X2）、地層巖性（X3）、河流密度[19]（X4）、地貌類型（X5）、道路密度（X6）、降水量（X7）、地震動(dòng)峰值加速度（X8）等8 個(gè)因素作為滑坡穩(wěn)定性影響因子。

（2）最優(yōu)離散分類[20]：將坡度（X1）、距斷層距離（X2）、河流密度（X4）、地貌類型（X5）、道路密度（X6）、降水量（X7）6 個(gè)影響因子分別在ArcGIS 中利用自然斷點(diǎn)法進(jìn)行重分類，一般將其分類數(shù)限定為5 ～10 類，然后依次將其帶入地理探測(cè)器模型中，求得該分類數(shù)影響因子的最大q值，則該分類數(shù)即為該影響因子的最優(yōu)離散分類（圖2）。

圖2 最優(yōu)離散分類流程圖Fig.2 Flowchart of optimal discrete classification

得出（圖3）：坡度最優(yōu)離散分類為10；距斷層距離最優(yōu)離散分類為9；河流密度最優(yōu)離散分類為10；道路密度最優(yōu)離散分類為10；降水最優(yōu)離散分類為10；地貌類型數(shù)據(jù)為離散型變量，對(duì)其不進(jìn)行分類；地震動(dòng)峰加速度值分為4 類（數(shù)據(jù)限制），地層巖性數(shù)據(jù)根據(jù)巖性硬度進(jìn)行劃分，分別分為極硬巖、次硬巖、次軟巖、極軟巖4 類[21]，其對(duì)滑坡穩(wěn)定性貢獻(xiàn)值分別賦值為4、3、2、1（表1）。

圖3 影響因子最優(yōu)離散分類Fig.3 Optimal discrete classification of each factor

表1 地層巖性硬度劃分表Table 1 Stratum lithology hardness division table

3 結(jié)果分析

3.1 滑坡分類及分布

（1）分類：根據(jù)實(shí)地調(diào)查顯示，江達(dá)縣共發(fā)現(xiàn)滑坡85 處，按照滑坡體體積[4]、穩(wěn)定性、險(xiǎn)情等分別劃分相應(yīng)的等級(jí)。根據(jù)滑坡體體積將江達(dá)縣滑坡劃分為特大型、大型、中型和小型4 個(gè)等級(jí)（表2）。中小型滑坡共有71 處，占江達(dá)縣滑坡比例的83.53%；大型滑坡11 處，占12.94%；特大型滑坡3 處，占3.53%，其中包括2018年滑坡體積為3 500×104m3的金沙江特大“白格滑坡”。

表2 按滑坡體體積劃分的滑坡等級(jí)Table 2 Landslide grade divided by volume

根據(jù)滑坡穩(wěn)定性將江達(dá)縣滑坡劃分為穩(wěn)定、較穩(wěn)定、穩(wěn)定性較差、不穩(wěn)定和易發(fā)5 個(gè)等級(jí)（表3）。不穩(wěn)定滑坡數(shù)量最多，達(dá)到33 處，占江達(dá)縣滑坡總數(shù)的38.82%；較穩(wěn)定滑坡數(shù)量共有29 處，占滑坡總數(shù)的34.12%；易發(fā)滑坡體5 處，占比5.88%。總體來看，穩(wěn)定、較穩(wěn)定滑坡占比達(dá)到江達(dá)縣滑坡總數(shù)的50.59%，不穩(wěn)定、易發(fā)滑坡體占比達(dá)到44.70%，一半以上的滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 按穩(wěn)定性劃分的滑坡等級(jí)Table 3 Landslide grade divided by stability

根據(jù)《國家突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案》中對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)江達(dá)縣滑坡危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，依次可劃分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)4 個(gè)危險(xiǎn)級(jí)別。特大型地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情（Ⅰ級(jí)）指受災(zāi)害威脅需搬遷轉(zhuǎn)移人數(shù)在1 000 人以上或潛在可能造成的經(jīng)濟(jì)損失1 億元以上的地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情；大型地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情（Ⅱ級(jí)）指受災(zāi)害威脅需搬遷轉(zhuǎn)移人數(shù)在500 人以上、1 000 人以下，或潛在經(jīng)濟(jì)損失5 000 萬元以上、1 億元以下的地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情；中型地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情（Ⅲ級(jí)）主要指受災(zāi)害威脅，需搬遷轉(zhuǎn)移人數(shù)在100 人以上、500 人以下，或潛在經(jīng)濟(jì)損失500 萬元以上、5 000 萬元以下的地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情；小型地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情（Ⅳ級(jí)）指受災(zāi)害威脅，需搬遷轉(zhuǎn)移人數(shù)在100 人以下，或潛在經(jīng)濟(jì)損失500 萬元以下的地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情。江達(dá)縣地質(zhì)災(zāi)害險(xiǎn)情等級(jí)主要以Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)為主，占比達(dá)97.65%（表4）。

表4 按危險(xiǎn)性劃分的滑坡等級(jí)Table 4 Landslide grade divided by danger

（2）分布：從空間上來講，江達(dá)縣有78 處滑坡分布在其中部、南部地區(qū)，占滑坡總數(shù)的91.76%；同時(shí)，滑坡主要沿高山峽谷中的河流與道路分布，全縣85 處滑坡全部分布于河流附近，其中，61 處滑坡分布于道路兩側(cè)，占其滑坡總數(shù)的71.76%（圖1）[22-24]。

3.2 滑坡穩(wěn)定性的地理探測(cè)

（1）因子探測(cè)結(jié)果：因子探測(cè)主要用于探測(cè)單個(gè)影響因子對(duì)滑坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)率或者因子解釋力。q值越大，表明其對(duì)滑坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)率越高，因子解釋力越強(qiáng)。根據(jù)2.2.1 和2.2.2，將因變量與自變量代入地理探測(cè)器，計(jì)算得出：因子解釋力q值大小分別為地貌類型（q=0.501）＞河流密度（q=0.477）＞道路密度（q=0.465）＞距斷層距離（q=0.332）＞坡度（q=0.168）＞地震動(dòng)峰值加速度（q=0.129）＞降水量（q=0.122）＞巖性（q=0.101）。地貌類型對(duì)滑坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)最大，達(dá)到0.501；河流密度與道路密度貢獻(xiàn)率分別達(dá)到0.477、0.465，距斷層距離貢獻(xiàn)率為0.332，說明其對(duì)滑坡穩(wěn)定性的解釋力很強(qiáng)；其他因子的貢獻(xiàn)率較小，解釋力不強(qiáng)。因此，地貌類型、河流密度、道路密度以及距斷層距離是影響滑坡穩(wěn)定性的主要影響因子（表5）。

表5 因子探測(cè)結(jié)果Table 5 Factor detection results

（2）交互作用探測(cè)結(jié)果：交互作用探測(cè)主要用于探測(cè)當(dāng)兩種影響因子兩兩相互作用時(shí)，其對(duì)滑坡穩(wěn)定性的解釋力相對(duì)于其中一個(gè)影響因子來說，其解釋力是增強(qiáng)還是減弱。根據(jù)2.2.2 交互作用探測(cè)，將8 個(gè)自變量?jī)蓛山换ミM(jìn)行分析，結(jié)果顯示，相較于單因子對(duì)滑坡穩(wěn)定性的解釋力，雙因子交互作用時(shí)的解釋力明顯較高，各因子對(duì)滑坡穩(wěn)定性的綜合作用力值高于任意因子單獨(dú)作用的強(qiáng)度，因此，各因子對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響力是交互增強(qiáng)的。交互作用結(jié)果主要分為雙因子增強(qiáng)（N）與非線性增強(qiáng)（Y）兩類。當(dāng)?shù)缆访芏扰c降水量、道路密度與坡度、坡度與河流密度、坡度與降水量、坡度與地貌類型、坡度與距斷層距離、降水量與地貌類型、巖性與坡度等因子在兩兩相互作用時(shí)，對(duì)于滑坡穩(wěn)定性的分異具有非線性增強(qiáng)的作用，且當(dāng)?shù)孛差愋团c距斷層距離共同作用時(shí)，其貢獻(xiàn)率最大為0.930，其次，河流密度與地貌類型相互作用時(shí)，貢獻(xiàn)率居于第二，達(dá)到0.830；當(dāng)?shù)缆访芏扰c河流密度、道路密度與地貌類型、道路密度與距斷層距離、河流密度與降水量、河流密度與地貌類型、河流密度與距斷層距離、降水量與距斷層距離等因子兩兩相互作用時(shí)，對(duì)于滑坡穩(wěn)定性分異均具有雙因子增強(qiáng)的作用（表6）。

表6 交互作用探測(cè)結(jié)果Table 6 Interaction detection results

（3）生態(tài)探測(cè)結(jié)果：生態(tài)探測(cè)著重比較不同影響因子對(duì)滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性分異是否具有顯著性差異。在顯著性檢驗(yàn)0.05 置信水平下，道路密度與坡度以及降水量對(duì)于滑坡穩(wěn)定性的分異具有顯著性的差異；坡度與河流密度、地貌類型和地震動(dòng)峰值加速度對(duì)于滑坡穩(wěn)定性的分異具有顯著性的差異；河流密度與降水量、地震動(dòng)峰值加速度對(duì)于滑坡穩(wěn)定性的分異具有顯著性的差異；降水量與地貌類型對(duì)于滑坡穩(wěn)定性的分異具有顯著的差異；地貌類型與距離斷層的距離、地震動(dòng)峰值加速度以及坡度、距斷層距離對(duì)于滑坡穩(wěn)定性的分異具有顯著性的差異；巖性與道路密度、河流密度、地貌類型以及距斷層距離對(duì)于滑坡穩(wěn)定性的分異具有顯著性差異（表7）[25-26]。

表7 生態(tài)探測(cè)結(jié)果Table 7 Ecological detection results

4 結(jié)論

（1）按滑坡體體積劃分等級(jí)，江達(dá)縣滑坡主要以中、小型滑坡為主，占到滑坡總數(shù)的83.53%，大型、特大型滑坡占16.47%；按其穩(wěn)定性劃分，穩(wěn)定、較穩(wěn)定滑坡占比超50%，不穩(wěn)定、易發(fā)滑坡體占比達(dá)44.70%，一半以上滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；按危險(xiǎn)等級(jí)劃分，主要以Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)為主，占比97.65%。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，江達(dá)縣滑坡的分布主要沿河流與道路分布，全縣85 處滑坡全部分布于河流附近，其中61 處滑坡分布于道路兩側(cè)，占比達(dá)71.76%。

（2）江達(dá)縣滑坡穩(wěn)定性的主要影響因子為地貌類型、河流密度、道路密度和距斷層距離，其貢獻(xiàn)率分別為0.501，0.477，0.465，0.332，因此，可以看出地貌類型與距斷層距離是造成高山峽谷地區(qū)滑坡失穩(wěn)的先決條件，河流的沖刷侵蝕以及基礎(chǔ)道路的修建（人類活動(dòng)）是造成滑坡失穩(wěn)的誘發(fā)條件；探測(cè)發(fā)現(xiàn)，影響滑坡穩(wěn)定性因子在兩兩相互作用時(shí)，其解釋力總是大于單個(gè)因子的解釋力，對(duì)于滑坡的穩(wěn)定性分異具有非線性增強(qiáng)與雙因子增強(qiáng)的作用，也就是說，當(dāng)兩種影響因子相互作用時(shí)，對(duì)于滑坡的失穩(wěn)總是具有增強(qiáng)的作用。

（3）通過利用地理探測(cè)器對(duì)滑坡穩(wěn)定性影響因子的探測(cè)發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果較為符合科學(xué)依據(jù)與事實(shí)。因此，地理探測(cè)器這一模型對(duì)于滑坡穩(wěn)定性影響因子探測(cè)具有一定的實(shí)用性。