基于斜坡單元的區(qū)域滑坡敏感性評價
——以云南省小江流域為例

鄭玲靜， 李秀珍， 徐瑞池 ,3

(1.中國科學院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 成都 610041； 2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.中國石化銷售股份有限公司湖北武漢石油分公司， 武漢 430000)

滑坡是世界上最具破壞力的自然災(zāi)害之一，尤其是在地形地貌、水文、氣象等自然環(huán)境十分復雜的山區(qū)，具有數(shù)量多、爆發(fā)頻率高、活動規(guī)模大的特點，嚴重威脅著山區(qū)人民的生命、財產(chǎn)與基礎(chǔ)措施建設(shè)安全，成為制約山區(qū)發(fā)展的重要因素之一。小江流域位于云南省東北部，多山嶺溝谷地貌，具有地質(zhì)構(gòu)造復雜、地震活動頻繁、新構(gòu)造運動強烈等特點，滑坡頻發(fā)，在該流域開展滑坡敏感性評價，對防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急管理和流域發(fā)展規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

隨著地理信息系統(tǒng)(geographic information system, GIS)技術(shù)的發(fā)展，目前中外有關(guān)學者在滑坡敏感性評價方面已開展了許多研究工作。Pourghasemi等[1]基于概率似然比和空間多準則評估模型對伊朗的德黑蘭北部進行了滑坡敏感性評價分析；Samuele等[2]基于隨機森林法選取意大利的一個研究區(qū)作為研究對象，研究了有關(guān)巖性、構(gòu)造等因子的滑坡敏感性。中國對滑坡敏感性研究起步雖晚于外國，但隨著計算機與GIS的發(fā)展，也進入快速發(fā)展階段，各類統(tǒng)計模型與基于機器學習模型也被廣泛應(yīng)用于滑坡敏感性評價中。張志沛等[3]基于加權(quán)信息量法，依據(jù)研究區(qū)地形、地質(zhì)與降雨量等相關(guān)影響因子對灞橋區(qū)進行了滑坡易發(fā)性評價，閆舉生等[4]將利用頻率比法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與隨機森林模型3種不同模型對湖北遠安縣滑坡易發(fā)性進行對比，并得出頻率比法優(yōu)于其余兩者模型的結(jié)論。

目前在滑坡敏感性評價研究中，大多選擇柵格單元作為評價單元，即將整個研究區(qū)域劃分成若干規(guī)整的柵格，但在實際的操作中發(fā)現(xiàn)，柵格單元在其尺寸的選擇及與地質(zhì)環(huán)境的相關(guān)性上存在不足[5]，給滑坡防治工程帶來不確定性。相比柵格單元，斜坡單元是基于地形分割的邊坡單元，可以提高與實際地貌的吻合程度，能更有效地反映控制滑坡發(fā)生的因素，能更好地將理論科研成果應(yīng)用于工程建設(shè)，是較為理想的基礎(chǔ)研究單元[6]。在對小江流域自然地質(zhì)環(huán)境條件及歷史滑坡災(zāi)害進行深入分析的基礎(chǔ)上，通過地表曲率分水嶺法劃分斜坡單元作為評價單元，選取坡度、坡向、曲率、相對高差、巖性、斷裂帶密度、河網(wǎng)密度和地震峰值加速度作為該區(qū)域滑坡敏感性的評價因子，基于頻率比方法，對小江流域的滑坡敏感性進行了評價，取得了較好的效果。該方法可以應(yīng)用于其它流域，相關(guān)成果可為區(qū)域滑坡防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急管理工作提供理論依據(jù)，對其發(fā)展規(guī)劃和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

1 研究區(qū)自然地質(zhì)環(huán)境概況

小江流域河谷沿小江深大斷裂發(fā)育，流域內(nèi)地震活動頻繁、構(gòu)造運動強烈，地形高差懸殊導致氣候水文條件垂直分異顯著且變化復雜，流域內(nèi)大面積生態(tài)環(huán)境遭受破壞致使滑坡災(zāi)害活動頻繁。

1.1 自然地質(zhì)環(huán)境概況

研究區(qū)位于云南省東北部，介于東經(jīng)102°52′～103°22′和北緯25°32′～26°35′，地處長江上游，金沙江下游右岸，流域面積3 045.35 km2，最低海拔695 m，最高為4 344.1 m。小江全長141.93 km，為金沙江下游右岸的一級支流，是一條典型的深切構(gòu)造型河谷河流，影響著整個研究區(qū)的水文環(huán)境(圖1)。如圖1所示，小江支流發(fā)達，干流及主要支流呈南北向展布，而較小支流多呈東西向展布，水系呈葉脈狀。小江干流上游稱大白河，主要支流有塊河(金源一帶稱四甲河)、小清河、烏龍河。小江流域總體地勢南高北低，兩岸地形陡峻，嶺谷相對高差大。

圖1 研究區(qū)水系與斷裂帶分布Fig.1 Distribution of water system and fault zone in study area

流域內(nèi)主要出露的地層為二疊系，遍布于全流域，但主要集中出露在流域內(nèi)的中、上游地段，其分布面積占了全流域面積的45.9%，該系上統(tǒng)為峨眉玄武巖，上部夾有砂巖、粉砂巖和泥巖，為一套陸相火山沉積，下統(tǒng)為泥質(zhì)灰?guī)r——白云巖和砂巖、粉砂巖，流域內(nèi)許多高峰都以此地層構(gòu)成巍峨嶺脊，如圖2所示。小江深大斷裂有著地震活動頻繁且裂度高的特點，呈南北走向，對區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造起著控制作用。小江流域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L氣候區(qū)，但流域地勢相對高差達3 649.1 m，氣候的垂直分帶明顯，立體氣候特征十分顯著。流域夏半年主要受孟加拉灣西南暖濕氣流氣流和北部灣東南暖溫氣流的影響，水汽充足，雨水豐沛；冬半年主要受印度半島北部西風氣候影響，干燥少雨，具有干濕季節(jié)分明的降水特征。復雜脆弱的地質(zhì)地貌等自然環(huán)境背景條件，為小江流域滑坡等山地災(zāi)害的發(fā)育提供了十分有利的條件。

圖2 研究區(qū)地層分布Fig.2 Distribution of stratigraphic in study area

1.2 滑坡災(zāi)害概況

頻繁而強烈的地震造成山坡土體松動、劇烈的構(gòu)造運動導致了流域內(nèi)巖體破碎，這致使流域內(nèi)不穩(wěn)定斜坡多、松散碎屑物質(zhì)豐富，滑坡災(zāi)害十分發(fā)育，嚴重威脅著小江流域人民的生命財產(chǎn)安全與社會經(jīng)濟的發(fā)展。

根據(jù)相關(guān)資料和遙感解譯，小江流域已查明的滑坡災(zāi)害有167處(圖3)，根據(jù)滑坡規(guī)模對研究區(qū)內(nèi)167處滑坡進行統(tǒng)計分析，可以看出小江流域內(nèi)分布的滑坡以大型、特大型為主(表1)，共126處，占小江流域內(nèi)滑坡總數(shù)的75.44%，中小型滑坡相對較少，占比僅為24.56%。

圖3 研究區(qū)滑坡災(zāi)害空間分布Fig.3 Spatial distribution of landslide in study area

表1 研究區(qū)已有滑坡規(guī)模分類

1.3 數(shù)據(jù)來源

開展滑坡敏感性評價的數(shù)據(jù)源主要包括：①滑坡災(zāi)害點的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自小江流域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果數(shù)據(jù)；②研究區(qū)90 m×90 m分辨率數(shù)字高程模型(digital elevation model, DEM)數(shù)據(jù)下載自地理空間云(網(wǎng)址：http://www.gscloud.cn/)，坡度、坡向、曲率、相對高差、河網(wǎng)密度均通過ArcGIS平臺提取DEM計算得出；③矢量化1∶200 000地質(zhì)圖，用于提取巖性、斷裂帶分布;④矢量化1∶400 000《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖(GB 18306—2015)》，用于提取研究區(qū)地震峰值加速度。

2 斜坡單元劃分

地表曲率分水嶺法劃分斜坡單元的原理是通過計算地表平均曲率識別出地形突變點并對流域進行分割。其中，曲率極大值點被視為地形凸起的點，凹形地貌元素邊界可視為由所有曲率極大值點連接形成；通過反轉(zhuǎn)的平均曲率識別出地形突變點并對流域進行分割，則可得到凸形地貌元素的邊界[7-8]。坡度和坡向的突變部位即極大值點和極小值點所處位置，而坡度和坡向突變的邊界則可界定為斜坡單元的邊界，因此將凸形地貌元素的邊界和凹形地貌元素的邊界疊加之后封閉形成的圖元即可視為斜坡單元。值得一提的是，此方法識別得到的單元邊界不僅僅是山脊線和山谷線，還包括了臺地邊界和谷地平面邊界，因此將其與斜坡坡面進行了準確區(qū)別，使結(jié)果更加合理。

在ArcGIS中分別進行洼地填充、流向計算、匯流累積、河網(wǎng)生成、流域計算、矢量化和矢量合并等工作將子流域兩岸分割為兩個斜坡單元，最終將整個研究區(qū)劃分成40 362個斜坡單元，其中單元最大面積711 013 m2，最小為10 004 m2，平均為75 068 m2(圖4)。

圖4 斜坡單元劃分結(jié)果Fig.4 The result of slope unit division

3 滑坡敏感性評價

定性分析與定量分析是滑坡敏感性評價主要方法。定性分析主觀性太強，敏感性評價結(jié)果精度也較差[9]，定量分析往往是基于物理或數(shù)學模型，更具客觀性。定量分析滑坡敏感性方法都是以工程地質(zhì)類比法為基礎(chǔ)，認為類似的工程地質(zhì)環(huán)境可能對滑坡的孕育產(chǎn)生類似的作用。一個系統(tǒng)往往是由多種因素控制，因此本研究的評價方法主要依據(jù)滑坡發(fā)生的條件相似假設(shè)和概率統(tǒng)計學理論，選取坡度、坡向、曲率、相對高差、巖性、地震峰值加速度、斷裂帶密度和河網(wǎng)密度作為該區(qū)域滑坡敏感性的評價因子，基于斜坡單元，采用頻率比法對小江流域滑坡災(zāi)害敏感性進行評價。

3.1 評價模型——頻率比法

頻率比法是滑坡敏感性評價常用的定量的概率統(tǒng)計分析方法，原理是分析滑坡災(zāi)害點信息和與滑坡災(zāi)害相關(guān)的影響因子之間的關(guān)系。相較于數(shù)值模擬、物理模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，頻率比法簡單直觀且意義明確[10]，避免了權(quán)重賦值的主觀性和模擬參數(shù)難設(shè)定等問題，對于區(qū)域滑坡災(zāi)害敏感性評價有著明顯優(yōu)勢。頻率比法首先根據(jù)一定規(guī)則將因子X劃分為i種類型或i種等級[11]，每類因子的頻率比FRi定義為

(1)

滑坡災(zāi)害由已有調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，P(Xi)為定值，因此FRi實際與P(HiXi)等效，即條件概率P(Hi|Xi)越大，表明滑坡災(zāi)害Hi在第i區(qū)間發(fā)生的概率就越大。如果FRi>1，則表明P(Hi|Xi)>P(Hi)，也就是Xi有利于滑坡災(zāi)害Hi的發(fā)生，反之不利于Hi的發(fā)生。

對于流域內(nèi)特定空間位置的敏感性，需要同時考慮多個滑坡評價因子的影響。通過疊加j種不同影響因子分級頻率比FRi(j)，進而得到該位置的滑坡敏感性指數(shù)(landslide susceptibility index, LSI)，其計算公式為

(2)

3.2 滑坡因子分級

采用GIS空間分析與數(shù)理統(tǒng)計相結(jié)合的方法分析該區(qū)滑坡災(zāi)害與地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等環(huán)境背景因子之間的相關(guān)關(guān)系[12]，并最終選取坡度、坡向、曲率、相對高差、巖性、地震峰值加速度、斷裂帶密度和河網(wǎng)密度作為該區(qū)域滑坡敏感性評價因子，分級情況如表2所示，最終得到滑坡因子分級如圖5所示。

3.3 滑坡因子頻率比

頻率比表征了指標因子各屬性區(qū)間對滑坡敏感度的影響程度，F(xiàn)Ri-1>0表示該分類區(qū)間對滑坡發(fā)生有不同程度的影響，而FRi-1<0則說明該屬性區(qū)間與滑坡形成相關(guān)性很小甚至無關(guān)[4]。根據(jù)各滑坡因子分級，利用頻率比模型計算結(jié)果，繪制各因子敏感性統(tǒng)計圖。

滑坡通常都會發(fā)生在一定坡度的斜坡上，在一定坡角范圍內(nèi)，由于坡角的增大，邊坡的破壞概率越大。從DEM中提取出地形坡度，分級并根據(jù)式(1)計算出各區(qū)間的頻率比。由表2可以看出，坡度為20°～40°的區(qū)域具有較高的敏感性，易于發(fā)生滑坡。

巖石風化程度、節(jié)理發(fā)育與破碎程度受坡向影響，坡向不同還會導致降雨量大小與植被覆蓋率的不同，影響滑坡發(fā)育。坡向提取于DEM，將其分級并計算出各區(qū)間的頻率比。由表2、圖5(a)可以看出，小江流域在坡向為135°～180°、270°～315°、315°～360°區(qū)段敏感性較高，更易發(fā)生滑坡。

表2 滑坡因子頻率比

圖5 小江流域滑坡敏感性評價因子Fig.5 Conditioning factors for landslide sensitivity assessment of Xiaojiang River Basin

曲率半徑對滑坡體穩(wěn)定性影響較大[13]，尤其是在圓弧型滑坡中，曲率半徑直接決定了滑坡體的形態(tài)，在凸型坡非常容易在坡腳處發(fā)生應(yīng)力集中導致失穩(wěn)。通過ArcGIS平臺的空間分析提取平均曲率，分級并計算各區(qū)間頻率比。從表2、圖5(b)可以看出，小江流域在曲率為0～1區(qū)段敏感性較高一些，在小于-1或大于1區(qū)段都無滑坡發(fā)生。

地層巖性對滑坡的發(fā)生有明顯的影響，如出現(xiàn)強度較差、結(jié)構(gòu)破碎等情況的地層易發(fā)生滑坡。根據(jù)巖土體的工程地質(zhì)特性等將研究區(qū)不同地層巖性將劃分為5個巖組，分別為硬巖組、軟硬巖組、硬軟巖組、軟巖組、松散巖組。從表2、圖5(c)可知，軟巖與中軟硬巖的敏感性更高。

地形相對高差可以反映流域的坡面變化情況，相對高差越大，地形起伏越明顯，斜坡更易失穩(wěn)。本研究利用ArcGIS平臺鄰域分析以3個像元為搜索半徑，提取得到地形相對高差，分級并計算各區(qū)間頻率比。從表2、圖5(d)可以看出，通過結(jié)果表明當?shù)匦胃卟畲笥?00 m時敏感性較高，易于發(fā)生滑坡。

斷裂帶是滑坡發(fā)生的重要影響因素之一，利用ArcGIS平臺空間分析以20 km為搜索半徑計算斷裂帶密度，分級并計算各區(qū)間頻率比。從表2、圖5(e)可以看出，斷裂帶密度大于0.1 km/km2時，最易發(fā)生滑坡。

滑坡發(fā)育明顯受河流侵蝕影響，一般情況下，與河流的距離越近，侵蝕越強烈，滑坡的發(fā)生概率越高[14]。在研究區(qū)中，利用ArcGIS軟件的空間分析以2 km為搜索半徑得到河網(wǎng)密度，分級并計算出各區(qū)間的頻率比。從表2及圖5(f)可以看出，河網(wǎng)密度小于1 km/km2時，隨著河網(wǎng)密度增大，敏感性增加，滑坡更易發(fā)生。

地震動峰值加速度(PGA)是地震動加速度記錄中得到的最大瞬時值，是地震烈度依據(jù)之一，地震波作用產(chǎn)生的附加力破壞斜坡的平衡條件，由此帶來滑坡等常見次生地質(zhì)災(zāi)害[15]，當PGA為0.3g時滑坡敏感性最高，最易發(fā)生滑坡。

4 滑坡敏感性評價結(jié)果分析

滑坡敏感性評價是指基于一定區(qū)域內(nèi)的滑坡編錄數(shù)據(jù)，與研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件，分析各評價指標對研究區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害敏感性的影響大小，從而確定該指標對滑坡發(fā)生的貢獻，最后將各指標按照貢獻大小進行綜合分析，以確定制圖單元內(nèi)滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率，并根據(jù)滑坡發(fā)生概率的不同，將研究區(qū)劃分為若干個區(qū)域。

基于前期災(zāi)害調(diào)查工作，將已采集到的167個滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)作為樣本，利用坡度等8個敏感性評價因子，計算出個分級區(qū)間內(nèi)的滑坡頻率比，利用ArcGIS軟件將相應(yīng)斜坡單元賦值繪制各因子的滑坡頻率比統(tǒng)計圖，最后根據(jù)式(2)對將所有頻率比統(tǒng)計模型進行疊加生成滑坡敏感指數(shù)(LSI)，得到最終的滑坡敏感性分區(qū)圖(圖6)。

圖6 滑坡敏感性指數(shù)Fig.6 The index of landslide sensitivity

利用自然斷點法將FRi模型運算得到的滑坡敏感性分為五類(圖7)：低敏感性(3.24～6.96)、中敏感性(6.96～8.54)、高敏感性(8.54～10.47)、極高敏感性(10.47～13.90)。評價結(jié)果(圖7、表3)表明：極高敏感性區(qū)面積占11.66%，發(fā)生滑坡68個，頻率比為3.49；高敏感性區(qū)面積占22.42%，發(fā)生滑坡64個，頻率比為1.71；中敏感性區(qū)面積占33.89%，發(fā)生滑坡28個，頻率比為0.49；低敏感性區(qū)面積占32.02%，發(fā)生滑坡7個，頻率比為0.13；其中高、極高敏感性區(qū)域，滑坡數(shù)量占比為79.04%。

圖7 滑坡敏感性分區(qū)圖Fig.7 The zoning map of landslide sensitivity

表3 滑坡敏感性分區(qū)面積與滑坡發(fā)生面積百分比

采用斜坡單元作為最小單元，與實際地形更吻合，頻率比法相較于數(shù)值、物理及經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，具有簡單直觀且意義明確的優(yōu)勢[10]，尤其對區(qū)域滑坡災(zāi)害敏感性評價有著明顯優(yōu)勢，且選取的評價因子較容易獲取。該方法在小江流域得到很好的應(yīng)用，其中高、極高敏感區(qū)域面積占比為34.08%，滑坡災(zāi)害數(shù)量占比為79.04%，具有較高可信度，可為區(qū)域滑坡防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論依據(jù)。該方法也可以推廣應(yīng)用于其他區(qū)域滑坡敏感性評價中。

5 結(jié)論

(1)基于地表曲率分水嶺法將小江流域劃分為40 362個斜坡單元，相較于柵格單元提高了與實際地貌的吻合程度，能更有效地反映控制滑坡發(fā)生的因素。

(2)以斜坡單元為最小研究單元，基于頻率比法分別計算坡度、坡向、曲率、相對高差、巖性、斷裂帶密度、河網(wǎng)密度和地震峰值加速度8個滑坡評價因子的敏感性，結(jié)果表明坡度在30°～40°、地形高差大于400 m時，頻率比大于2，滑坡敏感性最高。

(3)自然斷點法將滑坡敏感性分為4個等級：低敏感性(3.24～6.96)、中敏感性(6.96～8.54)、高敏感性(8.54～10.47)、極高敏感性(10.47～13.90)。利用歷史發(fā)生滑坡進行驗證，其中高、極高敏感性區(qū)域，共有滑坡132個，數(shù)量占比為79.04%。

(4)小江流域共坐落著21個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，其中杉木村、湯丹鎮(zhèn)、姑海鄉(xiāng)、甸沙鄉(xiāng)、大海鄉(xiāng)處于滑坡敏感性高與極高的區(qū)域，應(yīng)著重完善該地區(qū)應(yīng)急設(shè)施、提高居民防災(zāi)減災(zāi)意識。