基于GIS和信息量法的伊犁黃土滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

徐 敏，崔玉龍，袁文華，傅 貴

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在中國(guó)，滑坡的危害僅次于地震所造成的危害[1]。1983年3月7日，甘肅省東鄉(xiāng)縣境內(nèi)，灑勒山發(fā)生嚴(yán)重滑坡災(zāi)害，摧毀4個(gè)村莊，造成278人傷亡[2]。2008年5月12日，汶川地震觸發(fā)了197 481處滑坡，面積為1 160 km2[3]，因滑坡災(zāi)害直接造成約2萬(wàn)人死亡，約占地震災(zāi)害造成死亡人數(shù)的1/4[4]。2019年3月15日，山西棗嶺發(fā)生小規(guī)模黃土滑坡，體積僅12×104m3，卻摧毀了數(shù)棟建筑，造成20人死亡[5]?；虏粌H給人們?cè)斐缮{和財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重制約了地方經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，而且給此地區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了極大破壞[6]。

隨著GIS和地理信息技術(shù)的發(fā)展，不少學(xué)者采用信息量法對(duì)區(qū)域滑坡開(kāi)展了統(tǒng)計(jì)分析和滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)研究。2005年，Wang等[7]依據(jù)日本水俁地區(qū)四個(gè)時(shí)期的衛(wèi)星影像，解譯出160處滑坡，采用邏輯回歸模型以及信息量模型繪制滑坡的易發(fā)性圖，結(jié)果均較為理想；2015年，薛強(qiáng)等[8]利用信息量法對(duì)寶塔區(qū)黃土滑坡進(jìn)行易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)，結(jié)果較準(zhǔn)確地反映了實(shí)際情況；2017年，鄭苗苗[9]基于GIS技術(shù)，利用信息量法和層次分析法對(duì)陜甘寧地區(qū)的黃土高原地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；2019年，陳緒鈺[10]采用信息量法，選取10個(gè)影響因子，進(jìn)行滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)信息量模型在滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)中具有較高的準(zhǔn)確性。信息量法因其原理簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、具有較高的可靠性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中。伊犁地區(qū)受其特殊的地形地質(zhì)和氣候條件影響，黃土滑坡災(zāi)害異常嚴(yán)重，迫切需要開(kāi)展區(qū)域滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)研究。目前，針對(duì)伊犁州典型黃土滑坡區(qū)基于信息量法開(kāi)展滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。

本文基于0.6 m分辨率的Google Earth影像，結(jié)合GIS的空間數(shù)據(jù)處理功能，選取高程、坡度、坡向、TPI、距道路距離、距河流距離、距斷層距離、多年平均降雨量、NDVI共九個(gè)滑坡影響因子，采用信息量法對(duì)所選研究區(qū)開(kāi)展滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

伊犁州地處新疆維吾爾自治區(qū)西部天山山脈西段的伊犁河谷內(nèi)，處于亞歐大陸腹地。研究區(qū)為典型的黃土滑坡密集區(qū)，位于伊寧縣縣城以北約15 km處，面積約230 km2，地理坐標(biāo)為E81°27′26″～81°41′24″，N44°05′42″～44°12′54″。伊犁地區(qū)地貌由“三山夾兩谷地一盆地”組成，三山之間以山區(qū)為主要地形，山區(qū)面積占全區(qū)面積70%以上，地勢(shì)總體上由東北向西南傾斜[11-12]。研究區(qū)出露地層主要為石炭系地層，基巖巖性主要為玢巖、斑巖、灰?guī)r、火山碎屑巖等，第四系風(fēng)成黃土不整合覆蓋在基巖之上，坡體中部黃土沉積厚度較大，可達(dá)20 m[13]。伊犁地區(qū)大地構(gòu)造上位于天山-興安地槽褶皺區(qū)西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶，由博羅科努山復(fù)背斜、伊犁地塊和哈爾克山復(fù)背斜3個(gè)四級(jí)構(gòu)造單元構(gòu)成，所發(fā)育的尼勒克斷裂帶是伊犁州北部一條較大的斷裂帶，此地區(qū)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈[14]。伊寧地區(qū)屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬春溫暖濕潤(rùn)，夏秋干熱，境內(nèi)降雨主要集中在3～7月，年平均降水量330.6 mm[15]。研究區(qū)內(nèi)分布的皮里青河和吉爾格朗河兩條水系，是新疆水量最大的伊犁河的一級(jí)支流。

受“喇叭形”地形影響，來(lái)自北冰洋和大西洋的潮濕氣流進(jìn)入伊犁谷底，區(qū)內(nèi)常形成雨雪天氣，降水充沛。伊犁地區(qū)的黃土分布普遍，由于黃土土質(zhì)疏松、具有較強(qiáng)的水敏性且發(fā)育了大量的垂直節(jié)理、風(fēng)化裂隙等優(yōu)先流道，在黃土較深厚的區(qū)域，斜坡土體在凍融和連續(xù)降雨的條件下迅速進(jìn)入飽水狀態(tài)，從而產(chǎn)生較大的水力梯度和壓力差，坡體黏聚力下降，所以極易導(dǎo)致滑坡的發(fā)生[16]。另外，“一帶一路”經(jīng)濟(jì)帶的發(fā)展增強(qiáng)了人類(lèi)經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)，也進(jìn)一步加劇了該區(qū)域滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用2015年7月15日、2018年5月21日以及2019年7月3日三個(gè)時(shí)間的0.6 m分辨率的Google Earth影像，觀察同一區(qū)域不同時(shí)間的衛(wèi)星影像，根據(jù)顏色差異和形狀改變?cè)贕oogle Earth平臺(tái)上逐一圈出滑坡，共解譯出3 424處滑坡，如圖1所示。研究區(qū)總面積230 km2，滑坡面積占研究區(qū)總面積的1.56%。

圖1 研究區(qū)地理位置及滑坡分布圖

黃土滑坡的發(fā)生受多種因素影響，總結(jié)前人研究經(jīng)驗(yàn)，此地區(qū)發(fā)生的大量滑坡主要受降雨、冰雪融水、河流侵蝕等的共同作用以及基巖上覆黃土厚度的影響，與巖性關(guān)系不顯著。由于沒(méi)有具體的黃土資料，因此沒(méi)有考慮黃土厚度以及巖性因素。通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域近十年未發(fā)生大地震，因此本文未考慮地震烈度因素。分析已發(fā)生的滑坡的形成條件和影響因素，選取地形因子(高程、坡度、坡向、TPI)、地質(zhì)因子(距河流距離、距斷層距離、NDVI)、誘發(fā)因子(距道路距離、降雨量)九個(gè)因素構(gòu)成滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)體系。研究區(qū)高程數(shù)據(jù)來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn.)下載的30 m分辨率的ASTER GDEM數(shù)據(jù)；坡度、坡向、TPI數(shù)據(jù)是根據(jù)高程數(shù)據(jù)并利用ArcGIS軟件中空間分析工具提??；河流和道路數(shù)據(jù)是在Google Earth平臺(tái)上人工描繪，再導(dǎo)入ArcGIS中矢量化，并構(gòu)建緩沖區(qū)得到；斷層數(shù)據(jù)是通過(guò)裁剪中國(guó)125萬(wàn)斷層圖，再導(dǎo)入ArcGIS中構(gòu)建緩沖區(qū)得到；NDVI和降雨量數(shù)據(jù)從中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn/)獲取，在ArcGIS中對(duì)多年的降雨量進(jìn)行疊加再取平均值，算出平均降雨量。

高程是影響滑坡災(zāi)害發(fā)生的重要因素，斜坡體內(nèi)的應(yīng)力值受高程影響而發(fā)生變化。研究區(qū)高程范圍為888～2 103 m，以200 m為間隔，將高程劃分為7個(gè)區(qū)間：(1)<1 000 m;(2)1 000～1 200 m;(3)1 200～1 400 m;(4)1 400～1 600 m;(5)1 600～1 800 m;(6)1 800～2 000 m;(7)>2 000 m。坡度也是影響滑坡災(zāi)害發(fā)生的重要因素。研究區(qū)坡度范圍為0°～60°，以10°為間隔，將坡度劃分為6個(gè)區(qū)間：(1)<10°;(2)10°～20°;(3)20°～30°;(4)30°～40°;(5)40°～50°;(6)>50°。坡向通過(guò)決定山坡的光照時(shí)間、水熱比、降水分布等對(duì)滑坡產(chǎn)生影響。坡向被分為9個(gè)方向：(1)平地；(2)北向；(3)東北向；(4)東向；(5)東南向；(6)南向；(7)西南向；(8)西向；(9)西北向。不同坡位的地形地貌、水文特征也會(huì)有所不同，坡位可用地形位置指數(shù)來(lái)定量表達(dá)，分為上坡、中坡、下坡三類(lèi)。道路通常與人類(lèi)活動(dòng)相關(guān)，是誘發(fā)滑坡的有利因素。將距道路距離分為4個(gè)區(qū)間：(1)<50 m；(2)50～150 m；(3)150～300 m；(4)>300 m。河流會(huì)侵蝕坡腳，從而影響斜坡的穩(wěn)定性。將距河流距離分為4個(gè)區(qū)間：(1)<50 m；(2)50～150 m；(3)150～300 m；(4)>300 m。斷層也是滑坡災(zāi)害發(fā)生的重要因素。將距斷層距離分為6個(gè)區(qū)間：(1)<1 000 m；(2)1 000～2 000 m；(3)2 000～3 000 m；(4)3 000～4 000 m；(5)4 000-5 000 m；(6)>5 000 m。降雨是誘發(fā)滑坡的重要因素，由于研究區(qū)黃土的特殊性，使地表水快速滲入土體深部，土體抗剪強(qiáng)度降低，從而引發(fā)滑坡災(zāi)害。以10 mm為間隔將降雨量分為7個(gè)區(qū)間：(1)310～320 mm；(2)320～330 mm；(3)330～340 mm；(4)340～350 mm；(5)350～360 mm；(6)360～370 mm；(7)370～380 mm。植被覆蓋情況用NDVI來(lái)表示，NDVI對(duì)邊坡的穩(wěn)定產(chǎn)生很大的影響，研究區(qū)NDVI指數(shù)范圍為0.356～0.9，以0.1為間隔將NDVI分為6個(gè)區(qū)間：(1)0.3～0.4；(2)0.4～0.5；(3)0.5～0.6；(4)0.6～0.7；(5)0.7～0.8；(6)0.8～0.9。

2.2 研究方法

信息量法廣泛應(yīng)用于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害研究中，在已發(fā)生滑坡的地方提取滑坡點(diǎn)的分布情況，選取一定數(shù)量的因素，將研究區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可量化大小的信息量值，用信息量的大小來(lái)評(píng)價(jià)這些因素與滑坡發(fā)生的關(guān)系，信息量值越大，說(shuō)明發(fā)生災(zāi)害的可能性就越大[17]?？筛鶕?jù)式(1)計(jì)算影響因子所分類(lèi)別的信息量值：

(1)

式(1)中，I(xi,H)表示影響因子xi對(duì)滑坡發(fā)生(H)所貢獻(xiàn)的信息量值；N為研究區(qū)內(nèi)滑坡總個(gè)數(shù)；S為研究區(qū)總面積；Ni表示研究區(qū)中分布在影響因子xi內(nèi)的滑坡個(gè)數(shù)；Si表示在研究區(qū)內(nèi)含有影響因子xi的面積。

由式(1)可算得各影響因子圖層分類(lèi)下的信息量值，從而得到單因子圖層的信息量值。

3 信息量值分析

3.1 影響因子的信息量值

影響因子各分類(lèi)的信息量值如表1所示。高程為1 800～2 000 m區(qū)間內(nèi)信息量值是最高的，在這一分類(lèi)區(qū)間中滑坡數(shù)目占滑坡總數(shù)目的38%，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)滑坡易于發(fā)生；坡度>50°時(shí)信息量值和滑坡數(shù)目都相對(duì)較高，是有利于滑坡發(fā)生的區(qū)間；在9個(gè)坡向分類(lèi)中，東向信息量值最大，此區(qū)間的滑坡數(shù)目占滑坡總數(shù)目的24.1%，通過(guò)Google Earth影像可以觀察到，滑坡幾乎都是接近東西向的；在3個(gè)坡位分類(lèi)中，中坡發(fā)生的滑坡數(shù)目較多，有研究顯示，在伊犁地區(qū)，黃土容易在中下坡發(fā)生沉積，這給滑坡的發(fā)生提供了條件；在距道路距離>300 m的區(qū)間中信息量值最高，此區(qū)間內(nèi)滑坡數(shù)目占滑坡總數(shù)目的81.3%，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)滑坡易于發(fā)生；在距河流距離>300 m的區(qū)間中信息量值最大，在這一分類(lèi)區(qū)間中滑坡數(shù)目占滑坡總數(shù)目的94.7%，說(shuō)明此區(qū)間有利于滑坡的發(fā)生；在距斷層距離1 000～2 000 m區(qū)間中信息量值和滑坡數(shù)目都相對(duì)較高，說(shuō)明此區(qū)間有利于滑坡的發(fā)生；在降雨量分類(lèi)區(qū)間中，350～360 mm區(qū)間內(nèi)信息量值最高，此區(qū)間內(nèi)滑坡數(shù)目占滑坡總數(shù)目的70.2%，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)有利于滑坡的發(fā)生。NDVI指數(shù)在0.7～0.8區(qū)間內(nèi)信息量值最高，在此區(qū)間內(nèi)滑坡數(shù)目占滑坡總數(shù)目的66.3%，說(shuō)明此區(qū)間有利于滑坡發(fā)生。

表1 影響因子各分類(lèi)的信息量值

3.2 危險(xiǎn)性結(jié)果分布

利用ArcGIS軟件中圖層疊加功能將指標(biāo)因子的柵格圖層進(jìn)行疊加，得到研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性指數(shù)圖，如圖2所示。再用自然間斷法將研究區(qū)分為極低易發(fā)區(qū)(-8.02～-4.778 981)、低易發(fā)區(qū)(-4.778 981～-2.897 098)、中易發(fā)區(qū)(-2.897 098～-0.962 941)、高易發(fā)區(qū)(-0.962 941～2.278 079)和極高易發(fā)區(qū)(2.278 079～5.31)，滑坡易發(fā)性分區(qū)如圖3所示。

圖2 滑坡危險(xiǎn)性指數(shù)

圖3 滑坡易發(fā)性分區(qū)

3.3 ROC曲線(xiàn)驗(yàn)證

利用ArcGIS軟件的空間鏈接工具將信息量值分別提取到滑坡點(diǎn)和非滑坡點(diǎn)，得到信息量模型的訓(xùn)練樣本集和驗(yàn)證樣本集。將信息量模型的訓(xùn)練樣本集和驗(yàn)證樣本集分別輸入SPSS軟件進(jìn)行分析，得到信息量模型的ROC(Receiver Operating Characteristic Curve)曲線(xiàn)，如圖4所示。用AUC來(lái)表示ROC曲線(xiàn)下的面積，AUC值越大，說(shuō)明評(píng)價(jià)效果越好。滑坡易發(fā)性分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 基于信息量模型的ROC曲線(xiàn)

表2 滑坡易發(fā)性分級(jí)統(tǒng)計(jì)

從表2和圖4中可以看出：研究區(qū)滑坡的敏感性隨著危險(xiǎn)性等級(jí)的增加而增加。其中，極低易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)的面積占研究區(qū)面積的33.14%，但滑坡面積僅占研究區(qū)滑坡總面積的13.70%。中易發(fā)區(qū)面積占研究區(qū)面積的30.97%，滑坡面積占總滑坡面積的26.02%，中易發(fā)區(qū)主要分布在地勢(shì)相對(duì)平緩的地方。高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)內(nèi)的面積占研究區(qū)總面積的35.89%，但滑坡數(shù)量卻占了滑坡總數(shù)量的77.69%，滑坡面積占總滑坡面積的60.27%。所以危險(xiǎn)性區(qū)劃圖與研究區(qū)實(shí)際情況是一致的，圖4中顯示信息量模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的成功率均在80%以上，說(shuō)明信息量法的評(píng)價(jià)結(jié)果較理想。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)算出的各影響因子的信息量值進(jìn)行分析，對(duì)信息量模型進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并結(jié)合前人的經(jīng)驗(yàn)，可以得出在以下分類(lèi)區(qū)間易發(fā)生滑坡：①高程在1 800～2 000 m區(qū)間內(nèi)；②坡度>50°時(shí)；③坡向?yàn)闁|向；④坡位為中坡；⑤距道路距離>300 m；⑥距河流距離>300 m；⑦距斷層距離在1 000～2 000 m區(qū)間內(nèi)；⑧降雨量在350～360 mm區(qū)間內(nèi)；⑨NDVI在0.7～0.8區(qū)間內(nèi)。

(2)高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)面積占研究區(qū)總面積的35.89%，滑坡數(shù)量共2 660個(gè)，占滑坡總量的77.69%，滑坡面積為2.2 km2，占總滑坡面積的60.27%，從數(shù)量和面積上都可以看出，在這兩個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)內(nèi)占比相對(duì)較高。

(3)本文采用ROC曲線(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果顯示：信息量模型訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的成功率均在80%以上，說(shuō)明信息量法評(píng)論結(jié)果較為理想，可以為該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)工作提供一定的參考價(jià)值。

伊犁地區(qū)黃土分布廣泛，由于受到一定條件的限制，還未深入研究黃土滑坡的復(fù)雜機(jī)理，未來(lái)將進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究，提供更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。