朱霞飛,文祎
基于GIS的四川省江油市崩塌災(zāi)害區(qū)域易發(fā)性評(píng)價(jià)
朱霞飛1,文祎2
(1.中冶成都勘察研究總院有限公司,成都 610023;2.資陽(yáng)市臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)人力資源管理中心,四川 資陽(yáng) 641305)
本文以四川省江油市為例,以區(qū)內(nèi)152處崩塌點(diǎn)為數(shù)據(jù)樣本,在對(duì)崩塌影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,選取斜坡結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)巖組、地形坡度、高程、距斷層距離、地震動(dòng)峰值加速度、降雨量、距河流距離、距公路距離共9個(gè)崩塌影響因子,以地理信息系統(tǒng)(GIS)為平臺(tái),采用層次分析法和信息量模型等定性分析與定量計(jì)算相結(jié)合的方法,建立研究區(qū)崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)模型,并對(duì)各因子信息量值進(jìn)行加權(quán)疊加,得到江油市崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖。結(jié)果表明,崩塌高易發(fā)區(qū)面積占全市總面積的15.17%,中易發(fā)區(qū)占33.62%,低易發(fā)區(qū)占全市的46.23%,非易發(fā)區(qū)占全市總面積的4.98%。研究結(jié)果對(duì)江油市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)范圍預(yù)測(cè)及重點(diǎn)防治區(qū)域區(qū)劃具有重要的指導(dǎo)意義。
崩塌;影響因素;信息量模型;易發(fā)性評(píng)價(jià);GIS
地質(zhì)災(zāi)害是在自然或者人為因素的作用下形成的,對(duì)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)造成的損失、對(duì)環(huán)境造成破壞的地質(zhì)作用或地質(zhì)現(xiàn)象,包含滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地面沉降、地面塌陷等類(lèi)型(張倬元等,1997)。其中,崩塌在西南山區(qū)極為廣泛發(fā)育分布,具有突發(fā)性強(qiáng)、危害性大、難以預(yù)防的特點(diǎn),因此,科學(xué)開(kāi)展崩塌災(zāi)害區(qū)域評(píng)價(jià)、防治工作提供依據(jù)顯得非常必要(李永建等,2020;劉孟宇等,2021),將為我們從源頭降低風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)和應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供合理的應(yīng)對(duì)措施。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是指在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害孕生條件進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,確定對(duì)斜坡失穩(wěn)最有利的因素組合從而預(yù)測(cè)某一區(qū)域滑坡發(fā)生的可能性,本文基于江油市地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、應(yīng)急排查與區(qū)劃報(bào)告,以152處崩塌點(diǎn)為數(shù)據(jù)樣本,在對(duì)崩塌影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上,選取斜坡結(jié)構(gòu)、工程地質(zhì)巖組、地形坡度、高程、距斷層距離、地震動(dòng)峰值加速度、降雨量、距河流距離、距公路距離共9個(gè)崩塌影響因子,基于地理信息系統(tǒng)(GIS)采用層次分析法和信息量模型,按照定性與定量相結(jié)合的原則,建立研究區(qū)崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)模型,得到崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)分區(qū)圖。其結(jié)果可以為危險(xiǎn)范圍預(yù)測(cè)及重點(diǎn)防治區(qū)域區(qū)劃等方面提供理論依據(jù),對(duì)實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。此外,可結(jié)合江油市建設(shè)規(guī)劃及防災(zāi)規(guī)劃,對(duì)江油市的地質(zhì)災(zāi)害防治與國(guó)土空間開(kāi)發(fā)提出建議。
江油市位于四川盆地的西北部,地理坐標(biāo)為東經(jīng)104°31′~105°17′,北緯31°32′~32°19′,東鄰廣元市區(qū)和劍閣縣,南接梓潼市和綿陽(yáng)市游仙區(qū)、涪城區(qū),西接安縣、江油市,北連平武縣、青川縣,距離成都150 km,全市面積2719 km2。境內(nèi)寶成鐵路、綿廣高速公路及中雁公路三條干道交通由北到南縱穿區(qū)內(nèi),是江油市內(nèi)外交通的交通干線(圖1(a))。江油市轄23個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、1個(gè)辦事處和1個(gè)省級(jí)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū),分別為中壩街道辦事處、三合鎮(zhèn)、太平鎮(zhèn)、青蓮鎮(zhèn)、武都鎮(zhèn)、彰明鎮(zhèn)、含增鎮(zhèn)、龍鳳鎮(zhèn)、大康鎮(zhèn)、新安鎮(zhèn)、戰(zhàn)旗鎮(zhèn)、雙河鎮(zhèn)、永勝鎮(zhèn)、小溪壩鎮(zhèn)、河口鎮(zhèn)、重華鎮(zhèn)、厚壩鎮(zhèn)、二郎廟鎮(zhèn)、馬角鎮(zhèn)、雁門(mén)鎮(zhèn)、方水鎮(zhèn)、西屏鎮(zhèn)、大堰鎮(zhèn)、楓順鄉(xiāng)和江油高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)(圖1(b))。江油市境內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜,共發(fā)育崩塌152處,其中土質(zhì)崩塌15處,巖質(zhì)崩塌137處,占全市地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的15.43%,面密度5.59處/100 km2,主要分布于背斜、向斜軸部、斷裂帶附近及河流溝谷峽谷段兩岸陡峻斜坡上,行政上主要分布于江油市北部龍門(mén)山中山地貌區(qū)的雁門(mén)鎮(zhèn)(37處)、楓順鄉(xiāng)(19處)、二郎廟鎮(zhèn)(15處)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。
圖1 研究區(qū)地理位置與行政區(qū)劃圖
本文采用以信息量法與層次分析法相結(jié)合的方法建立江油市崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型。
信息量模型是從信息預(yù)測(cè)發(fā)展而來(lái)的一種評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)方法(Van Westen, 2003),信息量值作為該評(píng)價(jià)單元影響崩塌災(zāi)害易發(fā)性的綜合指標(biāo),其值越大越容易發(fā)生崩塌災(zāi)害。由于每個(gè)評(píng)價(jià)單元受眾多因素的綜合影響,各因素又存在若干狀態(tài),各狀態(tài)因素組合條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的總信息量可用下式確定:
式中:為崩塌在評(píng)價(jià)單元的總信息量;N為對(duì)應(yīng)特定因素、第區(qū)間的崩塌災(zāi)害面積或數(shù)量;為對(duì)應(yīng)特定因素、第區(qū)間的分布面積;為研究區(qū)崩塌災(zāi)害總面積或總數(shù)量;為研究區(qū)總面積。
層次分析法(AHP)于20世紀(jì)70年代最早由美國(guó)著名的運(yùn)籌學(xué)家T.L.Satty提出,它是一種定性分析和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的多準(zhǔn)則決策方法,本文用于確定崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)因子權(quán)重值,可以分為建立遞階層次結(jié)構(gòu)、建立判斷矩陣、計(jì)算權(quán)向量、判斷矩陣一致性檢驗(yàn)與計(jì)算各指標(biāo)的組合權(quán)重5個(gè)步驟。
區(qū)域易發(fā)性評(píng)價(jià)首先要選擇一個(gè)合適的評(píng)價(jià)單元,即制圖單元,“單元”即地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)中最小的地表研究對(duì)象。本文基于數(shù)字高程模型DEM精度和研究區(qū)的實(shí)際情況,以12.5m×12.5m的柵格單元為評(píng)價(jià)單元,研究區(qū)共被劃分成17396911個(gè)柵格單元。
圖2為崩塌與各影響因子的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。本文將研究區(qū)劃分為順向坡、斜向坡、橫向坡、逆向坡和松散堆積層土質(zhì)斜坡五大類(lèi)(圖3(a)),在順向坡和斜交坡區(qū)域,發(fā)育崩塌數(shù)量98處,占總數(shù)的64.47%,崩塌點(diǎn)密度最大的為順向坡斜坡,點(diǎn)密度高達(dá)10.32個(gè)/100 km2,松散堆積層土質(zhì)斜坡崩塌災(zāi)害最不發(fā)育,點(diǎn)密度僅為1.38個(gè)/100km2??梢钥闯鲂逼陆Y(jié)構(gòu)對(duì)崩塌控制作用明顯。此外,區(qū)內(nèi)最易發(fā)生崩塌的巖組為堅(jiān)硬塊層狀碳酸鹽巖巖組和堅(jiān)硬塊層狀碳酸鹽巖與碎屑巖巖組(圖3(b)),可能原因?yàn)榘自苹規(guī)r節(jié)理裂隙發(fā)育,易于風(fēng)化,由于區(qū)內(nèi)晝夜溫差極大,其物理風(fēng)化嚴(yán)重,因此也巖體易于發(fā)生崩落。堅(jiān)硬塊層狀碳酸鹽巖巖組是縣域內(nèi)分布最廣的巖組,占全區(qū)面積總和的34.17%。在其分布區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,使得巖體多較為破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,造成該巖組為區(qū)內(nèi)崩塌最發(fā)育巖組,這是因?yàn)閰^(qū)內(nèi)主要發(fā)育巖質(zhì)崩塌,土質(zhì)斜坡崩塌災(zāi)害不發(fā)育。斜坡的坡度越大,臨空的危勢(shì)和斜坡體內(nèi)應(yīng)力也就大,斜坡容易產(chǎn)生變形破壞。由圖3c可知,江油市的崩塌發(fā)生的斜坡坡度一般為30°~50°,發(fā)育崩塌災(zāi)害點(diǎn)68處,占總數(shù)的44.74%。崩塌點(diǎn)密度隨著坡度增加逐漸增大,在大于50°的斜坡中共發(fā)育崩塌點(diǎn)14處,點(diǎn)密度高達(dá)26.94個(gè)/100km2。江油市境內(nèi)高程分布在400~2296m,區(qū)內(nèi)崩塌主要發(fā)育高程在400~700m(圖3d),700~1000m高程段占崩塌總數(shù)的85.53%,高程在700~1000m高程段,崩塌災(zāi)害點(diǎn)密度最大,高達(dá)9.57個(gè)/100 km2。崩塌災(zāi)害的發(fā)生與人類(lèi)關(guān)系密切,江油市境內(nèi)人類(lèi)大多居住在海拔400~1000m之間,人類(lèi)工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也大多發(fā)生在這個(gè)海拔高程范圍內(nèi),故崩塌災(zāi)害的發(fā)生主要集中于高程400~1000m區(qū)間。區(qū)內(nèi)大部分的崩塌皆分布于斷裂帶中,其原因除了河谷下切的表生改造過(guò)程中,卸荷作用產(chǎn)生的卸荷裂隙外,地質(zhì)歷史中產(chǎn)生的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面亦為重要的崩塌控制面。距斷裂距離越近,發(fā)育災(zāi)害點(diǎn)的密度越高,其中距斷層距離0~500m區(qū)間,共發(fā)育56處崩塌災(zāi)害點(diǎn),點(diǎn)密度高達(dá)12.08個(gè)/100 km2;距構(gòu)造距離0~1000m區(qū)間,共發(fā)育92處崩塌災(zāi)害點(diǎn),占崩塌災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的60.53% (圖3e)。江油市地震動(dòng)峰值加速度值分為0.10g和0.15g兩個(gè)區(qū)域(圖3f),加速度值為0.10g的區(qū)域發(fā)育崩塌35處,崩塌點(diǎn)密度達(dá)到4.17個(gè)/100 km2,加速度值為0.15g的區(qū)域發(fā)育崩塌117處,崩塌點(diǎn)密度達(dá)到6.20個(gè)/100km2,江油市地震作用對(duì)崩塌控制作用明顯,地震動(dòng)峰值加速度值越大,崩塌越發(fā)育。通過(guò)收集資料,江油市降雨量被劃分為800~900mm、900~1000mm、1000~1100mm、1100~1200mm、1200~1300mm五個(gè)區(qū)間等級(jí)(圖3g),江油市崩塌存在跟降雨量正相關(guān)的趨勢(shì),降雨量最大的1200-1300mm區(qū)間,發(fā)育崩塌點(diǎn)61處,發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度最大,為10.32個(gè)/100km2。崩塌點(diǎn)在另外四個(gè)等級(jí)降雨區(qū)間,分布較為平均,點(diǎn)密度大致相近。將距水系距離分為0~100m、100~200m、200~300m、300~400m與> 400m五個(gè)等級(jí)。江油市水系發(fā)達(dá),河網(wǎng)密度大,崩塌災(zāi)害的形成與距離河流的距離關(guān)系緊密(圖3h)。江油市崩塌災(zāi)害點(diǎn)主要分布在距水系100m的范圍內(nèi),在這個(gè)范圍內(nèi),分布有41個(gè)崩塌災(zāi)害點(diǎn),占崩塌點(diǎn)總數(shù)的26.97%;在距水系0~200m的范圍內(nèi),分布有68個(gè)崩塌災(zāi)害點(diǎn),占崩塌點(diǎn)總數(shù)的44.73%。距水系越近,崩塌災(zāi)害密度越高,在距水系0~100m的范圍內(nèi)崩塌點(diǎn)密度達(dá)到15.69個(gè)/100km2。這表明在進(jìn)行江油市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮距水系0~200m范圍內(nèi)的斜坡巖土體。本文重點(diǎn)考慮道路建設(shè)對(duì)崩塌的影響,并將斜坡距道路的距離分為0~50m、50~100m、100~150m、150~200m與大于200m五個(gè)等級(jí)。從圖3h可以看出,崩塌災(zāi)害點(diǎn)主要集中分布在距道路100m的范圍內(nèi),在這個(gè)范圍內(nèi)分布有18個(gè)崩塌災(zāi)害點(diǎn),在0~150m區(qū)間范圍內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)點(diǎn)密度相對(duì)較大,0~50m區(qū)間點(diǎn)密度最大,達(dá)到18.54個(gè)/100km2。因此,距道路100m范圍內(nèi)的巖土體是崩塌災(zāi)害的高發(fā)區(qū)。
a.斜坡結(jié)構(gòu)b.工程地質(zhì)巖組c.地形坡度 d.高程e.距斷層距離f.地震動(dòng)峰值加速度 g.降雨量h.距河流距離i.距公路距離
結(jié)合崩塌災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律、主控因素分析以及野外調(diào)查結(jié)果,確定斜坡結(jié)構(gòu)類(lèi)型(B1)、工程地質(zhì)巖組(B2)、地形坡度(B3)、高程(B4)、距斷層距離(B5)、地震動(dòng)峰值加速度(B6)、降雨量(B7)、距河流距離(B8)、距公路距離(B9)等9個(gè)指標(biāo)作為崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo),各因子和崩塌災(zāi)害點(diǎn)空間分布情況見(jiàn)圖3。
本文共采用了152處崩塌進(jìn)行分析,通過(guò)信息量模型,將各因子圖層分級(jí)后,計(jì)算各因子的分級(jí)面積及區(qū)域內(nèi)分布的崩塌點(diǎn)數(shù)量,得到各因子分級(jí)的信息量值(表1),利用軟件重分類(lèi)功能,將各因子圖層賦值,形成下一步易發(fā)性疊加的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
根據(jù)層次分析法計(jì)算得到權(quán)重值見(jiàn)表2,可以看出9個(gè)指標(biāo)的權(quán)重排序?yàn)椋盒逼陆Y(jié)構(gòu)類(lèi)型(B1,0.2248)>工程地質(zhì)巖組(B2,0.1856)>地震動(dòng)峰值加速度(B6,0.1487)>地形坡度(B3,0.1166)= 距斷層距離(B5,0.1166)> 距公路距離(B9,0.0834)> 降雨量(B7,0.0657)>距河流距離(B8,0.0329)> 高程(B4,0.0257)。
根據(jù)上述9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)信息量值進(jìn)行評(píng)價(jià)因子的加權(quán)疊加計(jì)算,采用自然間斷法將疊加計(jì)算得到的值分為四個(gè)等級(jí),形成江油市崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)圖(圖4)。將崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)圖劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū),結(jié)果表明,高易發(fā)區(qū)面積413.62 km2,占全市總面積的15.17%,包含崩塌點(diǎn)45處;中易發(fā)區(qū)面積916.55 km2,占全市總面積的33.62%,包含崩塌點(diǎn)75處;低易發(fā)區(qū)面積1259.83 km2,占全市總面積的46.23%,包含崩塌點(diǎn)32處;非易發(fā)區(qū)面積135.86 km2,占全市總面積的4.98%,包含崩塌點(diǎn)0處。崩塌非易發(fā)區(qū)為涪江河谷平壩區(qū),區(qū)內(nèi)地形平緩,現(xiàn)狀不發(fā)育崩塌地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)。
表1 崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)信息量值
本文通過(guò)層次分析法確定9個(gè)易發(fā)性因子的權(quán)重,對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)因子通過(guò)專(zhuān)家打分法來(lái)判斷各個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要性,構(gòu)造判斷矩陣,結(jié)果見(jiàn)表3。計(jì)算出其歸一化處理后的特征向量為W1=[0.236,0.227,0.110,0.031,0.111,0.137,0.055,0.029,0.064],最大實(shí)數(shù)特征根為9.620。當(dāng)指標(biāo)數(shù)量n=9時(shí),平均隨機(jī)一致性指標(biāo)為1.45,因此CR=0.053<0.1,滿足一致性檢驗(yàn),判斷矩陣具有很好的判斷一致性。
ROC曲線為受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve,ROC),是反映敏感性和特異性連續(xù)變量的綜合指標(biāo),曲線下面積(area under curve,AUC)是檢驗(yàn)?zāi)P途鹊某S梅椒?,被用?lái)作為度量模型好壞的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),其值介于0.5~1之間,當(dāng)0.5 < AUC ≤ 0.6時(shí),模型評(píng)價(jià)結(jié)果極差;0.6 < AUC ≤ 0.7,模型準(zhǔn)確度差;0.7 < AUC ≤ 0.8表明模型準(zhǔn)確度可以接受;0.8 < AUC ≤ 0.9表明模型準(zhǔn)確度較好;0.9 < AUC < 1.0表明模型性能出色。本文AUC值為0.866,準(zhǔn)確度較好(圖5)。
圖4 崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果分區(qū)圖
表2 崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)因子權(quán)重
表3 構(gòu)建判斷矩陣
(1)江油市共發(fā)育崩塌152處,面密度5.59處/100 km2,主要分布于江油市北部龍門(mén)山中山地貌區(qū)的雁門(mén)鎮(zhèn)(37處)、楓順鄉(xiāng)(19處)、二郎廟鎮(zhèn)(15處)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。
(2)將江油市崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū),其中,高易發(fā)區(qū)面積占全市總面積的15.17%,中易發(fā)區(qū)占33.62%,低易發(fā)區(qū)占全市的46.23%,非易發(fā)區(qū)占全市總面積的4.98%。
(3)通過(guò)ROC曲線和AUC值對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確和合理性進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)AUC值為0.866,模型準(zhǔn)確度較好,表明信息量模型和層次分析法在江油地區(qū)崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)應(yīng)用中具有良好地適用性。
(4)建議進(jìn)行科學(xué)的崩塌地質(zhì)災(zāi)害減災(zāi)防災(zāi)規(guī)劃,對(duì)崩塌點(diǎn)進(jìn)行有效的排危除險(xiǎn)、工程治理、監(jiān)測(cè)預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)管控。
圖5 ROC曲線和AUC值
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Geological Environment Risk Assessment of Kangyang City of Huaying Mountain Based on 3D Oblique Photography and GIS Technology
ZHU Xia-fei1WEN Yi2
(1-Chengdu Surveying Geotechnical Research Institute Co, Ltd. of MCC, Chengdu, 610023;2-Ziyang Airport Economic Zone Human Resource Management Center, Ziyang, 641305)
This paper takes Jiangyou City, Sichuan Province as the study area and 152 collapse points as data samples, and selects a total of nine collapse influence factors, including slope structure, engineering geological rock group,topographicslope, elevation, distance from fault, peak ground acceleration, rainfall, distance from river and distance from highway.Basedon geographic information system (GIS), the evaluation model of the collapse susceptibility of the study area was established by combining qualitative analysis and quantitative calculation methods such as analytic hierarchy process (AHP) and information quantity model, and the weighted superposition of the information value of each factor was carried out to obtain the collapse susceptibility evaluation zoning map of Jiangyou City. The results showed that the area of the high-risk area accounted for 15.17% of the total area of the city, the medium-risk area accounted for 33.62%, the low-risk area accounted for 46.23%, and the non-risk area accounted for 4.98%. The results of this study have important guiding significance to the prediction of geological hazard scope and the zoning of key prevention areas in Jiangyou City.
collapse; influencing factors; information content model; susceptibility evaluation; GIS
P237
A
1006-0995(2022)03-0701-08
10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.031
2022-02-22
朱霞飛(1993— ),男,安徽亳州人,助理工程師,現(xiàn)主要從事地基基礎(chǔ)工程施工及巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作