基于DEM的地形地質(zhì)特征對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響研究
——以沙河市為例

胡雪峰，楊燕燕，任宏磊

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063200；2.中冶沈勘秦皇島工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，河北 秦皇島 066000)

0 引言

沙河市地勢(shì)差異懸殊，空間分布特征明顯，西部為山區(qū)和丘陵，地質(zhì)條件復(fù)雜；東部地區(qū)地勢(shì)較為平坦，多為平原。沙河市礦產(chǎn)資源豐富，鐵礦煤礦居多，隨著礦產(chǎn)資源的開發(fā)，地質(zhì)環(huán)境問題也隨之而來(lái)。一般而言，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生往往是由于地貌在地質(zhì)的作用下發(fā)生形變，因此深入了解沙河市地貌、地質(zhì)特征對(duì)防治地質(zhì)災(zāi)害、保障礦產(chǎn)資源開采的安全具有重要意義[1]。地形因子是定量分析與表達(dá)地貌形態(tài)特征的重要指標(biāo)，利用數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)提取區(qū)域地形因子信息方便快捷，已成為地形信息提取與分析的主要方法之一[2]。本文基于沙河市的DEM數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS軟件平臺(tái)對(duì)高程、坡度、地形起伏度、地表切割深度、河流等地形因子進(jìn)行提取，由此分析地質(zhì)災(zāi)害與地形地質(zhì)特征的關(guān)系，結(jié)果可為沙河市的地質(zhì)災(zāi)害防控提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用沙河市30 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)，來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云。得到DEM原始數(shù)據(jù)后需根據(jù)沙河市行政邊界對(duì)其進(jìn)行拼接與裁剪預(yù)處理。

1.2 研究方法

地形是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主導(dǎo)因素之一[3]。高程、坡度、地形起伏度、地表切割深度是影響山體滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要影響因子。坡度越陡、地形起伏越大的區(qū)域發(fā)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的可能性就越大；地表切割深度越大，地表被侵蝕越嚴(yán)重，該區(qū)域的水土流失情況就越嚴(yán)重。

地形因子具有實(shí)際的物理意義，一般被分為宏觀和微觀兩類，分別側(cè)重于表達(dá)區(qū)域整體范圍內(nèi)的地貌特征和具體點(diǎn)位的特征。根據(jù)研究需要，本文選取了微觀地形因子高程和坡度，宏觀地形因子地形起伏度與地表切割深度，并提取沙河市河流網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，綜合該區(qū)域地質(zhì)特征對(duì)地質(zhì)災(zāi)害形成原因進(jìn)行分析。利用ArcGIS軟件平臺(tái)對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，可得到坡度、地形起伏度等地形因子，簡(jiǎn)單快捷。

2 地形地質(zhì)特征分析

2.1 地形特征分析

將沙河市30 m分辨率的DEM在ArcMap10.5中進(jìn)行等值線提取、坡度提取，在符號(hào)系統(tǒng)中對(duì)其進(jìn)行分級(jí)顯示，得到研究區(qū)的高程、等值線以及坡度分布圖。利用空間分析中鄰域分析的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具結(jié)合柵格計(jì)算器工具得到研究區(qū)的地形起伏度以及地表切割深度。在利用DEM數(shù)據(jù)提取河網(wǎng)結(jié)構(gòu)時(shí)，需對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼處理，進(jìn)而提取研究區(qū)的流向、流量，利用柵格計(jì)算器對(duì)流量圖進(jìn)行匯流量統(tǒng)計(jì)，并通過(guò)疊加分析確定最優(yōu)閾值，最終得到沙河市的河流網(wǎng)絡(luò)，結(jié)果如1。

圖1 DEM數(shù)據(jù)分析結(jié)果

高程反映了一個(gè)地區(qū)地勢(shì)的高低。由圖1a可知，沙河市地區(qū)地勢(shì)差異明顯，表現(xiàn)為西高東低，且海拔高度由西至東呈遞減趨勢(shì)。西部邊緣地區(qū)地勢(shì)最高，高程在1 000 m以上，東部地區(qū)高程低于100 m。由圖1b沙河市等值線分布圖可以看出，西部地區(qū)等高線密集，東部地區(qū)等高線稀疏，說(shuō)明西部地區(qū)相對(duì)高度變化大，地面起伏較大，東部地區(qū)相對(duì)高度變化小，地面較為平坦開闊，主要為平原地區(qū)。沙河市西部地區(qū)的應(yīng)力條件復(fù)雜，勢(shì)能高于東部地區(qū)，發(fā)生滑坡、泥石流的可能性遠(yuǎn)高于東部地區(qū)。

坡度表示地表單元陡緩的程度，與地表物質(zhì)流動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換的規(guī)模密切相關(guān)[4]。根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)以及研究區(qū)的實(shí)際情況，將坡度分為5級(jí)：0°～5°為平原，5°～15°為斜坡，15°～25°為陡坡，25°～35°為急坡，35°～90°為急陡坡[5]。由圖1c可以看出，沙河市西部地區(qū)平原較少，多為斜坡、陡坡、急坡以及急陡坡，東部地區(qū)以平原、斜坡為主。坡度的平峭會(huì)影響河流侵蝕程度，坡度陡峭的地區(qū)因河流侵蝕作用較強(qiáng)，水土流失嚴(yán)重，極易引發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

地形起伏度是特定的區(qū)域內(nèi)最高海拔點(diǎn)與最低海拔點(diǎn)的高度差值，可以直觀的評(píng)價(jià)土地利用好壞以及土壤侵蝕敏感性等，也可作為劃分地貌形態(tài)的重要參考指標(biāo)[6]。本文以100 m為統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，得到的研究區(qū)地形起伏度范圍在0～977 m之間，依據(jù)柴宗對(duì)地貌基本形態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將沙河市劃分為以下四種地貌形態(tài)類型：平原(<20 m)、丘陵(20～200 m)、低山(200～500 m)、中山(500～1 500 m)[7]。由圖1d可知，沙河市整體地形起伏度較小，平原、丘陵面積占比最高；地貌形態(tài)空間分布明顯，東部多以平原、丘陵為主，西部地區(qū)地形起伏度相對(duì)較高，多為低山、中山。

地表切割深度是指一定范圍內(nèi)平均高程與該鄰域范圍內(nèi)的最小高程的差，通常表示自然界中如水、風(fēng)、沙等對(duì)地表的侵蝕程度[8]。由圖1e可知，沙河市西部地區(qū)地表切割深度值較大。從整體來(lái)看，沙河市地表切割深度與坡度空間分布相似，地勢(shì)平坦的地區(qū)，地表切割深度較小，地表被侵蝕程度越輕；相反，地勢(shì)陡峭的地區(qū)，地表切割深度較大，地表越易受到侵蝕。

河網(wǎng)是由眾多縱橫交錯(cuò)的河道構(gòu)成的水系，是水文分析與地形分析的重要指標(biāo)之一。河網(wǎng)水系可以反應(yīng)出一個(gè)地區(qū)的地表水的分布情況以及河流的數(shù)量、長(zhǎng)度等。由圖1f可知，沙河市水系分布全區(qū)，由西部山區(qū)往東部平原區(qū)多條支流河道匯入主流，結(jié)合圖1a、圖1b、圖1e的分析可知，西部山區(qū)落差大，切割較強(qiáng)烈，東部地區(qū)地勢(shì)平緩，河流切割作用較弱，河流切割作用強(qiáng)烈的陡峭山區(qū)，更容易發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

2.2 地質(zhì)特征分析

沙河市西臨太行山隆起，東接華北平原，地層由老至新依次為中太古界、中元古界、古生界地層、中生界、新生界地層，地層總體走向北北東，傾向南東東，傾角一般5°～10°。西部山區(qū)主要出露太古界、中上元古界、寒武系地層；中部地區(qū)主要出露奧陶系和石炭二疊系地層；東部主要為第四系；燕山期火成巖體在礦山、紫山、綦村均有出露。構(gòu)造多以褶皺、斷裂為主，主要沿南北向、北西向、北北東向三個(gè)構(gòu)造帶發(fā)育，構(gòu)造整體輪廓表現(xiàn)為西部隆起，東部下降，應(yīng)力條件較復(fù)雜，其斷層發(fā)育較多，多為高角度正斷層，走向以北北東向和北西向?yàn)橹?，?fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造條件和地層巖性一定程度上有利于山體滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。沙河市礦產(chǎn)資源豐富，地下礦產(chǎn)開采長(zhǎng)期抽排地下水，會(huì)導(dǎo)致地下水位大幅下降，可能會(huì)引發(fā)地面沉降。

河流主要為沙河、馬會(huì)河、北洺河，從地形因子分析來(lái)看，河流在西部山區(qū)切割深度較大，東部平緩地區(qū)切割深度較小，西部山區(qū)多個(gè)直流匯入主流河道，如沙河分南北兩條支流，流經(jīng)地區(qū)基巖主要為寒武系灰?guī)r和砂巖，中部和東部地區(qū)基巖主要為奧陶系灰?guī)r，灰?guī)r中發(fā)育巖溶，基巖透水性均較好，河水位高于地下水位時(shí)可直接補(bǔ)給基巖水，同時(shí)，河流流經(jīng)巖溶地區(qū)和斷層區(qū)域時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)漏失的現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)以DEM為數(shù)據(jù)源，利用ArcGIS空間分析工具提取沙河市坡度、地形起伏度、地表切割深度等地形因子，結(jié)合地質(zhì)信息，對(duì)沙河市地形地貌特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)沙河市的地質(zhì)災(zāi)害隱患具有一定的地域性，多集中在西部山區(qū)、丘陵區(qū)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、河流作用、地形地貌、地層巖性、降水以及礦產(chǎn)開采等人來(lái)活動(dòng)是沙河市地質(zhì)災(zāi)害的主要影響因素。

(2)通過(guò)地形因子分析可以看出西部地區(qū)高程差異明顯，地勢(shì)陡峭，地形起伏度較大，同時(shí)受太行山隆起影響，地質(zhì)構(gòu)造情況復(fù)雜，發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大；山區(qū)、丘陵、平原之間地形變化急驟，緩沖地帶不明顯，山區(qū)以及靠近山區(qū)地區(qū)的坡度較大，流水切割作用明顯，容易造成水土流失；平原地區(qū)地勢(shì)開闊，水流平緩，河流切割作用較弱，區(qū)域鐵礦資源豐富，鐵礦開采長(zhǎng)期抽排地下水，帶來(lái)了地下水位大幅下降，容易致使地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

(3)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，不但會(huì)影響人類生產(chǎn)生活的安全，也會(huì)影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，分析結(jié)果可為沙河市的地質(zhì)災(zāi)害防范工作提供參考。