基于GIS與信息量法的貴州省丹寨縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)*

胡 嶼，陳 靜▲，劉 勇，陸安良，侯江勇

(1貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴州 貴陽 550081；2貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局117地質(zhì)大隊(duì)，貴州 貴陽 550018)

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作，對地質(zhì)災(zāi)害防范有重要作用，成果可為地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃、國土空間規(guī)劃等編制提供依據(jù)[1-4]。目前評價(jià)方法主要有層次分析法、信息量法、證據(jù)權(quán)法等，尚未形成統(tǒng)一的評價(jià)方法[5-9]。信息量法是信息理論中引出的一種統(tǒng)計(jì)預(yù)測方法，反映影響因素和可能發(fā)生事件的關(guān)系，具有易理解、操作簡單、結(jié)果可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，被眾多專家學(xué)者廣泛應(yīng)用。本文以丹寨縣為研究對象，通過開展資料收集、實(shí)地調(diào)查等有關(guān)工作，在此基礎(chǔ)上對地質(zhì)背景條件、影響因素等要素進(jìn)行研究，找出關(guān)鍵影響因子作為評價(jià)指標(biāo)，采用GIS開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)。

1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于丹寨縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查及風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)項(xiàng)目，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)主要包括丹寨縣納入臺(tái)賬管理的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)78處，已治理隱患點(diǎn)1處，歷史災(zāi)險(xiǎn)情24處。地形坡度、地形高差等數(shù)據(jù)源于貴州省測繪檔案資料館提供的分辨率為5 m的DEM數(shù)據(jù)生成；斜坡結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)基于DEM數(shù)據(jù)、野外實(shí)地調(diào)查的地層產(chǎn)狀和地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)，通過GIS計(jì)算生成；地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性數(shù)據(jù)主要源于貴州省地質(zhì)資料館提供的丹寨縣1∶50000地質(zhì)圖提取。

2 信息量模型建立

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受多種因素耦合作用影響，在不同地質(zhì)環(huán)境條件下，各影響因素對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有所差異[10]。本研究以地質(zhì)災(zāi)害的信息量為基礎(chǔ)，對災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行判斷，建立評價(jià)模型。特定條件下某評價(jià)指標(biāo)信息量計(jì)算見公式(1)。

(1)

式中：IAj→B—地質(zhì)災(zāi)害(B)在評價(jià)因子(A)的j條件或區(qū)間下的信息量；Nj—評價(jià)因子(A)的j條件或區(qū)間下的地質(zhì)災(zāi)害(B)的數(shù)量；N—整個(gè)評價(jià)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害(B)總數(shù)；Sj—評價(jià)因子(A)的j條件或區(qū)間下的單元格或柵格數(shù)量；S—整個(gè)評價(jià)區(qū)內(nèi)單元格或柵格總數(shù)；j—1，2，3，…n。

當(dāng)IAj→B>0時(shí)，表示評價(jià)因子(A)在j狀態(tài)或區(qū)間下有利于地質(zhì)災(zāi)害(B)發(fā)生，信息量值越大，越有利于地質(zhì)災(zāi)害(B)發(fā)生；當(dāng)IAj→B<0時(shí)，表示評價(jià)因子(A)在j狀態(tài)或區(qū)間下不利于地質(zhì)災(zāi)害(B)發(fā)生，信息量值越小，越不利于地質(zhì)災(zāi)害(B)發(fā)生；當(dāng)IAj→B=0時(shí)，表示評價(jià)因子(A)在j狀態(tài)或區(qū)間下無地質(zhì)災(zāi)害(B)信息量。

由于各類地質(zhì)災(zāi)害受各種因素的影響，各類地質(zhì)災(zāi)害在各種條件或區(qū)間下各種因素的總信息量計(jì)算見公式(2)。

(2)

式中：I—各類地質(zhì)災(zāi)害在各種因素影響的總信息量，表示地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率，即地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性；Ni—某評價(jià)因子的i條件或區(qū)間下的某地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量；N—整個(gè)評價(jià)區(qū)內(nèi)某地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)；Si—某評價(jià)因子的i條件或區(qū)間下的單元格或柵格數(shù)量；S—整個(gè)評價(jià)區(qū)內(nèi)單元格或柵格總數(shù)；i—1，2，3，…n。

3 研究區(qū)概況

丹寨縣地處貴州省東南部黔東南州西部。區(qū)內(nèi)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，夏無酷熱，冬無嚴(yán)寒。區(qū)內(nèi)地勢整體上中部高，向北部和南部逐漸降低，最高點(diǎn)位于南東部排調(diào)鎮(zhèn)牛角山主峰，海拔高程1692 m，最低點(diǎn)位于南部雅灰鄉(xiāng)排調(diào)河出縣境處，海拔高程389 m。區(qū)內(nèi)地層從元古宇下江群、寒武系到二疊系均有出露，其中以元古宇下江群和寒武系地層分布最為廣泛。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)巖石的巖性、組合關(guān)系等特征，劃分為硬質(zhì)巖類、軟硬相間巖類和軟質(zhì)巖類工程地質(zhì)巖組三種類型。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)與華南褶皺帶結(jié)合部，斷裂構(gòu)造發(fā)育，歷史上未發(fā)生過破壞性地震，區(qū)域穩(wěn)定性較好。

4 基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)

4.1 影響因素分析

通過對區(qū)內(nèi)現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、歷史治理點(diǎn)、歷史搬遷點(diǎn)和歷史災(zāi)險(xiǎn)情點(diǎn)樣本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)合孕災(zāi)地質(zhì)條件分析，最終選取與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性較大的地形高差、地形坡度、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組、斜坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)等5個(gè)影響因素，作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)指標(biāo)[11-15]。區(qū)內(nèi)以滑坡地質(zhì)災(zāi)害為主，占總數(shù)的90%以上，本文以滑坡地質(zhì)災(zāi)害計(jì)算代表地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)。

4.1.1 地形高差

斜坡的相對高差為崩塌、滑坡等斜坡類地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了必要的勢能條件，不同的斜坡高差對地質(zhì)災(zāi)害的分布具有較大影響。根據(jù)丹寨縣地形變化情況，將其劃分為5個(gè)地形高差等級，從圖1(a)中可以看出，地質(zhì)災(zāi)害主要分布在地形高差為100～200 m的區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占比和密度最高，分別為81.25%和0.14處/km2，其余區(qū)域呈下降趨勢，當(dāng)?shù)匦胃卟钤?00 m以上時(shí)，無地質(zhì)災(zāi)害分布。

4.1.2 地形坡度

地形坡度大小對崩塌、滑坡等斜坡類地質(zhì)災(zāi)害類型和分布具有控制作用，在其他地質(zhì)條件不變的情況下，一定的斜坡坡度有利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。圖1(b)顯示地質(zhì)災(zāi)害多集中發(fā)育于坡度為15°～45°之間，共占災(zāi)害總數(shù)的90%以上。從地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量來看，坡度在0°～35°之間時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量隨坡度增加呈上升趨勢，坡度在35°以上時(shí)呈減少趨勢。從地質(zhì)災(zāi)害密度來看，坡度在0°～25°之間時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害密度隨著坡度增加呈上升趨勢，坡度在25°以上時(shí)呈減少趨勢。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害影響因子災(zāi)害數(shù)量與災(zāi)害密度關(guān)系統(tǒng)計(jì)

4.1.3 斷層距離

由于地質(zhì)體之間摩擦撞擊、剪切和拉張等運(yùn)動(dòng)影響，形成的斷層、節(jié)理和裂隙周邊的一定范圍內(nèi)，巖土體較松散破碎，而松散破碎的巖土體為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了有利的物質(zhì)條件。通過圖1(c)中可以看出，在距離斷層0～200 m距離范圍內(nèi)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育數(shù)量和密度與斷層距離呈相反的關(guān)系，距離大于200 m以上時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育數(shù)量和災(zāi)害點(diǎn)密度呈增加趨勢，說明在一定距離范圍內(nèi)，斷層構(gòu)造對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育有影響。

4.1.4 工程地質(zhì)

巖土體工程地質(zhì)條件是影響斜坡變形、失穩(wěn)的主要因素。從地質(zhì)災(zāi)害分布數(shù)量來看，地質(zhì)災(zāi)害主要集中分布在軟硬相間巖中，共占災(zāi)害總數(shù)的將近80%；從災(zāi)害密度分布來看，軟質(zhì)巖中地質(zhì)災(zāi)害密度最大(圖1(d))。說明研究區(qū)軟硬相間巖和軟質(zhì)巖對滑坡為主的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育具有顯著影響。

4.1.5 斜坡結(jié)構(gòu)

斜坡結(jié)構(gòu)交切面往往為相對軟弱結(jié)構(gòu)面，是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育關(guān)鍵控制面。通過圖1(e)中可以看出，順向坡中地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量分布最多，占總災(zāi)害數(shù)的34.38%，逆向坡中分布最少，為11.46%；地質(zhì)災(zāi)害密度與災(zāi)害數(shù)量分布一致，順向坡中密度最高，逆向坡中最低。說明斜坡結(jié)構(gòu)對地質(zhì)災(zāi)害分布有重要影響。

4.2 評價(jià)因子信息量計(jì)算

以研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)和1∶50000地質(zhì)圖為基礎(chǔ)底圖，運(yùn)用ArcGIS中焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算相對高差，然后進(jìn)行重分類計(jì)算獲得0～50 m、50～100 m、100～200 m、200～300 m和300 m以上分類結(jié)果，再統(tǒng)計(jì)相應(yīng)柵格數(shù)量，計(jì)算獲得地形高差信息量值；應(yīng)用ArcGIS中坡度計(jì)算工具計(jì)算坡度，然后進(jìn)行重分類可得0°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°和45°以上分類結(jié)果，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)柵格數(shù)量，計(jì)算得到地形坡度信息量值；通過ArcGIS中多環(huán)緩沖工具，獲得0～100 m、100～200 m、200～500 m和500 m以上分類結(jié)果，通過面轉(zhuǎn)柵格后統(tǒng)計(jì)相應(yīng)柵格數(shù)量，計(jì)算得到斷層信息量值；利用ArcGIS的面轉(zhuǎn)柵格工具獲得相應(yīng)硬質(zhì)巖類、軟質(zhì)巖類和軟硬相間巖類柵格數(shù)量，計(jì)算得到工程地質(zhì)巖組信息量；最后利用ArcGIS的柵格計(jì)算工具或數(shù)學(xué)分析工具對坡度、坡向和巖層傾向、傾角等進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，然后進(jìn)行重分類獲取順向坡、逆向坡、橫向坡和斜向坡的柵格數(shù)量，最后得到斜坡結(jié)構(gòu)信息量(表1)。

表1 丹寨縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)因子分類信息量值

通過對地質(zhì)災(zāi)害5類評價(jià)因子中的22個(gè)分級因子計(jì)算得到的信息量，按照從高到低的順序進(jìn)行排列編號，可以得到斜坡結(jié)構(gòu)、地形坡度和工程地質(zhì)巖組為該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要影響因素。

4.3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)

根據(jù)信息量法計(jì)算模型，對計(jì)算出的地形高差、地形坡度、地質(zhì)構(gòu)造(距斷層距離)、工程地質(zhì)巖組和斜坡結(jié)構(gòu)等評價(jià)因子信息量，再利用ArcGIS軟件功能中柵格計(jì)算疊加工具，分別對5類評價(jià)因子中分級因子進(jìn)行計(jì)算，再對其計(jì)算結(jié)果的柵格利用重分類工具進(jìn)行重分類，可得各類因子的信息量柵格圖。在此基礎(chǔ)上利用ArcGIS軟件功能中疊加分析工具，將5類評價(jià)因子進(jìn)行疊加計(jì)算得到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)柵格圖，將結(jié)果按自然斷點(diǎn)法分為極高易發(fā)區(qū)(1.72707702～1.9889560943)、高易發(fā)區(qū)(1.296919454～1.727077019)、中易發(fā)區(qū)(0.44138385～1.296919453)、低易發(fā)區(qū)(-6.788608551～0.44138385)4個(gè)等級，所占面積分別為71.01 km2、17.18 km2、158.44 km2和527.38 km2，分別占區(qū)內(nèi)總面積比為7.52%、19.83%、16.78%和55.87%。

4.4 可靠性分析

對研究區(qū)易發(fā)性評價(jià)結(jié)果采用受試者工作特征曲線(ROC)進(jìn)行定量測試檢驗(yàn)，采用作圖軟件繪制各易發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占比累計(jì)值與各易發(fā)區(qū)面積占比累計(jì)值曲線圖，圖形縱坐標(biāo)定為各易發(fā)區(qū)內(nèi)災(zāi)害數(shù)量占比累計(jì)值，橫坐標(biāo)定為各易發(fā)區(qū)的面積占比累計(jì)值，獲得圖形上下兩部分面積，利用下方面積占比大小來表示評價(jià)精度，面積占比越高，表示評價(jià)精度越高。計(jì)算得到評價(jià)結(jié)果為73.12%，表明基于GIS技術(shù)與信息量法對丹寨縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

(1)通過以貴州省丹寨縣為研究對象，選取地形高差、地形坡度、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)等5類評價(jià)因子，采用信息量法計(jì)算出各因子信息量，最后通過GIS疊加功能得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生性評價(jià)圖。

(2)對分級因子信息量分析研究表明，斜坡結(jié)構(gòu)、地形坡度和工程地質(zhì)巖組為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要影響因素，地質(zhì)災(zāi)害在順向坡、地形坡度中15°～25°和軟質(zhì)巖中最為發(fā)育。

(3)評價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分為4個(gè)等級，分別為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)和低易發(fā)區(qū)，分別占區(qū)內(nèi)總面積比為7.52%、19.83%、16.78%和55.87%。

(4)本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)精度為73.12%，表明基于GIS技術(shù)與信息量法的丹寨縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)結(jié)果可靠，可為地質(zhì)災(zāi)害防范提供參考。