山區(qū)縣域小流域滑坡點密度研究

林慶

(重慶市萬盛經(jīng)開區(qū)規(guī)劃和自然資源局，重慶 400074)

1 引 言

由于地形特征及地理位置原因，山區(qū)縣域大多位于山地、丘陵以及較為崎嶇的高原地區(qū)，這些地區(qū)滑坡、泥石流以及山洪等自然災(zāi)害時常發(fā)生，已嚴(yán)重制約我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，威脅著山區(qū)人民生命及財產(chǎn)安全，是影響我國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。單位流域面積內(nèi)滑坡點個數(shù)即滑坡點密度，某地區(qū)滑坡點密度越高，則該地區(qū)發(fā)生滑坡災(zāi)害可能性越大，通過滑坡點密度可科學(xué)確定該地區(qū)滑坡災(zāi)害危險程度，對該地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)意義重大。

地理信息系統(tǒng)(GIS)具有完善的地理空間信息處理功能和良好的模型載入與區(qū)劃效果展示能力，因此基于GIS技術(shù)可以較好地完成滑坡災(zāi)害點密度的危險區(qū)劃[1]。本文以忠縣為例，在地理信息系統(tǒng)水文分析模塊支持下，通過對數(shù)字高程模型洼地填充，水流方向提取、匯流累積量計算等，完成小流域劃分；在此基礎(chǔ)上耦合歷史滑坡災(zāi)害點數(shù)據(jù)，調(diào)用屬性表連接、空間分析等功能得到基于小流域的滑坡點密度分布，采用幾何級數(shù)分類法進(jìn)行危險分區(qū)，結(jié)果可為忠縣城鄉(xiāng)規(guī)劃編制以及滑坡災(zāi)害預(yù)防治理提供參考和指導(dǎo)。

2 技術(shù)方法

數(shù)字高程模型(DEM)中包含豐富地形、地貌及水文等信息，是各種分辨率地形特征的真實反映。在獲取DEM基礎(chǔ)上，通過ArcGIS水文分析模塊一系列功能分析，劃分得到研究區(qū)小流域。將研究區(qū)歷年滑坡災(zāi)害點經(jīng)緯度Excel表格導(dǎo)入ArcGIS生成點文件，調(diào)用ArcGIS軟件中疊加分析得到歷史滑坡點與小流域相交部分，在此基礎(chǔ)上對小流域面積以及小流域面積內(nèi)滑坡點個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，利用屬性字段計算器(Field Calculator)計算研究區(qū)小流域滑坡點密度值并采用幾何級數(shù)分類法進(jìn)行危險分區(qū)，最終得到分區(qū)結(jié)果。

具體流程如下：

第一步：對數(shù)字高程模型(DEM)洼地進(jìn)行填充

一般來說，DEM被認(rèn)為是比較光滑的地形表面真實模擬，但由于流域網(wǎng)格和地形結(jié)構(gòu)線間斷及不正確連通這些都使DEM表面存在著一些凹陷[2]。凹陷的區(qū)域?qū)μ崛∷臄?shù)據(jù)的精度會產(chǎn)生影響，因此，必須先調(diào)用ArcGIS水文分析模塊中Fill工具對DEM進(jìn)行填洼平處理，獲取無洼地光滑DEM基礎(chǔ)上再進(jìn)行水流方向計算。

第二步：提取水流方向

地表徑流在流域空間一般呈現(xiàn)由地勢高處流向地勢低處，經(jīng)流域出口最終排除流域，而水流流出柵格單元方向即為水流方向。在確定水流方向前提下，進(jìn)一步確定整個流域走向，最終劃分出流域界限得到小流域。本文采用目前較常用的D8法[3]確定水流方向，即假定每個中心柵格單元水流方向可能流向8個相鄰的單元，通過計算中心網(wǎng)格與8個相鄰網(wǎng)格間的距離權(quán)落差值，其中流出網(wǎng)格則為距離權(quán)落差值最大的網(wǎng)格，對應(yīng)水流方向即為中心網(wǎng)格流出點[4]，通過利用ArcGIS中的Flow Direction指令，提取在光滑DEM中每個柵格單元內(nèi)的水流方向。

第三步：計算匯流累積量值

地表徑流模擬過程中，匯流累積量值的大小代表著該網(wǎng)格匯聚水流能力強(qiáng)弱，網(wǎng)格柵格匯流累積量值越大，對應(yīng)匯流能力也就越強(qiáng)，該柵格地形特征可能為地表徑流[5]。通過對每個柵格單元流向矩陣依次掃描，根據(jù)水流方向追蹤到DEM邊界，掃描完畢整個水流方向矩陣，其結(jié)果對應(yīng)為該流域匯流能力的柵格分布即為匯流累積量，當(dāng)中匯流量值較大者可視為河谷，值等于零則是較高的地方，可視為流域分水嶺[6]。在獲取無洼地光滑DEM基礎(chǔ)上，通過ArcGIS中的Flow accumulation指令得到匯流累積量柵格成果。

第四步：提取河網(wǎng)并分級

當(dāng)匯流量達(dá)到一定閾值時，則有可能產(chǎn)生地表徑流，所有大于該臨界匯流閾值的柵格都是潛在水流路徑，對應(yīng)的河流網(wǎng)格即為所要提取河網(wǎng)。閾值確定尤為重要，其決定了待提取河網(wǎng)精度以及疏密度，利用“柵格計算器”條件函數(shù)com(flowacc_flow>N，1)設(shè)定合理匯流閾值，提取所有大于設(shè)定閾值(N)的河網(wǎng)，并結(jié)合手中現(xiàn)有水系數(shù)據(jù)資料進(jìn)行反復(fù)對比校驗最終確定臨界匯流閾值提取河網(wǎng)，在此基礎(chǔ)上采用Strahler分級方法對提取河網(wǎng)進(jìn)行分級。

第五步：小流域劃分

流域又稱集水區(qū)域，是指流經(jīng)其中的水流和其他物質(zhì)從一個公共的出水口排出，從而形成一個集中的排水區(qū)域[6]?；谔崛〉剿鞣较颉鸥窈泳W(wǎng)及河網(wǎng)分級結(jié)果，通過ArcGIS流域地形特征分析中watershed指令得到河網(wǎng)結(jié)構(gòu)信息并確定分水嶺位置，最終實現(xiàn)對研究區(qū)小流域劃分。

第六步：滑坡點密度值計算及分區(qū)

以研究區(qū)歷史滑坡災(zāi)害點作為統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過ArcGIS導(dǎo)入生成點文件，耦合小流域劃分結(jié)果，調(diào)用疊加分析工具得到滑坡點與流域相交部分，在此基礎(chǔ)上對小流域面積以及流域內(nèi)滑坡點個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，通過柵格計算器得到滑坡災(zāi)害點密度值，采用幾何級數(shù)分類法對滑坡災(zāi)害點密度值進(jìn)行危險分區(qū)進(jìn)而得到分區(qū)結(jié)果。

3 案例分析

3.1 研究區(qū)概況

忠縣地處三峽庫區(qū)腹心地帶，長江上游地區(qū)，東北鄰萬州區(qū)，東南接石柱縣，西界墊江縣，西南接壤豐都縣，北與梁平區(qū)為界，地理坐標(biāo)位于北緯30°03′～30°35′，東經(jīng)107°3′～108°14′，地形呈“三山兩槽”，典型山區(qū)丘陵地貌，海拔高度最低為 117 m，最高為 1 680 m，東西長 66.45 km，南北寬 60.15 km，行政上現(xiàn)轄2個街道、21個鎮(zhèn)、6個鄉(xiāng)[7]。以測繪部門忠縣地形圖為原數(shù)據(jù)，通過MapGIS軟件對等高線進(jìn)行提取并賦高程值，對照國家標(biāo)準(zhǔn)分幅單元圖進(jìn)行拼接，將格式轉(zhuǎn)換輸出shp文件，并將shp文件導(dǎo)入ArcGIS進(jìn)行分析，最終得到忠縣DEM數(shù)字高程模型。忠縣區(qū)位及DEM如圖1所示。

圖1 忠縣區(qū)位及DEM圖

3.2 忠縣小流域劃分

(1)忠縣DEM填充、水流方向提取及匯流累積量計算。以忠縣DEM數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，調(diào)用Hydrology工具中Fill指令進(jìn)行DEM填充預(yù)處理。填洼處理后的DEM先后調(diào)用Hydrology工具中direction指令和accumulation指令得到忠縣水流方向和匯流累積量如圖2、圖3所示。

圖2 忠縣流向圖 圖3 忠縣匯流量柵格圖

(2)網(wǎng)提取。以忠縣匯流累積量作為輸入，調(diào)用Multi Map Output工具，利用“柵格計算器”條件函數(shù)com(flowacc_flow>N，1)設(shè)定匯流閾值，提取出所有大于設(shè)定閾值(N)的網(wǎng)格。通過不同閾值設(shè)定生成的河網(wǎng)，結(jié)合手中忠縣實際水系數(shù)據(jù)對比分析(圖4)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)閾值為1 000與忠縣實際水系分布最為接近，由此取閾值為1 000提取河網(wǎng)。

圖4 忠縣實際水系與閾值N=1000提取河網(wǎng)對比

(3)劃分小流域。提取河網(wǎng)基礎(chǔ)上，調(diào)用ArcGIS中hydrology工具集中的stream link指令，獲取對應(yīng)流域邊界，以出水口數(shù)據(jù)為輸入，調(diào)用hydrology工具集中的watershed指令，對流域的邊界分水嶺位置進(jìn)行確定，最終劃定小流域。當(dāng)閾值取1 000(最優(yōu)集水面積閾值為 10 km2)時，最終將忠縣流域總共劃分為237個小流域，如圖5所示。

圖5 忠縣小流域劃分結(jié)果

3.3 滑坡點數(shù)據(jù)生成、小流域面積及流域內(nèi)滑坡點密度統(tǒng)計

(1)以忠縣歷史滑坡災(zāi)害點經(jīng)緯度坐標(biāo)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表為基礎(chǔ)，將Excel表格導(dǎo)入ArcGIS，調(diào)用“Display XY data”進(jìn)行設(shè)置生成點文件。在此基礎(chǔ)上，調(diào)用Intersect工具得到與小流域重合的滑坡災(zāi)害點成果，如圖6所示。

圖6 忠縣小流域滑坡災(zāi)害點圖

(2)調(diào)用ArcGIS中空間分析工具集中的Convert指令，將小流域劃分成果轉(zhuǎn)換為對應(yīng)矢量數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上打開屬性列表，添加area字段，調(diào)用Calculate Geometry即可計算得到各小流域面積。

(3)以滑坡災(zāi)害點成果為基礎(chǔ)，在屬性表中新建“Count”字段，利用柵格計算器工具，將“Count”字段值賦值為1。在矢量小流域劃分成果中，調(diào)用join功能，選擇將滑坡災(zāi)害點成果圖層與小流域劃分成果圖層建立空間連接，然后選擇“Sum”，新生成矢量圖層屬性表中“Sum_Count”則表示每個小流域中滑坡災(zāi)害點個數(shù)[8]。在此基礎(chǔ)上，新建“滑坡點密度”字段，利用ArcGIS柵格計算器工具，輸入“滑坡點密度=Sum_Count/area”指令，結(jié)果為小流域滑坡災(zāi)害點密度，如圖7所示。

圖7 忠縣小流域滑坡災(zāi)害點密度成果圖

3.4 滑坡點密度危險分區(qū)

在忠縣小流域滑坡災(zāi)害點密度成果基礎(chǔ)上，為更直觀展現(xiàn)滑坡災(zāi)害點密度趨勢，對滑坡災(zāi)害點密度成果進(jìn)行危險分區(qū)。在ArcGIS軟件支持下，對比不同分級方法，最終選擇Geometry Interval(幾何級數(shù)分類法)對忠縣小流域滑坡災(zāi)害點密度結(jié)果進(jìn)行危險分區(qū)，分為4個等級，其中高風(fēng)險區(qū)滑坡點密度 0.529 1～2.850 9(個/km2)，面積為 377.85 km2，占忠縣總面積18.59%；中風(fēng)險區(qū)滑坡點密度 0.095 9～0.529 1(個/km2)，面積為 386.39 km2，占忠縣總面積19.01%；低風(fēng)險區(qū)滑坡點密度 0.015 1～0.095 9(個/km2)，面積為 86.48 km2，占忠縣總面積4.26%；微風(fēng)險區(qū)滑坡點密度0～0.015 1(個/km2)，面積為 1 181.43 km2，占忠縣總面積58.14%，危險分區(qū)成果如圖8所示。

圖8 忠縣小流域滑坡災(zāi)害點密度危險分區(qū)圖

4 結(jié)果與討論

(1)基于重慶市忠縣DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS水文分析模塊實現(xiàn)對忠縣小流域劃分。結(jié)果表明：與實際水系最為相似的河網(wǎng)是閾值取1 000時提取的河網(wǎng)，由此將研究區(qū)流域水系劃分為237小流域。值得注意：選擇不同閾值，對應(yīng)提取河網(wǎng)密度不同，子流域劃分結(jié)果亦不同，如何選擇最為適合匯流累積量閾值，除了反復(fù)對比驗證，提取方法亦有待進(jìn)一步研究。

(2)得到忠縣小流域劃分結(jié)果基礎(chǔ)上，疊加忠縣歷史滑坡災(zāi)害點數(shù)據(jù)，調(diào)用屬性表連接、空間分析等功能得到忠縣小流域滑坡點密度成果，采用Geometry Interval(幾何級數(shù)分類法)對忠縣小流域滑坡點密度成果進(jìn)行危險分區(qū)，分為高風(fēng)險、中風(fēng)險、低風(fēng)險及微風(fēng)險區(qū)，其中高風(fēng)險區(qū)滑坡點密度 0.529 1～2.850 9(個/km2)，中風(fēng)險區(qū)滑坡點密度0.095 9～0.529 1(個/km2)，低風(fēng)險區(qū)滑坡點密度 0.015 1～0.095 9(個/km2)，微風(fēng)險區(qū)滑坡點密度0～0.015 1(個/km2)，分區(qū)結(jié)果可為忠縣城鄉(xiāng)規(guī)劃編制提供參考，如避免在高風(fēng)險區(qū)部署重點投資項目及居民點等，同時還可為合理制定忠縣滑坡災(zāi)害防災(zāi)、救災(zāi)方案提供支撐，對忠縣山洪、泥石流以及崩塌等其他自然災(zāi)害危險性評價提供重要評價指標(biāo)。