蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃研究

劉維珩 賈鴻儒 謝愛萍

［關(guān)鍵詞］地質(zhì)災(zāi)害；易發(fā)性；信息量；確定性系數(shù)；蘭州市

［摘要］蘭州市是我國地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，做好蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分級區(qū)劃可為科學(xué)防治地質(zhì)災(zāi)害提供數(shù)據(jù)支撐。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害模型與GIS技術(shù)相結(jié)合的研究方法被廣泛運用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃研究。從地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、土地利用、水文降水等方面，選取坡度、海拔、土地利用類型、距河流距離、距地質(zhì)斷層距離等12個影響因子，采用信息量法和確定性系數(shù)法確定每個影響因子的得分值和權(quán)重值，采用加權(quán)綜合評價法結(jié)合ArcGIS軟件進行蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃研究，并分析不同影響因子對蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的影響。結(jié)果表明：蘭州市地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)3個分區(qū)總面積占蘭州市總面積的50.70%，地質(zhì)災(zāi)害對蘭州市的影響較大；地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)呈帶狀分布，主要分布于研究區(qū)南、北部河谷Ⅳ級階地前緣及各溝谷臺地前緣、黃土丘陵溝壑區(qū)。

［中圖分類號］X141；P642.2［文獻標(biāo)識碼］A［文章編號］1000－0941（2023）03－0033－06我國自然地理條件比較復(fù)雜，是世界上遭受自然災(zāi)害數(shù)量和種類最多的國家之一，我國的地質(zhì)災(zāi)害具有分布范圍廣泛、隱患多、排查與防治難度大等特點。蘭州市地處我國西北部，位于黃河上游黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢起伏大，黃土峁梁交錯，水土流失嚴(yán)重，是我國地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害模型與GIS技術(shù)相結(jié)合的研究方法得到了深入開發(fā)，并在研究地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性方面得到了廣泛應(yīng)用，可以更直觀地對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害進行區(qū)塊評價、風(fēng)險性預(yù)測等。例如，戴福初等[2]首次提出了GIS技術(shù)與滑坡專業(yè)模型的集成；牛全福等[3]基于信息量模型，分析了玉樹地震重災(zāi)區(qū)的滑坡危險性，得出的結(jié)果與實際滑坡發(fā)生情況吻合度較高。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法較多，比較常用的有頻率比法、信息量法、Logistics回歸法、確定性系數(shù)法、層次分析法、證據(jù)權(quán)法等，其中頻率比法、信息量法、確定性系數(shù)法因其原理簡單、適用性強等特點，故在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中運用廣泛且評價效果較好[4]。本研究基于地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形地貌、土壤侵蝕、水文降水、土地利用等方面提出地質(zhì)災(zāi)害影響因子，采用信息量法和確定性系數(shù)法，結(jié)合GIS技術(shù)，對蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行評價分級和區(qū)劃研究，并分析不同影響因子對蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的影響，以期為蘭州市科學(xué)防治地質(zhì)災(zāi)害提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1區(qū)域概況

蘭州市地處東經(jīng)102°36′～104°35′、北緯35°34′～37°00′，下轄5個區(qū)、3個縣，總面積約1.3萬km2，是甘肅省省會和政治、經(jīng)濟、文化中心。蘭州市地處黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢西南高、東北低，海拔1417～2918m，地形陡峭，地表植被稀少，水土流失嚴(yán)重。蘭州市屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，干旱少雨，年均氣溫10.3℃，年均降水量327mm，降雨主要集中在6—9月。

蘭州市地質(zhì)條件復(fù)雜，屬昆侖山—秦嶺構(gòu)造帶，在多期構(gòu)造旋回的作用下形成一系列北西走向的壓扭性大斷裂及復(fù)雜的次一級斷裂，地質(zhì)巖性主要為變質(zhì)巖、砂巖、頁巖、泥巖等。砂巖、泥巖易形成坡體中的軟弱面，基巖巖體完整性差，風(fēng)化嚴(yán)重，極易發(fā)生節(jié)理（裂隙）切割巖土體使之破碎，是地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的良好物質(zhì)場所，當(dāng)水流切割與其他因素疊加作用時，便會產(chǎn)生大規(guī)模崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害。此外，蘭州市地表黃土層厚度大、孔隙大、持水性差、透水性強，在地下水或地表水流作用下，斜坡穩(wěn)定性急劇下降，易發(fā)生一系列的崩塌、坍塌甚至滑坡，并以災(zāi)害鏈的形式誘發(fā)泥石流等其他地質(zhì)災(zāi)害[5]。

2研究數(shù)據(jù)與方法

2.1研究數(shù)據(jù)

本研究以蘭州市為研究區(qū)域，基于文獻調(diào)研結(jié)果[6-8]，選取坡度、坡向、海拔、地質(zhì)災(zāi)害點密度、地質(zhì)巖性、距地質(zhì)斷層距離、土壤類型、年降水量、人口密度、土地利用、距河流距離、距道路距離等共12個地質(zhì)災(zāi)害影響因子，并根據(jù)蘭州市的實際情況，對不同的影響因子進行區(qū)間分級。為了便于對不同區(qū)間分級進行得分計算，共分為5個級別。從不同的資源網(wǎng)站和相關(guān)單位收集整理了DEM、河流、道路、土地利用、地質(zhì)土壤、人口、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、氣象等多源數(shù)據(jù)（見表1）。利用ArcGIS表面分析工具，提取坡度和坡向；利用ArcGIS距離分析工具，計算像元到最近源的歐氏距離，作為對應(yīng)的距地質(zhì)斷層距離、距河流距離、距道路距離；基于地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析工具，獲得地質(zhì)災(zāi)害點矢量數(shù)據(jù)，并可通過分類匯總計算出各影響因子在不同等級區(qū)間內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量和地質(zhì)災(zāi)害面積，同時利用ArcGIS點密度分析工具，獲取地質(zhì)災(zāi)害點密度。

2.2研究方法

2.2.1信息量法

信息量法通過把已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害點的影響因子的屬性值轉(zhuǎn)換為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的信息量值，來反映各類影響因子的相對敏感度和各類影響因子中不同分級區(qū)間的貢獻率，被廣泛運用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價[4]。

信息量值越大，對應(yīng)區(qū)間內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度越高，計算公式為

Iij=lnPij/PrSij/Sr（1）

式中：Iij為第i個影響因子第j級的信息量；Pij為第i個影響因子第j級的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量；Pr為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點的總數(shù)量；Sij為第i個影響因子第j級的分布面積，km2；Sr為研究區(qū)總面積，km2。

按照區(qū)間比值取整的方式計算每個影響因子不同級別對應(yīng)的得分值，得分值越高，代表信息量越大，對地質(zhì)災(zāi)害的影響程度越高，得分值最高為10分，最低為1分，計算公式為

Xij=Iij-minIimax（Ii）-minIi×9+1（2）

式中：Xij為第i個影響因子第j級的得分值；max（Ii）和min（Ii）分別為第i個影響因子信息量最大值和最小值，計算結(jié)果按照四舍五入后取整得到整數(shù)型的得分值。2.2.2確定性系數(shù)法

確定性系數(shù)法廣泛用于分析某一事件發(fā)生的各類指標(biāo)的敏感性[9]，在本研究中用于統(tǒng)計分析發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的各類影響因子的敏感性，計算公式為

CF=Ps－PaPa1－PsPa≥PsPs－PaPs1－PaPa＜Ps（3）

式中：CF為確定性系數(shù)；Pa為地質(zhì)災(zāi)害事件在影響因子數(shù)據(jù)類中發(fā)生的條件概率，即某個影響因子某一級別中的地質(zhì)災(zāi)害面積與該因子在此級別中的單元總面積的比值；Ps為地質(zhì)災(zāi)害事件在研究區(qū)中發(fā)生的先驗概率，即研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害面積與研究區(qū)總面積的比值。

將某個影響因子各級別的CF值進行迭代合并，得到第i個影響因子對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻值（Zi），迭代合并的計算公式為

Zi=x+y－xy（x，y≥0）

x+y1－minx，y（x，y異號）

x+y+xy（x，y＜0）（4）

式中：Zi為第i個影響因子對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻值；x、y分別為某個影響因子不同級別將要進行迭代合并的兩個值。

Zi的取值為-1～1，其越接近1代表該影響因子對地質(zhì)災(zāi)害的影響程度越高，越接近-1代表該影響因子對地質(zhì)災(zāi)害的影響程度越低。為消除重復(fù)處理的影響，采用ΔZ代表某個影響因子分級區(qū)間的貢獻值，計算公式為

ΔZij=Zi－Yij（5）

式中：ΔZij為第i個影響因子第j級的貢獻值；Yij為第i個影響因子除第j級以外的其他分級CF值迭代合并結(jié)果。

本研究基于蘭州市實際情況，將每個影響因子分為5個級別，先計算每個影響因子的相對貢獻值，再計算得到各影響因子的權(quán)重值，計算公式為

ti=∑5j=1ΔZij（6）

Wi=ti∑12i=1ti（7）

式中：ti為第i個影響因子的相對貢獻值；Wi為第i個影響因子的權(quán)重值。

2.2.3加權(quán)綜合評價

加權(quán)綜合評價法是指某一事件的發(fā)生是由多個影響因子綜合的結(jié)果，每個因子的影響程度存在差別，通過量化影響因子計算評價單元的事件易發(fā)程度。此方法綜合考慮了各個因子對總體對象的影響程度，把各個具體指標(biāo)的優(yōu)劣綜合起來，用一個數(shù)量化指標(biāo)加以集中，以此來表示整個評價對象的優(yōu)劣，是評價最為常用的計算方法之一[10]。根據(jù)國家級區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警第二代模型方法，將地質(zhì)環(huán)境區(qū)域評價量化為地質(zhì)災(zāi)害潛勢度[11]。計算公式為

F=∑12i=1Wi·Xi（8）

式中：F為地質(zhì)災(zāi)害潛勢度；Xi為第i個影響因子的得分值。

F值越大，表示發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大。將F值劃分5個等級，作為劃分地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的依據(jù)［12］，見表2。

3結(jié)果與分析

3.1影響因子得分值和權(quán)重值

圖1是各影響因子與地質(zhì)災(zāi)害點（圖中簡稱“地災(zāi)點”）的空間分布。表3是基于信息量法計算得到的12個影響因子的信息量和得分值。表4是基于確定性系數(shù)法計算得到的12個影響因子的權(quán)重值。其中，地質(zhì)災(zāi)害點密度、坡度、海拔、距河流距離是權(quán)重值較大的影響因子。

3.2地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

依據(jù)計算得到的地質(zhì)災(zāi)害潛勢度，對蘭州市進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分級區(qū)劃，其結(jié)果見圖2。蘭州市地質(zhì)災(zāi)害點共756處，其中位于地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量分別為596、93、39、21、7處，分別占地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的78.8%、12.3%、5.2%、2.8%、0.9%。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃與地質(zhì)災(zāi)害點分布基本一致，表明蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃具有一定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。由圖2可知，蘭州市地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)呈帶狀分布，分布于研究區(qū)南、北部河谷Ⅳ級階地前緣及各溝谷臺地前緣、黃土丘陵溝壑區(qū)，集中于五一山、鹽場堡、徐家灣和九州臺以及西固南山、皋蘭山、伏龍坪一帶，分布于坡度40°～60°、海拔1400～1800m的道路兩旁和城市周邊的河谷地帶；地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)分布在距地質(zhì)斷層較近、坡度25°～45°、海拔1600～2400m的草地和建設(shè)用地。

將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃與蘭州市行政區(qū)劃進行疊加分析，得到蘭州市及其各縣區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性情況（見表5）。由表5知，蘭州市地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)的面積分別為1063.43、2048.05、3584.41、3399.69、3112.34km2，分別占蘭州市總面積的8.05%、15.51%、27.14%、25.74%、23.56%，極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)3個分區(qū)總面積占蘭州市總面積的50.70%，地質(zhì)災(zāi)害對蘭州市的影響較大。其中蘭州市地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)主要分布在榆中縣、永登縣和皋蘭縣，3縣極高易發(fā)區(qū)面積分別占蘭州市地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)面積的47.43%、20.55%和12.73%，高易發(fā)區(qū)面積分別占蘭州市地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)面積的38.42%、30.35%和9.54%，是蘭州市地質(zhì)災(zāi)害防治的重點區(qū)域。

3.3地質(zhì)災(zāi)害影響因素分析

地質(zhì)災(zāi)害是地形、地質(zhì)、水文、氣候、人類活動等多種因素的綜合影響結(jié)果。通過分析不同因子對地質(zhì)災(zāi)害的影響，可以發(fā)現(xiàn)：①通過統(tǒng)計各個坡度區(qū)間的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量隨坡度的增大而增多，坡度＜10°的區(qū)域沒有滑坡的發(fā)生，40°～50°的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量占總數(shù)的54.7%，50°～60°的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量約占總數(shù)的25.4%，而60°以上的陡崖多發(fā)生崩塌而不表現(xiàn)為滑坡。②研究區(qū)坡向分布比較均勻，沒有明顯的優(yōu)勢坡向，西、西北、北坡向?qū)儆诨掳l(fā)生的優(yōu)勢坡向，尤其是正北坡向的斜坡，滑坡點數(shù)量占研究區(qū)總數(shù)的19.2%，這與蘭州市地質(zhì)災(zāi)害在階地前緣發(fā)育的規(guī)律相吻合。③地質(zhì)災(zāi)害點集中分布于海拔1400～1800m的區(qū)域，其地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量約占研究區(qū)總數(shù)的56.0%，原因可能是該區(qū)域是蘭州市黃河Ⅳ級階地的分布區(qū)域，黃土厚度大，地形切割強烈，是滑坡發(fā)育的重要基礎(chǔ)，同時該區(qū)域人口密集，人類活動強烈，極易引起滑坡。④地層巖性和土壤類型是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的重要內(nèi)因和物質(zhì)基礎(chǔ)，蘭州市內(nèi)黃土滑坡數(shù)量占滑坡總數(shù)的79.8%，泥巖（紅層）滑坡占滑坡總數(shù)的8.7%，黃土是研究區(qū)的主要易滑土體，且研究區(qū)內(nèi)高陡巖質(zhì)邊坡較多，大大降低了地表穩(wěn)定性。⑤研究區(qū)內(nèi)主要有金城關(guān)斷裂帶和興隆山北緣斷裂帶，地質(zhì)斷層附近地質(zhì)災(zāi)害點密度較高。⑥降水對地質(zhì)災(zāi)害有重要的誘發(fā)作用，年降水量較高的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害點密度較高。⑦研究區(qū)內(nèi)黃河及其支流莊浪河、宛川河、大通河等河流周邊1km范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量占研究區(qū)總數(shù)的54.7%，河流對地質(zhì)災(zāi)害的影響比較顯著。⑧人類活動對地質(zhì)災(zāi)害的影響是多方面的，主要表現(xiàn)為人類一般活動和各類工程建設(shè)活動。人口密度是人類一般活動頻率的體現(xiàn)，從地質(zhì)災(zāi)害點分布情況來看，人口密度對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的影響并不明顯；土地利用類型是工程建設(shè)活動的體現(xiàn)，工程建設(shè)活動不可避免會破壞植被、改變土地利用類型，對地處干旱地區(qū)的蘭州市而言，植被對穩(wěn)定黃土斜坡十分重要，位于植被覆蓋度較低的耕地、裸地區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量占研究區(qū)總數(shù)的73.2%。⑨道路及其周邊區(qū)域的建設(shè)活動頻繁，在道路兩側(cè)800m范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量占研究區(qū)總數(shù)的68.3%，人工邊坡處滑坡發(fā)生的概率較高。

4討論

蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃是在綜合各影響因子的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)學(xué)模型和GIS技術(shù)建立的地質(zhì)災(zāi)害評價系統(tǒng)。該區(qū)劃一方面可作為制定城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃和鄉(xiāng)村振興規(guī)劃的基礎(chǔ)性資料，規(guī)劃城鎮(zhèn)重要設(shè)施和區(qū)域、實施鄉(xiāng)村振興涉及的村落搬遷時，要避開地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的區(qū)域；另一方面可用于規(guī)范建設(shè)活動，對位于城區(qū)邊緣山前、高坪區(qū)前緣、各類道路邊坡的項目要加強科學(xué)施工管理、分類指導(dǎo)和專業(yè)研究，避免不合理的切坡、填方等極易造成地質(zhì)災(zāi)害的工程行為。

本研究中采用的信息量法和確定性系數(shù)法均為統(tǒng)計方法，計算結(jié)果具有一定的局限性，下一步可繼續(xù)探求更加精確的動態(tài)模型。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生除了受到地形、地質(zhì)、海拔、土壤等靜態(tài)影響因子的影響，降水量、人類活動等動態(tài)影響因子也是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要因素，在蘭州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的基礎(chǔ)上，進一步開展降水特征、暴雨情況與滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性研究，分析地質(zhì)災(zāi)害的空間分布規(guī)律和發(fā)生規(guī)律，同時對重點區(qū)域進行實時監(jiān)測，建立蘭州市數(shù)字化地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，可為區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)、推動社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

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［作者簡介］劉維珩（1976—），女，甘肅甘谷人，高級工程師，碩士，主要從事土木工程方面工作；通信作者賈鴻儒（1980—），男，甘肅武山人，副教授，碩士，研究方向為風(fēng)景園林。［收稿日期］2023-02-22

（責(zé)任編輯李佳星）

［基金項目］2020年甘肅省重點研發(fā)計劃項目（20YF8FE146）；2022年甘肅省教育科技創(chuàng)新項目（2022A-257）；2020年甘肅省科技計劃項目（20CX9FA132）