基于GIS的北京山区泥石流影响因素及发生概率评价

赵忠海,朱红军

(1.北京市地质研究所,北京 100120;2.北京市城建勘测设计研究院,北京 100101)

基于GIS的北京山区泥石流影响因素及发生概率评价

赵忠海1,朱红军2

(1.北京市地质研究所,北京 100120;2.北京市城建勘测设计研究院,北京 100101)

北京山区泥石流灾害较为发育。泥石流灾害受控于多种因子,在详尽分析了地形地貌、地质条件以及降雨分布等影响因素的基础上,通过应用GIS强大的空间分析和处理功能,深入研究构建泥石流灾害发生概率评价的多元信息复合叠加模型,并对泥石流发生概率的评价方法进行初步探讨。

泥石流;影响因素;地理信息系统;多元信息复合叠加;概率评价

1 泥石流发育分布概况

北京位于华北平原西北端,其西北毗邻山西、内蒙古高原,南与华北大平原相接,东近渤海。区内以中低山地貌为主,地势西北高、东南低,平原区的海拔高度为20～60 m,山地区的海拔高度一般为1 000～1 500 m。境内分布着永定河、潮白河、北运河、大清河及蓟运河五大河系,共有支流100余条。北京属典型的暖温带半湿润大陆性季风气候,年平均气温为10～12℃,年平均降雨量600多毫米,约有75%的降水集中在夏季,7、8月份常有暴雨。

北京地区在大地构造上处于中朝准地台北部,横跨燕山台褶带和华北断坳两个Ⅱ级构造单元,处于祁、吕、贺山字形构造反射弧与阴山东西向构造带的交汇部位,在漫长的地质历史中经历了印支、燕山及喜马拉雅等多期构造运动,地质构造较为复杂,岩体风化破碎严重,新构造活动比较频繁,加之近些年来,随着经济和社会的快速发展,人类活动对自然环境的影响和破坏日趋严重,故突发性地质灾害较为发育,其中尤以泥石流灾害最为严重。

据实地调查,北京地区现有泥石流沟和潜在泥石流沟816条,分布于7个区县64个乡镇范围内,各县乡泥石流灾害的发育程度极不均衡,其中以密云县的冯家峪、石城、不老屯,怀柔区的崎峰茶、八道河、琉璃庙,门头沟区的斋堂、清水,房山区的十渡、霞云岭、蒲洼以及延庆县的四海等乡镇最为发育(见图1)。从空间分布看,泥石流多围绕北部的黑驼山、云蒙山、大洼尖、歪驼山以及西部的老龙窝、洼卧山、大白石尖等山体集中分布,这些地区地形陡峻,沟谷纵横,构造发育,且是北京地区的降雨高值区和局地暴雨中心;从发生时间看,泥石流绝大部分发生在北京地区降雨相对集中的7～8月份[1]。

图2 北京地区泥石流灾害分布图Fig.2 Flowchart on evaluating occurrence probability of debris flow by GIS

2 泥石流灾害影响因素的GIS分析

影响本区泥石流灾害发育的因素很多,包括地形地貌、地质条件、降雨分布、土壤类型、气温条件以及植被覆盖程度等,这些因素均具有各自的空间分布规律。同传统分析方法相比,地理信息系统(GIS)具有强大的空间分析和处理功能等优势,故本文利用GIS技术,对影响泥石流灾害的主要因素进行综合分析,形成各单因素影响概率分布图,再根据各主要因素的重要性(权重),通过一系列空间操作,按一定综合方法将各单因素影响概率分布图进行代数复合叠加,进而达到对泥石流发生概率评价目的。具体过程如图2所示。

图2 泥石流灾害发生概率的GIS评判流程Fig.2 Flowchart on evaluating occurrence probability of debris frow by GIS

2.1 评价指标的选取

评价指标即参与评判的影响因素。在不同的地区和不同的环境,上述各影响因素对泥石流灾害的影响程度可能会有较大的差别,且在大多数情况下,上述各影响因素本身并不是相互独立的,各因素之间往往存在着非常复杂的交叉和重叠关系,故在进行泥石流灾害发生概率评判时,并不是所采用的评判因素越多,评判效果就越好。因为这很可能会间接地导致某些因素的重复利用,相当于人为地加大了该变量的权重[2]。

常见的筛选和优化评价指标的方法主要有主成分分析法和两两比较法。本文采用的是两两比较法,即采用专家打分的方式,对K个影响因素作两两对比,列出比较结果表。如因素A1比A2重要,则在A1行A2列写上3,而在A2行A1列写上1;若A1和A2分不出哪个重要,则在A1行A2列和A2行A1列都写上2。具体过程如表1所示。

表1 采用两两对比法对A1～A5等五个影响因素筛选结果示意表Table 1 The filter results ofA1～A5 factors through mutual comparison

上表是采用两两对比法对A1～A5等五个因素筛选过程和结果的示意,∑为对该行的求和,λ为对∑的归一化的结果,根据∑或λ的相对大小便可对其重要性进行排序。本文通过两两对比法对影响泥石流灾害的各种主要因素进行了筛选和优化,最终选取了地形地貌(相对高度)、地层岩性、地质构造、降水情况(多年平均最大3日降雨量)以及灾害发育程度(易发区划结果)作为评价指标。

2.2 评价指标的量化

2.2.1 单影响因素分析

(1)地形地貌与泥石流灾害的关系 地形地貌与泥石流灾害的关系密切。山势地形、坡度坡向、沟谷发育状况以及沟床陡缓等是泥石流形成与运动的基础条件之一,为泥石流的运移和冲刷破坏提供了势能条件。本文特从相对高度方面对地形地貌与泥石流灾害的关系进行初步探讨。

通过对区内705条泥石流沟在各级相对高度流域内分布状况的调查统计发现,区内泥石流沟密集分布在相对高度为200～800 m的流域内,在相对高度<200 m和≥1 000 m的流域内分布较少,这主要是因为在流域相对高度过低时,地貌起伏缓和,其上分布的松散碎屑物质具有的位能甚低,位能转化为动能的条件甚差,故泥石流活动强度大为降低;在流域相对高度很大时,不利于松散碎屑物质积累,难以为泥石流活动提供足够的松散碎屑物质量,故也不利于形成泥石流。

本区泥石流在各级高度流域内的分布情况见表2。

表2 北京地区泥石流在各级高度流域内的分布情况统计表Table 2 Distribution of debris flows in areas of different relative altitudes

(2)地质条件与泥石流灾害的关系 地质条件为泥石流发育提供了松散碎屑物质,决定了泥石流形成的物源基础。北京地区的岩石种类齐全,侵入岩、喷出岩、变质岩、碳酸盐岩、碎屑岩以及各类成因的松散堆积物等均有出露,在不同时期、不同方向的断裂、褶皱构造作用下,岩石节理裂隙发育,风化剥蚀强烈,破碎较为严重。这些岩石风化破碎后形成较厚的残坡积层,堆积于坡脚或沟床内,其结构疏松,抗水蚀力差,易遭水流的冲刷与侵蚀,遇暴雨情况下易形成泥石流。

不同地层岩性及地质构造部位的泥石流发育程度不同,总的看来,古老地层、中—酸性岩体、构造复合部位的泥石流比较发育。有关不同地层岩性及构造部位的泥石流发育情况见表3[3]。

表3 北京地区泥石流在不同地层的分布情况统计表Table 3 Distribution of debris flows in different strata

表4 北京地区泥石流在各地质构造部位的分布情况统计表Table 4 Distribution of debris flows in different geological structures

(3)降雨情况与泥石流灾害的关系 水既是泥石流的组成物质,又是泥石流形成的水动力条件,暴雨洪水往往又是泥石流发生的主要激发因素。北京地区形成泥石流的水主要为暴雨洪水,泥石流的发生主要受降雨控制,平均雨量的高值区往往也是泥石流等多发区。

泥石流的发生与前期降雨量及激发雨量有着密切的关系,当充足的前期降雨量导致松散物质的含水量达到饱和时,再遇到一次激发雨量就能导致泥石流的发生,前期降雨量越大,泥石流发生所需的激发雨量就越小。白利平等人曾通过对北京地区历史上泥石流灾害发生时的当日激发雨量与前期实效雨量的分析,建立了北京地区泥石流临界雨量判别公式:Y=-1.222X+162,式中Y为激发雨量,X为前期雨量(取的是前3日间接雨量)[4]。由这一公式可知,当前期雨量>130 mm或总降雨量(激发雨量与前期雨量之和)>150 mm时,发生泥石流的概率就非常大。

(4)灾害发育程度与泥石流灾害的关系 很多地质灾害的发生并不是孤立的,它们之间往往存在着密切的联系。以泥石流为例,地震、崩塌以及滑坡等灾害发育的地区,泥石流灾害往往也比较发育。

地质灾害易发区划考虑了自然地理环境、不良地质条件以及地质灾害(北京地区主要是泥石流和崩滑塌)的发育程度等,故本文选取了北京地区地质灾害易发区划结果作为评价指标之一,认为地质灾害高易发区的泥石流发生概率较大。

2.2.2 专题层的形成

(1)评判区域的网格化 在1∶10万数字化地理底图上进行网格剖分,每个单元面积取值为3 km×3 km,形成若干个网格。

(2)网格赋属性 主要分为以下两个步骤:

①根据地形地貌、地质条件与泥石流灾害的相关关系,确定不同地形地貌和地质条件下泥石流灾害发生的概率值;依据北京地区地质灾害易发区划及泥石流临界雨量研究结果,采用专家评分法,确定不同易发程度和降雨条件下泥石流灾害发生的概率值(见表5)。

表5 泥石流发生概率评价指标的取值Table 5 The value of evaluation index on the occurrence probability of debris flow

②在相同的、已经网格化的地理底图上分别叠加相对高度分区图、地层岩性分布图、地质构造分布图以及地质灾害易发区划图,并根据表5,分别对各网格单元赋值;根据实测或预报雨量,根据表5,对各网格单元赋值。

3 泥石流灾害发生概率的GIS评价

3.1 采用层次分析法(AHP)确定各影响因素的权重系数

层次分析法是美国运筹学家T.L.saaty教授于20世纪70年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法,该方法是一种定性与定量相结合的决策分析方法,是一种将决策者对复杂系统的决策思维过程模型化和数量化的过程。决策者可将复杂问题分解为若干层次和若干因素,在各因素之间进行简单的比较和计算,就可确定不同方案的权重,为最佳方案的选择提供依据。本文根据对泥石流灾害各影响因素的分析,确定了如下判断矩阵:

经AHP法计算,确定了相对高度、灾害因子、地层岩性、地质构造以及降雨因子的权重系数分别为0.37、0.11、0.06、0.18和0.28;经检验,CI=0.029,CR=0.026<1,故权重系数的计算结果较为合理。

3.2 建立泥石流灾害发生概率评判模型

在分别建立了各评价指标专题层的基础上,本文通过GIS强大的空间分析和处理功能,进行多元信息的复合与叠加,从而实现对泥石流发生概率的评价。其数学评判模型为:

式中:Pj——第j个单元的概率指数;i——评价指标;aj——第i个评价指标在第j个评价单元中的赋值;bi——第i个评价指标的权重;n——单元数;m——评价指标的数量。

4 结语

北京地区的泥石流灾害受控于多种因素,但目前对于泥石流预报、预警方面的工作多限于临界雨量研究,没有考虑除降雨以外的诸如地形地貌、地质构造等其它因素,故预报的准确率很低。本文旨在对泥石流发生概率的评价方法进行理论探讨,通过应用GIS强大的空间分析和处理功能,对泥石流各主要影响因素进行单因素分析,形成各专题层;通过层次分析,确定各主要影响因素的权重;通过代数运算,实现多元信息的复合叠加,从而在综合考虑地形地貌、地质条件、降水情况以及灾害发育程度等各主要影响因素的基础上,实现对泥石流发生概率的评价。

[1] 刘连刚,韦京莲,叶超,等.北京地质灾害[M].武汉:中国大地出版社,2008:1-194.

[2] 沈芳,黄润秋.地理信息系统与地质环境评价[J].地质灾害与环境保护,1999,11(1):6-10.

[3] 钟敦伦,谢洪,王士革,等.北京山区泥石流[M].北京:商务印书馆,2004:121-147.

[4] 白利平,南赟,孙佳丽.北京市泥石流灾害临界雨量研究[J].中国地质灾害与防治学报,2007,18(2):34-36.

(责任编辑:胡立智)

Occurrence Probability Evaluation and Influencing Factors of Debris Flow in Beijing Mountainous Area Based on GIS

ZHAO Zhonghai1,ZHU Hongjun2
(1.Geological Institute of B eijing,Beijing100120;2.B eijing Survey Academ y of Cites Build,B eijing100101)

There are many debris flow disaster in Beijing mountainous area.The debris flow disaster controlled by a variety of factors.Based on detailed analysis of the influencing factors such as the topography,geological conditions and rainfall distribution,the paper studies how to construct the superposition model ofmulti-information predicting probability of debris flow disaster by applying powerful spatial analysis and processing functions of GIS,and discusses the evaluation method on the occurrence probability of debris flow disaster.

debris flow;influencing factors;GIS;superposition ofmulti-information;probability evaluation

P642.23;P208

A

1671-1211(2010)04-0412-04

2010-01-14;改回日期:2010-02-24

赵忠海(1970-),男,高级工程师,环境工程专业,从事矿产资源勘查、工程地质勘察、地质灾害评估、勘察与设计工作。E-mail:zhaozhonghai2005@yahoo.com.cn