基于GIS的恩施市龙凤镇地质灾害风险评价

李泽威, 杨登银, 王明华, 岳永强, 郝心宇

(湖北省地质局 第二地质大队,湖北 恩施 445000)

地质灾害是指由自然因素或者社会因素引起的危害人民生命、财产安全的各种灾害的总和,包括滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝、地面塌陷、地面沉降等,而地质灾害风险评价是以地质灾害体和承灾体为研究对象,对风险区遭受地质灾害的可能性和后果进行定量分析与评价的理论和方法[1-2]。地质灾害风险评价的内容主要包括危险性评价和易损性评价,其中“危险性”的核心要素是地质灾害的活动程度,“易损性”是承受特定灾害时候的综合能力的量度[3-4]。本文利用GIS软件的投影变换和空间属性分析功能,按照评价需要生成各种图件,完成研究区地质灾害风险评价工作。

1 研究区概况

1.1 自然地理环境

龙凤镇位于恩施市北郊,该镇地理坐标极值为东经109°19′～109°36′、北纬30°20′～30°32′,国土面积277.17 km2。该区处亚热带季风气候区,气候湿润,降雨充沛,年降雨量1 102.3～1 913.9 mm,平均年降雨量1 532.5 mm,雨季集中在5-8月,尤以6-7月雨量最多,大、暴雨频发是导致地质灾害发生的主要动力[5]。该区地处鄂西南褶皱山地,中心集镇部分坐落在恩施红色断陷盆地中,山脉走向、地形地貌特征受区域构造线控制。区内构造主要由一系列北东—北北东向褶皱带和断裂组成,地层从古生界寒武系—新生界第四系均有分布(图1),岩性主要以碎屑岩和碳酸盐岩为主。区内土壤类型以黄棕壤为主,黄红壤次之,土体松散,为地质灾害发生提供了物质基础[5-6]。

1.2 社会经济状况

龙凤镇属于恩施贫困镇,属恩施州精准扶贫重点乡镇,2015年8月底统计,龙凤镇总人口约61 444人,人口密度约222人/km,全年实现农村经济总产值约45 110万元,区内主要分布18个行政村,各村人均收入约2 800～6 200元不等(见表1)。龙凤镇主要工程活动以房屋建筑、道路建设、采矿为主。不合理的削坡筑房、道路建设和矿山开采这些人为工程活动在很大程度上改变了当地岩土体的稳定性,增加了地质灾害的发生率。

1.3 地质灾害发育情况

地质灾害的产生是现代地貌发展过程中的一种表现形式,在挽近期,研究区内地壳一直处在间歇性上升之中,地壳上升过程中,风力作用、降雨淋滤、温度变化、植物根劈等一系列的物理作用使岩石遭受风化,加上地表水、地下水的强烈侵蚀作用,使岩体结构破坏。不同类型的地质灾害具有不同的地形地貌条件,相对高差、地形坡度的差异导致不同规模类型地质灾害的发生。研究内的地质灾害以滑坡及不稳定斜坡为主,其次为崩塌、地面塌陷。区内调查共发现地质灾害点60处,地质灾害点多分布在白垩系(K)、志留系(S)地层中,白垩系地层主要发育不稳定斜坡,有少量滑坡、崩塌灾害,且地质灾害规模相对较小,而特大型、大型和大部分中型地质灾害点多分布于龙凤镇中部志留系地层,灾害类型以滑坡为主(表2)。

图1 研究区地质图Fig.1 Geologic map of the research area1.全新世冲积物;2.跑马岗组下段;3.巴东组三段;4.巴东组二段;5.巴东组一段;6.嘉陵江组上段;7.嘉陵江组中段;8.嘉陵江组下段;9.大冶组;10.龙潭组、下窑组、大隆组并层;11.茅口组、孤峰组并层;12.梁山组、栖霞组并层;13.金陵组、高骊山组、大埔组、黄龙组并层;14.云台观组、黄家蹬组、写经寺组并层;15.纱帽组;16.罗惹坪组上段;17.罗惹坪组下段;18.龙马溪组;19.宝塔组;20.南津关组、红花园线、大湾组、牯牛潭组并层;21.娄山关组上段;22.娄山关组下段;23.断层;24.复合断层;25.地层界线;26.产状(°);27.工区范围。

表1 研究区社会经济状况Table 1 Socioeconomic status of the research area

村名面积/km2人口密度/(人·km-2)人均收入/元农村经济总产值/(万元·km-2)西流水林场2．1889．00273624．35青堡村35．2188．53454540．24碾盘村38．595．79470045．02猫子山村12．08161．26273644．12店子槽村19．74125．48455957．21二坡村14．75211．66273657．91佐家坝村17．89158．13381960．39古场坝村14．77227．83418595．35吉心村12．43209．17451495．74龙马村14．29213．304986106．35柑子坪村8．42211．285454115．23大转拐村9．63240．294859116．76杉木坝村13．32229．136685153．18龙潭村13．68301．324790144．33向家村13．36389．154800186．79三河村10．93412．534790197．60双堰塘村6．87450．074514203．16龙凤村8．16623．654185261．00三龙坝村10．96538．326116329．24

表2 研究区地灾点分布情况Table 2 Distribution of the geologic hazard points in the research area

2 地质灾害风险评价模型建立

2.1 评价模型

地质灾害风险评价是对风险区发生不同强度的地质灾害活动的可能性及其可能造成的损失进行定量化分析与评价。地质灾害风险评价是在地质灾害危险性评价的基础上进行的,在危险性基础上考虑社会经济的易损性,即可按照相应的数学方法计算地质灾害潜在的风险,目前通行的公式为:风险度=危险度×易损度[7]。

2.2 评价单元

本文利用GIS、Section、GeoTools等软件将研究区按土地利用类型分割共划分为17 155个小图斑,每个图斑面积<500 m×500 m,对每个图斑添加属性数据,通过对每个图斑的属性进行编辑来实现对研究区全区所有数据的统计分析[8]。

3 地质灾害危险性评价

3.1 评价步骤

①确定评价单元;②确定评价因素,即评价指标,以及各评价因素的评价因素值U;③根据各评价因素的地位和重要程度确定其权重值W;④计算各单元的综合评价值H,并确定各分区等级的综合评价值取值范围;⑤根据工作区各单元综合评价值进行危险性等级图划分。

3.2 评价指标及权重

根据调查结果显示,影响地质灾害发育的因素主要包括:地质构造、地形地貌、地层岩性、地质灾害现状、人类工程活动、气候条件、地震灾害等,由于气候条件和地震灾害对于工作区的影响一致,在此不作考虑。最终选择:A地质构造、B坡度、C坡面与层面的关系、D工程地质岩组、E人类工程活动强度、F已有灾害点规模、G已有灾害点稳定性等7种因素作为地质灾害危险性分区的评价指标。针对各因素的差异情况,划分为高、中、低三个等级,各等级的评价因素值Uij(i=A、B、C、D、E、F、G;j=g、z、d)设为:3

表3 研究区地质灾害危险性评价分级标准Table 3 Hazards code of geologic hazard in the research area

3.3 危险度计算方法

危险度(H)计算公式为:

H=∑Uij·Wii=A、B、C、D、E、F、G

j=g、z、d

3.4 评价成果

利用GIS软件计算危险度综合评分H,以H值的累计频率0.2、0.4、0.6、0.8所对应的值作为阈值[8-9],分为5等级,将研究区划分为低危险区(1.22≤H≤2.80)、较低危险区(2.803.85),评价成果如图2及表4所示,实际调查地灾分布情况与评价分区成果基本相符。

4 地质灾害易损性评价

地质灾害的易损性是指通过对风险区内各类受灾体的数量、价值和不同种类、不同强度地质灾害的抗灾能力进行分析,确定承灾区可能遭受地质灾害危害的人口、工程、财产等的损失。

4.1 评价因子、权重选取

根据资料搜集和野外调查,本文选择了3种评价因子进行易损性评价:X人口密度、Y农村经济总产值、Z土地利用强度[3,9]。针对各因素的差异情况,划分为高、中、低三个等级,各等级的评价因素值Mij(i=X、Y、Z;j=g、z、d)均设为:Mig=3,Miz=2,Mid=1(Mig:各因素的高等级评价因素值;Miz:各因素的中等级评价因素值;Mid:各因素的低等级评价因素值)。同时根据专家打分法确定各因素权值Ni为:NX=0.40,NY=0.40,NZ=0.20(表5)。

图2 研究区地质灾害危险性等级区划图Fig.2 Zoning map of the hazard level of geological hazard in the research area1.村名及村界;2.小路;3.地灾点;4.水系;5.工作区。

4.2 易损度计算方法

易损度(V)计算公式为[3,10]:

V=∑Mij·Nii=X、Y、Z

j=g、z、d

4.3 评价成果

根据易损度值(V)将研究区划分为三个等级区,分别为高易损区(2

5 地质灾害风险评价

表4 研究区地质灾害危险性等级划分表Table 4 Grade classification of the hazard level of geological hazard in the research area

表5 研究区地质灾害易损性评价分级标准Table 5 Classification criteria for vulnerability of geologic hazard in the research area

5.1 风险度计算方法

风险度(R)计算公式为:R=H×V,其中H为危险度,V为易损度。

5.2 评价成果

以风险度指数(R)的累计频率0.2、0.4、0.6、0.8所对应的值作为阈值,分为5等级,将研究区划分为:低风险区(1.90≤R≤4.99)、较低风险区(4.999.19)(图4)。

见表7及图4所示,地质灾害高风险区和较高风险区占研究区总面积约10.91%,面积约20.24 km2。该区域主要分布于龙潭村、龙凤村、双堰塘村、三龙坝村、三河村、向家村以及龙马村、柑子坪村。区域内断层发育,地层主要为志留系、白垩系及第四系地层,工程地质条件差,岩体多为软弱岩体或者第四系松散堆积体,地质灾害点分布密度远高于其他地区。这类地区往往分布于集镇、社区和公路工程等周边,人口密度大,经济发展繁荣,工程建设活动强度大。在以上多个综合条件下,可以预测该类地区发生地质灾害的可能性大,灾害发生造成的损失也要远远高于其他区域。

表6 研究区地质灾害易损性等级区划表Table 6 Vulnerability classification of geological hazard in the research area

图3 研究区地质灾害易损性等级区划图Fig.3 Zoning map of vulnerability classification of geological hazard in the research area1.村名及村界;2.小路;3.水系;4.工作区。

5.3 典型重大危险性滑坡核查

见图4、图5所示,中型土质滑坡——竹园坡滑坡(DH12)位于龙凤镇三龙坝村东北端,基岩岩性显示为三叠系下统大冶组(T1d)薄—中厚层泥灰岩,岩层产状90°～96°∠12°～15°,上覆松散堆积含粘土碎块石,物质结构松散,处于欠稳定状态。滑坡区总体地形为下缓上陡的凹形坡,整体坡度20°～25°,分析危险度综合系数为4.05,属高危险区;滑坡对附近32户130人生命财产以及周围的国道、铁路、工厂造成威胁,预计潜在经济损失超1 000万元,确定易损度综合系数为2.80,属高易损区。按风险评价原理,该滑坡风险系数综合评分11.34,应位于地质灾害高风险等级评价区,与图4中评价成果是相符的。

表7 研究区地质灾害风险等级划分表Table 7 Zoning map of the risk level of geological hazard in the research area

6 结语

(1) 根据地质灾害风险评价的目的和要求,以地质灾害危险性评价和易损性评价作为风险评价的两大工作结构,以恩施市龙凤镇为研究区,对区内地质灾害危险性和易损性作出评价,进而根据二者耦合关系作出了恩施市龙凤镇地质灾害风险评价。

(2) 评价成果是在对研究区的实地调查和资料搜集的基础上借助GIS数据处理平台而获取的,经过实地调查验证,评价结果基本符合当地的实际情况,能够作为地质灾害风险预测和防灾减灾管理工作的参考依据。

图5 研究区典型滑坡(DH12)剖面图Fig.5 Profile map of the typical landslide in the research area

1.全新统残坡积层;2.全新统崩坡积层;3.三叠系下统大冶组;4.粘土夹碎石;5.崩坡积块石及碎石土;6.泥灰岩;7.岩层产状;8.滑带及主滑方向;9.裂缝。

图4 研究区地质灾害风险等级区划图Fig.4 Zoning map of the risk level of geological hazard in the research area1.村名及村界;2.地层界线、地层代号;3.地层产状;4.断层;5.工作区;6.典型滑坡点。

(3) 将GIS技术和数学方法结合应用于地质灾害风险评价课题的研究方法是有效的,得到的地质灾害风险等级区划图相比于传统方法处理得到的结果,评价成果准确且更精细。

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