基于信息量模型的厦门市崩塌和滑坡地质灾害易发性评价

吴少元

(厦门地质工程勘察院，福建 厦门 361008)

地质灾害易发性是指造成地区经济损失和人员伤亡的地质事件发生的可能性，可能性越大，地质灾害发生的次数就越多。崩塌和滑坡地质灾害易发性评价是在已调查的崩塌和滑坡地质灾害的基础上，分析斜坡体在所处的地形地貌、地质构造、气象水文、植被覆盖、人类活动等综合条件下发生崩塌和滑坡地质灾害的可能性，它是后续崩塌和滑坡地质灾害危险性评价与风险评价的基础[1-7]。

厦门市发育的地质灾害类型主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝、地面沉降和滚石滚落等灾种，其中以崩塌和滑坡最为发育，其次为泥石流和滚石滚落，地面沉降、地面塌陷和地裂缝偶有发育[8]。截至2017年2月，厦门市共发生崩塌地质灾害85处，滑坡地质灾害13处。

由于崩塌和滑坡两种地质灾害的产生机理和影响因素有很多共性，而泥石流、地面沉降、滚石滚落等地质灾害的产生机理与崩塌和滑坡地质灾害的差异较大，故本文将厦门市最为发育的两大灾种——崩塌和滑坡地质灾害合并考虑，暂不考虑其他灾种，以厦门市崩塌和滑坡地质灾害为基础，在野外详细调查和资料收集的基础上，采用信息量法并结合GIS技术对厦门市崩塌和滑坡地质灾害的易发性进行评价，得到厦门市崩塌和滑坡地质灾害易发性等级分区图，并根据野外实际调查情况对其进行修正，为厦门市地质灾害的防治工作提供技术支撑。

1 研究区概况

厦门市地处我国东南沿海、福建省东南部，西接漳州，东临泉州，与宝岛台湾隔海相望。厦门市下辖翔安区、同安区、海沧区、集美区、湖里区、思明区6个市辖区，其地形地貌十分复杂，区内位于闽东南沿海九龙江口，依山傍水，属滨海丘陵、岛屿、半岛区，最高峰位于同安区北部云顶山，高程为1 175.2 m。

研究区属于亚热带季风气候，气候温和湿润，冬无严寒，夏无酷暑，多年平均气温为20.8℃，最高气温为38.4℃，最低气温为2.0℃；多年平均降雨量为1 143.5 mm，月平均降雨量为43.4 mm，雨量充沛，极端年最大降雨量为1 707 mm；多年平均蒸发量为1 910.4 mm，蒸发量大于降雨量；3～8月份较潮湿，平均相对湿度为80%～85%，10月至翌年2月较干燥，相对湿度为70%，多年平均湿度为77%。

2 研究方法

目前常用的地质灾害易发性评价模型有统计分析模型、确定性模型、主观推断分析模型和模式识别模型等[8-9]，信息量模型属于统计分析模型中的一种，由于其理论明确、操作容易，在滑坡和崩塌地质灾害易发性评价中得到了广泛的应用[8-13]。考虑到厦门市已发生的崩塌和滑坡地质灾害资料较齐全，各类评价因子较清晰，本文拟采用信息量法对厦门市崩塌和滑坡地质灾害的易发性进行评价。

所谓信息量法，就是通过对已变形或破坏区域的现实情况和提供的信息，将反映各类影响区域稳定的实测值转化为信息值，即通过某些因素对所提供的研究对象的信息量进行计算来评价[10]。在崩塌和滑坡地质灾害易发性评价时，各种影响因子与地质灾害形成的关系在理论上尚无定论，信息量法通过统计学的方法，计算出不同影响因子对崩塌和滑坡地质灾害的发生所提供的信息量值，用来量化其对崩塌和滑坡地质灾害的影响程度，并在调查数据的基础上，定性地对影响因子进行分类，即可客观地反映出影响因子与崩塌和滑坡地质灾害发育程度之间的关系，以避免人为主观给定，出现赋值不合理的情况。

3 信息量模型的建立

3.1 信息量模型的理论基础

信息量模型是通过计算各类影响因素对崩塌和滑坡地质灾害的发生所提供的信息量值，作为地质灾害易发性等级划分的定量指标。

在对崩塌和滑坡地质灾害信息进行预测时，有一个基本的观点：预测或判定某崩塌和滑坡地质灾害发生的可能性与我们所能获取的各类影响因子以及已发生崩塌和滑坡地质灾害的数量和质量有关，判定的标准是信息量值，即：

(1)

式中：I(Y,x1,x2,…,xn,)为影响因素组合x1,x2,…,xn对崩塌和滑坡地质灾害的发生所提供的信息量值;P(Y,x1,x2,…,xn)为影响因素x1,x2,…,xn组合条件下崩塌和滑坡地质灾害发生的概率。

3.2 信息量模型的建立

信息量模型的建立步骤如下：

(1) 计算影响因素xi对发生的崩塌和滑坡地质灾害事件(K)提供的信息量值I(xi，K)：

(2)

式中：P(xi|K)为发生崩塌和滑坡地质灾害时出现xi的概率；P(xi)为研究区内出现xi的概率。

公式(2)是理论上的信息量模型，实际中一般利用下式来计算样本的概率：

(3)

式中：S为评价单元的总数;N为崩塌和滑坡地质灾害单元的总数；Si为包含评价因素xi的单元数；Ni为分布在影响因素xi内的崩塌和滑坡地质灾害单元数。

(2) 计算单元内n种影响因子对崩塌和滑坡地质灾害的发生所提供的总信息量值Ii：

(4)

(3) 某单元内影响崩塌和滑坡地质灾害发生的综合性指标则用总的信息量值Ii来表示，Ii值越大，表明该单元内崩塌和滑坡地质灾害发生的概率越大，即该单元内崩塌和滑坡地质灾害的易发性越高。

3.3 评价因子的选择

通过对厦门市崩塌和滑坡地质灾害调查资料的统计分析，并结合对典型崩塌和滑坡地质灾害的详细勘查，本文选取地形坡度、地面高程、地质构造、工程地质岩组、年平均降雨量、土地利用与人类活动、道路7大影响因素作为厦门市崩塌和滑坡地质灾害易发性评价的主要评价因子。

4 研究区崩塌和滑坡地质灾害易发性评价

4.1 单元格网的确定和评价因子的子类划分

网格单元大小的选取与多种要素有关，在大多数情况下，单元格网的选取主要取决于专家系统，本文结合厦门市的地形地貌以及原始数据等客观情况，本次研究选取的网格单元大小为30 m×30 m。

另外，结合研究区地质灾害的发育特征，对选取的地质灾害评价因子进行了子类划分，各评价因子的子类划分结果见表1。

表1 研究区地质灾害评价因子的子类划分结果

4.1.1 地形坡度

滑坡和崩塌地质灾害的形成是一种自然力降低坡度的过程，这两种地质灾害的发生与地形坡度存在密切的关系，一般而言，地形坡度越大，越有利于崩塌和滑坡地质灾害的发生。参考野外调查结果，并结合研究区崩塌和滑坡地质灾害的发育特征，本文绘制了厦门市地形坡度分级图，见图1。

图1 厦门市地形坡度分级图Fig.1 Classification map of terrain gradient in Xiamen City

由图1可见，厦门市滑坡和崩塌地质灾害主要发生在地形坡度大于25°的陡坡(以人工边坡为主)地带，其灾害点占地质灾害总数的74.5%；滑坡和崩塌地质灾害发生在地形坡度为10°～25°的缓坡地带的灾害点，占地质灾害总数的17.3%；而滑坡和崩塌地质灾害发生在地形坡度小于10°的平台地带的灾害点，仅占地质灾害总数的8.2%。

4.1.2 地面高程

参考野外调查结果，并结合研究区崩塌和滑坡地质灾害的发育特征，本文绘制了厦门市地面高程分级图，见图2。

图2 厦门市地面高程分级图Fig.2 Classification map of elevation in Xiamen City

由图2可见，厦门市平原区的分布面积最大，地面高程均小于50 m，面积为1 144 km2，崩塌和滑坡地质灾害发育20处；地面高程50～500 m为丘陵区，主要分布于厦门市北部山区，面积为595 km2，崩塌和滑坡地质灾害发育35处；地面高程500～1 000 m为低山区，面积为140 km2，崩塌和滑坡地质灾害发育40处；地面高程大于1 000 m为中山区，面积为3.36 km2，崩塌和滑坡地质灾害发育1处。

4.1.3 地质构造

参考野外调查结果，并结合研究区崩塌和滑坡地质灾害的发育特征，本文绘制了厦门市地质构造分级图，见图3。

图3 厦门市地质构造分级图Fig.3 Classification map of geological structural in Xiamen City

由图3可见，厦门市崩塌和滑坡地质灾害的发育部分受到区域地质构造的影响，一般断裂带的影响范围在1 km左右，故本文选择断裂带的影响范围1 km以内作为崩塌和滑坡地质灾害的发育受区域地质构造的影响范围。

4.1.4 工程地质岩组

参考野外调查结果，并结合研究区崩塌和滑坡地质灾害的发育特征，本文绘制了厦门市工程地质岩组分级图，见图4。

图4 厦门市工程地质岩组分级图Fig.4 Classification map of engineering geological strata in Xiamen City

由图4可见，厦门市内地层岩性主要有第四系冲洪积与海积砂土黏土层、三叠系和侏罗系沉积碎屑岩以及花岗岩和闪长岩等侵入岩。其中，第四系地层主要分布于平原区，其稳定性好；沉积碎屑岩一般较坚硬，但强风化地带强度低、稳定性差；花岗岩和闪长岩等侵入岩岩石整体较完整，但地表或浅部岩石球状风化强烈，产生危岩与岩崩的可能性较大，且局部断裂破碎带强度低、稳定性差。根据研究区地层岩性的特征，将厦门市工程地质岩组划分为第四系砂土黏土层、沉积碎屑岩、风化强烈的侵入岩。经统计显示，厦门市崩塌和滑坡地质灾害发生在侵入岩区域的占比为54.1%，发生在沉积碎屑岩区域的占比为32.6%，发生在第四系区域的占比为13.3%。

4.1.5 年平均降雨量

在宏观上，崩塌和滑坡地质灾害的发生频次与年平均降雨量的大小可近似认为呈正相关。根据厦门市多年降雨资料，并结合崩塌和滑坡地质灾害的发生频率，本文将年平均降雨量分为4个等级：<1 200 mm，1 200～1 600 mm，1 600～1 800 mm，>1 800 mm，见图5。

图5 厦门市多年平均降雨量分级图Fig.5 Classification map of multi-year average rainfall in Xiamen City

由图5可见，降雨量越小，研究区崩塌和滑坡地质灾害发生的频次越低；降雨量越大，研究区崩塌和滑坡地质灾害发生的频次越高；厦门市多年平均降雨量大于1 800 mm的区域发生崩塌和滑坡地质灾害的占比为55.1%。

4.1.6 土地利用与人类活动

厦门市土地利用类型主要分为林地、草地(耕地)、建设用地和水体4类(见图6)，其中林地的植被覆盖度好，对崩塌和滑坡地质灾害发育的影响较小，建设用地主要为人类活动区域，对崩塌和滑坡地质灾害发育的影响最大。另据统计，厦门市崩塌和滑坡地质灾害的发育68.75%受人类活动的影响。

图6 厦门市土地利用分级图Fig.6 Classification map of land-use in Xiamen City

4.1.7 道路

道路修建与维护也属于人类活动，如坡脚开挖、植被破坏容易造成崩塌和滑坡地质灾害。本文选取山区铁路、公路道路两侧0.2 km2范围内区域作为研究区崩塌和滑坡地质灾害的道路影响范围，见图7。

图7 厦门市道路分级图Fig.7 Classification map of road in Xiamen City

4.2 评价因子子类的信息量值计算

根据下面公式计算各评价因子的信息量值：

(5)

式中:Ni/Si可以理解为子单元中崩塌和滑坡地质灾害点的平均密度；N/S为研究区中总的崩塌和滑坡地质灾害点的平均密度。

本文以厦门市崩塌和滑坡地质灾害的资料收集和野外调查数据为基础数据，对各评价因子子类的信息量值进行了计算，其计算结果见表2。

表2 厦门市地质灾害各评价因子子类的信息量值计算结果

由表2可知，各评价因子子类的信息量值排名前6的评价因子分别是：①地面高程>1 000 m；②地形坡度为25°～35°；③地面高程为500～1 000 m；④年平均降雨量>1 800 mm；⑤沉积碎屑岩；⑥地形坡度>35°。根据统计学规律，这些因素对滑坡和崩塌地质灾害的产生起到了正面作用，是崩塌和滑坡地质灾害形成的主要影响因素；而对于地形坡度<10°、地面高程<50 m、第四系、年平均降雨量为1 200～1 600 m等信息量值表现为高负值的评价因子，表明这几种状态下滑坡和崩塌地质灾害的发生率较低。

4.3 评价结果与分析

本文运用ArcGIS的重分类功能，将计算出的评价因子子类的信息量值赋给每个子类进行分区，再将各评价因子进行栅格累加分区，最终得到厦门市崩塌和滑坡地质灾害易发性的综合信息量图层，其信息量值的值域范围为-8.52～7.16。参考野外调查结果，将研究区信息量值进行高易发区、中易发区、低易发区三个等级划分，对应信息量值的值域范围分别为4.0～7.16、1.60～4.0、1.60～-8.52，最终得到厦门市对应的崩塌和滑坡易发性等级分区图，见图8。

图8 厦门市崩塌和滑坡地质灾害易发性等级分区图Fig.8 Classification map of collapse and landslide susceptibility in Xiamen City

由图8可见，厦门市崩塌和滑坡地质灾害的分布特征如下：①崩塌和滑坡地质灾害高易发区，主要分布于厦门市北部低山区，行政区属于同安区，面积为42.35 km2，占比为2.49%，崩塌和滑坡地质灾害共发育15处，发育密度为0.35个/km2;②崩塌和滑坡地质灾害中易发区，主要分布于厦门市北部低山丘陵区以及在厦门岛内有零星分布，在行政区上主要分布于同安区的莲花镇、汀溪镇，翔安区的新圩镇，集美区的灌口镇，海沧区的东孚镇、新阳街道，以及厦门岛上两座山，总面积为523.7 km2，占比为30.82%，崩塌和滑坡地质灾害共发育60处，发育密度为0.11处/km2；③崩塌和滑坡地质灾害低易发区，主要分布于厦门市平原区及海域，总面积为1 133.24 km2，占比为66.69%，崩塌和滑坡地质灾害共发育23处，发育密度为0.02处/km2。

5 结论

本文以厦门市崩塌和滑坡地质灾害为研究对象，选取地形坡度、地面高程、地质构造、工程地质岩组、年平均降雨量、土地利用与人为活动、道路7大影响因素作为研究区崩塌和滑坡地质灾害易发性评价的评价因子，采用信息量法并结合GIS技术，对厦门市崩塌和滑坡地质灾害的易发性进行了评价，得到厦门市地质灾害易发性等级分区图。该地质灾害易发性分区图与厦门市地质灾害的分布特征基本一致，对厦门市防灾减灾工作具有一定的指导意义。