基于信息量法的重庆云阳县（三峡库区）地质灾害易发性评价

张利芹，李浩，顾超，潘会彬，付鹏伟

（1.河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院，河南 郑州 450000；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；3.中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南 南阳 473132；4.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410000；5.新乡学院土木工程与建筑学院，河南 新乡 453003）

0 引言

长江三峡库区由于其特殊的地质环境和强烈的人类工程活动的影响，在该地区地质灾害尤为频发（夏辉，2018）。云阳县位于三峡库区中部，地理坐标为东经108°35′32″～109°14′51″，北纬30°35′6″～31°26′30″，云阳县境内的滑坡等地质灾害历来也较为严重（尹玲玲，2018），既制约着当地城镇化建设和经济发展，也威胁着人民的生命及财产安全，因此开展地质灾害风险评价变得尤为重要，目前针对云阳县长江两岸地质灾害风险评价较多，以县域为单元的评价相对较少，杜常见等（2017）认为云阳县滑坡灾害高易发区主要集中在人类工程活动频繁的县城开发区和库水位变动带库岸斜坡，该文在基于近年参与地质灾害详查的基础上，开展了地质灾害易发性评价。根据风险的定义，地质灾害风险为危险性、危害性的积（殷坤龙等，2007）。开展地质灾害风险评价最基础的工作需要进行易发性评价（乔建平等，2008），而易发性则是对研究区内特定的孕灾环境中可能发生地质灾害的难易程度进行评价。目前，基于GIS 的地质灾害易发性评价常用的评价模型有信息量模型、逻辑回归模型、支持向量机模型等（张茂省和唐亚明，2008）。

在信息量法方面，国内外学者开展了较多研究。Akbar and Ha（2011）采用信息量法开展了巴基斯坦东北部山区地质灾害易发性评价；Epifanio et al.（2014）和Vijith et al.（2009）采用信息量法对葡萄牙及印度喀拉拉邦的山区滑坡进行了易发性评价；Saha et al.（2005）在喜马拉雅同样采用信息量法开展了地质灾害易发性评价；阮沈勇和黄润秋（2001）以长江三峡库区为典型实例，基于GIS 平台采用信息量法模型，分析了该方法在地质灾害危险性区划中的适用性；朱良峰等（2004）在基于GIS 平台开发的滑坡地质灾害风险性评价系统基础上，利用信息量法对中国滑坡灾害进行了易发性评价；石菊松等（2007）采用信息量法以鄂西清江流域隔河岩水库库区为例进行了易发性评价与制图。张春山等（2008）采用信息量法进行了陇县地质灾害危险性评价；张俊等（2016）运用信息量模型和逻辑回归模型分别开展易发性评价，表明信息量法评价结果更为可靠。该文在收集区域地质灾害调查资料的基础上，通过基于GIS 的信息量法（龙万学，2009），评价了云阳县的地质灾害易发程度，对于制定地质灾害防治规划、预防和减轻地质灾害的危害具有重要意义。

1 信息量法原理

信息量法的理论基础是信息论，采用滑坡灾害发生过程中熵的减少来表征滑坡灾害事件产生的可能性（王佳佳等，2014）。信息量模型属于贝叶斯概率模型的一种，评估过程中可以较好地融合工程地质专家的主观经验及成灾要素与地质灾害相关性的客观特征。

信息量模型利用概率形式进行定量描述，反映了不同成灾要素区间对地质灾害形成的贡献大小，地质灾害信息量IAj→B表达式为：

在实际操作中为了便于计算，通常将式（1）中概率转化成样本频率进行计算，于是可将式（1）变换为：

式（2）中，IAj→B—对应成灾要素A中第j区间地质灾害B 发生的信息量；Nj—对应成灾要素A中第j区间的地质灾害灾点数；Sj—对成灾要素A 中第j区间的分布面积；N—区域地质灾害的总灾点数；S—区域总面积。

信息量模型中IAj→B值通常可以有正负之分，“正值”表明该要素区间对地质灾害形成的贡献量大于区域本底值，有利于地质灾害发生；“负值”表明该要素区间不利于地质灾害发生；“0 值”表明该要素区间对于地质灾害形成的贡献水平中等。

2 研究区概况

云阳县地处重庆市东部，属三峡库区万州-巫山段中部。长江主航道接近于西东对角线横穿云阳全境，地貌主要受华蓥山-方斗山弧形褶皱体系和大巴山断褶带所控制，形成以单斜低山、背斜梳状低山为主的中低山地貌，构成区内地貌的基本山骨架。区内出露地层有第四系、侏罗系及三叠系，其中侏罗系出露面积占80%以上，主要以碎屑岩为主。区内以褶皱构造为主，褶皱形态以宽平的屉形向斜和狭窄的高背斜相间排列，组成隔档式构造。受脆弱的地质环境背景影响，加之近年来城镇建设、采矿、公路建设等人类工程活动日趋强烈，区内地质灾害发育，遍及42 个乡镇，根据调查资料及收集详查资料，云阳县地灾点共1363 点，其中滑坡（不稳定斜坡）1312 处，崩塌（危岩体）40 处，泥石流11 处。

3 易发性评价

3.1 数据来源及评价单元选取

地质灾害易发性评价一般需要地理、地质、测绘、社会经济等资料数据。该文采用的1 ∶5 万DLG数据由国家测绘局提供；所采用的基础地质数据来源于从全国地质资料馆收集的1 ∶5 万、1 ∶20 万区域地质调查报告等资料；采用的地质灾害点主要来源于云阳县国土局地质灾害排查详查等资料。以上资料作为易发性评价的基础。

评价单元方面，国内应用比较成熟的预测单元主要包括：栅格单元、地域单元、均一条件单元、子流域单元和斜坡单元（唐亚明，2011）。目前，针对以县域行政单元的小比例尺地质灾害易发评价多采用栅格单元进行评价，此外栅格单元作为地质灾害易发性评价具有数据处理速度快等优势，因此论文以栅格为单元进行地质灾害易发性评价。为满足评价精度要求，该文选取25 m×25 m 栅格分辨率，研究区栅格共5833829 个栅格单元，面积约3646.14 km2（因坐标系差异，与官方公布数据3649 km2有误差）。经计算，研究区地质灾害信息量背景值为0.3738。

3.2 指标选取及分级

地质灾害易发性评价的基本假设是未来发生的地质灾害形式和程度与已发生的地质灾害形式和程度是基本一致的（DAI-2002）。据野外调查，选取了控制区内地质灾害发育的6 个关键性指标，为地形坡度、坡高、工程地质岩组、地质构造、水系、人类工程活动。

（1）地形坡度、坡高

应用Arcgis 空间分析工具，从DEM 数据中提取坡度、坡高信息，为精确统计每个区间内地质灾害信息，将研究区坡度按10°进行分级；综合研究区地貌类型及分级精细程度，将高程分为9 级；利用Arcgis重分类工具，统计了各个指标因素的面积比例及地质灾害比例，见图1～3。

从图1 可见，研究区坡度面积与坡度大小呈负相关，同样随着坡度的增加，地质灾害发育频率降低，这个结果可能与高位地质灾害调查程度较低有一定关系。从灾害百分比看，地质灾害点主要集中在坡度小于30°的区域发生，在（0，10］及（10，20］的区间内，地质灾害发育频率更高。从图2～3 可见，在200～800 m 范围内，地质灾害占比均在20%以上，在200～600 m 范围内，其地质灾害发育频率更高，表明其对地质灾害发育影响程度更大。

（2）工程地质岩组

图1 各坡度区间面积百分比与灾害百分比统计图

研究区出露地层有第四系、侏罗系及三叠系，按照工程地质岩组可分为3 大类5 小类。①第四系松散土体类（Ⅰ），主要为冲洪积层（）、崩坡积层（）等，主要分布于长江及其支流沿岸阶地及漫滩；②层状碎屑岩类Ⅱ1（中厚层石英砂岩夹泥质粉砂岩、细砂岩、泥页岩），主要包括地层有侏罗系下统珍珠冲组（J1z）、中-下统自流井组（J1-2z）、侏罗系中统新田沟组（J2x）和沙溪庙组（J2s），含有软弱夹层；③层状碎屑岩类Ⅱ2（厚层长石石英砂岩夹砂质泥岩），主要包括地层有侏罗系上统遂宁组（J3s）和蓬莱镇组（J3p）；④层状碎屑岩类Ⅱ3（石英砂岩、长石石英砂岩夹页岩、煤层），主要地层为三叠系上统须家河组（T3xj），含有煤层，岩组相对较为软弱；⑤层状碳酸盐岩类Ⅲ（薄至中层状灰岩，白云质灰岩及泥质灰岩），主要包括地层有三叠系上统嘉陵江组（T1j）、大冶组（T1d）和三叠系中统巴东组（T2b），相对坚硬。

图2 云阳县地质灾害分布与高程关系图

图3 各高程区间面积百分比与灾害百分比统计图

在Arcgis 内统计了各个指标因素的面积比例及地质灾害比例，见图4～5，并计算了其信息量值。据图5 表明，除去水系所占面积，地质灾害主要集中在Ⅱ1、Ⅱ2这两大类岩组中，一方面跟出露该地层面积较大有关，另一方面该2 个岩组地层地质灾害频率更高，表明了区域地质灾害主要受软弱的侏罗系粉砂岩、泥岩、石英砂岩软弱互层地层的控制。

（3）地质构造

图4 云阳县地质灾害分布与工程地质岩组关系图

研究区内发育以褶皱构造为主，见有少量断裂构造（图4），高陡背斜与宽缓向斜相间排列的侏罗山式隔挡式褶皱构造，导致云阳县顺向斜坡结构发育，加之倒转褶皱、层间滑动构造与节理、劈理发育，特别是在高陡背斜两翼，发育较多中型-大型顺层岩质滑坡。根据构造发育特点及控灾条件，将研究区构造带共划分4 个影响区间，单位为m，分别为（0，300］、（300，1 000］、（1 000，2 000］、＞2 000。从图6 可见，区域内地质灾害发育频率与构造距离的远近关系不大，但较明显的是在距构造带皱迹线较近的区域，地质灾害频率较大。

（4）河流水系及人类工程活动

图5 各岩组面积百分比与灾害百分比统计图

图6 各构造带面积百分比与灾害百分比统计图

河流水系及人类工程活动对地质灾害的影响来源于外因，研究区长江水系支流遍布，在库水波动下，斜坡体前缘空隙水压力等周期性变化，加之侏罗系砂泥岩经水浸泡冲刷后，多发生崩解现象，加速了地质灾害的发育。据水系的距离将研究区划分成6个等级，单位为m，为（0，100］、（100，200］、（200，300］、（300，400］、（400，500］、＞500。随着新型城镇化的推进及村村通等工程建设，对地质环境影响较大，常诱发地质灾害。论文选取了道路作为一项影响指标进行评价，分为5 级，单位为m，分别为（0，50］、（50，100］、（100，300］、（300，500］、＞500。

由图7～8 可见，研究区内大多数地质灾害距发育距主要水系500 m 以外，但距离水系越近其地质灾害发育频率越高；研究区内地质灾害与道路关系密切，多数灾害发生在距离道路100 m 范围内（灾害点位置定在滑坡后壁，与道路无绝对相关性），同样距离道路越近，其地质灾害频率更高。

4 评价结果

图7 各水系区间面积百分比与灾害百分比统计图

图8 各道路区间面积百分比与灾害百分比统计图

通过确定各指标分级并计算了各个分级下的信息量值，结果见表1，应用栅格叠加工具并利用自然断点法进行重分类，将云阳县地质灾害易发性分成4 个等级，为不易发区（-8.8，-2.8］，面积为207.25 km2，占比5.68%；低易发区（-2.8，-0.5］，面积为1 061.21 km2，占比29.11%；中易发区（-0.5，0.5］，面积为1 801.68 km2，占比49.41%；高易发区（0.5，2.3］，面积为576 km2，占比15.80%。云阳县地质灾害易发程度分区见图9。由结果可见，易发程度高的区域有沿长江及其支流分布的特点，一方面是因为库水波动下斜坡受河流降雨等条件的控制，坡体在流水冲刷、软化崩解、静水及动水压力等条件下易变形滑动，另一方面沿河流两岸也是人类居住密集、城镇建设较集中的区域，在不利的切坡等条件，易诱发滑坡等地质灾害；地质灾害易发程度较低的区域主要集中在云阳县北部海拔较高的区域及工程地质岩组为灰岩、白云岩的区域，主要原因该区域内人类工程活动较少，加之灰岩白云岩质地较为坚硬，偶见崩塌等小型灾害，整体灾害发育频率较低。中易发区主要集中在工程地质岩组Ⅱ1、Ⅱ2 中，这2个岩组中主要含有砂岩、粉砂岩与泥岩等软弱夹层，在云阳地区中夹层中黏土矿物含量较高，易形成软弱面，导致发生顺层滑坡、崩塌等灾害。

图9 云阳县地质灾害易发程度分区图

表1 各指标状态信息量表

5 结论

该文以三峡库区云阳县为研究对象，在调查研究基础上，选择高程、坡度、工程地质岩组、构造、水系、道路等6 个致灾因素建立了地质灾害易发性评价指标，指标体系可为相关县域行政单元提供参考。基于信息量法开展了小比例尺的地质灾害易发性评价，结果表明地质灾害易发程度较高的区域集中在长江及其支流两岸且人类工程活动较密集的区域，并表现出在侏罗系软弱互层砂泥岩地层集中发育的特点，其结果与研究区详查结果较为吻合，可为下一步风险评价提供依据，也可为地质灾害防治及早期识别提供技术支撑。由于详查资料关于高位地质灾害针对性调查较少，因此易发性评价结果中坡度与地质灾害的关系需要进一步研究，建议开展星空地一体化地质灾害调查研究，加强Insar 等高科技应用及高位地质灾害排查，为减灾防灾提供更大支撑。