地理探测器在判别滑坡稳定性影响因素中的应用——以西藏江达县为例

支泽民，陈 琼,2，张 强，周 强,2，刘峰贵,2，赵富昌，陈永萍

（1.青海师范大学地理科学学院，青海 西宁 810008；2.高原科学与可持续发展研究院，青海 西宁 810008；3.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，北京 100875；4.北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室，北京 100875）

0 引言

滑坡是青藏高原东缘数量最多、分布最广、危害性最大的一种地质灾害类型。是山体斜坡的土体或岩体，在外界因素的影响和重力作用下，发生的非线性动力学过程，受时空变化内外因素综合作用的结果[1]。青藏高原东缘117 个县(区、市)共有10 560 处滑坡，其中巨型滑坡183 处，大型滑坡1 133 处，中型滑坡2 870 处，小型滑坡6 374 处，具有显著的沿活动断裂带、河流和道路密集分布的特征[2]。目前，我国关于滑坡的研究主要集中在滑坡形成的影响因素分析[3-6]、滑坡危险度的评价与区划[7-9]、滑坡防治工程措施研究[10-12]、滑坡的稳定性评价[13-15]等方面。

青藏高原横断山区是我国高山峡谷密布地区，由于地形条件特殊，滑坡灾害受气候变化和人类活动双重因素的影响，呈现多发、频发态势。因此，关注和研究该地区滑坡，对于本地区人居环境安全具有重要的现实意义。本文通过地理探测器作为主要分析工具，以西藏江达县滑坡灾害为对象，定量探测高山峡谷地区滑坡灾害稳定性的影响因素，揭示造成滑坡体失稳的主要贡献因子，为高山峡谷地区开展滑坡危险度的评价、滑坡防治工程建设提供科学的依据。

1 研究区概况

青藏高原横断山区是我国高山、极高山最为集中的区域，河流深切，峡谷陡峻，是滑坡等地质灾害的多发频发区。江达县位于横断山区东北部，面积13 164.09 km2。该地区地质环境复杂，地质构造活跃，挤压活动强烈，形成众多平行山脉纵向排列，为南北向水系发育奠定了基础。其中，金沙江、通天河在其东部边界长期强烈侵蚀下切，形成纵向深切峡谷，境内还有藏曲、热曲、卓克曲、绒曲、多曲等77 条面积50 km2以上的河流，强烈的下切侵蚀，也形成大量深切峡谷。因此，复杂的地质和地表过程，使该地区形成极端复杂的高山峡谷区。区域最高海拔5 297 m，最低海拔2 822 m，相对高差达到2 475 m，平均海拔约3 600 m，地势由西北向东南倾斜。该区域干湿季分明，年降水量约为550 mm，降水集中在夏季，由此夏季成为滑坡灾害的高发期。近些年来，由于该地区社会经济的发展，人类活动不断增加，导致滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害频发（图1）。

图1 研究区概况图Fig.1 Overview map of study area

2018年10月，西藏自治区与四川省交界处的西藏江达县波罗乡白格村发生山体滑坡，即著名的“白格滑坡”。滑坡造成金沙江干流河道堵塞，形成巨大的堰塞湖，威胁到上下游数个村庄5 万余人的生命财产安全。江达县波罗乡热多村乡政府对面发生波罗寺滑坡，该滑坡为大型滑坡，主要受降雨影响，主要威胁乡政府及附近村民、房屋等，威胁群众300 余人；江达县县政府斜对面山体滑坡，发生于江达镇将达村，该滑坡规模为中型滑坡，主要由人类工程活动引起，威胁附近30 余户400 余人生命财产安全以及317 国道部分路段。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

实地调查数据：滑坡数据来自第二次青藏科考对该地区的实地调查。

基础数据：分辨率为30 m 的DEM 数据、分辨率为1 km 的地貌数据、分辨率为1 km 的2015年降水数据（来自中国科学院数据共享网http://www.resdc.cn/）；河流数据、道路数据、县级行政区划数据（来自国家基础信息数据库http://www.ngcc.cn/ngcc/html/1/）；地震动峰值加速度、1∶1 800 000 青藏高原及邻区地质构造图（昌都部分为1∶500 000）、地层岩性数据（来自地质空间数据云http://geocloud.cgs.gov.cn/）。

2.2 研究方法

2.2.1 地理探测器

地理探测器是假设研究区分为若干子区域，如果子区域的方差之和小于区域总方差，则存在空间分异性；如果两变量的空间分布趋于一致，则二者存在统计关联性[16]。同时，根据地理学第一定律，地理事物或属性在空间分布上互为相关，存在集聚、随机或者规则分布的科学定律[17]进行地理探测。

（1）分异与因子探测：探测因变量Y的空间分异性，以及探测某自变量因子X多大程度上解释了Y的空间分异。用q值度量，表达式为：

式中：q——各影响因素对滑坡稳定性的解释力；

N、σ2——分别为样本量和方差；

Nh、σ2h——h（h=1，2，···，L）层样本量和方差。其取值范围为[0, 1]，数值越大表明影响因素对滑坡稳定性的解释力越强，数值为0 说明影响因素与滑坡稳定性完全无关，数值为1 说明影响因素可以完全解释滑坡稳定性的分布差异。

（2）交互作用探测：用来识别不同影响因素相互作用的结果，即评估影响因素1 与影响因素2 共同作用时对于因变量的解释力是否会增强或者减弱，或这些因素对于因变量Y的影响是独立的[16]。q(X1∩X2)＜Min[q(X1),q(X2)]表明两因素交互后，线性减弱；Min(q(X1),q(X2))＜q(X1∩X2)＜Max(q(X1),q(X2))表明两因素交互后，单因素非线性减弱；q(X1∩X2)＞Max(q(X1),q(X2))表明两因素交互后，双因子增强；q(X1∩X2)=q(X1)+q(X2)表明两因素呈相互独立；q(X1∩X2)＞q(X1)+q(X2)表明两因素交互后，非线性增强。

（3）生态探测：用于比较两因子X1 和X2 对属性Y的空间分布的影响是否有显著的差异[17]，主要探测不同因素解释力的相对重要性差异，通过F检验度量：

式中：NX1、NX2-分别表示两个因子X1 和X2 的样本量；

SSWX1和SSWX2-分别表示由X1 和X2 形成的分层的层内方差之和。

其中零假设H0：SSWX1＝SSWX2。如果在α 的显著性水平上拒绝H0，这表明两因子X1 和X2 对属性Y的空间分布的影响存在着显著的差异。

2.2.2 稳定性影响因子选取

（1）滑坡稳定性影响因子：滑坡稳定性是指自然地理、地质构造和地层岩性等背景条件下滑坡的稳定程度，表征地理地质环境基本属性对滑坡稳定性的控制作用。因此，本文在众多的滑坡稳定性影响因素中，结合高山峡谷地区的地理地质特征，以实地调查的滑坡稳定性作为因变量（Y），选取了坡度[18]（X1）、距断层距离（X2）、地层岩性（X3）、河流密度[19]（X4）、地貌类型（X5）、道路密度（X6）、降水量（X7）、地震动峰值加速度（X8）等8 个因素作为滑坡稳定性影响因子。

（2）最优离散分类[20]：将坡度（X1）、距断层距离（X2）、河流密度（X4）、地貌类型（X5）、道路密度（X6）、降水量（X7）6 个影响因子分别在ArcGIS 中利用自然断点法进行重分类，一般将其分类数限定为5 ～10 类，然后依次将其带入地理探测器模型中，求得该分类数影响因子的最大q值，则该分类数即为该影响因子的最优离散分类（图2）。

图2 最优离散分类流程图Fig.2 Flowchart of optimal discrete classification

得出（图3）：坡度最优离散分类为10；距断层距离最优离散分类为9；河流密度最优离散分类为10；道路密度最优离散分类为10；降水最优离散分类为10；地貌类型数据为离散型变量，对其不进行分类；地震动峰加速度值分为4 类（数据限制），地层岩性数据根据岩性硬度进行划分，分别分为极硬岩、次硬岩、次软岩、极软岩4 类[21]，其对滑坡稳定性贡献值分别赋值为4、3、2、1（表1）。

图3 影响因子最优离散分类Fig.3 Optimal discrete classification of each factor

表1 地层岩性硬度划分表Table 1 Stratum lithology hardness division table

3 结果分析

3.1 滑坡分类及分布

（1）分类：根据实地调查显示，江达县共发现滑坡85 处，按照滑坡体体积[4]、稳定性、险情等分别划分相应的等级。根据滑坡体体积将江达县滑坡划分为特大型、大型、中型和小型4 个等级（表2）。中小型滑坡共有71 处，占江达县滑坡比例的83.53%；大型滑坡11 处，占12.94%；特大型滑坡3 处，占3.53%，其中包括2018年滑坡体积为3 500×104m³的金沙江特大“白格滑坡”。

表2 按滑坡体体积划分的滑坡等级Table 2 Landslide grade divided by volume

根据滑坡稳定性将江达县滑坡划分为稳定、较稳定、稳定性较差、不稳定和易发5 个等级（表3）。不稳定滑坡数量最多，达到33 处，占江达县滑坡总数的38.82%；较稳定滑坡数量共有29 处，占滑坡总数的34.12%；易发滑坡体5 处，占比5.88%。总体来看，稳定、较稳定滑坡占比达到江达县滑坡总数的50.59%，不稳定、易发滑坡体占比达到44.70%，一半以上的滑坡处于稳定状态。

表3 按稳定性划分的滑坡等级Table 3 Landslide grade divided by stability

根据《国家突发地质灾害应急预案》中对地质灾害危险等级的划分标准，对江达县滑坡危险等级进行划分，依次可划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级4 个危险级别。特大型地质灾害险情（Ⅰ级）指受灾害威胁需搬迁转移人数在1 000 人以上或潜在可能造成的经济损失1 亿元以上的地质灾害险情；大型地质灾害险情（Ⅱ级）指受灾害威胁需搬迁转移人数在500 人以上、1 000 人以下，或潜在经济损失5 000 万元以上、1 亿元以下的地质灾害险情；中型地质灾害险情（Ⅲ级）主要指受灾害威胁，需搬迁转移人数在100 人以上、500 人以下，或潜在经济损失500 万元以上、5 000 万元以下的地质灾害险情；小型地质灾害险情（Ⅳ级）指受灾害威胁，需搬迁转移人数在100 人以下，或潜在经济损失500 万元以下的地质灾害险情。江达县地质灾害险情等级主要以Ⅲ级、Ⅳ级为主，占比达97.65%（表4）。

表4 按危险性划分的滑坡等级Table 4 Landslide grade divided by danger

（2）分布：从空间上来讲，江达县有78 处滑坡分布在其中部、南部地区，占滑坡总数的91.76%；同时，滑坡主要沿高山峡谷中的河流与道路分布，全县85 处滑坡全部分布于河流附近，其中，61 处滑坡分布于道路两侧，占其滑坡总数的71.76%（图1）[22-24]。

3.2 滑坡稳定性的地理探测

（1）因子探测结果：因子探测主要用于探测单个影响因子对滑坡稳定性的贡献率或者因子解释力。q值越大，表明其对滑坡稳定性的贡献率越高，因子解释力越强。根据2.2.1 和2.2.2，将因变量与自变量代入地理探测器，计算得出：因子解释力q值大小分别为地貌类型（q=0.501）＞河流密度（q=0.477）＞道路密度（q=0.465）＞距断层距离（q=0.332）＞坡度（q=0.168）＞地震动峰值加速度（q=0.129）＞降水量（q=0.122）＞岩性（q=0.101）。地貌类型对滑坡稳定性的贡献最大，达到0.501；河流密度与道路密度贡献率分别达到0.477、0.465，距断层距离贡献率为0.332，说明其对滑坡稳定性的解释力很强；其他因子的贡献率较小，解释力不强。因此，地貌类型、河流密度、道路密度以及距断层距离是影响滑坡稳定性的主要影响因子（表5）。

表5 因子探测结果Table 5 Factor detection results

（2）交互作用探测结果：交互作用探测主要用于探测当两种影响因子两两相互作用时，其对滑坡稳定性的解释力相对于其中一个影响因子来说，其解释力是增强还是减弱。根据2.2.2 交互作用探测，将8 个自变量两两交互进行分析，结果显示，相较于单因子对滑坡稳定性的解释力，双因子交互作用时的解释力明显较高，各因子对滑坡稳定性的综合作用力值高于任意因子单独作用的强度，因此，各因子对滑坡稳定性的影响力是交互增强的。交互作用结果主要分为双因子增强（N）与非线性增强（Y）两类。当道路密度与降水量、道路密度与坡度、坡度与河流密度、坡度与降水量、坡度与地貌类型、坡度与距断层距离、降水量与地貌类型、岩性与坡度等因子在两两相互作用时，对于滑坡稳定性的分异具有非线性增强的作用，且当地貌类型与距断层距离共同作用时，其贡献率最大为0.930，其次，河流密度与地貌类型相互作用时，贡献率居于第二，达到0.830；当道路密度与河流密度、道路密度与地貌类型、道路密度与距断层距离、河流密度与降水量、河流密度与地貌类型、河流密度与距断层距离、降水量与距断层距离等因子两两相互作用时，对于滑坡稳定性分异均具有双因子增强的作用（表6）。

表6 交互作用探测结果Table 6 Interaction detection results

（3）生态探测结果：生态探测着重比较不同影响因子对滑坡灾害稳定性分异是否具有显著性差异。在显著性检验0.05 置信水平下，道路密度与坡度以及降水量对于滑坡稳定性的分异具有显著性的差异；坡度与河流密度、地貌类型和地震动峰值加速度对于滑坡稳定性的分异具有显著性的差异；河流密度与降水量、地震动峰值加速度对于滑坡稳定性的分异具有显著性的差异；降水量与地貌类型对于滑坡稳定性的分异具有显著的差异；地貌类型与距离断层的距离、地震动峰值加速度以及坡度、距断层距离对于滑坡稳定性的分异具有显著性的差异；岩性与道路密度、河流密度、地貌类型以及距断层距离对于滑坡稳定性的分异具有显著性差异（表7）[25-26]。

表7 生态探测结果Table 7 Ecological detection results

4 结论

（1）按滑坡体体积划分等级，江达县滑坡主要以中、小型滑坡为主，占到滑坡总数的83.53%，大型、特大型滑坡占16.47%；按其稳定性划分，稳定、较稳定滑坡占比超50%，不稳定、易发滑坡体占比达44.70%，一半以上滑坡处于稳定状态；按危险等级划分，主要以Ⅲ级、Ⅳ级为主，占比97.65%。同时发现，江达县滑坡的分布主要沿河流与道路分布，全县85 处滑坡全部分布于河流附近，其中61 处滑坡分布于道路两侧，占比达71.76%。

（2）江达县滑坡稳定性的主要影响因子为地貌类型、河流密度、道路密度和距断层距离，其贡献率分别为0.501，0.477，0.465，0.332，因此，可以看出地貌类型与距断层距离是造成高山峡谷地区滑坡失稳的先决条件，河流的冲刷侵蚀以及基础道路的修建（人类活动）是造成滑坡失稳的诱发条件；探测发现，影响滑坡稳定性因子在两两相互作用时，其解释力总是大于单个因子的解释力，对于滑坡的稳定性分异具有非线性增强与双因子增强的作用，也就是说，当两种影响因子相互作用时，对于滑坡的失稳总是具有增强的作用。

（3）通过利用地理探测器对滑坡稳定性影响因子的探测发现，其结果较为符合科学依据与事实。因此，地理探测器这一模型对于滑坡稳定性影响因子探测具有一定的实用性。