基于GIS信息量模型的地质灾害易发性分区评价——以黄梅县为例

余 杰， 陈 钰， 彭 慧， 宋 群， 文美霞

(1.湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034; 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北 武汉 430034)

黄梅县位于鄂东大别山地区，区内地质灾害频发，给人们的生命财产安全带来极大的威胁和危害。据统计，黄梅县地质灾害已造成直接经济损失1 166.63万元，潜在经济损失2 641.65万元，频发的地质灾害已成为影响当地经济与社会发展的重要因素之一❶。前人在该区仅开展过一些地质灾害点调查与核查工作，并未开展县域范围的地质灾害综合评价工作。本文在前人调查研究基础上，利用GIS技术对县域地质灾害情况进行易发性分区评价，具有重要的应用价值，其结果可为地方政府防灾减灾以及规划建设提供科学依据。

1 研究区概况

黄梅县位于鄂皖交界的大别山南麓，东与安徽省宿松县接壤，西与武穴市毗连，南与江西省九江市隔江相望，北与蕲春县峰峦相依，地跨东经115°42′57.85″～116°07′46.58″、北纬29°42′44.14″～30°18′38.79″，总面积为1 701 km2。

黄梅县属大别山区，为构造侵蚀低山地貌。地势总体北高南低，北部地形陡峻，山前地区地势相对低缓；南部为阶地地形，地势较平坦，湖泊较发育。黄梅县多年平均气温为16.7℃，最高年平均气温为17.7℃(1961年)，最低年平均气温为16.2℃(1969年)。全县多年平均降水量为1 369.34 mm，雨季为5—8月，总降雨量为706.96 mm，占全年降水量的51.63%。近年来随着黄梅县经济社会建设的快速发展，人类工程活动日渐增强，主要表现为城镇、道路、水利、居民房屋建设、矿业开发、坡体耕种及毁林造地等。

区内地层出露比较齐全，自新太古界至新生界均有分布，南部主要出露早古生界—新生界地层，北东部主要出露新太古界—新元古界变质岩系，北部可见岩浆岩。按照工程地质岩土性质，将区内地层分为5大类工程地质岩组，分别为松散岩(土)类、层状碎屑岩类、层状碳酸盐岩类、片状—片麻状变质岩类和块状岩浆岩类。区内褶皱和断裂构造十分发育，褶皱主要集中分布于大别山复背斜以南的浠水褶皱束和黄梅台褶束；断裂主要发育NE向和NW向两组，最主要的断裂为NE向的黄梅断裂(图1)。

图1 区域构造纲要图Fig.1 Outline of map regional structure1.倒转向斜；2.倒转背斜；3.正常背斜；4.正断层；5.逆断层；6.实测性质不明断层；7.推测性质不明断层；8.水系。

2 地质灾害发育特征

黄梅县共发现地质灾害点90处，其中滑坡9处、不稳定斜坡50处、崩塌29处、地面塌陷1处、泥石流1处(图2)。区内地质灾害类型主要以不稳定斜坡为主，占地质灾害点总数的55.56%；其次为崩塌，占比

图2 黄梅县地质灾害点分布示意图Fig.2 Distribution map of geological disasters points in Huangmei County1.崩塌；2.滑坡；3.泥石流；4.不稳定斜坡；5.地面塌陷。

32.22%；再次为滑坡，占比10%，而塌陷和泥石流甚少。

野外调查发现，区内地质灾害主要发生在花岗岩地区，明显受岩性影响。滑坡总体不太发育，主要因人工切坡形成，类型属岩质滑坡，规模为小型，其平面形态呈舌形，剖面形态呈阶梯形。不稳定斜坡岩体中裂隙较发育，风化程度高，其结构较破碎，雨水冲刷侵蚀作用使得风化花岗岩表面形成宽度和深度不一的冲刷沟槽，在人工切坡及降雨等作用下，最终导致坡体失稳。崩塌为岩质型，其剖面形态总体呈凹形或上陡下缓的阶梯形，其形成机理分别为滑移、拉裂及错断，主要因人工边坡开挖形成较高的临空面，导致岩体在重力作用下外倾、拉裂并逐渐脱离母岩。地面塌陷发育1处，塌陷区总体坡度约25°，两侧斜坡坡度为25°～45°，该地段汇水面积较大，土体结构松散，岩体裂隙较发育，降雨入渗造成了塌陷的发生。泥石流灾害也发育1处，规模为小型，泥石流形成区呈瓢状，流通区较顺直，横断面呈“U”形，其所处地段三面环山，两侧斜坡坡度为30°～50°，树枝状冲沟相对较发育。

3 评价方法与评价因子

3.1 研究思路

控制地质灾害形成的因素很多，包括内动力地质作用、外动力地质作用，同时还受到人类工程活动的影响，因此地质灾害的区划是一个复杂的多元系统[1]。目前地质灾害区划方法主要分为定性分析和定量评价两种[2]。本次黄梅县地质灾害易发区的划分采用定性和定量相结合的方法，即加权信息量法[3]。具体思路如下：

(1) 利用野外调查成果，分析研究诱发黄梅县地质灾害的主要因素，确定地质灾害易发分区的评价因子，构建地质灾害易发分区判断矩阵；采用专家打分法将每个评价因子相互影响范围分为3级，并对各个评价因子分别加权。

(2) 利用层次分析法，计算各判断矩阵的最大特征根、特征向量和相对权重，并进行一致性演算，将3级评价因子归一化计算出各评价因子的权重(Wi)。

(3)将黄梅县进行30 m×30 m的单元剖分[4]，共分为1 892 735个单元；利用ArcGIS栅格数据，运用信息量法计算各评价因子对地质灾害发生提供的信息量指数(I(y,Xi))。

(1)

式中：S为研究区单元总数；Si为研究区含有评价因子Xi的单元总数；N为研究区含有地质灾害的单元数；Ni为研究区同时含有地质灾害和评价因子Xi的单元数。

与此同时，部分欧盟成员国纷纷开始制定相应的法规、禁令以回应公众对于塑料微珠对海洋，其他水生生态体系的危害以及对人类作为生物链一环的潜在影响的担忧。

(4) 将信息量法求出的评价因子各子类的信息量值与层次分析法计算出的各评价因子的权重叠加得到地质灾害易发性评价值(I)，采用自然间断点法并进行人工修正得到最终的黄梅县地质灾害易发性分区图。

(2)

式中：Wi为用层次分析法计算出的评价因子所占权重；I(y，Xi)为评价因子的信息量指数。

(5) 根据各区域评价值(I)的高低，对黄梅县地质灾害进行易发性分区。

3.2 评价因子的选取

本次研究充分利用野外调查成果，从基础因素和诱发因素两个方面进行地质灾害易发性评价。基础因素一般为坡度、高程、工程地质岩组、构造、河流等，诱发因素一般为地震、降雨、交通、人类工程活动等。充分考虑黄梅县自然地理特征、资料的可获得性、研究范围大小及研究精度等要求，在保证评价有效性的前提下，选取坡度、高程、工程地质岩组、构造、降雨、人类工程活动6个指标，作为地质灾害易发性分区评价的评价因子(图3)。

图3 地质灾害易发性评价指标体系Fig.3 Evaluation index system of geological disasters susceptibility

3.3 评价因子分析

3.3.1坡度

坡度不仅对地表水的径流、地下水的补给和排泄、植被覆盖率起决定性作用，还影响地质灾害的应力分布。通常来说，斜坡变形需具备良好的临空面条件，而坡度差异可导致临空面条件各不相同，形成的地质灾害类型也不尽相同[5]。区内坡度>60°的陡崖地带多形成崩塌，坡度25°～40°的陡坡地带通常形成滑坡。区内坡度>60°的地段发育地质灾害33处，坡度40°～60°的地段发育39处，坡度25°～40°的地段发育16处，而坡度≤25°的地段仅发育2处，因此坡度是地质灾害稳定性的重要控制因素之一。本次研究结合等高线数据，采用ArcGIS表面分析功能获得地形坡度，进而分析地质灾害点坡度与地形相互影响的原因。综合考虑黄梅县地质灾害分布情况，将坡度划分为5个级别，即≤8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、>35°(图4-a)。

3.3.2高程

3.3.3工程地质岩组

地层条件是产生地质灾害的物质基础，其不但影响地质灾害失稳，还决定岩土体强度、应力分布、变形破坏等特征[5]。区内地层可分为5大类工程地质岩组，其中第四系松散岩(土)类整体较松散；层状碎屑岩类主要分布于研究区北部，多为较坚硬岩石；层状碳酸盐岩类主要分布于研究区中东部，其岩石多为坚硬状，力学性质整体较好；片状—片麻状变质岩类岩土性质在不同区域差异明显，在研究区东北部多为较软岩石；块状岩浆岩类多分布研究区北部，其岩土性质多为坚硬块状岩石。统计结果表明，区内块状岩浆岩类中地质灾害最为发育，共有58处，占地质灾害点总数的64.44%；其次为松散岩(土)类，共有21处，占地质灾害点总数的23.33%；再次为层状碎屑岩类，共发育6处，占地质灾害点总数的6.67%；层状碳酸盐岩类中发育4处，片状—片麻状变质岩类中仅发育1处，两岩类中合计发育5处，仅占地质灾害点总数的5.55%。因此复杂的工程地质岩组同样是地质灾害稳定性的控制因素之一。本次研究将工程地质岩组归并为4个岩组，即坚硬岩、较坚硬岩、较软岩、土体(图4-c)。

3.3.4构造

断裂对滑坡的影响主要是断层带及其附近一定范围内的岩土体结构遭到破坏，降低了斜坡的完整性，同时作为重要的地下水通道，对斜坡的变形和破坏带来不利影响。褶皱引起大范围的岩层产状发生变化，而且在褶皱轴迹附近，强烈的构造挤压同样破坏了岩体的完整性。可根据断裂或褶皱轴迹的延伸性、规模、类型等地质特征来确定其对地质灾害的影响范围[5]。据统计，距离断裂2 km范围内的面积合计约370.56 km2，共发育地质灾害63处，占地质灾害点总数的70%，其中发育于秦岭褶皱系的有44处，发育于扬子准地台的有19处；超出断裂2 km范围的地质灾害有27处。因此构造是影响地质灾害稳定性的重要因素之一。本次研究在构造带两侧设置缓冲区，分为≤500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m、1 500～2 000 m、>2 000 m等5个区域(图4-d)。

3.3.5降雨

黄梅县雨季为5—8月，总降雨量为706.96 mm，占全年降水量的51.63%。据统计，5—8月共发生地质灾害62处，占地质灾害点总数的68.89%。因此降雨是导致地质灾害发生的重要诱发因素之一，并且降雨与崩滑流等地质灾害的发生存在正相关关系。调查区降雨多集中在夏季，总体呈南西—北东逐渐减少的趋势。本次研究大致以年平均降雨量≤1 200 mm、1 200～1 250 mm、1 250～1 300 mm、>1 300 mm为区间分为4个区域(图4-e)。

图4 黄梅县地质灾害与评价因子相互影响图Fig.4 Interaction between geological disasters and evaluation factors in Huangmei Countya.坡度；b.高程；c.工程地质岩组；d.构造；e.降雨；f.人类工程活动。

3.3.6人类工程活动

农林牧业活动、城镇与农村建设、水利工程建设、道路工程建设和矿产资源开发等人类工程活动是造成地质灾害发生的直接诱因和驱动力。据调查，区内有75处地质灾害与人类工程活动存在不同程度的关系，占地质灾害点总数的83.33%，其中公路建设形成的不稳定斜坡、崩塌及滑坡有43处，占地质灾害点总数的47.78%；矿山开采形成的不稳定斜坡、崩塌、泥石流及地面塌陷有18处，占地质灾害点总数的20.00%；建房切坡形成的不稳定斜坡及滑坡有13处，占地质灾害点总数的14.44%；另外，水利建设形成不稳定斜坡1处。因此人类工程活动是影响地质灾害稳定性的控制因素之一。将人类工程活动这一要素按活动剧烈程度进行量化，采用自然断点分级法分为强、中、弱3类(图4-f)。

3.4 评价因子信息量与权重

对选取的坡度、高程、工程地质岩组、构造、降雨、人类工程活动这6个评价因子，采用ArcGIS软件和信息量法，计算出各因子信息量和权重(表1)。由表1可知，坡度15°～25°、高程>500 m、较坚硬岩、距构造带≤500 m、年平均降雨量1 200～1 250 mm、人类工程活动强烈分别占据各自评价因子的最大权重，在这些条件下地质灾害更为发育。

表1 评价因子信息量表Table 1 Information table of evaluation factors

4 地质灾害易发性评价

使用GIS空间分析栅格重分类工具，采用自然断点分级法，找出三个突变点作为分区界线，将黄梅县地质灾害易发性分区分为高易发区、中易发区、低易发区、不易发区4类(图5)；并根据地质灾害的特点，进一步将上述分区分为3个亚区、7个亚区、2个亚区和1个亚区，另外水系作为独立单元不参与评价(图6，表2)。

图5 ArcGIS叠加分析的黄梅县地质灾害易发性分区图Fig.5 The susceptibility division map of geological disasters inHuangmei County based on ArcGIS overlay analysis

图6 黄梅县地质灾害易发性分区拟合图Fig.6 The susceptibility division map of geological disastersin Huangmei County1.地质灾害高易发区及编号；2.地质灾害中易发区及编号；3.地质灾害低易发区及编号；4.地质灾害不易发区及编号；5.崩塌；6.滑坡；7.泥石流；8.不稳定斜坡；9.地面塌陷。

表2 黄梅县地质灾害易发性分区表Table 2 The susceptibility division table of geological disasters in Huangmei County

由表2可知，黄梅县地质灾害高易发区面积为101.29 km2，包含3个亚区(Ⅰ1-Ⅰ3)，占县域面积的5.95%；区内发育地质灾害点51处，占地质灾害点总数的56.67%，点密度为50.35处/100 km2。地质灾害中易发区面积为149.77 km2，包含7个亚区(Ⅱ1-Ⅱ7)，占县域面积的8.80%；区内发育地质灾害点34处，占总数的37.78%，点密度为22.70处/100 km2。地质灾害低易发区面积为75.85 km2，占县域面积的4.46%，包含2个亚区(Ⅲ1、Ⅲ2)；区内发育地质灾害点5处，占总数的5.56%，点密度为6.59处/100 km2。

地质灾害不易发区面积为1 197.61 km2，占县域面积的70.41%，区内未见地质灾害发育。

5 结论

(1) 以黄梅县为研究对象，选取坡度、高程、工程地质岩组、构造、降雨、人类工程活动等6个评价因子，采用GIS信息量模型法，开展县城地质灾害易发性分区评价。将黄梅县按地质灾害易发性划分为高易发区、中易发区、低易发区、不易发区4类，面积分别为101.29 km2、149.77 km2、75.85 km2、1 197.61 km2，分别占县域面积的5.95%、8.80%、4.46%、70.41%；另外水体面积为176.49 km2，占县域面积的10.38%，但不作评价。

(2) 通过各因子信息量分析发现，地质灾害在地形坡度15°～25°、高程>500 m、较坚硬工程岩组、距构造带≤500 m、年平均降雨量1 200～1 250 mm、人类工程活动强烈的区域内最为发育。建议在地质灾害易发区做好群防群测、实时监测和工程治理等工作。