伊犁河谷主要交通线路两侧工程扰动灾害易发性评价

魏涛，崔振东，尚彦军，3，乔华，贺强，赵磊磊

(1.中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049；3.新疆工程学院新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830023；4.新疆维吾尔自治区地质环境监测院，新疆 乌鲁木齐 830002；5.中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083)

随着我国西部地区经济与社会的快速发展，人类工程对地质环境的扰动日益加剧，导致滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频发，对地区发展与基础设施造成巨大破坏。因此，进行相应地质灾害易发性评价，为防灾减灾提供参考依据，对地区发展与工程建设具重要意义。

遥感技术（RS）与地理信息系统（GIS）在地质灾害评价中得到广泛应用。阮沈勇、王佳佳等采用信息量法模型[1-2]，结合GIS 技术，分别对三峡库区滑坡、崩滑地质灾害进行易发性区划；朱良峰、丛威青、Wang Xuedong 等基于GIS 平台[3-5]，建立了地质灾害易发性评价系统或模型；邢秋菊等以万州滑坡地质灾害为例[6]，采用逻辑回归分析法，进行滑坡危险性评价；许冲、刘丽娜等采用层次分析法[7-8]，应用GIS技术，对汶川地震区与芦山地震区滑坡按易发程度进行分区；Tirthankar Basu 等利用RS-GIS 技术[9]，选取16个地形与地质指标，绘制印度西孟加拉邦吉什河流域的滑坡易发性分区图；Wang Jingjing 等运用无人机遥感摄像技术[10]，采用加权系数法和信息模型法对四川省青川县地质灾害易发性进行评价；Chen Linfei 等采用证据权重模型和聚类分析法[11]，评价三峡库区湖北段公路沿线潜在滑坡的易发性水平；祁生文等采用隶属度函数模型[12]，构建地形起伏度与距断裂距离的单极性S 形权重函数，绘制出青藏高原地区工程地质稳定性分区图。

伊犁河谷由于特殊地理位置与气候条件，导致冻融型地质灾害非常发育。全区发育有滑坡1 706处，主要类型为黄土滑坡（1 364处）[13]。众多专家学者对伊犁地区典型地质灾害（如加郎普特滑坡-泥石流灾害链[14-15]、皮里青河“3.24”黄土滑坡[16-17]、苏阿苏沟东岸黄土滑坡群等[18]）的成因及破坏机理等进行统计分析，并对伊犁部分地区地质灾害易发性进行了评价[19-21]。结果显示，区内地质灾害的发生大多受到一定程度的人类工程扰动影响，如水库蓄水、矿山开采、道路修建等。在各种工程活动中，交通线路因地理跨度大，跨越地形地貌单元多，沿线工程地质条件复杂，极易受地质灾害影响，造成巨大经济财产损失。

本文以伊犁河谷主要交通线路为研究对象，根据线路工程对地质环境的扰动主要沿纵向分布、横向扰动范围有限的特征，将交通线路两侧5 km范围内区域为研究区。在众多评价模型中，层次分析法使用较简便、精度较高。本文采用层次分析法，选取高程、坡度、坡向、地表起伏度、工程地质岩组、PGA（峰值地面加速度）、距断层距离、距道路距离、距河流距离等9个评价因子对伊犁河谷主要交通线路附近的工程扰动灾害易发性进行分析。

1 伊犁河谷概况

伊犁河谷位于新疆西部，行政区划包括伊宁市、伊宁县、尼勒克县、新源县、巩留县、特克斯县、昭苏县、察布查尔锡伯自治县、霍城县、奎屯市，总面积约5.64×104km2，地理坐标为80°10′～84°58′E，42°20′～44°49′N。由于奎屯市地形平坦，工程扰动灾害不发育，与伊犁主体地区不相连，不划入研究区内。区内主要交通线路有国道G217、G218、G30，省道S220、S237、S313、S315 及精伊霍铁路，地表水系主要有伊犁河、特克斯河、喀什河及其它支流（图1）。伊犁河是伊犁地区最长河流，自东向西横贯伊犁盆地，最终流入哈萨克斯坦，在我国境内全长约476 km，其它河流均为伊犁河支流[20]。

图1 伊犁河谷卫星影像Fig.1 Satellite image of the Ili Valley

伊犁河谷为东、南、北3 面高山环绕向西开口的喇叭形谷地，北部为NW 向科古琴山、博罗科努山、依连哈比尔尕山等北天山支脉，南部为NEE 向哈尔克他乌山、那拉提山等南天山支脉，中部自西向东分布着铁木里克山、乌孙山、阿吾拉勒山等山脉。3 条山系将伊犁河谷分割成喀什河谷地、伊犁-巩乃斯谷地与特克斯-昭苏盆地，地形地貌总体呈“三山两谷一盆地”（图2）。受该地形影响，来自北冰洋和大西洋的潮湿气流进入河谷后，遭三面环山的阻挡，使伊犁成为新疆降水最丰沛地区之一。区内年平均气温8.3℃左右，年平均降水量200～550 mm，年平均蒸发量约1 467.67 mm[20,22]。

伊犁河谷出露地层有中新元古界长城系特克斯群、长城—青白口系和蓟县—青白口系；古生界奥陶系至二叠系均有发育；中生界三叠、侏罗系及新生界古近、新近、第四系。区内大地构造属天山-兴安地槽褶皱区西南天山褶皱系西天山优地槽褶皱带，属北天山地震带，该褶皱带在研究区进一步划分为博罗科努复背斜、伊犁地块、哈克山复背斜3个四级构造单元。研究区处于强震活动带，对应的地震烈度为Ⅶ-Ⅷ度。新构造运动强烈，主要为大面积继承性升降运动和与之相伴生的断裂和褶皱活动。受构造运动影响，伊犁地区断裂活动较活跃（图2）[22-24]。

图2 伊犁河谷断层分布Fig.2 Fault distribution in Ili Valley

伊犁河谷是新疆地质灾害易发区和重灾区，据Google Earth卫星影像图，将交通线路修建后出现的地质灾害定性为工程扰动灾害。据第二次青藏科考遥感解译数据，在交通线路两侧5 km范围研究区内共解译出工程扰动灾害179 处，其中滑坡、崩塌158处，泥石流21 处。崩塌、滑坡主要集中在高山峡谷区，地形坡度高陡，经线路工程扰动，使崩滑灾害易发；泥石流主要集中在区内G217 公路段，该区域海拔较高，冻融作用强烈。在雪山融水冲刷下，坡内碎屑物质积聚，导致泥石流灾害发育。灾害多发路段大多有断层通过，如霍城县东北部、昭苏县北部与东部、尼勒克县东部，其中尼勒克东部路段沿线与喀什河相交，促进了地质灾害的发育。

2 工程扰动灾害易发性评价

2.1 评价因子

地质灾害易发性评价主要考察地质体在所处地质环境中基础地质条件及相互组合的作用下，发生地质灾害的可能性[25]。本文在相关研究成果基础上，选取高程、坡度、坡向、地表起伏度、工程地质岩组、PGA、距断层距离、距道路距离、距河流距离等9个评价因子（图3），对伊犁河谷内主要交通线路两侧5 km范围内的工程扰动灾害的易发性进行评价。

高程和地表起伏度是描述地貌形态的基本指标，宏观上体现了内营力作用的相关性质与特征[26]。高程数据来源于地理空间数据云“ASTER GDEM 30M 分辨率数字高程数据”。高程因子对地质灾害发育通常无直接影响（图3-a），不同高程处气候、温度、降雨量、植被类型与覆盖率及人类活动具有差异性，间接影响着工程扰动灾害分布[26]。地表起伏度指在一定面积内最高点和最低点间的高差（图3-b），是地质灾害发育的重要影响因素。坡度与坡向利用ARCGIS 软件空间分析模块从数字高程数据中提取。坡度与地层岩性、气候条件、水文条件、构造活动等因素有关（图3-c），是地质灾害发生的重要控制性因素。坡向对地质灾害发育具一定影响（图3-d），通常阳坡（0～180°）较阴坡（180°～360°）日照时间长，风化侵蚀强烈，更易发生泥石流等地质灾害。工程地质岩组决定了岩土体的结构、强度、变形破坏特征（图3-e），对地质灾害发生具控制作用。松散岩组所在区域通常更利于地质灾害发育，为地质灾害发育提供了丰富的物源基础。岩组划分采用的地质图为“中吉乌塔哈天山1∶100 万地质图”与“中国新疆及中亚邻区1∶150 万地质矿产图”。PGA 指地震峰值地面加速度（图3-f），地震活跃程度高、峰值地面加速度大区域，地震伴生地质灾害通常极发育。PGA数据来源于“中国地震动参数区划图GB18306-2015”。距断层距离越近（图3-g），地层岩性越破碎，区域地质环境越不稳定，地质灾害越易发生。断层数据来源于国家地震活断层研究中心。距道路距离代表工程扰动的剧烈程度（图3-h），距离交通线路越远，地质环境所受扰动影响越小，地质体越稳定。距河流距离也是地质灾害的重要扰动因素（图3-i），地表水径流对边坡的冲刷侵蚀作用严重降低了边坡的稳定性。道路与水系数据来源于卫星影像解译。

利用ARCGIS软件将评价因子分级，并叠加灾害栅格进行赋值计算，得到各级因子与工程扰动灾害的关系（表1），其中FR为灾害发生频率比，指每一级指标下灾害面积占灾害总面积的比例与每一级指标面积占研究区总面积的比例之比，表示各级指标与灾害发生的相关性。由表1看出，高程、坡度、高差、距道路距离4个因子与工程扰动灾害的发生具较强相关性，高程越高、坡度越陡、高差越大、距道路越近，灾害发生比率越高。

表1 各因子分级及其与工程扰动灾害的关系Table 1 The classification of each factor and its relationship with engineering-disturbance disaster

2.2 层次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP），是由美国学者Thomas L.Saaty 于20 世纪70年代初提出的一种应用网络系统理论和多目标综合评价方法。通过将同一层次评价因子两两比较构建判断矩阵确定各因子权重系数，并通过一致性检验指标判断矩阵的一致性与合理性。判断矩阵的标度及含义见表2，平均随机一致性指标RI见表3。据表2构建上述9个评价因子判断矩阵，并计算其权重值（表4，图4）。

图4 各评价因子权重值Fig.4 Weight value of each evaluation factor

表2 判断矩阵的标度及含义Table 2 The scale and meaning of judgment matrix

表3 平均随机一致性指标RITable 3 The average random consistency index RI

表4 判断矩阵及各因子权重Table 4 Judgment matrix and weight of each factor

判断矩阵最大特征根lmax=9.443 6，因评价因子个数n=9，由表3 得出对应平均随机一致性指标RI=1.46，一致性指标CI=(lmax-n)/(n-1)=0.055 45。由此，一致性比例CR=CI/RI=0.038 0＜0.1，表明判断矩阵满足一致性要求。计算表明，坡度对地质灾害影响程度最高，地表起伏度、工程地质岩组、PGA、距断层距离、距河流距离、距道路距离、高程、坡向影响程度依次下降。

2.3 易发性评价

将上述评价因子不同级别计算得到的FR值与各因子权重值进行线性叠加，得到灾害易发性指数：

式中：SI——灾害易发性指数；

Wj——第j个评价因子权重；

FRi——第j个评价因子中第i级灾害发生频率比。

灾害易发性指数越高，表明地质灾害越易发生。ARCGIS软件中将各评价因子进行加权叠加，构建研究区内滑坡易发性评价栅格图。利用自然断点法将易发性程度分为极高、高、中、低、极低5 类，得到地质灾害易发性分区图（图5）。由图5看出，高与极高易发区主要集中在山谷丘陵地带，地形平坦区域多为极低易发区。新源至巩留段公路北侧与尼勒克县东部路段扰动灾害易发性较高。由图1，2 看出，该路段沿线发育有WE 向断层，并有河流并行，有利于扰动灾害的发生。昭苏县西南侧发育大面积高易发性分区，由图3-（f）可知，该区域PGA 值为0.4 g，受地震影响极大，易发生扰动灾害。工程扰动灾害易发性分区统计见表5。易发性程度越高，扰动灾害面密度越大，符合灾害分布规律。高与极高易发区面积占比15%，有67%的灾害分布于这两个区域，评价结果较合理。

表5 易发性分区统计Table 5 Susceptibility partition statistics

图5 易发性分区Fig.5 Partition of susceptibility

3 评价结果检验

以预测工程扰动灾害面积百分比累加与实际扰动灾害面积百分比累加关系构建ROC曲线（受试者工作特征曲线），利用曲线下面积百分比（AUC）可定量评价结果的准确性（图6）。结果显示，AUC 值为87.82%，表明研究区工程扰动灾害易发性评价结果准确性良好。

图6 ROC曲线Fig.6 The ROC curve

4 结论

（1）伊犁河谷主要交通线路沿线解译出工程扰动灾害179 处，多分布于地形高差起伏较大的山地丘陵区。扰动灾害多发路段通常被断层切割，导致岩性破碎，局部冻融作用强烈，有利于灾害发生。部分路段沿线与断层或水系并行，易造成工程扰动灾害发育。

（2）本文主要研究伊犁河谷主要交通线路两侧工程扰动灾害的易发性评价。采用层次分析法，对9个评价因子进行加权比较，认为坡度对研究区内工程扰动灾害影响程度最大，地表起伏度、工程地质岩组、PGA、距断层距离、距河流距离、距道路距离、高程、坡向影响依次减小。基于ARCGIS软件，将研究区分为极高、高、中、低、极低5 个易发性分区，分区情况与解译的工程扰动灾害分布规律相符。统计结果显示，67%的灾害分布于高与极高易发区内（约占总面积的15%），ROC 曲线下面积百分比为87.82%，表明研究区易发性分区结果较合理，准确性良好。