长江上游磨刀溪流域地质灾害易发性分区评价

徐锦宏，翁茂芝，胡元平，王宁涛

(1.湖北省地质灾害防治中心，湖北 武汉 430034；2.湖北省地质调查院，湖北 武汉 430034；3.中国地质调查局 武汉地质调查中心，湖北 武汉 430205)

三峡地区(库区)是中国地质灾害最高发的地区之一，近年来随着移民安置、重大工程建设等基本完成，该区开始进入乡村振兴和城镇建设快速发展期，地质环境问题日益突出，亟需开展地质灾害评估工作[1-4]。地质灾害易发性评价是地质灾害评估的主要内容之一，其技术方法体系已经较为成熟，研究重点是地质灾害发生的条件和地质灾害易发性评价模型[5]。地质灾害发生的条件分为内因和外因，其中内因主要指地质灾害发生地段的地形地貌、地层岩性、地质构造等工程地质条件，是地质体的基本属性[6-8]；外因主要指地质灾害发生地段的气象水文、人类工程活动、新构造运动与地震等工程动力地质作用，是地质灾害发生的重要诱因[9-11]。地质灾害易发性评价模型(方法)很多，被广大学者采用的主要有信息量法[12-13]、加权信息量法[14-15]、层次分析法[16-17]、组合赋权法[18]、神经网络法[19]等。基于信息量法的地质灾害易发性评价过程一般为：在调查研究区工程地质条件和工程动力地质作用基础上，提取地质灾害主要影响因素，将研究区在某单一因素作用下发生地质灾害的可能性进行定量化，并以此类推，直至实现所有主要影响因素的贡献量化，然后将不同影响因素的贡献进行叠加，获得研究区地质灾害发生可能性的总定量化结果。

磨刀溪流域地处三峡地区，是长江上游重要的一级支流流域，该流域内共发育各类地质灾害605处，其中滑坡(含隐患点)469处、崩塌(含隐患点)130处、泥石流(含隐患点)6处，分别占地质灾害总数的77.5%、21.5%、1.0%；中—小型规模的地质灾害占比约90%，表明该区主要发育中—小型滑坡、崩塌地质灾害。本次以磨刀溪流域为研究区，在分析区内滑坡和崩塌的发育特征及形成规律基础上，选取地形地貌、地质、人类工程活动3个方面的10个评价因子，采用信息量法进行地质灾害易发性分区评价，可为流域地质灾害的风险评价及防灾减灾工作提供重要依据。

1 研究区概况

磨刀溪是长江一级支流，河长183 km，其流域地跨重庆市云阳县、万州区、石柱县和湖北省恩施州利川市(图1)，地理坐标：东经108°15′～109°05′，北纬30°07′～30°56′，面积3 104.63 km2。研究区位于中国地理上第一阶梯向第二阶梯过渡带，山脉总体走向NE，地势整体为东南高西北低，为中低山峡谷地貌(高程为135～1 923 m)。磨刀溪主要受方斗山和齐岳山夹持，由西南向东北汇入长江右岸，自然落差约1 100 m，河谷多呈“V”形和“U”形，其径流主要来源于降水补给，径流的年内、年际变化与降水一致。该区发育典型的亚热带湿润性季风气候，多年平均降雨量为1 100～1 400 mm。

图1 研究区地理位置图

研究区主要发育中生代沉积岩，从下三叠统大冶组(T1d)至上侏罗统蓬莱镇组(J3p)连续出露，第四系(Q)主要沿河谷、冲沟零星分布。下三叠统嘉陵江组(T1j)、上侏罗统遂宁组(J3s)—蓬莱镇组(J3p)往往分别构成背斜、向斜的核部地层，一般出露不全。区内构造十分发育，褶皱主要有万县复向斜、方斗山背斜、赶场向斜、龙驹坝背斜，断裂主要有方斗山背斜伴生的外坝逆断层、自生桥逆断层、茨竹垭正断层、走马岭平移断层、楠木桠—大垭口逆断层和齐岳山背斜伴生的马落池逆冲断层和中槽断层。

2 地质灾害发育特征

2.1 地形地貌对地质灾害的影响

坡度直接影响斜坡表面残坡积物的厚度、物质的稳定性和水动力条件，从而影响地质灾害发生的强度和规模[20]。研究区地质灾害受坡度控制的发育强度排序为：险坡(坡度>45°)>急坡(坡度40°～45°)>斜坡(坡度15°～25°)>陡坡(坡度25°～35°)>急陡坡(坡度35°～40°)>缓坡(坡度5°～15°)>平坦坡(坡度0°～5°)。区内坡度>40°的急坡和险坡多发育崩塌和崩塌衍生滑坡，坡度为15°～25°的斜坡多发育滑坡，而缓坡和平坦坡较少发育地质灾害。

坡向是斜坡地形的重要指标，对地质灾害的影响主要表现在不同坡向的坡体产生的小气候与水热比存在差异性，进而影响坡体上的植被覆盖率与水体蒸腾强度[20]。地质灾害在不同坡向的发育强度排序为：300°～360°>110°～180°>0°～50°>180°～250°>50°～110°>250°～300°，这与磨刀溪流域斜坡结构类型密切相关。

地质灾害的发育与其分布高程密切相关。一方面，流域范围内河流下切形成的阶地分布于相对统一的高程范围内，在河流对阶地的侵蚀和冲洪积等作用下，其斜坡坡度和地表堆积物厚度存在一定的分带性，从而使得滑坡的发育与高程相关。另一方面，不同的高程范围人类工程活动强度不同，使得不同高程的临空面条件具有差异性，因而高程是滑坡孕灾环境的重要因子。统计发现，研究区内滑坡主要集中在550～1 000 m高程范围，其次为150～550 m高程范围；崩塌主要集中在850～1 000 m高程范围，其次为350～850 m和1 000～1 300 m高程范围。

斜坡结构反映了地层倾向与坡向的交切关系，决定了滑坡的空间形态，影响了地质灾害所处的地质环境和应力环境[21]。本文统计了不同斜坡结构下地质灾害的发育情况(图2)，发现地质灾害发育数量由多到少分别为：水平层状斜坡>横向斜坡>斜逆向斜坡>斜顺向斜坡>顺向伏倾斜坡>逆向斜坡>顺向等倾斜坡>顺向飘倾斜坡，发育强度由高到低分别为：顺向伏倾斜坡>斜逆向斜坡>顺向等倾斜坡>水平层状斜坡>斜顺向斜坡>逆向斜坡>横向斜坡>顺向飘倾斜坡，表明顺向伏倾斜坡、斜逆向斜坡、顺向等倾斜坡更有利于地质灾害的发育。

图2 地质灾害与斜坡结构关系图

河流侵蚀加深加宽河床是崩滑体形成和复活的重要外动力因素之一，因此水系发育情况影响了地质灾害的发育程度。研究认为，距离水系越近，地质灾害发生的概率就越高[22]，因此地质灾害往往沿水系分布的特征较明显。根据三峡地区研究资料，该区新构造运动主要表现为大面积的间歇性隆升，地壳抬升阶段，河流下切，谷坡增高变陡；地壳抬升相对停顿阶段，河流侧蚀作用加强，谷坡后退，形成阶地，在此期间往往伴随发育大量滑坡、崩塌等地质灾害[23]。研究区内较早(时间记录不详)形成的大型滑坡基本上位于原河谷强烈侵蚀下切阶段的枯、洪水位变动带内。一般认为支流、支沟的发育要晚于干流，其侵蚀作用更加强烈(例如龙驹河落差约800 m)，发生地质灾害的可能性也更大，因此磨刀溪流域的主要支流，尤其是龙驹河、建南河、苏马河、泥溪河两岸的地质灾害发育密度较大(图3)。同时，磨刀溪下游龙角—河口段因受三峡库区水位变动影响，地质灾害也较为密集。

图3 地质灾害与水系分布图

2.2 地质条件对地质灾害的影响

研究区地质灾害主要分布于中侏罗统上沙溪庙组(J2s)、第四系松散堆积层中，数量均超过100处，而其他地层分布区发育的地质灾害均在50处以下(图4)。在地质灾害发育强度上，第四系松散堆积层、下—中侏罗统自流井组(J1-2z)最有利于地质灾害发育。因此第四系松散堆积层、中侏罗统上沙溪庙组、下—中侏罗统自流井组是地质灾害重点调查对象。

图4 地质灾害与地层关系图

新构造运动控制了地形地貌、局部气候及生态环境的演化，也直接或间接控制着地质灾害的发育[24]。研究区构造线总体呈NE向，主要发育一系列由向斜、背斜相间排列所构成的隔挡式褶皱，这些褶皱在新生代形成，属于新构造运动产物。研究区内向斜核部宽缓开阔，地层平缓，但其两翼与背斜交接部位的地层产状往往发生突变，由5°～10°突变为80°左右甚至倒转，并伴随发育次级层间挠曲或揉皱。受这些次级构造影响，向斜与背斜交接带的岩体中节理发育、结构破碎，导致在这些构造交接带易于发生顺层滑坡等地质灾害，使得构造交接带的地质灾害密度较高(图5)。

图5 地质灾害与构造、交通线路分布图

2.3 人类工程活动对地质灾害的影响

研究区内居民多沿公路两侧居住，在修建公路及建房过程中不可避免地产生切坡，导致坡脚临空和卸荷裂隙发育，多引发小型崩塌等地质灾害。由于公路多沿着河岸分布，因此地质灾害沿河流、公路分布具重叠性。研究区内共发育崩塌130处，其中磨刀溪支流龙驹河段即发育崩塌89处，占崩塌总数的68.5%。著名的G318国道沿龙驹河河谷分布，该国道和沿线居民地的建设形成大规模的公路高切坡，导致此段崩塌密布，尤其是谋道—木鱼寨段，除了边坡高陡，还具有巨厚层状砂岩夹黏土岩组合，导致崩塌更加高发。

2.4 降雨对地质灾害的影响

降雨是地质灾害形成的主要诱因[6]。本次研究收集了研究区各县市近50年的降雨资料，考虑到地质灾害主要集中于磨刀溪中下游地区，因此以重庆市云阳县、万州区的降雨数据代表研究区降雨数据进行统计分析。将研究区近50年来有具体时间记录的地质灾害作月际数量变化曲线(图6)，对照多年月平均降雨量可知，研究区降雨量分布具正态分布特征，降雨主要集中在5—9月；地质灾害在6—8月高发，尤其是7月发生的地质灾害近140处，表明地质灾害发生的数量与降雨量呈正相关关系，其降雨型地质灾害的特征十分明显。综合研究表明，集中的短时强降雨是区内地质灾害的主要诱发因素。

图6 地质灾害与多年月平均降雨量关系图

3 地质灾害易发性分区评价

3.1 评价模型

信息量模型作为一种定量分析方法，可以直观反映研究区内致灾因子对形成地质灾害的敏感度和贡献率[25]。预测地质灾害产生与否与预测过程中信息的数量和质量有关，可以用信息量来衡量，即评价单元信息量值越大，地质灾害发生的可能性就越高。由于地质灾害的发生受多个致灾因子的影响，且不同的致灾因子具有不同的影响程度，因此需要计算出评价单元内各致灾因子的综合信息量值，其计算公式为：

(1)

Ii值的大小直接反映该评价单元产生地质灾害的可能性，是地质灾害易发性分区评价的重要性指标。当Ii>0时，表示评价因子i对预测地质灾害是有利的；当Ii<0时，表示评价因子i产生地质灾害；当Ii=0时，表示评价因子i不提供有关地质灾害发生与否的任何信息，即i可以被筛选，排除其作为评价因子。

在实际操作时，首先将各评价因子单独作一个图层，然后将其与地质灾害分布图在ArcGIS软件中作空间叠加分析，计算得到地质灾害在该评价因子中的信息量值；然后使用ArcGIS软件栅格计算功能，计算得到地质灾害评价单元内的综合信息量值，生成以信息量大小为衡量标准的地质灾害易发性分区图。

3.2 评价单元划分

目前应用较成熟的评价单元类型包括栅格单元和斜坡单元，前者易于处理各类评价因子的图层数据，多应用于较小比例尺条件下的易发性评价；后者将评价区划分为不同的斜坡单元，评价结果更符合斜坡体的自然发育状态，且可以采用确定性评价模型进行计算，多适用于大比例尺条件下的易发性评价。综合考虑认为，研究区基本地理图件的比例尺为1∶5万，等高线间距为20 m，因此采用10 m×10 m的栅格单元开展易发性评价更为合理。

3.3 评价因子选取与分级

研究区内地质灾害以滑坡和崩塌为主，其形成是内因与外因共同作用的结果，内因主要包括地形地貌条件(如坡度、坡向、高程、斜坡结构、水系等)、地质条件(如地层、构造等)等，外因主要包括人类工程活动(如公路、建房等)、降雨等。根据研究区地质灾害调查结果，在分析各因素对地质灾害发育特征及分布规律的基础上，选取坡度、坡向、高程、斜坡结构、一级水系、其他水系、地层岩性、地质构造、县乡公路、省道与国道10个评价因子来计算信息量。

根据研究区坡度、坡向、高程实际分布情况，采用自然断点法进行区间划分，其中坡度分为6个等级，分级区间(单位：(°))为[0，5]、(5，15]、(15，25]、(25，35]、(35，45]、(45，80](图7-a)；坡向分为6个等级，分级区间(单位：(°))为[0，50]、(50，110]、(110，180]、(180，250]、(250，300]、(300，360](图7-b)；高程分为10个等级，分级区间(单位：m)为[100，350]、(350，550]、(550，700]、(700，850]、(850，1 000]、(1 000，1 150]、(1 150，1 300]、(1 300，1 400]、(1 400，1 550]、(1 550，1 920](图7-c)。根据研究区斜坡的种类，将斜坡结构分为顺向斜坡(0°～30°)、斜顺向斜坡(30°～60°)、横向斜坡(60°～120°)、斜逆向斜坡(120°～150°)、逆向斜坡(150°～180°)和水平层状斜坡6类(图7-d)。根据地质灾害点距河流的远近关系，将距一级水系的距离分为4个等级，分级区间(单位：m)为[0，200]、(200，500]、(500，1 000]、(1 000，1 500](图7-e)；将距其他水系的距离分为3个等级，分级区间(单位：m)为[0，200]、(200，500]、(500，1 000](图7-f)，然后利用ArcGIS软件空间分析功能沿水系轴线生成相应的缓冲区。

主要参照1∶5万区域地质调查资料，以“组”为单位将地层划分为11个等级，即下三叠统大冶组(T1d)、嘉陵江组(T1j)，中三叠统巴东组(T2b)，上三叠统须家河组(T3xj)，下侏罗统珍珠冲组(J1z)，下—中侏罗统自流井组(J1-2z)，中侏罗统新田沟组(J2x)、下沙溪庙组(J2xs)、上沙溪庙组(J2s)，上侏罗统遂宁组(J3s)、蓬莱镇组(J3p)(图8-a)。由于1∶5万区域地质调查资料中未圈定第四系范围，因而本次评价时缺少第四系这一地层因素，略显不足。根据1∶5万区域地质调查资料，以NE向褶皱轴线为基准线，将距褶皱轴线的距离分为3个等级，分级区间(单位：m)为[0，200]、(200，400]、(400，800](图8-b)，同样在ArcGIS软件中生成相应的缓冲区。

提取研究区主要道路后，根据地质灾害点距道路的远近关系，将距县乡公路的距离分为5个等级，分级区间(单位：m)为[0，50]、(50，100]、(100，200]、(200，300]、(300，400](图9-a)；将距省道与国道的距离分为4个等级，分级区间(单位：m)为[0，50]、(50，100]、(100，200]、(200，300](图9-b)。

3.4 易发性分区评价

采用信息量模型，计算滑坡、崩塌在10个评价因子的各个等级下的信息量值，然后将各评价因子按信息量值进行栅格计算，将量化后的每个栅格单元在ArcGIS软件中进行空间信息叠加，得到研究区滑坡、崩塌每个栅格单元的总信息量值。研究区滑坡总信息量值范围为-6.5～7，将-2.2、-0.4、1.4作为滑坡易发性等级划分的总信息量界限值，即滑坡总信息量值[-6.5，-2.2]、(-2.2，-0.4]、(-0.4，1.4]、(1.4，7]分别对应滑坡不易发区、低易发区、中易发区和高易发区。同理，将-7、-1、3.5作为崩塌易发性等级划分的总信息量界限值，划分出4个崩塌易发性分区，即不易发区[-10，-7]、低易发区(-7，-1]、中易发区(-1，3.5]和高易发区(3.5，9.5]。在分别获得滑坡和崩塌的易发性分区结果后，采用矩阵法(表1)将两者进行叠加，得到研究区地质灾害易发性分区图(图10)。

表1 滑坡和崩塌易发性叠加计算矩阵

评价结果(表2)表明，研究区内地质灾害高易发区主要沿水系分布，面积为416.80 km2，占研究区总面积的13.43%，发育41.0%的地质灾害(248处)，并细分为6个亚区；中易发区分布于高易发区周围，面积为892.16 km2，占研究区总面积的28.74%，发育36.7%的地质灾害(222处)，并细分为7个亚区；低易发区分布于中易发区周围，面积为829.07 km2，占研究区总面积的26.70%，发育16.7%的地质灾害(101处)，并细分为4个亚区；不易发区主要分布于研究区东南部，面积为966.60 km2，占研究区总面积的31.13%，仅发育5.6%的地质灾害(34处)，并细分为3个亚区。

表2 地质灾害易发性分区结果

完成地质灾害易发性评价后，需要对评价结果的精度进行检验，可以采用成功率验证法[26]。如图11所示，横轴表示地质灾害易发性指数，纵轴表示地质灾害在易发性指数区间内的累计发生频率，成功率曲线下方的面积(AUC)则表征了模型评价结果的精度，AUC值越大，评价结果精度越高。计算得出AUC值为88.5%，表明本次评价结果精度较高。

图11 地质灾害易发性分区结果成功率曲线图

4 结论

(1)磨刀溪流域发育的地质灾害以滑坡、崩塌为主，其规模以中—小型为主。

(2)磨刀溪流域的地形地貌和地质条件控制了地质灾害的发育与分布，人类工程活动和降雨为地质灾害发生的主要诱因。

(3)选取坡度、坡向、高程、斜坡结构、一级水系、其他水系、地层、构造、县乡公路、省道及国道10个评价因子，采用信息量模型法分别开展滑坡、崩塌的易发性评价；然后采用叠加计算矩阵，综合计算得出磨刀溪流域的地质灾害易发性分区结果，评价结果精度较高(成功率为88.5%)。研究区地质灾害易发性分区分为高、中、低、不易发区4种类型，面积分别为416.80、892.16、829.07、966.60 km2，分别占研究区总面积的13.43%、28.74%、26.70%、31.13%。

(4)地质灾害高易发区沿主要水系分布，表明流域区的水系分布是地质灾害发生的关键控制条件。