基于GIS的龙羊峡水电站库区滑坡易发性评价

李 建 王文彪

（华北水利水电大学，河南 郑州 450000）

0 引言

地质灾害易发性是指灾害体在多种致灾因子作用下发生的可能性大小［1］，国外相关研究起步较早：Guptar等［2］在拉姆根加河流域内进行地质灾害易发性评价，Gomez等［3］采用人工神经网络技术开展委内瑞拉贾博诺萨河盆地内的滑坡易发性评价。国内相关研究起步稍晚：王小东等［4］选取高程、坡度、坡向、距断层距离、岩层倾向与坡向的关系和距水系距离等6个评价因子运用层次分析法对白龙江引水工程水源区地质灾害进行易发性评价。焦伟之等［5］选取坡高、坡向、坡度、工程岩组、构造、河流、道路等7个评价因子建立了研究区地质灾害易发性评价指标。温鑫等［6］选取了高程、坡度、岩性、斜坡结构、植被指数、距断层距离、距道路距离等7个因子采用信息量模型对川东南古蔺县进行地质灾害易发性评价。李萍等［7］从地质环境、地理环境、人类工程活动3个因素出发，选取了研究区灾害密切相关的14个因子构建了永德县地质灾害易发性评价模型，并采用层次分析法计算了各个因子的权重后对永德县地质灾害进行了易发性评价。

本研究以龙羊峡水库为研究区，基于前人的研究成果、现场调查结果及遥感解译成果，综合分析了研究区的滑坡发育特征，运用GIS和层次分析法，选取地层岩性、高程、坡度、坡向、植被覆盖度、降雨、水位涨幅等7个评价因子对研究区滑坡地质灾害进行了易发性评价。为研究区滑坡的预测预报、防灾减灾等提供重要参考价值。

1 研究区概况

龙羊峡水电站位于青海省共和县与贵南县交界处龙羊峡峡谷进口下游约1.5 km处，水库正常蓄水位2 600 m，库容约247亿m3，为黄河上游第一梯级电站，也是最大的高原水库［8］。研究区位于青海省共和盆地东部边缘，是我国青藏高原东北部一个新生代断陷盆地，盆地内部则为近水平产状的挽近沉积层，构造简单。研究区内出露地层主要为第四系河湖相松散堆积物，主要是由灰、黄、红色黏土、砂壤土、壤土、砂土组成，厚度达500～600 m（未见底）。研究区属于半干旱性气候，以干寒风、冰冻期长、气温变幅大、降雨量少、蒸发量大为特点，年平均降雨量271 mm，年平均蒸发量2 030 mm。地下水主要依靠大气降雨和融雪渗入补给，向黄河及支沟排泄。据兰州地震大队资料，自1900年有地震记载以来，盆地及邻近地区未发生过强震［9］。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本研究中的基本数据（降雨、植被覆盖度）通过中国科学院资源环境科学与数据中心直接获取；地层岩性根据1∶10万地质图提取；地形坡度、坡向指标通过研究区域内的DEM高程数据（空间分辨率为30 m），水位涨幅数据来源于黄河水利委员会实时监测的水位数据。

2.2 研究方法

层次分析法在1971年由Saaty提出，是一种多层次权重的决策分析方法。该方法将实际问题按逻辑性分解为多层次，并比较不同层次中各因素之间的关联程度，最终求得最底层（指标层）相对于最高层（目标层）的权重。运用层次分析法分析建模时，一般分为以下几个步骤：①建立层次结构模型；②构造判断矩阵；③计算因子权重并作一致性检验［10］。

3 评价指标体系的构建

3.1 评价因子的选取

滑坡地质灾害的发生往往受多个因素的影响，可大致归为两大类，内部因素和诱发因素，选择评价因子要具有代表性、全面且利于表达。研究区呈串珠状分布的断陷盆地与环抱山地地形的组合，此段河床变窄，冲刷、下切强，沟谷纵横，切割密度大，由于新构造运动的差异性，导致区域内河谷呈极不对称的形态，北岸抬升高于南岸，这使北岸形成缓坡阶地，南岸形成高陡边坡；地层岩性主要以第三系和第四系的湖湘地层为主，这套地层具有似岩非岩，似土非土的半成岩特征，强度低［11］。根据现场调查研究区内的植被生长情况不同，北岸较南岸覆盖程度高；且自龙羊峡水库投入运营后，库水位呈周期性涨幅。因此，基于研究区特殊地质环境条件，选取了高程、坡向、坡度、地层岩性、降雨、植被覆盖度、水位涨幅，共7个致灾因子构建滑坡灾害易发性评价指标体系。

通过各评价因子之间进行两两对比，构造了判断矩阵算得因子权重并做了一致性检验，见表1；若CR＜0.1则一致性较好。并结合众多学者对评价因子的量化分级方法，对研究区7个评价因子进行量化分级，各因子的所占的权重与分级标准见表2。

表1 构造判断矩阵

表2 因子的权重及分级

3.2 评价指标的分析

3.2.1 高程。不同高程范围斜坡的临空条件不同、河流切割程度不同及人类活动强度的不同，这些因素导致滑坡灾害在某一高程内集中发育，如图1所示。从30 m分辨率的DEM数据中提取高程数据，高程范围为2 456～3 594 m，龙羊峡水库近坝岸地质灾害主要分布在高程带为2 600 m～2 800 m的区域内，因为该高程带受库水位周期性波动影响大，其他依次递减。

图1 高程分布

3.2.2 坡度。坡度是滑坡灾害的重要影响因素。坡度可以反映坡体否具备临空面，坡度越大，斜坡稳定性越低，另一方面，坡度可以影响地表水径流、地下水的排泄补给等，对边坡稳定性产生影响。因此坡度大于40°时被定位4级，其他随着坡度降低依次递减。采用30 m分辨率的DEM数据提取坡度数据，如图2所示。

图2 坡度分布

3.2.3 坡向。坡向是指斜坡的朝向，由于太阳的辐射导致不同朝向坡体，其承受太阳光照强度不同，导致岩土体的物理力学性质不同，以及坡体内的地下水分布情况也不一样，日照时间短，岩土体风化程度低，边坡稳定性越强。由于研究区位于北半球，南向坡为阳坡，日照时间长、太阳辐射强、昼夜温差大、风化程度高，因此坡向为67.5°~202.5°被定义为4级，其他依次递减。基于30 m的DEM提取坡向因子，并划分为337.5°~22.5°、22.5°~67.5°、67.5°~112.5°、112.5°~157.5°、157.5°~202.5°、202.5°~247.5°、247.5°~292.5°、292.5°~337.5°八个坡向，如图3所示。

图3 坡向分布

3.2.4 地层岩性。地层岩性是滑坡灾害发育的重要影响因素。不同的岩性其岩石风化残积物的强度和渗透性不同，一般来说，岩性软弱，结构不完整，裂隙极度发育时，斜坡稳定性较低，容易发生滑坡地质灾害。结合现场实际调查情况并根据1∶10万地质图提取出研究区地层岩性特征，如图4所示。由于半成岩似岩非岩的特性，强度较低，因此被定为4级；花岗岩强度最高被定为1级；碎屑岩、泥质岩被定为3级；火山岩、火山碎屑岩被定为2级。

图4 地层岩性分布

3.2.5 降雨。降雨是滑坡地质灾害发生的诱发因素，当发生强降雨时，雨水入渗到岩土体内使其软化，导致其强度变低，诱发滑坡灾害的发生。通过收集气象资料并根据气象站站点插值得到了研究区的降雨图，如图5所示。以年平均降雨量作为指标，定性地描述降雨对滑坡灾害发生的影响，降雨量越大，越易发生滑坡地质灾害，因此把年平均降雨量超过340 mm定位4级，其他依次减小。

图5 降雨分布

3.2.6 植被覆盖度。植被的发育对滑坡地质灾害发生有着重要的影响因素，往往植被发育的地方，不易发生滑坡，植被指标通过植被覆盖度来量化，由于植物叶面能吸收可见光红外波段而反射近红外波段，因此可以基于两个波段值的不同组合得到不同的植被指数，植被覆盖度越低越易发生滑坡地质灾害，因此把低覆盖度定义为4级，其他依次递减。选取标准化差植被指数NDVI作为分析指标，计算结果如图6所示。

图6 植被覆盖度

3.2.7 水位涨幅。据（黄河水利委员会）实时监测得水库水位信息，水库正常运行后库水位呈周期性波动，每年1月—6月库水位由2 600 m下降至2 590 m，6月—1月由2 590 m上升至2 600 m。根据水库的水位变化，每年库水位涨幅约10 m，其中，越靠近水库水坝水位涨幅的幅度越大，因此被定义为4级，并依次向后递减，如图7所示。

图7 水位涨幅

4 易发性评价结果及分析

基于ArcGIS平台，使用自然断点法，得出龙羊峡水电站库区滑坡进行易发性分区图，分为极低易发区、低易发区、中易发性和高易发性四个区，如图8所示。从图中可以得知，研究区高易发区面积有420.23 km2，占总面积的15.7%，中易发性区共有848.97 km2，占总面积的31.8%。低易发性区共有1 183 km²，占总面积的44.3%，极低易发性区共有214.91 km²，占总面积的8.2%。通过现场调查及遥感解译研究区滑坡基本信息与所属分区如表3所示，滑坡基本处于中高易发性分区中，这与易发性评价结果相吻合。

图8 地质灾害易发性分区

表3 滑坡基本信息

5 结论

①构建了龙羊峡水电站库区滑坡地质灾害易发性评价指标体系，并依据研究区滑坡灾害特征，选取了高程、坡度、坡向、地层岩性、降雨、植被覆盖度、水位涨幅7个因子作为滑坡灾害易发性评价的指标。

②基于ArcGIS平台得出易发性分区图，结果表明：高易发区占总面积的15.7%，中易发区占总面积的31.8%，低易发区占总面积的44.3%，极低易发区占总面积的8.2%。

③高易发区主要位于龙羊峡水库近坝岸右岸处；中易发性主要集中龙羊峡水库右岸的中上游处；低易发区主要分布在龙羊峡水库上游左岸处；极低易发区主要分布在龙羊峡库尾距水系较远处。