兰州市地质灾害易发性区划研究

刘维珩 贾鸿儒 谢爱萍

［关键词］地质灾害；易发性；信息量；确定性系数；兰州市

［摘要］兰州市是我国地质灾害最严重的地区之一，做好兰州市地质灾害易发性分级区划可为科学防治地质灾害提供数据支撑。随着信息技术的发展，地质灾害模型与GIS技术相结合的研究方法被广泛运用于地质灾害易发性区划研究。从地形地貌、地质结构、土地利用、水文降水等方面，选取坡度、海拔、土地利用类型、距河流距离、距地质断层距离等12个影响因子，采用信息量法和确定性系数法确定每个影响因子的得分值和权重值，采用加权综合评价法结合ArcGIS软件进行兰州市地质灾害易发性区划研究，并分析不同影响因子对兰州市地质灾害易发性的影响。结果表明：兰州市地质灾害极高易发区、高易发区、易发区3个分区总面积占兰州市总面积的50.70%，地质灾害对兰州市的影响较大；地质灾害极高易发区呈带状分布，主要分布于研究区南、北部河谷Ⅳ级阶地前缘及各沟谷台地前缘、黄土丘陵沟壑区。

［中圖分类号］X141；P642.2［文献标识码］A［文章编号］1000－0941（2023）03－0033－06我国自然地理条件比较复杂，是世界上遭受自然灾害数量和种类最多的国家之一，我国的地质灾害具有分布范围广泛、隐患多、排查与防治难度大等特点。兰州市地处我国西北部，位于黄河上游黄土丘陵沟壑区，地势起伏大，黄土峁梁交错，水土流失严重，是我国地质灾害最为严重的地区之一[1]。近年来，随着信息技术的发展，地质灾害模型与GIS技术相结合的研究方法得到了深入开发，并在研究地质灾害易发性方面得到了广泛应用，可以更直观地对区域地质灾害进行区块评价、风险性预测等。例如，戴福初等[2]首次提出了GIS技术与滑坡专业模型的集成；牛全福等[3]基于信息量模型，分析了玉树地震重灾区的滑坡危险性，得出的结果与实际滑坡发生情况吻合度较高。地质灾害易发性评价方法较多，比较常用的有频率比法、信息量法、Logistics回归法、确定性系数法、层次分析法、证据权法等，其中频率比法、信息量法、确定性系数法因其原理简单、适用性强等特点，故在区域地质灾害易发性评价中运用广泛且评价效果较好[4]。本研究基于地质结构、地形地貌、土壤侵蚀、水文降水、土地利用等方面提出地质灾害影响因子，采用信息量法和确定性系数法，结合GIS技术，对兰州市地质灾害易发性进行评价分级和区划研究，并分析不同影响因子对兰州市地质灾害易发性的影响，以期为兰州市科学防治地质灾害提供有力的数据支撑。

1区域概况

兰州市地处东经102°36′～104°35′、北纬35°34′～37°00′，下辖5个区、3个县，总面积约1.3万km2，是甘肃省省会和政治、经济、文化中心。兰州市地处黄土丘陵沟壑区，地势西南高、东北低，海拔1417～2918m，地形陡峭，地表植被稀少，水土流失严重。兰州市属温带大陆性季风气候区，干旱少雨，年均气温10.3℃，年均降水量327mm，降雨主要集中在6—9月。

兰州市地质条件复杂，属昆仑山—秦岭构造带，在多期构造旋回的作用下形成一系列北西走向的压扭性大断裂及复杂的次一级断裂，地质岩性主要为变质岩、砂岩、页岩、泥岩等。砂岩、泥岩易形成坡体中的软弱面，基岩岩体完整性差，风化严重，极易发生节理（裂隙）切割岩土体使之破碎，是地质灾害产生的良好物质场所，当水流切割与其他因素叠加作用时，便会产生大规模崩塌、滑坡、泥石流灾害。此外，兰州市地表黄土层厚度大、孔隙大、持水性差、透水性强，在地下水或地表水流作用下，斜坡稳定性急剧下降，易发生一系列的崩塌、坍塌甚至滑坡，并以灾害链的形式诱发泥石流等其他地质灾害[5]。

2研究数据与方法

2.1研究数据

本研究以兰州市为研究区域，基于文献调研结果[6-8]，选取坡度、坡向、海拔、地质灾害点密度、地质岩性、距地质断层距离、土壤类型、年降水量、人口密度、土地利用、距河流距离、距道路距离等共12个地质灾害影响因子，并根据兰州市的实际情况，对不同的影响因子进行区间分级。为了便于对不同区间分级进行得分计算，共分为5个级别。从不同的资源网站和相关单位收集整理了DEM、河流、道路、土地利用、地质土壤、人口、地质灾害调查、气象等多源数据（见表1）。利用ArcGIS表面分析工具，提取坡度和坡向；利用ArcGIS距离分析工具，计算像元到最近源的欧氏距离，作为对应的距地质断层距离、距河流距离、距道路距离；基于地质灾害调查数据，利用ArcGIS空间分析工具，获得地质灾害点矢量数据，并可通过分类汇总计算出各影响因子在不同等级区间内的地质灾害点数量和地质灾害面积，同时利用ArcGIS点密度分析工具，获取地质灾害点密度。

2.2研究方法

2.2.1信息量法

信息量法通过把已发生地质灾害点的影响因子的属性值转换为地质灾害易发性的信息量值，来反映各类影响因子的相对敏感度和各类影响因子中不同分级区间的贡献率，被广泛运用于地质灾害易发性评价[4]。

信息量值越大，对应区间内的地质灾害易发程度越高，计算公式为

Iij=lnPij/PrSij/Sr（1）

式中：Iij为第i个影响因子第j级的信息量；Pij为第i个影响因子第j级的地质灾害点数量；Pr为研究区地质灾害点的总数量；Sij为第i个影响因子第j级的分布面积，km2；Sr为研究区总面积，km2。

按照区间比值取整的方式计算每个影响因子不同级别对应的得分值，得分值越高，代表信息量越大，对地质灾害的影响程度越高，得分值最高为10分，最低为1分，计算公式为

Xij=Iij-minIimax（Ii）-minIi×9+1（2）

式中：Xij为第i个影响因子第j级的得分值；max（Ii）和min（Ii）分别为第i个影响因子信息量最大值和最小值，计算结果按照四舍五入后取整得到整数型的得分值。2.2.2确定性系数法

确定性系数法广泛用于分析某一事件发生的各类指标的敏感性[9]，在本研究中用于统计分析发生地质灾害区域的各类影响因子的敏感性，计算公式为

CF=Ps－PaPa1－PsPa≥PsPs－PaPs1－PaPa＜Ps（3）

式中：CF为确定性系数；Pa为地质灾害事件在影响因子数据类中发生的条件概率，即某个影响因子某一级别中的地质灾害面积与该因子在此级别中的单元总面积的比值；Ps为地质灾害事件在研究区中发生的先验概率，即研究区的地质灾害面积与研究区总面积的比值。

将某个影响因子各级别的CF值进行迭代合并，得到第i个影响因子对地质灾害的贡献值（Zi），迭代合并的计算公式为

Zi=x+y－xy（x，y≥0）

x+y1－minx，y（x，y异号）

x+y+xy（x，y＜0）（4）

式中：Zi为第i个影响因子对地质灾害的贡献值；x、y分别为某个影响因子不同级别将要进行迭代合并的两个值。

Zi的取值为-1～1，其越接近1代表该影响因子对地质灾害的影响程度越高，越接近-1代表该影响因子对地质灾害的影响程度越低。为消除重复处理的影响，采用ΔZ代表某个影响因子分级区间的贡献值，计算公式为

ΔZij=Zi－Yij（5）

式中：ΔZij为第i个影响因子第j级的贡献值；Yij为第i个影响因子除第j级以外的其他分级CF值迭代合并结果。

本研究基于兰州市实际情况，将每个影响因子分为5个级别，先计算每个影响因子的相对贡献值，再计算得到各影响因子的权重值，计算公式为

ti=∑5j=1ΔZij（6）

Wi=ti∑12i=1ti（7）

式中：ti为第i个影响因子的相对贡献值；Wi为第i个影响因子的权重值。

2.2.3加权综合评价

加权综合评价法是指某一事件的发生是由多个影响因子综合的结果，每个因子的影响程度存在差别，通过量化影响因子计算评价单元的事件易发程度。此方法综合考虑了各个因子对总体对象的影响程度，把各个具体指标的优劣综合起来，用一个数量化指标加以集中，以此来表示整个评价对象的优劣，是评价最为常用的计算方法之一[10]。根据国家级区域地质灾害气象预警第二代模型方法，将地质环境区域评价量化为地质灾害潜势度[11]。计算公式为

F=∑12i=1Wi·Xi（8）

式中：F为地质灾害潜势度；Xi为第i个影响因子的得分值。

F值越大，表示发生地质灾害的可能性越大。将F值划分5个等级，作为划分地质灾害易发性分区的依据［12］，见表2。

3结果与分析

3.1影响因子得分值和权重值

图1是各影响因子与地质灾害点（图中简称“地灾点”）的空间分布。表3是基于信息量法计算得到的12个影响因子的信息量和得分值。表4是基于确定性系数法计算得到的12个影响因子的权重值。其中，地质灾害点密度、坡度、海拔、距河流距离是权重值较大的影响因子。

3.2地质灾害易发性区划

依据计算得到的地质灾害潜势度，对兰州市进行地质灾害易发性分级区划，其结果见图2。兰州市地质灾害点共756处，其中位于地质灾害极高易发区、高易发区、易发区、低易发区、极低易发区的地质灾害点数量分别为596、93、39、21、7处，分别占地质灾害点总数的78.8%、12.3%、5.2%、2.8%、0.9%。地质灾害易发性区划与地质灾害点分布基本一致，表明兰州市地质灾害易发性区划具有一定的科学性和准确性。由图2可知，兰州市地质灾害极高易发区呈带状分布，分布于研究区南、北部河谷Ⅳ级阶地前缘及各沟谷台地前缘、黄土丘陵沟壑区，集中于五一山、盐场堡、徐家湾和九州台以及西固南山、皋兰山、伏龙坪一带，分布于坡度40°～60°、海拔1400～1800m的道路两旁和城市周边的河谷地带；地质灾害高易发区分布在距地质断层较近、坡度25°～45°、海拔1600～2400m的草地和建设用地。

将地质灾害易发性区划与兰州市行政区划进行叠加分析，得到兰州市及其各县区的地质灾害易发性情况（见表5）。由表5知，兰州市地质灾害极高易发区、高易发区、易发区、低易发区、极低易发区的面积分别为1063.43、2048.05、3584.41、3399.69、3112.34km2，分別占兰州市总面积的8.05%、15.51%、27.14%、25.74%、23.56%，极高易发区、高易发区、易发区3个分区总面积占兰州市总面积的50.70%，地质灾害对兰州市的影响较大。其中兰州市地质灾害极高易发区、高易发区主要分布在榆中县、永登县和皋兰县，3县极高易发区面积分别占兰州市地质灾害极高易发区面积的47.43%、20.55%和12.73%，高易发区面积分别占兰州市地质灾害高易发区面积的38.42%、30.35%和9.54%，是兰州市地质灾害防治的重点区域。

3.3地质灾害影响因素分析

地质灾害是地形、地质、水文、气候、人类活动等多种因素的综合影响结果。通过分析不同因子对地质灾害的影响，可以发现：①通过统计各个坡度区间的地质灾害点数量，发现地质灾害点数量随坡度的增大而增多，坡度＜10°的区域没有滑坡的发生，40°～50°的区域地质灾害点数量占总数的54.7%，50°～60°的区域地质灾害点数量约占总数的25.4%，而60°以上的陡崖多发生崩塌而不表现为滑坡。②研究区坡向分布比较均匀，没有明显的优势坡向，西、西北、北坡向属于滑坡发生的优势坡向，尤其是正北坡向的斜坡，滑坡点数量占研究区总数的19.2%，这与兰州市地质灾害在阶地前缘发育的规律相吻合。③地质灾害点集中分布于海拔1400～1800m的区域，其地质灾害点数量约占研究区总数的56.0%，原因可能是该区域是兰州市黄河Ⅳ级阶地的分布区域，黄土厚度大，地形切割强烈，是滑坡发育的重要基础，同时该区域人口密集，人类活动强烈，极易引起滑坡。④地层岩性和土壤类型是地质灾害发生、发展的重要内因和物质基础，兰州市内黄土滑坡数量占滑坡总数的79.8%，泥岩（红层）滑坡占滑坡总数的8.7%，黄土是研究区的主要易滑土体，且研究区内高陡岩质边坡较多，大大降低了地表稳定性。⑤研究区内主要有金城关断裂带和兴隆山北缘断裂带，地质断层附近地质灾害点密度较高。⑥降水对地质灾害有重要的诱发作用，年降水量较高的区域地质灾害点密度较高。⑦研究区内黄河及其支流庄浪河、宛川河、大通河等河流周边1km范围内的地质灾害点数量占研究区总数的54.7%，河流对地质灾害的影响比较显著。⑧人类活动对地质灾害的影响是多方面的，主要表现为人类一般活动和各类工程建设活动。人口密度是人类一般活动频率的体现，从地质灾害点分布情况来看，人口密度对地质灾害易发性的影响并不明显；土地利用类型是工程建设活动的体现，工程建设活动不可避免会破坏植被、改变土地利用类型，对地处干旱地区的兰州市而言，植被对稳定黄土斜坡十分重要，位于植被覆盖度较低的耕地、裸地区域的地质灾害点数量占研究区总数的73.2%。⑨道路及其周边区域的建设活动频繁，在道路两侧800m范围内的地质灾害点数量占研究区总数的68.3%，人工边坡处滑坡发生的概率较高。

4讨论

兰州市地质灾害易发性区划是在综合各影响因子的基础上，结合数学模型和GIS技术建立的地质灾害评价系统。该区划一方面可作为制定城镇发展规划和乡村振兴规划的基础性資料，规划城镇重要设施和区域、实施乡村振兴涉及的村落搬迁时，要避开地质灾害易发的区域；另一方面可用于规范建设活动，对位于城区边缘山前、高坪区前缘、各类道路边坡的项目要加强科学施工管理、分类指导和专业研究，避免不合理的切坡、填方等极易造成地质灾害的工程行为。

本研究中采用的信息量法和确定性系数法均为统计方法，计算结果具有一定的局限性，下一步可继续探求更加精确的动态模型。地质灾害的发生除了受到地形、地质、海拔、土壤等静态影响因子的影响，降水量、人类活动等动态影响因子也是诱发地质灾害的重要因素，在兰州市地质灾害易发性区划的基础上，进一步开展降水特征、暴雨情况与滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的相关性研究，分析地质灾害的空间分布规律和发生规律，同时对重点区域进行实时监测，建立兰州市数字化地质灾害预警系统，可为区域防灾减灾、推动社会经济可持续发展提供支撑。

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［作者简介］刘维珩（1976—），女，甘肃甘谷人，高级工程师，硕士，主要从事土木工程方面工作；通信作者贾鸿儒（1980—），男，甘肃武山人，副教授，硕士，研究方向为风景园林。［收稿日期］2023-02-22

（责任编辑李佳星）

［基金项目］2020年甘肃省重点研发计划项目（20YF8FE146）；2022年甘肃省教育科技创新项目（2022A-257）；2020年甘肃省科技计划项目（20CX9FA132）