基于GIS分析的泰安市地质灾害风险评价

苏宝成　郝骐　伊丽　赵志伟　魏凯

摘要：泰安市地处鲁中山区，山地丘陵广泛分布，崩塌、滑坡、泥石流和岩溶塌陷等地质灾害较为发育。本次研究依托新一轮1∶5万地质灾害风险普查，基于ArcGIS平台空间分析功能对高精度DEM、构造、工程地质和水文地质、降雨及植被等数据分析和提取，利用信息量法和层次分析法分别对崩滑泥石流和岩溶塌陷易发性评价，以降雨作为危险性评价因子，综合考虑人口和经济因素选择用地类型作为易损性条件进行风险区划，最终划分为地质灾害风险高、中、低3个等级，为今后有效开展自然灾害综合防治、衔接国土空间规划和保障经济社会可持续发展提供基础依据。

关键词：地质灾害；易发性评价；危险性评价；风险性评价；泰安市

中图分类号：P694文献标识码：Adoi：10.12128/j.issn.16726979.2023.06.007

0引言

泰安市地处鲁中山区，复杂的地质环境条件和频繁的人类工程活动导致了泰安市地质灾害比较发育［1］，泰山和徂徕山等山地丘陵区为崩塌滑坡泥石流易发区，山间及平原隐伏灰岩区为岩溶塌陷易发区。本次研究依托1∶5万地质灾害风险普查，在充分吸收以往工作成果基础上，基于ArcGIS平台空间分析功能对高精度DEM、地质、降雨及植被等数据分析和提取，利用信息量法和层次分析法进行地质灾害风险评价和区划，更好地支撑地质灾害防控方式逐步向“隐患点+风险区双控”转变［2］，提升地质灾害风险管理水平。

1地质灾害发育特征

泰安市现有地质灾害隐患点138处，其中崩塌49处，滑坡2处，泥石流50处，岩溶塌陷37处，规模以小型为主，数量占比95%以上。自1964年以来泰安市历史上共出现过地质灾害灾情152处，其中岩溶塌陷71处，泥石流51处，崩塌21处，滑坡9处。除2处泥石流灾情为大型、1处泥石流和1处岩溶塌陷灾情为中型外，其余148处灾情均为小型，小型灾情占比97%以上。

崩塌、滑坡和泥石流的分布受控于区域地形地貌［3］，分布位置上以泰山、徂徕山区及山前为主，其余主要分布在各低山、丘陵区。高发期在每年的6—9月，灾害发生频率自6月份开始增加，在8月份达到峰值，到9月回落至低值。高强度降水、持续性降水［4］、极端规模降雨等天气的出现会明显加剧崩塌、滑坡和泥石流地质灾害的发生。

岩溶塌陷的分布受控于覆盖型可溶岩区分布［5］，在各个县区均有灾害发生，主要分布于城区—旧县、祝阳镇二王安、东平县大羊镇西王村东王村、宁阳伏山镇东代村、新泰市禹村镇、宫里镇马家庄、果都镇王家庄等13个塌陷区，累计形成大小塌坑近700个。发育过程主要为自然或人为因素的作用造成基岩面附近水动力条件改变，在覆盖层内形成土洞并不断向上发展，最后覆盖层顶部失稳，发生崩落、坍塌，形成地表塌陷坑。常集中发生在6—8月份旱季后期和雨季，主要是因为旱季灌溉抽取岩溶地下水造成水位在基岩面附近剧烈波动和雨季大气降水下渗补给岩溶地下水加剧土体冲蚀搬运，诱发岩溶塌陷［6］（图1）。

2孕灾地质条件

地形地貌、地层岩土体特征、地表植被和地质构造等是地质灾害发生的基础因子，大气降水、地震和人类活动为地质灾害的诱发因子。

崩塌、滑坡和泥石流的分布受控于区域地形地貌，以中山最为发育，其次为丘陵和低山区。灾害的位置、运动方式和影响范围等受坡形、坡度、高差等微地貌控制。岩溶塌陷多分布于山前冲洪积平原地带，与第四系盖层和下伏可溶岩岩性密切相关。

第39卷第6期山东国土资源2023年6月第39卷第6期技术方法2023年6月崩塌多发于块状坚硬侵入岩、变质岩岩组；滑坡多发于低山丘陵残坡积土石、破碎风化岩岩组，其次为层状软弱破碎风化碎屑岩岩组。泥石流物源主要为风化残坡积层，母岩为风化、节理裂隙发育的侵入岩、变质岩，在分布位置上与崩塌、滑坡具有一致性。

区域性构造通过控制地形地貌、地层岩性的发育进而影响崩塌、滑坡和泥石流的发育。节理、裂隙、软弱结构面等小微构造直接影响崩塌、滑坡的易发程度。岩溶塌陷与地质构造关系密切，多沿断裂构造及其影响带分布，尤其在断裂交会部位更为密集，常成群成带出现［7］。

单次过程性降水量大、降水強度高，或者持续性降水时间长，均会增加崩塌、滑坡和泥石流发生的可能性。大气降水从地表土体下渗补给岩溶地下水过程冲蚀土体形成岩溶塌陷，地下水位波动也会导致岩溶塌陷。人类工程活动比如挖坡修路及建房使山坡坡脚前缘临空，增加崩塌、滑坡发生的可能。低山丘陵区人类开垦坡田，为泥石流增加物源，同时本身也是受灾体。过量开采岩溶地下水曾导致岩溶塌陷多发。3地质灾害风险评价

3.1易发性评价

根据泰安地区地质灾害特点选择相应的方法进行易发性评价：崩塌滑坡采用信息量法，泥石流、岩溶塌陷采用层次分析法。完成各灾种的易发性评价后进行叠加，得到综合易发性评价结果。地质灾害易发性评价的计算基于GIS平台，步骤如下：

（1）划分评价单元。崩塌、滑坡和岩溶塌陷以12.5m×12.5m栅格为单元，泥石流以斜坡单元为单元。

（2）确定评价指标。根据地质灾害主控因素，选择易发性评价单因子指标。

（3）制备单因子图层。崩塌、滑坡采用信息量法计算单因子图层信息量值，泥石流、岩溶塌陷采用层次分析法获得各指标因素权重和值。

（4）求取易发性指数。将单因子图层按照评价模型进行属性运算，采用信息量法时直接将各单因子图层信息量值累加，采用层次分析法时将各单因子图层的赋值和权重相乘后累加，得到易发性指数矢量图层；

（5）划分易发区。根据专家经验确定各易发性分级区间，结合野外调查情况进行验证，完成易发性分区。

3.1.1崩塌滑坡易发性评价

针对崩塌和滑坡选取的评价因子主要有：地形地貌因素［8］（高程、坡度、坡向、起伏度）、地层岩性因素（工程地质岩组）、地质构造（与断裂距离）和自然环境（植被覆盖率）。基于12.5m分辨率DEM数据、地质数据、遥感数据等，利用GIS工具将各因子划分等级并计算信息量（表1）。

（1）高程。泰安市内高程值448～1520m范围的中、低山及丘陵区是崩塌滑坡主要分布区，地质灾害发育密度呈现与高程正相关的宏观规律。

（2）坡度。不同的坡度范围对应的崩塌方式和发育密度均不同。坡度大于40°时，坡面凹凸不平、上陡下缓，以崩式为主、易弹跳。坡度25°～50°时，崩塌一般为滚落。坡度20°～30°时，危岩体多脱离母岩体呈垒卵状叠置，以滑落为主。

（3）坡向。坡向决定了日照、植被发育和水热气候等条件的不同，进而影响岩体的风化程度和稳定性，因此坡向对地质灾害的影响不容忽视［9］。

（4）起伏度。地形起伏度是指某区域内，最高点高度与最低点海拔差值，是描述一个区域地形特征的一个宏观性的指标。

（5）岩组。宏观上，崩塌、滑坡的分布与岩性密切相关，块状坚硬侵入岩及变质岩组为区内易崩塌、滑坡岩组，超过90%的崩塌、滑坡地质灾害及隐患发生在该岩组中。此外，第四系松散岩组、坚硬—较坚硬的中厚—厚层状灰岩岩组也有少量崩塌、滑坡发生。

（6）与断裂距离。区内地质构造控制了区域地形地貌，对地质灾害的形成、发育有着重要影响。特别是构造运动上升区为中低山丘陵区，山势陡峻，沟谷深切，断崖发育，是崩塌、滑坡灾害多发区。

（7）植被覆盖率（EVI）。地表植被是影响地质灾害发生的基础之一［10］，针叶林带或无林带、以及植被稀疏的寒武纪张夏组灰岩“岱崮地貌”是崩塌隐患主要发育区，隐患点多、密度大，无植被斜坡直接接受降水冲刷，发生滑坡概率大。利用MODIS增强植被指数（EVI）数据计算。3.1.2泥石流易发性评价

泥石流易发性主控因素为地形和物源［1112］条件，地形条件评价指标选择主沟纵坡降、主沟长度、斜坡面积、斜坡平均坡度，物源条件指标选择工程地质岩组、斜坡单元内崩塌、滑坡易发性。单项评价指标一般分为4个等级，依次赋值1、3、7、10，赋值越高，越利于泥石流发生（表2）。

在划分斜坡單元时，以泰安市12.5m分辨率DEM为基础数据，基于ArcGIS软件平台进行斜坡单元划分，基于斜坡单元划分的关键值计算方法确定最佳分辨率、填洼阈值和集水面积阈值［13］，经过人工合并、删除修整一些不合理的边坡后，将斜坡单元划分结果与山体地形阴影图、已知的地质灾害点对比，经过分析发现，划分结果与地形的边坡轮廓大致相符，能较好地体现斜坡的特征以及大小，且每个灾害点大致都分布在一个斜坡单元上；同时将斜坡单元划分结果的边坡轮廓线与卫星遥感影像相叠加，将局部放大后可以看出划分结果与实际地形较为接近，说明斜坡单元划分结果较为合理，能够满足区域泥石流灾害的易发性评价要求。

3.1.3岩溶塌陷易发性评价

选取岩溶发育程度、覆盖层特征和岩溶地下水动力条件［14］及岩溶塌陷发育现状4项一级因子，对一级因子细化后选取岩溶水富水性、地质构造、盖层结构、盖层厚度、岩溶水年变幅、地下水位与基岩面的关系、地下水开采模数及塌陷坑密度等8项二级指标因子（表3）。

采用层次分析法（AHP）来确定影响权重，用GIS的模型计算功能，计算岩溶塌陷易发性综合指数对覆盖型岩溶区进行综合评价，指数值越高，岩溶塌陷的易发性越高，根据易发性综合指数范围并结合专家经验进行易发性等级划分。

3.1.4综合易发性

在对崩塌、滑坡、泥石流和岩溶塌陷分别进行易发性后得到各自的易发性指数图层，分别对其作归一化处理，按照“两两相比取大值”的方法叠加［15］后得到综合易发性指数，根据专家经验和实际情况划分出易发性等级（图2）。

3.2危险性评价

地质灾害危险性是在某种诱发因素作用下，某一地区某一时间段发生特定规模和类型地质灾害的概率，包含空间概率和时间概率2个要素，空间概率可用综合易发性来表示，时间概率［16］可用诱发因素来表示。泰安市崩塌、滑坡、泥石流及岩溶塌陷的发生大都与降雨有关［17］，因此选择降雨作为危险性评价的指标，利用泰安市近5年内的月平均降雨量数据获得泰安市月平均降雨量分布图，可以体现出泰安市近年来降雨变化趋势，具有时间特性。将泰安市月平均降雨量进行归一化处理，与综合易发性指数进行叠加后，得到地质灾害危险性指数并确定分级区间（表4），完成危险性分区（图3）。

从危险性评价结果来看，泰安市地质灾害危险性分为高、中、低三级，无极高危险性区。与地质灾害综合易发性分区相比，低危险区基本对应地质灾害非易发区和低易发区，高危险区基本对应高易发区，中危险区对应部分高易发区和中易发区。危险性分区呈现出这种特点的主要原因为泰安市降雨强度和频率总体而言不是很高，因此和易发区叠加后无极高危险区；二是降雨分布具有区域差异性，高易发区叠加低降雨值厚危险性会降低。

3.3风险性评价

地质灾害风险指一定区域在一定时间段内由于灾害发生可能导致的人员伤亡、财产损失，风险评价是对具体的人员伤亡、财产损失进行量化评价的过程（图4）［18］。通常将危险性和易损性作为判断要素，以判断矩阵来判定风险性等级（表5）。

（1）针对地质灾害易发区范围内的承灾体进行易损性评价。对地质灾害可能造成的人员伤亡、工程和财产等的破坏损失程度进行评价，要考虑人口和经济2个因素［19］，而人口密度和经济价值都与土地用途密切相关，因此对用地类型进行分类（表6）体现易损性的高低，并形成易损性评价图层。

（2）根据判断矩阵将危险性和易损性图层进行叠加后得到风险性评价图，在此基础上利用高分辨率卫星影像、地形图层等对风险区灾害条件和承灾体进一步识别和确认，最终形成泰安市地质灾害风险区划结果，将泰安市地质灾害风险性划分为高、中、低3个等级（图4）。从风险区划结果来看，泰安市地质灾害高、中、低风险区面积占比依次为0.91%、6.93%、92.16%，绝大部分区域为低风险区，与实际情况相符；崩塌、滑坡、泥石流中高风险区主要分布在泰山、徂徕山及各县丘陵山地区，岩溶塌陷中高风险区在各县区均有分布，与现有地质灾害及隐患分布情况基本一致，也说明了本次地质灾害风险区划的合理性。

4结论

（1）基于GIS空间分析，崩塌、滑坡采用信息量法并选择7项因子、泥石流和岩溶塌陷采用层次分析法分别选择6项和8项因子，开展了易发性评价，以降雨作为危险性评价因子，综合考虑人口和经济选择用地类型作为易损性因子进行风险评价，评价体系能较科学地反应地质灾害发育特征和成灾规律。

（2）泰安市地质灾害风险区分为高、中、低风险区3个等级。其中高风险地区面积占比例为0.91%，中风险区面积占比6.93%，低风险区面积占比92.16%。绝大部分地质灾害及隐患点都分布在中、高风险区内，分区结果与实际情况吻合较好。

（3）风险评价成果可用于“隐患点+风险区双控”，提升地质灾害防治工作的科学性、有效性；衔接国土空间规划，为保障经济社会可持续发展提供技术支撑。

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Risk Assessment of Geological Disasters

Based on GIS Analysis in Tai'an City

SU Baocheng HAO Qi YI Li ZHAO Zhiwei WEI Kai

（1.Land and Space Ecological Restoration Center of Tai'an City，Shandong Tai'an 271000，China；2.No.5 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Taishan District Land Reserve and Development Center of Tai'an City，Shandong Tai'an 271000，China；3.Key Laboratory of Karst Collapse Control of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Bureau，Shandong Tai'an 271000，China）

Abstract：Tai'an city is located in the central mountainous area in Shandong province. Mountains and hills are widely distributed， and geological disasters， such as landslide， debris flow and karst collapse are well developed . In the past， many rounds of geological disaster investigation and verification have been carried out in Tai'an city. In this study， based on a new round of geological disaster risk survey with the scale of 1∶50000， analysis and extraction of high precision DEM， structure， engineering geology， and hydrogeology， rainfall and vegetation data based on spatial analysis function of ArcGIS platform， evaluation of susceptibility of debris flow and karst collapse by information method and hierarchical analysis， taking rainfall as a risk assessment factor， considering the population and economic selection of land types as vulnerability factors for risk regionalization，  geological disaster risks are divided into high level， medium level and low level.  It will provide a basis for effective prevention and control of natural disasters， territorial spatial planning and sustainable economic and social development.

Key words：Geological disasters；susceptibility assessment; danger assessment; risk assessment；Tai'an city