基于信息量模型与层次分析法的地质灾害易发性评价——以宣汉县为例

陈思尧, 游水生, 杨剑红, 刘虹强

(1.四川省地质矿产勘查开发局区域地质调查队, 成都 610213; 2.四川省容大矿业集团有限公司, 成都 610213)

宣汉县位于达州市中东部,四川盆地与大巴山南麓结合地带,河流切割较深、地形起伏较大,属于四川省地质灾害多发区之一[1]。据统计,截至2021年10月,宣汉县境内共发生造成直接经济损失或人员伤亡的地质灾害297处,造成30人死亡、48人受伤、直接经济损失28 832.03万元。近年来,通过避让搬迁、工程治理、排危除险、专业核查等累计核销地质灾害点792处,但现存140处地质灾害仍威胁1 974户7 658人,威胁财产38 420万元。因此,开展地质灾害易发性评价对宣汉县的地灾防治工作与国土空间规划等有着十分重要的经济价值和社会意义[2-3]。

当前,诸多学者对不同地区地质灾害易发性进行了研究,采用的评价方法主要有层次分析法[4-6]、信息量模型[7-11]、证据权法[12-13]、逻辑回归模型[14-15]、随机森林[16-18]、神经网络[19-20]及决策树[21]等。同时,赵银兵等[22]、谢明礼等[23]、连志鹏等[24]、通过对同一研究区采用多种方法分别进行地质灾害易发性评价,认为每种方法均有其优缺点,评价精度差异不大。其中,信息量模型与层次分析法具有较强的适用性与可操作性,且方法简便、评价效果较好,在地质灾害易发性评价中被广泛使用。作为一种定量方法,信息量模型缺乏对不同评价因子的重要程度与相互影响情况等的考虑;层次分析法作为一种定性方法,主观随意性较大[25]。故采用信息量模型与层次分析法相结合的方法,选取宣汉县为研究区,在现有文献资料与野外调查的基础上,结合遥感学、地质学等学科理论,以地理信息科学(geographic information science,GIS)技术为平台,开展地质灾害易发性评价,为该县地质灾害防治与国土空间规划等提供有力支撑与理论参考。

1 研究区概况

宣汉县位于四川省达州市中东部,地处大巴山南麓与四川盆地北东的结合地带,面积为4 280.64 km2。该区属亚热带湿润季风气候,具有冬干少雨、夏热多雨的气候特点。区内以低山地貌为主,总体呈北东高、南西低,海拔为277～2 349 m。

区内出露地层以中生界侏罗纪与白垩纪地层为主,其岩性为一套紫红色碎屑岩。在研究区北东角分布少量古生界碳酸盐岩。第四系零星分布,主要为冲积、冲洪积、残坡积与少量崩坡积。研究区可划分为5个工程地质岩组:①黏性土、粉土、砂砾质土岩组(A1),主要分布在前河、中河、后河、州河宽谷及山坡坡麓地带;②软弱层状泥页岩岩组(A2),主要分布于前河中下游、中河、州河河谷两侧地区;③半坚硬层状砂泥岩互层岩组(A3),主要分布于峰城镇、红峰镇等高台地地区;④坚硬层块状砂岩岩组(B1),主要分布于县域南部分水岭地带;⑤坚硬的层状碳酸盐岩夹碎屑岩岩组(B2),主要分布于东北部地区。

研究区内构造主要表现为褶皱,次为压性或压扭性断层[26-27]。研究区水系属嘉陵江水系,前河、中河、后河总体呈北东-南西向纵穿全境,并在县城以东汇为州河。多年平均年降雨量1 213.5 mm,降雨多集中发生于5—10月,占年降水量的79%。截至2021年10月,研究区内共发育地质灾害隐患点928处,其中滑坡地质灾害833处、崩塌95处(图1)。

图1 宣汉县地质灾害分布

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

采用的数据主要有:①数字高程数据(DEM),比例尺为1∶50 000;②宣汉县地质图,用于获取地层岩性分布、断层位置、岩层产状等信息,比例尺为1∶50 000;③遥感影像,用于获取植被数据,比例尺为1∶50 000;④宣汉县基础地理数据,用于获取县域道路数据;⑤宣汉县历史地质灾害隐患点数据(表1)。

表1 研究区基本数据一览

2.2 信息量模型

信息量模型以贝叶斯法则为理论基础,早期多应用于地质找矿领域,此后逐渐运用于地质灾害易发性评价中,并取得了较好的成果[9-11,28-29]。

基于信息量模型预测地质灾害易发性的流程主要为因子分级与信息量值计算:①分析查明研究区内影响地质灾害发育的主控因子,如坡度、工程地质岩组等,并根据实际情况对其进行区间划分;②通过数学公式分别计算并叠加各因子分级的信息量值,得到总信息量值。该值可代表地质灾害发生的概率(易发性)高低。信息量值计算公式为

(1)

(2)

式中:I为各因子分级的信息量值,I总为总信息量值;xi为因子(即坡度、工程地质岩组等)的第i个分级;N为灾害总数,Ni为分布于第i个因子分级的灾害数量;S为总面积,Si为第i个因子分级的面积;n为因子总数。

2.3 层次分析法

层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是一种多目标决策分析方法,其工作流程主要为:①对分析目标各组成要素进行分组建立递阶层次结构模型;②采用1～9标度法[30]分别对同一层次下的各要素进行两两相对重要性打分(表2);③通过式(3)和式(4)检验矩阵的一致性。

(3)

表2 判断矩阵的标度及其含义

(4)

式中:λmax为矩阵最大特征根;n为矩阵阶数。CI值由式(3)计算得到,RI值如表3所示。

表3 平均随机一致性指标值

当CR值小于0.1时,认为是有效矩阵。计算得到各因子权重值(表4)。可以看出,滑坡各因子权重(ω)大小依次为坡度(0.280 3)、工程地质岩组(0.168 8)、斜坡结构(0.147 5)、距断层距离(0.117 5)、距道路距离(0.097 6)及植被覆盖度(0.081 2);崩塌各因子权重(ω)大小依次为坡度(0.223 9)、工程地质岩组(0.203 5)、距断层距离(0.137 6)、坡向(0.121 8)、植被覆盖度(0.121 5)、距道路距离(0.099 5)及斜坡结构(0.092 2)。其中,坡度、工程地质岩组因素的影响较大。

表4 滑坡、崩塌各评价因子权重

最后,将各因子分级的信息量值与权重值采用加权求和,得到因子综合信息量值。

3 结果与分析

3.1 评价单元选取

选取适当的评价单元,直接影响评价的精度与结果的可靠性[31]。当前,使用最为广泛的是栅格单元,因其相较于其他评价单元如子流域单元、斜坡单元等,具有获取简单、便于计算的优点[5,9]。本文将其作为基础评价单元。利用GIS软件将研究区数据栅格化,并根据《四川省地质灾害风险调查评价技术要求细则(1∶50 000)(试行)》相关要求,最小评价单元设定为25 m×25 m。研究区共划分为6 849 024个栅格单元。

3.2 评价因子选取及分析

地质灾害的成因复杂,与地形地貌、植被、地质构造、斜坡结构等影响因素密切相关。此外,各影响因素对不同类型地质灾害的影响程度也不尽相同。因此,不同类型的地质灾害在因子的选取上应有所不同。宣汉县境内发育的地质灾害主要为滑坡、崩塌,故主要考虑以上两种地质灾害。此外,考虑到研究区地貌分区较为粗略,且分析中已纳入了地形起伏度、坡度等因子,故因子选取时将地貌类型去掉;而地形起伏度与坡度具有很强的相关性,若同时作为易发性因子分析,将对结果造成叠加影响,坡度能更好地反映地形变化对灾害体的影响,因此选择坡度作为评价因子。综上,本次滑坡易发性评价共选取坡度、工程地质岩组、距断层距离、斜坡结构、植被覆盖度及距道路距离等6个评价因子(图2);崩塌则在此基础上,增加坡向因子(图3),共7个评价因子。

图2 评价因子与地质灾害数量、点密度相关性统计

3.2.1 坡度

将区内斜坡坡度划分为6个等级,由图2(a)中可知,在10°～30°的坡度范围内,集中发育了72.87%的滑坡,共607处;20°～40°的坡度范围内,集中发育了69.47%的崩塌,共66处。此外,当坡度>30°后,随坡度的增大,地质灾害数量和点密度呈现较为明显降低的趋势。

3.2.2 工程地质岩组

岩土体作为斜坡的物质组成,与斜坡稳定性息息相关。由于不同岩土的物理性质、力学性质不尽相同,造成了不同岩土体发生地质灾害的难易程度与类型也有所区别。

由图2(b)可知,滑坡、崩塌地质灾害在A2、A3工程地质岩组中最为发育,这与A2、A3岩组在研究区内广泛分布有关。其中,有391处滑坡、56处崩塌发育于A2岩组中,分别占滑坡、崩塌总数的46.94%、58.95%;有341处滑坡、31处崩塌发育于A3岩组中,分别占滑坡、崩塌总数的40.94%、32.63%。此外,A1岩组主要分布于河漫滩、一级阶地平坝地区,滑坡灾害弱发育,而滑坡在A1岩组中点密度高的原因主要是其分布面积小,对灾害数量的敏感度高。

3.2.3 距断层距离

断层及其影响范围内岩石通常破碎,不仅破坏了岩土体结构、降低了岩土体抗剪强度,同时影响了水文条件,为地表水下渗及地下水流动提供了通道,是引发地质灾害的重要因素,且距断层越近,影响程度越大。

利用GIS,以断层为中心线向外划分5个缓冲区。由图2(c)可知,滑坡、崩塌灾害点点密度在距断层0～0.5 km最大,分别为0.51处/km2、0.07处/km2,且灾害点密度曲线呈现明显的右倾趋势,表明地质灾害发育密度随距断层的距离增大逐渐减小。当然,距断层距离越远因子分级面积越大,灾害发育数量相对更多。

3.2.4 斜坡结构

斜坡结构与地质灾害关系密切,根据坡向与地层产状的空间关系,研究区内斜坡结构可划分为6类,由图2(d)可知,94.89%的地质灾害发育于顺向坡、斜向坡及横向坡中,共855处。其中,298处滑坡、28处崩塌发育于顺向坡中;269处滑坡与26处崩塌发育于斜向坡中。从点密度曲线来看,近水平斜坡中灾点点密度最高,是因为该类斜坡结构分布面积小,仅占研究区面积的0.16%,多一处灾害点发育,点密度即会明显增大,除此之外,点密度在顺向坡中最大,为0.26处/km2;其次为斜向坡,为0.19处/km2。

3.2.5 植被覆盖度

植被具保土保水、增强边坡稳定性作用。植被覆盖度常作为一种表征植被发育程度的指数,植被覆盖度指数越小则植被发育状况越差、覆盖程度越低,发生地质灾害的可能越高,反之亦然[5,32]。由图2(e)可知,研究区内滑坡、崩塌地质灾害点密度随植被覆盖度的升高而明显降低,说明植被越发育越有利于坡体稳定、越不利于滑坡、崩塌的发生。

3.2.6 距道路距离

道路建设往往伴随边坡开挖、弃方堆积等,打破了斜坡原始应力平衡,形成大量不稳定斜坡,同时产生高陡临空面,直接或间接诱发地质灾害[3]。

将研究区距主要道路距离划分6个等级,由图2(f)可知,0～0.2 km区间内地质灾害最多,滑坡289处、崩塌41处,点密度均最大,分别为0.44个/km2、0.06处/km2。与道路距离越近,地质灾害点密度和面密度越大。

3.2.7 坡向

将研究区斜坡坡向按45°划分为8类,由图3可知,区内崩塌灾害数量在东南(202.5°～247.5°)和南(157.5～202.5°)分布最多,分别为25、24处,其余方向分布较均衡,从面密度来看,东南和南最大,分别为284.38 m2/km2、247.49 m2/km2,点密度与面密度分布规律相似。综合以上分析,南、东南崩塌灾害更发育,这与南、东南方向属于阳坡,日照时间较长,有利于岩体风化相关。

3.3 评价因子信息量计算

分别计算滑坡、崩塌各评价因子在不同分级下的信息量值和综合信息量值,如表5和表6所示。对滑坡的6个评价因子共32个因子分级、崩塌的7个评价因子共40个因子分级按综合信息量大小排序,滑坡排序依次是坡度10°～20°、坡度20°～30°、植被覆盖度<0.45、A3工程岩组、A2工程岩组、植被覆盖度0.45～0.6、顺向坡、斜向坡。崩塌排序依次是植被覆盖率<0.45、坡向南、距断层距离为0～0.5 km、距道路距离为0～0.2 km、距断层距离为0.5～1 km、坡向东南、坡度为30°～40°、坡度为40°～50°。

3.4 评价结果与验证

利用GIS软件的空间分析与栅格计算功能,对各单因子图层(图4)进行重分类与赋值,并对其信息量叠加,再通过自然间断法结合实地调查验证情况以及四川省地质灾害风险评价技术细则,并按照“就高不就低”的原则,得到研究区易发性评价栅格图(图5)。

图4 评价因子分级

图5 地质灾害易发性分区

结果显示,研究区可划分为高、中、低3个易发性等级(表7和图5)。其中,高易发区分布较为分散,面积为372.98 km2,占比为8.71%,主要集中于红峰镇北部石堡村-垭口村一带、毛坝镇北部天坪村-五马林场一带、马渡关镇长滩村-双庙村一带、南坝镇五龙村-丰乐村-尖包社区-董坪村一带、龙泉土家族乡老场村-罗盘村-平溪社区及鸡坪村一带、茶河镇岭岗社区-武胜村-净瓶村一带。中易发区面积为2 278.18 km2,占比为53.22%,分布广泛,县域内除高易发区和低易发区以外的其他区域。低易发区面积为1 629.48 km2,占比为38.07%,主要分布于新华镇——石铁乡—樊哙镇西部一带、茶河镇北部—华景镇东部—土黄镇南部一带、毛坝镇南部—胡家镇东部—普光镇中西部—大成镇一带。

表7 地质灾害易发分区统计

由表7可知,高、中、低易发区的地质灾害点密度分别为0.641处/km2、0.291处/km2、0.016处/km2;灾害数量占比与面积占比之比分别为2.957、1.342、0.074,表明地质灾害点发育程度与地质灾害易发性评价结果相符,评价结果较合理。

4 结论

1)以宣汉县为研究对象,选取坡度、工程地质岩组等7个与地质灾害密切相关的因子构建评价指标体系,并运用信息量模型,开展了地质灾害易发性评价。

2)研究区坡度为10°～30°、植被覆盖率小于0.6、A3与A2工程岩组以及顺向坡与斜向坡区域内滑坡地质灾害最为发育;植被覆盖率小于0.45、坡向南及东南、距断层距离为0～1 km、距道路距离为0～0.2 km及坡度为30°～50°区域内崩塌地质灾害最为发育。

3)研究区可划分为高、中、低3个易发性等级。其面积分别为372.98 km2、2 278.18 km2、1 629.48 km2,分别占研究区总面积的8.71%、53.22%和38.07%。

4)本次地质灾害易发性评价结果与研究区地质灾害发育程度相符,评价结果较合理,可为研究区的地灾防治和国土空间规划提供理论指导和技术支撑。