湖南张家界市永定区地质灾害发育规律及易发性评价研究

巩书华, 李少青, 王焕银, 王克营, 蔡宁波, 杜 江

(1.湖南省地球物理地球化学调查所,湖南 长沙 410114; 2. 湖南省地质新能源勘探开发工程技术研究中心,湖南 长沙 410114; 3. 张家界市永定区自然资源局,湖南 张家界 427000)

0 引言

地质灾害是由内因和外因共同作用影响下使地质环境恶化,并造成生命财产损失或资源环境破坏的灾害事件。内因主要包括地形地貌、岩土体类型、构造活动等; 外因包括降雨、地震等自然因素以及人类工程活动等诱发因素[1]。近年来。地质灾害发生频率与强度不断增大,严重威胁了人民生命财产安全,也制约了社会的可持续发展[2-3]。随着地质灾害危害性受到越来越多关注,各国学者对地质灾害发育规律及评价方法的研究工作也逐渐深入,针对不同地貌单元、不同地质灾害类型以及不同易发性及风险性评价模型与方法均有较多研究。如徐伟等[4]对西南红层地区地质灾害发育规律与成灾模式进行了总结分析; 张殿发等[5]分析了贵州喀斯特地貌地质灾害形成环境; 方琼等[6]研究了湖南省地貌与地质灾害影响关系。传统地质灾害易发性与风险性评价方法主要有信息量法[7]、逻辑回归法[8]、频率比和证据权法[9]、层次分析法[10]等。近年来,有学者提出不同方法模型组合评价,如确定性系数和逻辑回归的组合模型[11]、信息量法与遗传法融合模型[12]、模糊层次分析法与熵权法的主客观赋权模型[13],提升了易发性评价的精准度。

湘西北张家界市为著名的旅游城市,复杂的地质构造背景造就了绝美的地貌景观,但也存在着众多地质灾害隐患,加之新构造运动、澧水等河流侵蚀等内外地质作用影响,突发性地质灾害易发。以往研究多注重景区等特定范围的地质灾害发育规律分析[14-15],缺乏对全区的灾害发育特征研究。为此,本文根据近几年张家界市永定区地质灾害调查与评价工作,对区内地质灾害的孕灾地质条件和空间发育规律进行分析,划定全区地质灾害易发程度分区,旨在为相关部门国土空间规划、地质灾害防范与灾害趋势研判提供参考。

1 研究区概况

永定区地处武陵山脉腹地,位于扬子地台元第三隆起带的南端。地势整体呈西北高、东南低的特点,并由西向东倾斜,向沅水呈梯级递降,中部低洼,成半环状山丘盆地(图1)。气候为中亚热带山原型季风湿润气候,年平均降雨天数为154.7天,年均降雨量约为1 520.6 mm,平均气温为16.8 ℃。春末夏初处于冷暖气流交替过渡期,是境内雨水最集中的时期。境内水系以熊壁岩—陈家湾—余家山—李家庄为分水岭,北部为澧水水系,南部为沅水水系。研究区地层出露较齐全,仅石炭系有缺失。

图1 永定区地貌单元与地质灾害分布Fig.1 Distribution of landform division and geological hazards

2 地质灾害类型与分布特征

2.1 类型

通过查阅研究区1∶5万地质灾害调查资料以及最新风险普查和巡排查数据[16-17],统计区内地质灾害点共计418处,灾害类型以滑坡(含变形趋势为滑坡的隐患点)为主,崩塌(含变形趋势为崩塌的隐患点)、泥石流、地面塌陷等为次。其中: 滑坡数量占灾害点总数的88.04%; 崩塌数量占灾害点总数的7.17%; 泥石流数量占灾害点总数的3.59%; 地面塌陷数量占灾害点总数的1.20%。故滑坡是区内主要的地质灾害类型,其次为崩塌,最后为泥石流和地面塌陷等。

2.2 分布特征

(1)地质灾害分布受地层岩性制约明显。区内地质灾害在空间分布上总体是以中部断层发育区与东北部页岩地层区最多,西部及东南部相对较少。志留系分布区的灾害点数量最多,占灾害点总数的30%; 其次为寒武系中碎屑岩组分布区的灾害点数量,占灾害点总数的12%; 最后为奥陶系中碎屑岩组分布区的灾害点数量,占灾害点总数的9.33%。

(2)时间分布相对集中在雨季。通过对研究区近10 a来各月发生的地质灾害的数量进行统计,并与区内各月份降雨特征对比发现,区内各类地质灾害月发生数量集中在5、6、7月,这3个月内发生的地质灾害数量占灾害点总数的89%(图2)。这3个月是研究区每年降雨时间最长、累积降雨量最大的时期,说明降雨是本区地质灾害发生的关键诱发动力。降雨量达到一定量值后,会诱发大量的突发性地质灾害,暴雨来临时要注意区域性的群发地质灾害防治。

图2 永定区各月份地质灾害频数Fig.2 Frequency of geological disasters in Yongding District by month

3 孕灾地质条件特征

3.1 地形地貌

研究区地貌单元,根据地貌成因、形态、海拔高度和相对切割深度,大体可划分为侵蚀堆积地貌、侵蚀构造地貌、剥蚀构造地貌以及溶蚀构造地貌4个大类8个亚类(表1)。不同的地貌单元在斜坡类型、坡高、坡度等微地貌特征上有一定差别,发生的地质灾害类型、数量、规模也不同[18-19]。统计显示: 滑坡、崩塌及不稳定斜坡在各个地貌单元均有发育; 泥石流主要分布在具有宽阔的汇水区、丰富物源和合适地形因子(沟谷纵比降与坡度)的碎屑岩低山与丘陵洼地地貌中; 地面塌陷主要分布在溶蚀构造地貌中,基本为岩溶塌陷。区内地貌单元与灾害数量及密度的相关分析显示,地质灾害发育密度最高的为碎屑岩丘陵,达到36.61处/100 km2,其次为丘陵洼地、碎屑岩低山和红层低丘岗地。

表1 永定区地质灾害分布统计Tab.1 Statistics of geological hazard distribution in Yongding District

地形坡度是影响地质灾害发生的重要因素[20],通过将研究区地形坡度按区间进行划分统计,发现区内68%以上的地质灾害分布在[25°,45°)之间,其中以[25°,35°)区间最多,占比为41.67%(表2)。针对单一灾种,滑坡、不稳定斜坡在各个坡度区间均有分布,在[20°,45°)地形坡度间数量较集中,此类土质滑坡的坡度集中区间在其他研究中也有证实[21]; 崩塌坡度范围为60°以上,且发育较少,以岩质崩塌为主,集中在低山区; 泥石流集中在主沟纵坡坡度为[20°,60°)区间,这主要是因为区内泥石流大多是沟谷型,若沟谷纵坡坡度较小,则泥石流无势能到动能的转换,泥石流运动会停滞,反之,坡度较大,则泥石流能量转换大,运移速度快,在地形上,流程一般较短,汇水面积不大。

表2 永定区地质灾害与坡度统计Tab.2 Geological hazard and slope statistics in Yongding District

3.2 岩土体类型

岩土体是各类地质灾害形成的物质基础,其类型特征关系着地质灾害的发生几率和发育时长[22]。通过分析研究区岩土体类型与地质灾害分布关系(图3)发现: 区内滑坡主要发生在碎屑岩类中,在志留系粉砂质页岩、页岩、粉砂岩半坚硬-坚硬岩组中分布最多,灾害点密度最大; 崩塌在灰岩、白云岩夹泥质灰岩半坚硬-坚硬岩组中分布最多,灾害点密度最大; 泥石流在粉砂质页岩、页岩、粉砂岩半坚硬-坚硬岩组中分布最多,灾害点密度最大。上述3个岩组为研究区主要易崩易滑工程地质岩组,其中以志留系砂质页岩岩组中地质灾害最易发,地面塌陷仅在区内碳酸盐岩岩组中有少量分布。

1.灰岩夹泥质灰岩、砂岩半坚硬-坚硬岩组; 2.灰岩、白云岩夹泥质灰岩半坚硬-坚硬岩组; 3.粉砂质页岩、页岩、粉砂岩半坚硬-坚硬岩组; 4.红层砾岩、含砾砂岩、砂岩平坚硬-坚硬岩组; 5.硅质页岩、灰质页岩半坚硬-坚硬岩组; 6.第四系冲积物; 7.浅变质岩、砂岩坚硬岩组; 8.地面塌陷; 9.崩塌; 10.泥石流; 11.滑坡; 12.水系; 13.乡镇点图3 永定区岩土体类型与地质灾害分布关系Fig.3 Relationship between rock mass types and geological hazard distribution in Yongding District

3.3 构造活动

永定区经历多期构造运动,新构造运动也较为强烈,整体形成NE—NNE向断褶构造格局[23-24]。构造对区内地质灾害分布的影响表现为,邻近大型褶皱与断裂带,灾害点密度明显增大,距离断裂褶皱构造1 km范围以内的地质灾害点数量占总数的55.98%,其中断裂构造附近灾害点数量占总数的39.23%,褶皱构造附近灾害点数量占总数的 16.75%(图4)。断裂周边分布较多的是滑坡和不稳定斜坡,灾害点沿断裂构造带两侧分布,这主要是由于断层沿走向易形成临空面及沟谷,可为滑坡等地质灾害的发生提供条件。褶皱附近同样以滑坡及不稳定斜坡最为发育,且在顺向坡易形成顺层滑坡,逆向坡则多形成崩塌。此外,由于背斜核部和两冀产生的节理裂隙较向斜多,岩石破碎程度较向斜大,导致背斜分布的地质灾害数量也比向斜略多(图5)。

图4 永定区地质构造与地质灾害分布关系Fig.4 Relationship between geological structures and geological disaster distribution

图5 永定区不同褶皱构造与地质灾害分布关系Fig.5 Relationship between different fold structures and geological hazard distribution in Yongding District

4 诱发因素分析

4.1 降雨情况

研究区降雨丰沛且集中,常形成短时强降水,这种突发暴雨是区内地质灾害发生的主要诱发因素[25]。以2003年7月7—9日区内特大暴雨为例,其中8日的降雨量突破417.3 mm,9日降雨量达110 mm,这次暴雨降水量占全年降雨量总和的38.4%。期间全区发生地质灾害66处,占全年地质灾害总数的52.8%。

永定区年均降水量平面分布大致有2个中心,分别为永定区南部地区四都坪和东南部谢家垭一带。区内年降水超过1 500 mm,总体上向东北逐渐减小。在年均降雨量[1 000,1 200) mm区间,地质灾害点数量最多,占灾害点总数的51.4%; 其次为降水量小于等于1 000 mm区间,灾害点数量占灾害点总数的24.4%; 大于1 500 mm降水区间内,灾害点发生数量最少,仅占灾害点总数的3.1%。由此可见,研究区地质灾害的数量并不是单纯随年降水量增多而上升,以往研究也表明,灾害发生前10 d 的有效降雨量对地质灾害影响更大[26-27]。

4.2 人类工程活动

永定区人为因素主导及参与诱发的地质灾害类型基本为滑坡和少量崩塌,统计有97处,占统计总数量的43.11%。通过对区内人口密度与地质灾害分布相关性分析(图6),灾害点主要分布在人类活动程度较高的东北部地区以及澧水南岸10 km之内区域,这也说明人口较多的地区对自然环境的改造程度更多,人为增加了许多地质灾害风险。据调查,区内影响地质灾害发生的人类工程活动主要为不合理地切坡修路、建房,其次为矿山开采、地下水超采、植被破坏等活动。

图6 永定区人口密度与地质灾害分布关系Fig.6 Relationship between ropulation density and geological hazard distribution in Yongding District

5 地质灾害易发性分区评价

5.1 评价方法

本次评价方法采取易发程度指数法[28-30],在研究区选取地形地貌、地质构造、岩土体类型、植被覆盖情况、降雨量、人类工程活动及地质灾害点密度作为灾害易发性分区评价指标,将其与地质灾害发生的关系和权重系数建立地质灾害易发指数模型,对单灾害类型易发程度分区后再综合叠加分析。易发程度指数计算公式为

(1)

式中:Zp为评价单元(1 km×1 km)地质灾害易发程度指数;Aj为各评价因子权重;qj为各评价因子分级值。

综合崩塌、滑坡、泥石流易发性指数和地面塌陷易发性指数,将两者易发性分区结果叠加分析,其中每个评价单元的信息叠加将满足如下逻辑运算公式[28]

Z=ZBHL∪ZT。

(2)

式中:Z为评价单元地质灾害易发性综合指数;ZBHL为崩、滑、流地质灾害易发性指数;ZT为地面塌陷地质灾害易发性指数。

计算得到研究区所有地质灾害类型的易发性综合指数值,采用ArcGIS自然断点法数据统计,并结合前人经验,得到研究区易发程度分区阈值划分标准: 当Z>6时,为地质灾害高易发区; 3≤Z≤6,为地质灾害中易发区; 1≤Z≤3为地质灾害低易发区;Z<1时为地质灾害非易发区。

5.2 分区结果

根据易发程度指数评价方法,将全区地质灾害易发程度划分为高、中、低3类易发区(图7)。

图7 永定区地质灾害易发程度分区Fig.7 Geological disaster susceptibility zoning in Yongding District

高易发区主要分布在区内东北部桥头乡至阳湖坪街道一带及东南端谢家垭乡至王家坪镇南部红层发育区,面积为860.51 km2。以低山丘陵地貌为主,局部地形切割深,山体坡度陡,断褶构造复杂,岩性以志留系页岩及白垩系砂页岩为主。人口密度大,多切坡建房与公路修建等工程活动,地质环境较脆弱,灾害点密集。区内有地质灾害点165处,占全区灾害点总数的73.33%,灾害点密度为19.17处/100 km2。

中易发区主要分布在西北部罗塔坪乡、三家馆乡南部及四都坪至西溪坪街道一带,面积为720.21 km2。以中低山丘陵地貌为主,地形坡度较陡,构造发育,岩性以碳酸盐岩为主,人类工程活动多为矿山开采及公铁路施工。区内有地质灾害点55处,占全区灾害点总数的24.44%,灾害点密度为7.64处/100 km2。

低易发区主要分布在罗塔坪乡北部局部区域、茅岩河镇至三家馆乡一线、四都坪乡南部及谢家垭乡至王家坪镇北部一带,面积为588.48 km2。该区地貌包含低山丘陵、冲洪积阶地平原及中低山台地溶丘洼地,坡度变化大,地质构造相对简单。区内有地质灾害点17处,占全区灾害点总数的2.22%,灾害点密度为2.89处/100 km2。

6 结论

(1)张家界永定区地质灾害类型以滑坡为主,崩塌、泥石流、地面塌陷等为次。空间分布以中部断层发育区与东北部页岩地层区最多,受岩性控制,以志留系分布区的灾害点数量最多; 时间分布相对集中在5、6、7月雨季。

(2)区内地质灾害与地形地貌、岩土体类型、构造活动密切相关,并受降雨及人类工程活动影响。主要规律为: 在碎屑岩丘陵地貌中灾害点密度最高; 在坡度范围[25°,45°)之间,发育68%以上的地质灾害,其中以[25°,35°)区间最集中; 在志留系砂质页岩岩组中地质灾害最易发; 受构造影响明显,断褶构造带处灾害点密集; 灾害高发期与雨季耦合,突发性降雨诱发强烈; 人口密集区切坡建房、道路建设等活动强烈,加剧地质灾害的发生。

(3)根据研究区地质灾害现状、孕灾条件要素、人类工程活动等诱发因子,采用易发程度指数法,基于ArcGIS信息统计分析,将全区地质灾害易发程度划分为高易发区(东北部桥头乡至阳湖坪街道一带及东南端谢家垭乡至王家坪镇南部红层发育区)、中易发区(西北部罗塔坪乡、三家馆乡南部及四都坪至西溪坪街道一带)与低易发区(罗塔坪乡北部局部区域、茅岩河镇至三家馆乡一线、四都坪乡南部及谢家垭乡至王家坪镇北部一带)。研究成果可为永定区国土空间规划、地质灾害防治、旅游路线及重大工程建设规划提供指导。