岩溶地区危岩和岩质崩塌易发性评价研究——以广西贺州市平桂区为例

黄 海,江思义,李海良,李春玲,吴秋菊

广西壮族自治区地质环境监测站,南宁 530201

危岩和岩质崩塌作为岩溶地区常见的地质灾害,具有其独特性;岩质崩塌和危岩地质灾害其灾害特征、孕灾机理和诱发因素有别于一般的崩塌、滑坡和泥石流地质灾害。从地质环境角度,对可能发生地质灾害的状况进行易发性预测评价具有重要的实际意义,预测结果可为岩溶地区地质灾害防治对策提供依据。

针对危岩或岩质崩塌的研究成果有不少,如黄海宁(2020)以贵州省寨子组崩塌为例,利用无人机遥感技术,对山区危岩进行识别,并进行了地质灾害风险性评价;高永才(2014)对云台山景区的危岩体进行了风险性评价,并提出了治理措施;何潇(2015)对长江巫峡望霞危岩的形成机制进行了分析,并对其危险性进行了评价;詹越(2016)总结分析了公路危岩崩塌的特征,并提出了危岩的监控方法和预警手段;谷虎(2019)以“8.8”四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟地震核心景区崩塌地质灾害为研究对象,进行了三维滚石运动模拟,并进行了风险评价;周迎等(2021)利用ANP-信息量法对湖北省宜昌市点军区白垩系地层危岩崩塌地质灾害进行了易发性评价。目前,专门针对岩溶地区危岩和岩质崩塌地质灾害易发性的研究成果并未出现。国内外学者提出了多种地质灾害易发性评价方法并取得了丰硕的成果,方法主要有以下几种：层次分析法(王存智等,2021;吴福等,2019;江思义等,2021)、Logistic模型(田春山等,2016)、信息量法(毕结昂等,2022)、证据权法(白光顺等,2022)、确定性系数法(屠水云等,2022)、多元线性回归模型(张超等,2016)、模糊综合评判法(王文俊等,2003)、不安定指数分析模型(任敬等,2018)等。选取合适的评价因子,并利用恰当的评价方法成为岩溶地区危岩和岩质崩塌易发性分区评价研究的关键。专家—层次分析法具有直观、简便、易于掌握等优点,并适用离散型模型(蔡鹤生等,1998),已经得到笔者和其他学者的广泛应用(吴福等,2019;江思义等,2021;江思义等,2019a,2019b,2019c)。

近年来,随着广西所有县(市、区)完成了1：5万地质灾害详细调查和风险普查,积累了大量的资料和数据,但相关的研究成果并未涌现。鉴于此,本文在资料收集和野外调查的基础上,结合研究区地质环境条件,采用专家—层次分析法,总结了基于GIS软件对岩溶地区危岩和岩质崩塌地质灾害易发性评价的方法。评价以广西贺州市平桂区的地质环境为基础,以期为广西及中国西南山区地质灾害防治对策提供指导和借鉴。

1 评价方法研究流程

图1 基于专家—层次分析法的地质灾害易发性评价流程图Fig.1 Flow chart of geological hazard susceptibility evaluation based on AHP

2 工程实例及评级研究

2.1 研究区概况

贺州市平桂区地处广西东北部,坐标为东经111°12′～111°41′,北纬23°52′～24°34′,面积2 022 km2。研究区地形和地质构造复杂,区内人类工程活动频繁,地质灾害频发(江思义等,2019d)。据统计,平桂区岩溶区岩质崩塌65处,危岩31处,岩质崩塌和危岩共96处,占地质灾害总数的24.06%。危岩和岩质崩塌制约城乡规划和开发建设,威胁人民生命财产安全。

2.2 评价因子确定

为科学、合理评价山区地质灾害易发性,需选取合适的方法,分析影响因子的组合特征和主次关系,合理的评价指标体系尤为关键。

根据研究区的实际情况,并结合规范和前人研究资料,采用专家打分法,对岩溶区的危岩和岩质崩塌地质灾害易发性评价。本次评价以岩溶区的危岩和岩质崩塌地质灾害易发性做为目标层,选择了地质灾害发育现状、地形地貌、工程地质条件、区域地壳稳定性、气象条件、人类工程活动构成准则层即二级评判因子;为对研究区地质灾害发育特征、形成条件和影响因素的综合分析,选择了地质灾害发育密度(X1)、地貌类型(X2)、坡度(X3)、植被指数(X4)、地层岩性(X5)、岩土体类型(X6)、覆盖层厚度(X7)、岩溶发育程度(X8)、地质构造(X9)、多年平均降雨量(X10)、居民地密度(X11)、路网密度(X12)、矿山开采强度(X13)对山区地质灾害易发性影响较为明显的13个因子构成措施层即三级评判因子。岩溶区的危岩和岩质崩塌地质灾害易发性分区评价指标体系见图2。

图2 碳酸盐岩区危岩和岩质崩塌易发性分区评价指标体系Fig.2 Zoning evaluation index system of dangerous rocks and rock collapse susceptibility in carbonate areas

通过收集资料分析,并结合野外调查成果,再经专家打分法确定了对岩溶地区的危岩和岩质崩塌易发性评价各因子分区易发性的影响因子,现对各影响影响进行分析并分区计分,具体如下：

(1)地质灾害发育密度(X1)

根据平桂区地质灾害密度分区结果,对该因子赋值如下：地质灾害发育高密度区(≥0.3点/km2)赋值4分、中密度区(0.1～0.3点/km2)赋值3分、低等密度区(0.05～0.1点/km2)赋值2分、极低密度区(<0.05点/km2)赋值1分。平桂区地质灾害发育密度单因子评价分区见图3-A。

图3 地质灾害易发性评价因子分区打分图Fig.3 Geological hazard susceptibility evaluation factor zoning scoring map

(2)地貌类型(X2)

根据平桂区地质灾害与地貌类型的分布统计、并结合各地貌区与地质灾害的关联性,现将平桂区地貌类型单因子评价赋值如下：孤峰平原、峰林谷地地貌区赋值4分,峰丛洼地谷地地貌区赋值3分,残丘坡地、丘陵垄岗谷地、河谷阶地、洪积岗丘坡地地貌区赋值2分,其他地貌区赋值1分。

平桂区危岩、岩质崩塌地貌类型单因子评价分区见图3-B。

(3)坡度(X3)

根据平桂区崩塌、滑坡和不稳定斜坡地质灾害与坡度的关系统计,并结合其他研究资料,对平桂区坡度单因子评价赋值如下：坡度大于50°的区域赋值4分,坡度大于30°且小于等于50°的区域赋值3分,坡度大于10°且小于等于30°的区域赋值2分,坡度小于等于10°的区域赋值1分。平桂区危岩、岩质崩塌坡度单因子评价分区见图3-C。

(4)植被指数(X4)

根据遥感解译,获得平桂区植被指数划分等级图。平桂区植被指数单因子评价分区见图3-D。

(5)地层岩性(X5)

根据平桂区地质灾害与地层岩性的分布统计、并结合各地貌区与地质灾害的关联性,对工作区地层岩性单因子评价赋值为：泥盆系信都组(D2x)、桂林组(D3g)、第四系全新统(Qh)赋值4分;泥盆系唐家湾组(D2t)、东岗岭组(D2d)、额头村组(D3e)、第四系更新统(Qp)赋值3分;泥盆系莲花山组(D1l)、贺县组(D1h)、东村组(D3d)、石炭系尧山岭组(C1y)、黄金组(C1h)、鹿寨组(C1lz)、寺门组(C1s)赋值2分;其他地层赋值1分。地层岩性单因子评价分区见图3-E。

(6)岩土体类型(X6)

根据平桂区地质灾害与岩土体类型的分布统计、并结合各地貌区与地质灾害的关联性,各工程地质岩组单因子评价赋值为：中厚层稀裂状中—强岩溶化坚硬碳酸盐岩岩组赋值4分;中厚层稀裂状弱—中岩溶化较坚硬碳酸盐岩岩组、黏土、粉质黏土、砂土、砂卵砾石双层土体赋值3分;黏土、黏土夹砾石、碎石单层土体赋值2分;其他岩土体赋值1分。工程地质岩组单因子评价分区见图3-F。

(7)覆盖层厚度(X7)

根据统计分析及本地区经验可知,覆盖层厚度越大的区域,危岩和岩质崩塌地质灾害发育密度越小,说明覆盖层厚度对地质灾害的影响和控制作用明显。因此,将平桂区划分为>3 m、1～3 m、<1 m和非岩溶区共4类覆盖层厚度区,覆盖层厚度(按平均厚度计)单因子评价赋值为：<1 m赋值4分、1～3 m赋值3分、>3 m赋值2分、非岩溶区赋值1分。平桂区危岩、岩质崩塌覆盖层厚度单因子评价分区见图3-G。

(8)岩溶发育程度(X8)

岩溶塌陷易发性与岩溶发育程度呈正相关。将岩溶区岩溶发育程度分为强、中、弱3个级别,对岩溶塌陷影响程度分别为强、中、弱,其易发性评判分值分别为4分、3分、2分,非岩溶区评判分值为1分。平桂区岩溶发育单因子评价分区见图3-H。

(9)地质构造(X9)

以区内已查明的构造为基础,向其两侧以0.5 km为间距设置<0.5 km,0.5～1.0 km,1.0～2.0 km,>2.0 km等4个缓冲区,平桂区地质构造单因子评价赋值为：<0.5 km赋值4分,0.5～1.0 km赋值3分,1.0～2.0 km赋值2分,>2.0 km赋值1分。平桂区地质构造单因子评价分区见图3-I。

(10)多年平均降雨量(X10)

选取多年平均降雨量作为致灾单因子进行评价赋值,并根据降雨等值图(平桂区气象局制)进行区分赋值：多年平均降雨量>1 600 mm赋值4分,1 540～1 600 mm赋值3分,1 480～1 540 mm赋值2分,<1 480 mm赋值1分,平桂区多年平均降雨量单因子评价分区见图3-J。

(11)居民地密度(X11)

通过对研究区居民地密度遥感解译分析,再实地核查后,将平桂区共划分为居民地密度高、中、低、极低4个区。平桂区居民地密度单因子赋值为：居民地密度高区赋值4分,居民地密度中等区赋值3分,居民地密度低区赋值2分,居民地密度极低区赋值1分。平桂区居民地密度单因子评价分区见图3-K。

(12)路网密度(X12)

通过遥感分析和野外调查,将研究区划分为路网密度高、中、低、极低4个区。平桂区人类工程活动强度单因子赋值为：路网密度高区赋值4分,路网密度中等区赋值3分,路网密度低区赋值2分,路网密度极低区赋值1分。平桂区路网密度单因子评价分区见图3-L。

(13)矿山开采强度(X13)

同样通过遥感分析和野外调查,将研究区划分为矿山开采强度强、中、低和非矿山开采区4个区。平桂区人类工程活动强度单因子赋值为：矿山开采强度强赋值4分,矿山开采强度中等赋值3分,矿山开采强度低赋值2分,非矿山开采区赋值1分。平桂区矿山开采强度单因子评价分区见图3-M。

2.3 评价因素权重计算和分级赋值

(1)建立层次结构模型

以岩溶地区的危岩和岩质崩塌地质灾害易发性分区为目标层(U层),将地质灾害发育现状(F1)、地形地貌(F2)、工程地质条件(F3)、区域地壳稳定性(F4)、气象条件(F5)和人类工程活动(F6)这6个一级指标为准则层(F层),以地质灾害发育密度(X1)、地貌类型(X2)、坡度(X3)、植被指数(X4)、地层岩性(X5)、岩土体类型(X6)、覆盖层厚度(X7)、岩溶发育程度(X8)、地质构造(X9)、多年平均降雨量(X10)、居民地密度(X11)、路网密度(X12)、矿山开采强度(X13)这13个二级影响因素为方案层(X层);一级因子依次记为F1～F6,二级因子依次记为X1～X13,建立层次结构模型。

(2)构建判别矩阵及层次总排序

评价因子确定后,通过层次分析法计算各因子的影响大小(表1～6),检验系数CR=CI/RI满足一致性检验即可,CI表示一致性指标,RI表示随机一致性指标。

表1 判断矩阵的标度及含义Table 1 Scale and implication of the discrimination matrix

表2 分区因子判别矩阵U-FTable 2 Partition factor judgment matrix U-F

CR=0.000<0.1。

表3 分区因子判别矩阵F2-XTable 3 Partition factor judgment matrix F2-X

CR=0.001<0.1。

表4 分区因子判别矩阵F4-XTable 4 Partition factor judgment matrix F4-X

CR=0.003<0.1。

表5 分区因子判别矩阵F7-XTable 5 Partition factor judgment matrix F7-X

CR=0<0.1。

(3)评价因子分级赋值

通过理论和实际分析,按各评价因子对岩溶地区的危岩和岩质崩塌地质灾害影响程度进行量化分级,分级结果见表6。

(4)GIS软件加权叠加分析

基于GIS平台的空间分析功能,将评价分区图按权重大小计算后进行叠加,从而得到研究区所有区域的地质灾害易发性指数,并找到易发性指数的突变点,进而确定岩溶地区的危岩和岩质崩塌地质灾害易发性分区界线值,其中F<0.2为不易发,0.2

最后基于GIS软件得到易发程度分区图(图4),对分区图加以分析得出平桂区岩溶地区的危岩和岩质崩塌地质灾害易发性分区表(表7)。

3 结论

a.本文在前人研究成果的基础上,结合岩溶地区地质环境条件,利用专家—层次分析法,提出了一种基于MAPGIS利用地质环境要素对岩溶地区的危岩和岩质崩塌地质灾害易发性评价的方法。评价以广西贺州市平桂区的地质环境为基础,为岩溶地区的危岩和岩质崩塌地质灾害防治对策提供指导和借鉴。

图4 平桂区危岩和岩质崩塌地质灾害易发分区图Fig.4 Zoning map of dangerous rocks and rock-collapse-prone geological disasters in Pinggui District

b.广西平桂区山区地质灾害易发性分区的地质环境因素细分为13个：地质灾害发育密度(X1)、地貌类型(X2)、坡度(X3)、植被指数(X4)、地层岩性(X5)、岩土体类型(X6)、覆盖层厚度(X7)、岩溶发育程度(X8)、地质构造(X9)、多年平均降雨量(X10)、居民地密度(X11)、路网密度(X12)、矿山开采强度(X13)。

c.依据预测分区指标计算,将研究区岩溶地区的危岩和岩质崩塌地质灾害易发分区分为高易发区(A)、中易发区(B)、低易发区(C)、非易发区(D)4种类型,计算研究区的面积为2 022.00 km2,其中高易发区(A)的面积为89.51 km2,占调查区总面积的4.43%;中易发区(B)的面积为221.07 km2,占调查区总面积的10.93%;低易发区(C)的面积为303.65 km2,占调查区总面积的15.02%;非易发区(D)的面积为1 407.77 km2,占调查区总面积的69.62%。

d.本文选取了岩溶地区危岩和岩质崩塌地质灾害易发性相关的13个地质环境条件作为评价因子,符合专家-层次分析法离散型模型的要求,并通过该方法构建判别矩阵及层次总排序,得到各因子的权重,方法简便、易于掌握,最后通过GIS软件直观表达,使研究区的地质灾害易发分区情况一目了然,便于提供给行政部门在地质灾害防治过程中决策使用。该评价体系具有直观、简便、易于掌握等优点,并适用离散型模型的优点,值得在类似评价中推广应用。