鄧 兵

(成都理工大學(xué)國(guó)土資源部地學(xué)空間信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610051)

四川省廣元市利州區(qū)地處前龍門山與四川盆地交匯過渡地帶，地形地貌復(fù)雜，河流切割強(qiáng)烈，地層巖性較差，年降雨量大，加之受汶川地震影響，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，主要地質(zhì)災(zāi)害類型有崩塌、滑坡、地裂縫、地面塌陷等。同時(shí)，這些災(zāi)害又可能衍生出其他災(zāi)害類型，如崩塌、滑坡產(chǎn)生的巨量松散巖土可能導(dǎo)致泥石流，地裂縫可能發(fā)展成為崩塌、滑坡，崩滑體堵塞江河會(huì)形成堰塞湖，失穩(wěn)的破碎山體和崩滑堆積體存在再次崩滑的危險(xiǎn)等［1］。地質(zhì)災(zāi)害威脅著當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全，急需進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和綜合防治。

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是通過對(duì)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)程度以及各活動(dòng)條件的綜合分析，評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)的危險(xiǎn)程度，確定地質(zhì)災(zāi)害可能造成危害的區(qū)域［2］。本研究以利州區(qū)為例，利用ArcGIS的空間分析功能定量化地評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度，以期為當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)害防治和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理地質(zhì)條件

利州區(qū)位于四川盆地北部邊緣、嘉陵江上游、川陜甘三省交接處，地勢(shì)東北、西北高，中部低，形成了北部中山區(qū)、中部河谷淺丘及平壩區(qū)、南部低山區(qū)的特殊地理環(huán)境。全區(qū)土地總面積1 538.52 km2，其中70%為山地，總?cè)丝诩s48萬人。境內(nèi)山峰屬米倉(cāng)山脈西、岷山脈東、龍門山脈東北三尾端的余脈，最高海拔1 917 m，最低海拔454 m。

區(qū)內(nèi)出露地層可劃分為北西部龍門山地層分區(qū)和南東部四川盆地分區(qū)兩個(gè)大的地層單元。其中，龍門山地層分區(qū)主要分布于利州區(qū)北西部的金洞、三堆、白朝等3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，四川盆地分區(qū)則廣泛分布于寶輪、工農(nóng)、大石以南的各鄉(xiāng)鎮(zhèn);龍門山分區(qū)主要出露寒武系至石炭系地層，四川盆地分區(qū)主要是二迭系至侏羅系地層及分布于河谷平壩地區(qū)的第四系地層。

區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造大致可分為西北部龍門山北東向構(gòu)造帶與川北臺(tái)凹燕山褶皺區(qū)兩大體系。其中，西北部龍門山北東向構(gòu)造帶位于寶輪、白朝、三堆等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要有天井山復(fù)背斜、仰天窩復(fù)向斜和大茅山復(fù)背斜;川北臺(tái)凹燕山褶皺區(qū)位于寶輪、工農(nóng)、大石、柳橋一線以南的廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)，呈向東南緩傾斜的單斜構(gòu)造，主要由白堊系和侏羅系地層構(gòu)成，其內(nèi)部有走馬嶺向斜、河灣場(chǎng)背斜、射箭河向斜、潼子觀背斜、新場(chǎng)向斜、梓潼廟向斜等，斷裂極少，褶皺輕緩寬展。另外，區(qū)內(nèi)主要有林庵寺—茶壩大斷裂和馬角壩—羅家壩斷裂兩大斷裂帶，西北部龍門山構(gòu)造帶斷裂構(gòu)造最為發(fā)育，東北部大巴山過渡帶次之。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害

本次地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)共選取了研究區(qū)內(nèi)231個(gè)大中型地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，其中塌陷17處，主要分布在斷層發(fā)育地區(qū);崩塌17處，主要分布在嘉陵江河流兩岸;危險(xiǎn)性斜坡9處;滑坡188處。

2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.1 技術(shù)路線

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)步驟依次為資料收集—數(shù)據(jù)處理—建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系—選取評(píng)價(jià)模型—得出評(píng)價(jià)結(jié)果。收集的資料主要包括研究區(qū)1∶20萬地形圖、1∶20萬地質(zhì)圖、ETM+遙感影像以及年降雨量、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)信息等。首先，對(duì)柵格格式的地形、地質(zhì)圖進(jìn)行矢量化處理，對(duì)災(zāi)害點(diǎn)、降雨量信息等進(jìn)行圖形化處理，并統(tǒng)一投影坐標(biāo)系統(tǒng)，即采用6°帶高斯克呂格投影、北京54坐標(biāo)系;其次，基于ArcGIS平臺(tái)，由災(zāi)害點(diǎn)分布圖生成災(zāi)害點(diǎn)分布密度圖，由年降雨量數(shù)據(jù)插值生成年降雨量等值線圖;再次，在ArcGIS中利用矢量化的地形圖生成DEM數(shù)據(jù)，提取高程、坡度信息，并根據(jù)地質(zhì)圖中的斷層信息生成斷層密度圖;最后，應(yīng)用ArcGIS的空間分析模塊對(duì)各個(gè)圖層進(jìn)行疊加分析，根據(jù)選取的評(píng)價(jià)模型得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要有崩塌、泥石流、滑坡、塌陷等。地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)因素有很多，地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、氣候、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、水文特征、河流侵蝕、人類活動(dòng)等都會(huì)影響地質(zhì)災(zāi)害分布，其中地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層巖性等是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的基本因素，水文特征、氣候、河流侵蝕、人類工程活動(dòng)等則是地質(zhì)災(zāi)害形成的誘發(fā)因素。不同類型地質(zhì)災(zāi)害的主導(dǎo)致災(zāi)因素不同，如崩塌的主導(dǎo)致災(zāi)因素是地層巖性及地層產(chǎn)狀，而強(qiáng)降雨則是引發(fā)泥石流的重要因素［3］。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征和致災(zāi)機(jī)理，建立兩級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［4］，其中一級(jí)為分類指標(biāo)，分別為地理環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、外部條件;二級(jí)為評(píng)價(jià)因子，分別為海拔、坡度、河流水系、斷層密度、地層巖性、災(zāi)害點(diǎn)密度、年降雨量。建立的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖1。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.3 評(píng)價(jià)模型

(1)評(píng)價(jià)模型采用指數(shù)加權(quán)法。計(jì)算時(shí)，首先要確定各評(píng)價(jià)因子的單因素(屬性)指標(biāo)值，然后通過計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)求得各評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)判目標(biāo)的貢獻(xiàn)值，最后根據(jù)綜合指數(shù)F對(duì)研究區(qū)進(jìn)行等級(jí)劃分［5］。指數(shù)加權(quán)法公式為

式中:F為綜合指數(shù)，即各評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)判目標(biāo)的總貢獻(xiàn)值;Qi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的單因素指標(biāo)值;Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重;n為評(píng)價(jià)因子總數(shù)，n=7。

(2)通過計(jì)算各評(píng)價(jià)因子對(duì)災(zāi)害點(diǎn)的敏感性，來確定各評(píng)價(jià)因子的單因素指標(biāo)值。先建立各評(píng)價(jià)因子的矢量圖層，并劃分其屬性，再建立災(zāi)害點(diǎn)的空間位置圖層，然后分別計(jì)算災(zāi)害點(diǎn)和各評(píng)價(jià)因子屬性的相對(duì)組合頻率，也就是計(jì)算評(píng)價(jià)因子各屬性所對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)每100 km2災(zāi)害點(diǎn)的數(shù)量［6］。其計(jì)算公式為

式中:Fmn為評(píng)價(jià)因子m的屬性n的災(zāi)害點(diǎn)出現(xiàn)的相對(duì)頻率(因子敏感性)，個(gè)/100 km2;Nmn為評(píng)價(jià)因子m的屬性n所對(duì)應(yīng)的災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù);Smn為評(píng)價(jià)因子m的屬性n所對(duì)應(yīng)的區(qū)域面積，km2。

由式(2)計(jì)算各評(píng)價(jià)因子各屬性的敏感性，得到各評(píng)價(jià)因子的單因子指標(biāo)值。由于各評(píng)價(jià)因子量綱不同，在進(jìn)行柵格疊加分析之前，需通過線性函數(shù)轉(zhuǎn)換法對(duì)各評(píng)價(jià)因子單因子指標(biāo)值進(jìn)行歸一化處理。

(3)采用層次分析法確定各評(píng)價(jià)因子權(quán)重。首先，分析各因子之間的關(guān)系，同一層各因子根據(jù)某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行兩兩比較，比較哪個(gè)更重要，重要程度為多少，對(duì)重要性程度按1—9賦值，構(gòu)建判斷矩陣;其次，由判斷矩陣計(jì)算各被比較因子對(duì)于該準(zhǔn)則的權(quán)重，并進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn);再次，計(jì)算各層次對(duì)于總目標(biāo)的總排序權(quán)重，并進(jìn)行排序;最后，得到各因子對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)重。其中，一致性檢驗(yàn)采用一致性比例C.R.(consistency ratio)并進(jìn)行判斷，當(dāng)C.R.＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的;當(dāng)C.R.＞0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣不符合一致性要求，需要對(duì)該判斷矩陣進(jìn)行重新修正，直到C.R.＜0.1為止。計(jì)算得到各評(píng)價(jià)因子權(quán)重分別為海拔0.018 1、坡度0.204 9、斷層密度0.048 1、地層巖性0.181 9、年降雨量0.218 8、災(zāi)害點(diǎn)密度 0.109 4、河流水系 0.218 8。

2.4 柵格疊加分析

利用 ArcGIS軟件 Spatial Analyst模塊的 Raster Calculator功能，基于單個(gè)柵格像元進(jìn)行柵格疊加運(yùn)算。疊加運(yùn)算前需對(duì)各評(píng)價(jià)因子圖層?xùn)鸥翊笮∵M(jìn)行統(tǒng)一化處理，柵格大小選取的經(jīng)驗(yàn)公式［7－8］為

式中:GS為適宜格網(wǎng)大小;S為原始地形圖比例尺的分母。

根據(jù)公式(3)，結(jié)合研究區(qū)資料，最后選定柵格大小為120 m×120 m。依據(jù)各評(píng)價(jià)因子的單因素指標(biāo)值及權(quán)重，應(yīng)用評(píng)價(jià)模型對(duì)各評(píng)價(jià)因子圖層進(jìn)行疊加分析得到綜合指數(shù)，依據(jù)綜合指數(shù)將研究區(qū)劃分為不危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)和高危險(xiǎn)4個(gè)分區(qū)，得到利州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果(圖2)以及各分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)。

圖2 利州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃

表1 各分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果與討論

(1)根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，利州區(qū)不危險(xiǎn)區(qū)面積190.05 km2，占總面積的12.35%;低危險(xiǎn)區(qū)750.18 km2，占 48.76%;中危險(xiǎn)區(qū) 450.02 km2，占29.25%;高危險(xiǎn)區(qū) 148.27 km2，占 9.64%。高、中危險(xiǎn)區(qū)主要分布在地勢(shì)陡峭和常年侵蝕的河流兩岸、主要斷裂帶以及人類活動(dòng)影響較大的區(qū)域，如東壩鄉(xiāng)、河西鄉(xiāng)和盤龍鎮(zhèn)人口數(shù)量較多，人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐闹脖?、地層及地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

(2)根據(jù)利州區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)、環(huán)境條件及地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)信息，建立了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，優(yōu)選出7個(gè)評(píng)價(jià)因子，但由于不同地質(zhì)災(zāi)害類型的主要致災(zāi)因子不同，如何更科學(xué)、合理地選取評(píng)價(jià)因子，還有待進(jìn)一步研究。

(3)采用層次分析法確定各評(píng)價(jià)因子權(quán)重。層次分析法在確定因子權(quán)重時(shí)能體現(xiàn)出各因子的差異，并且能在一定程度上反映出各評(píng)價(jià)因子的具體貢獻(xiàn)率。

(4)本研究得到的利州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果是基于地質(zhì)資料得出的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率，其準(zhǔn)確性與基本資料密切相關(guān)。評(píng)價(jià)結(jié)果中，危險(xiǎn)性低的地方地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較小，并不是說地質(zhì)災(zāi)害就不會(huì)發(fā)生，因此在地質(zhì)災(zāi)害低危險(xiǎn)區(qū)也要合理開發(fā)利用資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，防止人類活動(dòng)引發(fā)系列地質(zhì)災(zāi)害，甚至發(fā)展成為地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)區(qū)。

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