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        白龍江流域滑坡危險性評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

        2014-09-17 12:11:50,,
        長江科學(xué)院院報 2014年1期
        關(guān)鍵詞:信息量柵格危險性

        , , ,

        (蘭州大學(xué) 西部環(huán)境教育部重點實驗室, 蘭州 730000)

        1 研究背景

        滑坡是指斜坡上的土、巖體,受河流、地下水、地震及人類活動等因素的影響,在重力作用下失穩(wěn),整體或分散地向下滑動的自然現(xiàn)象,是一種典型的全球性的重大自然地質(zhì)災(zāi)害[1]。當(dāng)滑坡發(fā)生在人類居住地附近時,會給人類帶來巨大的損失,因此,進(jìn)行區(qū)域滑坡危險性評價具有重大意義。

        滑坡發(fā)育的影響因子錯綜復(fù)雜,因子選取較多或不當(dāng),不但會增加評價過程的難度,甚至影響最終評價結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。所以,對影響因子進(jìn)行篩選及影響因子中各屬性類別對滑坡發(fā)育貢獻(xiàn)的研究是進(jìn)行滑坡危險性評價的關(guān)鍵。唐川[2]利用敏感性分析方法對德國波恩地區(qū)滑坡影響因子進(jìn)行了分析,同時對該區(qū)域進(jìn)行了滑坡危險性評價。敏感性分析法[3]是由日本學(xué)者M(jìn)asamn Aniya提出的統(tǒng)計學(xué)方法,利用ArcGIS對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,繼而使用敏感性分析法對滑坡發(fā)育的影響因子進(jìn)行篩選,得出關(guān)鍵影響因子,從而建立區(qū)域滑坡危險性評價指標(biāo)體系?;诮y(tǒng)計方法的滑坡災(zāi)害危險性評價需要假定滑坡的發(fā)生與若干因子相關(guān),并且在這些因子的作用下,相同的因子組合狀況依然會導(dǎo)致滑坡的發(fā)生[4]。早期 E.B.維索科奧斯特羅夫斯卡婭及N.N恰金將信息量法應(yīng)用于區(qū)域礦產(chǎn)預(yù)測中[5],晏同珍先生首先將信息論引入到滑坡預(yù)測,繼而被許多學(xué)者廣泛應(yīng)用到環(huán)境質(zhì)量評估和地質(zhì)災(zāi)害危險性評價中[6]。信息量法是一種統(tǒng)計分析法,用條件概率的形式給出評價因子的權(quán)重值,避免了主觀臆斷性[7]。集空間、屬性數(shù)據(jù)的處理、管理、查詢、分析、輸入輸出及遙感圖像處理分析等功能為一體的地理信息系統(tǒng),是當(dāng)前滑坡災(zāi)害危險性評價的強(qiáng)有力的工具[8-9]。GIS與信息量法的結(jié)合,綜合了信息量法與GIS評價方法的優(yōu)點,將GIS技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、圖形處理、空間分析功能與信息量法的定量分析評價功能結(jié)合,彌補(bǔ)了單一評價方法的不足,提高了工作效率以及結(jié)果的精準(zhǔn)性。

        本文以白龍江流域作為研究區(qū),利用GIS的信息量法對白龍江流域滑坡進(jìn)行危險性評價,通過野外調(diào)查及前人研究選取8個影響因子,并對各影響因子及其各屬性類進(jìn)行敏感性分析。

        2 研究區(qū)概況與研究方法

        2.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)為地處青藏高原向黃土高原過渡的斜坡急劇變形帶上的白龍江流域,屬西秦嶺侵蝕-剝蝕構(gòu)造山地,處于我國南北構(gòu)造帶與東西構(gòu)造帶的交匯處。構(gòu)造線呈NWW向延伸,斷裂多屬壓性,區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造為:白龍江復(fù)式背斜、文縣復(fù)式向斜、文(縣)-康(縣) 斷裂帶等。研究區(qū)內(nèi)溝壑縱橫、切割強(qiáng)烈、谷道狹窄、山勢陡峻,地勢西高東低。區(qū)內(nèi)地層從志留系到第四系均有出露,志留系、泥盆系、石炭系、二疊系等分布也較為廣泛。受新構(gòu)造活動的影響,巖層擠壓、褶皺斷裂嚴(yán)重,導(dǎo)致研究區(qū)巖層十分破碎。流域水系呈不規(guī)則的樹枝狀,其主要支流有白水江、岷江、達(dá)拉溝和拱壩河等。降水集中在6—9月份,多為暴雨。

        2.2 研究方法

        2.2.1 敏感性指數(shù)IL分析法

        IL=b/a;

        (1)

        a=Pmn(G)/Pm(G) ;

        (2)

        b=Pmn(L)/Pm(L) 。

        (3)

        式中:IL表示滑坡敏感性指數(shù);Pmn(L)表示影響因子m的n個屬性類別中存在滑坡點的柵格個數(shù);Pm(L)表示影響因子m中的所有滑坡點的柵格個數(shù);Pmn(G)表示影響因子m的n個屬性類別中不存在滑坡點的柵格個數(shù);Pm(G) 表示影響因子m所占的總柵格個數(shù)[10]。

        2.2.2 GIS的信息量法

        (1) 計算各影響因子Xi對滑坡災(zāi)害發(fā)生(H)提供的信息量Ii(Xi,H):

        (4)

        式中:P(Xi,H)為滑坡災(zāi)害發(fā)生(H)條件下出現(xiàn)影響因子Xi的概率;P(Xi)為研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)影響因子Xi的概率。

        公式(4)為理論公式,但在實際計算中通常采用下列樣本頻率計算:

        (5)

        式中:Ni為分布在影響因素Xi內(nèi)的災(zāi)害單元數(shù),N為研究區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害分布的單元總數(shù);Si為研究區(qū)內(nèi)含有影響因素Xi的單元數(shù),S為研究區(qū)所劃分的評價單元總數(shù)。

        (2) 計算某個評價單元內(nèi)總的信息量I:

        (6)

        式中n為評價因子數(shù)。

        (3) 基于GIS的信息量法實際上對處理對象進(jìn)行了變換,將式(6)進(jìn)行如下變換:

        (7)

        式中,N/S為研究區(qū)滑坡災(zāi)害分布密度,研究區(qū)一定時,該值是定值。因此,只需計算Ni/Si即可。

        3 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

        3.1 影響因子敏感性分析

        滑坡發(fā)育的影響因子一般主要有地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)條件及破壞動力等[11]。本文在野外調(diào)查及前人研究的基礎(chǔ)上,選取高程、坡度、坡向、地質(zhì)年代、河流緩沖區(qū)、距地質(zhì)構(gòu)造線的距離、NDVI以及土地利用8個影響因子,這些評價因子在已有的滑坡危險性評價研究中已被廣泛應(yīng)用, 并取得了大量的研究成果[12-14]。對以上8個影響因子的各屬性類進(jìn)行相對頻率組合定量計算,最終確定其滑坡敏感性指數(shù)IL。具體計算過程是:①在ArcGIS中將選取的8個影響因子的屬性用柵格單元表示,柵格大小為200 m×200 m;②將白龍江流域內(nèi)402個滑坡災(zāi)害點圖層添加到ArcGIS中不同屬性圖層的柵格單元中,提取滑坡災(zāi)害點所處位置中各個影響因子的屬性數(shù)據(jù),用柵格單元個數(shù)表示,得出影響因子m的n個類別中存在滑坡點的柵格個數(shù)Pmn(L)、影響因子m中所有滑坡點的柵格個數(shù)Pm(L)、影響因子m的n個類別中不存在滑坡點的柵格個數(shù)Pmn(G)以及影響因子m所占的總柵格個數(shù)Pm(G);③根據(jù)公式(1)至公式(3)計算得出各個影響因子的各屬性類別的敏感性;④根據(jù)影響因子各屬性類別的敏感性可得出各影響因子的平均敏感性。

        根據(jù)敏感性計算方法及Gokceoglu等[15-17]的研究成果,說明某個因子中某一屬性類別的IL值大于1,則滑坡與該屬性類別成正相關(guān),其對滑坡的發(fā)育具有較明顯的促進(jìn)作用,滑坡在該屬性類內(nèi)發(fā)生的概率較大;反之若IL值小于1,則說明滑坡與該屬性類成負(fù)相關(guān),其對滑坡的發(fā)育具有一定的抑制作用,滑坡在該屬性類內(nèi)發(fā)生的概率較小。而當(dāng)IL值接近于1時,說明該屬性類別與滑坡相關(guān)性不大,接近于整個區(qū)域內(nèi)的平均水平。根據(jù)各個影響因子各屬性類別的敏感性得出各影響因子的平均敏感性,若某個影響因子的平均敏感性值小于1,則不作為該地區(qū)滑坡危險性評價的參評因子。

        (1) 坡向:坡向?qū)掳l(fā)育的影響主要表現(xiàn)為山坡的小氣候以及水熱比的規(guī)律性差異[18]。對該因子進(jìn)行IL計算,如圖1(a)所示:在90°~315°之間,IL都大于1,說明在該屬性類別范圍內(nèi)對滑坡的發(fā)育產(chǎn)生了積極影響;而在其它屬性類別中IL都低于1,因此,對滑坡的發(fā)育產(chǎn)生了抑制作用。

        (2) 高程:水系發(fā)育程度、土壤類型、植被類型、人類活動等都與高程有密切的關(guān)系,本文將研究區(qū)高程分為以下5個類別:575~1 400 m,1 400~2 300 m,2 300~3 200 m,3 200~4 100 m,4 100~5 100 m。通過IL值計算,如圖1(b)所示:隨著高程的增加,IL值逐漸降低,高程越低,滑坡發(fā)育越好。在2 300~5 100 m之間,IL值都低于1,說明在該屬性類別范圍內(nèi)對滑坡的發(fā)育無影響,相反起到抑制作用;在575~2 300 m之間,IL值大于1,該區(qū)域內(nèi)高程相對較低,人類活動頻繁,大范圍采石采礦工廠的建立,沿坡地密集的建筑以及修路等,都將引起巖、土體松動,甚至坍塌,同時山區(qū)房屋的建設(shè)一般都分布于坡面上,在房屋建設(shè)過程中,難免觸及部分滑坡的滑動面,進(jìn)而使得斜坡失穩(wěn)。

        (3) 河流緩沖區(qū):河流侵蝕作用對坡面具有極大的影響,河流不斷的淘蝕坡角產(chǎn)生許多臨空面,促使了滑坡的發(fā)生。在ArcGIS中對白龍江進(jìn)行緩沖區(qū)分析,劃分距河流的距離500,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000 m的緩沖區(qū),將滑坡災(zāi)害點關(guān)聯(lián)到河流緩沖區(qū)圖層中得出,隨著緩沖區(qū)的增大,滑坡發(fā)生的數(shù)量和密度逐漸減少。對該因子進(jìn)行IL值計算,如圖1(c)所示:在1 000 m緩沖區(qū)以內(nèi),IL值都大于1,對滑坡的發(fā)育產(chǎn)生了積極影響作用,足夠大的臨空面是滑坡發(fā)生的重要條件之一,河水的不斷沖蝕作用,使得河流沿岸的坡角遭到嚴(yán)重的淘蝕,在研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了大量的臨空面,因此距離河流越近,越能夠促進(jìn)滑坡的發(fā)育;而在大于1 000 m的緩沖區(qū)中IL值都低于1,河流沖蝕能力降低,對滑坡發(fā)育的影響作用也越來越小。

        (4) 坡度:坡度是滑坡發(fā)生的重要影響因素之一,對滑坡發(fā)生起到控制性作用。坡度增大,重力及剪切力也隨之增大,因此,滑坡發(fā)生的概率也不斷的增大。本文將研究區(qū)坡度分為4個類別:0°~15°,15°~35°,35°~45°,45°~70°。對該因子進(jìn)行IL值計算,如圖1(d)所示:在0°~15°,15°~35°以及45°~70°之間,IL值都大于1,說明在該屬性類別范圍內(nèi)對滑坡的發(fā)育產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。在低坡度范圍內(nèi),人類活動頻繁,地下水埋深較淺,都有利于新滑坡的發(fā)育,同時也為老滑坡的復(fù)活提供了有利條件。坡度較大的地方,發(fā)生崩塌的概率較大,崩塌產(chǎn)生的碎石為滑坡的發(fā)育提供了物源條件,因此坡度在45°~70°之間也有利于滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

        (5) 土地利用類型:研究區(qū)內(nèi)土地利用類型為耕地、林地、草地、水域、居民用地以及未利用土地6個類型。對該因子進(jìn)行IL值計算,如圖1(e)所示,其中耕地和居民用地的IL值大于1,耕地及居民用地都在不同程度上破壞了土體及巖體的結(jié)構(gòu),使得研究區(qū)內(nèi)該屬性類別中的土體變得松散,進(jìn)而促進(jìn)滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

        (6) 距斷層構(gòu)造線距離:在ArcGIS中對研究區(qū)的斷層構(gòu)造線進(jìn)行緩沖區(qū)分析,劃分的緩沖區(qū)為:1 000,2 000,3 000,4 000,5 000 m。對該因子進(jìn)行IL值計算,如圖1(f)所示,在距離構(gòu)造線1 000 m內(nèi)IL值大于1,在研究區(qū)內(nèi)斷層構(gòu)造線分布零亂,在區(qū)域性斷裂構(gòu)造的交叉復(fù)合部位,巖石通常較為破碎,距離構(gòu)造線越近,構(gòu)造活動越為強(qiáng)烈,其附近巖土遭到破壞程度越大,進(jìn)而破壞了坡體的穩(wěn)定性。因而距構(gòu)造線的距離越遠(yuǎn),越不利于滑坡的發(fā)育。

        (7) 歸一化植被指數(shù)(NDVI):本文在ArcGIS中對歸一化植被指數(shù)進(jìn)行分類,分別為-0.14~0.13,0.13~0.35,0.35~0.55,0.55~0.75,0.75~0.96。對該因子進(jìn)行IL值計算,如圖1(g)所示,僅在0.13~0.35范圍內(nèi),IL值大于1,其他范圍內(nèi)IL值都低于1,都抑制了滑坡的發(fā)育。

        (8) 地質(zhì)年代:研究區(qū)位于松潘-甘孜褶皺帶,武都山字型構(gòu)造與隴南斜迭弧形構(gòu)造的交錯部位[19]。巖性決定相關(guān)的力學(xué)性質(zhì),一般軟弱的巖土其力學(xué)性質(zhì)都比較差[20]。對該因子進(jìn)行IL值計算,如圖1(h)所示,在泥盆系(D)、下侏羅系(J)、志留系(S)、新第三系(N)以及第四系(Q)中IL值大于1,在以上5個屬性類別范圍內(nèi),主要巖石類型為千枚巖、灰?guī)r、粉砂巖、泥巖等,巖體風(fēng)化現(xiàn)象嚴(yán)重,較為破碎松散,為滑坡的發(fā)育提供了物源條件;而在石炭系和上白堊系中IL值都略大于1,對該區(qū)域滑坡的發(fā)育沒有產(chǎn)生積極的促進(jìn)或抑制作用。

        3.2 關(guān)鍵影響因子篩選

        利用各個影響因子的各屬性類別的IL值,對預(yù)選的8個影響因子進(jìn)行平均敏感性計算,得出:土地利用(1.992)>地質(zhì)年代(1.262)>高程(1.123)>河流緩沖區(qū)(1.059)>距斷層構(gòu)造線距離(1.058)>坡度(1.014)>坡向(0.978)>NDVI(0.505)。由于坡向和NDVI的平均敏感性值均小于1,所以,將坡向和NDVI因子剔除,不作為該地區(qū)滑坡危險性評價時的參評因子。最終選取土地利用、地質(zhì)年代、高程、河流緩沖區(qū)、距斷層構(gòu)造線距離以及坡度作為白龍江流域滑坡危險性評價的參評因子。

        4 滑坡危險性評價

        表1 信息量值計算結(jié)果Table 1 Calculation results of information quantity

        信息量模型就是在柵格單元內(nèi)將各影響因子對滑坡影響的信息量累加,確定每個柵格單元中各因子對滑坡發(fā)生的綜合信息量值,然后根據(jù)綜合信息量值進(jìn)行危險性區(qū)劃[21]。研究區(qū)內(nèi)共有滑坡災(zāi)害點402個,分布廣泛,且暴發(fā)頻率高,危害極為嚴(yán)重。本文在進(jìn)行滑坡危險性評價時,首先在ArcGIS中隨機(jī)選取50個點作為驗證點,不參與計算,另外352個滑坡點作為樣本點參與計算,進(jìn)行滑坡危險性分區(qū)。

        4.1 影響因子信息量值計算

        對確定的6個參評因子進(jìn)行分析,在ArcGIS中對各因子圖層進(jìn)行柵格,柵格大小為200 m×200 m,從各因子圖層中提取相關(guān)信息,根據(jù)公式(7)對各圖層因子進(jìn)行信息量計算,然后在ArcGIS中對各因子圖層進(jìn)行信息量賦值,由于ArcGIS默認(rèn)取整數(shù),因此,在賦值過程中需要將信息量值擴(kuò)大十萬倍,以便取到小數(shù)點后5位。6個因子圖層的信息量計算結(jié)果見表1。從表中分析得出:高程在575~1 400 m的范圍內(nèi),信息量值最大,受人類活動影響大,發(fā)生滑坡的可能性較大;隨著河流緩沖區(qū)的增加,信息量值不斷減少,說明離河流越近,對滑坡災(zāi)害的影響越大;地質(zhì)年代中,新第三系(N)的信息量值最大,巖性為紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖等,與地層呈不整合接觸,表層松散破碎的覆蓋物為滑坡產(chǎn)生提供了有利條件;坡度在0°~35°以及45°~70°之間容易發(fā)生滑坡災(zāi)害;距離斷層構(gòu)造線較近的范圍內(nèi),信息量值大,更容易促進(jìn)滑坡的發(fā)育。土地利用類型中,人類活動頻繁的耕地以及居民用地中信息量值大,充分說明,人為活動對滑坡的發(fā)育具有重大的影響。

        4.2 滑坡危險性分區(qū)

        圖2 白龍江流域滑坡危險性分區(qū)圖Fig.2 Map of risk zoning for landslides in Bailong river basin

        將6張信息量圖在ArcGIS中利用Raster Calculator進(jìn)行運(yùn)算疊加分析,將各因子的信息量值疊加,得到一張綜合信息量圖,其信息量范圍是-11.141 01~6.095 59,信息量值越大,發(fā)生滑坡的可能性越大。在ArcGIS中將其重新分類,劃分為5級:極高度危險區(qū)(2.648 27~6.095 59)、高度危險區(qū)(-0.799 05~2.648 27)、中度危險區(qū)(-4.246 37~-0.799 05)、輕度危險區(qū)(-7.693 69~-4.246 37)以及極輕度危險區(qū)(-11.141 01~-7.693 69)。最后,得到白龍江滑坡危險性區(qū)劃圖,如圖2。圖中紅色區(qū)域容易發(fā)生滑坡災(zāi)害,主要集中在白龍江沿岸,舟曲一帶的山坡上,岷江下游官亭—兩河口段區(qū)域、拱壩河下游以及武都部分區(qū)域。

        4.3 結(jié)果驗證

        將50個滑坡驗證點在ArcGIS中關(guān)聯(lián)到上述危險性分區(qū)圖中,其中16個滑坡點落在極高度危險區(qū)內(nèi),33個滑坡點落在高度危險區(qū)內(nèi),1個滑坡點落在中度危險性區(qū)內(nèi),因此,98%的驗證點落在高度及極高度危險區(qū)內(nèi),充分證明GIS技術(shù)和信息量法在滑坡危險性評價中的可靠性和準(zhǔn)確性,同時也證明了本文所選取的評價因子的正確性及合理性。

        5 結(jié) 論

        (1) 本文利用滑坡敏感性指數(shù)對影響白龍江流域滑坡發(fā)育的影響因子進(jìn)行了詳細(xì)分析,最終得出:影響因子屬性類別在高程為575~2 300 m、坡度在0°~15°,15°~35°以及45°~70°之間、河流緩沖區(qū)在1 000 m之內(nèi)、土地利用為耕地和居民用地、地質(zhì)年代為泥盆系、下侏羅系、志留系、新第三系以及第四系,距離構(gòu)造線在1 000 m以內(nèi)時,對研究區(qū)滑坡災(zāi)害的發(fā)育起到積極的促進(jìn)作用。

        (2) 由于坡向和NDVI的平均敏感性指數(shù)小于1,因此將二者剔除。最終確定高程、坡度、土地利用、地質(zhì)年代、距斷層構(gòu)造線距離以及河流緩沖區(qū)6個影響因子作為白龍江流域滑坡危險性評價的參評因子。最終利用GIS技術(shù)和信息量法結(jié)合將研究區(qū)滑坡危險性等級劃分為5級。

        (3) 本文選取敏感性指數(shù)分析法及GIS的信息量法,對參評因子選取時沒有直接將人為選取的影響因子全部進(jìn)行籠統(tǒng)的疊加分析,而是經(jīng)過細(xì)致分析,經(jīng)過篩選得到合理的指標(biāo)體系;在最終評價時也通過了信息量法的統(tǒng)計分析,用條件概率的形式較客觀地賦予了評價因子權(quán)重。二者都較好地避免了人為的主觀臆斷性,提高了評價結(jié)果的精準(zhǔn)性。

        (4) 由于資料來源有限,未能獲取更高分辨率影像,在作分析時必然影響結(jié)果,有待進(jìn)一步改善。

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