余飛燕,呂蒙,楊軍
1.昆明理工大學國土資源學院,云南昆明650093;2.云南大學資源環(huán)境與地球科學學院,云南昆明650504
云南省鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要致災(zāi)因子篩選及危險性分區(qū)
余飛燕1,呂蒙1,楊軍2
1.昆明理工大學國土資源學院,云南昆明650093;2.云南大學資源環(huán)境與地球科學學院,云南昆明650504
綜合環(huán)境地質(zhì)學、自然地理學等學科的理論和方法,對野外實地調(diào)查及室內(nèi)整理的數(shù)據(jù)進行數(shù)學模型計算,系統(tǒng)研究了鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害的時空分布規(guī)律.基于GIS疊加分析功能,得出鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要致災(zāi)因子,采用滑坡確定性系數(shù)(CF)法對滑坡地質(zhì)災(zāi)害各個因子數(shù)據(jù)進行量比,并根據(jù)主要致災(zāi)因子數(shù)據(jù)與滑坡形成有利級別進行多元線性回歸模型的建立,最終獲得適用于鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要致災(zāi)因子的多元線性回歸模型,在此基礎(chǔ)上對滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險性進行分區(qū),得到各個分區(qū)的分布情況.
滑坡;多元線性回歸模型;CF;致災(zāi)因子;云南省鎮(zhèn)雄縣
鎮(zhèn)雄縣已發(fā)現(xiàn)滑坡地質(zhì)災(zāi)害111個,屬于滑坡地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū),滑坡頻繁發(fā)生.據(jù)報道,2012年7月21日,鎮(zhèn)雄縣持續(xù)強降雨天氣使洪水肆虐、山體滑坡、房屋垮塌,致7人死亡、2人失蹤、3人受傷,直接經(jīng)濟損失3.15億元.2013年1月11日鎮(zhèn)雄縣果珠鄉(xiāng)高坡村趙家溝村民組發(fā)生嚴重山體滑坡事故,造成46人死亡,多戶人家被埋.地質(zhì)災(zāi)害給鎮(zhèn)雄縣人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失,所以對鎮(zhèn)雄縣進行滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要致災(zāi)因子篩選及其危險性分區(qū)研究十分有意義.
本文通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析,初步分析了鎮(zhèn)雄縣滑坡發(fā)育控制因素和主要影響因素,并采用滑坡確定性系數(shù)(CF)方法對滑坡地質(zhì)災(zāi)害各個因子數(shù)據(jù)進行量化,消除定性數(shù)據(jù)人為主觀因素的影響,實現(xiàn)數(shù)據(jù)均為客觀的定量數(shù)據(jù),保障分析結(jié)果的客觀性.應(yīng)用多元線性回歸模型計算評價區(qū)內(nèi)各單元格地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率,對整個鎮(zhèn)雄縣的滑坡地質(zhì)災(zāi)害進行了區(qū)劃.
鎮(zhèn)雄縣區(qū)域構(gòu)造上位于揚子準地臺婁山弧形箱形褶皺區(qū),屬于滇東、滇東北新華夏系、華夏系構(gòu)造體系.區(qū)內(nèi)以多字型構(gòu)造較為發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,構(gòu)造形跡以褶皺為主,向、背斜構(gòu)造的相間排列及斷裂構(gòu)造的錯移,致使巖體褶曲破壞嚴重,巖體多呈塊狀、碎塊狀,斷層帶附近,巖體更為破碎,呈斷層角礫巖,為滑坡地質(zhì)災(zāi)害的形成及發(fā)展孕育了條件.
區(qū)內(nèi)地層出露較齊全,除第三系、泥盆系地層外,其他地層均有出露,尤以二疊系、三疊系較為發(fā)育,且上二疊統(tǒng)峨眉山玄武巖分布廣泛.各時代地層之間均呈整合或假整合接觸,其主要巖性為淺海相碳酸鹽巖、碎屑巖,其次是濱海相、海陸相交互相的砂巖、泥巖、頁巖和含煤建造.第四系沉積類型單一,山間小盆谷堆積.偶見河流階地,厚度小.地層巖性巖相的特殊分布,以及二疊系、三疊系地層中以軟巖、軟硬相間巖(巖組)為主,在地形陡峭地段易形成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害.
研究區(qū)以構(gòu)造侵蝕峽谷中—高山地形地貌為主,水資源較為發(fā)育,縣內(nèi)大小河流共有21條,徑流長度超過10 km的河流共17條,另有遍布全縣的大小沖溝不計其數(shù),地表河流、沖溝支流天然落差較大,河流河床陡險多石,河水流量受控于降水量的時空分布明顯,豐、枯季節(jié)各河流水流量變化較大,洪峰流量亦大小不一.
同時,鎮(zhèn)雄縣干濕季明顯,冬天較長,氣溫相差大,氣溫的急劇變化加速了巖體的風化,巖土體力學性質(zhì)降低,為滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生提供了條件.鎮(zhèn)雄縣降雨時空分布不均,降雨主要集中在每年的6~8月份.干季,巖體干燥,風化強烈.雨季降雨時間長,軟化土體,抗剪強度急劇降低.暴雨、持續(xù)強降雨,松散土體處于飽和狀態(tài),形成強烈的地表徑流,沖刷和淘蝕斜坡腳,容易誘發(fā)老滑坡復(fù)活,新滑坡隨之產(chǎn)生.
本文所采取的數(shù)據(jù)量化及分析方法為滑坡確定性系數(shù)(CF)分析方法[1-3].該方法是一種結(jié)合確定性系數(shù)(CF)來分析影響滑坡發(fā)生的各個因素敏感性的方法.滑坡確定性系數(shù)(CF)分析方法為一個概率函數(shù),最早由E.H.Shortliffe和B.G.Buchanan[4]提出,由D. Heckerman[5]進行完善改進,具體表示為:
式中:PPa為因子分級a中發(fā)生滑坡的條件概率,可表示a單元中的滑坡面積百分比值;PPs為事件在整個研究區(qū)中發(fā)生的先驗概率,表示為整個研究區(qū)的滑坡面積百分比值.
通過式(1)的函數(shù)轉(zhuǎn)化,CF為[-1,1].正值代表事件發(fā)生確定性的增長,即滑坡變形失穩(wěn)的確定性高;負值代表確定性的降低,表示滑坡變形失穩(wěn)的確定性低;接近于0值,代表先驗概率與條件概率十分接近,事件發(fā)生的確定性不能進行確定.
計算出每一數(shù)據(jù)層的CF后,需要將不同數(shù)據(jù)層的CF進行合并.假定要合并的兩數(shù)據(jù)層的CF值分別為x和y,合并得到的結(jié)果為Z,合并的公式如下:
每個因子數(shù)據(jù)層的CF計算及合并均在ArcGIS軟件中進行.按一定的規(guī)則對合并后得到的Z值進行重新劃分,得到滑坡形成條件分區(qū)結(jié)果.通過對比已有滑坡數(shù)據(jù),可確定每一種致災(zāi)因子對滑坡發(fā)生的影響程度,從而確定滑坡主要致災(zāi)因子.
3.1 滑坡地質(zhì)災(zāi)害影響因子敏感性分析
滑坡災(zāi)害是各種內(nèi)外影響因素綜合作用的產(chǎn)物,涉及地形地貌、地質(zhì)環(huán)境,以及水文動力等方面,滑坡災(zāi)害影響因素的選取是危險性研究的基礎(chǔ).根據(jù)鎮(zhèn)雄縣具體情況以及資料收集情況,選擇了高程、坡度、起伏度、巖性(巖組)等8個因子來進行致災(zāi)因子敏感性分析.
3.1.1 高程
鎮(zhèn)雄縣地處烏蒙山脈北緣斜坡山地,處于金沙江南岸,總體地勢西南高、東北低,全縣最低高程520 m,最高高程2416 m,縣境內(nèi)最大高差達1896 m.本文將高程因子分為小于700 m、700~1200 m、1200~1700 m、1700~2200 m以及大于2200 m等5類.通過(1)式得到的CF值可知高程因子中700~1200 m滑坡易發(fā)性高.
3.1.2 坡度
在平緩地帶,滑坡是很難形成的.斜坡失穩(wěn)形成滑坡一般發(fā)生在小于60°的地帶,超過60°,斜坡失穩(wěn)一般以崩塌的形式出現(xiàn).鎮(zhèn)雄縣屬于山區(qū),坡度變化明顯,高坡度地區(qū)主要集中在鎮(zhèn)雄縣中東部地區(qū),坡度高達50°,中部及中西部相對平緩.本文將坡度因子分為4類,通過(1)式得到坡度分級及CF值(見表1).由表1可知坡度因子5~15°滑坡易發(fā)性高.
表1 坡度分級及CF值Table 1 Slope grading and CF values
3.1.3 起伏度
起伏度為特定區(qū)域內(nèi)(30 m×30 m柵格單元內(nèi))的相對高差.本文為了方便后期數(shù)據(jù)分析,引入起伏度的概念對地形變化進行量化.鎮(zhèn)雄縣境內(nèi)山高坡陡,溝谷縱橫,主要為山區(qū),面積占縣域總面積的46%.本文將起伏度因子分為5類.起伏度分級及CF值見表2.由表2可知起伏度因子中30~200 m滑坡易發(fā)性高.
表2 起伏度分級及CF值Table 2 Grading of relief amp litude and CF values
3.1.4 巖性(巖組)
鎮(zhèn)雄縣巖體總體以沉積巖為主,主要巖性為碳酸鹽巖、碎屑巖,第四系沉積類型單一,為山間小盆谷堆積、偶見河流階地,厚度小.本文將巖性因子分為堅硬巖組、半堅硬巖組、軟弱巖組、松散巖巖組等4類.通過(1)式得到的中半堅硬巖組滑坡易發(fā)性高,CF值為0.681.
3.1.5 坡向
有學者研究認為,斜坡的朝向可能也與滑坡的易發(fā)性程度有關(guān),但要因地區(qū)而異.本文根據(jù)斜坡朝向?qū)⑵孪蛞蜃臃譃闁|、西、南、北與平地等5個二級因子.其中北朝向指角度在0~45°與315~360°范圍內(nèi),東朝向為坡向角度在45~135°范圍內(nèi),南朝向為坡向角度在135~225°范圍內(nèi),西朝向為坡向角度在225~315°范圍內(nèi).通過CF分析得到坡向南區(qū)段滑坡易發(fā)性高.
3.1.6 與水系距離
總體上,鎮(zhèn)雄縣水資源發(fā)育,地表河流天然落差較大,河流河床陡險多石,河流兩側(cè)邊坡前緣常年受水浸潤,土體之間的摩擦力減小,土體的抗滑力下降,引發(fā)了大量滑坡.本文將鎮(zhèn)雄縣與主要水系的距離因子劃分為與水系距離小于200、200~400、400~600 m以及大于600 m 4級.通過(1)式的函數(shù)轉(zhuǎn)化得到每個區(qū)段的CF值,通過CF分析得到距離水系200~400 m區(qū)段是滑坡易區(qū)域.
3.1.7 與道路距離
在道路的修建和運營過程,對于斜坡土體有一個擾動作用,可能破壞土體的平衡,尤其是在土體處于極限平衡狀態(tài)時.故本文將公路基礎(chǔ)建設(shè)作為滑坡的一個誘發(fā)因子.本文取鎮(zhèn)雄縣主要道路為研究對象,與道路距離因子分為小于500、500~1000、1000~1500 m以及大于1500 m 4級.通過CF分析,與道路距離在小于500 m區(qū)段滑坡易發(fā)性高,即敏感性高.
3.1.8 降雨
眾所周知,降雨是引發(fā)滑坡發(fā)生的最為普遍的因素之一,特別是暴雨和綿綿細雨的危害更大.根據(jù)對鎮(zhèn)雄縣滑坡的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),全縣共有滑坡地質(zhì)災(zāi)害111處,發(fā)育中型滑坡52個,小型滑坡37個,大型滑坡22個.這些滑坡全部具備了滑坡發(fā)生的必要條件,其出發(fā)因素絕大多數(shù)是降雨.鎮(zhèn)雄縣降雨量時間分配極不均勻,主要集中在6~8月,占全年總量的76%,境內(nèi)多年平均降雨量為923.6 mm.本文根據(jù)年暴雨天數(shù)劃分了4類:小于1天、1~2天、2~3天及大于3天.通過CF分析,年暴雨天數(shù)在大于3天區(qū)段滑坡易發(fā)性高.
3.2 主要致災(zāi)因子的篩選
基于上述對于選取的各個致災(zāi)因子的敏感性分析,根據(jù)公式(2)對各個數(shù)據(jù)層進行合并,合并字段為CF值.首先將其中2個因子數(shù)據(jù)層進行合并形成新的數(shù)據(jù)層,再將另外一個因子數(shù)據(jù)層與新的數(shù)據(jù)層合并,直到所有數(shù)據(jù)層均合并為止.為了使合并結(jié)果便于解釋,將合并圖層的CF字段值進行分級,分為3級.劃分的標準與相應(yīng)級別的意義如表3所示.
表3 CF級別劃分Table 3 Level grading of CF values
通過對滑坡主要致災(zāi)因子的分析,得出巖性(巖組)、坡度、坡向、起伏度、與水系距離、與道路距離、降雨量等因子能作為影響鎮(zhèn)雄縣滑坡發(fā)育的主要因子.
4.1 回歸模型的建立
統(tǒng)計學中回歸的含義是指:變量之間定量的依存關(guān)系[6-10].
標準的線性回歸方程[11-14]如下:
將回歸原理用于滑坡形成條件分析中,βi表示各致實因子回歸系數(shù);xi表示各致災(zāi)因子指標值,取值范圍[-1,1].因變量Y就是滑坡形成條件有利級別,取值范圍[1,6].
隨機選取局部區(qū)域柵格單元(本文隨機選取200個柵格作為樣本數(shù)據(jù)),采用各因子數(shù)據(jù)類CF值作為回歸模型的自變量,滑坡形成條件有利級別作為因變量,將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS統(tǒng)計分析軟件,進行多元線性回歸分析,得到鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要因子的回歸模型,如表4.
表4 滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要因子回歸分析表Table 4 Regression analysis of major factors of landslide disaster
將最終統(tǒng)計量帶入(3)得出:Y=3.176+1.843×x1+…+1.121×x7
式中:x1,x2,x3……x7,分別代表巖性(巖組)、坡度、坡向、與水系距離、與道路距離、起伏度及降雨等致災(zāi)因子的CF值.
表4中顯著性水平sig.均接近于零,說明自變量對因變量均有顯著影響.
4.2 回歸模型的檢驗
根據(jù)所得回歸模型,進行主要致災(zāi)因子圖層疊加分析,得到最終滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險度分區(qū)結(jié)果(如圖1所示).分別統(tǒng)計各分區(qū)覆蓋的區(qū)域面積,結(jié)果如表5所示.
由上表可以看出,已發(fā)的滑坡主要集中在高危險區(qū)域,而歷史上很少發(fā)生滑坡的地區(qū)滑坡分布相對稀疏.這一結(jié)果表明所建模型分區(qū)符合歷史上滑坡分布現(xiàn)狀.因此,所建鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害主要致災(zāi)因子多元線性回歸模型合理、有效.
表5 危險性分區(qū)統(tǒng)計表Table 5 Statistics of risk zoning
高危險區(qū)主要分布在鎮(zhèn)雄縣縣城、潑機鎮(zhèn)、牛場鎮(zhèn)、羅坎鎮(zhèn)、塘房鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)(圖1).區(qū)內(nèi)主要巖性為粉砂巖、細砂巖、泥巖、頁巖夾灰?guī)r,其特點是滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育集中,活動頻繁、穩(wěn)定性差.區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育59個.
不確定區(qū)主要分布在鎮(zhèn)以古鄉(xiāng)、花山鄉(xiāng)、以勒鎮(zhèn)、牛場鎮(zhèn)、場壩鎮(zhèn).區(qū)內(nèi)主要巖性為塊狀灰?guī)r、生物灰?guī)r、假鮞狀灰?guī)r、厚層狀灰?guī)r,局部夾鮞狀灰?guī)r,生物灰?guī)r.區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育22個.
低危險區(qū)主要分布在鎮(zhèn)五德鎮(zhèn)、羅坎鎮(zhèn)、以勒鎮(zhèn)、場壩鎮(zhèn).區(qū)內(nèi)主要巖性為灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、灰、青灰色灰?guī)r.區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育30個.
根據(jù)鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)條件研究,本文得出以下結(jié)論.
1)分析得出所選各個致災(zāi)因子的敏感區(qū)段,高程:700~1200 m;坡度:5~15°;起伏度:30~200 m;巖性(巖組):半堅硬巖組;坡向:南;與水系距離:200~400 m;與道路距離:小于500 m;降雨:暴雨大于3天.
2)根據(jù)滑坡地質(zhì)災(zāi)害確定性系數(shù)CF值,確定了每個因子數(shù)據(jù)類的主要程度,之后采用各圖層依次疊加分析,得到巖性(巖組)、坡度、坡向、起伏度、與水系距離、與道路距離等6個致災(zāi)因子為鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要致災(zāi)因子.
3)根據(jù)篩選出的主要致災(zāi)因子進行多元線性回歸分析得出其多元線性回歸模型,并疊加已發(fā)滑坡數(shù)據(jù)對多元線性回歸模型進行檢驗,所能解釋的滑坡面積占總滑坡面積的84.27%,檢驗結(jié)果較好.
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圖1 鎮(zhèn)雄縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)圖Fig.1 Zonation map of geological landslide disaster in Zhenxiong County
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RISK ZONING AND DISASTER-INDUCING FACTOR SCREENING OF LANDSLIDE IN ZHENXIONG COUNTY,YUNNAN PROVINCE
YU Fei-yan1,LYU Meng1,YANG Jun2
1.College of Land and Resources,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China;2.College of Resource Environment and Earth Sciences,Yunnan University,Kunming 650504,China
Combining multi-disciplinary theories and methods like environgeology and physiography for field investigation and mathematical model calculation of indoor collected data,this paper systematically studies the space-time distribution regularity of the geological disaster of landslide in Zhenxiong County.Based on the GIS overlay analysis function,the major disaster-inducing factors of landslide are obtained.By quantizing each factor with certainty factor(CF)method,a multiple linear regression model with major disaster-inducing factor data and landslide-prone levels which is fit for the landslide in Zhenxiong is established.With the model,this region is zoned by the distribution of risk of landslide.
landslide;multiple linear regression model;CF;disaster-inducing factor;Zhenxiong County of Yunnan Province.
1671-1947(2015)02-0152-05
P642.22;P694
A
2014-09-02;
2014-11-27.編輯:李蘭英.
余飛燕(1985—),女,工程師,昆明理工大學在讀碩士,礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè),通信地址云南省昆明理工大學蓮華校區(qū),E-mail//yfy26@qq.com