李佩佩，沈軍輝，燕俊松，陳 亮

(地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

小流域地震地質(zhì)災害危險性評價

李佩佩，沈軍輝，燕俊松，陳 亮

(地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

本文以北川縣楊家溝為小流域地震地質(zhì)災害危險性評價的典型實例，根據(jù)地震地質(zhì)災害特征，選取坡度、坡向、地層巖性、距斷裂帶距離、斜坡結(jié)構(gòu)、高程和坡形7個評價因子，在各評價因子對地震地質(zhì)災害影響程度分析基礎上，采用層次分析法確定評價因子的權(quán)重，并在GIS平臺下對各評價因子進行綜合分析處理，得到小流域地震地質(zhì)災害危險性評價圖。研究表明，楊家溝地震地質(zhì)災害最大影響因子為距斷裂帶距離，其次為斜坡結(jié)構(gòu)、坡度、地層巖性、高程、坡形及坡向；地震地質(zhì)災害危險性評價預測表明，楊家溝流域內(nèi)高危險區(qū)面積8.98 km2，占流域面積的40.43%。對比楊家溝實際地震地質(zhì)災害分布情況，占面積70.74%或占總數(shù)66.38%的地震地質(zhì)災害位于高危險區(qū)內(nèi)，表明危險性評價成果可信度較高。研究成果對小流域地震地質(zhì)災害危險性評價方法研究具有一定的意義。

危險性；地震地質(zhì)災害；層次分析法；GIS

0 引言

近年來的地震活動特征表明地殼活動進入相對活躍期，地震誘發(fā)的一系列地質(zhì)災害給災區(qū)人民帶來了沉重災難?，F(xiàn)階段，相關部門組織實施縣(市)地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃工作取得了一定成果，但總體上評價工作精度較低，評價成果還不能有效地應用于小流域(流域面積在5～30 km2的自然閉合集水區(qū)[1])的防災減災之中。小流域流域面積小，人口分散，地質(zhì)災害防災減災工作難度大。為了使評價成果更好地應用于小流域防災減災的具體實施，為流域建設規(guī)劃及地質(zhì)災害高危險區(qū)的綜合治理，開展高精度小流域地震地質(zhì)災害危險性評價是十分必要的。

本文借鑒現(xiàn)有地震地質(zhì)災害研究成果[2-17]，結(jié)合野外調(diào)研，并考慮原始資料獲得的難易程度，選取影響地震地質(zhì)災害評價因子，以北川縣楊家溝為典型實例，采用層次分析法，基于GIS 平臺，進行小流域地震地質(zhì)災害危險性評價。

1 地震地質(zhì)災害評價因子選取及量化賦值

地震地質(zhì)災害發(fā)生主要受坡度、坡向、地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu)、高程、坡形、地面粗糙度等斜坡自身性質(zhì)的控制，也受到地震動峰值加速度、地震烈度等觸發(fā)因素的影響。本文借鑒現(xiàn)有的地震地質(zhì)災害形成條件、發(fā)育特征等研究成果，結(jié)合野外調(diào)研及小流域自身特征，選取了坡度、坡向、地層巖性、距斷裂帶距離、斜坡結(jié)構(gòu)、高程、坡形七個影響因素為地震地質(zhì)災害危險性評價的評價因子。

1.1 坡度

坡度對地震地質(zhì)災害發(fā)生的影響主要有兩方面。一方面反映在該斜坡地段是否具備有效臨空面，而有效臨空面又與地形坡度有很大關系[9]，一般坡度越大地震地質(zhì)災害越發(fā)育。另一方面，隨著坡度的增加，坡面有效受雨面積不斷減小，導致坡面徑流量隨坡度增大而減少，沖刷能力相應減弱，有效受雨面積大的斜坡在地震作用下更容易發(fā)生崩滑。受上述兩方面共同影響，斜坡的坡度越大，地震地質(zhì)災害愈發(fā)育，但當坡度大于某個值時，穩(wěn)定性又會增加[10]。結(jié)合汶川地震地質(zhì)災害的相關研究成果，當斜坡的坡度在20°～45°之間時，地質(zhì)災害最發(fā)育，大于45°次之，小于20°災害發(fā)育最少[9-11]。因此，將坡度按危險性程度進行賦值，危險性越大，賦值越高，反之越低，最低賦值為1。

1.2 坡向

無論緯度、高程或坡度，其不同坡向上的日照、太陽輻射、溫度、濕度和降水等級都有很大的差異[13]，它間接地影響斜坡穩(wěn)定性。根據(jù)應力波的理論[14]，巖土體普遍存在裂隙，當壓縮的地震波傳播時遇到自由面，將反射成一個大小相等、方向相反的拉伸波，壓縮波和拉伸波的疊加使巖土體產(chǎn)生拉裂破壞。唐春安等[8]通過模擬動態(tài)沖擊載荷模型試驗，應力波從左側(cè)向右側(cè)傳播，在右側(cè)首先產(chǎn)生拉裂破壞，隨著時間增加，最終斜坡破壞，這與實地調(diào)查中背靠震源方向滑坡明顯比面向震源方向滑坡發(fā)育相吻合。表明應力波方向不同(與震源位置有關)，邊坡的破壞位置不同。因此，按照地震波傳播方向的關系進行分類賦值，背靠震源方向賦值最高，面向震源方向賦值最低為1，其他的方向介于1與最高值。

1.3 地層巖性

地震地質(zhì)災害發(fā)育程度與巖性關系密切，不同巖石地層單元地質(zhì)災害分布數(shù)量差別較大。一般，硬巖和較硬巖地層中常發(fā)生崩塌災害，較堅硬巖類中通?；伦罴邪l(fā)育，這與斜坡在非地震破壞的巖性特征有一定差別[16]。地震地質(zhì)災害發(fā)育最多的巖性為砂巖、粉砂巖、灰?guī)r、閃長巖、花崗巖等，其次為頁巖、砂礫巖、黏土巖為主、偶夾板巖、千枚巖等。根據(jù)上述不同巖性對地震地質(zhì)災害的貢獻，依次賦值。

1.4 距斷裂帶距離

地震地質(zhì)災害的空間分布主要受發(fā)震斷裂帶的控制。地震波對坡體的強烈沖擊是觸發(fā)地質(zhì)災害的決定性因素[17]。距發(fā)震斷層越近，地震波對坡體的作用越強烈，就越容易破壞。根據(jù)相關研究成果統(tǒng)計[17-19]，80%以上的地震地質(zhì)災害分布在斷層兩側(cè)10 km以內(nèi)，強發(fā)育區(qū)在斷層7 km范圍內(nèi)。按距斷裂帶距離由遠到近依次由小到大賦值。

1.5 斜坡結(jié)構(gòu)

斜坡結(jié)構(gòu)綜合體現(xiàn)了地層產(chǎn)狀與斜坡坡度和坡向的空間狀況及組合形式[20]，在很大程度上決定了斜坡巖土體變形的方式和強度[21]，對地質(zhì)災害的分布起著重要的作用。根據(jù)斜坡坡度、坡向和巖層傾向、傾角四者在空間上的相互組合[22]，將斜坡結(jié)構(gòu)類型劃分為：順向飄傾坡、順向?qū)用嫫隆㈨樝蚍鼉A坡、順斜坡、橫向坡、逆斜坡、和逆向坡7類。在地震作用下，順向、斜向—順向坡內(nèi)有利于層面與節(jié)理面的貫通，更容易發(fā)生破壞。將順向坡賦值最高，將逆向坡賦值為1。其中順向坡中的飄傾坡，傾角小于坡度，最危險；其次為坡度大于10°，傾角與坡度相等的層面坡；最后為傾角大于坡度的伏傾坡。

1.6 高程

根據(jù)斜坡地震動放大效應[23]，山頂?shù)牡卣鸺铀俣缺壬侥_放大效應明顯。主要由于強震作用下，地震波豐富的波長成分與地形尺寸耦合作用，產(chǎn)生的動力效應超過或遠遠超過斜坡巖土體的強度進而產(chǎn)生破壞。在汶川地震中74.8%的崩滑地質(zhì)災害主要分布在800～2 000 m[24]，其中1 000～1 500 m密度最大，高于2 000 m地質(zhì)災害明顯減少。故將高程800～2 000 m賦值最高，高于2 000 m賦值次之，低于800 m的賦值為1。

1.7 坡形

坡面形態(tài)主要有凹形坡、斜線坡和凸形坡[13]三類。坡形影響地震波的傳播方向和能量的釋放,從而影響崩塌、滑坡的發(fā)育。一般用地面曲率來衡量坡形，地面曲率是對地形表面扭曲程度的定量化度量因子[25]，地面曲率決定地表及土壤中物質(zhì)移動的相對速度，以及地表徑流對坡面的侵蝕程度。地面曲率大于0為凸形坡，表明移動加速，侵蝕強度大；小于0為凹形坡，表明移動減速，侵蝕強度小。凸形坡，從基部到頂部，坡度隨坡形而急劇復雜變化，導致凸形坡上部坡緣的高應力集中區(qū),在其它條件一致的情況下，斜線坡和凹形坡對應力在剖面上的分布影響較小[22]。因此，凸形坡比其他坡形穩(wěn)定性要差。根據(jù)斜坡曲率值由正到負依次由大到小賦值，最小賦值為1。

2 層次分析法原理

將地震地質(zhì)災害影響的因素視為系統(tǒng)，按照分解、比較、判斷、綜合的思維方法進行決策，并按各因素間的相互關系分層次，形成一個多層次的結(jié)構(gòu)體系。建立判別因子比較矩陣，最后求得各因子的相對權(quán)重。

根據(jù)前人的研究數(shù)據(jù)資料、專家意見和本文作者對北川縣城野外考察的認識，加以平衡后給出的[26]。一般引用Saaty等學者提出1～9標度對重要性判斷結(jié)果進行量化,依次對兩兩指標進行比對賦值，將賦值結(jié)果矩陣化，得n×n階矩陣。本文用方根法對判斷矩陣求解特征向量和最大特征值。

由于層次分析法是解決一些現(xiàn)象測度的一種方法(表1)，結(jié)果的不一致性是客觀存在的，但這種不一致性需要一個度，因此一致性檢驗就非常有必要。一致性指標為：

C.R.=C.I./R.I.

其中 C.I.=(λmax-n)/(n-1)，λmax為判斷矩陣A的最大特征值，R.I.為隨機一致性指標[28]。對于一致性比例，一般在C.R.=0時，可以稱A是完全一致性矩陣，當C.R.<0.1時，該判斷矩陣具有一致性，當C.R.>0.1時，則該判斷矩陣不具有一致性。

表1 層次分析法評價尺度

3 實例應用

3.1 楊家溝概況

楊家溝位于汶川地震重災區(qū)北川縣陳家壩鄉(xiāng)，為侵蝕構(gòu)造中山地形，地形坡度一般為20°～40°，流域最高高程2 200 m，溝口處高程800 m，相對高差500～1 000 m。溝道全長約9 km，流域面積約20.69 km2。楊家溝溝谷上游呈“V”型，下游呈“U”型，谷寬50～200 m。地層巖性主要為志留系韓家店組(Sh)頁巖、絹云母千枚巖；志留系茂縣組(Sm)絹云母千枚巖夾細粒粉砂巖；奧陶系寶塔組(Ob)塊狀粒晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r；寒武系油房組(∈y)變凝灰質(zhì)砂巖；寒武系邱家河組(∈q)深灰-黑灰色碳質(zhì)板巖，變碳質(zhì)粉砂巖,局部有四宗坪侵入體(Ts)為輝綠玢巖。NE向北川逆沖斷層從楊家溝溝口通過，斷層傾向北西，傾角60°～70°。受構(gòu)造走向控制，巖層走向以北東走向為主。溝內(nèi)斜坡結(jié)構(gòu)主要以順斜坡、橫向坡、逆斜坡、和逆向坡為主。根據(jù)中國地震局對汶川地震圈定的地震烈度圖，楊家溝地震烈度達Ⅺ度。

受上述地形地貌、地層巖性及構(gòu)造等的控制，汶川地震時楊家溝共發(fā)育大小地質(zhì)災害119處(圖1)，類型以中小型崩滑為主。距離斷裂帶4 km范圍內(nèi)發(fā)育最為密集，造成大量人員傷亡。而且耕地、林地及農(nóng)作物大面積受損，水、電、通訊基本被摧毀，鄉(xiāng)村道路60%被破壞。

圖1 楊家溝流域特征Fig.1 The characteristics of Yangjiagou watershed

3.2 判斷矩陣的構(gòu)造及一致性檢驗

對影響地震地質(zhì)災害發(fā)育的7個評價因子, 按照(表2) 規(guī)則進行兩兩比較，矩陣結(jié)果見表3。由于小流域內(nèi)降雨差異基本可以忽略，但是有些因子對降雨敏感性強，故在因子對比時將降雨影響明顯的因子在對比時賦值有所調(diào)整。計算得到矩陣的最大特征值為7.428 8，各個評價因子的權(quán)重為{0.129 8，0.023 4，0.190 8，0.459 9，0.094 2，0.051 3，0.051 3}(表2)。一致性指標為C.R.=0.054<0.1，表明各評價因子相互比較在合理范圍內(nèi)。評價因子權(quán)重計算結(jié)果表明，距斷裂帶距離是對地質(zhì)災害影響最嚴重的因子，其他依次是坡度、斜坡結(jié)構(gòu)、地層巖性、高程、坡形、坡向。

表2 評價因子權(quán)重的成對比較矩陣

3.3 數(shù)據(jù)處理及危險性評價

在ARCGIS 10.1平臺上，采用Transverse_Mercator投影系統(tǒng)。本文用地震前1∶50 000地形圖上的等高線、高程點得到數(shù)字高程模型(DEM)。坡度、坡向、坡形3個因子圖層均用ARCGIS10.1表面分析獲得。巖性與斷裂均來自于1∶50 000陳家壩幅地質(zhì)圖。斜坡結(jié)構(gòu)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查得到的產(chǎn)狀點數(shù)據(jù)，通過克里金插值法網(wǎng)格化處理，得到空間上連續(xù)的巖層傾向、傾角網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)柵格單元要與坡度、坡向保持一致。當作圖區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造比較復雜時，不能簡單地進行空間插值，應當進行分區(qū)分片處理——如斷層、褶皺等進行巖層產(chǎn)狀分塊處理[21]。然后利用ARCGIS10.1柵格計算器用巖層傾向減去坡向，巖層傾角減去坡度，將得到的兩個圖層進行疊加并重分類賦值，得到最終的斜坡結(jié)構(gòu)圖層。由于斷裂帶在圖上為線性表示，首先利用ArcGIS 10.1鄰域分析生成半徑差為1 km的多環(huán)緩沖區(qū)，轉(zhuǎn)化為與其他因子柵格單元相同的柵格圖層。按照第2節(jié)中各評價因子中各個級別對地震地質(zhì)災害的影響程度重分類標準，將楊家溝各因子進行分類賦值(表3)，得到各因子分區(qū)圖。最后應用ARCGIS10.1平臺空間分析模塊中的柵格計算工具對各因子加權(quán)疊加，得到最終的研究區(qū)危險性評價分區(qū)圖。

表3 楊家溝地震地質(zhì)災害評價因子及其分類賦值

最后參照地質(zhì)災害風險度分級標準，結(jié)合研究區(qū)實際情況，使用Arcgis10.1重分類將研究區(qū)劃分為高度危險區(qū)、中度危險區(qū)、低度危險區(qū)、極低度危險區(qū)4類，得到研究區(qū)地震地質(zhì)災害危險性評價結(jié)果(表4、圖2)。

表4 地質(zhì)災害危險性統(tǒng)計

圖2 楊家溝危險性分區(qū)成果圖Fig.2 Risk zoning map of Yangjiagou

根據(jù)圖2對楊家溝地震地質(zhì)災害進行初步分析，地質(zhì)災害高危險區(qū)集中在距斷裂帶4 km的區(qū)域及其一些零散區(qū)域內(nèi)。高危險區(qū)約占楊家溝總面積的43.4%，地質(zhì)災害70%以上分布在該區(qū)，且面積大于2×104m2的地質(zhì)災害幾乎全部在該區(qū)域內(nèi)，與實際比較一致。在高危險區(qū)無論是地質(zhì)災害數(shù)量還是面積遠遠大于其他區(qū)，其中汶川地震發(fā)生的沙壩里滑坡(圖1中的A、圖3)形成堰塞湖，對下游造成嚴重威脅。

流域內(nèi)一老滑坡體(圖1中的B、圖4)，在本次地震中除局部滑塌外，整體未有明顯變形復活，其原因是由于老滑坡體早期的高位勢能得到充分耗散，并且深厚覆蓋層堆積體吸收地震波的能量，使得老滑坡體在汶川強烈的地震荷載作用下只出現(xiàn)局部垮塌,沒有出現(xiàn)整體失穩(wěn)。在圖2成果圖中為低危險區(qū)。

圖3 沙壩里滑坡Fig.3 Shabali landslide

圖4 老滑坡體Fig.4 Old landslide

4 結(jié)論

(1)本文以楊家溝為小流域地震地質(zhì)災害危險性評價的典型實例，選取坡度、坡向、地層巖性、距斷裂帶距離、斜坡結(jié)構(gòu)、高程、坡形7個評價因子。用層次分析法構(gòu)建各評價因子比較矩陣，得到各評價因子的權(quán)重，得出對地震地質(zhì)災害影響最大的因子為距發(fā)震斷裂帶距離，其次為斜坡結(jié)構(gòu)、坡度、地層巖性、高程、坡形及坡向。

(2)基于GIS 平臺分析處理得到的楊家溝危險性評價成果圖，將楊家溝按危險性程度分為高危險區(qū)、中危險區(qū)、低危險區(qū)與極低危險區(qū)4 類，其中高度危險區(qū)面積為8.99 km2，占流域總面積的43.4%，主要集中于距NE向北川斷裂4 km范圍內(nèi)，其他區(qū)域僅零散分布。

(3)評價結(jié)果與汶川地震地質(zhì)災害實際情況進行對比，占面積70.74%或占總數(shù)66.38%的地震地質(zhì)災害位于高危險區(qū)內(nèi)，危險性評價成果可信度較高。表明在地震地質(zhì)災害影響因素分析及合理選用影響因子基礎上，采用層次分析法應用于小流域地震地質(zhì)災害危險性評價是可行的。

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Risk assessment of seismic geological hazards in small watersheds

LI Peipei,SHEN Junhui,YAN Junsong,CHEN Liang

(StateKeyLaboratoryofGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection(ChengduUniversityofTechnology)，Chengdu,Sichuan610059,China)

This paper takes Yangjia Gully, locating in Beichuan county of Sichuan province, as a typical case of seismic geological hazard risk assessment in small watershed, and selects 7 evaluation factors including slope, exposure, lithology, distance from the fault, slope structure, elevation and slope shape, by analyzing the characteristics of seismic geological hazards. Weights of these factors are also determined by using hierarchy analysis method according to their influential extents. Consequently, a seismic geological hazard assessment map of small watershed is obtained through a comprehensive analysis in GIS. The outcomes indicate that the most influential factor to the forming of seismic geological hazards in Yangjia Gully is the distance from the fault, and slope structure, slope, lithology, elevation, slope shape and exposure, in sequence, are relatively less influential. A prediction of seismic geological hazards is also conducted and demonstrates that the area of high risk in Yangjia Gully comes to 8.98 km2, accounting for 40.43% of the watershed. Besides, comparing with the actual state, the area and quantity of seismic geological hazards in the high risk area account for 70.74% and 66.38% respectively of the total amount, which indicates that the prediction is highly reliable. Thus, this study has a certain significance to promote the research on seismic geological hazard risk assessment in small watershed.

risk assessment; seismic geological hazard; analytical hierarchy process(AHP)；geographical information system(GIS)

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.20

2016-07-20;

2016-09-03

高等學校博士學科點專項科研基金(博導類) 資助課題( 20115122110012)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查子項目(12120113011000)

李佩佩(1991-)，男，甘肅平?jīng)鋈?，在讀碩士研究生，主要從事地質(zhì)災害評價與防治工作。E-mail:2675715414@qq.com

沈軍輝(1964-)，男，浙江奉化人，博士，教授，博士生導師，主要從事工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)研究。E-mail:jhshen2001@sina.com

P694

A

1003-8035(2017)01-0128-07