張 波，石長柏，肖志勇，張金朝，鄔 磊，習(xí) 彪，盧勝周

(湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊(duì)，湖北 黃石 435004)

0 引言

湖北省鄂州市地貌類型為鄂東丘陵地貌，區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，雨量充沛，礦產(chǎn)資源開發(fā)、交通與城市建設(shè)等人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，是湖北省地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)之一。地質(zhì)災(zāi)害類型有崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、地面塌陷等，尤以地面塌陷最為突出，造成了嚴(yán)重危害與經(jīng)濟(jì)損失。

1 加權(quán)信息量地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)模型

隨著3S技術(shù)的迅速發(fā)展，大大改進(jìn)和提高了地學(xué)傳統(tǒng)研究手段。基于GIS技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)是地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)有和潛在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評估的有效工具，其評價(jià)結(jié)果可用于防災(zāi)減災(zāi)、土地利用和基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃等領(lǐng)域[1]。

目前，常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)模型包括：信息量法(朱良峰，2004)[2]、Logistic回歸法(李雪平，2005)[3]，考慮時(shí)間效應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害評估(李典慶，2007)[4]、趨勢面分析法(李曉聰，2007)[5]、概率指數(shù)模型(李家存，2007)[6]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(吳益平，2005)[7]、遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(王國峰，2008)[8]、AHP層次分析法(岳超俊等，2009；姚玉增等，2010)[9-10]、確定性系數(shù)法(許沖等，2010)[11]、證據(jù)權(quán)法(范強(qiáng)等，2014)[12]、RS-SVM模型法(安凱強(qiáng)等2016)[13]、CF和Logistic模型法(田春山)[14]等方法。綜上所述，已有研究在選擇影響因素的過程基本上契合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)以及充分考慮他們對災(zāi)害體本身的影響權(quán)重，并在此基礎(chǔ)上建立了符合研究區(qū)災(zāi)害特征的評價(jià)指標(biāo)體系。

信息量模型屬于統(tǒng)計(jì)分析模型的一種，于其物理意義明確、操作簡單，在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)的研究和實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。但是該模型未考慮各評價(jià)因子在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過程中所起作用的大小，不能反映不同因子影響程度的差異。因此，為了更加科學(xué)合理的易發(fā)性評價(jià)應(yīng)考慮對各個(gè)影響因子賦予權(quán)重與信息量相乘后得到加權(quán)信息量。本文結(jié)合信息量法和層次分析法的優(yōu)點(diǎn)，采用加權(quán)信息量法評價(jià)其指標(biāo)，最終得到易發(fā)性的劃分結(jié)果，模型可以表述如下[15]：

(1)

式中，I——預(yù)測區(qū)某單元信息量預(yù)測值；

Ii——值的大小直接說明該單元產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性，是地質(zhì)易發(fā)性區(qū)劃的重要性指標(biāo)；

Wi——第i個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重值；

Si——因素xi所占單元總面積；

A——區(qū)域內(nèi)單元總面積；

A0——已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元面積之和。

2 研究區(qū)概況

鄂州市位于湖北省東南部，長江中游南岸，東經(jīng)114°30′～115°05′，北緯30°01′～30°36′，南北長約67 km，東西寬約48 km，西與武漢市接壤，東至西南與黃石市毗連，北臨長江與黃岡市隔江相望，版圖形狀酷似三葉草(圖1)。該區(qū)具亞熱帶季風(fēng)氣候特征，四季分明，雨量充沛，陽光充足。鄂州市發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害主要包括地面塌陷、滑坡和不穩(wěn)定斜坡等，由于災(zāi)害體多位于人口集中、房屋密集地帶，在極端暴雨的觸發(fā)下，在一定程度上制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

3 基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)

基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)采用的空間數(shù)據(jù)主要包括鄂州市1∶5萬地形圖、1∶5萬地質(zhì)圖、1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害分布圖。

3.1 評價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

本文采用柵格單方法評價(jià)。研究區(qū)面積為1 505 km2。對于不同比例尺的要求柵格大小也有差別[16]，根據(jù)柵格大小經(jīng)驗(yàn)公式：

Gs=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

(2)

式中：Gs——適宜網(wǎng)格大??；

S——地圖數(shù)字比例尺分母。

對于1∶50 000比例尺地形圖，由式(2)計(jì)算出最佳網(wǎng)格單元為32.52 m，為了方便數(shù)據(jù)在ArcGIS中處理和分析，本文以30 m×30 m柵格單元為最小評價(jià)單元，共1 763 803個(gè)柵格單元，在此基礎(chǔ)上開展易發(fā)性評價(jià)。

3.2 評價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重的確定

根據(jù)評價(jià)區(qū)內(nèi)自然地質(zhì)環(huán)境特征與物理地質(zhì)事件的分布規(guī)律及形成條件，對于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的分析評價(jià)過程中初步選取地貌單元、高差、坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造及采礦活動(dòng)6個(gè)因素作為評價(jià)因子(圖2)。各自的因子信息量計(jì)算(各個(gè)因子區(qū)間的地質(zhì)災(zāi)害單元數(shù)與整個(gè)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害單元數(shù)之比)，總柵格比例(各因子區(qū)間的因子占整個(gè)區(qū)間的比)(圖3)。

圖3 影響因子災(zāi)害數(shù)量、加權(quán)信息量相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Correlation graph between the impact factor number of disasters and weighted information values

(1)地貌單元。鄂州市地貌單元分為丘陵、沖湖積平原、崗狀平原、長江一級(jí)階地(圖2a)。利用ArcGIS軟件提取各地貌單元類型的柵格數(shù)比例及其相對應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害柵格數(shù)比例(圖3a)，根據(jù)信息量模型分別計(jì)算其信息量。評價(jià)區(qū)內(nèi)最有利于發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害是丘陵地區(qū)，單元內(nèi)地災(zāi)發(fā)生比例為66.67%。

(2)高差。通過ArcGIS鄰域分析提取得到鄂州市區(qū)域的高差圖(圖2b)，如圖3b評價(jià)區(qū)內(nèi)最有利于發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的高差是15～35 m，其柵格數(shù)占總柵格的5.00%發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例約30%。

(3)坡度。通過ArcGIS將評價(jià)區(qū)分為5個(gè)坡度等級(jí)(圖2c)。對于坡度而言，評價(jià)區(qū)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的是25°～40°，其柵格數(shù)占總柵格的4.11%，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為21.57%，提供的信息量為2.39(圖3c)。

(4)工程地質(zhì)巖組。根據(jù)鄂州市工程地質(zhì)情況，劃分為8個(gè)巖土體類型(圖2d)：松散巖組(Ⅰ)，軟硬相間層狀砂巖泥巖互層(Ⅱ)，軟硬相間層狀火山巖巖組(Ⅲ)，較堅(jiān)硬至軟弱層狀砂頁巖巖組(Ⅳ)，堅(jiān)硬至較堅(jiān)硬層狀砂礫巖巖組(Ⅴ)，堅(jiān)硬塊狀侵入巖巖組(Ⅵ)，堅(jiān)硬較堅(jiān)硬中至厚層狀強(qiáng)至中等巖溶化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾軟質(zhì)頁巖巖組(Ⅶ)，堅(jiān)硬厚層狀強(qiáng)巖溶化巖組(Ⅷ)。如圖3d所示，評價(jià)區(qū)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的是Ⅴ，其柵格數(shù)占總柵格的2.21%，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為9.80%，提供的信息量為2.15。

(5)地質(zhì)構(gòu)造(斷層)。根據(jù)鄂州市斷層的發(fā)育規(guī)模及影響范圍，利ArcGIS的多環(huán)緩沖功能得到斷層影響帶分布圖(圖2e)。評價(jià)區(qū)內(nèi)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)的是在斷層發(fā)育0～500 m內(nèi)，其柵格數(shù)占總柵格的15.25%，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為70.59%，提供的信息量為2.21(圖3e)。

(6)采礦活動(dòng)。采礦活動(dòng)是鄂州市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最主要因素。因礦山開采引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題最為突出，礦區(qū)采空區(qū)較多，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害較多。根據(jù)鄂州市采礦活動(dòng)的發(fā)育規(guī)模及影響范圍，利ArcGIS的多環(huán)緩沖功能得到采礦活動(dòng)影響帶分布圖(圖2f)。評價(jià)區(qū)內(nèi)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)的是在采礦區(qū)0～500 m范圍內(nèi)，其柵格數(shù)占總柵格的5.13%，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害比例為53.9%，提供的信息量為3.39(圖3f)。

為保證預(yù)測因素能滿足信息量模型的要求，必須通過因素之間的相互獨(dú)立性驗(yàn)證和綜合分析研究區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀來剔除相關(guān)性較大的因素。因此，為了準(zhǔn)確計(jì)算初選因子的互相關(guān)系數(shù)，可以利用ArcGIS波段集統(tǒng)計(jì)工具中柵格波段集多元分析提供各圖層因素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣(表1)。

表1 圖層因素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 1 The correlation coefficient between the matrix layer factors

綜合表1和表2中可以看出各指標(biāo)都在低度相關(guān)范圍內(nèi)。應(yīng)用層次分析法對所選的6個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，劃分的有序?qū)哟?，建立評價(jià)模型層次結(jié)構(gòu)。按照各評價(jià)因子自己的內(nèi)在關(guān)系，通過相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)及鄂州市地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況，對各因子進(jìn)行兩兩比較建立判斷矩陣，進(jìn)行層次排序，確定各因子的權(quán)重值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得到易發(fā)性評價(jià)因子判斷矩陣(表3)，加權(quán)信息量表(表4)。

表2 相關(guān)性劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The standard of correlation classification

表3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)因子判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of evaluation factor for geohazards susceptibility

備注：一致性比例：0.089 7；對“地質(zhì)災(zāi)害”的權(quán)重：1.000 0； λmax：6.564 9

表4 地質(zhì)災(zāi)害影響因子加權(quán)信息量表Table 4 Weighted information values of impact factors for geological hazards

3.3 易發(fā)性結(jié)果效果檢驗(yàn)

易發(fā)性結(jié)果的有效性可以由受試者工作特征曲線(ROC)進(jìn)行定量檢驗(yàn)，其曲線下方面積(AUC)被用來評價(jià)模型的精度[17]。本文以信息量值從高到低的區(qū)域累計(jì)柵格與總柵格的百分比作為橫軸，以對應(yīng)信息量區(qū)間內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害累計(jì)柵格與地質(zhì)災(zāi)害總柵格百分比為縱軸，得到一個(gè)經(jīng)過(0，0)，(1，1)的曲線(如圖4、表5)，曲線下面積為89.2%。說明地質(zhì)災(zāi)害絕大部分發(fā)生在高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)，易發(fā)性評價(jià)結(jié)果有效性較好(圖5)。

圖4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)結(jié)果ROC圖Fig.4 ROC graph for the Geological hazards assessment

易發(fā)性分區(qū)信息量分級(jí)柵格總數(shù)面積/(km2)面積百分比災(zāi)害點(diǎn)/處點(diǎn)密度/(處/km2)高易發(fā)區(qū)I>2.5868 14772.934.85%690.93中易發(fā)區(qū)-0.57

圖5 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.5 The zonation map of geohazards susceptibility

4 結(jié)論

本文以鄂州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性為研究對象，選取地貌單元、高差、坡度、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造以及開礦活動(dòng)6個(gè)影響因素作為評價(jià)因子，采取基于GIS的加權(quán)信息量評價(jià)模型對研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)。

(1)對各因子的加權(quán)信息量分析表明：地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)育于丘陵地區(qū)，高差15～35 m、坡度在25°～40°區(qū)域及巖組為松散巖組區(qū)域；地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性隨在距離采礦范圍及斷層距離的減小而增大。

(2)根據(jù)加權(quán)信息量法，把鄂州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分出高、中、低易發(fā)3個(gè)大區(qū)，11個(gè)亞區(qū)(圖5)。全市高易發(fā)區(qū)面積72.93 km2，主要分布于西山雷山地區(qū)、澤林鎮(zhèn)以及汀祖鎮(zhèn)地區(qū)，占全市總面積的4.58%，點(diǎn)密度0.93處/km2。全市中易發(fā)區(qū)總面積204.54 km2，主要分布于新廟鎮(zhèn)、沙窩鎮(zhèn)、碧石渡鎮(zhèn)及梁子湖區(qū)丘陵地區(qū)，占全市面積的13.59%，點(diǎn)密度0.135處/km2。其他地區(qū)為低易發(fā)區(qū)面積1 227 km2，占整個(gè)評價(jià)區(qū)的81.83%。

(3)評價(jià)結(jié)果經(jīng)檢驗(yàn)，本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)結(jié)果ROC曲線AUC值達(dá)89.2%，具有較高的準(zhǔn)確性，評價(jià)結(jié)果為全省內(nèi)縣域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(jià)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。