陳 歡， 孫金輝， 佘 濤， 李金洋， 趙 重

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心，四川 成都 611734)

0 引言

北川縣開坪鄉(xiāng)位于綿陽市北川縣境中部，主要河流為白草河及小園河，大體沿白草河分布。地處龍門山斷裂帶北段，以劉家窩-茶園坪-白巖坪-燈草坪斷層為主。由于開坪鄉(xiāng)經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)，近5年大興修路，人類工程活動較發(fā)達(dá)，加之區(qū)內(nèi)地形地貌較復(fù)雜，發(fā)育滑坡、泥石流、危巖崩塌多種災(zāi)害類型。開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害具有類型多和分布廣的特點，經(jīng)濟發(fā)展總體水平不高，對地質(zhì)災(zāi)害隱患點進行全面的工程治理是不切實際的。

地質(zhì)災(zāi)害防治的一條有效途徑就是進行地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃與風(fēng)險評價，進一步圈定地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)域[1]。本文擬針對開坪鄉(xiāng)區(qū)域中的滑坡災(zāi)害，以單個滑坡的參數(shù)因子作為分析單元[2]，采用和參照一定數(shù)學(xué)模型計算每個滑坡的危險度，以實現(xiàn)大比例尺范圍內(nèi)滑坡危險性區(qū)劃；制作開坪鄉(xiāng)周邊區(qū)域地形因子圖件，生成區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害危險性圖件與易發(fā)性圖件；根據(jù)遙感影像解譯，原有資料查詢以及實際考察，制作開坪鄉(xiāng)研究區(qū)域斜坡類型分布圖。結(jié)合區(qū)域內(nèi)單個滑坡危險性及易損性[3]，區(qū)域危險性及易損性，綜合制作開坪鄉(xiāng)區(qū)域風(fēng)險性圖件，完成對研究區(qū)進行有效地地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃[6]。

1 基本概況

開坪鄉(xiāng)位于治城幅北西部，地處龍門山北段，為湔江流域中下游段白草河支流(圖1)。地理坐標(biāo)為：東經(jīng)104°15′00″-104°18′00″，北緯31°50′00″-32°00′00″，開坪鄉(xiāng)距北川縣城22 km，面積245 km2。區(qū)域內(nèi)發(fā)育白草河、小園河。轄12個行政村，全鄉(xiāng)總?cè)丝?785人。區(qū)內(nèi)經(jīng)濟欠發(fā)達(dá)，主要以農(nóng)作物和旅游業(yè)作為經(jīng)濟來源。北川縣氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)型，四季分明，氣候溫和，多年平均氣溫15.6℃。雨量充沛，年均降雨量1459.1mm，年最大降雨量2430 mm(1977年)，日最大降雨量94 mm，時最大降雨量30 mm。開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及變形機理：開坪鄉(xiāng)構(gòu)造形跡走向以北東-南西向為主(圖2)，挾于劉家窩-茶園坪-白巖坪-燈草坪斷層(F1)與灰包嶺石英脈密集帶(F2)之間，區(qū)域特征表現(xiàn)為密集石英脈分帶-強烈劈理密集帶，剪切節(jié)理(以平行節(jié)理為主)(圖3)、剪切褶皺(圖4)，部分地段發(fā)育脆性斷面，其中，充填于斷裂帶及其兩側(cè)的同構(gòu)造石英脈體，具有剪切褶皺與旋轉(zhuǎn)變形，發(fā)育S-C組構(gòu)。區(qū)域內(nèi)發(fā)育開坪村倒轉(zhuǎn)向斜，褶皺軸線總體呈南西-北東向，向南西延伸至圖幅外，向北西突出，褶皺軸面形態(tài)呈斜歪狀，其中具體構(gòu)造情況請參照研究區(qū)構(gòu)造綱要圖(圖2)。該區(qū)域巖性均為志留系茂縣群，以千枚巖為主，巖性遇水軟化，加之開坪鄉(xiāng)地處任性剪切帶范圍內(nèi)，多發(fā)育剪切節(jié)理、剪切褶皺，在千枚巖片理發(fā)育的情況下，巖體相對破碎，穩(wěn)定性較差。

2 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價原則、思路

2.1 風(fēng)險評價原則

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價原則：分清主次原則、相對一致性原則、科學(xué)性與實用性原則、定性和定量相結(jié)合的原則、類型評價與綜合評價相結(jié)合的原則[7]。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管制基本原則,風(fēng)險管制工作中經(jīng)常會考慮如下幾個方面的問題：(1)考慮潛在地質(zhì)災(zāi)害造成損失的大小；(2)考慮收益與損失之間的關(guān)系；(3)應(yīng)考慮災(zāi)害造成損失的種種可能性[8]。

2.2 基本步驟及思路

圖3 剪切節(jié)理

風(fēng)險評價的最終目標(biāo)是減災(zāi)。在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價中，旨在對當(dāng)?shù)貐^(qū)域的調(diào)查、分析和評價分析該區(qū)域在不同時期地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的種類、強度、頻率、致災(zāi)原因以及災(zāi)害的威脅范圍大小，為制定科學(xué)合理的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防治戰(zhàn)略、規(guī)劃當(dāng)?shù)氐姆乐误w系措施，并反饋地質(zhì)災(zāi)害防治對策的績效，為今后的災(zāi)害防治體系作出更好的管理和調(diào)整。風(fēng)險評價步驟和思路如圖5所示。

圖4 剪切褶皺

3 地質(zhì)災(zāi)害多因子評價

3.1 指標(biāo)選取及各指標(biāo)評價結(jié)果

圖5 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險管理控制思路及步驟

地質(zhì)災(zāi)害危險程度分區(qū)的劃分方法主要是依據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害形成的環(huán)境條件、易發(fā)區(qū)特征、地質(zhì)災(zāi)害危害程度、地質(zhì)災(zāi)害分布密度及結(jié)合震后人口區(qū)、重要生命線、重要設(shè)施，將測區(qū)劃分為高危險區(qū)、中危險區(qū)和低危險區(qū)(表1)。

表1 地質(zhì)災(zāi)害危險程度分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

危險性評價是基于影響因素的分析，圈定出可能產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域及該災(zāi)害可能影響的范圍，并計算分析出該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的危險程度[9]。根據(jù)前文對地質(zhì)災(zāi)害形成的機理及影響因素的分析，開坪鄉(xiāng)的危險性評估指標(biāo)體系包括地形坡度、相對高差、工程巖組、河流影響、坡向、坡面曲率等。

下面結(jié)合開坪鄉(xiāng)相關(guān)數(shù)據(jù)庫建立地質(zhì)災(zāi)害危險性評估指標(biāo)體系的GIS圖層數(shù)據(jù)并針對各個因子不同狀態(tài)進行賦值。具體如下。

3.1.1 坡度

地質(zhì)災(zāi)害的形成要素中，坡度占有十分重要的比例，土體的抗滑能力隨著坡度的增大而逐漸減小。隨著坡度達(dá)到巖土體坡度休止角時，其上的松散土體沿切向的力大于其摩擦力便會失穩(wěn)。

根據(jù)得到的數(shù)據(jù)，在利用高程值生成坡度圖層的基礎(chǔ)上進行重分類，在圖層用不同的顏色標(biāo)志不同危險度等級。得出開坪鄉(xiāng)坡度影響因子區(qū)劃圖(圖6)；坡度危險評價表(表2)。

圖6 坡度影響因子區(qū)劃圖

表2 坡度危險評價表

3.1.2 相對高差

流域高程越大，斜坡的穩(wěn)定性會隨之降低，崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害越發(fā)育[12]；根據(jù)高差危險評價表(表3)可知高差越大，巖土體的勢能隨位勢能增大而逐漸變大，高程可反映出發(fā)生災(zāi)害的危害程度，潛在滑動面的層數(shù)可能隨高程值增大而增多，則滑坡發(fā)生的幾率也會變大。據(jù)此對高程值圖層重分類得到相應(yīng)的區(qū)劃圖(圖7)。

表3 高差危險評價表

圖7 相對高差影響因子區(qū)劃圖

3.1.3 工程巖組

斜坡土體的特性對斜坡穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。工程巖組這個要素需充分考慮土體類型、巖土體結(jié)構(gòu)特性以及巖土體力學(xué)性質(zhì)，詳見表4。

表4 工程巖組危險評價表

開坪鄉(xiāng)城鎮(zhèn)內(nèi)第四紀(jì)松散覆蓋層較薄，主要以志留系茂縣群第三、第四、第五組灰綠色絹云千枚巖為主，屬于較堅硬巖體，危險度低。

3.1.4 河流作用

河流因素對于斜坡的沖刷、浸潤作用，是導(dǎo)致斜坡產(chǎn)生滑坡、崩塌的重要原因之一，可見河流危險評價表(表5)。河流的下切作用可能導(dǎo)致斜坡出現(xiàn)臨空面，繼而產(chǎn)生陡壁、懸崖，斜坡的應(yīng)力狀態(tài)遭到破壞，致使原有平衡被打破，伴隨著應(yīng)力釋放，可能導(dǎo)致與原有開挖相平行的卸荷裂隙產(chǎn)生，隨著卸荷裂隙的延伸擴大，逐漸形成貫通，最后導(dǎo)致崩塌出現(xiàn)。作為水體的主要匯集區(qū)，離河流越近的區(qū)域，土壤與巖石中擁有較高含水量的可能性越大，對土體的破壞性也相對更高。因此根據(jù)河流隱身進行重分類得到相應(yīng)主題層分布圖：開坪鄉(xiāng)河流影響因子區(qū)劃圖(圖8)。

表5 河流危險評價表

3.1.5 坡向

圖8 河流影響因子區(qū)劃圖

坡向?qū)τ诨?、崩塌的發(fā)生也同樣有著關(guān)鍵作用。斜坡坡向的差異，會對坡體上局部的氣候、水熱比有著不同程度的影響,從而致使斜坡體的自然地理要素的差異,因此產(chǎn)生滑坡分布的規(guī)律性差異[11]。本文通過數(shù)字高程模型(DEM),提取研究示范區(qū)的坡向圖(圖9)。

圖9 坡向影響因子區(qū)劃圖

3.1.6 坡面曲率

坡面曲率是局部地形曲面在各個截面方向上的形狀，反映局部的地形結(jié)構(gòu)，因地形的不同將會影響土壤分布，通過對其進行模擬有著重要的應(yīng)用價值和意義，詳見曲率危險評價表(表6)。地面曲率在水平和垂直方向的分量稱為平面曲率和剖面曲率。

表6 曲率危險評價表

平面曲率反映該點等高線的彎曲程度。剖面曲率是地面高程相對水平面變化的二階導(dǎo)數(shù)。從某些方面來說，剖面曲率是地面坡度沿最大坡降方向地面高程變化率的度量，其結(jié)果可反映出坡度的陡緩。基于剖面曲率的值，可量化在垂直方向上地表曲面的彎曲變化率，反映地面上地形的變化程度。在地質(zhì)災(zāi)害方面，尤其是滑坡，地形起伏直接影響到滑坡體的形態(tài)，這也是反映滑坡活動特征的重要因素之一。基于開坪鄉(xiāng)周邊區(qū)域，高程變化率相對較高，故剖面曲率的影響相對較大。根據(jù)實地踏勘及測量，開坪鄉(xiāng)曲率介于30～45之間，危險度：中等。

3.2 開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價

地質(zhì)災(zāi)害擁有著不確定因素，承災(zāi)體對于災(zāi)害的抵抗程度高低也不盡相同[13]。所以評價指標(biāo)體系的選取，也會根據(jù)承災(zāi)體的不同而選取不同因素作為地質(zhì)災(zāi)害易損性評價要素；需要充分分析承災(zāi)體的特性，有針對性的選取評價指標(biāo)。從地質(zhì)災(zāi)害受災(zāi)體特性的角度盡可能全面考慮影響受災(zāi)體的各種因素，往往將該指標(biāo)劃分為三大類：社會易損性因素、資源易損性因素和物質(zhì)易損性因素[14]。風(fēng)險分析分為兩個部分，即危險性分析和易損性分析。

邏輯回歸法可用來確定滑坡各因素的權(quán)重值，本文中主要運用Logistic回歸模型，對因變量和自變量進行回歸計算后建模，并以最終事件發(fā)生的概率來提供結(jié)果。分組數(shù)據(jù)Logistic回歸分析是將概率進行l(wèi)og函數(shù)的變換來取得線性回歸模型，等同于廣義線性模型[17]，用回歸公式表示發(fā)生和未發(fā)生結(jié)果的概率分別為：

(1)

(2)

式中：e——常數(shù)；P——發(fā)生滑坡的概率；Q——滑坡穩(wěn)定的概率；β——影響結(jié)果的因素。通過公式可發(fā)現(xiàn)結(jié)果和式中的各要素呈線性關(guān)系。上式的P、Q比值定義為odds(即發(fā)生比)：

(3)

取自然對數(shù)有：

ln(P/Q)=β0+β1x1+…+βnxn

(4)

得出結(jié)果即為回歸模型的回歸系數(shù)。通過公式可以計算出現(xiàn)成功事件的概率P值，即發(fā)生概率的大小，該值可用做地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率大小的參考指數(shù)。將上述各因子圖層利用Arcgis軟件空間分析功能歸一化，導(dǎo)出各因子圖層數(shù)據(jù)矩陣，并保存。利用統(tǒng)計軟件SPSS或MATLAB等軟件或編程對數(shù)據(jù)矩陣進行邏輯回歸分析并得到回歸值。邏輯回歸值,表示單一評價指標(biāo)出現(xiàn)改變后,P和Q的比值就是表征地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標(biāo)在評價過程中的權(quán)重值。對開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害有影響的因素分別進行賦值權(quán)重，可以得出初步地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性區(qū)劃圖。區(qū)內(nèi)的風(fēng)險分區(qū)程度可以按前文提到的6個因子權(quán)重進行疊加進而得出因子權(quán)重的配對比較矩陣表(表7)。

表7 因子權(quán)重的配對比較矩陣表

通過下式求得地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)：

SI=ΣWi×IFi

式中：SI——表征評價單元的地質(zhì)災(zāi)害綜合易發(fā)性指數(shù)；Wi——表征影響因子權(quán)重；IFi——表征影響因子歸一化值。

得出開坪鄉(xiāng)風(fēng)險性區(qū)劃結(jié)果，將綜合危險性指標(biāo)分為4個等級，非易發(fā)區(qū)：0～1，低易發(fā)區(qū)：1～2.4，中易發(fā)區(qū)：2.4～3.1，高易發(fā)區(qū)：大于3.1(圖10、圖11)。

圖10 開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖

圖11 開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性區(qū)劃圖

4 結(jié)論與分析

開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險分析如下：根據(jù)開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性區(qū)劃圖，將開坪鄉(xiāng)有機的劃分為：100年一遇暴雨工況威脅范圍、50年一遇暴雨工況威脅范圍、20年一遇暴雨工況威脅范圍。經(jīng)過踏勘、調(diào)查，確認(rèn)計算結(jié)果基本符合現(xiàn)階段開坪鄉(xiāng)真實狀態(tài)。

100年一遇暴雨工況威脅范圍：主要為開坪鄉(xiāng)斜坡體邊緣、崩塌堆積體邊緣及平石板泥石流前緣。所占面積較小，只有泥石流前緣威脅8戶村民及鄉(xiāng)村道路或淤塞白草河。

50年一遇暴雨工況威脅范圍：主要為開坪鄉(xiāng)斜坡體中部、崩塌堆積體中部及平石板泥石流中部，所占面積小，區(qū)內(nèi)居住少量居民，無高層建筑，建設(shè)有部分村級道路。區(qū)內(nèi)大都為耕地。白草河水流量較小，對該地區(qū)地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定影響很小。

20年一遇暴雨工況威脅范圍：主要為開坪鄉(xiāng)斜坡體后緣、崩塌堆積體后緣及平石板泥石流后緣，所占面積少，大部分位于開坪鄉(xiāng)山體林地位置，離居民集聚地較遠(yuǎn)，威脅性較小。

開坪鄉(xiāng)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性分析：開坪鄉(xiāng)區(qū)內(nèi)主要受斜坡體、崩塌堆積體及平石板泥石流威脅影響，經(jīng)過走訪排查開坪鄉(xiāng)斜坡體目前未見溜滑等現(xiàn)象，但是評價結(jié)果穩(wěn)定性為欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定，后續(xù)需要繼續(xù)群測群防；崩塌堆積體經(jīng)過治理，目前趨于基本穩(wěn)定，經(jīng)監(jiān)測員反映未發(fā)現(xiàn)溜滑參與泥石流物源，后續(xù)需加強巡查監(jiān)測；平石板泥石流經(jīng)過治理目前處于較穩(wěn)定狀態(tài)，每年雨季可見少量泥石流淤塞排擋槽，后續(xù)需要加強監(jiān)測。

其中存在的一些問題：由于經(jīng)濟、人口等社會經(jīng)濟指標(biāo)跨越多個部門，使得數(shù)據(jù)難以收集和獲取，為該類指標(biāo)的易損性評價造成一定困難，從而影響最終定量風(fēng)險評價的效果。