張明媚，葛永慧，薛永安，呂義清

(1.太原理工大學 礦業(yè)工程學院，太原 030024；2.山西能源學院 地質測繪工程系，山西 晉中 030600)

近年來，遙感技術在地質災害研究領域的應用越來越廣泛，對地質災害遙感特征及其解譯技術的研究取得了一定的進步[1-3]。對地質災害發(fā)育特征及其成因的研究主要集中在地震發(fā)生后的地質災害方面[4-5]；同時，還有部分地質災害信息提取及特征研究以采煤沉陷為主誘因展開[6-8]。目前，以3S技術手段開展采煤區(qū)地質災害信息提取[9-10]、地質災害監(jiān)測[11-12]、災害特征[13]和空間特征分析[14]等研究取得了一定的進展。山西省太原市萬柏林區(qū)是西山煤田西山礦區(qū)的主要分布區(qū)，地質災害發(fā)育嚴重；這不僅提升了該區(qū)采煤沉陷區(qū)的治理成本，也影響著該區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。本文在前期研究的基礎上[11-14]，以萬柏林區(qū)為研究區(qū)，收集區(qū)內(nèi)地質災害發(fā)育點分布及相關資料，針對崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡和地面塌陷四種地質災害類型，以地貌、地下采煤區(qū)、地質構造、巖性、植被覆蓋和土地利用為災害發(fā)育因子，進行了災害發(fā)育點與特征因子之間關聯(lián)性的空間分析及統(tǒng)計，定量確定了地下采煤區(qū)地質災害的空間發(fā)育特征與主要誘因。本文旨在為地下采煤擾動地質災害致災機理研究提供基礎支持，同時為該區(qū)進一步的詳細地質災害評估及災害治理提供信息支持。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)源與工作平臺

研究區(qū)總面積297.059 km2.通過現(xiàn)有的工作基礎[9-16]，收集到研究區(qū)(即山西省太原市萬柏林區(qū))內(nèi)2013年地質災害分布信息，如圖1所示。區(qū)內(nèi)目前發(fā)育有地質災害點79處，其中：地面塌陷33處，不穩(wěn)定斜坡25處，滑坡12處，崩塌9處。選擇Landsat-8數(shù)據(jù)2景制作植被覆蓋與土地利用圖，空間分辨率15 m，時相分別為2013年8月14日和10月17日。地貌因子獲取采用DEM數(shù)據(jù)(ASTER_G_DEM)，采樣精度30 m，垂直精度20 m.土地利用圖基準數(shù)據(jù)來源于現(xiàn)有成果數(shù)據(jù)[16]；該數(shù)據(jù)總體精度為98.597%，Kappa系數(shù)為0.977 5.地下采煤區(qū)范圍、地質構造與地層巖性數(shù)據(jù)來源于太原市規(guī)劃和自然資源局。數(shù)據(jù)分析在Arc GIS平臺進行。

圖1 太原市萬柏林區(qū)地質災害點分布圖Fig.1 Distribution of geological disasters in Wanbailin, Taiyuan

1.2 方法

總體技術路線如圖2所示。具體步驟如下：

1) 收集基礎資料，包括地測資料、采礦資料、遙感影像資料和地質災害信息資料。

2) 利用DEM數(shù)據(jù)提取研究區(qū)數(shù)字地貌因子(高程分區(qū)、坡度、坡向)；利用地質資料提取地質構造分布與工程巖組圖；利用采礦資料提取采空區(qū)分布圖；利用影像資料提取土地利用圖和植被覆蓋圖。

3) 對地質災害分布點疊加數(shù)字地貌因子、地下采煤區(qū)范圍、工程巖組圖、植被覆蓋和土地利用圖進行疊加分析，并疊加線狀地質構造進行緩沖區(qū)分析。

4) 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析與成果總結。

圖2 總體技術路線圖Fig.2 Overall technology roadmap

2 結果與分析

2.1 結果

按圖2所示技術路線，對研究區(qū)內(nèi)的地質災害分布與發(fā)育特征因子進行空間疊加分析、緩沖區(qū)分析，結果如圖3和表1-表8所示。

2.2 分析

在統(tǒng)計結果的基礎上，分別從數(shù)字地貌特征、地下采煤區(qū)范圍、地質構造與巖性、植被覆蓋和土地利用信息因子角度對研究區(qū)地質災害發(fā)育空間特征與成因進行分析，具體如下。

表1 地質災害點分布與高程關系統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and elevation

表2 地質災害點分布與坡度關系統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and slope

表3 地質災害點分布與坡向關系統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and aspect

表4 地質災害點分布與地下采煤區(qū)關系統(tǒng)計表Table 4 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and underground coal mining area

表5 地質災害點分布與地質構造關系統(tǒng)計表Table 5 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and geological structure

表6 地質災害點分布與巖性關系統(tǒng)計表Table 6 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and lithological characters

表7 地質災害點分布與植被覆蓋關系統(tǒng)計表Table 7 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and vegetation cover

表8 地質災害點分布與土地利用關系統(tǒng)計表Table 8 Statistical table of relationship between geological hazards distribution and land use

1) 數(shù)字地貌特征因子分析。由表1可知，1 000～<1 300 m高程區(qū)間分布的災害點數(shù)量占災害點總數(shù)量的56.96%，高程≥1 500 m時沒有地質災害點分布。由表2可知：區(qū)內(nèi)地質災害點主要分布在坡度0°～<25°范圍內(nèi)；其中，坡度5°～<15°范圍內(nèi)最多，共有44處地質災害點，占災害點總數(shù)量的55.70%.表3顯示：區(qū)內(nèi)災害點在各個坡向上均有分布；東北向災害發(fā)育最多，占災害點總數(shù)量的20.25%；而西北向發(fā)育最少，僅占3.8%.

2) 地下采煤區(qū)范圍因子分析。由表4可知：在距離煤礦采空區(qū)200 m以內(nèi)區(qū)域共發(fā)育地質災害點37處，占區(qū)內(nèi)地質災害點總數(shù)量的46.84%；主要災害類型為地面塌陷和不穩(wěn)定斜坡，分別為18處和12處；崩塌與滑坡災害相對較少。顯然，地下采煤擾動對地表的破壞形式主要表現(xiàn)為塌陷坑和地裂縫，并有大量隨區(qū)內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展和工程建設而產(chǎn)生的不穩(wěn)定斜坡。這些不穩(wěn)定斜坡隨地下采煤擾動后地表持續(xù)沉降，因此，應防止不穩(wěn)定斜坡體應力平衡被打破而向崩塌、滑坡災害轉化。

3) 地質構造與巖性因子分析。由表5可知：區(qū)內(nèi)地質災害主要發(fā)生在距離線性地質構造1 200 m以內(nèi)的范圍，占災害點總數(shù)量的72.15%；隨著距離的增加，地質構造對地質災害的控制力先小幅增強后回落遞減；50.63%的地質災害發(fā)育于距離線狀構造600 m以內(nèi)，說明區(qū)內(nèi)地質構造對地質災害的控制隨距離增加而趨于減弱。由圖3可以看出，研究區(qū)內(nèi)地質災害分布具有較為明顯的東西向帶狀趨勢，與東西向線狀斷裂構造在空間分布上吻合度較高，因此地質構造是研究區(qū)內(nèi)地質災害發(fā)育必須考慮的重要因素。由表6可知，研究區(qū)內(nèi)地質災害主要發(fā)生在中厚層具泥化夾層軟硬相間砂頁巖夾煤層巖組，巖組中災害點數(shù)量占災害點總數(shù)量的44.3%，是區(qū)內(nèi)地質災害的高發(fā)育區(qū)，顯示出區(qū)內(nèi)地質災害的發(fā)生與煤系巖層具有強相關性。其次是粘土、砂礫石層雙層土體，共發(fā)育有災害點30處，占災害點總數(shù)量的37.97%.礦、礫石、亞礦土、亞粘土多層土體分布于山前人類生活區(qū)，無地質災害發(fā)生。

4) 植被覆蓋因子分析。歸一化植被指數(shù)NDVI是反映植被覆蓋的一個重要指標，用于檢測植被生長狀態(tài)；該值越大表示植被越茂盛，反之則越稀疏。具體來說，NDVI為負，表示地面無植物覆蓋；NDVI為0，表示地表為巖石或裸土等；NDVI為正值，表示有植被覆蓋。研究區(qū)內(nèi)NDVI≥0.2的區(qū)域為植被覆蓋密集區(qū)，由表7可知這也是地質災害點分布的密集區(qū)，災害點數(shù)量占比為48.10%；這與植被覆蓋能有效消弱地質災害發(fā)生的概念呈現(xiàn)背離。野外核查表明，區(qū)內(nèi)的植被主要以草地為主，對地表的水土保持有一定的作用。由表7可以看出，植被覆蓋密集區(qū)主要發(fā)育的地質災害類型為地面塌陷。在不考慮超采地下水因素的前提下，區(qū)內(nèi)地面塌陷地質災害發(fā)育的主要誘因為地下采煤擾動影響。同時，植被密集區(qū)發(fā)育了較多的滑坡；在不考慮地震與強降雨因素前提下，其誘因主要為人工活動。研究區(qū)地處西山煤田西山礦區(qū)，是中國重要的地下采煤區(qū)。在經(jīng)歷了過去幾十年高強度煤炭開采后，含煤地質體應力平衡被打破，滑坡災害發(fā)育較多，因此研究區(qū)內(nèi)植被密集區(qū)是地質災害高發(fā)區(qū)是合理的。

5) 土地利用因子分析。將研究區(qū)內(nèi)的土地利用類型分為園林綠地、居民地及工礦、采礦用地、植被、河流水庫和耕地六大類。由其面積統(tǒng)計可知，區(qū)內(nèi)的土地利用類型主要為植被、居民地及工礦用地和采礦用地；由表8可知，這三類也是地質災害發(fā)生較多的區(qū)域。其中，居民地及工礦和采礦用地發(fā)育的地質災害點數(shù)量分別占災害點總數(shù)量的的34.18%和16.46%.因此，研究區(qū)內(nèi)人類采煤活動和工程活動是地質災害發(fā)育的重要誘因。

3 結論

通過本文的研究，基本明確了太原市萬柏林區(qū)地質災害發(fā)育的空間特征與成因，獲得了以下有益的認識：

1) 高程、坡度與災害分布之間呈現(xiàn)出臨界關系，超出某個范圍災害發(fā)育即減少甚至不發(fā)育。研究區(qū)內(nèi)高程的臨界范圍為1 500 m，坡度的臨界范圍為35°。這為基于3S技術快速提取研究區(qū)內(nèi)地質災害信息提供了先驗閾值。

2) 隨著距地質構造距離的增加，地質構造對災害發(fā)育控制力逐漸減弱；但是構造走向與災害點空間分布走向之間的強吻合度表明斷裂構造是區(qū)內(nèi)地質災害發(fā)育的重要影響因素。

3) 植被密集區(qū)為研究區(qū)內(nèi)災害高發(fā)區(qū)，災害類型主要為地面塌陷與滑坡。疊加地下采煤區(qū)范圍、土地利用圖，并結合野外核查，認為研究區(qū)內(nèi)地質災害發(fā)育的主要因素來自地下采煤擾動地質體引發(fā)的上覆巖體應力重分配，并由此引發(fā)地表沉陷及斜坡體失穩(wěn)導致的滑坡災害。

綜上，地下采煤擾動是研究區(qū)內(nèi)地質災害發(fā)育的主要成因，而東西向地質構造則對區(qū)內(nèi)地質災害發(fā)育具有控制作用。同時，分布于采煤區(qū)上方的中厚層具泥化夾層軟硬相間砂頁巖夾煤層巖組也必然成為災害發(fā)育數(shù)量最大的工程巖組。

盡管取得了上述認識，但本文工作中并未進行這些特征因素之間的耦合分析。今后應著重進行多因素耦合下地質災害發(fā)育特征分析研究，并考慮降雨與地震因素。