鄒 浩， 陳金國， 李慶偉， 陳 兵， 王 超， 嚴四甫

(1.湖北省地質(zhì)局 第三地質(zhì)大隊,湖北 黃岡 438000; 2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,河南 鄭州 450003；3.湖北省地質(zhì)局 第五地質(zhì)大隊，湖北 鄂州 436000)

滑坡是鄂東黃岡地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害,已成為影響該地區(qū)居民生存環(huán)境的主要災(zāi)種之一。據(jù)調(diào)查,園區(qū)內(nèi)共發(fā)育各類地質(zhì)災(zāi)害365處,其中發(fā)育滑坡災(zāi)害204處,占黃岡市滑坡總數(shù)的近40%,嚴重威脅人類的生命財產(chǎn)安全。

1 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件

大別山世界地質(zhì)公園位于湖北省東北部、黃岡市境內(nèi)的大別山南麓,東鄰安徽省六安市,南與江西省九江市隔江相望,西連中部特大城市武漢市,地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°03′13″～115°52′18″,北緯30°43′46″～31°17′18″。園區(qū)地跨麻城市、羅田縣和英山縣兩縣一市,公園總面積為2 625.54 km2。

1.1 氣象水文

園區(qū)屬長江中下游亞熱帶溫潤季風(fēng)性氣候,江淮小氣候區(qū),全年氣候溫暖濕潤,年平均氣溫16.4℃,年際變動在15.2～17.4℃,變幅2.2℃,7月最熱,平均氣溫28.4℃；1月最冷,平均氣溫3.6℃。極端最高氣溫41.6℃,極端最低氣溫-14.6℃,全年平均無霜期239.5 d。氣溫隨海拔升高而遞減,表現(xiàn)出明顯的垂直差異,統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)海拔每上升100 m,年平均氣溫降低約0.53℃。

園區(qū)屬長江中游干流區(qū),中游下段北岸水系,水資源豐富,河道縱橫,湖泊遍布。兩縣一市水系在園區(qū)內(nèi)均有分布：分布羅田縣的3大水系,分別為新昌河、北豐河和泗泊河,均注入巴水干流；分布英山縣東河、西河兩大水系,于南沖畈匯合,共納大小支河192條,注入白蓮河水庫；分布麻城市的觀音寺河和巴河兩大水系,均近南北流向。園區(qū)分布多個水庫,較大的有天堂水庫、鳳凰關(guān)水庫、跨馬墩水庫、響水潭水庫、馬鞍山水庫、河鋪水庫等著名水庫,水能資源蘊藏豐富。

1.2 地形地貌

園區(qū)地處大別山南麓,位于中國地貌第三階梯的中部,主要屬斷裂控制的構(gòu)造地貌類型。地質(zhì)公園內(nèi)嶺嶺相連,群峰起伏,山脈多呈北東向展布,形成由東北向西南漸低的地形。位于羅田縣、英山縣和安徽省金寨縣交界處的大別山主峰——天堂寨,海拔1 729 m,是園區(qū)內(nèi)最高點。西南部的羅田縣三里畈鎮(zhèn)新橋村海拔高程46 m,是區(qū)內(nèi)最低點,高差超過1 600 m。中部為丘陵崗地,海拔在100～250 m；南部為沖積平原,多湖泊,地面高程46～60 m。本區(qū)地貌由燕山運動奠定總體格架,由喜山運動和挽近期新構(gòu)造運動最后完成,其中中新生代隆起作用起主導(dǎo)作用,地貌形態(tài)可依次劃分為構(gòu)造侵蝕中山區(qū)、構(gòu)造侵蝕低山區(qū)、構(gòu)造侵蝕丘陵區(qū)和漫灘及平原區(qū)。

1.3 地層巖性

地質(zhì)公園園區(qū)發(fā)育地層不完全,出露地層主要為上太古界—下元古界大別山(巖)群、中元古界紅安巖群七角山(巖)組、塔耳崗(巖)組、上元古界耀嶺河組以及第四系全新統(tǒng)。

大別山(巖)群主要分布于龍?zhí)逗印鸺忆仭秃印蠛影兑粠Ъ翱h城—鳳凰關(guān)水庫一帶,地層呈弧形方向展布,多組成背斜核部,一般出露不全；土門河—楊柳灣一帶,地層呈北西或北東向展布,多組成向斜軸部。

紅安巖群七角山(巖)組主要分布于新昌河、龍井河、孔家坊鄉(xiāng)、鹽田河—五桂河一帶,地層特征發(fā)育較為完整。紅安巖群塔耳崗(巖)組僅零星出現(xiàn)。

第四系全新統(tǒng)由沖積、沖洪積、殘坡積的粉質(zhì)黏土、砂、砂礫石等物質(zhì)組成,零星分布于河流兩側(cè)、山前盆地及山體表層。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地震

園區(qū)經(jīng)歷了新太古代—古元古代結(jié)晶基底的變質(zhì)、重結(jié)晶作用,中—新元古代的大別—呂梁運動,三疊世古洋盆的俯沖—碰撞的擠壓、褶疊增厚作用,新生代(燕山期—喜山期)陸內(nèi)俯沖—推(滑)覆—斷塊升降的陸內(nèi)造山作用。大別山地區(qū)遭受了多階段造山及巨大的隆升作用,導(dǎo)致造山帶核部出現(xiàn)古老的根帶物質(zhì)組合,并表現(xiàn)為從熱隆升逐漸過渡為逆沖推覆造山。隨著濱太平洋構(gòu)造域的疊加復(fù)合,新構(gòu)造活動強烈,本區(qū)被一系列近東西向、北西(西)向、北(北)東向深層次斷裂帶所切割[1]。

根據(jù)歷史記載,園區(qū)有據(jù)可查的地震有11次。其中羅田縣和英山縣各兩次,麻城市發(fā)生7次,5級以上的地震共有4次。自設(shè)立地震臺網(wǎng)以來,園區(qū)尚未記錄到>4級的地震,多為微小地震,總體來說強度和頻率都很低。

1.5 水文地質(zhì)條件

園區(qū)內(nèi)經(jīng)多期構(gòu)造運動,斷裂發(fā)育,巖體中裂隙較為密集,有利于大氣降水入滲,但巖體本身含水性較差,故地下水較為貧乏。根據(jù)地下水賦存條件和含水層的孔隙性質(zhì),地下水可劃分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種類型。

地下水的補給主要有3種方式：①大氣降水補給地下水；②大氣降水與地表水雙重補給地下水,主要位于山區(qū)河流、溪溝洼地、低級階地前緣斜坡區(qū)；③相鄰含水層側(cè)向補給地下水,主要位于階地后緣,接受基巖的側(cè)向補給。

區(qū)內(nèi)地下水受大氣降水的嚴格控制,其動態(tài)變化隨季節(jié)大幅漲落變化的特點,給地質(zhì)災(zāi)害形成創(chuàng)造了有利的水文地質(zhì)條件。松散巖類孔隙水的徑流受地形地貌控制明顯,主要通過表層松散孔隙從水勢高處向低處徑流?；鶐r裂隙水的運移受地質(zhì)構(gòu)造影響,徑流于巖石風(fēng)化殼及斷裂構(gòu)造帶、裂隙密集帶的空隙中。

松散巖類孔隙水主要沿松散孔隙從水勢高處向低處常以泉水形式排泄于地表河谷之中,基巖裂隙水則通過巖石風(fēng)化殼及斷裂構(gòu)造帶、裂隙密集帶的空隙,多以散浸狀在基巖裸露處排泄出地表。

1.6 人類工程活動

隨著經(jīng)濟建設(shè)的迅猛發(fā)展,人類工程活動愈發(fā)強烈,頻率越來越高。密集的人類工程活動對園區(qū)原有的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大影響,并促進了地質(zhì)災(zāi)害的形成與發(fā)育,對園區(qū)內(nèi)的居民形成了重大威脅。其突出表現(xiàn)在以下五個方面：城鎮(zhèn)建設(shè)、交通建設(shè)、水利工程建設(shè)、礦產(chǎn)開發(fā)、土地利用與開發(fā)。

2 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型及分布發(fā)育特征

參照已完成的麻城市、羅田縣和英山縣的1∶50 000地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查成果,園區(qū)內(nèi)共發(fā)育各類地質(zhì)災(zāi)害365處,其中滑坡數(shù)量最多,為204處,崩塌47處,不穩(wěn)定斜坡94處,泥石流20處。位于羅田縣的災(zāi)害點最多,高達203處,英山縣和麻城市的災(zāi)害點數(shù)量分別為136處和26處。

2.1 地質(zhì)災(zāi)害類型及發(fā)育特征

園區(qū)內(nèi)共發(fā)育滑坡災(zāi)害204處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的近60%,從物質(zhì)組成上看,園區(qū)內(nèi)滑坡以土質(zhì)和巖質(zhì)為主,巖土混合質(zhì)滑坡僅有4處,其中土質(zhì)滑坡主要為第四系殘坡積物沿巖土接觸面滑動,巖質(zhì)滑坡多沿強弱風(fēng)化層界面發(fā)生滑動。園區(qū)內(nèi)滑坡主要為小型滑坡,占滑坡總數(shù)的98.53%,中型滑坡僅有3處,無大型滑坡,運動形式上則以牽引式滑坡為主。這與園區(qū)內(nèi)人類開挖坡腳修建房屋密切相關(guān),開挖坡腳使得上部巖土體失去支撐,在自身重力或降雨等誘發(fā)因素的作用下極易發(fā)生滑動。分析滑坡的平剖面形態(tài)可以發(fā)現(xiàn),區(qū)內(nèi)滑坡平面上以半圓形和舌形為主,矩形最少；剖面形態(tài)上分布較為均勻,復(fù)合型滑坡發(fā)育最少?，F(xiàn)狀穩(wěn)定性上則以基本穩(wěn)定滑坡和不穩(wěn)定滑坡最為發(fā)育,目前處于穩(wěn)定狀態(tài)的滑坡僅有5處。

園區(qū)內(nèi)共發(fā)育崩塌災(zāi)害47處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的12.88%。園區(qū)內(nèi)崩塌主要為小型崩塌,占崩塌總數(shù)的91.49%,中型崩塌僅有4處,無大型崩塌。從穩(wěn)定性上來看,以基本穩(wěn)定和不穩(wěn)定為主,現(xiàn)狀處于穩(wěn)定狀態(tài)的崩塌僅有1處。分析其破壞模式可以發(fā)現(xiàn),區(qū)內(nèi)崩塌以滑移式和傾倒式最為發(fā)育,數(shù)量相當(dāng),占總數(shù)的近90%,其他形式的崩塌基本不發(fā)育。

園區(qū)內(nèi)共發(fā)育不穩(wěn)定斜坡災(zāi)害94處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的25.75%,數(shù)量僅次于滑坡。從物質(zhì)組成上來看,園區(qū)內(nèi)不穩(wěn)定斜坡分為土質(zhì)和巖質(zhì),并且數(shù)量相當(dāng)。小型不穩(wěn)定斜坡占比高達97.87%,方量大多<2 000 m3,大中型不穩(wěn)定斜坡僅發(fā)育兩處,人工邊坡數(shù)量略高于自然斜坡。斜坡結(jié)構(gòu)上以特殊結(jié)構(gòu)斜坡最為發(fā)育,順向坡次之,逆向坡最不發(fā)育。不穩(wěn)定斜坡的潛在變形趨勢分為滑坡和崩塌兩種,且以滑坡為主,穩(wěn)定性上以基本穩(wěn)定為主,不穩(wěn)定次之,不穩(wěn)定斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)的僅發(fā)育1處。

園區(qū)內(nèi)共發(fā)育泥石流災(zāi)害20處,僅占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的5.48%,是園區(qū)內(nèi)發(fā)育數(shù)量最少的地質(zhì)災(zāi)害,并且?guī)缀醵技邪l(fā)育在羅田縣境內(nèi)。園區(qū)內(nèi)泥石流以小型為主,僅發(fā)育一處巨型泥石流,位于羅田縣天堂寨黃柏山村,方量達90萬m3。從流域地貌特征來看,溝谷型泥石流略多于坡面型泥石流。分析其發(fā)展階段,處于發(fā)展期的泥石流占據(jù)主導(dǎo)地位,衰退期次之,形成期最少。區(qū)內(nèi)不易發(fā)泥石流占總數(shù)的80%,中等易發(fā)的僅發(fā)育4處。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害時空分布特征

地質(zhì)災(zāi)害在年際分布上差異性明顯,根據(jù)對1959—2017年59年間有時間記錄的地質(zhì)災(zāi)害分布情況統(tǒng)計,園區(qū)內(nèi)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害365處,災(zāi)害集中分布在2012—2017年的6年內(nèi),共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害288處,占總數(shù)的78.90%,尤以2015年和2016年發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害最多,特別是2016年共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害235處,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的64.38%。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的時間分布與降雨周期密切相關(guān)。通過調(diào)查統(tǒng)計災(zāi)害點發(fā)生月份,可知園區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生在6、7月,其中發(fā)生于6月份的有172處,占47.12%；7月份的有159處,占43.56%；其他10個月共計發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害34處,僅占9.32%,1月份未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。由此可見,地質(zhì)災(zāi)害在月份上分布極不均勻,集中分布在汛期6—7月份(圖1)。分析原因可知,園區(qū)內(nèi)2016年6月19日和7月1日遭遇特大暴雨,單日降雨量高達148.7 mm和151 mm,強降雨改變了原有的坡體環(huán)境,對邊坡巖土體起到了軟化和潤滑的作用,大大降低了坡體的穩(wěn)定性,誘發(fā)了大量的地質(zhì)災(zāi)害。

圖1 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量隨月份變化關(guān)系圖Fig.1 Relationship map of monthly variation of geological disasters in the park

地質(zhì)災(zāi)害空間分布主要研究地質(zhì)災(zāi)害點在各個行政區(qū)域上(鄉(xiāng)鎮(zhèn)或景區(qū))的分布規(guī)律,關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害按高程、坡度、地層等的分布特征將在下一章進行討論。園區(qū)內(nèi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的365處災(zāi)害點分布在麻城市、羅田縣和英山縣27個鄉(xiāng)鎮(zhèn)或景區(qū)內(nèi),其分布平均密度為每百平方千米13.90個,但分布差異較大(圖2)。其中災(zāi)害點分布最多的是孔家坊鄉(xiāng),發(fā)育災(zāi)害點37處,占比高達10.14%；分布最少的是三河口鎮(zhèn),未發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害。從類型上來看,滑坡災(zāi)害分布較為集中,其他災(zāi)害分布較為分散。由此看來,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害無論在數(shù)量上還是在類型上均有較大的差異,因此面臨的防災(zāi)減災(zāi)形勢也必然體現(xiàn)一定的差異性。

圖2 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害按行政單元分布圖Fig.2 Distribution map of geological disasters in park by administrative unit

3 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

3.1 選取影響因子

影響因子選取需遵循兩個原則：①可操作性,即資料的可獲取性；②指標(biāo)因子間的獨立性,即所選取的評價指標(biāo)有一定的差異,各指標(biāo)對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生發(fā)育具有一定的獨立性,無明顯交叉。

結(jié)合調(diào)查區(qū)自然地理、地質(zhì)災(zāi)害特征和前人對該區(qū)的研究,在充分考慮資料的可獲得性、研究區(qū)尺度大小、研究范圍的大小以及研究精度的要求等因素的前提下,最終選取以下8類能表征地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生現(xiàn)狀和致災(zāi)作用強度的易發(fā)區(qū)評價因子,即地形地貌選取高程、坡度、坡向和剖面曲率,其中高程的數(shù)值用來界定不同的地貌單元；地層巖性依據(jù)工程地質(zhì)巖組劃分；地質(zhì)構(gòu)造選取園區(qū)內(nèi)控制性構(gòu)造進行緩沖分析；水系分布以區(qū)內(nèi)河流和湖泊分布進行緩沖分析；道路主要以公路鐵路進行緩沖分析。

3.2 影響因子權(quán)重

確定指標(biāo)權(quán)重有三大類方法：主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法、綜合賦權(quán)法。綜合賦權(quán)法很好地結(jié)合了主、客觀賦權(quán)法的優(yōu)點,既包含了專家基于主觀判斷對區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測,又考慮了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的客觀條件,大大提高了指標(biāo)權(quán)重值的精度,具備較強的合理性[2]。

結(jié)合園區(qū)工程地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害分布發(fā)育現(xiàn)狀,通過查閱文獻比對多種賦權(quán)方法,最終確定綜合賦權(quán)法中的主觀賦權(quán)法選用層次分析法,客觀賦權(quán)法選用變異系數(shù)法。

3.2.1主觀權(quán)重計算

采用層次分析法(AHP)計算主觀權(quán)重[3]。以園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性為目標(biāo)層,以高程、坡度、坡向、剖面曲率、地層、水系、道路和構(gòu)造為指標(biāo)層,建立園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性AHP模型(表1)。

表1 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性AHP模型Table 1 AHP method of geological disasters susceptibility in the park

采用專家打分法對各影響因子進行相對重要性打分,根據(jù)1-9標(biāo)度法構(gòu)建指標(biāo)層元素判斷矩陣A(表2)。

表2 指標(biāo)層重要性判斷矩陣ATable 2 Index layer important judgment matrix A

在MATLAB中計算判斷A的特征值,得出判斷矩陣A的最大特征根λmax=8.502 8,然后計算λmax對應(yīng)的歸一化特征向量為：

表3 各指標(biāo)因子主觀權(quán)重值Table 3 Subjective weight value of each index factor

3.2.2客觀權(quán)重計算

采用變異系數(shù)法計算客觀權(quán)重[4]。通過計算園區(qū)各評價指標(biāo)不同分段內(nèi)的變異系數(shù),進而確定各指標(biāo)間的權(quán)重關(guān)系。指標(biāo)的變異系數(shù)越大,表明其變異程度越大,即該指標(biāo)在研究區(qū)內(nèi)的貢獻越大。

(1)

(2)

(3)

表4 各指標(biāo)因子客觀權(quán)重值Table 4 Objective weight value of each index factor

3.2.3綜合權(quán)重計算

根據(jù)計算得出的主觀權(quán)重值和客觀權(quán)重值,代入公式(4),可得各指標(biāo)因子的綜合權(quán)重值(表5)。

表5 各指標(biāo)因子綜合權(quán)重值Table 5 Comprehensive weight value of each index factor

ω=ηω1+(1-η)ω2

(4)

式中：ω表示綜合權(quán)重值;ω1表示采用層次分析法所得的主觀權(quán)重值；ω2表示采用變異系數(shù)法所得的客觀權(quán)重值；η表示比例系數(shù),經(jīng)專家確定,此處η取值0.55。

3.3 指標(biāo)分級評價

選取基于統(tǒng)計分析的地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)因子區(qū)間分類常用的頻率比(Frequency Ration)作為頻率的分類依據(jù)[5-6]。

(5)

FR表征了指標(biāo)因子的分類對易發(fā)性的重要程度,FR<1說明該分類屬性與地質(zhì)災(zāi)害形成無關(guān),FR>1說明該分類對地質(zhì)災(zāi)害的形成有影響。通過計算頻率比,兼顧可操作性,將單因子指標(biāo)狀態(tài)統(tǒng)一劃分為5級。統(tǒng)計每分段內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量,數(shù)量最高的分段賦值為5,次高的賦值為4,依次類推,地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最少的賦值為1。

表6 影響因子分級、賦值標(biāo)準(zhǔn)Table 6 Impact factor classification and evaluation criteria

3.4 易發(fā)性評價

3.4.1建立易發(fā)性評價模型

選擇科學(xué)合理的易發(fā)性評價模型直接影響評價結(jié)果的精度,查閱資料可知,與直接疊加等級評分相比,對不同的指標(biāo)因子賦予相應(yīng)的權(quán)值能獲得更合理的預(yù)測結(jié)果[7],能顯著地反映出不同單元的區(qū)別。通過將各個因素不同狀態(tài)分成不同的級別,賦予相應(yīng)的分級值,同時通過綜合賦權(quán)法確定各因子的權(quán)重,在此基礎(chǔ)上求出所有影響因素的加權(quán)和,即得到各評價單元的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)(LSI)：

(6)

式中：LSI為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)；ωi為評價因子權(quán)重；βi為致災(zāi)因子強度指數(shù)。

3.4.2易發(fā)性區(qū)劃

利用ArcGIS的矢量疊加功能,對建立的易發(fā)性影響因子權(quán)重進行圖層疊加,便可進行大別山世界地質(zhì)公園地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評價,根據(jù)公式(6)計算各評價單元的易發(fā)性指數(shù)(LSI),通過將易發(fā)性指數(shù)分類即可將園區(qū)劃分為不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)四類,采用自然斷點分級法,并結(jié)合野外調(diào)查結(jié)果進行修正,進而完成園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性區(qū)劃(圖3)。

圖3 園區(qū)易發(fā)性區(qū)劃圖Fig.3 Zoning map of park susceptibility

3.4.3結(jié)果與精度評價

園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)東部和中南部發(fā)育程度高、西部和北部發(fā)育程度低的特點。此外,園區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害多分布在道路(包括公路、鐵路等)、河流沿線的蜿蜒帶狀區(qū)域,道路河流沿線易發(fā)性等級也較高,隨著與道路河流距離增大,易發(fā)性等級明顯下降,表現(xiàn)出較為明顯的負相關(guān)的趨勢。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果可知,園區(qū)內(nèi)因修建道路對原有邊坡經(jīng)常切坡、削方,形成了大量5～20 m高、坡體陡峭的臨空面,再加上本就較為脆弱的地層條件,極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。同時,因水流對邊坡巖土體的侵蝕、浸潤、軟化等作用,使得河流沿線的地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。

根據(jù)上述易發(fā)性評價結(jié)果,分別計算各等級柵格面積、地質(zhì)災(zāi)害密度、占總柵格比例等,計算結(jié)果如表7所示。從各等級面積來看,中易發(fā)區(qū)在整個園區(qū)中面積最大,占比約為33.90%,低易發(fā)區(qū)面積次之,不易發(fā)區(qū)面積最小。分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度和各等級內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害占總災(zāi)害比例,均呈現(xiàn)明顯增大的規(guī)律,這符合易發(fā)性分區(qū)的原則,理論上具有較高的精度。

表7 柵格統(tǒng)計結(jié)果表Table 7 Statistical table of results gird

采用中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害加權(quán)和占總地質(zhì)災(zāi)害的比例來表征預(yù)測精度。

(7)

式中：p表示預(yù)測精度；N高表示高易發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量；N中表示中易發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量；N總表示園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)。

由式(7)計算可知預(yù)測精度p為71.23%,表明此分區(qū)具有較高的精度。

4 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價已解決了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的空間概率問題,但未涉及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率或強度問題,且目前關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害強度的研究幾乎都集中在單個災(zāi)害上,對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性評價經(jīng)常采用簡化處理,即不考慮強度指標(biāo)[8],而地質(zhì)災(zāi)害危險性可以表征園區(qū)在一定的時間段內(nèi)發(fā)育特定規(guī)?；驈姸鹊牡刭|(zhì)災(zāi)害的概率。地質(zhì)災(zāi)害危險性評價可概化為地質(zhì)災(zāi)害強度(面積、體積等)、空間概率和時間概率的乘積。

4.1 誘發(fā)因子

誘發(fā)因子主要是指區(qū)域上具有一定地域性動態(tài)變化的誘發(fā)條件,如庫水位變動、地震、降雨和人類工程活動等方面。

大別山世界地質(zhì)公園園區(qū)屬長江中下游亞熱帶溫潤季風(fēng)性氣候,根據(jù)園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害和多年月平均降雨量隨月份的變化關(guān)系(圖4)可以看出,多年月平均降雨量和地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量隨月份的變化均呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律,且峰值均出現(xiàn)在6月份,二者存在強相關(guān)關(guān)系,即降雨量大的月份地質(zhì)災(zāi)害也越發(fā)育。

圖4 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和1959—2017年月平均降雨量隨月份的變化關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the number of geological disasters andmonthly average rainfall from 1959 to 2017

基于此將降雨作為區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素,并開展基于降雨重現(xiàn)期的園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價。

4.2 評價方法

基于概率論的數(shù)理統(tǒng)計方法,可利用特定的概率分布模型對園區(qū)內(nèi)任意重現(xiàn)期T的降雨量極值進行預(yù)測。Pearson-III型是氣象水文學(xué)應(yīng)用最廣的一種概率模型[9],也是三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工程地質(zhì)勘查技術(shù)要求推薦使用的方法,故采用Pearson-III型降雨概率模型計算不同重現(xiàn)期下的降雨量極值,進行園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價。

4.3 危險性評價

在易發(fā)性評價的基礎(chǔ)上進行地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃,通過計算降雨事件不同重現(xiàn)周期誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的空間概率,然后計算重現(xiàn)周期的時間概率(即重現(xiàn)期的倒數(shù)),危險性值即為空間概率與時間概率的乘積。

以5年重現(xiàn)期為例,具體危險性評價過程為：

(1) 首先計算空間概率,利用Pearson-III型概率分布模型計算出不同重現(xiàn)周期對應(yīng)的降雨量極值,定義降雨量小于等于該極值的地質(zhì)災(zāi)害一定會發(fā)生,在ArcGIS中篩選出滿足該條件的地質(zhì)災(zāi)害點,并按照易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計其面積總和?？臻g概率即為統(tǒng)計出來的面積和與易發(fā)性分區(qū)的面積比值。

(2) 計算時間概率,即為重現(xiàn)周期的倒數(shù),例如降雨重現(xiàn)期為5年,時間概率即為0.2。

(3) 基于前兩步計算出來的空間概率和時間概率,二者的乘積即為危險性值。同理,分別計算降雨重現(xiàn)期為10年、20年和50年的危險性值(表8)。

表8 不同重現(xiàn)周期危險性值計算表Table 8 Calculation table of risk values for different recurrent periods

分析表8可發(fā)現(xiàn),降雨重現(xiàn)期從5年到50年,災(zāi)害點面積逐步增大,相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害空間概率整體上也在增大,表明降雨規(guī)模越大,誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量、規(guī)模也越大；同一個易發(fā)性分區(qū)內(nèi),地質(zhì)災(zāi)害危險性值隨降雨重現(xiàn)期的增大而逐步減小,表明時間概率對地質(zhì)災(zāi)害危險性的影響要大于空間概率；對比不同易發(fā)性分區(qū)內(nèi)同一重現(xiàn)周期的空間概率和危險性可以發(fā)現(xiàn),易發(fā)性程度越高,相應(yīng)的空間概率和危險性也越大,即危險性區(qū)劃結(jié)果與易發(fā)性評價結(jié)果吻合程度較高。以5年重現(xiàn)期為例,根據(jù)表8數(shù)據(jù),利用ArcGIS中的柵格計算器賦予各易發(fā)區(qū)相應(yīng)的危險性值,得到園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價(圖5)。

圖5 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃圖Fig.5 Risk zoning map of geological disasters in the park

5 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險分析

區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價是降低災(zāi)害損失非常重要的非工程措施,其評價結(jié)果可以為科學(xué)而經(jīng)濟有效地組織和實施防災(zāi)減災(zāi)工程服務(wù),為評價重點工程建設(shè)的選址及其適宜性提供分析依據(jù),為針對受地質(zhì)災(zāi)害威脅的高風(fēng)險地區(qū)制訂應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。

目前,國際上應(yīng)用最為廣泛的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價模型為：

R=H×V×E

(8)

式中：R表示地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性；H表示地質(zhì)災(zāi)害危險性；V表示地質(zhì)災(zāi)害易損性；E表示承災(zāi)體的經(jīng)濟價值。

第4節(jié)已開展了地質(zhì)災(zāi)害危險性評價,本節(jié)將繼續(xù)研究地質(zhì)災(zāi)害易損性和承災(zāi)體經(jīng)濟價值兩方面,采用定性分析和定量評價相結(jié)合的半定量方法進行評價。

5.1 易損性評價

區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易損性評價是評判一個區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害對其威脅對象(承災(zāi)體)被破壞的概率大小以及被損毀程度的高低,評價內(nèi)容包含地質(zhì)災(zāi)害作用強度和承災(zāi)體抗災(zāi)能力兩個方面。本節(jié)采用公式(9)開展易損性評價[10-11]。

V=I×S

(9)

式中：V表示承災(zāi)體易損性；I表示地質(zhì)災(zāi)害作用強度；S表示承災(zāi)體抗災(zāi)能力。

5.1.1選取評價指標(biāo)

根據(jù)園區(qū)內(nèi)承災(zāi)體的特點,結(jié)合因子的可獲取性和重要程度,選取了人口、自然資源,基礎(chǔ)設(shè)施和土地利用類型4類二級指標(biāo)來建立抗災(zāi)能力評價指標(biāo)體系,它們分別代表了人類活動、資源環(huán)境及基礎(chǔ)設(shè)施的抗災(zāi)能力(圖6)。在二級指標(biāo)下劃分10個三級指標(biāo),各指標(biāo)在園區(qū)內(nèi)密度大小與其抗災(zāi)能力強弱關(guān)系不盡相同,據(jù)此可劃分為正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)兩大類,正向指標(biāo)表示在園區(qū)內(nèi)發(fā)育密度越大,抗災(zāi)能力越強,逆向指標(biāo)則相反。借鑒前人經(jīng)驗和園區(qū)自身特殊情況,將人口密度、地質(zhì)遺跡景觀、草地、房屋建筑、林地和水域定為正向指標(biāo),其余則為逆向指標(biāo)。

圖6 園區(qū)承災(zāi)體抗災(zāi)能力評價指標(biāo)體系Fig.6 Evaluation index system of disaster-bearing capacity of the park

由于各評價指標(biāo)單位不完全相同,須進行歸一化處理。正向指標(biāo)處理方法采用式(10),如果評價單元內(nèi)無該項指標(biāo)則定義為0,逆向指標(biāo)的歸一化則采用式(11)。

(10)

(11)

式中：x′i表示指標(biāo)數(shù)列中的每一項；x′imax表示該指標(biāo)數(shù)列中的最大值。

在評價指標(biāo)建立的基礎(chǔ)上,采用分位數(shù)法進行等級劃分,以每分段內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)個數(shù)基本相同為依據(jù)來確定分級間隔值,將承災(zāi)體抗災(zāi)能力劃分為四個等級,即極高抗災(zāi)能力(Ⅰ級)、高抗災(zāi)能力(Ⅱ級)、中抗災(zāi)能力(Ⅲ級)和低抗災(zāi)能力(Ⅳ級)(表9)。

表9 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性評價分級標(biāo)準(zhǔn)Table 9 The grading standard of vulnerability evaluation ofgeological disasters in the park

5.1.2 抗災(zāi)能力評價

模糊數(shù)學(xué)理論[12-13]則是運用模糊系統(tǒng)的觀點以及模糊集的理論和方法,采用隸屬函數(shù)來描述邊界不清楚的過渡問題和受多種因素影響的不確定性問題。這種方法同時考慮了各個因素的隨機性和模糊性,具有其他方法無法比擬的優(yōu)勢。因此,采用綜合模糊評價的方法對園區(qū)承災(zāi)體抗災(zāi)能力進行評價。

(1) 采用較為常見的三角形、降半梯形和升半梯形模糊分布函數(shù)來建立一元線性隸屬函數(shù)；

(2) 構(gòu)建因子評價矩陣,地質(zhì)災(zāi)害易損性等級評價集V和因子集U之間存在一種模糊關(guān)系,這種關(guān)系可以用10×4維的模糊矩陣R表示：

(3) 建立權(quán)重矩陣,運用層次分析法計算各評價指標(biāo)的權(quán)重。采用專家打分法分別建立目標(biāo)層(A)-條件層(B)、條件層(B)-因子層(C)的判斷矩陣,可得到以下三種判斷矩陣A、B3、B4：

采用和積法可計算出上述矩陣的特征值和特征向量,經(jīng)計算可得CRA=0.016 1,CRB3=0,CRB4=0.008 8,均通過一致性檢驗。

(4) 模糊合成運算與抗災(zāi)能力等級評價,通過計算出的因子層評價指標(biāo)對目標(biāo)層的權(quán)重w與模糊矩陣R進行矩陣相乘,整理便可得出第i個混合評判矩陣Bi,最后依據(jù)最大隸屬度原則,將Bi向量中最大值作為模糊評價的等級,即bs=maxbj,則評價單元地質(zhì)災(zāi)害抗災(zāi)能力等級為s級,最終園區(qū)各評價單元抗災(zāi)能力見圖7。

圖7 園區(qū)各評價單元抗災(zāi)能力分布圖Fig.7 Distribution map of disaster resistance capacity ofeach evaluation unit in the park

5.1.3風(fēng)險矩陣與評價結(jié)果

結(jié)合危險性區(qū)劃結(jié)果,基于園區(qū)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)抗災(zāi)能力高低,采用定性的風(fēng)險分析矩陣(圖8)完成園區(qū)承災(zāi)體易損性評價[14-16]。其中,潛在損失與抗災(zāi)能力成負相關(guān)關(guān)系,即評價單元抗災(zāi)能力越高,潛在損失越低。采用危險性評價結(jié)果表征地質(zhì)災(zāi)害對承災(zāi)體的作用強度,根據(jù)式(9),得到園區(qū)承災(zāi)體易損性分區(qū)圖(圖9)。

圖8 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險分析矩陣Fig.8 Risk analysis matrix of geological disasters

圖9 園區(qū)承災(zāi)體易損性分區(qū)圖Fig.9 Vulnerability zoning map of disaster-bearing body in the park

5.2 承災(zāi)體經(jīng)濟價值估算

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟損失單項評估標(biāo)準(zhǔn)和黃岡市政府地質(zhì)災(zāi)害補償標(biāo)準(zhǔn),參照前人研究經(jīng)驗[17-19],確定各評價指標(biāo)的單價,在此基礎(chǔ)上經(jīng)計算得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)承災(zāi)體總價值,依照承災(zāi)體價值高低劃分為極高、高、中、低四級。承災(zāi)體包含人口、地質(zhì)遺跡景觀、交通線和土地利用類型4類評價指標(biāo)。

(1) 人口單價估算依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟損失單項標(biāo)準(zhǔn),參照自然資源部門建議,綜合確定為每人5萬元；

(2) 地質(zhì)遺跡景觀單價估算,通過查閱資料和咨詢景區(qū)工作人員確定,統(tǒng)一按照200萬元/個進行單價估算；

(3) 交通線單價估算,通過查閱相關(guān)文獻并參考當(dāng)?shù)夭牧蟽r格、施工成本、工程地質(zhì)條件等方法確定。主要公路為200萬元/km,一般公路為50萬元/km進行單價估算；

(4) 土地利用類型單價估算,園區(qū)土地利用分類包括草地、房屋建筑、林地、裸地、耕地和水域。類比其他地區(qū)土地利用分類單價計算結(jié)果,結(jié)合本地區(qū)具體情況得出除房屋建筑外的指標(biāo)單價(表10)。房屋建筑則根據(jù)自然斷點法將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建筑密度劃分為4個等級,估算各等級內(nèi)建筑平均樓層數(shù)及單層價值(表11)。

表10 園區(qū)土地利用類型單價估算Table 10 Unit price estimation of land use types in the park

表11 園區(qū)房屋建筑單價估算Table 11 Risk zoning map of geological disasters in the park

按照上述單價估算標(biāo)準(zhǔn),分別計算各承災(zāi)體的價值，可得到承災(zāi)體價值在園區(qū)內(nèi)的分布情況(圖10)。

圖10 園區(qū)承災(zāi)體價值分區(qū)圖Fig.10 Value zoning map of disaster-bearing body in the park

5.3 風(fēng)險分析及評價

承災(zāi)體易損性評價和經(jīng)濟價值估算的集合又表示地質(zhì)災(zāi)害潛在致災(zāi)后果,故風(fēng)險值也是地質(zhì)災(zāi)害危險性與潛在致災(zāi)后果的乘積[20-21]。利用風(fēng)險分析矩陣將承災(zāi)體易損性和承災(zāi)體經(jīng)濟價值二者進行疊加,可獲得地質(zhì)災(zāi)害潛在致災(zāi)后果分布。在此基礎(chǔ)上,再次使用上述風(fēng)險分析矩陣將危險性分區(qū)結(jié)果和潛在致災(zāi)后果分布進行疊加,便可獲得園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖(圖11)。

圖11 園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃圖Fig.11 Risk zoning map of geological disasters in the park

如圖11所示,大別山世界地質(zhì)公園整體上地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性偏高,統(tǒng)計各分區(qū)面積發(fā)現(xiàn)高風(fēng)險區(qū)和極高風(fēng)險區(qū)面積占比高達67.26%。從分布上來看,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險整體上呈現(xiàn)中部和東南部高、北部和西部偏低的格局,高風(fēng)險區(qū)和極高風(fēng)險區(qū)均為路網(wǎng)發(fā)達、房屋建筑密集、人類工程活動極為強烈的區(qū)域,由此引發(fā)了大量的因開挖、切坡、削方等工程活動造成的潛在不穩(wěn)定邊坡,而北部景區(qū)被大片的森林所覆蓋,人類工程建設(shè)活動較少,較之其他區(qū)域整體風(fēng)險性偏低。

6 結(jié)論

本文得到的結(jié)論如下：

(1) 園區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害以滑坡為主,多以小型為主,現(xiàn)狀穩(wěn)定性較差,降雨活動和人類工程活動對災(zāi)害的影響較大；從時間分布特征來看,地質(zhì)災(zāi)害在月份分布上差異明顯,集中發(fā)生在汛期6—7月,與降雨活動存在強相關(guān)性；在空間分布上,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害無論在類型還是在數(shù)量上均有較大的差異。

(2) 選取高程、坡度、坡向、剖面曲率、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水系和道路8類作為易發(fā)區(qū)定性評價的因子；在易發(fā)性上,園區(qū)地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)東部和中南部發(fā)育程度高、西部和北部發(fā)育程度低的特點,中易發(fā)區(qū)在整個園區(qū)中面積最大,不易發(fā)區(qū)面積最小,易發(fā)性評價精度為71.23%,具有較高的可靠性。

(3) 降雨活動與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育存在強相關(guān)關(guān)系。地質(zhì)災(zāi)害面積隨降雨重現(xiàn)期的增大而逐漸增大,且降雨規(guī)模越大,誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量、規(guī)模也越大,同一個易發(fā)性分區(qū)內(nèi),地質(zhì)災(zāi)害危險性值隨降雨重現(xiàn)期的增大逐步減小,表明時間概率對地質(zhì)災(zāi)害危險性的影響要大于空間概率。對比不同易發(fā)性分區(qū)內(nèi)同一重現(xiàn)周期的空間概率和危險性,易發(fā)性程度越高,相應(yīng)地空間概率和危險性也越大,即危險性區(qū)劃結(jié)果與易發(fā)性評價結(jié)果吻合程度較高。

(4) 選取人口、自然資源、基礎(chǔ)設(shè)施和土地利用類型4類二級指標(biāo)建立抗災(zāi)能力評價指標(biāo)體系；大別山世界地質(zhì)公園整體上地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性偏高,在分布上,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險整體上呈現(xiàn)中部和東南部高、北部和西部偏低的格局,高風(fēng)險區(qū)和極高風(fēng)險區(qū)均為路網(wǎng)發(fā)達、房屋建筑密集、人類工程活動極為強烈的區(qū)域,北部景區(qū)被大片的森林所覆蓋,人類工程建設(shè)活動較少,較之其他區(qū)域整體風(fēng)險性偏低。