馬 振， 譚光超， 季 璇

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，湖北 荊州 434020)

近年來,GIS技術(shù)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害中,依托GIS本身的數(shù)據(jù)處理、空間分析等功能,結(jié)合各類數(shù)學(xué)模型,將地質(zhì)災(zāi)害評價由最初的定性研究推向定量研究階段,促使地質(zhì)災(zāi)害評價越來越具有客觀性。

基于九畹溪流域地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查項目[1],在收集、調(diào)查九畹溪流域地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀、誘發(fā)因素等地質(zhì)災(zāi)害要素和地質(zhì)環(huán)境條件下,利用GIS技術(shù),選取地質(zhì)災(zāi)害評價指標(biāo),建立信息量法模型[2],對九畹溪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價,為境內(nèi)今后地質(zhì)災(zāi)害避險避災(zāi)乃至發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

九畹溪位于長江南岸,行政隸屬湖北省宜昌市秭歸縣,流域山體隸屬大巴山和巫山余脈,以深—中深切割的峽谷地形為主,是長江三峽中為數(shù)不多的支流大峽谷之一,山巒疊嶂,巍峨挺拔。研究區(qū)屬亞熱帶氣候區(qū),一年四季分明,溫暖濕潤,熱量豐富,雨熱同季；冬冷夏熱,春秋常有變化,初夏多梅雨,伏秋多旱，晚秋多澇；區(qū)內(nèi)雨季為5—9月份,在降雨分布上具有地段與時段的相對集中,其暴雨期較長,常形成局部暴雨中心,容易引發(fā)山洪(圖1)。

圖1 九畹溪流域地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.1 Distribution map of geological disasters in Jiuwanxi Basin1.工作區(qū)邊界；2.地質(zhì)災(zāi)害點。

研究區(qū)地勢總體南高北低,山勢多呈近南北走向。2008年175 m試驗性蓄水后,河谷多呈不對稱“U”字形,河流左岸山體高聳矗立,多呈陡崖狀,崖高數(shù)十米,多為逆向坡；右岸地形略緩,局部為崩塌堆積,坡度25°～45°,較左岸略緩。研究區(qū)處于秭歸向斜與黃陵背斜過渡地帶,五龍褶皺帶東端,發(fā)育斷裂主要有仙女山斷裂和九畹溪斷裂,主要出露寒武系中上統(tǒng),右岸上游主要出露寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組灰色中—厚層狀白云巖,以界埡為界,下游出露寒武系中統(tǒng)覃家廟組。左岸整體出露寒武系上統(tǒng)婁山關(guān)組,界埡—棺木嶺一線婁山關(guān)組底部出露寒武系中統(tǒng)覃家廟組灰色中厚層狀白云巖。研究區(qū)九畹溪、仙女山斷裂以西多出露奧陶系—二疊系及白堊系,東部坡頂?shù)貛б院湎迪陆y(tǒng)為主出露。第四系多分布于溝谷、緩坡地帶。

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的分布情況主要受地形地貌、工程地質(zhì)巖組、氣象水文、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動、植被覆蓋率等因素的影響,現(xiàn)發(fā)育各類地質(zhì)災(zāi)害點87處,其中滑坡14處,占16.09%；崩塌40處,占45.98%；不穩(wěn)定斜坡33處,占37.93%。

從空間上看,地質(zhì)災(zāi)害點分布在九畹溪沿岸坡腳峽谷區(qū)內(nèi)較密集,在斜坡中上部較分散；從構(gòu)造上來看,九畹溪、仙女山斷裂構(gòu)造附近地質(zhì)災(zāi)害分布較廣泛；受人類工程活動影響,近年新增地質(zhì)災(zāi)害點多集中分布于桂埡、界埡、槐樹坪居民區(qū)及九畹溪漂流景區(qū)。在時間上主要與降雨周期密切相關(guān),一般集中發(fā)生在5—9月,尤以7月發(fā)生數(shù)量最多。

2 信息量法模型及基于GIS的應(yīng)用

信息預(yù)測學(xué)對信息的基本描述是用概率來表示的。信息量法模型用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的主要思路是通過對已知變形和破壞區(qū)域的現(xiàn)實情況及提供的信息,把反映各種信息影響區(qū)域穩(wěn)定性因素的實測值轉(zhuǎn)化為反映區(qū)域穩(wěn)定性的信息量值。其方法是通過某些因素對所提供的研究對象信息量的計算來評價,亦即用信息量的大小來評價影響與研究對象關(guān)系的密切程度。

2.1 信息量法模型

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是受多種因素影響的,可以用信息量法模型表示：地質(zhì)災(zāi)害(y)的形成受到不同因素xi的綜合影響,在不同的地質(zhì)環(huán)境中,各種影響因素所起的作用和性質(zhì)是不相同的,總會存在一種最佳的因素組合利于災(zāi)害體的形成。

信息量法模型表示為：

(1)

式中：I(y,x1x2…xn)為因素組合x1x2…xn對地質(zhì)災(zāi)害所提供的信息量；P(y,x1x2…xn)為因素x1x2…xn的組合條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率；P(y)為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。

根據(jù)條件概率，式(1)可寫成：

I(y,x1x2…xn)=I(y,x1)+Ix1(y,x2)+…Ix1x2…xn-1(y,xn)

(2)

式中:Ix1(y,x2)為因素x1存在時,因素x2對地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量。

在實際計算過程中,可以采用面積比來計算信息量值,如下：

(3)

式中:S0為具相同因素x1x2…xn組合單元中發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元面積之和；S為具相同因素x1x2…xn組合的單元總面積；A0為已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元面積之和；A為研究區(qū)單元總面積。

一般來說,影響地質(zhì)災(zāi)害的因素有很多,便會存在很多相應(yīng)的因素組合狀態(tài),但是,樣本統(tǒng)計數(shù)量往往受到一定的限制,所以可采用簡化的單因素信息量法模型進(jìn)行分步計算,綜合疊加分析,從而將信息量法模型改寫如下：

(4)

2.2 基于GIS的分析應(yīng)用

2.2.1信息采集

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受眾多致災(zāi)因子的影響,不同類型地質(zhì)災(zāi)害體各致災(zāi)因子不同,其相同的致災(zāi)因子對不同類型地質(zhì)災(zāi)害體致災(zāi)程度亦不相同。因此,在采用信息量法模型對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行區(qū)劃研究時,應(yīng)綜合研究不同致災(zāi)因子對不同災(zāi)害體的致災(zāi)作用,而不是停留在單個因子上。

根據(jù)研究區(qū)的具體情況,選取分布高程(高差)、地形坡度、地形起伏度、工程地質(zhì)巖組、斷裂構(gòu)造、植被覆蓋、人類工程活動、庫水消落等作為評價因子指標(biāo)體系,不同類型災(zāi)害體選取時略有不同?；贕IS空間分析的因子信息采集方法如下：用1∶1萬地形圖提取基礎(chǔ)地理信息、庫水消落信息；用遙感影像提取植被信息、人類工程活動信息；構(gòu)造及地質(zhì)條件主要從1∶5萬及1∶20萬地質(zhì)圖上提取。

2.2.2信息量疊加計算

將采集到的各個評價因子信息作為一個單獨的圖層,然后將評價因子圖層分別與地質(zhì)災(zāi)害分布圖在GIS中作空間疊加分析,得到地質(zhì)災(zāi)害點在不同因子分類中的分布密度；根據(jù)單個評價單元內(nèi)總的信息量計算公式即式(4),計算出各因子所得信息量,對各因子圖層根據(jù)得到的信息量值重新生成信息量圖；利用GIS柵格計算功能完成地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)因子的綜合信息量計算,生成以信息量大小衡量的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度指數(shù)計算結(jié)果,即地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖(圖2)[3]。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃模擬技術(shù)路線圖Fig.2 The simulation technology roadmap of geological disaster susceptibility zoning

根據(jù)單元信息量計算結(jié)果,單元總信息量值越高,反映影響因子對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響度越高,致災(zāi)可能性越高。

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

3.1 評價指標(biāo)選取

結(jié)合九畹溪自然地理特征及前人對該區(qū)域的研究,在充分考慮資料的可獲得性、研究區(qū)域尺度、研究范圍大小、研究精度等因素的前提下[4],最終選取分布高程(高差)、地形坡度、地形起伏度、工程地質(zhì)巖組、斷裂構(gòu)造、植被覆蓋、人類工程活動、庫水消落8個因子作為九畹溪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子指標(biāo)體系(圖3)[5]。

圖3 九畹溪地質(zhì)災(zāi)害各評價因子分級圖Fig.3 Grading map of each evaluation factor of Jiuwanxi geological disaster(a).高程(高差)；(b).坡度；(c).地形起伏度；(d).工程地質(zhì)巖組；(e).斷裂構(gòu)造；(f).植被覆蓋；(g).人類工程活動；(h).庫水消落。

(1) 高程(高差)。高程(高差)不僅影響大量的生物物理參數(shù)和人類工程活動,對土壤特性也有顯著影響。九畹溪高程在65～1 585 m范圍內(nèi),按照庫水作用、人類工程活動、人類分布等因素劃分為10類：60～175 m、175～340 m、340～510 m、510～680 m、680～850 m、850～1 020 m、1 020～1 190 m、1 190～1 360 m、1 360～1 530 m、1 530～1 585 m。

(2) 地形坡度。坡度在一定程度上代表斜坡的穩(wěn)定性,較為平緩的山坡引起剪應(yīng)力較小,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率較小,而坡度越大,產(chǎn)生滑動的剪應(yīng)力也隨之增加,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害(如滑坡)的概率相應(yīng)變大；基巖裸露區(qū)域坡度越大的坡段,有利于崩塌的形成。此外,坡度也在相當(dāng)程度上控制著對斜坡表面松散物質(zhì)的堆積厚度、植被覆蓋率等情況。九畹溪地形坡度在0°～90°,按照5°為一個等級劃分為<5°、5°～10°、10°～15°等18個等級。

(3) 地形起伏度。地形起伏度作為一個在宏觀尺度上描述地表起伏狀況的測度指標(biāo),在地質(zhì)環(huán)境評價、地質(zhì)災(zāi)害評估方面應(yīng)用廣泛,相對于坡度,地形起伏度更能在區(qū)域性研究中客觀地反映地形地貌。在單位面積(100 m×100 m)內(nèi)九畹溪地形起伏度在0～162 m,結(jié)合坡向、高程(高差)、分布范圍等因素,劃分為10類：<5 m、5～10 m、10～15 m、15～20 m、20～30 m、30～40 m、40～50 m、50～65 m、65～90 m、>90 m。

(5) 斷裂構(gòu)造。九畹溪地質(zhì)構(gòu)造主要受仙女山、九畹溪斷裂影響。依據(jù)區(qū)域1∶5萬地質(zhì)圖,結(jié)合GIS緩沖區(qū)功能,按照<100 m,100～500 m,500～1 000 m和>1 000 m的條件提取災(zāi)害點與斷裂距離的信息。

(6) 植被覆蓋。植被能夠保持水土,提高土體抗剪強度。穩(wěn)定巖土結(jié)構(gòu),對坡體的穩(wěn)定性有非常重要的積極作用。通常情況下,地表植被覆蓋越好,越不易于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。通過九畹溪遙感影像提取植被信息,劃分為植被覆蓋好、植被覆蓋中、植被覆蓋低、裸地四類。

(7) 人類工程活動。人類工程活動因素在很大程度上影響了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率,房屋、道路建設(shè)在施工過程中對斜坡的改造與破壞造成了該地的地質(zhì)環(huán)境改變。通過九畹溪遙感影像提取人類工程活動信息,劃分為人類工程活動強烈、人類工程活動中等、人類工程活動低三類。

(8)庫水消落。隨著三峽水庫175 m蓄水以及蓄水后的正常運行(庫水位145～175～145 m),如此大的水位變幅,使庫岸地質(zhì)條件大大改變。庫岸在庫水浸泡、風(fēng)浪沖擊、水流侵蝕以及干濕交替作用下發(fā)生坍塌、巖土體劣化,促進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。結(jié)合GIS緩沖區(qū)功能,按照消落區(qū)(145～175 m),<500 m和>500 m的條件提取災(zāi)害點與消落區(qū)距離的信息。

3.2 信息量計算

根據(jù)研究區(qū)地形地理數(shù)據(jù),將本次易發(fā)評價單元劃分為10 m×10 m,九畹溪劃分的評價單元總數(shù)為1 262 158個。將選取的評價因子圖層與地質(zhì)災(zāi)害分布圖在GIS中作空間分析,分別得到滑坡等各類地質(zhì)災(zāi)害的信息量計算結(jié)果(表1-表3)[6]。

表1 研究區(qū)滑坡易發(fā)程度信息量計算結(jié)果Table 1 Calculation results of landslide susceptibility informationin the study area

表2 研究區(qū)崩塌易發(fā)程度信息量計算結(jié)果Table 2 Calculation results of information quantity ofcollapse susceptibility in study area

表3 研究區(qū)不穩(wěn)定斜坡易發(fā)程度信息量計算結(jié)果Table 3 Calculation results of information quantity ofvulnerable degree of unstable slope in study area

通過比對各類地質(zhì)災(zāi)害信息量計算結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn)不同致災(zāi)因子對于不同的地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)效果有明顯區(qū)別,如崩塌體的發(fā)育對于區(qū)域斜坡地形起伏度的變化較為敏感,滑坡體主要發(fā)育于研究區(qū)35°以下緩坡地帶,不穩(wěn)定斜坡主要發(fā)育在公路沿線。

針對各類地質(zhì)災(zāi)害信息量計算結(jié)果,結(jié)合專家的主觀經(jīng)驗，利用GIS柵格計算功能,分別疊加各類致災(zāi)因子?xùn)鸥駡D,得到研究區(qū)不同地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度評價圖(圖4)[7]。

圖4 九畹溪各類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價圖Fig.4 Evalvation diagram of susceptibility of various geological disasters in Jiuwanxi(a).滑坡；(b).崩塌；(c).不穩(wěn)定斜坡。

3.3 評價結(jié)果

根據(jù)疊加各類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價圖,獲得研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價分區(qū)圖(圖5-a)。

根據(jù)各單元易發(fā)性級別,本著同類歸并的原則,參考地貌和地質(zhì)界線,分別圈出地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、中等易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū),并進(jìn)行分區(qū)評價。根據(jù)此原則,將九畹溪流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度劃分為高、中、低三級易發(fā)區(qū)(圖5-b)。

圖5 九畹溪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)Fig.5 Division of geological disasters suscoptibiliy in Jiuwanxi(a).易發(fā)程度分區(qū)評價圖；(b).易發(fā)程度分區(qū)擬合圖。

高易發(fā)區(qū)面積12.21 km2,占全區(qū)總面積的19.48%；分布地質(zhì)災(zāi)害點40處,占災(zāi)害點總數(shù)的45.98%,點密度3.28處/km2。根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型和地域的不同,高易發(fā)區(qū)又分為3個亞區(qū),桂埡不穩(wěn)定斜坡、崩塌高易發(fā)亞區(qū),界埡不穩(wěn)定邊坡、滑坡高易發(fā)亞區(qū),槐樹坪不穩(wěn)定斜坡、滑坡高易發(fā)亞區(qū)。

中易發(fā)區(qū)面積17.68 km2,占全區(qū)總面積的28.19%；目前分布地質(zhì)災(zāi)害點24處,占災(zāi)害點總數(shù)的36.36%,點密度1.36處/km2。根據(jù)地理位置和災(zāi)害類型的不同,中易發(fā)區(qū)分為2個亞區(qū),即下溪河—懸?guī)r溝崩塌、滑坡中易發(fā)亞區(qū),九畹溪景區(qū)公路崩塌中易發(fā)區(qū)。

低易發(fā)區(qū)包括高、中易發(fā)區(qū)以外的區(qū)域,主要為九畹溪沿岸中上部,面積32.81 m2,占全區(qū)總面積的52.33%。

評價結(jié)果與研究區(qū)環(huán)境地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀及工程建設(shè)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害特點相一致,獲得了項目專家組的高度認(rèn)可,體現(xiàn)了基于GIS的信息量法評價的準(zhǔn)確性及合理性。

4 結(jié)論

本文利用信息量法模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價,在選取及計算評價因子時充分考慮不同致災(zāi)因子與不同地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系,避免因忽視各類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的特點而制訂統(tǒng)一相同的評價及計算方法,利用GIS軟件空間分析功能生成各類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價圖,最終引進(jìn)專家經(jīng)驗,經(jīng)疊加分析得到更為合理的評價分區(qū)圖。以九畹溪為例的應(yīng)用表明,本方法評價結(jié)果與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查的評價結(jié)果基本一致。這說明,基于GIS的信息量法在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價上切實可行,并具有廣泛應(yīng)用價值。