魏濤，崔振東，尚彥軍，3，喬華，賀強，趙磊磊

(1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所中國科學院頁巖氣與地質(zhì)工程重點實驗室，北京 100029；2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049；3.新疆工程學院新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830023；4.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，新疆 烏魯木齊 830002；5.中國礦業(yè)大學（北京）力學與建筑工程學院，北京100083)

隨著我國西部地區(qū)經(jīng)濟與社會的快速發(fā)展，人類工程對地質(zhì)環(huán)境的擾動日益加劇，導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對地區(qū)發(fā)展與基礎(chǔ)設(shè)施造成巨大破壞。因此，進行相應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，為防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)，對地區(qū)發(fā)展與工程建設(shè)具重要意義。

遙感技術(shù)（RS）與地理信息系統(tǒng)（GIS）在地質(zhì)災(zāi)害評價中得到廣泛應(yīng)用。阮沈勇、王佳佳等采用信息量法模型[1-2]，結(jié)合GIS 技術(shù)，分別對三峽庫區(qū)滑坡、崩滑地質(zhì)災(zāi)害進行易發(fā)性區(qū)劃；朱良峰、叢威青、Wang Xuedong 等基于GIS 平臺[3-5]，建立了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價系統(tǒng)或模型；邢秋菊等以萬州滑坡地質(zhì)災(zāi)害為例[6]，采用邏輯回歸分析法，進行滑坡危險性評價；許沖、劉麗娜等采用層次分析法[7-8]，應(yīng)用GIS技術(shù)，對汶川地震區(qū)與蘆山地震區(qū)滑坡按易發(fā)程度進行分區(qū)；Tirthankar Basu 等利用RS-GIS 技術(shù)[9]，選取16個地形與地質(zhì)指標，繪制印度西孟加拉邦吉什河流域的滑坡易發(fā)性分區(qū)圖；Wang Jingjing 等運用無人機遙感攝像技術(shù)[10]，采用加權(quán)系數(shù)法和信息模型法對四川省青川縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行評價；Chen Linfei 等采用證據(jù)權(quán)重模型和聚類分析法[11]，評價三峽庫區(qū)湖北段公路沿線潛在滑坡的易發(fā)性水平；祁生文等采用隸屬度函數(shù)模型[12]，構(gòu)建地形起伏度與距斷裂距離的單極性S 形權(quán)重函數(shù)，繪制出青藏高原地區(qū)工程地質(zhì)穩(wěn)定性分區(qū)圖。

伊犁河谷由于特殊地理位置與氣候條件，導(dǎo)致凍融型地質(zhì)災(zāi)害非常發(fā)育。全區(qū)發(fā)育有滑坡1 706處，主要類型為黃土滑坡（1 364處）[13]。眾多專家學者對伊犁地區(qū)典型地質(zhì)災(zāi)害（如加郎普特滑坡-泥石流災(zāi)害鏈[14-15]、皮里青河“3.24”黃土滑坡[16-17]、蘇阿蘇溝東岸黃土滑坡群等[18]）的成因及破壞機理等進行統(tǒng)計分析，并對伊犁部分地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行了評價[19-21]。結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生大多受到一定程度的人類工程擾動影響，如水庫蓄水、礦山開采、道路修建等。在各種工程活動中，交通線路因地理跨度大，跨越地形地貌單元多，沿線工程地質(zhì)條件復(fù)雜，極易受地質(zhì)災(zāi)害影響，造成巨大經(jīng)濟財產(chǎn)損失。

本文以伊犁河谷主要交通線路為研究對象，根據(jù)線路工程對地質(zhì)環(huán)境的擾動主要沿縱向分布、橫向擾動范圍有限的特征，將交通線路兩側(cè)5 km范圍內(nèi)區(qū)域為研究區(qū)。在眾多評價模型中，層次分析法使用較簡便、精度較高。本文采用層次分析法，選取高程、坡度、坡向、地表起伏度、工程地質(zhì)巖組、PGA（峰值地面加速度）、距斷層距離、距道路距離、距河流距離等9個評價因子對伊犁河谷主要交通線路附近的工程擾動災(zāi)害易發(fā)性進行分析。

1 伊犁河谷概況

伊犁河谷位于新疆西部，行政區(qū)劃包括伊寧市、伊寧縣、尼勒克縣、新源縣、鞏留縣、特克斯縣、昭蘇縣、察布查爾錫伯自治縣、霍城縣、奎屯市，總面積約5.64×104km2，地理坐標為80°10′～84°58′E，42°20′～44°49′N。由于奎屯市地形平坦，工程擾動災(zāi)害不發(fā)育，與伊犁主體地區(qū)不相連，不劃入研究區(qū)內(nèi)。區(qū)內(nèi)主要交通線路有國道G217、G218、G30，省道S220、S237、S313、S315 及精伊霍鐵路，地表水系主要有伊犁河、特克斯河、喀什河及其它支流（圖1）。伊犁河是伊犁地區(qū)最長河流，自東向西橫貫伊犁盆地，最終流入哈薩克斯坦，在我國境內(nèi)全長約476 km，其它河流均為伊犁河支流[20]。

圖1 伊犁河谷衛(wèi)星影像Fig.1 Satellite image of the Ili Valley

伊犁河谷為東、南、北3 面高山環(huán)繞向西開口的喇叭形谷地，北部為NW 向科古琴山、博羅科努山、依連哈比爾尕山等北天山支脈，南部為NEE 向哈爾克他烏山、那拉提山等南天山支脈，中部自西向東分布著鐵木里克山、烏孫山、阿吾拉勒山等山脈。3 條山系將伊犁河谷分割成喀什河谷地、伊犁-鞏乃斯谷地與特克斯-昭蘇盆地，地形地貌總體呈“三山兩谷一盆地”（圖2）。受該地形影響，來自北冰洋和大西洋的潮濕氣流進入河谷后，遭三面環(huán)山的阻擋，使伊犁成為新疆降水最豐沛地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)年平均氣溫8.3℃左右，年平均降水量200～550 mm，年平均蒸發(fā)量約1 467.67 mm[20,22]。

伊犁河谷出露地層有中新元古界長城系特克斯群、長城—青白口系和薊縣—青白口系；古生界奧陶系至二疊系均有發(fā)育；中生界三疊、侏羅系及新生界古近、新近、第四系。區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造屬天山-興安地槽褶皺區(qū)西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶，屬北天山地震帶，該褶皺帶在研究區(qū)進一步劃分為博羅科努復(fù)背斜、伊犁地塊、哈克山復(fù)背斜3個四級構(gòu)造單元。研究區(qū)處于強震活動帶，對應(yīng)的地震烈度為Ⅶ-Ⅷ度。新構(gòu)造運動強烈，主要為大面積繼承性升降運動和與之相伴生的斷裂和褶皺活動。受構(gòu)造運動影響，伊犁地區(qū)斷裂活動較活躍（圖2）[22-24]。

圖2 伊犁河谷斷層分布Fig.2 Fault distribution in Ili Valley

伊犁河谷是新疆地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，據(jù)Google Earth衛(wèi)星影像圖，將交通線路修建后出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害定性為工程擾動災(zāi)害。據(jù)第二次青藏科考遙感解譯數(shù)據(jù)，在交通線路兩側(cè)5 km范圍研究區(qū)內(nèi)共解譯出工程擾動災(zāi)害179 處，其中滑坡、崩塌158處，泥石流21 處。崩塌、滑坡主要集中在高山峽谷區(qū)，地形坡度高陡，經(jīng)線路工程擾動，使崩滑災(zāi)害易發(fā)；泥石流主要集中在區(qū)內(nèi)G217 公路段，該區(qū)域海拔較高，凍融作用強烈。在雪山融水沖刷下，坡內(nèi)碎屑物質(zhì)積聚，導(dǎo)致泥石流災(zāi)害發(fā)育。災(zāi)害多發(fā)路段大多有斷層通過，如霍城縣東北部、昭蘇縣北部與東部、尼勒克縣東部，其中尼勒克東部路段沿線與喀什河相交，促進了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育。

2 工程擾動災(zāi)害易發(fā)性評價

2.1 評價因子

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價主要考察地質(zhì)體在所處地質(zhì)環(huán)境中基礎(chǔ)地質(zhì)條件及相互組合的作用下，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性[25]。本文在相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，選取高程、坡度、坡向、地表起伏度、工程地質(zhì)巖組、PGA、距斷層距離、距道路距離、距河流距離等9個評價因子（圖3），對伊犁河谷內(nèi)主要交通線路兩側(cè)5 km范圍內(nèi)的工程擾動災(zāi)害的易發(fā)性進行評價。

高程和地表起伏度是描述地貌形態(tài)的基本指標，宏觀上體現(xiàn)了內(nèi)營力作用的相關(guān)性質(zhì)與特征[26]。高程數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云“ASTER GDEM 30M 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)”。高程因子對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育通常無直接影響（圖3-a），不同高程處氣候、溫度、降雨量、植被類型與覆蓋率及人類活動具有差異性，間接影響著工程擾動災(zāi)害分布[26]。地表起伏度指在一定面積內(nèi)最高點和最低點間的高差（圖3-b），是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要影響因素。坡度與坡向利用ARCGIS 軟件空間分析模塊從數(shù)字高程數(shù)據(jù)中提取。坡度與地層巖性、氣候條件、水文條件、構(gòu)造活動等因素有關(guān)（圖3-c），是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要控制性因素。坡向?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)育具一定影響（圖3-d），通常陽坡（0～180°）較陰坡（180°～360°）日照時間長，風化侵蝕強烈，更易發(fā)生泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。工程地質(zhì)巖組決定了巖土體的結(jié)構(gòu)、強度、變形破壞特征（圖3-e），對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生具控制作用。松散巖組所在區(qū)域通常更利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育提供了豐富的物源基礎(chǔ)。巖組劃分采用的地質(zhì)圖為“中吉烏塔哈天山1∶100 萬地質(zhì)圖”與“中國新疆及中亞鄰區(qū)1∶150 萬地質(zhì)礦產(chǎn)圖”。PGA 指地震峰值地面加速度（圖3-f），地震活躍程度高、峰值地面加速度大區(qū)域，地震伴生地質(zhì)災(zāi)害通常極發(fā)育。PGA數(shù)據(jù)來源于“中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖GB18306-2015”。距斷層距離越近（圖3-g），地層巖性越破碎，區(qū)域地質(zhì)環(huán)境越不穩(wěn)定，地質(zhì)災(zāi)害越易發(fā)生。斷層數(shù)據(jù)來源于國家地震活斷層研究中心。距道路距離代表工程擾動的劇烈程度（圖3-h），距離交通線路越遠，地質(zhì)環(huán)境所受擾動影響越小，地質(zhì)體越穩(wěn)定。距河流距離也是地質(zhì)災(zāi)害的重要擾動因素（圖3-i），地表水徑流對邊坡的沖刷侵蝕作用嚴重降低了邊坡的穩(wěn)定性。道路與水系數(shù)據(jù)來源于衛(wèi)星影像解譯。

利用ARCGIS軟件將評價因子分級，并疊加災(zāi)害柵格進行賦值計算，得到各級因子與工程擾動災(zāi)害的關(guān)系（表1），其中FR為災(zāi)害發(fā)生頻率比，指每一級指標下災(zāi)害面積占災(zāi)害總面積的比例與每一級指標面積占研究區(qū)總面積的比例之比，表示各級指標與災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性。由表1看出，高程、坡度、高差、距道路距離4個因子與工程擾動災(zāi)害的發(fā)生具較強相關(guān)性，高程越高、坡度越陡、高差越大、距道路越近，災(zāi)害發(fā)生比率越高。

表1 各因子分級及其與工程擾動災(zāi)害的關(guān)系Table 1 The classification of each factor and its relationship with engineering-disturbance disaster

2.2 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP），是由美國學者Thomas L.Saaty 于20 世紀70年代初提出的一種應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)理論和多目標綜合評價方法。通過將同一層次評價因子兩兩比較構(gòu)建判斷矩陣確定各因子權(quán)重系數(shù)，并通過一致性檢驗指標判斷矩陣的一致性與合理性。判斷矩陣的標度及含義見表2，平均隨機一致性指標RI見表3。據(jù)表2構(gòu)建上述9個評價因子判斷矩陣，并計算其權(quán)重值（表4，圖4）。

圖4 各評價因子權(quán)重值Fig.4 Weight value of each evaluation factor

表2 判斷矩陣的標度及含義Table 2 The scale and meaning of judgment matrix

表3 平均隨機一致性指標RITable 3 The average random consistency index RI

表4 判斷矩陣及各因子權(quán)重Table 4 Judgment matrix and weight of each factor

判斷矩陣最大特征根lmax=9.443 6，因評價因子個數(shù)n=9，由表3 得出對應(yīng)平均隨機一致性指標RI=1.46，一致性指標CI=(lmax-n)/(n-1)=0.055 45。由此，一致性比例CR=CI/RI=0.038 0＜0.1，表明判斷矩陣滿足一致性要求。計算表明，坡度對地質(zhì)災(zāi)害影響程度最高，地表起伏度、工程地質(zhì)巖組、PGA、距斷層距離、距河流距離、距道路距離、高程、坡向影響程度依次下降。

2.3 易發(fā)性評價

將上述評價因子不同級別計算得到的FR值與各因子權(quán)重值進行線性疊加，得到災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)：

式中：SI——災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)；

Wj——第j個評價因子權(quán)重；

FRi——第j個評價因子中第i級災(zāi)害發(fā)生頻率比。

災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)越高，表明地質(zhì)災(zāi)害越易發(fā)生。ARCGIS軟件中將各評價因子進行加權(quán)疊加，構(gòu)建研究區(qū)內(nèi)滑坡易發(fā)性評價柵格圖。利用自然斷點法將易發(fā)性程度分為極高、高、中、低、極低5 類，得到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖（圖5）。由圖5看出，高與極高易發(fā)區(qū)主要集中在山谷丘陵地帶，地形平坦區(qū)域多為極低易發(fā)區(qū)。新源至鞏留段公路北側(cè)與尼勒克縣東部路段擾動災(zāi)害易發(fā)性較高。由圖1，2 看出，該路段沿線發(fā)育有WE 向斷層，并有河流并行，有利于擾動災(zāi)害的發(fā)生。昭蘇縣西南側(cè)發(fā)育大面積高易發(fā)性分區(qū)，由圖3-（f）可知，該區(qū)域PGA 值為0.4 g，受地震影響極大，易發(fā)生擾動災(zāi)害。工程擾動災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計見表5。易發(fā)性程度越高，擾動災(zāi)害面密度越大，符合災(zāi)害分布規(guī)律。高與極高易發(fā)區(qū)面積占比15%，有67%的災(zāi)害分布于這兩個區(qū)域，評價結(jié)果較合理。

表5 易發(fā)性分區(qū)統(tǒng)計Table 5 Susceptibility partition statistics

圖5 易發(fā)性分區(qū)Fig.5 Partition of susceptibility

3 評價結(jié)果檢驗

以預(yù)測工程擾動災(zāi)害面積百分比累加與實際擾動災(zāi)害面積百分比累加關(guān)系構(gòu)建ROC曲線（受試者工作特征曲線），利用曲線下面積百分比（AUC）可定量評價結(jié)果的準確性（圖6）。結(jié)果顯示，AUC 值為87.82%，表明研究區(qū)工程擾動災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果準確性良好。

圖6 ROC曲線Fig.6 The ROC curve

4 結(jié)論

（1）伊犁河谷主要交通線路沿線解譯出工程擾動災(zāi)害179 處，多分布于地形高差起伏較大的山地丘陵區(qū)。擾動災(zāi)害多發(fā)路段通常被斷層切割，導(dǎo)致巖性破碎，局部凍融作用強烈，有利于災(zāi)害發(fā)生。部分路段沿線與斷層或水系并行，易造成工程擾動災(zāi)害發(fā)育。

（2）本文主要研究伊犁河谷主要交通線路兩側(cè)工程擾動災(zāi)害的易發(fā)性評價。采用層次分析法，對9個評價因子進行加權(quán)比較，認為坡度對研究區(qū)內(nèi)工程擾動災(zāi)害影響程度最大，地表起伏度、工程地質(zhì)巖組、PGA、距斷層距離、距河流距離、距道路距離、高程、坡向影響依次減小?；贏RCGIS軟件，將研究區(qū)分為極高、高、中、低、極低5 個易發(fā)性分區(qū)，分區(qū)情況與解譯的工程擾動災(zāi)害分布規(guī)律相符。統(tǒng)計結(jié)果顯示，67%的災(zāi)害分布于高與極高易發(fā)區(qū)內(nèi)（約占總面積的15%），ROC 曲線下面積百分比為87.82%，表明研究區(qū)易發(fā)性分區(qū)結(jié)果較合理，準確性良好。