張林梵，王佳運(yùn)，張茂省,*，陳社斌，王濤

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；2.陜西鐵道工程勘察有限公司，陜西 西安 710043)

中國(guó)是世界上地質(zhì)環(huán)境脆弱、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家之一。全國(guó)每年平均地質(zhì)災(zāi)害多達(dá)1.4萬(wàn)起，其中滑坡災(zāi)害約占災(zāi)害總數(shù)的70%(國(guó)土資源部，2010～2016)，滑坡已成為中國(guó)主要的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型之一。筆者通過(guò)對(duì)滑坡易發(fā)性分析，并用于預(yù)測(cè)滑坡發(fā)生的高頻率區(qū)域，進(jìn)而服務(wù)當(dāng)?shù)爻青l(xiāng)建設(shè)、宜居地選擇及防災(zāi)減災(zāi)政策等。

現(xiàn)有的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)模型可分為3類(lèi)：知識(shí)驅(qū)動(dòng)模型、物理力學(xué)模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型(Corominas J et al.,2014)。知識(shí)驅(qū)動(dòng)模型，如專(zhuān)家打分法，依賴(lài)于專(zhuān)家自身的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)結(jié)構(gòu)，受主觀因素影響(林金煌等，2018)；物理力學(xué)模型的分析具有物理意義明確、分析結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，但需要大量的地質(zhì)水文參數(shù)，較為適合單體邊坡易發(fā)性評(píng)價(jià)(陶舒等，2010)；基于數(shù)據(jù)獲取方式多樣化，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型一般應(yīng)用在區(qū)域滑坡易發(fā)性快速分析中(蘭恒星等，2002；Caniani D et al.,2008；Yeon Y K et al.,2010；Langping L et al.,2016)，在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型中，機(jī)器學(xué)習(xí)模型逐漸成為應(yīng)用最廣泛的滑坡易發(fā)性分析模型(黃發(fā)明等，2018)，常用的機(jī)器學(xué)習(xí)模型有支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)(王倩等，2021)、邏輯回歸(Logistic Regression，LR)(胡濤等，2020)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial Neural Network，ANN)(唐睿旋等，2017)及決策樹(shù)(Decision Tree，DT)模型(楊永剛等，2019)等。

模型的選擇關(guān)系到評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性(蘭恒星等，2002)。以下學(xué)者對(duì)常用的機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行了對(duì)比，Yilmaz(2010)對(duì)比表明ANN的預(yù)測(cè)精度優(yōu)于LR、SVM和條件概率模型；Nourani(2014)、Park(2013)等對(duì)比顯示，ANN的預(yù)測(cè)精度高于LR、FR和層次分析法(AHP)。以上研究表明，ANN被用于滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)可以得到可信的結(jié)果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)精度受輸入層因子選擇、模型優(yōu)化和等級(jí)劃分影響較大(Xiny，1999)。因此，筆者將從研究區(qū)黃土滑坡控制性因素分析、模型優(yōu)化和等級(jí)分級(jí)3個(gè)方面著手，進(jìn)行研究區(qū)黃土滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。

伊犁地處歐亞大陸腹地，是西天山最大的山間谷地。谷底北東南三面高山環(huán)繞，北有科古琴、博羅科努山脈，海坡4 000～4 500 m，東有依連哈比爾尕山山脈，平均海拔3 600 m，南有哈爾勒克山、帖爾斯克山、那拉提山等，較北部山脈略低，海拔3 500～4 000 m，組成向西開(kāi)口的“喇叭形”谷地(曹小紅等，2020)。地貌類(lèi)型為侵蝕褶皺斷塊山、剝蝕堆積塊狀隆起山和堆積平原。研究區(qū)位于新疆維吾爾族自治區(qū)伊犁州伊寧縣西北方向，經(jīng)度為81°30′～81°45′，緯度為44°0′～44°10′(圖1)。在研究區(qū)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查過(guò)程中，當(dāng)?shù)厥芙涤旰蛿嗔延绊懏a(chǎn)生了大量密集的滑坡災(zāi)害，對(duì)當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展造成了一定程度的影響。筆者選取研究區(qū)的野外調(diào)查數(shù)據(jù)，分析黃土滑坡控制性因素，進(jìn)而采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建區(qū)域滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)模型，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)。

圖1 研究區(qū)位置圖

1 黃土滑坡控制性因素分析

滑坡的孕育環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中斜坡的幾何形態(tài)、所處的地質(zhì)構(gòu)造控制著滑坡的發(fā)育和發(fā)展，誘發(fā)因素包括河流侵蝕、地震和人類(lèi)活動(dòng)等(唐亞明等，2011)。根據(jù)伊寧縣區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的詳細(xì)野外資料，分析了控制黃土滑坡的關(guān)鍵因素,為挑選易發(fā)性評(píng)價(jià)因子提供依據(jù)。分析結(jié)果表明，河谷演化階段、邊坡地質(zhì)構(gòu)造和邊坡幾何形狀都對(duì)黃土滑坡的發(fā)生、分布等特征起著重要作用，地下水和植被也有助于促進(jìn)滑坡的形成，人類(lèi)工程活動(dòng)和降水事件的結(jié)合是造成黃土邊坡不穩(wěn)定的主要觸發(fā)因素。

1.1 地層和構(gòu)造的影響

1.1.1 巖性

圖幅內(nèi)地層包括奧陶系、志留系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、新近系和第四系(圖2)。其中，第四系黃土和新近系紅黏土易滑。石炭系和侏羅系深埋在第四系之下，僅在河流侵蝕溝谷和裸漏基巖山體上才有露頭，在調(diào)查期間未發(fā)現(xiàn)基巖滑坡。新近系紅黏土并不連續(xù)，僅在孤立的谷底位置露頭，即使這種物質(zhì)容易滑動(dòng)，也很少發(fā)生滑坡。第四系黃土幾乎覆蓋了整個(gè)地區(qū)，該黃土類(lèi)型屬風(fēng)成黃土，疏松、蟲(chóng)孔、大空隙構(gòu)造和垂直節(jié)理發(fā)育，濕陷性較強(qiáng)，有時(shí)可形成濕陷漏斗和地面塌陷，力學(xué)性質(zhì)較差，該黃土地層為黃土滑坡發(fā)生創(chuàng)造了基本物質(zhì)條件(安海堂等，2010)。本次調(diào)查中，研究區(qū)內(nèi)滑坡、滑面類(lèi)型為黃土層內(nèi)滑坡和基覆界面滑坡，分別占比53%和47%，即調(diào)查區(qū)所有滑坡有的與黃土有關(guān)，有的發(fā)生在黃土中。

圖2 地層巖性與構(gòu)造圖

1.1.2 巖土體結(jié)構(gòu)

調(diào)查區(qū)內(nèi)巖土體結(jié)構(gòu)可分為4類(lèi)：①黃土+近乎平行的新近系紅黏土。②黃土+傾斜的新近系紅黏土。③黃土+基巖。④黃土+新近系紅黏土+基巖。巖土體結(jié)構(gòu)預(yù)先決定了邊坡的不穩(wěn)定模式和結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)的位置，對(duì)滑動(dòng)平面位置有明顯的控制作用(王佳運(yùn)等，2018)。較陡的黃土斜坡(坡度為30°～60°)或懸崖(坡度大于60°)通常會(huì)導(dǎo)致墜落；而黃土斜坡(坡度為10°～30°)通常會(huì)導(dǎo)致滑動(dòng)。

1.1.3 斷裂帶影響

整個(gè)伊犁地區(qū)大地構(gòu)造位于天山-興安地槽褶皺區(qū)和西南天山褶皺系西天山優(yōu)地槽褶皺帶。研究區(qū)內(nèi)受伊犁盆地北緣斷裂和F20斷裂控制(圖3a)，總體呈現(xiàn)北西—南東延伸，為陡傾角壓性斷裂,斷層面總體南傾,傾角為50°～80°(曹小紅等，2020)。2條大斷裂之間發(fā)育有一系列次級(jí)斷裂，延伸受大斷裂控制。通過(guò)對(duì)研究區(qū)內(nèi)斷層緩沖區(qū)分析(主斷裂設(shè)置1 km緩沖區(qū)，次級(jí)斷裂設(shè)置0.5 km緩沖區(qū))可知，調(diào)查數(shù)據(jù)中76.25%的滑坡點(diǎn)位于主斷裂與次斷裂附近，主斷裂附近分布更為密集，即在斷裂段附近，斷裂對(duì)滑坡的形成、發(fā)展起控制作用(朱立峰，2019)。

圖3 (a)研究區(qū)遙感影像與(b)挑選的重點(diǎn)研究區(qū)河谷演化階段分布圖

1.2 河谷演化階段的影響

本研究將河谷的完整演化劃分為3個(gè)階段：①一級(jí)支流屬于常年河流。②二級(jí)支流屬于季節(jié)性河流或者暴雨河流。③三級(jí)支流只有在強(qiáng)降雨時(shí)才有水流，包括溝壑、干溝等。圖3b為圖幅內(nèi)選出的滑坡災(zāi)害頻發(fā)中低山區(qū)域，河谷演化發(fā)育階段對(duì)邊坡的變形特征、破壞模式和規(guī)模都有明顯的影響。河谷的3個(gè)發(fā)育階段在挑選區(qū)域的分布(圖3b)及各個(gè)階段河谷的主要特征見(jiàn)表1。

1.2.1 一級(jí)支流

一級(jí)支流的河谷通常呈U形，河谷很寬，為200～260 m寬的河道和河流階地。部分下游河流階地、河谷兩側(cè)或河谷底部存在4～10 m的基巖露頭，向下和橫向侵蝕均較緩。河谷坡一般平緩(5°～35°)，河流間丘陵高110 m以上。河谷兩側(cè)未見(jiàn)新增天然滑坡，滑坡大多為老滑坡(表1)。挑選重點(diǎn)研究區(qū)域調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，25%滑坡位于一級(jí)支流河谷之中。

表1 重點(diǎn)研究區(qū)河谷演化階段的分類(lèi)及其主要特征表

1.2.2 二級(jí)支流

從圖3可以看出，挑選區(qū)域共有10條二級(jí)支流，二級(jí)支流河谷有一個(gè)發(fā)達(dá)的排水系統(tǒng)；滑坡坡度范圍為26°～65°，谷寬100～200 m，坡高60～100 m，谷形為U形或V形；垂直侵蝕相對(duì)緩慢，而橫向侵蝕突出；河谷兩側(cè)邊坡陡，谷邊多凸坡不穩(wěn)定，這種類(lèi)型的河谷位于人口稀少的地區(qū)，為當(dāng)?shù)啬撩穹拍列〉溃峦{過(guò)道的行人和牛羊。

1.2.3 三級(jí)支流

三級(jí)支流的河谷仍處于其進(jìn)化的初期階段，包括干溝、淺溝、懸溝或沖溝，最后依次演化為河谷。三級(jí)支流河谷的輪廓一般呈V形，深度不同。垂直侵蝕較強(qiáng)烈，側(cè)向侵蝕不太明顯；山谷的斜坡很陡峭，通常超過(guò)50°，或幾乎是垂直的；邊坡不穩(wěn)定的主要形式是：頻繁的小規(guī)模黃土落陷，其破壞受到結(jié)構(gòu)接縫存在和風(fēng)化及卸載裂縫的控制。因?yàn)槿?jí)支流河谷通常很狹窄，很少有人類(lèi)活動(dòng)，工程設(shè)施也很少，這種不穩(wěn)定通常沒(méi)有危險(xiǎn)。

1.3 地形的影響

不利的邊坡幾何形狀是自然滑坡演化的前提，河谷、溝壑的演變和被侵蝕的地形為整個(gè)地區(qū)的山體滑坡和崩塌提供了條件。邊坡幾何形狀決定邊坡應(yīng)力狀態(tài)和分布，需控制邊坡的穩(wěn)定性和不穩(wěn)定模式。

在研究區(qū)80個(gè)被調(diào)查的滑坡中，66個(gè)發(fā)生在前傾斜坡上(26個(gè)凸坡和40個(gè)線性斜坡)，凹坡和階梯坡各有11個(gè)、3個(gè)。由于斜坡的應(yīng)力狀態(tài)分布，后向凹坡和階梯坡更容易穩(wěn)定。因?yàn)闇p少了沿斜坡方向的應(yīng)力集中(趙尚毅等，2002)，相反，在前傾斜坡中應(yīng)力集中導(dǎo)致穩(wěn)定性變差。

1.3.1 坡度

滑坡孕育在一定的地質(zhì)環(huán)境條件之上，坡度是滑坡啟動(dòng)的重要條件，坡度低緩無(wú)法提供足夠動(dòng)力，過(guò)于陡峭又不利于坡積物的累積，無(wú)法為滑坡提供物源基礎(chǔ)。從調(diào)查滑坡坡度所在的坡度區(qū)間和百分比可知(圖4)，坡度小于30°的滑坡僅占調(diào)查滑坡總數(shù)的3.75%，比例很小。在30°～50°梯度區(qū)間內(nèi)，滑坡數(shù)量占比92.5%，其中35°～40°區(qū)間是最頻發(fā)的小區(qū)段，占42.5%。邊坡坡度對(duì)邊坡應(yīng)力分布影響顯著，隨著邊坡坡度增加，邊坡的應(yīng)力和邊坡底部的應(yīng)力集中均有增加。根據(jù)有限差分?jǐn)?shù)值分析結(jié)果(圖5)，安全系數(shù)隨著坡度的增加呈現(xiàn)近線性下降，表明坡度對(duì)穩(wěn)定性有顯著影響。坡度大于60°的邊坡更容易傾落，隨著坡度的減小，滑動(dòng)將取代傾倒塌落。

圖4 滑坡坡度分布百分比圖

圖5 不同邊坡高度下安全系數(shù)與坡度的關(guān)系圖

1.3.2 坡高

圖5顯示了邊坡高度和坡度對(duì)滑坡的控制作用，即使邊坡高度不改變邊坡應(yīng)力分布，但它控制著應(yīng)力水平(Zhang M et al.,2010)。隨著坡高的增加，應(yīng)力呈線性增加，對(duì)于相同的坡度，失穩(wěn)的可能性增大，因此黃土滑坡的高度也控制了滑坡的發(fā)生。黃土滑坡最常見(jiàn)于50～120 m高度的邊坡，黃土塌落多發(fā)生在10～20 m高度的邊坡上，占總數(shù)的69.23%；其次發(fā)生在20～30 m高度的邊坡上，占總數(shù)的17.31%。坡度越高黃土塌落比例越低。原因是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間風(fēng)化，高邊坡已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，坡角低；相反，在較低的斜坡上，陡坡容易受到河流作用和侵蝕，也容易受到人類(lèi)工程活動(dòng)的影響，邊坡仍處于平衡和調(diào)節(jié)階段，黃土塌落比例較高。

1.3.3 坡向

研究區(qū)內(nèi)所調(diào)查的80個(gè)滑坡坡向和坡度見(jiàn)圖6、圖7?；缕孪蚍植季呙黠@的方向性，如圖7所示，大部分滑坡斜坡的方向在0°～90°和270°～360°。首先，這跟該地區(qū)河流的方向有關(guān)，如圖3b所示，在滑坡分布密集的中低山地貌區(qū)域中(挑選的重點(diǎn)研究區(qū))，二級(jí)支流多以北東—西南向，一級(jí)支流為東—西向。在河道兩岸，河流側(cè)蝕坡腳，極易引發(fā)牽引式滑動(dòng)；其次，坡向則會(huì)影響太陽(yáng)的照射時(shí)間和強(qiáng)度，也會(huì)影響降雨在邊坡的分布，導(dǎo)致邊坡在不同方向上產(chǎn)生不同程度的侵蝕，形成不同程度的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)。研究區(qū)內(nèi)滑坡區(qū)域坡向多在北向以及西北向，除去受河流側(cè)蝕原因之外，分析原因還包括黃土堆積成因影響(徐張建等，2007)。因伊犁地區(qū)黃土多為西北方向往東南搬運(yùn)沉積，坡向在北向以及西北向堆積厚度相比其他坡向更厚，因此該坡向的斜坡更容易滿足滑坡的啟動(dòng)條件。

圖6 黃土滑坡斜坡方向(0°～360°)和坡度(0°～90°)散點(diǎn)圖

圖7 不同邊坡方向間隔內(nèi)發(fā)生滑坡的數(shù)量圖

1.4 地下水與植被的影響

1.4.1 地下水賦存狀態(tài)

研究區(qū)無(wú)整體連續(xù)的地下水流系統(tǒng)，這里地下水主要存在于沖蝕河谷沖積層中，雖然在其他地方與黃土和基巖接觸，但通常不形成區(qū)域地下水位。當(dāng)強(qiáng)降雨時(shí)，降水與地表徑流沿著發(fā)育良好的黃土接縫、裂縫、陷坑下滲，以棲息水形式賦存在地下，甚至是潛水；古土壤和基巖上方形成局部滯水或潛水。地下水降低了黃土的強(qiáng)度，改變了邊坡巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，引發(fā)了邊坡的不穩(wěn)定性(Duan Z et al.,2015)。地下水對(duì)邊坡有3種影響：①斜坡上層積水的影響會(huì)降低土體的強(qiáng)度，增加土壤的重量，從而導(dǎo)致斜坡的不穩(wěn)定。②向下滲透會(huì)導(dǎo)致土壤含水量的增加，雖然土壤仍然不飽和，但土體的強(qiáng)度會(huì)降低，引發(fā)斜坡的不穩(wěn)定。③若地下水滲流沿著坡腳方向，致使沿著坡腳滲流力過(guò)大，坡腳土體破碎甚至形成過(guò)水通道，極不利于斜坡的穩(wěn)定。

1.4.2 植被

植被因素對(duì)滑坡具有雙重影響(莊茂國(guó)等，2018)。一方面，植被發(fā)育的坡面根系固結(jié)深度大，可增加坡體的支撐力，進(jìn)而增加斜坡的整體穩(wěn)定性。反之，植被不發(fā)育或遭到破壞將增加降水入滲，使坡體重度及孔隙水壓力加大，巖土體內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角降低，進(jìn)而使斜坡的穩(wěn)定性降低。另一方面，植被發(fā)育將增大坡體的保水性而使土體含水率增高，其內(nèi)聚力及內(nèi)摩擦角值相對(duì)降低。伊犁黃土分布地區(qū)以牧草為主，灌木較少，但因牧草根系較短，植被不是決定滑坡分布的重要原因。

2 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

2.1 研究方法

區(qū)域滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是從基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境條件(內(nèi)在控制因素)出發(fā)，考察山區(qū)斜坡體各種基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境背景條件(內(nèi)在控制因素)及其相互組合對(duì)滑坡孕育發(fā)生的控制作用，靜態(tài)考察區(qū)域內(nèi)部滑坡地質(zhì)災(zāi)害在相對(duì)穩(wěn)定孕災(zāi)環(huán)境中發(fā)生的可能性大小。從物理意義上看，區(qū)域內(nèi)各處滑坡地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性是一個(gè)概率值(特殊的地質(zhì)環(huán)境背景決定了該坡體易于發(fā)生滑坡)?；聻?zāi)害的孕育是一個(gè)時(shí)間和空間尺度上線性與非線性、均變與突變、確定性與非確定性、規(guī)則與隨機(jī)共存的過(guò)程。目前，仍然無(wú)法精確確定影響滑坡災(zāi)害的全部影響因素及其影響程度(武雪玲等，2013)。從靜態(tài)地質(zhì)環(huán)境條件出發(fā)，認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)控制和影響滑坡的主要因素條件已經(jīng)清楚，并且假設(shè)工程地質(zhì)條件與已有滑坡相類(lèi)似的斜坡更易滑塌(邱維蓉等，2020)?；谝陨霞僭O(shè)，筆者采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)模型。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于動(dòng)態(tài)非線性系統(tǒng)，它適用于處理背景知識(shí)不清楚，推理規(guī)則不明確，模糊、隨機(jī)、復(fù)雜的信息識(shí)別問(wèn)題(厙向陽(yáng)等，2006)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能為客觀反映滑坡災(zāi)害地質(zhì)體穩(wěn)定性程度提供一條有效途徑。

2.2 滑坡災(zāi)害預(yù)測(cè)因子的選取及優(yōu)化

本研究利用實(shí)地調(diào)查資料，分析了河谷演變階段、斜坡構(gòu)造和幾何形態(tài)、區(qū)域構(gòu)造、地下水和植被，從以上黃土滑坡控制性因素分析中可得出以下結(jié)論：滑坡防治、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)測(cè)中應(yīng)注意河谷演化過(guò)程、邊坡結(jié)構(gòu)和形態(tài)及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造。黃土滑坡也受到地下水狀況和植被的影響。由于研究區(qū)內(nèi)黃土厚度較小，滲透性低，黃土層之下為新近系紅黏土或者基巖，降水一般不會(huì)通過(guò)水位上升而引起滑坡，因此，地下水不是研究區(qū)滑坡的主要控制因素。但是在研究區(qū)植被覆蓋率不高，加上放牧影響，降水很容易滲入黃土地層內(nèi)部，導(dǎo)致水位上升，從而引發(fā)滑坡。在本研究區(qū)因編錄的滑坡數(shù)據(jù)大多無(wú)時(shí)間記錄，無(wú)法得到降雨致滑坡時(shí)間序列的概率，因此只能將這一要素略去不考慮。通過(guò)植被覆蓋率和土壤相對(duì)濕度側(cè)面反映降雨影響。根據(jù)以上黃土滑坡控制性因素分析，選取了地形起伏度、坡度、高程、坡向分布、土壤相對(duì)濕度、土地利用、植被指數(shù)、距斷層距離和距離河流距離9個(gè)致災(zāi)因子，選取依據(jù)與數(shù)據(jù)源見(jiàn)表2。

表2 致災(zāi)因子的詳細(xì)數(shù)據(jù)源與選取原則表

在滑坡預(yù)測(cè)要素中，離散數(shù)據(jù)要進(jìn)行量化，即對(duì)每個(gè)屬性的不同屬性賦值，根據(jù)其在滑坡預(yù)測(cè)中對(duì)滑坡影響程度對(duì)每個(gè)屬性賦予不同數(shù)值。在9個(gè)致災(zāi)因子中，土地利用類(lèi)型為離散化數(shù)據(jù)，離散型土地利用因子屬性量化值見(jiàn)表3。

表3 離散型土地利用因子屬性量化值表(李利峰等，2020)

利用ENVI遙感解譯和ArcGIS空間分析得到圖幅內(nèi)各致災(zāi)因子?xùn)鸥駡D(圖8)，柵格單元的精度為5 m×5 m。

在滑坡致災(zāi)因子中，各個(gè)因子的范圍、量級(jí)、單位不同，不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)會(huì)降低訓(xùn)練模型效率，從而影響預(yù)測(cè)結(jié)果(Meng X Z et al.,2014)。因此，對(duì)各因子數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行線性變換，使之落入到[0,1]內(nèi)。

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建及優(yōu)化

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建在Matlab平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，為了防止過(guò)度訓(xùn)練(Li C Z,2011)，不采用分區(qū)數(shù)據(jù)，使用簡(jiǎn)單模式，即隱藏層數(shù)為1，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3。將研究區(qū)80個(gè)滑坡點(diǎn)和142個(gè)一般觀測(cè)點(diǎn)(一般觀測(cè)點(diǎn)多為黃土平原、黃土塬和建設(shè)用地，這類(lèi)坡比降很低，無(wú)致災(zāi)可能的區(qū)域)作為樣本，滑坡點(diǎn)和一般觀測(cè)點(diǎn)的易發(fā)性等級(jí)分別賦值1和0。從圖8中提取各柵格點(diǎn)9個(gè)致災(zāi)因子值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入值。在構(gòu)建訓(xùn)練樣本時(shí)，從樣本中隨機(jī)選取192個(gè)樣本為訓(xùn)練樣本，剩下的30個(gè)樣本為檢驗(yàn)樣本。將經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的樣本數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab建立的初步BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(圖9)，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，當(dāng)隱藏層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為12個(gè)、迭代次數(shù)6 000次、誤差閾值為10-3、學(xué)習(xí)率為0.000 1時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較好的預(yù)測(cè)性(圖10)，擬合優(yōu)度R2=0.942 8。

圖8 9個(gè)致災(zāi)因子分布圖

圖9 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖

圖10 測(cè)試集預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

2.4 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在區(qū)域滑坡空間預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

采用上述訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)和遙感解譯圖獲取的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行柵格處理，精度為5 m，共有3 068 780個(gè)柵格單元，最終形成研究區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性空間預(yù)測(cè)結(jié)果(圖11)。

3 易發(fā)性等級(jí)分級(jí)和評(píng)價(jià)

區(qū)域內(nèi)滑坡易發(fā)性等級(jí)采用歷史災(zāi)害統(tǒng)計(jì)法將易發(fā)性分為4個(gè)等級(jí)：極高、高、中和低。其中，各易發(fā)性等級(jí)所占的面積比例(表4)，易發(fā)性等級(jí)為極高和高分別占比8.51%和25.09%，并且落入極高以及高易發(fā)性區(qū)域的滑坡點(diǎn)占總數(shù)的91.5%。從圖11中可以看出，預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)比較吻合，高易發(fā)性區(qū)域多分布在圓頂?shù)蜕胶蜏\切割緩頂中山，以沿河道、坡向?yàn)槲鞅焙捅毕蜃顬槌Ｒ?jiàn)。在伊犁北緣斷裂與F20斷裂附近，特別F20斷裂兩側(cè)分布著大量的易發(fā)性等級(jí)為極高的區(qū)域，也間接說(shuō)明了研究區(qū)斷裂對(duì)滑坡的形成、發(fā)展起控制作用，誘發(fā)因素多為河流側(cè)蝕坡腳引起邊坡失穩(wěn)。在緩傾斜的細(xì)土含礫平原和山前黃土丘陵溝谷河道之中也分布少量滑坡。

圖11 研究區(qū)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的滑坡易發(fā)性預(yù)測(cè)結(jié)果圖

表4 滑坡易發(fā)性統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

筆者通過(guò)對(duì)研究區(qū)黃土滑坡控制性因素的分析，結(jié)合研究區(qū)概況，選取了9個(gè)易發(fā)性滑坡評(píng)價(jià)因子作為構(gòu)建和測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后在Matlab平臺(tái)上構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；通過(guò)訓(xùn)練調(diào)整BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，最終得到擬合優(yōu)度較高的預(yù)測(cè)模型。采用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)和資源環(huán)境遙感解譯數(shù)據(jù)，對(duì)研究區(qū)滑坡的發(fā)生概率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)滑坡易發(fā)區(qū)域進(jìn)行了劃分，最終得到滑坡易發(fā)性區(qū)劃分圖。主要結(jié)論如下。

(1)研究區(qū)內(nèi)黃土滑坡的發(fā)生主要受區(qū)域構(gòu)造、河谷演化階段、邊坡結(jié)構(gòu)和邊坡形態(tài)等因素的控制。黃土滑坡也受到地下水狀況和植被的影響，由于研究區(qū)年降雨量少，年平均降雨量為200～500 mm，極端降雨除外，降水一般不會(huì)通過(guò)水位上升而引起滑坡，因此，地下水不是研究區(qū)滑坡的主要控制因素。但是在有裂縫、裸漏和落水洞的地層中，降水很容易滲入黃土地層內(nèi)部，導(dǎo)致水位上升，從而引發(fā)滑坡。植被可以防止土壤和水侵蝕影響邊坡穩(wěn)定性，但并不是決定滑坡分布的主要因素。

(2)出于滑坡影響因素獲取的簡(jiǎn)便性，選取DEM數(shù)據(jù)和遙感解譯數(shù)據(jù)來(lái)提取地質(zhì)環(huán)境影響因素，以ArcGIS為平臺(tái)整合研究區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)，借助空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、可視化工具和地理信息系統(tǒng)等，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，較為便捷地構(gòu)建了區(qū)域滑坡易發(fā)性分區(qū)圖。

(3)研究區(qū)滑坡極高易發(fā)區(qū)主要分布于中低山斷裂帶附近、河流侵蝕河谷處。其中研究區(qū)內(nèi)2條斷裂分布著83%的滑坡災(zāi)害點(diǎn)，并且坡向多為北向和西北方向，說(shuō)明斷裂控制著滑坡的發(fā)展與發(fā)生，河流侵蝕為誘發(fā)因素。在沉積平原河流溝谷處分布著較少的滑坡，與人類(lèi)不合理開(kāi)挖河道的影響有關(guān)。