肖 燕, 王 瀟, 姚海鵬

(湖南省地質(zhì)調(diào)查所水文地質(zhì)工程地質(zhì)調(diào)查研究中心, 長沙 410000)

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性屬自然屬性,是地質(zhì)災(zāi)害的形成條件組合有利于發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能程度(易發(fā)程度),這種可能程度用易發(fā)指數(shù)表示,易發(fā)指數(shù)越高,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大,反之則越小。目前有學(xué)者認為易發(fā)性評價方法宏觀上一般分為定性分析法、概率統(tǒng)計法和確定性分析法3類[1]。而易發(fā)性模型的構(gòu)建是評價的關(guān)鍵,這些模型主要分為以下幾種[2]:證據(jù)權(quán)法、Logistic模型、層次分析法、信息量法、確定性系數(shù)法、支持向量機、隨機森林模型等。例如,張文等[3]基于專家經(jīng)驗值分析法對四川吳高坪鋪庫區(qū)的滑坡災(zāi)害進行了易發(fā)性評價;Ercanoglu等[4]使用專家經(jīng)驗與層次分析法分析了土耳其西黑海地區(qū)的滑坡易發(fā)性;王文俊等[5]基于地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)平臺,采用模糊綜合評判法開展四川省珙縣崩塌、滑坡易發(fā)性研究;石菊松等[6]基于遙感(remote sensing,RS)與GIS平臺,采用空間信息量法開展庫區(qū)滑坡易發(fā)性研究;許沖等[7]基于層次分析法,在汶川震后災(zāi)區(qū)滑坡遙感解譯的基礎(chǔ)上進行滑坡易發(fā)性研究;鄧念東等[8]采用隨機森林模型、機器學(xué)習混合模型、堆疊模型等對滑坡及崩塌地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進行評價,取得較好效果;王念秦等[9]基于粒子群優(yōu)化算法-支持向量機(particle swarm optimization-support vector machine,PSO-SVM)模型、支持向量機模型-邏輯回歸(support vector machine-logistic regression,SVM-LR)模型、加權(quán)信息量模型等進行滑坡易發(fā)性研究。

總體來說,易發(fā)性評價的方法多種多樣,每種方法具備各自的優(yōu)勢和不足。針對區(qū)域上的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價,以定性和定量評價相結(jié)合的方法較為常見。

1 研究區(qū)概況

茶恩寺鎮(zhèn)位于湘潭縣南端,湘江下游西岸,距湘潭縣縣城44 km,湘潭市50 km,東與衡東縣三江鄉(xiāng)隔江相望,南與衡山縣長江鎮(zhèn)交界,西與本縣龍口鄉(xiāng)、花石鎮(zhèn)接壤,北與白石鄉(xiāng)毗鄰。全鎮(zhèn)面積137.03 km2。本次研究的集鎮(zhèn)面積為10.36 km2。

研究區(qū)整體地勢南北高,中間低,高程一般為50～140 m,最高點位于東南部邊界處牛皮窩,高程為212.4 m,最低點位于研究區(qū)向陽水東部邊界處,高程為45.6 m。

區(qū)內(nèi)年平均降雨量1 300 mm,年平均降雨日150 d。水資源較為充足,地表水系較發(fā)育,南岳后山溪水入境花橋河與天馬山下溪水于研究區(qū)西部洪舒公匯合,經(jīng)向陽渠流入湘江,豐水位52.4 m,枯水位50.1 m,未見水庫,一般以山塘為主。

研究區(qū)地層相對單一,僅出露青白口系和第四系地層。青白口系巖性為灰黃、灰綠色板巖夾粉砂質(zhì)板巖;第四系為沖洪積層和殘破積層。區(qū)內(nèi)褶皺不發(fā)育,斷裂少量發(fā)育。

區(qū)內(nèi)發(fā)育滑坡4個,原不穩(wěn)定斜坡6個,本文根據(jù)不穩(wěn)定斜坡可能的變化趨勢,3個視為滑坡,3個視為崩塌,故滑坡共計7個,崩塌3個。

2 評價方法及網(wǎng)格劃分

本次易發(fā)性評價采用地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度指數(shù)法,是以定性分析為主,與定量評價相結(jié)合[10]?？傮w思路是:首先選擇影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要因子,對各因子進行分級,一般劃分為二級,然后對各因子進行權(quán)重和賦值。其次對研究區(qū)進行單元網(wǎng)格剖分,即將研究區(qū)按照一定的精度劃分為大小相等的網(wǎng)格,將評價因子值賦給每一個小的單元網(wǎng)格,結(jié)合各因子權(quán)重,將各因子賦值在單元網(wǎng)格進行數(shù)值處理,得到每個單元網(wǎng)格的指標,再將各指標累積疊加,即可得到單元網(wǎng)格的易發(fā)程度指標。易發(fā)程度指標的大小即可以代表該網(wǎng)格單元的易發(fā)性,指標值越大,易發(fā)性越高,反之越小。最后綜合分析各個單元網(wǎng)格,根據(jù)相似性原則,進行易發(fā)分區(qū)[11-13]。

根據(jù)本次評價的精度,選擇50 m×50 m為基本評價單元格,將全區(qū)剖分為4 357個單元網(wǎng)格,基礎(chǔ)底圖為1∶5 000地形圖。

3 評價因子分析及指數(shù)化

3.1 評價因子選擇及分級

本研究考慮的是斜坡類地質(zhì)災(zāi)害,主要針對滑坡和崩塌兩種。根據(jù)收集分析茶恩寺鎮(zhèn)滑坡的孕災(zāi)條件及其影響因素可知,該地區(qū)對斜坡類地質(zhì)災(zāi)害影響較大的有7個因子:斜坡坡度、巖土體結(jié)構(gòu)類型、人類工程活動強度、地質(zhì)構(gòu)造、降雨量、植被覆蓋率和災(zāi)害密度。這7個因子為一級評價因子,然后結(jié)合研究區(qū)的具體孕災(zāi)地質(zhì)條件,進行二級劃分。

3.1.1 斜坡坡度

斜坡的坡度,是控制斜坡類地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)鍵。茶恩寺地災(zāi)坡度為24°～80°,以35°～60°分布最為發(fā)育。該因子劃分為4級:①0°～15°;②15°～30°;③30°～45°;④≥45°。坡度分級如圖1所示。

圖1 坡度分級

3.1.2 巖土體結(jié)構(gòu)類型

巖土體工程地質(zhì)條件是斜坡類地質(zhì)災(zāi)害形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)其地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性差異很大。根據(jù)研究區(qū)的巖土體工程地質(zhì)巖組劃分,土體類型為單層結(jié)構(gòu)含碎石黏土、碎石土和雙層結(jié)構(gòu)粉質(zhì)黏土、砂粒卵石類土。巖體類型為較堅硬中層夾薄層條帶狀淺變質(zhì)板巖、粉砂質(zhì)板巖巖組。該因子劃分為2級:①土體結(jié)構(gòu)松散或巖性軟弱,巖體風化強烈,結(jié)構(gòu)破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育;②土體結(jié)構(gòu)密實或巖性堅硬均一,巖體風化程度弱,結(jié)構(gòu)完整,節(jié)理裂隙不發(fā)育。巖土體結(jié)構(gòu)類型分級如圖2所示。

圖2 巖土體結(jié)構(gòu)類型分級

3.1.3 人類工程活動強度

研究區(qū)的主要人類工程活動有切坡建房、公路開挖、水利建設(shè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。目前人類工程活動對坡體的開挖成為滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害的一個主要誘發(fā)因子,尤其是不合理的切坡建房。根據(jù)以上4個人類工程活動類型的強度,將該因子劃分成3級:①強烈區(qū);②中等區(qū);③一般區(qū)。人類工程活動強度分級如圖3所示。

圖3 人類活動強烈程度分級

3.1.4 地質(zhì)構(gòu)造(斷層)

地質(zhì)構(gòu)造,尤其是斷層一般對區(qū)域巖土體的影響較大,斷層發(fā)育直接破壞影響巖土體結(jié)構(gòu),常常形成多組節(jié)理裂隙,巖體破碎。對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的直接影響是巖體物理力學(xué)性質(zhì)降低,同時更有利于水在斜坡巖體內(nèi)的運移。區(qū)內(nèi)構(gòu)造發(fā)育簡單,褶皺不發(fā)育,僅在研究區(qū)東北部發(fā)育一段南西-北東向的斷層。該因子劃分為2級:①構(gòu)造中等區(qū);②構(gòu)造簡單區(qū)。地質(zhì)構(gòu)造等級分級如圖4所示。

圖4 地質(zhì)構(gòu)造等級分級

3.1.5 降雨量

斜坡類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降雨有著密切聯(lián)系,是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生主要誘發(fā)因子。主要是由于雨水下滲至斜坡內(nèi)軟弱帶,軟化巖土體,導(dǎo)致其抗剪強度降低,易引起滑動。研究區(qū)面積小,年均降雨量和日降雨量都是同一個值,降雨量的二級評價因子只有一個值,劃分1級:年降雨量1 200～1 400 mm或日最大降雨量100～200 mm。

3.1.6 災(zāi)害密度

災(zāi)害發(fā)生密度直接反映不同區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性,以往災(zāi)害密度大,說明該區(qū)域發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率相對較大。本次劃分的評價網(wǎng)格為50 m×50 m,根據(jù)在這個網(wǎng)格尺度類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的個數(shù)作為二級評判因子,劃分為4級:①0個;②1個、③2個;④≥3個。地質(zhì)災(zāi)害點分布如圖5所示。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害分布

3.1.7 植被覆蓋率

植被覆蓋率的高低對地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生有一定影響,一般植被覆蓋率越高的地方產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的概率越小。其原因一方面是因為植被覆蓋率越高,說明區(qū)內(nèi)人類工程活動程度越低,對地質(zhì)環(huán)境的改造破壞程度也越低,另一方面植物根系可以加固斜坡巖土體,同時減小地表水流對斜坡的沖刷,因而起到提高斜坡穩(wěn)定性的作用。根據(jù)研究區(qū)的植被發(fā)育狀況,該因子劃分成3級:①植被發(fā)育;②植被中等;③植被不發(fā)育。植被覆蓋率分級如圖6所示。

圖6 植被覆蓋率分級

3.2 評價因子指數(shù)化

3.2.1 評價因子分級賦值

根據(jù)自然資源部《縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求》實施細則(2006年修訂稿),本次研究區(qū)各影響因子權(quán)重及分級賦值見表1。

表1 地質(zhì)災(zāi)害評價因子分級賦值

3.2.2 評價網(wǎng)格各因子脆弱性指數(shù)計算

將每類二級分級值與所在單元網(wǎng)格內(nèi)的面積百分比相乘,得出各影響因子的脆弱程度指數(shù),公式為

N1=A1a+A2b+A3c+A4d

(1)

式中:N1為評判單元格內(nèi)因子脆弱程度指數(shù);A1、A2、A3、A4為所計算因子的分級賦值;a、b、c、d為二級分級因子在單元格內(nèi)分布的面積百分數(shù)。

3.2.3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度指數(shù)計算

根據(jù)式(1)得到各因子的脆弱程度指數(shù),賦值給各對應(yīng)的因子圖層,在每個單元網(wǎng)格內(nèi)計算各因子累計指數(shù)值,即為各個網(wǎng)格單元的易發(fā)性指數(shù)。

(2)

式中:Z為評價因子地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度指數(shù);Ni為評判因子的脆弱性指數(shù);Ki為各評價因子的權(quán)重;n為因子數(shù)目。

3.3 易發(fā)性評價分區(qū)

根據(jù)式(2)計算各個單元網(wǎng)格的易發(fā)性指數(shù),采用如下原則將易發(fā)性指數(shù)進行分區(qū):高易發(fā)區(qū)(Z>6)、中易發(fā)區(qū)(6≥Z≥3)、低易發(fā)區(qū)(3>Z≥1)、不易發(fā)區(qū)(Z<1)?？梢娧芯繀^(qū)主要為中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū),沒有高易發(fā)區(qū)。易發(fā)性綜合評價網(wǎng)格如圖7所示。

圖7 易發(fā)性綜合評價網(wǎng)格

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價結(jié)果(圖7),將相鄰具備相似條件的網(wǎng)格劃分為同一分區(qū),繪制易發(fā)分區(qū)圖(圖8),劃分結(jié)果見表2。

表2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)

圖8 易發(fā)分區(qū)

4 結(jié)論

根據(jù)易發(fā)性評價及分區(qū),茶恩寺鎮(zhèn)中易發(fā)區(qū)4個,面積0.81 km2,占研究區(qū)面積的7.82%,區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點5處,占研究區(qū)災(zāi)害點總數(shù)的50%;低易發(fā)區(qū)3個,面積0.45 km2,占研究區(qū)面積的4.34%,區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點3處,占研究區(qū)災(zāi)害點總數(shù)的30%;不易發(fā)區(qū)1個,面積9.11 km2,占研究區(qū)面積的87.93%,區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點2處,占研究區(qū)災(zāi)害點總數(shù)的20%。

評價分區(qū)的結(jié)果與茶恩寺鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀較為吻合,可為集鎮(zhèn)的規(guī)劃建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害防治提供一定的指導(dǎo)。