房金鵬 權(quán)赫春

(延邊大學工學院，吉林 延吉 133002)

0 引言

泥石流是由于暴雨、暴風雪或其他自然災害在山區(qū)引起的山體滑坡并攜帶有大量泥沙及石塊的特殊洪流。它爆發(fā)突然，破壞力強，嚴重威脅人民的生命和財產(chǎn)安全[1]。延邊州位于中朝邊界，州內(nèi)地質(zhì)災害種類較多且發(fā)生頻繁，對國家地緣政治安全有著重要的影響[2]，對泥石流災害易發(fā)性評價可以有效減少泥石流災害帶來的損失。因此，國內(nèi)外學者選取了多種評價模型如層次分析法[3]，回歸預測模型[4]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型[5]評估泥石流災害的易發(fā)性，但每種方法也都存在一些缺陷。信息量模型[6]具有明確的物理意義，可以科學地對每個評價因子的危險狀態(tài)進行等級劃分，所以本文采用信息量模型評價延邊州地區(qū)泥石流災害的易發(fā)性。

1 信息量模型基本原理

信息量是將信息分析的觀點運用到評價多種因素相互作用下地質(zhì)災害易發(fā)性的模型。以信息論為基礎，能有效預測地質(zhì)災害的發(fā)生。就泥石流而言，運用災害發(fā)生過程中熵的減少表明泥石流災害發(fā)生的概率。信息量大小與泥石流災害發(fā)生的可能性成正比。計算公式如下所示：

(1)

式中：I(y,x1x2…xn)——致災因子x1x2…xn對泥石流災害提供的信息量;

S——研究區(qū)評價單元總數(shù);

N——研究區(qū)內(nèi)有泥石流災害的柵格總數(shù);

Si——研究區(qū)內(nèi)含有評價因素xi的單元數(shù);

Ni——分布在因素xi內(nèi)的某一等級的泥石流災害單元數(shù)。

(2)

式中:I——每個柵格總的信息量值;

Ii——評價因素xi的信息量值;

N——所選取的評價因子的總數(shù)。

計算各致災因子提供給柵格單元的信息量，對每個單元內(nèi)的所有致災因子提供的信息量求和，得到該柵格單元的信息總量。利用柵格單元總的信息量值I判斷該單元是否有利于泥石流災害的產(chǎn)生:I<0時，該單元不利于泥石流的形成，且I值越小，易發(fā)性程度越低；I>0時，該單元有利于泥石流的形成，且I值越大，易發(fā)性程度越高[7]。

2 研究區(qū)狀況

延邊州地區(qū)位于中國和朝鮮的兩國邊境、吉林省東部，包括八大縣市，分別是延吉市、琿春市、圖們市、敦化市、龍井市、和龍市、安圖縣和汪清縣，總面積達4.27萬km2。延邊州地區(qū)地貌主要以山地為主，除山地之外還有丘陵、盆地。海拔范圍在15 m～2 800 m之間，坡度主要分布在0°～40°之間，州內(nèi)地勢起伏較大。州內(nèi)季風明顯，雨量充沛。各種不利因素導致延邊地區(qū)泥石流災害頻繁發(fā)生，嚴重威脅人民的生命財產(chǎn)安全。根據(jù)對延邊州地區(qū)泥石流災害實地考察，選擇州內(nèi)327個泥石流歷史發(fā)生點作為樣本數(shù)據(jù)評估泥石流災害的易發(fā)性。將基于ARCGIS的信息量模型分析評價延邊州泥石流災害易發(fā)性，為該地區(qū)泥石流的防治規(guī)劃提供依據(jù)。

3 基于GIS的延邊州地區(qū)泥石流易發(fā)性評價

3.1 評價單元劃分

研究單元大小的確定對于評估的準確程度至關重要。通過參考其他學者經(jīng)驗[8]，給出了適宜格網(wǎng)大小選取的經(jīng)驗公式，如式(3)所示。

GS=7.49+0.000 65S-2×10-9S2+2.9×10-15S3

(3)

式中：GS——適宜網(wǎng)格的大小;

S——原始輪廓的數(shù)據(jù)精度的分母。

本研究柵格單元的大小由式(3)計算得出，為了便于統(tǒng)計分析，柵格單元取30 m×30 m。

3.2 評價指標狀態(tài)分級

利用ARCGIS的空間分析功能疊加各致災因子，并統(tǒng)計分析致災因子與泥石流點的關系，計算各網(wǎng)格單元的總信息量。使用延邊州等高線要素作為數(shù)據(jù)來源，將其轉(zhuǎn)換為30 m的網(wǎng)格單元。利用ARCGIS中自然斷點分級法進行分級，統(tǒng)計分析得到泥石流主要分布在300 m～800 m范圍內(nèi)。從0°起，以5°為步長使用自然間斷點分級法對坡度進行分級，統(tǒng)計各級別泥石流點個數(shù)。研究表明：研究區(qū)泥石流點主要分布在坡度0°～25°范圍內(nèi)?；?0 m精度的DEM數(shù)據(jù)，利用ARCGIS空間分析網(wǎng)格工具生成坡向網(wǎng)格。將坡向等分為9個類別，統(tǒng)計分析各類別泥石流點分布，泥石流災害點主要分布在90°～315°。根據(jù)吉林省氣象局的發(fā)布的吉林省歷年降雨量資料，選擇延邊州年平均降水量作為影響因子，將研究區(qū)降水量以縣市為單位分為819 mm～851 mm,851 mm～869 mm,869 mm～963 mm,963 mm～1 010 mm 4個區(qū)域。延邊州的水系相對發(fā)達，河流較多，篩選長度1 000 m以上的河流，以其為中心進行0 m～500 m，500 m～1 000 m和1 000 m以上的緩沖分析。結(jié)果表明，有214個泥石流點分布在距河流500 m范圍內(nèi)。根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)要素圖，參考各種巖層的地質(zhì)特性，將研究區(qū)的巖石按照硬度分成三類：堅硬巖層，一般堅硬巖層，軟弱巖層。

狀態(tài)分級圖見圖1～圖6。

3.3 基于GIS的信息量計算和易發(fā)性評價

利用式(1)，計算各致災因子每個等級的信息量見表1。在ARCGIS平臺下，輸入每個致災因子分級狀態(tài)下的信息量，并獲得六個評估指標的信息量圖層。根據(jù)式(2)，使用柵格計算器疊加計算，獲得整個研究區(qū)域中的每個柵格單元的信息總量。信息量越大，泥石流的易發(fā)性就越高。根據(jù)自然斷點法，將延邊州泥石流災害易發(fā)性分為4個等級，低易發(fā)區(qū)域[-12.9，-5.4]、較低易發(fā)區(qū)[-5.4， 0.2]、較高易發(fā)區(qū)[0.2，4.1]，高易發(fā)區(qū)[4.1，7.3]，得到最終的易發(fā)性分區(qū)圖見圖7。

表1 各災害因子分級狀態(tài)信息量

4 結(jié)果分析及精度評價

研究表明：延邊州高易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)、較低易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)分別占延邊州面積的12%,21%,27%,40%。統(tǒng)計各等級區(qū)域泥石流的數(shù)量、區(qū)域面積、泥石流的比例見表2。結(jié)果表明：有77.2%的泥石流災害點位于高易發(fā)區(qū)和較高易發(fā)區(qū)。在易發(fā)性從低變?yōu)楦叩倪^程中，區(qū)域面積逐漸減小，但是泥石流點的個數(shù)逐漸增加，泥石流的比例越來越大，符合實際等級劃分的原則。

表2 易發(fā)性等級評價

5 結(jié)語

基于ARCGIS和信息量模型得到延邊州泥石流災害易發(fā)性分區(qū)圖。根據(jù)研究結(jié)果和實際情況分析，延邊州泥石流高發(fā)區(qū)集中在安圖縣北部、和龍市東部和琿春市北部，延吉市、汪清縣北部等地較為安全，此結(jié)果與延邊州歷史泥石流災害發(fā)生區(qū)域較為吻合，驗證了本論文所采用方法的合理性以及致災因子選取的準確性。

通過計算信息量大小：得出坡度和降雨量對延邊州泥石流災害的影響較大；地層巖性較為軟弱的區(qū)域泥石流易發(fā)性較大；水系作用也對災害的發(fā)育有著重要的影響，主要表現(xiàn)是與河流之間的距離越近，災害發(fā)生的可能性越大。