地理探測器在判別滑坡穩定性影響因素中的應用
——以西藏江達縣為例

支澤民，陳 瓊,2，張 強，周 強,2，劉峰貴,2，趙富昌，陳永萍

（1.青海師范大學地理科學學院，青海 西寧 810008；2.高原科學與可持續發展研究院，青海 西寧 810008；3.北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；4.北京師范大學環境演變與自然災害教育部重點實驗室，北京 100875）

0 引言

滑坡是青藏高原東緣數量最多、分布最廣、危害性最大的一種地質災害類型。是山體斜坡的土體或巖體，在外界因素的影響和重力作用下，發生的非線性動力學過程，受時空變化內外因素綜合作用的結果[1]。青藏高原東緣117 個縣(區、市)共有10 560 處滑坡，其中巨型滑坡183 處，大型滑坡1 133 處，中型滑坡2 870 處，小型滑坡6 374 處，具有顯著的沿活動斷裂帶、河流和道路密集分布的特征[2]。目前，我國關于滑坡的研究主要集中在滑坡形成的影響因素分析[3-6]、滑坡危險度的評價與區劃[7-9]、滑坡防治工程措施研究[10-12]、滑坡的穩定性評價[13-15]等方面。

青藏高原橫斷山區是我國高山峽谷密布地區，由于地形條件特殊，滑坡災害受氣候變化和人類活動雙重因素的影響，呈現多發、頻發態勢。因此，關注和研究該地區滑坡，對于本地區人居環境安全具有重要的現實意義。本文通過地理探測器作為主要分析工具，以西藏江達縣滑坡災害為對象，定量探測高山峽谷地區滑坡災害穩定性的影響因素，揭示造成滑坡體失穩的主要貢獻因子，為高山峽谷地區開展滑坡危險度的評價、滑坡防治工程建設提供科學的依據。

1 研究區概況

青藏高原橫斷山區是我國高山、極高山最為集中的區域，河流深切，峽谷陡峻，是滑坡等地質災害的多發頻發區。江達縣位于橫斷山區東北部，面積13 164.09 km2。該地區地質環境復雜，地質構造活躍，擠壓活動強烈，形成眾多平行山脈縱向排列，為南北向水系發育奠定了基礎。其中，金沙江、通天河在其東部邊界長期強烈侵蝕下切，形成縱向深切峽谷，境內還有藏曲、熱曲、卓克曲、絨曲、多曲等77 條面積50 km2以上的河流，強烈的下切侵蝕，也形成大量深切峽谷。因此，復雜的地質和地表過程，使該地區形成極端復雜的高山峽谷區。區域最高海拔5 297 m，最低海拔2 822 m，相對高差達到2 475 m，平均海拔約3 600 m，地勢由西北向東南傾斜。該區域干濕季分明，年降水量約為550 mm，降水集中在夏季，由此夏季成為滑坡災害的高發期。近些年來，由于該地區社會經濟的發展，人類活動不斷增加，導致滑坡、泥石流、崩塌等地質災害頻發（圖1）。

圖1 研究區概況圖Fig.1 Overview map of study area

2018年10月，西藏自治區與四川省交界處的西藏江達縣波羅鄉白格村發生山體滑坡，即著名的“白格滑坡”?；略斐山鹕辰闪骱拥蓝氯?，形成巨大的堰塞湖，威脅到上下游數個村莊5 萬余人的生命財產安全。江達縣波羅鄉熱多村鄉政府對面發生波羅寺滑坡，該滑坡為大型滑坡，主要受降雨影響，主要威脅鄉政府及附近村民、房屋等，威脅群眾300 余人；江達縣縣政府斜對面山體滑坡，發生于江達鎮將達村，該滑坡規模為中型滑坡，主要由人類工程活動引起，威脅附近30 余戶400 余人生命財產安全以及317 國道部分路段。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

實地調查數據：滑坡數據來自第二次青藏科考對該地區的實地調查。

基礎數據：分辨率為30 m 的DEM 數據、分辨率為1 km 的地貌數據、分辨率為1 km 的2015年降水數據（來自中國科學院數據共享網http://www.resdc.cn/）；河流數據、道路數據、縣級行政區劃數據（來自國家基礎信息數據庫http://www.ngcc.cn/ngcc/html/1/）；地震動峰值加速度、1∶1 800 000 青藏高原及鄰區地質構造圖（昌都部分為1∶500 000）、地層巖性數據（來自地質空間數據云http://geocloud.cgs.gov.cn/）。

2.2 研究方法

2.2.1 地理探測器

地理探測器是假設研究區分為若干子區域，如果子區域的方差之和小于區域總方差，則存在空間分異性；如果兩變量的空間分布趨于一致，則二者存在統計關聯性[16]。同時，根據地理學第一定律，地理事物或屬性在空間分布上互為相關，存在集聚、隨機或者規則分布的科學定律[17]進行地理探測。

（1）分異與因子探測：探測因變量Y的空間分異性，以及探測某自變量因子X多大程度上解釋了Y的空間分異。用q值度量，表達式為：

式中：q——各影響因素對滑坡穩定性的解釋力；

N、σ2——分別為樣本量和方差；

Nh、σ2h——h（h=1，2，···，L）層樣本量和方差。其取值范圍為[0, 1]，數值越大表明影響因素對滑坡穩定性的解釋力越強，數值為0 說明影響因素與滑坡穩定性完全無關，數值為1 說明影響因素可以完全解釋滑坡穩定性的分布差異。

（2）交互作用探測：用來識別不同影響因素相互作用的結果，即評估影響因素1 與影響因素2 共同作用時對于因變量的解釋力是否會增強或者減弱，或這些因素對于因變量Y的影響是獨立的[16]。q(X1∩X2)＜Min[q(X1),q(X2)]表明兩因素交互后，線性減弱；Min(q(X1),q(X2))＜q(X1∩X2)＜Max(q(X1),q(X2))表明兩因素交互后，單因素非線性減弱；q(X1∩X2)＞Max(q(X1),q(X2))表明兩因素交互后，雙因子增強；q(X1∩X2)=q(X1)+q(X2)表明兩因素呈相互獨立；q(X1∩X2)＞q(X1)+q(X2)表明兩因素交互后，非線性增強。

（3）生態探測：用于比較兩因子X1 和X2 對屬性Y的空間分布的影響是否有顯著的差異[17]，主要探測不同因素解釋力的相對重要性差異，通過F檢驗度量：

式中：NX1、NX2-分別表示兩個因子X1 和X2 的樣本量；

SSWX1和SSWX2-分別表示由X1 和X2 形成的分層的層內方差之和。

其中零假設H0：SSWX1＝SSWX2。如果在α 的顯著性水平上拒絕H0，這表明兩因子X1 和X2 對屬性Y的空間分布的影響存在著顯著的差異。

2.2.2 穩定性影響因子選取

（1）滑坡穩定性影響因子：滑坡穩定性是指自然地理、地質構造和地層巖性等背景條件下滑坡的穩定程度，表征地理地質環境基本屬性對滑坡穩定性的控制作用。因此，本文在眾多的滑坡穩定性影響因素中，結合高山峽谷地區的地理地質特征，以實地調查的滑坡穩定性作為因變量（Y），選取了坡度[18]（X1）、距斷層距離（X2）、地層巖性（X3）、河流密度[19]（X4）、地貌類型（X5）、道路密度（X6）、降水量（X7）、地震動峰值加速度（X8）等8 個因素作為滑坡穩定性影響因子。

（2）最優離散分類[20]：將坡度（X1）、距斷層距離（X2）、河流密度（X4）、地貌類型（X5）、道路密度（X6）、降水量（X7）6 個影響因子分別在ArcGIS 中利用自然斷點法進行重分類，一般將其分類數限定為5 ～10 類，然后依次將其帶入地理探測器模型中，求得該分類數影響因子的最大q值，則該分類數即為該影響因子的最優離散分類（圖2）。

圖2 最優離散分類流程圖Fig.2 Flowchart of optimal discrete classification

得出（圖3）：坡度最優離散分類為10；距斷層距離最優離散分類為9；河流密度最優離散分類為10；道路密度最優離散分類為10；降水最優離散分類為10；地貌類型數據為離散型變量，對其不進行分類；地震動峰加速度值分為4 類（數據限制），地層巖性數據根據巖性硬度進行劃分，分別分為極硬巖、次硬巖、次軟巖、極軟巖4 類[21]，其對滑坡穩定性貢獻值分別賦值為4、3、2、1（表1）。

圖3 影響因子最優離散分類Fig.3 Optimal discrete classification of each factor

表1 地層巖性硬度劃分表Table 1 Stratum lithology hardness division table

3 結果分析

3.1 滑坡分類及分布

（1）分類：根據實地調查顯示，江達縣共發現滑坡85 處，按照滑坡體體積[4]、穩定性、險情等分別劃分相應的等級。根據滑坡體體積將江達縣滑坡劃分為特大型、大型、中型和小型4 個等級（表2）。中小型滑坡共有71 處，占江達縣滑坡比例的83.53%；大型滑坡11 處，占12.94%；特大型滑坡3 處，占3.53%，其中包括2018年滑坡體積為3 500×104m3的金沙江特大“白格滑坡”。

表2 按滑坡體體積劃分的滑坡等級Table 2 Landslide grade divided by volume

根據滑坡穩定性將江達縣滑坡劃分為穩定、較穩定、穩定性較差、不穩定和易發5 個等級（表3）。不穩定滑坡數量最多，達到33 處，占江達縣滑坡總數的38.82%；較穩定滑坡數量共有29 處，占滑坡總數的34.12%；易發滑坡體5 處，占比5.88%?？傮w來看，穩定、較穩定滑坡占比達到江達縣滑坡總數的50.59%，不穩定、易發滑坡體占比達到44.70%，一半以上的滑坡處于穩定狀態。

表3 按穩定性劃分的滑坡等級Table 3 Landslide grade divided by stability

根據《國家突發地質災害應急預案》中對地質災害危險等級的劃分標準，對江達縣滑坡危險等級進行劃分，依次可劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級4 個危險級別。特大型地質災害險情（Ⅰ級）指受災害威脅需搬遷轉移人數在1 000 人以上或潛在可能造成的經濟損失1 億元以上的地質災害險情；大型地質災害險情（Ⅱ級）指受災害威脅需搬遷轉移人數在500 人以上、1 000 人以下，或潛在經濟損失5 000 萬元以上、1 億元以下的地質災害險情；中型地質災害險情（Ⅲ級）主要指受災害威脅，需搬遷轉移人數在100 人以上、500 人以下，或潛在經濟損失500 萬元以上、5 000 萬元以下的地質災害險情；小型地質災害險情（Ⅳ級）指受災害威脅，需搬遷轉移人數在100 人以下，或潛在經濟損失500 萬元以下的地質災害險情。江達縣地質災害險情等級主要以Ⅲ級、Ⅳ級為主，占比達97.65%（表4）。

表4 按危險性劃分的滑坡等級Table 4 Landslide grade divided by danger

（2）分布：從空間上來講，江達縣有78 處滑坡分布在其中部、南部地區，占滑坡總數的91.76%；同時，滑坡主要沿高山峽谷中的河流與道路分布，全縣85 處滑坡全部分布于河流附近，其中，61 處滑坡分布于道路兩側，占其滑坡總數的71.76%（圖1）[22-24]。

3.2 滑坡穩定性的地理探測

（1）因子探測結果：因子探測主要用于探測單個影響因子對滑坡穩定性的貢獻率或者因子解釋力。q值越大，表明其對滑坡穩定性的貢獻率越高，因子解釋力越強。根據2.2.1 和2.2.2，將因變量與自變量代入地理探測器，計算得出：因子解釋力q值大小分別為地貌類型（q=0.501）＞河流密度（q=0.477）＞道路密度（q=0.465）＞距斷層距離（q=0.332）＞坡度（q=0.168）＞地震動峰值加速度（q=0.129）＞降水量（q=0.122）＞巖性（q=0.101）。地貌類型對滑坡穩定性的貢獻最大，達到0.501；河流密度與道路密度貢獻率分別達到0.477、0.465，距斷層距離貢獻率為0.332，說明其對滑坡穩定性的解釋力很強；其他因子的貢獻率較小，解釋力不強。因此，地貌類型、河流密度、道路密度以及距斷層距離是影響滑坡穩定性的主要影響因子（表5）。

表5 因子探測結果Table 5 Factor detection results

（2）交互作用探測結果：交互作用探測主要用于探測當兩種影響因子兩兩相互作用時，其對滑坡穩定性的解釋力相對于其中一個影響因子來說，其解釋力是增強還是減弱。根據2.2.2 交互作用探測，將8 個自變量兩兩交互進行分析，結果顯示，相較于單因子對滑坡穩定性的解釋力，雙因子交互作用時的解釋力明顯較高，各因子對滑坡穩定性的綜合作用力值高于任意因子單獨作用的強度，因此，各因子對滑坡穩定性的影響力是交互增強的。交互作用結果主要分為雙因子增強（N）與非線性增強（Y）兩類。當道路密度與降水量、道路密度與坡度、坡度與河流密度、坡度與降水量、坡度與地貌類型、坡度與距斷層距離、降水量與地貌類型、巖性與坡度等因子在兩兩相互作用時，對于滑坡穩定性的分異具有非線性增強的作用，且當地貌類型與距斷層距離共同作用時，其貢獻率最大為0.930，其次，河流密度與地貌類型相互作用時，貢獻率居于第二，達到0.830；當道路密度與河流密度、道路密度與地貌類型、道路密度與距斷層距離、河流密度與降水量、河流密度與地貌類型、河流密度與距斷層距離、降水量與距斷層距離等因子兩兩相互作用時，對于滑坡穩定性分異均具有雙因子增強的作用（表6）。

表6 交互作用探測結果Table 6 Interaction detection results

（3）生態探測結果：生態探測著重比較不同影響因子對滑坡災害穩定性分異是否具有顯著性差異。在顯著性檢驗0.05 置信水平下，道路密度與坡度以及降水量對于滑坡穩定性的分異具有顯著性的差異；坡度與河流密度、地貌類型和地震動峰值加速度對于滑坡穩定性的分異具有顯著性的差異；河流密度與降水量、地震動峰值加速度對于滑坡穩定性的分異具有顯著性的差異；降水量與地貌類型對于滑坡穩定性的分異具有顯著的差異；地貌類型與距離斷層的距離、地震動峰值加速度以及坡度、距斷層距離對于滑坡穩定性的分異具有顯著性的差異；巖性與道路密度、河流密度、地貌類型以及距斷層距離對于滑坡穩定性的分異具有顯著性差異（表7）[25-26]。

表7 生態探測結果Table 7 Ecological detection results

4 結論

（1）按滑坡體體積劃分等級，江達縣滑坡主要以中、小型滑坡為主，占到滑坡總數的83.53%，大型、特大型滑坡占16.47%；按其穩定性劃分，穩定、較穩定滑坡占比超50%，不穩定、易發滑坡體占比達44.70%，一半以上滑坡處于穩定狀態；按危險等級劃分，主要以Ⅲ級、Ⅳ級為主，占比97.65%。同時發現，江達縣滑坡的分布主要沿河流與道路分布，全縣85 處滑坡全部分布于河流附近，其中61 處滑坡分布于道路兩側，占比達71.76%。

（2）江達縣滑坡穩定性的主要影響因子為地貌類型、河流密度、道路密度和距斷層距離，其貢獻率分別為0.501，0.477，0.465，0.332，因此，可以看出地貌類型與距斷層距離是造成高山峽谷地區滑坡失穩的先決條件，河流的沖刷侵蝕以及基礎道路的修建（人類活動）是造成滑坡失穩的誘發條件；探測發現，影響滑坡穩定性因子在兩兩相互作用時，其解釋力總是大于單個因子的解釋力，對于滑坡的穩定性分異具有非線性增強與雙因子增強的作用，也就是說，當兩種影響因子相互作用時，對于滑坡的失穩總是具有增強的作用。

（3）通過利用地理探測器對滑坡穩定性影響因子的探測發現，其結果較為符合科學依據與事實。因此，地理探測器這一模型對于滑坡穩定性影響因子探測具有一定的實用性。