基于貢獻率權重模型的川藏鐵路沿線大型滑坡危險性區劃

邊江豪，李秀珍，徐瑞池，王 棟

（1.中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

川藏鐵路即新建成都至拉薩的鐵路，全長約1 832 km，是西藏重要東出通道。川藏鐵路經過四川省西北部與西藏自治區東南部，處于歐亞板塊的接觸帶，具有構造運動強烈、新構造運動活躍，地震活動頻度高等特征，加之受到青藏高原強烈隆升作用的影響，導致區內的地形起伏大，溝谷地貌發育，山高谷深、地質條件復雜、斷裂構造發育,其高陡斜坡、破碎巖土體等地形地貌廣泛分布，為滑坡、泥石流、崩塌等山地災害的形成提供了“有利”的條件。受內外營力的相互作用，沿線區域成為山地災害最為發育、最為活躍、危害最為嚴重的地區之一[1-3]。根據調查統計，川藏鐵路沿線共發育山地災害1 359 處，其中崩塌滑坡747 處，包含大型（體積≥100×104m3）、特大型（體積≥1 000×104m3）滑坡147 處，占到崩滑總數的接近20%。大型滑坡因其規模巨大，一旦發生，造成的危害和經濟損失尤為嚴重。例如，川藏鐵路沿線區域波密縣102 大型滑坡，體積達510×104m3，毀壞國道公路近10 km[4]。川藏鐵路沿線發育廣泛、危害嚴重的大型滑坡已成為鐵路局部乃至全線的關鍵控制節點，關乎工程建設的成敗。

川藏鐵路沿線區域有關滑坡等山地災害有相關學者進行了研究。例如魏永幸、程謙恭等對線路沿線巨型、高速遠程滑坡動力學過程及其演化機理與防治對策進行了研究[1]。張小剛、梁光模等系統地查明了西藏主要干線公路沿線滑坡的分布、類型、活動特征、影響因素及機理和防治對策[4-5]；李秀珍等[6]，鐘衛等[7]，邊江豪等[8]分析了川藏交通廊道康定至林芝段崩滑的空間特征和潛在危害，并歸納總結了可能產生的危害方式；鐘衛等[7]在調查川藏鐵路康定——昌都段沿線崩滑災害基礎上，提出了基于崩滑災害影響的地質災害選線建議。已有的研究成果為川藏鐵路山地災害的進一步研究奠定了重要基礎。但是目前針對川藏鐵路工程，有關大型滑坡的研究較少，尤其是大型滑坡的危險度評價方面。

目前，關于滑坡危險性評價方法有層次分析法、隨機森林法、新組合賦權法等多種[9-11]，其中不同的評價方法有不同特點。貢獻率權重疊加模型結構簡單、物理意義清楚、不受使用區域限制、人為主觀因素影響較小[12]。因此，本研究在對擬建川藏鐵路沿線崩塌滑坡災害進行野外實地調查和遙感解譯的基礎上,以鐵路沿線危害較為嚴重的大型滑坡（含特大型滑坡）作為主要研究對象，采用貢獻率權重疊加方法對鐵路沿線區域進行大型滑坡危險性評價，以期為川藏鐵路工程的選定線及安全建設和運營提供科學參考和防災減災依據。

1 川藏鐵路沿線自然地質環境背景

川藏鐵路橫穿青藏高原東南緣地形急變帶、是迄今為止人類歷史上最具挑戰性的鐵路建設工程[13]，其穿越21 座4 000 m 以上的雪山，橫跨14 條江河，主要途徑具有河谷、侵蝕剝蝕和冰川作用的三大地貌單元，即山前沖積平原區、川西盆地——高原過渡區、青藏高原地貌區[14]。

鐵路沿線巖性復雜，各個時代地層發育齊全，沉積類型繁多，其中三疊系分布最廣，以海相或海陸相成因為主。川藏鐵路地處印度板塊與歐亞板塊相互碰撞的匯聚帶附近，構造復雜，大小活動斷層廣布，主要斷裂帶有：鮮水河斷裂、理塘斷裂、金沙江斷裂、瀾滄江斷裂、怒江斷裂、雅魯藏布斷裂等。沿線經過由多期區域構造運動形成的板塊縫合帶，以及揚子準地臺、松潘——甘孜褶皺帶、昌都地塊、改則——那曲褶皺帶、拉薩地塊三大構造單元；同時橫跨南北地震帶與青藏高原地震區，烈度高，地震活動十分頻繁，歷史上曾多次發生7 級以上地震。

鐵路沿線東部為太平洋與印度洋氣流影響的海洋性氣候，西部為西北環流影響的大陸性氣候。地勢對氣候控制程度十分明顯，鐵路沿線降水、氣溫、濕度等氣候因素復雜多變，不同海拔高度氣候差異極為懸殊。鐵路跨越長江、瀾滄江、怒江、雅魯藏布4 大水系，途經金沙江、瀾滄江、怒江、帕隆藏布、尼洋河、拉薩河6 大水系干流。

2 川藏鐵路沿線大型滑坡災害概況

自2015年以來，課題組歷時3年，通過對鐵路沿線崩塌滑坡災害的10 多次野外實地調查，并結合多源多時相遙感影像數據的判譯，共查明川藏鐵路沿線共發育有崩滑災害共計747 處，崩塌334 處，滑坡413 處,其中大型、特大型滑坡共147 處（圖1）。按照中國地質調查局的滑坡崩塌泥石流災害詳細調查規范將滑坡體積規模以大型（100×104～1 000×104m3）與特大型（大于1 000×104m3）來劃分，其中大型滑坡106 處，特大型41 處。初步統計，大型滑坡的總規模為3.98×108m3，特大型滑坡的總規模為14.09×108m3。實地調查的川藏鐵路沿線典型大型滑坡（含特大型滑坡，下同）如圖2所示。

圖1 川藏鐵路沿線大型滑坡分布圖Fig.1 Distribution map of large landslides along Sichuan——Tibet Railway

圖2 川藏鐵路沿線典型大型滑坡Fig.2 Typical landslide of Sichuan——Tibet Railway

川藏鐵路全長1 800 多公里，跨越了多個縣/市區。依據鐵路火車站區間段劃分，大型滑坡主要分布于白玉至江達段、昌都至八宿段、朗縣至加查段等區段，其中昌都至八宿段分布數量最多，為61 處，其次白玉至江達段、朗縣至加查段，數量分別為44 處和17 處。災害分布密度白玉至江達段最大，線密度為0.53 處/km，朗縣至加查段和昌都到八宿段次之，線密度分別為0.36 處/km、0.34 處/km（表1）。

表1 川藏鐵路沿線大型（含特大型）滑坡分段數量統計表Table 1 Statistical table on the number of large landslides along the Sichuan——Tibet Railway

川藏鐵路橫跨了四川與西藏兩個省區，8 個市/州，30 多個縣/區。根據行政區域統計大型滑坡分布特征，可以看出八宿縣分布的大型滑坡數量最多，占到大型滑坡總數的42.86%，其次為白玉縣，占到大型滑坡總數的23.13%（圖3）。

圖3 川藏鐵路不同縣、市大型滑坡分布數量統計圖Fig.3 Statistics on the number of large landslides in different counties and cities of Sichuan——Tibet Railway

3 基于貢獻率權重模型的滑坡危險度區劃方法

滑坡危險度區劃是將一定區域內滑坡發育的內部條件、誘發滑坡發生的外部條件以及滑坡所造成的影響進行綜合統計，定量或半定量地評價區域內滑坡的危害程度[15]，其區劃內容主要包括：選擇評價指標、建立區域模型、確定危險度劃分等級、可靠性檢驗等[16]。

在分析背景條件的基礎上，本文選用貢獻率權重疊加模型對研究區進行滑坡危險度區劃。首先統計各本底因子對滑坡發育影響的貢獻率值；接著對各本底因子的貢獻率進行均值化、歸一化處理，并計算各因子的自權重和各因子間的互權重；最后將各因子的貢獻率、自權重、互權重相乘疊加得到區域內滑坡危險度分布情況，按照分區標準對危險度進行分區從而得到滑坡危險度區劃結果（圖4）[17-22]。其中本底因子是指影響滑坡形成和孕育的基本環境因素，如坡度、高差、坡向等，不考慮降雨、地震等誘發因素。貢獻率是分析滑坡發育本底因子作用程度的一個指標。

具體步驟如下：

（1）計算本底因子貢獻率

滑坡發育本底因子作用程度可通過本底因子貢獻率進行量化，根據下式進行計算：

式（1）中，U0i為滑坡本底因子貢獻率，Ui為本底因子的滑坡貢獻指數，i為本底因子（i=1, 2, ···,6)。

圖4 貢獻率權重疊加模型的滑坡危險性區劃原理簡易圖Fig.4 Simple diagram of landslide hazard zonation based on contributing weights model

（2）計算本底因子權重

本底因子權重分為自權重與互權重兩部分，其中自權重是某一因子內部不同取值范圍相互之間的權重，而互權重是各因子相互之間的權重。

將各滑坡本底因子的貢獻率按高、中、低3 級貢獻程度劃分后，分別按照下式計算各因子的權值。

式中：Wi——本底因子自權重；

U0i——本底因子貢獻率。

互權重是通過自權重來計算，其計算公式如下：

式中：Wi′——本底因子互權重；

Uj——各因子綜合貢獻率（Uj=∑U0i）；

j——滑坡評價指標（j=1, 2, 3）。

（3）危險度區劃

用貢獻權重疊加法進行危險度區劃公式如下：

式中：H——危險度；

Wi——自權重；

Wi′——互權重；

Ui——貢獻指數。

4 川藏鐵路沿線大型滑坡危險性區劃

4.1 鐵路沿線大型滑坡發育本底因子貢獻率

依據已有研究，結合對川藏鐵路沿線大型滑坡災害及其環境背景調查分析，選擇與大型滑坡發育密切相關的坡度、地層巖性、高差、坡向、斷裂帶、河流水系共6 個因子作為危險性評價的本底因子（圖5）。

根據貢獻率權重模型，以及擬建鐵路沿線147 處大型滑坡災害點的分布數量、面積、體積三個量化的滑坡評價指標，利用上述公式（1），對川藏鐵路沿線一定范圍內的坡度、高差、地層巖性、坡向、斷裂帶、河流水系對滑坡發育的貢獻率進行計算。

在具體計算中，用ArcGIS 對坡度進行處理，每隔5°進行級別劃分，將坡度分為9 級，再根據上述分析對坡度因子不同級別的貢獻率進行計算，結果見圖6（a）；將鐵路沿線的高差每100 m 分1 級，共分為12 級，得出高差因子貢獻率信息，見圖6（b）；利用1∶20 萬的地質圖獲得滑坡點的地層巖性，包括前震旦系（AnZ）、元古界（Pt）、泥盆系（D）、石炭系（C）、二疊系（P）、三疊系（T）、侏羅系（J）、白堊系（K）、古近系（E）、新近系（N）、第四系（Q）共11 種類型，得出地層巖性因子貢獻率信息，見圖6（c）；將坡向劃分為北（N）、東北（EN）、東（E）、東南（ES）、南（S）、西南（WS）、西（W）、西北（WN）共8 個方向，得出坡向貢獻率信息，見圖6（d）。斷裂帶密度是指單位面積內斷裂帶的長度，以0.01 間隔分一級，共分成9 個等級，得出斷裂帶貢獻率信息，見圖6（e）。水系密度是指單位面積內河流的長度，用水系密度作為河流水系的分析因子，每0.01 間隔分一級，分成9 個等級，得出河流水系貢獻率信息，見圖6（f）。

圖5 各本底因子與大型滑坡分布圖Fig.5 Distribution map of background factors and large landslides

4.2 鐵路沿線大型滑坡發育本底因子權重

基于上述各本底因子的貢獻率計算結果，利用上述式（2）和式（3）分別計算高差、坡度、坡向、地層巖性、斷裂帶、河流水系等各本底因子的自權重與互權重，其計算結果見表2。

4.3 鐵路沿線大型滑坡危險性區劃結果

4.3.1 危險性區劃

采用貢獻率權重因子疊加模型，根據公式（4）將滑坡本底因子的貢獻自權重、互權重、貢獻率相乘疊加，以90 m×90 m 網格單元為基本評價單元，得到鐵路沿線連續空間的滑坡危險度值。然后，再利用ArcGIS 中的自然斷點法對連續空間的滑坡危險度值進行分區，分為低危險度區、中危險度區、高危險度區3 個區。3 個區間的取值分別為0.017 6～0.100 1、0.100 1～0.182 5、0.182 5～0.264 9，最終得到川藏鐵路沿線的危險性區劃圖（圖7）。

4.3.2 結果分析

川藏鐵路沿線研究區總面積為143 442.6 km2，根據大型滑坡危險性區劃結果（圖8、表3），低度危險區的面積為35 918.5 km2，中度危險區的面積為95 484.3 km2，高度危險區的面積為12 039.7 km2；其中中度危險區的面積最多，占到66.5%，其次為低度危險區。高度危險區主要集中在邦達——八宿段、古鄉——拉月段、白玉——江達段。

從大型滑坡點分布數量分析，中度危險區分布的大型滑坡數量最多，為91 處，占到大型滑坡總數的61.9%，其次是低度危險區，高度危險區滑坡分布的數量最少。

從滑坡分布密度來看，滑坡危險區的等級越高,大型滑坡的分布密度越大。高度危險區滑坡分布密度為0.001 99 處/km2，為最高，約為中度危險區或低度危險區的2 倍。

由此可見，根據貢獻率權重模型計算得出的川藏鐵路沿線大型滑坡危險度等級與實際調查的滑坡分布密度結果是一致的。

5 結語

川藏鐵路工程是國家重大基礎設施建設項目，保障鐵路的順利建設和后期安全運營十分重要。本文以鐵路沿線發育廣泛、危害嚴重的大型滑坡（含特大型）作為主要研究對象，在對大型滑坡災害進行野外實地調查和遙感解譯的基礎上，基于ArcGIS 平臺，采用貢獻率權重模型對鐵路沿線區域進行了大型滑坡危險性評價，并利用自然斷點法對危險性評價結果進行分區及統計分析。結果表明：

圖7 川藏鐵路沿線大型滑坡危險性區劃圖Fig.7 Hazard zoning map of large-scale landslides along the Sichuan-Tibet Railway

表2 川藏鐵路大型滑坡本底因子權重Table 2 Contributing weights of background factors of large landslides in Sichuan-Tibet Railway

圖8 不同危險度等級內的大型滑坡分布密度Fig.8 Distribution density of large landslides of different hazard rating

表3 不同危險度等級區間大型滑坡分布特征Table 3 Characteristics of large landslides of different hazard rating

（1）擬建川藏鐵路沿線共發育大型、特大型滑坡共147 處，其中大型滑坡106 處，特大型滑坡41 處，主要分布于白玉至江達段、昌都至八宿段、朗縣至加查段等區段。

（2）鐵路沿線處于高中低三個等級危險區的面積分別為35 918.5，95 484.3，12 039.7 km2?；挛ｋU區的等級越高,大型滑坡的分布密度越大。高度危險區大型滑坡分布密度為0.001 99 處/km2，約為中度或低度危險區的2 倍。高度危險區主要集中在邦達——八宿段、古鄉——拉月段和白玉——江達段。

（3）根據貢獻率權重模型計算出川藏鐵路沿線大型滑坡危險度等級與野外實地調查的大型滑坡分布密度是一致的。貢獻率權重模型用于川藏鐵路沿線大型滑坡危險性區劃是可行的。相關研究成果可以為川藏鐵路工程的選定線、安全建設提供科學參考和防災減災依據。

下一步研究中，將在充分考慮川藏鐵路沿線影響大型滑坡危險性的不同本底因素的基礎上，進一步考慮引起鐵路沿線大型滑坡發生的降雨、地震等誘發因素的影響，分不同工程地質區段分別建立考慮誘發因素影響下鐵路沿線大型滑坡的動態危險性評價及預測模型。