基于GIS分析的萬山區地質災害風險評價

鄒鳳釵，鄒銀先，陶小郎，呂 東

(貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550081)

地質災害嚴重威脅當地人民的生命安全和生產生活[1-2]。盡管目前防災減災成效較為顯著，但各地仍然面臨著較為嚴峻的防災減災形勢;因此，開展地質災害風險評價和建立健全地質災害綜合防治體系迫在眉睫，識別和預測地質災害發生尤為重要[3-4]。隨著地理信息系統(geographic information system, GIS)技術、數學學科及信息全球化的發展，國內外利用GIS對地質災害進行風險性評價的手段和方法逐漸成熟[5-12]。

萬山區地質構造復雜、地層巖性多變、地貌類型多樣化、河流密度較大。特殊的自然地理環境和地質構造背景導致萬山區發育獨特的環境地質，地質災害發生頻率較高。萬山區歷史上的地質災害造成11人死亡、4人失蹤，損毀房屋1 150間，直接經濟損失621萬元[13]。本文基于GIS分析和信息量模型，以25 m柵格為單元開展了銅仁市萬山區的地質災害風險評價，以期為萬山區的防災減災、國土空間規劃和政府宏觀決策提供一定的科學依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理環境

萬山區位于貴州省東緣，與湖南省懷化市相接。研究區范圍為東經108°50′30″—109°23′00″，北緯27°24′00″—27°42′00″，面積842.00 km2。該區地處中亞熱帶中緯度地區，屬中亞熱帶季風濕潤氣候區，四季分明，冬暖夏涼，冬長秋短，雨量充沛，無霜期較長。區內多年平均降水1 430.9 mm，降水主要集中在4—10月，約占全年降水量的79%。

1.2 地質環境特征

研究區主要分布有4種地貌類型，中山、低山侵蝕地貌及中低山、低山溶蝕地貌。區內經歷多次構造運動，形成了以北東向褶皺、斷裂構造為主的基本構造格架；區內以寒武系碳酸鹽巖地層出露面積最大，次為青白口系、南華系地層。主要巖組為東部清水江組變余粉砂巖、板巖，西部杷榔組黏土頁巖或泥巖以及中部敖溪組的白云巖、車夫組灰巖及泥灰巖。

1.3 地質災害分布特征

萬山區現有地質災害隱患點68處，以滑坡和崩塌地質災害為主。其中：滑坡51處，占地質災害隱患點總數的75.00%；崩塌8處，占比11.76%； 地面塌陷和泥石流共9處，占比13.24% 。隱患點威脅555戶3 289人、房屋886處等，潛在經濟損失23 029萬元。

區內地質災害具有整體分散、局部集中的特點，其分布受控于地形地貌、地層巖性及地質構造條件。其中，滑坡主要分布于軟質巖類碎屑巖及變質巖出露的中山、低山侵蝕地貌區，崩塌主要分布于白云巖、灰巖出露的中低山溶蝕地貌區。區域上集中分布于西部的大坪鄉—魚塘鄉一帶；東北部的謝橋辦事處—敖寨鄉—下溪鄉一帶，東南面萬山鎮—黃道鄉一帶，茶店辦事處也相對較密集(圖1)。其中黃道鄉、下溪鄉、敖寨鄉、大坪鄉地質災害隱患點數量較多，共47個，占地質災害總數的69.12%。

圖1 萬山區地質災害分布圖Fig.1 Geological disasters distribution in Wanshan

2 地質災害風險評價模型建立

2.1 風險評價方法

2.1.1易發性評價方法

地質災害的形成受多種因素影響，信息量模型反映了一定地質環境下最易致災因素及其分區間的組合[14]，通過特定評價單元內某種因素作用下地質災害發生頻率與調查區地質災害發生頻率相比較實現。對應某種因素特定狀態下的地質災害信息量為

(1)

式中：IAj→B為對應因素A、j狀態(或區間)下地質災害B發生的信息量；NAj為對應因素A、j狀態(或區間)下地質災害分布的單元數；N為調查區已知地質災害分布的單元總數；SAj為對應因素A、j狀態(或區間)分布的單元數；S為調查區單元總數。

IAj→B值有正有負，IAj→B值越大反映對應因素A、j狀態下地質災害發生的可能性較大[15-17]。

由于每個評價單元受眾多因素的綜合影響，各因素又存在若干狀態，各狀態因素組合條件下地質災害發生的總信息量為

(2)

式中：I為對應特定單元地質災害發生的總信息量，表示地質災害發生的可能性，可作為地質災害易發性指數；Ni為對應特定因素、第i狀態條件下的地質災害面積或地質災害點數；N為調查區地質災害總面積或總地質災害點數；Si為對應特定因素、第i狀態的分布面積；S為調查區總面積。

2.1.2危險性評價方法

針對地質災害的危險性評價，國內外學者普遍認為時間概率和空間概率這2個因子共同決定了地質災害發生的概率大小。時間概率是指受誘發因素影響的地質災害的重現周期?？臻g概率是指區域地質災害受時間概率影響而發生地質災害的概率。然而要獲取比較精確的和地質災害發生相關的時間信息是非常困難的，因此，一般用外界誘發因子來表示時間概率[17]。

降雨是誘發斜坡失穩和巖土體破壞的主要因素。降雨所形成的地表水下滲后，能夠控制和影響巖土體內含水量的大小，進而改變其應力環境[14]。一般地質災害與前期降雨有重要的關系，而且降雨因子明顯區別于其他因子的特征：降雨因子是一個隨著時間變化的因子，具有非常明顯的時間頻率特征。年平均降雨量大的區域暴雨頻率和持續時間都會大于年平均降雨量小的區域，因此，在同一個時間段，降雨量大的區域比降雨量小的區域發生地質災害的可能性大。由此可看出降雨因子是一個具有時間概率特征的外界誘發因子。

以工作區平均年降水量作為衡量地質災害時間尺度的頻率因素指標，作為地質災害區域危險性評價的時間概率指標，對其做量化和歸一化處理，得到工作區年平均降雨歸一化圖。

結合所得的工作區地質災害易發性評價歸一化處理結果與地質災害活動頻率，構建萬山區地質災害危險性評價的加權線性評價模型，如下所示：

Hi=∑AiXi

(3)

式中：Hi為地質災害危險性指數；Ai為指標i影響地質災害危險性的權重；Xi為影響地質災害危險性指標i的量化歸一化值。

2.1.3易損性評價方法

承災體易損性是指承災體抵抗地質災害損毀的能力，需要綜合人員傷亡和經濟損失的情況進行判斷，即按照式(4)計算得到工作區承災體易損性計算值，然后用自然斷點法得到區域承災體易損性分級。

V=F×J

(4)

式中：V為工作區承災體易損性值；F為人口易損性值；J為財產易損性值。

工作區承災體易損性值分為4級：低易損性、中易損性、高易損性、極高易損性。低易損性表示區域內居民和各類土地利用類型幾乎沒有受到損失，中易損性表示區域內居民和各類土地利用類型受到損失中等，高易損表示區域內居民和各類土地利用類型受到損失較大，極高易損性表示區域內居民和各類土地利用類型受到損失極大。

2.1.4風險性評價方法

地質災害的風險性是災害自然屬性和社會屬性的結合。風險性評價是在危險性評價和易損性評價的基礎上進行的，由二者的結果綜合分析而得。結合本文危險性評價和易損性評價結果確定地質災害風險等級，見表1。本文利用地質災害風險等級和ArcGIS空間分析功能，對區域地質災害危險性評價圖和工作區承災體易損性評價圖進行空間疊加分析，得到工作區地質災害風險評價圖。

表1 地質災害風險等級劃分Tab.1 Classification of geological hazard risk levels

2.2 風險評價指標體系建立

基于萬山區孕災地質環境條件與地質災害發育之間關系的數據收集、調查和分析，本文對區域主要地質災害滑坡與崩塌進行二元邏輯回歸分析，選取了可能對滑坡與崩塌產生影響的多個因子進行單因素篩查，并對模擬結果采用霍斯默驗證。為了保證模型的合理性和選取因子的科學性，對因子進行了分級/分類不同方式的驗證。經過驗證，滑坡的易發性因子主要有工程地質巖組、斜坡結構、地貌、平均坡度、與水系距離5個因子，崩塌的易發性因子主要有工程地質巖組、斜坡結構、地貌、平均坡度、與水系距離、與構造距離、平面曲率7個因子。危險性評價是在上述因子的基礎上疊加降雨量(50年一遇)和人類工程活動2個因子。各因子的指標分級情況如圖2所示。

3 地質災害風險評價

3.1 易發性評價

基于萬山區孕災地質環境條件與各地質災害發育之間關系的數據，本文選用25 m×25 m的柵格單元作為模型的計算單元，基于GIS柵格數據，將研究區劃分為948 572個柵格，比例尺為1 ∶50 000。同時，運用GIS柵格計算器工具將不同的因子圖層疊加處理，得到不同地質災害類型的信息量，見表2。結合萬山區地質環境條件，根據自然斷點法將易發性評價結果分為4級。其中，滑坡易發性劃分為高易發區(-8.44～-5.67)、中易發區(-5.66～-2.15)、低易發區(-2.14～1.07)、非易發區(1.06～4.70)；崩塌易發性劃分為高易發區(-12.55～-6.16)、中易發區(-6.15～-2.85)、低易發區(-2.84～-0.18)、非易發區(-0.17～7.29)。將區域內滑坡和崩塌的易發性綜合疊加取其大值，得到全區總易發性評價，據此劃分為非易發區、低易發區、中易發區和高易發區(圖3)。

表2 萬山區易發性滑坡和崩塌的信息量計算表Tab.2 Calculation table of landslide and collapse susceptibility information in Wanshan

圖3 萬山區地質災害易發性評價Fig.3 Evaluation of geological disasters susceptibility in Wanshan

由圖3可知：萬山區高易發區面積216.50 km2，占區域面積的25.71%；中易發區面積217.20 km2，占比25.80%；低易發區面積86.00 km2，占比10.21%；非易發區面積322.30 km2，占比38.28%。中、高易發區主要分布于大坪鄉西部、敖寨鄉中部、下溪鄉東部等地。魚塘鄉大部、大坪鄉東部、茶店街道東部、高樓坪鄉及謝橋街道北部等鄉鎮主要處于非易發區。

3.2 危險性評價

危險性評價是在易發性評價的基礎上疊加降雨量(50年一遇)和人類工程活動，代表了該區域發生地質災害的相對危險性等級的大小。通過經驗系數法確定易發性、降雨量和人類工程活動的權重分別為0.6、0.2、0.2。按照自然斷點法將萬山區地質災害危險性分為3級，即低危險性、中危險性、高危險性(圖4)。

圖4 萬山區地質災害危險性評價Fig.4 Hazard assessment of geological disasters in Wanshan

由圖4可知：高危險區面積約為167.94 km2，占區域面積的19.95%，主要分布在下溪鄉東部、大坪鄉西部以及東西部構造發育地帶；中危險區面積約為311.79 km2，占比37.03%，主要分布在下溪鄉西部、敖寨鄉及黃道鄉大部、大坪鄉西部 ；低危險區面積約為362.27 km2，占比43.02%，主要分布在魚塘鄉、茶店街道、高樓坪鄉及大坪鄉東部。

3.3 易損性評價

區域的易損性分為人口易損性和財產易損性，主要包括人口、建筑物、道路、林地和耕地等。根據易損性評價方法分析萬山區易損性分布情況，如圖5所示。由圖5可知：極高易損區面積42.36 km2，占區域面積的5.03%；高易損區面積64.22 km2，占比7.63%。極高、高易損區主要分布在謝橋街道、茶店街道等各鄉鎮中心區，人員分布較為密集，常住人口較多，且中心區商鋪、酒店較密集，財產價值較高。中易損區面積242.40 km2，占比28.79%，主要分布在極高、高易損區外圍區域，財產和人口密度降低。低易損區面積493.02 km2，占比58.55%，主要是分布于極少人口居住等偏遠地區。

圖5 萬山區地質災害易損性評價Fig.5 Vulnerability evaluation of geological disasters in Wanshan

3.4 風險評價

地質災害風險評價采用矩陣分析方法，通過疊加運算地質災害的危險性等級和易損性等級評價結果得出最終的風險評價結果。本文結合危險性評價的3個分級和易損性評價的4個分級，將萬山區劃分為低風險區，中風險區，高風險區(圖6)。中、高風險區主要分布在東西部，西部分布于大坪鄉及魚塘鄉北部，主要出露以杷榔組為主的軟質巖類碎屑巖地層；而東部主要分布于敖寨鄉至黃道鄉一線，主要出露清水江組變質巖地層及南華系至寒武系中下部以碎屑巖為主的地層。其中，高風險區面積100.20 km2，占區域面積的11.90%；中風險區面積398.70 m2，占比47.35%；除中高風險區外其余為低風險區，面積343.10 km2，占比40.75%。

圖6 萬山區地質災害風險評價Fig.6 Risk assessment of geological disasters in Wanshan

4 結論

1)萬山區現有地質災害隱患點68處，以滑坡和崩塌為主，共59處，占地質災害總數的86.76%；主要分布于黃道鄉、下溪鄉、敖寨鄉和大坪鄉，共47處，占比69.12%。

2)運用GIS分析和信息量模型，選取7個指標對萬山區進行地質災害易發性評價。其中25.71%的區域為高易發區，主要分布于下溪鄉東部及大坪鄉西部。在區域地質災害易發性評價的基礎上疊加50年一遇降雨和人類工程活動，完成區域地質災害危險性評價。

3)選取人口密度、建筑物密度、道路密度、林地和耕地等組建地質災害承災體易損性評價模型。結果表明，極高、高易損區占區域面積的12.66%，主要分布在鄉鎮中心區，財產和人員分布較為密集。

4)結合地質災害危險性評價和承災體易損性評價，實現區域地質災害風險評價。結果顯示， 在50年一遇降雨頻率下，11.90%的區域為高風險區，主要分布在東部清水江組變質巖地層和西部杷榔組為主的軟質巖類碎屑巖地層。