湖南張家界市永定區地質災害發育規律及易發性評價研究

鞏書華, 李少青, 王煥銀, 王克營, 蔡寧波, 杜 江

(1.湖南省地球物理地球化學調查所,湖南 長沙 410114; 2. 湖南省地質新能源勘探開發工程技術研究中心,湖南 長沙 410114; 3. 張家界市永定區自然資源局,湖南 張家界 427000)

0 引言

地質災害是由內因和外因共同作用影響下使地質環境惡化,并造成生命財產損失或資源環境破壞的災害事件。內因主要包括地形地貌、巖土體類型、構造活動等; 外因包括降雨、地震等自然因素以及人類工程活動等誘發因素[1]。近年來。地質災害發生頻率與強度不斷增大,嚴重威脅了人民生命財產安全,也制約了社會的可持續發展[2-3]。隨著地質災害危害性受到越來越多關注,各國學者對地質災害發育規律及評價方法的研究工作也逐漸深入,針對不同地貌單元、不同地質災害類型以及不同易發性及風險性評價模型與方法均有較多研究。如徐偉等[4]對西南紅層地區地質災害發育規律與成災模式進行了總結分析; 張殿發等[5]分析了貴州喀斯特地貌地質災害形成環境; 方瓊等[6]研究了湖南省地貌與地質災害影響關系。傳統地質災害易發性與風險性評價方法主要有信息量法[7]、邏輯回歸法[8]、頻率比和證據權法[9]、層次分析法[10]等。近年來,有學者提出不同方法模型組合評價,如確定性系數和邏輯回歸的組合模型[11]、信息量法與遺傳法融合模型[12]、模糊層次分析法與熵權法的主客觀賦權模型[13],提升了易發性評價的精準度。

湘西北張家界市為著名的旅游城市,復雜的地質構造背景造就了絕美的地貌景觀,但也存在著眾多地質災害隱患,加之新構造運動、澧水等河流侵蝕等內外地質作用影響,突發性地質災害易發。以往研究多注重景區等特定范圍的地質災害發育規律分析[14-15],缺乏對全區的災害發育特征研究。為此,本文根據近幾年張家界市永定區地質災害調查與評價工作,對區內地質災害的孕災地質條件和空間發育規律進行分析,劃定全區地質災害易發程度分區,旨在為相關部門國土空間規劃、地質災害防范與災害趨勢研判提供參考。

1 研究區概況

永定區地處武陵山脈腹地,位于揚子地臺元第三隆起帶的南端。地勢整體呈西北高、東南低的特點,并由西向東傾斜,向沅水呈梯級遞降,中部低洼,成半環狀山丘盆地(圖1)。氣候為中亞熱帶山原型季風濕潤氣候,年平均降雨天數為154.7天,年均降雨量約為1 520.6 mm,平均氣溫為16.8 ℃。春末夏初處于冷暖氣流交替過渡期,是境內雨水最集中的時期。境內水系以熊壁巖—陳家灣—余家山—李家莊為分水嶺,北部為澧水水系,南部為沅水水系。研究區地層出露較齊全,僅石炭系有缺失。

圖1 永定區地貌單元與地質災害分布Fig.1 Distribution of landform division and geological hazards

2 地質災害類型與分布特征

2.1 類型

通過查閱研究區1∶5萬地質災害調查資料以及最新風險普查和巡排查數據[16-17],統計區內地質災害點共計418處,災害類型以滑坡(含變形趨勢為滑坡的隱患點)為主,崩塌(含變形趨勢為崩塌的隱患點)、泥石流、地面塌陷等為次。其中: 滑坡數量占災害點總數的88.04%; 崩塌數量占災害點總數的7.17%; 泥石流數量占災害點總數的3.59%; 地面塌陷數量占災害點總數的1.20%。故滑坡是區內主要的地質災害類型,其次為崩塌,最后為泥石流和地面塌陷等。

2.2 分布特征

(1)地質災害分布受地層巖性制約明顯。區內地質災害在空間分布上總體是以中部斷層發育區與東北部頁巖地層區最多,西部及東南部相對較少。志留系分布區的災害點數量最多,占災害點總數的30%; 其次為寒武系中碎屑巖組分布區的災害點數量,占災害點總數的12%; 最后為奧陶系中碎屑巖組分布區的災害點數量,占災害點總數的9.33%。

(2)時間分布相對集中在雨季。通過對研究區近10 a來各月發生的地質災害的數量進行統計,并與區內各月份降雨特征對比發現,區內各類地質災害月發生數量集中在5、6、7月,這3個月內發生的地質災害數量占災害點總數的89%(圖2)。這3個月是研究區每年降雨時間最長、累積降雨量最大的時期,說明降雨是本區地質災害發生的關鍵誘發動力。降雨量達到一定量值后,會誘發大量的突發性地質災害,暴雨來臨時要注意區域性的群發地質災害防治。

圖2 永定區各月份地質災害頻數Fig.2 Frequency of geological disasters in Yongding District by month

3 孕災地質條件特征

3.1 地形地貌

研究區地貌單元,根據地貌成因、形態、海拔高度和相對切割深度,大體可劃分為侵蝕堆積地貌、侵蝕構造地貌、剝蝕構造地貌以及溶蝕構造地貌4個大類8個亞類(表1)。不同的地貌單元在斜坡類型、坡高、坡度等微地貌特征上有一定差別,發生的地質災害類型、數量、規模也不同[18-19]。統計顯示: 滑坡、崩塌及不穩定斜坡在各個地貌單元均有發育; 泥石流主要分布在具有寬闊的匯水區、豐富物源和合適地形因子(溝谷縱比降與坡度)的碎屑巖低山與丘陵洼地地貌中; 地面塌陷主要分布在溶蝕構造地貌中,基本為巖溶塌陷。區內地貌單元與災害數量及密度的相關分析顯示,地質災害發育密度最高的為碎屑巖丘陵,達到36.61處/100 km2,其次為丘陵洼地、碎屑巖低山和紅層低丘崗地。

表1 永定區地質災害分布統計Tab.1 Statistics of geological hazard distribution in Yongding District

地形坡度是影響地質災害發生的重要因素[20],通過將研究區地形坡度按區間進行劃分統計,發現區內68%以上的地質災害分布在[25°,45°)之間,其中以[25°,35°)區間最多,占比為41.67%(表2)。針對單一災種,滑坡、不穩定斜坡在各個坡度區間均有分布,在[20°,45°)地形坡度間數量較集中,此類土質滑坡的坡度集中區間在其他研究中也有證實[21]; 崩塌坡度范圍為60°以上,且發育較少,以巖質崩塌為主,集中在低山區; 泥石流集中在主溝縱坡坡度為[20°,60°)區間,這主要是因為區內泥石流大多是溝谷型,若溝谷縱坡坡度較小,則泥石流無勢能到動能的轉換,泥石流運動會停滯,反之,坡度較大,則泥石流能量轉換大,運移速度快,在地形上,流程一般較短,匯水面積不大。

表2 永定區地質災害與坡度統計Tab.2 Geological hazard and slope statistics in Yongding District

3.2 巖土體類型

巖土體是各類地質災害形成的物質基礎,其類型特征關系著地質災害的發生幾率和發育時長[22]。通過分析研究區巖土體類型與地質災害分布關系(圖3)發現: 區內滑坡主要發生在碎屑巖類中,在志留系粉砂質頁巖、頁巖、粉砂巖半堅硬-堅硬巖組中分布最多,災害點密度最大; 崩塌在灰巖、白云巖夾泥質灰巖半堅硬-堅硬巖組中分布最多,災害點密度最大; 泥石流在粉砂質頁巖、頁巖、粉砂巖半堅硬-堅硬巖組中分布最多,災害點密度最大。上述3個巖組為研究區主要易崩易滑工程地質巖組,其中以志留系砂質頁巖巖組中地質災害最易發,地面塌陷僅在區內碳酸鹽巖巖組中有少量分布。

1.灰巖夾泥質灰巖、砂巖半堅硬-堅硬巖組; 2.灰巖、白云巖夾泥質灰巖半堅硬-堅硬巖組; 3.粉砂質頁巖、頁巖、粉砂巖半堅硬-堅硬巖組; 4.紅層礫巖、含礫砂巖、砂巖平堅硬-堅硬巖組; 5.硅質頁巖、灰質頁巖半堅硬-堅硬巖組; 6.第四系沖積物; 7.淺變質巖、砂巖堅硬巖組; 8.地面塌陷; 9.崩塌; 10.泥石流; 11.滑坡; 12.水系; 13.鄉鎮點圖3 永定區巖土體類型與地質災害分布關系Fig.3 Relationship between rock mass types and geological hazard distribution in Yongding District

3.3 構造活動

永定區經歷多期構造運動,新構造運動也較為強烈,整體形成NE—NNE向斷褶構造格局[23-24]。構造對區內地質災害分布的影響表現為,鄰近大型褶皺與斷裂帶,災害點密度明顯增大,距離斷裂褶皺構造1 km范圍以內的地質災害點數量占總數的55.98%,其中斷裂構造附近災害點數量占總數的39.23%,褶皺構造附近災害點數量占總數的 16.75%(圖4)。斷裂周邊分布較多的是滑坡和不穩定斜坡,災害點沿斷裂構造帶兩側分布,這主要是由于斷層沿走向易形成臨空面及溝谷,可為滑坡等地質災害的發生提供條件。褶皺附近同樣以滑坡及不穩定斜坡最為發育,且在順向坡易形成順層滑坡,逆向坡則多形成崩塌。此外,由于背斜核部和兩冀產生的節理裂隙較向斜多,巖石破碎程度較向斜大,導致背斜分布的地質災害數量也比向斜略多(圖5)。

圖4 永定區地質構造與地質災害分布關系Fig.4 Relationship between geological structures and geological disaster distribution

圖5 永定區不同褶皺構造與地質災害分布關系Fig.5 Relationship between different fold structures and geological hazard distribution in Yongding District

4 誘發因素分析

4.1 降雨情況

研究區降雨豐沛且集中,常形成短時強降水,這種突發暴雨是區內地質災害發生的主要誘發因素[25]。以2003年7月7—9日區內特大暴雨為例,其中8日的降雨量突破417.3 mm,9日降雨量達110 mm,這次暴雨降水量占全年降雨量總和的38.4%。期間全區發生地質災害66處,占全年地質災害總數的52.8%。

永定區年均降水量平面分布大致有2個中心,分別為永定區南部地區四都坪和東南部謝家埡一帶。區內年降水超過1 500 mm,總體上向東北逐漸減小。在年均降雨量[1 000,1 200) mm區間,地質災害點數量最多,占災害點總數的51.4%; 其次為降水量小于等于1 000 mm區間,災害點數量占災害點總數的24.4%; 大于1 500 mm降水區間內,災害點發生數量最少,僅占災害點總數的3.1%。由此可見,研究區地質災害的數量并不是單純隨年降水量增多而上升,以往研究也表明,災害發生前10 d 的有效降雨量對地質災害影響更大[26-27]。

4.2 人類工程活動

永定區人為因素主導及參與誘發的地質災害類型基本為滑坡和少量崩塌,統計有97處,占統計總數量的43.11%。通過對區內人口密度與地質災害分布相關性分析(圖6),災害點主要分布在人類活動程度較高的東北部地區以及澧水南岸10 km之內區域,這也說明人口較多的地區對自然環境的改造程度更多,人為增加了許多地質災害風險。據調查,區內影響地質災害發生的人類工程活動主要為不合理地切坡修路、建房,其次為礦山開采、地下水超采、植被破壞等活動。

圖6 永定區人口密度與地質災害分布關系Fig.6 Relationship between ropulation density and geological hazard distribution in Yongding District

5 地質災害易發性分區評價

5.1 評價方法

本次評價方法采取易發程度指數法[28-30],在研究區選取地形地貌、地質構造、巖土體類型、植被覆蓋情況、降雨量、人類工程活動及地質災害點密度作為災害易發性分區評價指標,將其與地質災害發生的關系和權重系數建立地質災害易發指數模型,對單災害類型易發程度分區后再綜合疊加分析。易發程度指數計算公式為

(1)

式中:Zp為評價單元(1 km×1 km)地質災害易發程度指數;Aj為各評價因子權重;qj為各評價因子分級值。

綜合崩塌、滑坡、泥石流易發性指數和地面塌陷易發性指數,將兩者易發性分區結果疊加分析,其中每個評價單元的信息疊加將滿足如下邏輯運算公式[28]

Z=ZBHL∪ZT。

(2)

式中:Z為評價單元地質災害易發性綜合指數;ZBHL為崩、滑、流地質災害易發性指數;ZT為地面塌陷地質災害易發性指數。

計算得到研究區所有地質災害類型的易發性綜合指數值,采用ArcGIS自然斷點法數據統計,并結合前人經驗,得到研究區易發程度分區閾值劃分標準: 當Z>6時,為地質災害高易發區; 3≤Z≤6,為地質災害中易發區; 1≤Z≤3為地質災害低易發區;Z<1時為地質災害非易發區。

5.2 分區結果

根據易發程度指數評價方法,將全區地質災害易發程度劃分為高、中、低3類易發區(圖7)。

圖7 永定區地質災害易發程度分區Fig.7 Geological disaster susceptibility zoning in Yongding District

高易發區主要分布在區內東北部橋頭鄉至陽湖坪街道一帶及東南端謝家埡鄉至王家坪鎮南部紅層發育區,面積為860.51 km2。以低山丘陵地貌為主,局部地形切割深,山體坡度陡,斷褶構造復雜,巖性以志留系頁巖及白堊系砂頁巖為主。人口密度大,多切坡建房與公路修建等工程活動,地質環境較脆弱,災害點密集。區內有地質災害點165處,占全區災害點總數的73.33%,災害點密度為19.17處/100 km2。

中易發區主要分布在西北部羅塔坪鄉、三家館鄉南部及四都坪至西溪坪街道一帶,面積為720.21 km2。以中低山丘陵地貌為主,地形坡度較陡,構造發育,巖性以碳酸鹽巖為主,人類工程活動多為礦山開采及公鐵路施工。區內有地質災害點55處,占全區災害點總數的24.44%,災害點密度為7.64處/100 km2。

低易發區主要分布在羅塔坪鄉北部局部區域、茅巖河鎮至三家館鄉一線、四都坪鄉南部及謝家埡鄉至王家坪鎮北部一帶,面積為588.48 km2。該區地貌包含低山丘陵、沖洪積階地平原及中低山臺地溶丘洼地,坡度變化大,地質構造相對簡單。區內有地質災害點17處,占全區災害點總數的2.22%,災害點密度為2.89處/100 km2。

6 結論

(1)張家界永定區地質災害類型以滑坡為主,崩塌、泥石流、地面塌陷等為次?？臻g分布以中部斷層發育區與東北部頁巖地層區最多,受巖性控制,以志留系分布區的災害點數量最多; 時間分布相對集中在5、6、7月雨季。

(2)區內地質災害與地形地貌、巖土體類型、構造活動密切相關,并受降雨及人類工程活動影響。主要規律為: 在碎屑巖丘陵地貌中災害點密度最高; 在坡度范圍[25°,45°)之間,發育68%以上的地質災害,其中以[25°,35°)區間最集中; 在志留系砂質頁巖巖組中地質災害最易發; 受構造影響明顯,斷褶構造帶處災害點密集; 災害高發期與雨季耦合,突發性降雨誘發強烈; 人口密集區切坡建房、道路建設等活動強烈,加劇地質災害的發生。

(3)根據研究區地質災害現狀、孕災條件要素、人類工程活動等誘發因子,采用易發程度指數法,基于ArcGIS信息統計分析,將全區地質災害易發程度劃分為高易發區(東北部橋頭鄉至陽湖坪街道一帶及東南端謝家埡鄉至王家坪鎮南部紅層發育區)、中易發區(西北部羅塔坪鄉、三家館鄉南部及四都坪至西溪坪街道一帶)與低易發區(羅塔坪鄉北部局部區域、茅巖河鎮至三家館鄉一線、四都坪鄉南部及謝家埡鄉至王家坪鎮北部一帶)。研究成果可為永定區國土空間規劃、地質災害防治、旅游路線及重大工程建設規劃提供指導。