彭森良

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司地質(zhì)分院,昆明 650011)

GIS空間分析法在國外某水電站工程地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

彭森良

(中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司地質(zhì)分院,昆明 650011)

使用便攜式GPS導(dǎo)航技術(shù)，建立樣本數(shù)據(jù)。通過分析空間數(shù)據(jù)樣本，獲得庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害各誘發(fā)因子的敏感性系數(shù)，并使用GIS空間分析法開展庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測。最后通過專家判譯法，完成該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。在地質(zhì)資料相對匱乏的工作區(qū)，該方法能提高工作效率，節(jié)約成本，避免重復(fù)和遺漏，使成果更全面、系統(tǒng)和合理。

地質(zhì)災(zāi)害；危險性預(yù)測； GPS導(dǎo)航；GIS空間分析；專家判譯

1 前言

隨著國內(nèi)水電市場的逐步萎縮，越來越多的水電工程勘測設(shè)計單位投入到國際水電工程規(guī)劃設(shè)計工作中。國外水電工程區(qū)普遍存在地質(zhì)資料匱乏、現(xiàn)場政治、氣候、交通、衛(wèi)生等條件差等現(xiàn)象，不利于野外大范圍工程地質(zhì)調(diào)查工作的開展，甚至有部分區(qū)域人力難以企及。

某水電站位于東南亞，裝機300 MW，混凝土重力壩高約70 m，庫容約1×108m3，庫長約15 km。庫區(qū)屬典型熱帶雨林氣候，除近壩庫段1.5 km范圍，人跡罕至，交通及衛(wèi)生條件極差，現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查工作難以開展。因此，需要探索創(chuàng)新工作模式，力求在有限的野外工作條件下，合理投入資源開展現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查工作，而后通過室內(nèi)計算機技術(shù)半定量分析完善工作成果。

該工作模式的總體思路是盡可能多的考慮影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的各種因素，通過野外收集的地質(zhì)災(zāi)害體樣本，借助SPSS軟件強大的樣本分析功能， 分析各影響因素的敏感性，建立地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測公式，最終結(jié)合專家判譯，利用GIS空間分析法完成研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，以滿足設(shè)計要求。

2 野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

2.1 便攜式GPS導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用

為保證野外地質(zhì)調(diào)查的精度，摒棄了紙質(zhì)地質(zhì)圖現(xiàn)場定點的傳統(tǒng)方法，采用Andriod操作系統(tǒng)下的GPS導(dǎo)航軟件開展野外地質(zhì)調(diào)查工作。

該方法所用設(shè)備為普通移動手機，方便攜帶且具備以下優(yōu)點：

(1) 水平向精度一般可控制在3 m以內(nèi)。

(2) 可記錄航跡，包括調(diào)查線路，地質(zhì)災(zāi)害體周界、高程等信息。

(3) 可現(xiàn)場實測地質(zhì)災(zāi)害體地形橫、縱剖面。

(4) 可記錄地質(zhì)點文本、照片、音頻及視頻等信息。

(5) 中文操作界面，簡單實用，便于推廣。

(6) 可下載在線衛(wèi)星影像地圖，亦可將離線區(qū)域地質(zhì)圖、實測地形圖等配準(zhǔn)后在現(xiàn)場作為導(dǎo)航基準(zhǔn)地圖。

該軟件的操作界面如圖1所示。

2.2 野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查主要工作內(nèi)容如下：

(1) 收集區(qū)域地質(zhì)背景信息，主要包括地形地貌、地層巖性、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、植被覆蓋情況及人類工程活動等信息。

(2) 有條件的情況下，需利用GPS導(dǎo)航軟件開展實地幾何要素的測量，包括其周界、分布高程，縱橫剖面等信息。

(3) 利用GPS導(dǎo)航軟件對典型地質(zhì)點記錄其地形概況、巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)特征及植被覆蓋等情況，記錄方式可以選擇文本、照片、音頻及視頻等方式。

(4) 對每個地質(zhì)災(zāi)害點盡可能多的記錄影響其發(fā)育的通用指標(biāo)體系內(nèi)的各種影響因素等。

(5) 調(diào)查結(jié)束后，按照規(guī)定格式編制各地質(zhì)災(zāi)害點的信息表格，以便下一階段的錄入工作。

3 樣本分析

3.1 庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響評價指標(biāo)體系

地質(zhì)災(zāi)害危險性的判定，主要依據(jù)潛在不穩(wěn)定地質(zhì)體在受多種因素影響下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的危險程度。通常情況下對地質(zhì)災(zāi)害體穩(wěn)定性的影響因素包括地質(zhì)背景條件、地形地貌特征、各種動力作用(包括降雨、地震等)以及人類工程活動等因素。研究這些因素在地質(zhì)災(zāi)害體穩(wěn)定性中所起的作用，分析其與地質(zhì)體失穩(wěn)之間關(guān)系，進(jìn)而建立穩(wěn)定性指標(biāo)體系，最后采用合適的評價模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害體穩(wěn)定性空間預(yù)測。

通常的地質(zhì)災(zāi)害主要影響因素共分為2類，一類是考慮基礎(chǔ)地質(zhì)地理背景影響因素，另外一類是考慮災(zāi)害發(fā)生的誘發(fā)因素。為進(jìn)一步對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危害性進(jìn)行預(yù)測，圖2中同時列出了危害評價所需受災(zāi)體指標(biāo)，主要包括居民點和耕地。

庫區(qū)匯水面積不大，氣候條件、人類活動跡象及地震活動程度等情況較為一致，因此，將已查明各堆積體坡度(a)、高差(b)、巖性(c)、斜坡結(jié)構(gòu)(d)、構(gòu)造(e)、巖體完整性(f)、卸荷(g)、巖體滲透性(h)、及植被覆蓋率(i)等9個一級影響因子作為SPSS樣本分析工具的數(shù)據(jù)庫，輸入后選用Logistic回歸分析法開展樣本分析工作，得出各一級影響因子的敏感性。其計算公式如式1所示：

V=Aa+Bb+Cc+Dd+Ee+Ff+Gg+Hh+Ii

(1)

其中，V為某一單元的地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測值;A～I(xiàn)為對應(yīng)一級影響因子下的敏感性系數(shù)，A+B+C+D+E+F+G+H+I=1。

各一級影響因子下含二級影響因子，對應(yīng)公式如式2所示：

a=A1a1+A2a2+A3a3+A4a4+A5a5+A6a6

(2)

式中A1～A6為對應(yīng)二級因子下的敏感性系數(shù)，其中，A1+A2+A3+A4+A5+A6=1。

(1) 坡度：包括平坦(0～10°)、緩坡(10°～15°)、斜坡(15°～20°)、陡坡(20°～30°)、急坡(30°～45°)及急陡坡(45°～90°)等6個二級因子(a1～a6)。

(2) 高差：分為0～20 m、20 m～40 m、40 m～60 m、60 m～80 m、80 m～100 m及大于100 m等6個二級因子(b1～b6)。

(3) 巖性：包括千枚巖、粉砂巖、玄武巖、流紋巖、坡崩積層、殘積層及沖積層共7類二級因子(c1～c7)。

(4) 斜坡結(jié)構(gòu)：分為順向坡、橫向坡及斜向破共3類二級因子(d1～d6)。

(5) 構(gòu)造發(fā)育情況：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5級結(jié)構(gòu)面及無構(gòu)造發(fā)育等6個二級因子(e1～e6)。

(6) 巖體完整性：包括完整、較完整、完整性差、破碎及較破碎等5個二級因子(f1～f5)。

(7) 巖體卸荷發(fā)育情況：包括強卸荷、弱卸荷及深卸荷等3個二級因子(g1～g3)。

(8) 巖體滲透性：包括極強透水、強透水、中等透水、弱透水、微透水及極微透水等6個二級因子(h1～h6)。

(9) 植被覆蓋率：分為20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%及80%～100%等5個二級因子(i1～i5)。

3.2 樣本分析應(yīng)用軟件

SPSS軟件統(tǒng)計分析過程包括描述性統(tǒng)計、均值比較、一般線性模型、相關(guān)分析、回歸分析、對數(shù)線性模型、聚類分析、數(shù)據(jù)簡化、生存分析、時間序列分析、多重響應(yīng)等幾大類，每類中又分好幾個統(tǒng)計過程，比如回歸分析中又分線性回歸分析、曲線估計、Logistic回歸、Probit回歸、加權(quán)估計、兩階段最小二乘法、非線性回歸等多個統(tǒng)計過程，而且每個過程中又允許用戶選擇不同的方法及參數(shù)。該軟件分析結(jié)果清晰、直觀、易學(xué)易用，而且可以直接讀取Excel及dbf數(shù)據(jù)文件，現(xiàn)已推廣到多種各種操作系統(tǒng)的計算機上，在國際學(xué)術(shù)交流中，凡是用SPSS軟件完成的計算和統(tǒng)計分析，可以不必說明算法。最新的21.0版采用DAA(Distributed Analysis Architecture，分布式分析系統(tǒng))，全面適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)，支持動態(tài)收集、分析數(shù)據(jù)和HTML格式報告。

3.3 樣本分析

現(xiàn)場共收集到地質(zhì)災(zāi)害點6個數(shù)據(jù)，均為復(fù)合堆積體。各堆積體主要參數(shù)如表1所示。

本工程因樣本數(shù)量偏少，部分二級影響因子敏感性系數(shù)需利用專家判譯結(jié)合經(jīng)驗給定。此外，因樣本成分復(fù)雜，經(jīng)初次樣本分析，相關(guān)性難以達(dá)到要求，后將樣本分為土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡兩類分別展開分析，得到地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測公式如下所示：

(1) 對于土質(zhì)邊坡，坡度、成因、構(gòu)造、透水性具有較強的敏感性，其預(yù)測公式見式(3)：

V= 0.20a+0.02b+0.23c+0.01d+0.25e+0f+0g+0.23h+0.06i

(3)

(2) 對于巖質(zhì)邊坡，坡度、巖性、斜坡結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖體完整性、卸荷及巖體透水性有較強的敏感性，其預(yù)測公式見式(4)：

V= 0.08a+0.01b+0.26c+0.25d+0.05e+0.13f+0.14g+0.05h+0.03i

(4)

4 地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測

利用ArcGIS空間分析模塊，分別按照式(3)及式(4)進(jìn)行疊加分析，從而得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性預(yù)測等值線圖。

在此基礎(chǔ)上，利用Skyline軟件操作平臺，與地質(zhì)專家共享數(shù)據(jù)信息，通過專家判譯復(fù)核修正工作成果，從而對庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行最終預(yù)測，并將成果建立數(shù)據(jù)庫，見圖4。該成果作為本階段地質(zhì)調(diào)查成果的同時，可為下階段地質(zhì)調(diào)查工作起指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論及展望

目前，利用野外GPS導(dǎo)航技術(shù)+室內(nèi)GIS空間分析法完成乏信息、乏工作條件區(qū)域的地質(zhì)調(diào)查工作的模式已應(yīng)用到若干東南亞水電站工程大范圍地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中，相對于傳統(tǒng)工作模式，其提高了工作精度和效率的同時，一定程度上避免了各種不利因素的干擾，節(jié)約了工作成本，可避免傳統(tǒng)調(diào)查方法的重復(fù)和遺漏等，工作成果數(shù)據(jù)庫展示內(nèi)容直觀、全面、系統(tǒng)性強，值得進(jìn)一步探索和實踐。

工程實踐過程中，該模式最終效果受樣本的數(shù)量及可靠性的影響較大，專家判譯過程中需充分結(jié)合已有樣本做出進(jìn)一步分析。因此，為了充分發(fā)揮本工作模式的優(yōu)勢，在工程實踐中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)工作經(jīng)驗對樣本分析理論充分理解，并把握好分析樣本的遴選過程。

[1] 彭森良，李忠，等.3S集成技術(shù)在庫岸穩(wěn)定條件分段中的應(yīng)用探索.中國水電顧問集團(tuán)青年技術(shù)論壇論文集，2011.12.

[2]黃崇福,劉新立,等.以歷史災(zāi)情資料為依據(jù)的農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害風(fēng)險評估方法[J].自然科學(xué)學(xué)報，1998,7(2)：1-9.

[3]徐玉琳，孫國曦，陸美蘭，等.江蘇省突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2006，17(1)：46-50.

[4]楊建軍，謝振乾，鄭寧平.模糊聚類分析在西安市區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報，2004，10(1)：57-64.

[5]IVANOV R. Algorithm for blind navigation along a GPS track[ C] / /Proceedings of the 12th International Conference on Computer Systemsand Technologies - CompSysTech 2011. Vienna:[s.n.]，2011:372-379.

[6]楊青青，祖靜，尤文斌.嵌入式GPS軌跡記錄儀[J].電子測試，2011,(1):91-94.

[7]郝黎仁，樊元，郝哲歐.SPSS實用統(tǒng)汁分析[M].北京:中國水利水電出版社，2002.

[8]BOURBAKIS N. Sensing Surrounding 3-D space for navigation of the blind [J]. Engineering in Medicine and Biology Magazine,2008 ,27( 1): 49-55.

[9]VIRKES 0 , NENADIC K, VlRKES 0 Z. Positioning systems formobility of the blind, overview and analysis [ C]//Proceedings of the 46th International Symposium Electronics in Marine. [S.l.] IEEE,2004:342-346.

APPLYING GIS SPATIAL ANALYSIS IN INVESTIGATING GEO-HAZARDS AT A HYDROPOWER STATION OVERSEAS

PENG Seng-liang

(Geo-branch of Powerchina’ Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650011,China)

The sample data are obtained with the portable GPS navigation technology. And Sensitivity coefficients for the inducing factors at the reservoir are obtained by analyzing the data. GIS Spatial Analysis is used to predict risks of the geo-hazards at the reservoir. And the investigation is completed by Expert method finally. These methods are suitable for work areas lacking geo-data, raising work efficiency, reducing costs and avoiding duplication and omission, with more comprehensive, systematic and rational results.

geo-hazard; risk prediction; GPS navigation; GIS Spatial Analysis; Expert Method

1006-4362(2015)02-0100-05

2014-11-12改回日期：2015-02-17

P642;TP79

A

彭森良(1984- )，男，內(nèi)蒙古敖漢旗人，碩士，主要研究方向：水電水利工程地質(zhì)勘察及3S集成技術(shù)應(yīng)用。