李明波， 陳 平， 陳植華

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，湖南 長(zhǎng)沙 410007)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)70%以上的滑坡災(zāi)害集中發(fā)生在每年的主汛期(6月至9月)、且96%以上的突發(fā)性滑坡災(zāi)害是由大氣降雨直接誘發(fā)的或與氣象因素相關(guān)(劉傳正等，2004)。在降雨型滑坡災(zāi)害的發(fā)生過(guò)程中會(huì)受到各種因子的影響，在這些影響因子中，有一些因子與滑坡的變形失穩(wěn)及分布之間并不存在明確的相關(guān)關(guān)系，在這種情況下，考慮的因子越多將會(huì)使結(jié)果產(chǎn)生很大的誤差，甚至出現(xiàn)不合理的結(jié)果。因此要想獲得較好的預(yù)測(cè)結(jié)果，需要分析出哪些是對(duì)滑坡有顯著影響作用的因子，這對(duì)把握降雨型滑坡的發(fā)生具有重要的意義。本文采用確定性系數(shù)即CF分析法，對(duì)降雨型滑坡災(zāi)害的發(fā)生因子進(jìn)行了分析研究。

湖南省面積21.18萬(wàn)km2，以丘陵崗地與山地為主，占全省面積的80.5%，是全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的省份之一，地質(zhì)災(zāi)害高、中易發(fā)區(qū)面積達(dá)16.45萬(wàn)km2，占全省面積的77.6%。截止2016年底，全省已確認(rèn)的地質(zhì)災(zāi)害隱患為20 176處，包括有泥石流、崩塌、滑坡、地面塌陷等，這些地質(zhì)災(zāi)害隱患威脅縣城20個(gè)，威脅集鎮(zhèn)200多個(gè)，威脅學(xué)校400余所，受威脅的人口總數(shù)超過(guò)153萬(wàn)，潛在經(jīng)濟(jì)損失不可估計(jì)。其中重要的災(zāi)害類型是降雨型滑坡(鮑其云等，2016；薛凱喜等，2012)。

1 對(duì)選用資料的分析處理

開(kāi)展滑坡災(zāi)害分析，研究滑坡與降雨的關(guān)系，基礎(chǔ)地質(zhì)地理資料、滑坡發(fā)生準(zhǔn)確時(shí)間以及滑坡發(fā)生點(diǎn)的精確降雨量是必不可少的數(shù)據(jù)信息。筆者所需資料來(lái)源于湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的湖南省1∶5萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)，湖南省氣象臺(tái)3 454個(gè)雨量站點(diǎn)逐12小時(shí)與逐日降雨資料。

據(jù)湖南省1∶5萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省有滑坡災(zāi)害點(diǎn)14 221處，受降雨影響的滑坡災(zāi)害達(dá)7 353起，按照時(shí)間要求(2013—2017年)與災(zāi)害信息的有效性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，最終在災(zāi)害類型、災(zāi)害等級(jí)與災(zāi)害發(fā)生時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)方面形成5 294條有效的地質(zhì)災(zāi)害信息(圖1)。之后對(duì)3 454個(gè)雨量站點(diǎn)按照逐12小時(shí)與逐日得到的累計(jì)降雨資料進(jìn)行均一化的處理，按照格式統(tǒng)一，以站號(hào)進(jìn)行標(biāo)識(shí)的方式建立雨量文件庫(kù)。根據(jù)分析結(jié)果，降雨型滑坡災(zāi)害發(fā)生的地點(diǎn)一般位于無(wú)常規(guī)的雨量觀測(cè)站，靠近中小尺度區(qū)域站的資料年限比較少，因此在災(zāi)害發(fā)生點(diǎn)的雨量統(tǒng)計(jì)上選用距離比較近的觀測(cè)站降雨資料比較合理。

圖1 湖南省降雨型滑坡災(zāi)害分布圖Fig.1 Distribution of rainfall-type landslide disaster in Hunan province

2 確定性系數(shù)分析方法概述

確定性系數(shù)即CF分析法指的是對(duì)某一事件的發(fā)生具有一定影響作用的各個(gè)因素進(jìn)行分析的方法，對(duì)降雨型滑坡的發(fā)生構(gòu)建一個(gè)概率函數(shù)進(jìn)行分析。該方法1975年由Shortliffe提出， Heckerman(1986)進(jìn)行了有效改進(jìn)。具體的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，PPs是降雨型滑坡在研究區(qū)域中發(fā)生情況的先知概率，在特定的研究區(qū)域下是一個(gè)確定的值，用研究區(qū)域內(nèi)滑坡的總面積與研究區(qū)域內(nèi)的總面積進(jìn)行對(duì)比表示；PPa指的是在影響因素中a所發(fā)生情況的概率條件分析，具體用a中產(chǎn)生的滑坡面積與分類a具體面積的比值進(jìn)行表示。CF的選擇區(qū)域?yàn)?1～1。零值表示先驗(yàn)概率與條件概率比較接近，對(duì)于評(píng)價(jià)單元是否是降雨型易滑坡地區(qū)難以進(jìn)行準(zhǔn)確判斷；CF為負(fù)數(shù)時(shí)表示該區(qū)域不易發(fā)生滑坡災(zāi)害；CF為正數(shù)時(shí)說(shuō)明易發(fā)生滑坡災(zāi)害。與信息量法相似，CF分析法也是一種二元統(tǒng)計(jì)方法(王春華，2016；郭瑞等，2016)。

3 降雨型滑坡災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵性因子分析

可能造成坡體失穩(wěn)的因素分為兩組：剪切強(qiáng)度降低、下滑力增加的因素以及增加剪切強(qiáng)度和抗滑力的因素(孫廣忠等，1988)。根據(jù)全省滑坡災(zāi)害發(fā)育特征分析，評(píng)價(jià)降雨型滑坡災(zāi)害的關(guān)鍵性影響因子主要包括：高程、坡度、坡向、坡型、巖組和人類工程活動(dòng)6個(gè)因子。

3.1 高程

通常認(rèn)為降雨型滑坡的發(fā)生與高程之間沒(méi)有直接的決定關(guān)系，地面高程對(duì)于降雨型滑坡的影響主要體現(xiàn)在地形所導(dǎo)致的植被類型與覆蓋面積以及集水區(qū)的面積等，導(dǎo)致了滑坡與地形之間產(chǎn)生了一定的聯(lián)系。在研究中將高程按照<100 m，100～200 m，200～400 m，400～800 m，800～1 200 m，>1 200 m劃分出6個(gè)等級(jí)，根據(jù)各區(qū)域確定性系數(shù)的分析，全省有利于滑坡發(fā)生的高程在200～1 200 m的范圍，其中400～800 m區(qū)間是滑坡的最敏感發(fā)生區(qū)域(圖2)。這是因?yàn)楹鲜∫缘蜕?、高丘地貌為主，這個(gè)區(qū)間內(nèi)人類工程建設(shè)活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)地形條件改變比較大，使得原有的地質(zhì)條件產(chǎn)生了不同程度的影響，導(dǎo)致了滑坡災(zāi)害的發(fā)生(陳立華等，2016)。

圖2 湖南省地面高程分區(qū)CF值Fig.2 Ground elevation partition CF value of Hunan province

根據(jù)短期降雨量的頻次分布圖(圖3a)，在2013—2017年以張家界為中心的湖南西北部地區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的頻率最高，高達(dá)1 400處以上，其次是西南部與東南部地區(qū)，這也證明了地面高程分布對(duì)于降雨型滑坡發(fā)生的影響。中長(zhǎng)期降雨量的分布具體如圖3b，長(zhǎng)沙、株洲與湘潭作為重要的中長(zhǎng)期降雨分布區(qū)，與降雨型滑坡的高程分布也具有一定的聯(lián)系。

圖3 湖南省降雨量等值線圖Fig.3 Rainfall contour map in Hunan province

3.2 坡度

坡度因子對(duì)于滑坡的分布以及應(yīng)力分布情況具有重要的影響，是滑坡發(fā)育分布的重要決定因素之一。湖南省的斜坡以中緩坡為主，低于40°的斜坡居多，同時(shí)也有部分地區(qū)坡度大于60°。根據(jù)斜坡坡度特征和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況，將地形坡度以5°作為間隔點(diǎn)對(duì)于不同坡度分級(jí)區(qū)間面積進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，占比最大的是20°～50°的斜坡，占比為71.9%，集中表現(xiàn)在30°～45°最多，大于50°的陡坡占比較小，僅為3.7%。根據(jù)確定性系數(shù)的分析理論，滑坡產(chǎn)生的最常見(jiàn)范圍在10°～35°之間。當(dāng)坡度在10°～20°時(shí)，滑坡分布占比為16.4%，雖然CF值較大，但產(chǎn)生的滑坡分布比較有限，原因是坡度范圍面積較小，一定程度上提升了CF值。20°～35°的坡度，隨著CF值的提升，產(chǎn)生的滑坡數(shù)量也比較多，占比為46.1%。

一般認(rèn)為，斜坡越陡滑坡越容易發(fā)生，這是因?yàn)橄禄羟辛?huì)隨之提升。因此隨著斜坡坡度增大，滑坡發(fā)生的數(shù)量也會(huì)隨之有一定增多，其中為30°～35°的占比最大，達(dá)到18.1%。但之后隨著坡度增大，滑坡的數(shù)量又隨之減少，總體呈現(xiàn)一種近似正態(tài)分布，這一分析結(jié)論說(shuō)明，滑坡發(fā)生的數(shù)量并不一定隨坡度增大而持續(xù)增加，達(dá)到一定臨界值之后，滑坡的發(fā)生會(huì)有所降低，根據(jù)護(hù)坡發(fā)生數(shù)量統(tǒng)計(jì)，這一臨界值可確定為斜坡坡度30°～35°。原因是當(dāng)斜坡上升到一定程度之后，土壤等松散物不容易堆積，不利于滑坡的形成，除此之外還因?yàn)槿祟惢顒?dòng)逐漸減少(王琛茜，2015)。

3.3 坡向

坡向是降雨型滑坡發(fā)生的一個(gè)重要指標(biāo)之一，對(duì)土壤濕度、降雨強(qiáng)度以及斜坡曝光度等具有重要影響作用。確定性系數(shù)最大的CF值為S坡向與SE方向上，朝南的坡向上最容易爆發(fā)降雨型滑坡，除此之外是西坡向上。

不同坡向上太陽(yáng)輻射不同影響了地面蒸發(fā)值、坡面侵蝕以及植被覆蓋等，對(duì)于地下水孔隙壓力的分布與巖土力學(xué)特征具有重要的影響，由此產(chǎn)生對(duì)滑坡與斜坡的影響。當(dāng)坡面朝南的時(shí)候，因?yàn)槿照毡容^多，松散層厚度就比較大，巖石風(fēng)化比較強(qiáng)烈，就容易導(dǎo)致降雨型滑坡的發(fā)生。同時(shí)朝南的坡向上也是重要的居民聚集點(diǎn)，具有0.92的關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)的相關(guān)系數(shù)。

圖4 居民點(diǎn)坡向與滑坡坡向概率分布圖Fig.4 Probability distribution diagram of slope direction and landslide slope in residential area

3.4 坡度曲率即坡型

在地學(xué)建模與地形表面幾何形態(tài)中經(jīng)常用到曲率這一概念，曲率大于零是凸形坡；小于零是凹形坡；曲率近似于零說(shuō)明坡面比較平直。根據(jù)研究結(jié)果，凹形坡和凸形坡CF值均為正值，滑坡變形失穩(wěn)的確定性增高，均有利于滑坡災(zāi)害的發(fā)生，其中凹形坡CF值最大，比凸形坡更容易發(fā)生滑坡。在降雨型滑坡研究中降雨是重要的誘發(fā)原因，凹坡的地形有利于雨水的匯集，并且沿著斜坡入滲到地下，降低了巖體土層的強(qiáng)度，導(dǎo)致了滑坡的發(fā)生。在凸坡中水比較容易流散，因此不易發(fā)生滑坡。

表1 斜坡類型分區(qū)及CF值

3.5 巖組

在降雨型滑坡發(fā)生過(guò)程中地質(zhì)要素也扮演著重要的角色，構(gòu)造與巖性的不同會(huì)導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度與土壤的滲透性之間存在差異。在對(duì)工程地質(zhì)巖組進(jìn)行11個(gè)等級(jí)的劃分，滑坡發(fā)生占比最大的巖石分布為砂礫巖巖組(Src)、泥巖和粉砂巖巖組(Sf)、紫紅色砂巖以及碳酸鹽巖夾碎屑巖巖組(Tcc)。其中分布占比最多的是Sf巖組，占比46.3%。除此之外，降雨型滑坡高發(fā)的巖石組還有碳酸鹽巖巖組、閃長(zhǎng)巖等中性巖巖組和砂礫巖巖組。

3.6 人類工程活動(dòng)

影響滑坡災(zāi)害發(fā)育的人類工程活動(dòng)包括：道路開(kāi)挖、建房切坡、采礦活動(dòng)、工程建設(shè)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等。根據(jù)湖南省滑坡災(zāi)害分布特征可知，降雨型滑坡災(zāi)害呈條帶狀集中分布于道路沿線兩側(cè)。道路切坡開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、后緣應(yīng)力增大與坡腳負(fù)荷減少，在降雨情況下易產(chǎn)生滑坡，是滑坡災(zāi)害發(fā)生的重要原因之一。

為定量分析全省道路對(duì)滑坡的控制作用，對(duì)道路做<200 m，200～400 m，400～600 m，600～800 m，800～1000 m，>1000 m不同距離的緩沖分析(圖5)，得到不同的影響分區(qū)。通過(guò)計(jì)算，距離道路越近的CF值越高，說(shuō)明距離道路越近的地區(qū)越容易爆發(fā)降雨型滑坡。這是因?yàn)榫嚯x道路200 m范圍內(nèi)也是人類主要聚集區(qū)，工程活動(dòng)相對(duì)強(qiáng)烈，形成大量的不穩(wěn)定邊坡，在降雨情況下易集中爆發(fā)滑坡災(zāi)害。而大于200 m范圍內(nèi)距離道路越遠(yuǎn)，滑坡越不易發(fā)生，但在400～600 m范圍內(nèi)的CF為正，說(shuō)明這一區(qū)域易發(fā)生降雨型滑坡災(zāi)害，原因是該區(qū)域內(nèi)人類活動(dòng)對(duì)滑坡災(zāi)害的發(fā)生影響較小，主要由其他因素控制災(zāi)害發(fā)生。

圖5 湖南省道路緩沖分區(qū)CF值Fig.5 CF value of road buffer zone in Hunan province

4 結(jié)論

運(yùn)用GIS疊加功能與確定性CF系數(shù)分析法對(duì)湖南省降雨型滑坡的影響因子進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)CF值的分析得出了關(guān)于不同影響因子的分析結(jié)論。

(1)在高程方面，雖然與滑坡的發(fā)生沒(méi)有直接的關(guān)系，但是400～800 m區(qū)間是滑坡的重要敏感發(fā)生區(qū)域；在坡度方面，滑坡產(chǎn)生的最常見(jiàn)范圍為10°～35°，35°是一個(gè)重要的分界點(diǎn)。

(2)在坡向上，確定性系數(shù)最大的CF值為S坡向與SE方向上，朝南的坡向上最容易爆發(fā)降雨型滑坡，除此之外是西坡向上。

(3)在坡型上，凹坡比凸坡更容易發(fā)生滑坡。除此之外，人類工程活動(dòng)也對(duì)滑坡的發(fā)生具有重要的影響作用。

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