伍劍波,孫 強(qiáng),張?zhí)?朱延輝,韓 帥,趙 陽(yáng)

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016)

地形起伏度是確定地形地貌條件最重要的因子之一[1],也是地質(zhì)災(zāi)害形成的重要條件。地形起伏度最早由蘇聯(lián)科學(xué)家斯皮里頓諾夫A N[2]在地理編圖中提出,指一定區(qū)域內(nèi)海拔高差與地表切割程度的綜合特征[3],是描述和反映地形表面較大區(qū)域內(nèi)地形的宏觀(guān)指標(biāo)[4-5],在中、小尺度區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)評(píng)價(jià)中具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[6-16]。

坡度已失去原有地貌學(xué)的意義[17],但區(qū)域性的地形起伏度在研究中能更好地分析地形地貌和小流域形態(tài)特征,地形起伏度與區(qū)域性滑坡發(fā)育及分布存在相關(guān)性,且與坡度是互相補(bǔ)充的[18]。因此,滑坡災(zāi)害易發(fā)評(píng)價(jià)中地形起伏度是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。地形起伏度大小與統(tǒng)計(jì)單元大小相關(guān),不同統(tǒng)計(jì)單元提取的起伏度往往不同,目前大部分滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)研究中,對(duì)提取地形起伏度時(shí)如何選取合適的統(tǒng)計(jì)單元大小沒(méi)有做深入探討,多是人為判斷統(tǒng)計(jì)單元數(shù)。

麗水市位于浙西南山區(qū),滑坡災(zāi)害發(fā)育,在東南沿海丘陵山區(qū)具有代表性。目前,關(guān)于麗水市滑坡災(zāi)害發(fā)育因素研究較少,僅王帥等[19]和俞建強(qiáng)等[20]從構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的角度探討了麗水市地質(zhì)災(zāi)害的成因;王恒希等[21]通過(guò)統(tǒng)計(jì)麗水市的地震和地質(zhì)災(zāi)害的分布及發(fā)生頻率,分析研究了麗水市的地質(zhì)災(zāi)害和地震的關(guān)聯(lián)性。麗水市溝谷發(fā)育、下切深度變化大以及地勢(shì)起伏變化大等地形特征一定程度上影響了滑坡的發(fā)育與分布,而涉及到區(qū)內(nèi)地形條件對(duì)滑坡影響的相關(guān)研究幾乎沒(méi)有。因此,為了更好地分析地形對(duì)滑坡災(zāi)害的影響,本文以麗水市滑坡為例,研究分析地形起伏度與滑坡發(fā)育的相關(guān)性,利用均值變點(diǎn)分析法優(yōu)選提取地形起伏度的最佳統(tǒng)計(jì)單元,探討地形起伏度與滑坡發(fā)育的相關(guān)性,為區(qū)域丘陵山區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)評(píng)價(jià)提供精準(zhǔn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為麗水市,東南部與溫州市接壤,西南部與福建省寧德市、南平市毗鄰,西北部與衢州市相接,北部與金華市交界,東北部與臺(tái)州市相連(圖1),總?cè)丝?70.8萬(wàn)人,總面積17 275 km2。麗水被譽(yù)為“浙江綠谷”,以中低山、丘陵地貌為主,地勢(shì)由西南向東北傾斜,其中山地占市域總面積的88.42%,海拔1 000 m以上的山峰有3 573座。

研究區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均降雨量1 568.4 mm,大致自南向北減少,降雨集中于梅雨、臺(tái)風(fēng)汛期。隨著全球氣候變暖和城市的快速發(fā)展,麗水市呈現(xiàn)出平均氣溫升高、相對(duì)濕度下降、極端天氣氣候事件頻發(fā)的趨勢(shì),臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害事件不斷出現(xiàn)。

研究區(qū)下伏前震旦系基底,上覆侏羅系、白堊系火山巖蓋層,間雜大小不一的燕山期侵入體,出露巖性以火山巖、侵入巖為主,其次是變質(zhì)巖和沉積巖;構(gòu)造發(fā)育,NE向江山—紹興斷裂帶、麗水—余姚斷裂帶和NW向松陽(yáng)—平陽(yáng)斷裂帶斜貫全區(qū)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,是東南沿海地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響嚴(yán)重、地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)的區(qū)域,主要發(fā)育滑坡,其次是崩塌、泥石流。全區(qū)地質(zhì)災(zāi)害具有點(diǎn)多、分布面廣、危害程度大、隱蔽性強(qiáng)等特點(diǎn),近年來(lái)造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的形成受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等自然因素影響,降雨、人類(lèi)工程活動(dòng)是主要觸發(fā)因素。

研究區(qū)地處東南沿海臺(tái)風(fēng)暴雨重要影響區(qū),降雨是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素,據(jù)已有的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示5—9月雨季發(fā)生的滑坡占76.6%?；轮饕植荚谛逼轮邢虏繙瞎葍蓚?cè)的村莊附近,行政區(qū)域上景寧縣、慶元縣、松陽(yáng)縣發(fā)育分布數(shù)量最多(圖1)?；乱孕⌒蜏\層土質(zhì)為主,規(guī)模小型占96.6%,其中滑體體積<1 000 m3的占49.3%,滑體體積1 000～5 000 m3的占24%。

2 地形起伏度的提取分析

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

此次研究采用5 m分辨率的DEM數(shù)據(jù),購(gòu)置于測(cè)繪部門(mén),可滿(mǎn)足小尺度精細(xì)化地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)。坐標(biāo)系為CGCS 2000,高斯投影,6度帶中央經(jīng)線(xiàn)117°。

2.2 均值變點(diǎn)分析法原理

起伏度隨窗格面積的變化呈logarithmic曲線(xiàn),根據(jù)地形起伏度的定義和地貌發(fā)育理論[22],該曲線(xiàn)上必定存在唯一的一個(gè)由陡變緩的拐點(diǎn),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的窗格值即可確定為最佳統(tǒng)計(jì)單元。均值變點(diǎn)分析法對(duì)這種恰有1個(gè)變點(diǎn)的檢驗(yàn)效果最佳,該方法已廣泛應(yīng)用于計(jì)算地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元[22-26]。因此,本文采用該方法確定最佳統(tǒng)計(jì)單元,具體過(guò)程[23-24]如下。

(1)計(jì)算各窗格下單位地勢(shì)度T,

(1)

式中:Ti為各分析窗格下的單位起伏度,m;ti為各分析窗格的平均起伏度,m;si為各分析窗格的面積,m2;i為矩形鄰域的窗格大小。

(2)對(duì)單位地勢(shì)度T取對(duì)數(shù)lnT,得序列X,X為{Xi,i=2,3,4,…,50}。

(2)

(3)

(4)

(5)計(jì)算S與Si的差值ΔS:

ΔS=S-Si(i=2,3,4,…,49)。

(5)

2.3 計(jì)算地形起伏度

地形起伏度(Relief Amplitude)是一定面積內(nèi)最大高程與最小高程的差值,是定量描述地貌形態(tài)、劃分地貌類(lèi)型的重要指標(biāo),其計(jì)算表達(dá)式[27]為

RA=Emax-Emin,

(6)

式中:RA為地形起伏度,m;Emax、Emin分別為單位面積內(nèi)最大高程值、最小高程值,m。

本文利用GIS軟件的領(lǐng)域分析工具,提取不同統(tǒng)計(jì)單元的地形起伏度。計(jì)算中涉及到兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù),分別是統(tǒng)計(jì)窗格的類(lèi)型和大小,不同窗格類(lèi)型和大小計(jì)算得到的地形起伏度完全不同。窗格類(lèi)型分為矩形、圓形、環(huán)形和扇形等,窗格大小則為輸入不同的窗格數(shù)量值。通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)矩形窗格類(lèi)型應(yīng)用最廣泛[22-26],本文也采用矩形窗格,依次計(jì)算窗格數(shù)量為2×2、3×3、4×4、…50×50時(shí)的地形起伏度,各窗格數(shù)平均地形起伏度如表1所示。

表1 領(lǐng)域窗格數(shù)量與地形起伏度關(guān)系統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics on the correlation with relief amplitude and analysis grid size

續(xù)表1

2.4 最佳統(tǒng)計(jì)單元分析

為了分析起伏度與統(tǒng)計(jì)單元大小之間的相關(guān)性,將表1中的平均起伏度與統(tǒng)計(jì)單元面積進(jìn)行指數(shù)方程與對(duì)數(shù)方程2種方式擬合,分別得到擬合曲線(xiàn):指數(shù)擬合方程y=0.642 8x0.497 5,相關(guān)系數(shù)R2=0.987;對(duì)數(shù)方程y=24.637ln(x)-148.24,相關(guān)系數(shù)R2=0.915。二者對(duì)比,指數(shù)擬合相關(guān)性更高。

由圖2可以看出,平均起伏度隨著領(lǐng)域窗格面積的增大而增大,當(dāng)領(lǐng)域窗格面積達(dá)到一個(gè)拐點(diǎn)時(shí),平均地形起伏度的增加趨勢(shì)由陡變緩,最后曲線(xiàn)趨于平緩。均值變點(diǎn)分析法就是從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度定量判斷出該拐點(diǎn),其對(duì)應(yīng)的窗格大小即為地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元。

圖2 領(lǐng)域窗格面積與平均地形起伏度擬合曲線(xiàn)Fig. 2 Fitting curve between analysis grid area and average relief amplitude

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)對(duì)均值變點(diǎn)分析結(jié)果差值ΔS和領(lǐng)域窗格大小進(jìn)行分析(表2、圖3),S與Si的差值ΔS變化曲線(xiàn)呈拋物線(xiàn)形:窗格大小2～18段,ΔS隨窗格增大而增大;窗格大小18～50段,ΔS隨窗格增大而減小。窗格大小18對(duì)應(yīng)的ΔS值為拋物線(xiàn)頂點(diǎn),此點(diǎn)ΔS值最大,即為拐點(diǎn),拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的窗格大小即是最佳統(tǒng)計(jì)單元。

表2 均值變點(diǎn)分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 The statistical results of mean change point analysis

圖3 S與Si的差值變化曲線(xiàn)Fig. 3 Change curve of the differences between S and Si

綜上可知,研究區(qū)提取地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元為18×18的窗格,單元邊長(zhǎng)為90 m,面積大小為8 100 m2。

3 地形起伏度對(duì)滑坡發(fā)育的影響分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

依據(jù)前文均值變點(diǎn)分析的計(jì)算結(jié)果,以窗格數(shù)量18作為統(tǒng)計(jì)單元提取地形起伏度。麗水市地形起伏度范圍0～368.4 m,平均值60.3 m,標(biāo)準(zhǔn)差26.4 m,總體上麗水市西南部中低山區(qū)起伏度最高,北部松古盆地、麗水市盆地區(qū)起伏度最低。采用等間距法將麗水市地形起伏度分為9個(gè)等級(jí):≤15 m、15～30 m、30～45 m、45～60 m、60～75 m、75～90 m、90～105 m、105～120 m、>120 m。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),9個(gè)等級(jí)中分布面積最大的是60～75 m和45～60 m分別占22.1%和21.7%,其次是75～90 m和30～45 m分別占16.9%、15.2%,這4個(gè)區(qū)間總占比達(dá)75.8%。因此,麗水市地形起伏度主要集中在30～90 m。

3.2 分析方法——信息量法和確定性系數(shù)法

隨著3S技術(shù)的發(fā)展,基于統(tǒng)計(jì)和概率分析的地質(zhì)災(zāi)害與影響因子空間相關(guān)性研究日趨成熟和完善,各種模型和方法得到了很好的應(yīng)用和推廣[24]。本文選取常用的信息量法和確定性系數(shù)法探討地形起伏度與滑坡災(zāi)害發(fā)育的相關(guān)性。

3.2.1 信息量法

信息量法一般認(rèn)為滑坡發(fā)生的可能性與預(yù)測(cè)過(guò)程中所獲取信息的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān),可以用信息量來(lái)衡量[14-16]。信息量越大,表明發(fā)生災(zāi)害事件的可能性越大。本文采用單因子的信息量計(jì)算模型,具體函數(shù)表達(dá)為

(7)

式中:I為信息量值;Ni為分布在地形起伏度i等級(jí)中的滑坡數(shù)量;N為研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害總數(shù);Si為研究區(qū)內(nèi)地形起伏度i等級(jí)的面積;S為研究區(qū)總面積。

3.2.2 確定性系數(shù)法

確定性系數(shù)法是1975年由SHORTLIFFE E H和BUCHANAN B G[28]提出的一個(gè)概率函數(shù),HECKERMAN D[29]對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。確定性系數(shù)模型是一種二元統(tǒng)計(jì)方法,假設(shè)將來(lái)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的條件和過(guò)去發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的條件相同[30]。CF函數(shù)表達(dá)式為

(8)

式中:PPa為滑坡在地形起伏度分類(lèi)a中發(fā)生的條件概率,即地形起伏度分類(lèi)a中發(fā)育的滑坡點(diǎn)個(gè)數(shù)與地形起伏度分類(lèi)a面積的比值;PPs為滑坡事件發(fā)生的先驗(yàn)概率,即整個(gè)研究區(qū)的滑坡點(diǎn)總數(shù)與研究區(qū)總面積的比值,是一個(gè)定值。

確定性系數(shù)CF的值域區(qū)間為[-1,1]。其中正值代表事件發(fā)生確定性的增長(zhǎng),即該類(lèi)地形起伏度易于發(fā)生滑坡;負(fù)值代表事件發(fā)生的確定性降低,即該類(lèi)地形起伏度不易于發(fā)生滑坡。

3.3 地形起伏度對(duì)滑坡的影響分析

本文基于收集到的麗水市已有的滑坡災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)資料,分析篩選出有幾何特征、成災(zāi)規(guī)模的滑坡,通過(guò)室內(nèi)遙感解譯與野外調(diào)查相結(jié)合,統(tǒng)一坐標(biāo)系、校正滑坡點(diǎn)位置,完善滑坡空間分布數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)上述方法手段共確定767處滑坡災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù),滑坡點(diǎn)密度為0.044處/km2,其絕大部分為淺層土質(zhì)滑坡,滑體物質(zhì)主要為風(fēng)化殘積土、強(qiáng)風(fēng)化碎石、坡積物等,96.3%的滑坡規(guī)模為小型。

應(yīng)用GIS平臺(tái)把滑坡與地形起伏度分級(jí)的空間分布圖層相疊加,采用信息量法、確定性系數(shù)法分別對(duì)二者的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析,結(jié)果如表3、圖4所示。分析結(jié)果顯示,I值和CF值趨勢(shì)變化曲線(xiàn)表現(xiàn)出很好的一致性。

圖4 地形起伏度分級(jí)的I值、CF值對(duì)比圖Fig. 4 The comparison between I values and CF values in different extent of relief amplitude

表3 地形起伏度分級(jí)的滑坡災(zāi)害信息量I值、確定系數(shù)CF值Table 3 The I values and CF values of landslide hazard in different extent of relief amplitude

(1)地形起伏度15～30 m內(nèi)滑坡密度、I值和CF值均為最大值,其中滑坡密度為0.11 處/km2,約為平均密度的2.5倍。

(2)地形起伏度30～45 m、45～60 m內(nèi)滑坡災(zāi)害數(shù)量最多,但由于分級(jí)面積大,I值、CF值相對(duì)減小。

(3)地形起伏度15～60 m的I值、CF值均為正值,其余均為負(fù)值。

(4)地形起伏度>15 m的分級(jí)區(qū)間,I值、CF值隨地形起伏度增大而減小。

圖5中滑坡分布密集區(qū)與15～60 m地形起伏度(圖中紅色圖斑)的空間分布,表現(xiàn)出很好的一致性。因此,麗水市滑坡易發(fā)的地形起伏度為15～60 m,其最易發(fā)區(qū)間為15～30 m,滑坡發(fā)育程度與地形起伏度相關(guān)性不是簡(jiǎn)單的正負(fù)屬性。

圖5 地形起伏度與滑坡的空間分布圖Fig. 5 The spatial distribution of relief amplitude and landslides

為了解釋上述原因,本文進(jìn)一步對(duì)影響滑坡災(zāi)害發(fā)育的其他地質(zhì)環(huán)境條件因子與地形起伏度之間關(guān)系疊加分析。地形起伏度15～30 m區(qū)間展現(xiàn)以下特征:空間分布出現(xiàn)兩極分化,主要位于斜坡下部溝谷、山麓區(qū)或者斜坡上部至頂部相對(duì)較緩區(qū);易滑地層巖性有砂巖、泥巖夾中酸性火山巖、酸性火山碎屑巖夾沉積巖,其中砂巖、粉砂巖為主的沉積碎屑巖等分布面積占總區(qū)間面積37.6%;區(qū)間內(nèi)42%區(qū)域與斷層距離<500 m,其中<100 m的占16%;區(qū)間內(nèi)52%區(qū)域與房屋距離<500 m,其中<10 m占16.5%、10～200 m占18.3%。

總之,低地形起伏度空間分布與人類(lèi)工程活動(dòng)區(qū)域基本一致,是切坡建房修路、土地開(kāi)墾的主要區(qū)域;低地形起伏度區(qū)域受一定的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,由于間歇性的抬升與剝蝕，在地貌上出現(xiàn)多級(jí)剝夷面,并伴有一定規(guī)模的殘坡積物[19],由于重力因素影響，多搬運(yùn)堆積于斜坡下部山麓地帶;而斜坡頂部風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈,多發(fā)育風(fēng)化巖體。風(fēng)化碎石、風(fēng)化殘積土、(殘)坡積層等松散巖土體為區(qū)內(nèi)滑坡的主要致災(zāi)體,人類(lèi)工程活動(dòng)是主要誘發(fā)因素。因此,滑坡發(fā)育分布規(guī)律是多種因素耦合的結(jié)果,地形起伏度對(duì)滑坡發(fā)育影響是內(nèi)外地質(zhì)作用、人工干擾因素綜合作用的一個(gè)表征。

4 結(jié)論

(1)對(duì)窗格數(shù)量為2×2、3×3、4×4、…50×50的地形起伏度統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)平均地形起伏度與統(tǒng)計(jì)單元面積具有顯著相關(guān)性,其指數(shù)與對(duì)數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.987 1和0.915 1。

(2)平均地形起伏度隨著領(lǐng)域窗格面積的增大而增大,當(dāng)領(lǐng)域窗格面積達(dá)到一個(gè)拐點(diǎn)時(shí),平均地形起伏度的增加趨勢(shì)由陡變緩,最后曲線(xiàn)趨于平緩,均值變點(diǎn)分析方法準(zhǔn)確檢測(cè)出該拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的窗格數(shù)量為18,地形起伏度最佳統(tǒng)計(jì)單元大小為8 100 m2。

(3)采用等間距法對(duì)麗水市地形起伏度劃分為9個(gè)等級(jí):≤15m、15～30 m、30～45 m、45～60 m、60～75 m、75～90 m、90～105 m、105～120 m、>120 m。信息量法、確定性系數(shù)法分析結(jié)果表明,麗水市地形起伏度對(duì)滑坡災(zāi)害的發(fā)育具有顯著的影響,滑坡易發(fā)的地形起伏度為15～60 m,最易發(fā)區(qū)間為15～30 m,這種結(jié)果是多種地質(zhì)因素和人類(lèi)工程活動(dòng)耦合影響的反映。

(4)地形起伏度研究結(jié)果可初步定位區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)地段,為進(jìn)一步圈定地質(zhì)災(zāi)害重要孕災(zāi)區(qū)提供了先決條件,建議加強(qiáng)易發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害巡查排查、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作,提高了防災(zāi)減災(zāi)工作針對(duì)性和有效性。