劉維珩 賈鴻儒 謝愛萍

［關鍵詞］地質(zhì)災害；易發(fā)性；信息量；確定性系數(shù)；蘭州市

［摘要］蘭州市是我國地質(zhì)災害最嚴重的地區(qū)之一，做好蘭州市地質(zhì)災害易發(fā)性分級區(qū)劃可為科學防治地質(zhì)災害提供數(shù)據(jù)支撐。隨著信息技術的發(fā)展，地質(zhì)災害模型與GIS技術相結合的研究方法被廣泛運用于地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃研究。從地形地貌、地質(zhì)結構、土地利用、水文降水等方面，選取坡度、海拔、土地利用類型、距河流距離、距地質(zhì)斷層距離等12個影響因子，采用信息量法和確定性系數(shù)法確定每個影響因子的得分值和權重值，采用加權綜合評價法結合ArcGIS軟件進行蘭州市地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃研究，并分析不同影響因子對蘭州市地質(zhì)災害易發(fā)性的影響。結果表明：蘭州市地質(zhì)災害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)3個分區(qū)總面積占蘭州市總面積的50.70%，地質(zhì)災害對蘭州市的影響較大；地質(zhì)災害極高易發(fā)區(qū)呈帶狀分布，主要分布于研究區(qū)南、北部河谷Ⅳ級階地前緣及各溝谷臺地前緣、黃土丘陵溝壑區(qū)。

［中圖分類號］X141；P642.2［文獻標識碼］A［文章編號］1000－0941（2023）03－0033－06我國自然地理條件比較復雜，是世界上遭受自然災害數(shù)量和種類最多的國家之一，我國的地質(zhì)災害具有分布范圍廣泛、隱患多、排查與防治難度大等特點。蘭州市地處我國西北部，位于黃河上游黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢起伏大，黃土峁梁交錯，水土流失嚴重，是我國地質(zhì)災害最為嚴重的地區(qū)之一[1]。近年來，隨著信息技術的發(fā)展，地質(zhì)災害模型與GIS技術相結合的研究方法得到了深入開發(fā)，并在研究地質(zhì)災害易發(fā)性方面得到了廣泛應用，可以更直觀地對區(qū)域地質(zhì)災害進行區(qū)塊評價、風險性預測等。例如，戴福初等[2]首次提出了GIS技術與滑坡專業(yè)模型的集成；牛全福等[3]基于信息量模型，分析了玉樹地震重災區(qū)的滑坡危險性，得出的結果與實際滑坡發(fā)生情況吻合度較高。地質(zhì)災害易發(fā)性評價方法較多，比較常用的有頻率比法、信息量法、Logistics回歸法、確定性系數(shù)法、層次分析法、證據(jù)權法等，其中頻率比法、信息量法、確定性系數(shù)法因其原理簡單、適用性強等特點，故在區(qū)域地質(zhì)災害易發(fā)性評價中運用廣泛且評價效果較好[4]。本研究基于地質(zhì)結構、地形地貌、土壤侵蝕、水文降水、土地利用等方面提出地質(zhì)災害影響因子，采用信息量法和確定性系數(shù)法，結合GIS技術，對蘭州市地質(zhì)災害易發(fā)性進行評價分級和區(qū)劃研究，并分析不同影響因子對蘭州市地質(zhì)災害易發(fā)性的影響，以期為蘭州市科學防治地質(zhì)災害提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1區(qū)域概況

蘭州市地處東經(jīng)102°36′～104°35′、北緯35°34′～37°00′，下轄5個區(qū)、3個縣，總面積約1.3萬km2，是甘肅省省會和政治、經(jīng)濟、文化中心。蘭州市地處黃土丘陵溝壑區(qū)，地勢西南高、東北低，海拔1417～2918m，地形陡峭，地表植被稀少，水土流失嚴重。蘭州市屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，干旱少雨，年均氣溫10.3℃，年均降水量327mm，降雨主要集中在6—9月。

蘭州市地質(zhì)條件復雜，屬昆侖山—秦嶺構造帶，在多期構造旋回的作用下形成一系列北西走向的壓扭性大斷裂及復雜的次一級斷裂，地質(zhì)巖性主要為變質(zhì)巖、砂巖、頁巖、泥巖等。砂巖、泥巖易形成坡體中的軟弱面，基巖巖體完整性差，風化嚴重，極易發(fā)生節(jié)理（裂隙）切割巖土體使之破碎，是地質(zhì)災害產(chǎn)生的良好物質(zhì)場所，當水流切割與其他因素疊加作用時，便會產(chǎn)生大規(guī)模崩塌、滑坡、泥石流災害。此外，蘭州市地表黃土層厚度大、孔隙大、持水性差、透水性強，在地下水或地表水流作用下，斜坡穩(wěn)定性急劇下降，易發(fā)生一系列的崩塌、坍塌甚至滑坡，并以災害鏈的形式誘發(fā)泥石流等其他地質(zhì)災害[5]。

2研究數(shù)據(jù)與方法

2.1研究數(shù)據(jù)

本研究以蘭州市為研究區(qū)域，基于文獻調(diào)研結果[6-8]，選取坡度、坡向、海拔、地質(zhì)災害點密度、地質(zhì)巖性、距地質(zhì)斷層距離、土壤類型、年降水量、人口密度、土地利用、距河流距離、距道路距離等共12個地質(zhì)災害影響因子，并根據(jù)蘭州市的實際情況，對不同的影響因子進行區(qū)間分級。為了便于對不同區(qū)間分級進行得分計算，共分為5個級別。從不同的資源網(wǎng)站和相關單位收集整理了DEM、河流、道路、土地利用、地質(zhì)土壤、人口、地質(zhì)災害調(diào)查、氣象等多源數(shù)據(jù)（見表1）。利用ArcGIS表面分析工具，提取坡度和坡向；利用ArcGIS距離分析工具，計算像元到最近源的歐氏距離，作為對應的距地質(zhì)斷層距離、距河流距離、距道路距離；基于地質(zhì)災害調(diào)查數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析工具，獲得地質(zhì)災害點矢量數(shù)據(jù)，并可通過分類匯總計算出各影響因子在不同等級區(qū)間內(nèi)的地質(zhì)災害點數(shù)量和地質(zhì)災害面積，同時利用ArcGIS點密度分析工具，獲取地質(zhì)災害點密度。

2.2研究方法

2.2.1信息量法

信息量法通過把已發(fā)生地質(zhì)災害點的影響因子的屬性值轉換為地質(zhì)災害易發(fā)性的信息量值，來反映各類影響因子的相對敏感度和各類影響因子中不同分級區(qū)間的貢獻率，被廣泛運用于地質(zhì)災害易發(fā)性評價[4]。

信息量值越大，對應區(qū)間內(nèi)的地質(zhì)災害易發(fā)程度越高，計算公式為

Iij=lnPij/PrSij/Sr（1）

式中：Iij為第i個影響因子第j級的信息量；Pij為第i個影響因子第j級的地質(zhì)災害點數(shù)量；Pr為研究區(qū)地質(zhì)災害點的總數(shù)量；Sij為第i個影響因子第j級的分布面積，km2；Sr為研究區(qū)總面積，km2。

按照區(qū)間比值取整的方式計算每個影響因子不同級別對應的得分值，得分值越高，代表信息量越大，對地質(zhì)災害的影響程度越高，得分值最高為10分，最低為1分，計算公式為

Xij=Iij-minIimax（Ii）-minIi×9+1（2）

式中：Xij為第i個影響因子第j級的得分值；max（Ii）和min（Ii）分別為第i個影響因子信息量最大值和最小值，計算結果按照四舍五入后取整得到整數(shù)型的得分值。2.2.2確定性系數(shù)法

確定性系數(shù)法廣泛用于分析某一事件發(fā)生的各類指標的敏感性[9]，在本研究中用于統(tǒng)計分析發(fā)生地質(zhì)災害區(qū)域的各類影響因子的敏感性，計算公式為

CF=Ps－PaPa1－PsPa≥PsPs－PaPs1－PaPa＜Ps（3）

式中：CF為確定性系數(shù)；Pa為地質(zhì)災害事件在影響因子數(shù)據(jù)類中發(fā)生的條件概率，即某個影響因子某一級別中的地質(zhì)災害面積與該因子在此級別中的單元總面積的比值；Ps為地質(zhì)災害事件在研究區(qū)中發(fā)生的先驗概率，即研究區(qū)的地質(zhì)災害面積與研究區(qū)總面積的比值。

將某個影響因子各級別的CF值進行迭代合并，得到第i個影響因子對地質(zhì)災害的貢獻值（Zi），迭代合并的計算公式為

Zi=x+y－xy（x，y≥0）

x+y1－minx，y（x，y異號）

x+y+xy（x，y＜0）（4）

式中：Zi為第i個影響因子對地質(zhì)災害的貢獻值；x、y分別為某個影響因子不同級別將要進行迭代合并的兩個值。

Zi的取值為-1～1，其越接近1代表該影響因子對地質(zhì)災害的影響程度越高，越接近-1代表該影響因子對地質(zhì)災害的影響程度越低。為消除重復處理的影響，采用ΔZ代表某個影響因子分級區(qū)間的貢獻值，計算公式為

ΔZij=Zi－Yij（5）

式中：ΔZij為第i個影響因子第j級的貢獻值；Yij為第i個影響因子除第j級以外的其他分級CF值迭代合并結果。

本研究基于蘭州市實際情況，將每個影響因子分為5個級別，先計算每個影響因子的相對貢獻值，再計算得到各影響因子的權重值，計算公式為

ti=∑5j=1ΔZij（6）

Wi=ti∑12i=1ti（7）

式中：ti為第i個影響因子的相對貢獻值；Wi為第i個影響因子的權重值。

2.2.3加權綜合評價

加權綜合評價法是指某一事件的發(fā)生是由多個影響因子綜合的結果，每個因子的影響程度存在差別，通過量化影響因子計算評價單元的事件易發(fā)程度。此方法綜合考慮了各個因子對總體對象的影響程度，把各個具體指標的優(yōu)劣綜合起來，用一個數(shù)量化指標加以集中，以此來表示整個評價對象的優(yōu)劣，是評價最為常用的計算方法之一[10]。根據(jù)國家級區(qū)域地質(zhì)災害氣象預警第二代模型方法，將地質(zhì)環(huán)境區(qū)域評價量化為地質(zhì)災害潛勢度[11]。計算公式為

F=∑12i=1Wi·Xi（8）

式中：F為地質(zhì)災害潛勢度；Xi為第i個影響因子的得分值。

F值越大，表示發(fā)生地質(zhì)災害的可能性越大。將F值劃分5個等級，作為劃分地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)的依據(jù)［12］，見表2。

3結果與分析

3.1影響因子得分值和權重值

圖1是各影響因子與地質(zhì)災害點（圖中簡稱“地災點”）的空間分布。表3是基于信息量法計算得到的12個影響因子的信息量和得分值。表4是基于確定性系數(shù)法計算得到的12個影響因子的權重值。其中，地質(zhì)災害點密度、坡度、海拔、距河流距離是權重值較大的影響因子。

3.2地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃

依據(jù)計算得到的地質(zhì)災害潛勢度，對蘭州市進行地質(zhì)災害易發(fā)性分級區(qū)劃，其結果見圖2。蘭州市地質(zhì)災害點共756處，其中位于地質(zhì)災害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)的地質(zhì)災害點數(shù)量分別為596、93、39、21、7處，分別占地質(zhì)災害點總數(shù)的78.8%、12.3%、5.2%、2.8%、0.9%。地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃與地質(zhì)災害點分布基本一致，表明蘭州市地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃具有一定的科學性和準確性。由圖2可知，蘭州市地質(zhì)災害極高易發(fā)區(qū)呈帶狀分布，分布于研究區(qū)南、北部河谷Ⅳ級階地前緣及各溝谷臺地前緣、黃土丘陵溝壑區(qū)，集中于五一山、鹽場堡、徐家灣和九州臺以及西固南山、皋蘭山、伏龍坪一帶，分布于坡度40°～60°、海拔1400～1800m的道路兩旁和城市周邊的河谷地帶；地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)分布在距地質(zhì)斷層較近、坡度25°～45°、海拔1600～2400m的草地和建設用地。

將地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃與蘭州市行政區(qū)劃進行疊加分析，得到蘭州市及其各縣區(qū)的地質(zhì)災害易發(fā)性情況（見表5）。由表5知，蘭州市地質(zhì)災害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)的面積分別為1063.43、2048.05、3584.41、3399.69、3112.34km2，分別占蘭州市總面積的8.05%、15.51%、27.14%、25.74%、23.56%，極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、易發(fā)區(qū)3個分區(qū)總面積占蘭州市總面積的50.70%，地質(zhì)災害對蘭州市的影響較大。其中蘭州市地質(zhì)災害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)主要分布在榆中縣、永登縣和皋蘭縣，3縣極高易發(fā)區(qū)面積分別占蘭州市地質(zhì)災害極高易發(fā)區(qū)面積的47.43%、20.55%和12.73%，高易發(fā)區(qū)面積分別占蘭州市地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)面積的38.42%、30.35%和9.54%，是蘭州市地質(zhì)災害防治的重點區(qū)域。

3.3地質(zhì)災害影響因素分析

地質(zhì)災害是地形、地質(zhì)、水文、氣候、人類活動等多種因素的綜合影響結果。通過分析不同因子對地質(zhì)災害的影響，可以發(fā)現(xiàn)：①通過統(tǒng)計各個坡度區(qū)間的地質(zhì)災害點數(shù)量，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災害點數(shù)量隨坡度的增大而增多，坡度＜10°的區(qū)域沒有滑坡的發(fā)生，40°～50°的區(qū)域地質(zhì)災害點數(shù)量占總數(shù)的54.7%，50°～60°的區(qū)域地質(zhì)災害點數(shù)量約占總數(shù)的25.4%，而60°以上的陡崖多發(fā)生崩塌而不表現(xiàn)為滑坡。②研究區(qū)坡向分布比較均勻，沒有明顯的優(yōu)勢坡向，西、西北、北坡向?qū)儆诨掳l(fā)生的優(yōu)勢坡向，尤其是正北坡向的斜坡，滑坡點數(shù)量占研究區(qū)總數(shù)的19.2%，這與蘭州市地質(zhì)災害在階地前緣發(fā)育的規(guī)律相吻合。③地質(zhì)災害點集中分布于海拔1400～1800m的區(qū)域，其地質(zhì)災害點數(shù)量約占研究區(qū)總數(shù)的56.0%，原因可能是該區(qū)域是蘭州市黃河Ⅳ級階地的分布區(qū)域，黃土厚度大，地形切割強烈，是滑坡發(fā)育的重要基礎，同時該區(qū)域人口密集，人類活動強烈，極易引起滑坡。④地層巖性和土壤類型是地質(zhì)災害發(fā)生、發(fā)展的重要內(nèi)因和物質(zhì)基礎，蘭州市內(nèi)黃土滑坡數(shù)量占滑坡總數(shù)的79.8%，泥巖（紅層）滑坡占滑坡總數(shù)的8.7%，黃土是研究區(qū)的主要易滑土體，且研究區(qū)內(nèi)高陡巖質(zhì)邊坡較多，大大降低了地表穩(wěn)定性。⑤研究區(qū)內(nèi)主要有金城關斷裂帶和興隆山北緣斷裂帶，地質(zhì)斷層附近地質(zhì)災害點密度較高。⑥降水對地質(zhì)災害有重要的誘發(fā)作用，年降水量較高的區(qū)域地質(zhì)災害點密度較高。⑦研究區(qū)內(nèi)黃河及其支流莊浪河、宛川河、大通河等河流周邊1km范圍內(nèi)的地質(zhì)災害點數(shù)量占研究區(qū)總數(shù)的54.7%，河流對地質(zhì)災害的影響比較顯著。⑧人類活動對地質(zhì)災害的影響是多方面的，主要表現(xiàn)為人類一般活動和各類工程建設活動。人口密度是人類一般活動頻率的體現(xiàn)，從地質(zhì)災害點分布情況來看，人口密度對地質(zhì)災害易發(fā)性的影響并不明顯；土地利用類型是工程建設活動的體現(xiàn)，工程建設活動不可避免會破壞植被、改變土地利用類型，對地處干旱地區(qū)的蘭州市而言，植被對穩(wěn)定黃土斜坡十分重要，位于植被覆蓋度較低的耕地、裸地區(qū)域的地質(zhì)災害點數(shù)量占研究區(qū)總數(shù)的73.2%。⑨道路及其周邊區(qū)域的建設活動頻繁，在道路兩側800m范圍內(nèi)的地質(zhì)災害點數(shù)量占研究區(qū)總數(shù)的68.3%，人工邊坡處滑坡發(fā)生的概率較高。

4討論

蘭州市地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃是在綜合各影響因子的基礎上，結合數(shù)學模型和GIS技術建立的地質(zhì)災害評價系統(tǒng)。該區(qū)劃一方面可作為制定城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃和鄉(xiāng)村振興規(guī)劃的基礎性資料，規(guī)劃城鎮(zhèn)重要設施和區(qū)域、實施鄉(xiāng)村振興涉及的村落搬遷時，要避開地質(zhì)災害易發(fā)的區(qū)域；另一方面可用于規(guī)范建設活動，對位于城區(qū)邊緣山前、高坪區(qū)前緣、各類道路邊坡的項目要加強科學施工管理、分類指導和專業(yè)研究，避免不合理的切坡、填方等極易造成地質(zhì)災害的工程行為。

本研究中采用的信息量法和確定性系數(shù)法均為統(tǒng)計方法，計算結果具有一定的局限性，下一步可繼續(xù)探求更加精確的動態(tài)模型。地質(zhì)災害的發(fā)生除了受到地形、地質(zhì)、海拔、土壤等靜態(tài)影響因子的影響，降水量、人類活動等動態(tài)影響因子也是誘發(fā)地質(zhì)災害的重要因素，在蘭州市地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃的基礎上，進一步開展降水特征、暴雨情況與滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災害的相關性研究，分析地質(zhì)災害的空間分布規(guī)律和發(fā)生規(guī)律，同時對重點區(qū)域進行實時監(jiān)測，建立蘭州市數(shù)字化地質(zhì)災害預警系統(tǒng)，可為區(qū)域防災減災、推動社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

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［作者簡介］劉維珩（1976—），女，甘肅甘谷人，高級工程師，碩士，主要從事土木工程方面工作；通信作者賈鴻儒（1980—），男，甘肅武山人，副教授，碩士，研究方向為風景園林。［收稿日期］2023-02-22

（責任編輯李佳星）

［基金項目］2020年甘肅省重點研發(fā)計劃項目（20YF8FE146）；2022年甘肅省教育科技創(chuàng)新項目（2022A-257）；2020年甘肅省科技計劃項目（20CX9FA132）