基于GIS评价活动断裂对公路的影响——以宁夏地区为例

卢玉东,张 骏,刘艳淑,彭建兵,马润勇,成玉祥

(1.长安大学环境科学与工程学院,陕西西安710054;2.长安大学地质工程与测绘学院,陕西西安710054)

0 引言

20世纪70年代以来,随着新技术的发展和应用,活断层研究获得了飞跃发展,国内外学者在许多断裂带上开展了活动断层几何学、运动学、动力学和断层位错、古地震、地震重复周期等方面的研究[1-7]。

地理信息系统在活动断裂的研究中已经受到重视,并在实际工作中开始应用。随着活动断裂研究的不断深入,地理信息系统在其中的应用将越来越广泛。利用GIS技术,马春燕等[8]确定了沿断裂带两侧历史地震发生次数、最大震级等参数;周杰[9]研究了川滇地区地震活动与活动断裂分布关系;彭自正等[10]探讨了江西活动断裂与地震活动的关系。

活动断裂与工程建设有着密切的关系[11-17],虽然关于活动断裂的研究已经很多,但对于活动断裂造成公路破坏的有效研究方法缺乏,并且利用 GIS技术研究活动断裂对公路的影响尚属空白。笔者试图基于GIS技术评价活动断裂对公路的影响,以建立一套活动断裂对公路影响的评价体系。

1 研究区概况及活断层对公路的影响

宁夏回族自治区位于黄河中上游地区,与内蒙古自治区、甘肃省和陕西省毗邻。地理坐标位于东经104°41′～107°30′、北纬35°25′～39°25′之间,面积66 400 km2。区内国家公路主干线共 2条: GZ25、GZ35;国道共 6条:G312、G309、G109、G211、G307、G110;省道共7条:S101、S202、S203、S302、S201、S102、S301。地貌主要为山地、丘陵、平原(或盆地)。宁夏地区地处青藏高原的东北边缘,由于青藏高原的强烈隆起造成其周缘地区的现代构造活动极其强烈,发育有大规模的活动断裂。

宁夏地区全新世活动断裂展布特征表现为(图1):①近东西向展布断裂,主要为正谊关断裂(F1);②近南北向展布断裂,主要为贺兰山断裂(F2)、黄河断裂(F3)、三关口—牛首山—固原断裂(F4)和六盘山断裂;③弧形展布断裂,主要为烟洞山断裂(F5)、清水河断裂(F6)、中卫—同心断裂(F7)、海原断裂(F8)、六盘山断裂带(F9)。其活动方式特征表现为:①左旋走滑,正谊关断裂、三关口—牛首山—固原断裂、烟洞山断裂、中卫—同心断裂、海原断裂、六盘山断裂;②正断层,黄河断裂;③右旋走滑正断层,贺兰山断裂;④逆断层,清水河断裂。

对公路工程形成危害的活断裂可分为粘滑型活断裂(发震断裂)和蠕滑型活断裂(非发震断裂)两类。断裂粘滑活动可引发地震或地表突然错断,使跨断裂或断裂周围一定范围内的公路工程建(构)筑物遭受不同程度的破坏或损伤;断裂蠕滑活动可使跨断裂或在断裂带影响范围内的公路工程建(构)筑物扭裂、拉断、沉陷或倾倒。总之,其活动都会引起周围岩土体、公路工程建(构)筑物的变形和破坏。

图1 宁夏活动断裂分布Fig.1 Map of Active Fault in Ningxia

活动断裂对公路工程影响的对象和形式表现为:①活动断裂对路基、路面的影响,主要表现为路面裂缝、凹坑、不均匀沉降;②活动断裂桥梁的影响,主要表现为桥梁墩台的错位;③活动断裂对隧道的影响,主要表现为隧道裂缝、渗水等;④活动断裂引发滑坡、崩塌、泥石流等对公路的影响,表现为路面变形、冲毁或公路阻塞。

2 研究方法

2.1 空间数据库的建立

充分利用已有资料,基于 GIS建立空间数据库。其空间数据信息和属性信息包括活动断裂的活动速率(垂直和水平)、活动性质、破碎带宽度(活动断裂与公路交汇处);大于等于6.0级的地震及相关资料;活动断裂带的构造、规模、产状、影像特征、照片等资料。

2.2 评价指标体系的确定

针对工程地质条件、活动断裂及公路特点,尽可能全面地考虑活动断裂对公路影响的各种因素。这些因素从宏观上可分为活动断裂的活动性、活动断裂引发的灾害以及公路状况。活动断裂的活动性包括活动断裂的活动速度、活动年代、活动断裂规模及活动性质;活动断裂引发的灾害包括滑坡、崩塌、泥石流、地震;公路状况包括公路设计等级、公路设施重要程度和公路与活动断裂交叉关系。

活动断裂对公路影响评价指标体系是一个系统分解和逐层分级控制的过程,是一个多层次的递阶结构。建立该指标体系是通过将目标层分解,直到子目标能够用定量或定性的独立指标衡量为止的方法来实现的。笔者采用目标层、类指标层、基础指标层,并采用德尔菲法对评价指标进行量化取值。

在建立评价指标体系后,要进一步确定它们的分级。一般情况下,指标的分级应与活动断裂对公路的影响分级相对应。活动断裂对公路的影响分为大、较大、中、小4级,对应值为4、3、2、1,其他相应的指标也用4级来描述。根据野外调查,并结合活动断裂对公路影响的特点等,确定宁夏地区活动断裂对公路影响的现状评价指标及分级标准(表1)。

表1 活动断裂对公路影响的现状评价评选指标体系及分级标准Tab.1 Index Systemand Classified Standard of Present Situation Assessment on Highw ay Damagement Caused by the Active Faults

2.3 评价模型、权重选取及其实现

对于活动断裂对公路影响体系的复杂性、不可逆性、模糊性,采用在地学中广泛应用的多级模糊综合评判模型,评价活动断裂对公路的影响。

设某个评价单元中的评判因素集合(或评价者集合)为

式中:U1、U2、…、Um为参与评价的m个因素的性状数据。而评语集合(评价标准集合)为

式中:V1、V2、…、Vn为Ui相应的评价标准集合。在活动断裂对公路影响的分级评价中;U是一个模糊向量,而V则是一个矩阵。

采用主成分赋权方法确定权重,即先用主成分分析求出累计贡献率,再用专家打分法对其进行修正处理,使客观赋权与主观赋权结合起来,以达到理想的权值。模型的实现借助于ARCGIS9软件,调用不同图层进行叠加运算,最终得到研究区内活动断裂对公路的影响评价图。

3 结果分析

3.1 现状评价

在建立数据库的基础上,建立活动断裂对公路影响现状评价的指标体系。二级评价因子活动断裂的活动性、公路状况、活动断裂引发的灾害权重分别取0.589、0.194、0.217。活动断裂的活动性的一级评价因子活动速率、破碎带宽度、活动年代、规模、活动方式权重分别取 0.307、0.221、0.192、 0.147、0.133;公路状况的一级评价因子公路设计等级、与公路交叉关系、公路设施重要程度权重分别取0.384、0.317、0.299;活动断裂引发的灾害的一级评价因子滑坡危害性、崩塌危害性、泥石流危害性权重分别取0.385、0.364、0.251。通过矢量运算进行各交汇点的一级和二级模糊评判。

经过二级模糊评价,得到活动断裂对公路影响现状评价结果为F1-G110(F1活断裂与国道110交汇点,下同),2.43(评价结果,下同);F3-G307,2.32; F4-G109,2.63;F4-G309,2.65;F4-G312,3.41; F6-G109,2.39;F7-G109,2.48;F8-S308,2.98; F8-G309,3.06;F9-G312,2.81;F9-G312,3.00。

由于笔者所选活动断裂均为全新世活动断裂,所处的构造位置造成其活动方式基本一致,活动规模也都很集中,活动速率大都在1 mm/a以上,从而造成评价结果都集中在2.32～3.41之间,活动断裂带对公路的影响程度都比较大。由于在实际工作中实测野外点比较少,具体的评价结果点数也比较少,故笔者并未做具体的分级。评价结果相对野外调查结果来说还是比较可靠。F4与 G312交汇点,处于六盘山地区,隧道出口上方即有个小型滑坡,而且在出口40 m处有泥石流发育,隧道位置也比较高,还有发生崩塌的可能性,故其值比较大。F3与 G207交汇点其活动速率相对较小,为0.24 mm/a,地处黄河边缘,破碎带宽度也较小,滑坡、崩塌、泥石流也不发育,故评价结果值比较小。

3.2 预测评价

在建立空间数据库的基础上,从各图层中提取评价中所需的因子图层,进行影响预测评价。首先要根据研究区大小和基础数据的精度选用标准网格,把所有数据进行栅格化处理。评价因子为面文件时,可运用ARCGIS9的 Spatial Analysis(空间分析)中Convert Features to Raster(栅格转换)模块,例如活动断裂带的活动性、地震烈度等。对于滑坡、崩塌和泥石流要先利用Buffer Wizard(缓冲向导)进行区划、赋值,再进行栅格转换。依据海原活动断裂带图件比例尺的大小,海原活动断裂带的活动性和区域地震烈度及灾点特点和分布情况,笔者应用的栅格数据单元采用9 m×9 m。

进行模糊运算要将各影响预测评价因子层提取出来进行栅格叠加运算,其中活动断裂对公路的影响预测评价一级指标滑坡危害性、崩塌危害性、泥石流危害性权重分别为0.353、0.310、0.337,二级评价指标活动断裂的活动性、地震烈度、活动断裂引发灾害权重分别为0.612、0.187、0.201。运用Spatial Analysis中的 Raster Calculator(栅格运算)模块,分别进行一级和二级模糊评判,并将宁夏地区活动断裂对公路的影响预测评价结果按影响程度大小分为大、较大、中、小4个级别。

经过上述计算,得到宁夏地区海原活动断裂对公路影响预测评价结果。活动断裂对公路影响的预测评价分为大、较大、中、小4个区。

(1)海原活动断裂带对公路影响大的为12.34 km2,占全区总面积的1.0%,大部分集中在活动断裂破碎带内或灾害点集中地带,且相应的地震烈度也很高。这主要是由于破碎带以及灾害点群集分布对公路建设影响很大,对未来公路工程建设来说,适宜性很差。

(2)预测结果中,影响较大的有271.28 km2,占总面积的21.4%,主要分布在距断裂带较近或地震滑坡等灾害集中的地带,地震烈度相应较高。其对公路工程建设有较大影响,故未来公路工程建设适宜性较差。

(3)预测结果中,影响中等的有400.05 km2,占总面积的31.6%,主要分布在距断裂带较近但地震烈度相对较小的地带,或距断裂带较远但有灾害点分布的地带。其对公路工程建设的影响程度中等,故未来公路工程建设的适宜性中等。

(4)预测结果中,影响小的有585.04 km2,占总面积的46.0%,主要分布在距断裂带较远且地震烈度相对较小和灾害点分布均较少的地带。其对公路工程建设的影响程度较小,故未来公路工程建设的适宜性就好。

4 结语

(1)针对宁夏地区活动断裂对公路的影响,建立了一套完整的基于GIS的“数据采集→空间数据库建立→评价指标体系选取→评价模型建立→空间分析→评价结果”流程体系。

(2)实现了宁夏地区活动断裂对公路在交叉点处的现状影响评价,其结果分别为F1-G110,2.43; F3-G307,2.32;F4-G109,2.63;F4-G309,2.65; F4-G312,3.41;F6-G109,2.39;F7-G109,2.48; F8-S308,2.98;F8-G309,3.06;F9-G312,2.81; F9-G312,3.00。

(3)实现了宁夏地区海原活动断裂对公路影响的预测评价,并将其按影响程度的大小分为大、较大、中、小4级,得到了宁夏地区海原活动断裂对公路影响预测评价结果。其预测评价结果分别为:影响大的有12.34 km2,占全区面积的1.0%;影响较大的有271.28 km2,占总面积的21.4%;影响中等的400.05 km2,占总面积的31.6%;影响小的有585.04 km2,占总面积的46.0%。

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