基于斜坡单元划分法的汝阳县地质灾害易发性区划

2015-03-01宋高举黄继超吴东民

地质灾害与环境保护 2015年1期

宋高举，黄继超，吴东民

（河南省地矿局第二地质环境调查院，郑州 450053）

1 引言

地质灾害易发区是指容易产生地质灾害的区域。区划的原理是工程地质类比法，即类似的静态与动态环境条件，产生类似的地质灾害，过去地质灾害多发的地区，也是以后地质灾害多发的地区。地质灾害易发程度区划侧重的是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害和自然地质现象发育的数量多少及其活跃程度。从工程地质的角度，地质灾害易发性区划的步骤为：分析地质灾害在某一区域的活动频率、强度、规模以及发育条件、发展规律，确定评价指标体系；综合分析控制或影响地质灾害发育的各类因素对系统稳定性的贡献，将其按照一定的数学方法组合、叠加；判断地质体易发性等级，实现地质灾害易发程度分区。

地质灾害的发生均与地质环境相关，而构成地质环境的地质结构、地形地貌、气象水文条件、人类工程活动等是控制地质灾害时空分布和强度的基本因素。这些基本因素都能统一在同一地理坐标之下，这正是GIS用于地质灾害研究的基础，借助GIS建立专业分析功能，可分析管理贯穿灾害起源、发展和影响范围等地质灾害全过程的大量数据。而完成采集、存储和组织这些不同类型的数据这项复杂的任务也正是 GIS的优势所在［1－2]。

斜坡单元是滑坡、崩塌等地质灾害发育的基本单元，并且在各类控制或影响因素中。河流和沟谷的发育阶段对滑坡、崩塌的形成具有明显的控制作用，因此采用基于幼年期沟谷划分的斜坡单元作为评价单元，可以与地质环境条件紧密联系，综合体现各类控制或影响因素的作用，使评价结果更贴近于实际。因此，在满足DEM精度要求的前提下.斜坡单元划分较适用于地质灾害易发性区划。

本研究采用幼年期沟谷划分的斜坡单元作为评价单元，与地质环境条件紧密联系，建立地质灾害易发性评价模型，综合考虑斜坡的坡度、坡高、坡形、岩土体、灾害点密度、降雨、人类工程活动等各类控制或影响因素的作用［3]，采用加权叠加分析的方法，对汝阳县地质灾害易发性进行区划。

2 项目区概况和野外调查

汝阳县位于河南省西部，属洛阳市，因县城居汝河之北而得名。工作区范围为汝阳县辖区，属洛阳市管辖，地理坐标为：东经112°08′～112°38′，北纬33°49′～34°14′。县域东接汝州市，西邻嵩县，南与鲁山县毗邻，北和伊川县接壤。汝阳县总面积为1 325 k m2。河南省2010年下达了1∶5万汝阳县地质灾害详细调查项目，本次详查工作共完成在全部地质灾害调查点266处，其中滑坡156处，占地质灾害点总数的58.87%；崩塌58处，占21.51%；泥石流（隐患）10处，占3.77%；不稳定斜坡39处，占14.72%；地面塌陷3处，占1.13%。

经野外调查，汝阳县地质灾害在空间上主要分布在沟谷及重要交通干线两侧，特别是滑坡、崩塌及不稳定斜坡更具有线性分布特点，主要集中在修建公路切坡形成的高陡边坡处和人工削坡建房而成的陡崖。

3 评价单元划分

3.1 斜坡单元剖分基本理论

地质灾害易发性区划中常用的单元类型有网格单元、地域单元、均一条件单元、子流域单元、斜坡单元等。斜坡单元是滑坡、崩塌等地质灾害发育的基本单元，并且在各类控制或影响因素中，河流和沟谷的发育阶段对滑坡、崩塌的形成具有明显的控制作用，因此采用基于幼年期沟谷划分的斜坡单元作为评价单元，可以与地质环境条件紧密联系，综合体现各类控制或影响因素的作用，使评价结果更贴近于实际。

斜坡单元划分的实质是基于DEM的地表水文分析，包括正反地形无洼地DEM的生成、水流方向的提取、汇流累积量的计算、河网的生成、集水流域的生成等关键步骤，其基本原理是利用正反地形分别提取山谷线和山脊线（分别对应于汇水线和分水线）［4]，把生成的集水流域与反向集水流域融合，再经后期处理人工修改不合理的单元，最终得到的由汇水线与分水线所组成的区域即为斜坡单元。斜坡单元划分流程见图1。

图1 通过DEM求斜坡单元的流程图

在水文分析当中，首先进行DEM数据的洼地填充，然后，根据填充后的DEM求取全区的流向图，基于流向即可获得各单元的累积流量［5]。通过设定流经某栅格单元的最小汇水单元格数，即可得到全区的集水区。显然，随着设定最小汇水单元数的增大，就可得到更大面积的汇水区，同时，也可通过设定不同的最小汇水单元数，来对研究区进行不同精度水平的研究。从地形学角度出发，汇水区边界即为分水线。为确定河谷线，采用反向DEM数据进行上述水文汇水盆地分析，即将原始DEM沿某一水平线反转，原来DEM高点变为低点，求取的新的汇水边界就变成了河谷线。使用原始DEM数据获得1号汇水区（山谷线），根据反向DEM可获取2号汇水区（山脊线），将1号汇水区和2号汇水区合并得到3号汇水区。1号汇水区被分为左右两个部分，即为所求斜坡单元。

3.2 评价单元划分结果

采用汝阳县1∶5万地形图，1∶5万遥感图，利用斜坡单元划分原理，对汝阳县进行评价单元的划分，并经过后期的手工删除不合理单元，合并处理，汝阳县共划分出4 556单元，详见图2。

图2 汝阳县评价单元划分结果图

4 易发性区划及效果评述

4.1 评价体系及评价模型

地质灾害易发区是指容易产生地质灾害的区域。区划的原理是工程地质类比法，即类似的静态与动态环境条件，产生类似的地质灾害，过去地质灾害多发的地区，也是以后地质灾害多发的地区［6]。地质灾害易发程度区划侧重的是滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害和自然地质现象发育的数量多少及其活跃程度，评价指标包括已有地质灾害现状统计、地质灾害形成的地质环境条件及地质灾害诱发因素（图3）。

图3 地质灾害易发性评价指标体系

已有地质灾害群体统评价指标主要包括地质灾害的数量和规模，在进行此次地质灾害易发程度区划时，采用本次实地调查的灾点资料作为样本来计算单元内地质灾害的点密度。

地质灾害形成条件诸多，包括地形地貌、沟谷切割情况、沟谷密度和发育时期、坡向、坡度、坡高、坡体物质组成及物理力学性质、水文地质条件等。地质灾害诱发因素主要包括降水和人类工程活动。

结合前述分析，本次地质灾害易发性评价选取灾点密度、坡度、坡高、坡型、岩土结构、植被指数、降雨指标和人类工程活动等8项主要因素作为评价易发性指标。在地质灾害形成条件分析的基础上，结合其他项目研究成果，评价指标的权重通过层次分析法确定，分析确定了调查区地质灾害易发程度区划中各个指标的权重（表1）。

表1 地质灾害易发性区划评价指标权重分配表

式中，B为崩塌、滑坡、泥石流发育程度指数；bi为第i个评价指标；ri为第i个评价指标的权重；n为评价指标的总数。

4.2 评价指标量化

对于定量指标.如斜坡的坡度、坡高等，取其原始观测值.再进行适当的数值变换。对于定性指标，如岩土体类型、坡形等，依据评价指标的分级划分标准，将所有数据进行归一化处理，再根据对应不同级别的相对贡献来取值。

（1）灾点密度

根据野外调查资料，将所得的地质灾害情况利用GIS进行录入。按一定规格的网格进行评价时，密度就是单位网格内的灾害点数量，即单位面积内地质灾害点的分布数量，然后按照不同密度区地质灾害现象发生的概率，进行0～1之间的线性归一化。

（2）坡度指标

利用GIS从DEM数据中分别提取调查区和汝阳县城的坡度信息，然后进行归一化。由于45°以上斜坡发生崩塌的频率很高，本区划将45°以上斜

本文采用综合评价模型，数据经过归一化处理后将各种灾害数据进行网格化，依据评价指标的权重，将各因素按照权重进行图形叠加，最终形成评价成果图。计算模型计算公式为：坡的易发程度定义为1，而10°以下斜坡发生崩塌的频率则很低，其易发程度定义为0，将10°～45°之间的斜坡的易发程度，按照不同坡度区间滑坡和崩塌自然地质现象发生的概率，进行0～1之间的线性归一化。

（3）坡高指标

本次研究中，利用GIS从DEM数据中分别提取调查区的坡高信息，根据汝阳县实际高程值进行归一化。汝阳县最大高程为1 602.4 m，最小高程为220 m，将DEM数据和最小高程值的差值除以最大、最小高程值的差值，将得到的商进行0～1之间的线性归一化。

（4）坡形指标

坡型可以利用地表的曲率进行描述和量化，直线形和凸型斜坡在曲率上的体现是曲率≥0，凹型坡和阶梯型坡的曲率＜0，因此，可利用Arc GIS平台从DEM数据中分别提取调查区的地表曲率信息，然后进行斜坡坡型的归一化。由于滑坡和崩塌主要发育在直线形斜坡和凸型斜坡上，因此，当曲率＜0时，坡面为凹型或阶梯型，易发程度最低；当曲率＞0时，坡面为直线形和凸型，易发程度较高，按照曲率的大小进行0～1之间的线性归一化。

（5）岩土体类型

按照成岩作用程度和岩、土颗粒间有无牢固连接，区内岩土介质可划分为岩体和土体两大类。按照建造类型、结构类型并结合强度，岩体又进一步划分坚硬块状混合岩岩组、坚硬厚层状石英砂岩、砂砾岩岩组、坚硬厚层状中等岩溶化石灰岩岩组、较坚硬薄层状砂岩、页岩夹薄层灰岩岩组、软弱中厚层状泥（灰）岩、砂（砾）岩、页岩岩组、坚硬块状侵入岩岩组6个工程地质岩组；土体又进一步划分为一般粉质黏土、弱湿陷－中等湿陷性黄土和层状结构粉土。本次按照调查区，将岩土体结构对滑坡、崩塌易发程度的影响进行0～1之间归一化处理得到岩土体结构指标归一化结果。

（6）植被指数指标

采用调查区的可利用Arc GIS平台从DEM数据中分别提取调查区的地表曲率信息，然后进行斜坡坡型的归一化。MODIS遥感数据计算植被指数。在统计分析前将该数据重新采样成25 m×25 m的栅格单元。

（7）降雨指标

根据调查区的降雨特性，选用降雨不均匀系数来量化降雨因素，将全区降雨不均匀系数进行0～1之间归一化差值处理。所谓降雨不均匀系数是指多年的汛期（7～9月）平均降雨量与多年的年平均降雨量之比。降雨不均匀系数可以客观的反映出某一地区降雨的不均匀性，即降雨的集中程度，也就是相对的降雨强度。降雨不均匀系数越大，说明降雨比较集中，相对的降雨强度越大

（8）人类工程活动指标

人类工程活动对滑坡、崩塌的形成发育的影响是极为复杂的，如何定量化反映是个难题。考虑到公路等交通建设是区内最具代表性的人类工程活动，对灾害影响最明显，且具有贯穿或覆盖全区的特点，本次人类工程活动的量化是以公路为基准线，做缓冲区分析，间隔500 m，分别向两边做三个缓冲区，再经栅格化和归一化处理，参与评价。由于公路是沿着河流修建，而人类工程活动主要集中在河流以及沟谷的两侧，因此这一量化方式有着实际的物理意义。

4.3 效果评述

根据各评价指标，提取每个评价单元的各项指标值，再利用空间叠加功能，将研究区各评价单元依据指标值及其权重，利用公式（1）进行叠加计算，获取各评价单元的易发程度指标，找出突变点作为分界点，将汝阳县划分为高易发区、中易发区、低易发区、非易发区（图4）。

图4 汝阳县地质灾害易发性评价区划图

地质灾害高易发区主要分布在柏树乡－靳村乡一带。涉及到的乡镇有柏树乡、城关镇西部、十八盘乡、付店镇西部、上店镇西部。总面积约431.49 k m2，占全区面积的32.57%。地貌上为中低山－丘陵区，海拔高程400～1430 m，地表出露岩性为中元古界熊耳群英安岩、安山岩，燕山期侵入花岗岩，靳村河两岸多见Q4粉土，调查区内沿坡遍布Q2棕红色黏土坡积物。该区人类工程活动强烈，主要有切坡行为为主的建房、“村村通”工程、该区公路沿线边坡开挖量大。该区发育地质灾害点160处，其中滑坡100处，崩塌32处，泥石流5处，不稳定斜坡23处。

地质灾害中易发区主要分布在东南部的中低山区。该区涉及到了付店、王坪、十八盘、三屯、刘店5个乡镇，总面积约436.92 k m2，占全区面积的32.98%。地貌上为中山区，海拔高程800～1 365 m，地表出露岩性以中元古界安山岩、英安岩及燕山期侵入花岗岩为主，付店镇中部及王坪乡南部部分地区出露有王屋期侵入闪长岩，沿坡还分散堆积大量的棕红色Q2残坡积黏土层。该区人类工程活动较强烈，主要有切坡行为为主的建房、“村村通”工程、伊鲁路和临木路的改造，以金堆城钼业公司为主的钼矿、铅锌矿开采等。该区发育有各类地质灾害点79处，其中滑坡44处，崩塌15处，泥石流5处，不稳定斜坡13处，地面塌陷2处。

地质灾害低易发区分布在汝河及其支流马兰河两岸、小店镇和三屯乡北部、城关镇西北部及陶营、蔡店两乡南部，面积276.56 k m2，占全区面积的20.88%。地貌上为丘陵－低山地貌，海拔高程400～753 m，岩性主要为中元古界汝阳群砂岩、熊耳群英安岩及安山岩，第四系中更新统黄土状粉土、全新统河流冲积粉土等。在本次调查过程中，较少发现不良地质现象。人类工程活动主要为建筑房屋以及人类耕植等，其他人类工程活动较微弱。该低易发区发育地质灾害点总数24处，其中滑坡11处，崩塌9处，不稳定斜坡3处，地面塌陷1处。

主要指县域北部的大安工业区、内埠2个乡镇和蔡店及陶营中北部地区，面积179.93 k m2，地貌类型主要为低丘、岗地和倾斜平原，海拔高程300 m左右，地质灾害类型以小型滑坡为主，因地形差别不大，其成灾范围及威胁程度均相对较小。该区发育地质灾害点总数3处，其中滑坡1处，崩塌2处。

上述分区结果与野外实地调查结果较为一致，说明评价单元的划分是较合理的，评价指标的选取也是较全面的，易发性分区较为准确，符合实际。