基于证据权模型的川西鲜水河断裂带滑坡易发性评价

王　珂，郭长宝，马施民，刘筱怡，牛瑞鹏

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京　100083；2.中国地质科学院 地质力学研究所，北京　100081；3.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京　100081)



基于证据权模型的川西鲜水河断裂带滑坡易发性评价

王珂1,2，郭长宝2,3，马施民1，刘筱怡2，牛瑞鹏1

(1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083；2.中国地质科学院 地质力学研究所，北京100081；3.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081)

鲜水河断裂带是发育于青藏高原东缘的一条大型左旋走滑断裂带，该区新构造活动强烈且历史强震频发，一系列大型-巨型滑坡沿断裂带密集分布。在资料收集的基础上，对鲜水河断裂带两侧10 km区域内进行遥感解译和野外地质调查，建立数据库并对滑坡主要影响因素进行分析。在滑坡区域发育分布规律分析的基础上，选取地形坡度、地形坡向、地面高程、平面曲率、地形湿度指数、活动断裂、工程地质岩组、年降雨量、河流、道路、植被覆盖指数等11个因素作为滑坡易发性评价因子，在ArcGIS软件平台上，采用证据权模型开展了滑坡易发性评价。根据成功率曲线对评价结果的检验，滑坡易发性评价结果具有较好的精度，并将研究区的滑坡易发程度划分为极高易发、高易发、中等易发、低易发和不易发5个级别。滑坡的易发性受鲜水河断裂带影响显著，极高易发区和高易发区主要分布在东谷到道孚县沿鲜水河断裂带两侧，以及康定县城和磨西镇附近；中等易发区主要分布在鲜水河支流两岸及省道沿线；滑坡低易发区和不易发区主要分布在人类工程活动少的高山地带以及地形相对平缓的区域。滑坡易发性评价结果很好地反映了鲜水河断裂带区域内滑坡发育分布现状，为该区重大工程规划建设和防灾减灾提供参考依据。

青藏高原；鲜水河断裂；滑坡；易发性评价；证据权模型

0　引　言

鲜水河断裂带沿线是川西地区重要的经济廊带，城市、乡镇分布较密集，国道G317、G318、省道S303等沿断裂宽谷敷设，同时，一系列重大工程也正在该区规划，如川藏铁路、高速公路、机场等，它们都不同程度地受到地质灾害的制约。目前对该区地质灾害的调查分析主要为县市地质灾害调查工作，以及部分典型地质灾害的调查、勘查和防治工作。由于该区交通条件、工作条件差，针对区域地质灾害发育分布规律、影响因素和易发性评价的工作开展较少，因此滑坡易发性评价对该区域重大工程选线和防灾减灾工作具有重要意义。本文在资料收集、遥感解译和现场调查的基础上，对鲜水河断裂带两侧10 km范围内的滑坡进行系统分析，建立数据库。基于ArcGIS软件平台，采用证据权模型对鲜水河断裂带内滑坡进行易发性评价，为该地区的重大工程规划建设和防灾减灾提供参考。

1　地质背景

1.1地质构造

鲜水河断裂带位于青藏高原东南缘的川西地区(图1)，该区河谷深切，地质构造复杂。鲜水河断裂带北起甘孜东谷附近，大体呈NW—SE向展布，向南经炉霍、道孚、康定一线，至石棉县安顺场一带逐渐减弱消失[11-13]，全长350 km。鲜水河断裂带内地层岩性复杂，广泛出露震旦纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪、三叠纪、第三纪和第四纪地层。中部西北区域主要出露三叠纪的砂岩、板岩和少量石灰岩，约占研究区面积的33%；花岗岩主要分布在研究区的东南部，占研究区面积的22.5%；第四纪沉积物主要分布在鲜水河及其支流的相邻区域和该区的一些小盆地，占研究区面积的5%左右，包括全新世冲积层、砂、粘土、砂石，更新世冲积层、砾石土、粘土；研究区零星分布有泥盆纪、石炭纪、二叠纪的石灰岩、大理岩和白云岩等。

1.2地质灾害发育分布特征

本文在已有1∶5万和1∶10万县市地质灾害区划报告的基础上，对鲜水河断裂带两侧10 km范围约7 339 km2的遥感影像进行解译并进行现场补充调查，建立了滑坡数据库。研究区内共识别出415个滑坡，滑坡总面积为36.82 km2，大多数滑坡分布在鲜水河断裂带附近。例如，1995年发生在康定县的白土坎滑坡多次堵塞折多河，位于国道G317旦都乡洛扎村段的炉霍县55道班滑坡前缘发生滑动，造成路基失稳、国道改线(图2)等。

图1　川西鲜水河断裂带构造位置图Fig.1　Geological location of the Xianshuihe Fault zone1.走滑断裂；2.逆冲断裂；3.晚更新世/全新世活动断裂；4.背斜；5.向斜；6.Ms>8.0；7.8.0≥Ms>7.0；8.7.0≥Ms>6.0；9.本文研究区

2　基于证据权法的滑坡易发性评价模型

近年来，随着地理信息系统(GIS)的广泛应用，地质灾害区域易发性、危险性评价工作也得到了快速发展[14-15]，ArcGIS软件的空间分析功能更是解决了专家评价中数据空间拓扑分析的难题[16]，已经成为滑坡空间易发性、风险性评价最有力的手段之一[17]。目前，滑坡易发性定量化评价模型主要有6类：确定性模型、统计模型、灰色模型、人工智能模型、非线性预测预报模型和信息量模型等[18]。其中，证据权模型(Weight-of-Evidence)作为一种人工智能模型被国内外学者广泛用于多元信息综合和空间决策支持系统[19-21]。由于证据权模型形式直观、透明，建模过程易于解释，符合地质问题分析解决的思路，使得该方法被广泛应用。证据权模型是以贝叶斯概率统计为基础的二元统计方法，最早应用于矿产资源储量评价[22]，随后应用于自流井位置预测，DANESHFAR等2002年应用证据权模型分析地震和断裂的空间联系[23]，该模型同样应用于滑坡易发性评价研究中[20]。本文采用基于滑坡面积概率法的证据权模型开展鲜水河断裂带滑坡易发性评价。

图2　鲜水河断裂带内典型滑坡发育特征Fig.2　Characteristics of typical landslides in the study area(a)亚拖村东南线性展布的滑坡群；(b)麻孜乡东倒葫芦状滑坡；(c)摩岗岭滑坡全貌；(d)道孚县足湾村滑坡；(e)55道班滑坡全貌

其计算公式如下：

(1)

(2)

3　滑坡易发性影响因素分析

滑坡的形成是一个复杂过程，受多种因素的影响。根据研究区地质条件、地貌和滑坡的发育分布特征，本文选取地形坡度、地形坡向、地面高程、平面曲率、地形湿度指数(TWI)、活动断裂、工程地质岩组、降雨量、河流、道路和植被归一化指数(NDVI)11个因素作为滑坡易发性评价的影响因子，并将矢量格式的影响因子图层栅格化为10m×10m分辨率的栅格格式的因子图层进行分析和统计(图3)。研究区7 339km2的范围内共划分为7 339万个栅格。

3.1地形影响因素分析

3.1.1地形坡度

坡度是最基本的地形要素。滑坡形成的关键在于斜坡体是否具备有效的临空面，缓坡重力沿斜坡方向的分量较少，下滑力较低，失稳概率较小。随着坡度的增加，重力沿斜坡方向的分量增加，斜坡易失稳变形。地形坡度与滑坡分布相关性分析表明：鲜水河断裂带内大多数滑坡发育在20°～40°坡度范围内，坡度30°～40°最有利于滑坡的形成；10°～20°和>40°的坡度范围滑坡发育较少，0°～10°的坡度范围滑坡几乎很少发育(图3(a)，表1)。

3.1.2地形坡向

坡向是地形要素中非常重要的因素，坡向会影响风化作用、气候状态、土地覆盖和土壤渗透能力等。坡向从0°到360°，分为平坦(无坡向)、N、NE、E、SE、S、SW、W和NW9类(图3(b))，鲜水河断裂带内约有26%的滑坡分布在南西向的斜坡上，这可能与南西向斜坡受阳光照射时间长、风化作用强烈有一定关系，因而斜坡容易失稳。

3.1.3地面高程

高程是地形要素中最重要的因素之一，根据数字高程模型(DEM)，研究区海拔高度1 100～6 000m，将其地面高程分为10类(图3(c))。在3 000～3 500m的高程范围，滑坡面积比例高达60%，超过滑坡总面积的一半(表1)。从3 000～3 500m开始，随着高程的降低或增高，滑坡面积比例逐渐变小。

表1　滑坡影响因子与滑坡空间关系统计

(续)表1　滑坡影响因子与滑坡空间关系统计

(续)表1　滑坡影响因子与滑坡空间关系统计

注：工程地质岩组划分见表2。

3.1.4平面曲率

平面曲率是坡度的变化率，也是诱发滑坡失稳的因素之一。平面曲率是指在地形表面上，具体到任何一点，指用经过该点的水平面沿水平方向切地形表面所得的曲线在该点的曲率值。平面曲率描述的是地表曲面沿水平方向的弯曲、变化情况，也就是该点所在的地面等高线的弯曲程度，其直接影响地表径流的汇集和分散，反映了地势的变化情况。曲率为正表示该处地势向上凸，曲率为负表示该处地势向下凹。0值表示该栅格处地势没有变化。研究区中滑坡所在栅格曲率值范围在-8.36到12.06之间(表1)。曲率大的区域土壤的湿度大，从而会增加土壤饱和度，加快侵蚀，进而降低斜坡稳定性。

3.1.5地形湿度指数

地形湿度指数(Topographic Wetness Index, TWI)可以定量模拟流域内土壤的干湿状况，其计算公式如下：

TWI=ln(As/tanβ)

(3)

式中：As为特定集水区面积(m2)，β是坡度(°)。

TWI是重要的滑坡影响因素之一。研究区内发育滑坡的区域其TWI值较高(图3(f))，其主要原因是地形湿度指数愈大，该区具有更大潜力的饱和带发育，土壤愈容易达到饱和，因而更易发育滑坡，所以大多数滑坡发育在TWI值高的区域。

3.2活动断裂影响

构造活动在地质灾害形成过程中起着非常重要的作用[26]，地壳抬升、断裂活动、地震等内动力作用直接或间接影响着滑坡的形成和演化[27]。鲜水河断裂带是控制研究区滑坡类型和滑坡分布的最主要因素，断裂活动造成岩体破碎强烈，岩体力学性质差，断裂活动诱发地震的同时也造成大量山体崩塌、滑坡。活动断裂与滑坡分布相关性分析表明：滑坡主要分布在鲜水河断裂带的两侧，大约23%、22%和21%的滑坡分布在距离断裂0.0～0.5 km、0.5～1.0 km和1.0～1.5 km的区域内，整个研究区2/3的滑坡分布在距离鲜水河断裂1.5 km的区域内(图3(e))。从距离断裂1.5 km开始，滑坡的面积比例随着距断裂的距离的增大而减小。因此距离断裂带0～1.5 km是滑坡发育最优势的区间范围，活动断裂对滑坡的发育分布影响十分显著。

3.3岩性因素

岩土体是滑坡形成的物质基础，其岩性及结构特征对滑坡变形失稳的影响非常显著[28]。研究区划分为9类工程地质岩组(表2)，其中坚硬薄-厚层状砾岩、砂岩岩组是最易发育滑坡的岩组(表1, 图3(g))。坚硬碳酸盐岩岩组是由第四纪砂、粘土以及崩积物组成的，岩性较弱，斜坡在降雨和重力作用下极易被破坏，也极易形成滑坡。花岗岩在研究区大面积分布，但是滑坡在此岩组中极少发育，这与花岗岩体的力学性质较好有一定关系。

3.4降雨因素

降雨也是诱发滑坡的因素之一。将降雨数据划分为6个级别，分别是<700 mm，700～750 mm，750～800 mm，800～900 mm，900～1000 mm和1000～1100 mm，滑坡所占每个级别的面积百分比为38.47%，21.38%，31.40%，3.08%，1.79% 和3.88%(图3(h))。随着降雨量的增加，滑坡百分比没有显著增加的趋势(表1)。这表明在研究区短时间降雨就能打破斜坡体临界平衡，从而造成斜坡失稳。

3.5河流因素

河流是控制坡面侵蚀过程的主要因素之一，流水侵蚀力直接影响坡脚冲蚀和河流下切。借助ArcGIS软件获取了从0 m到900 m河流缓冲区，得到10个河流级别(图3(i))。研究区约36.0%滑坡分布在距离河流300 m区域内，距离河流越近，斜坡失稳的概率越高。

3.6道路因素

道路建设特别是切坡是导致斜坡失稳的重要因素。在区内道路数据库建设的基础上，获取从0 m到900 m道路缓冲区，得到10个道路级别(图3(j))。分析表明100 m、200 m和300 m的缓冲区内斜坡失稳的概率较高，从100 m开始，随着与道路距离的增加，滑坡比例也逐渐增加。因此，距离道路300 m内最有利于斜坡的失稳。

3.7NDVI因素

地表的植被覆盖同样影响滑坡的发育和分布[29]。归一化植被指数(NDVI)是对ETM+遥感影像经过处理，增强植被信号，削弱噪音组合而成，是植被生长状态及植被覆盖度最佳指示因子。其计算公式为近红外波段反射值与红光波段反射值之差比上两者之和：

(4)

式中：IR为近红外波段的反射值，R为红光波段的反射值。

将NDVI值分为10个级别，分别是<0.0，0.00～0.05，0.05～0.1，0.1～0.15，0.15～0.2，0.2～0.25，0.25～0.3，0.3～0.35，0.35～0.40和>0.4(表1, 图3(k))；空间分析表明，研究区内NDVI值较高的区域，滑坡易发性程度较低(表1)。

表2　研究区工程地质岩组分类

4　滑坡易发性评价结果检验与分析

将Wfi作为因子权重，分别对11个影响因子进行叠加，得到滑坡易发性指数(Landslide Susceptibility Index, LSI)。LSI越高，滑坡易发程度越高。

LSI=∑Wfi

(6)

式中，i为地形坡度、地形坡向、地面高程、平面曲率等11个影响因子。

4.1结果检验

滑坡易发性评价结果还需进行检验。本文采用成功率曲线检验方法(ROC曲线)对滑坡易发性评价结果进行检验，即易发区面积百分比累加与实际滑坡面积百分比累加形成的曲线进行检验(图4)，曲线下的面积为0.90，说明证据权滑坡评价模型的成功率为0.90。

图4　滑坡易发性评价成功率曲线Fig.4　Success rate curve for landslide susceptibility value

4.2评价结果分析

在滑坡易发性指数的基础上，根据自然断点法，将研究区按滑坡易发程度分为5个级别：极高易发、高易发、中等易发、低易发和不易发，分别占研究区总面积的13%、21%、27%、23%和16%(图5)。极高易发区和高易发区主要分布在东谷到道孚县沿鲜水河断裂带及鲜水河河谷两侧，包括康定县城和磨西镇附近；中等易发区主要分布在鲜水河支流两岸及省道沿线两侧300 m；低易发区和不易发区主要分布在人类工程活动微弱的高山地带以及地形相对平缓的区域。根据野外调查的结果，证据权模型得到的滑坡易发性评价结果与实际条件相符。

图5　研究区滑坡灾害易发性评价结果Fig.5　Landslide susceptibility map of the study area

5　结　论

本文在资料收集、遥感解译和现场调查的基础上，采用证据权模型(WOE)开展鲜水河断裂带滑坡易发性评价，取得以下主要认识：

(1)建立鲜水河断裂带两侧10 km范围的滑坡数据库，共识别415个滑坡，约2/3的滑坡分布在距离鲜水河断裂1.5 km的区域内，部分滑坡直接跨越鲜水河断裂带，受鲜水河断裂带影响显著。

(2)统计分析表明，研究区内，在坡度20°～40°、坡向为南西向、高程3 000～3 500 m、曲率较大、TWI值较高和NDVI值较低的区域较易发育滑坡；断裂带内岩体力学性质差，在降雨作用下极易发生滑坡；坚硬薄-厚层状砾岩、砂岩岩组和坚硬碳酸盐岩岩组是较易形成滑坡的工程地质岩组；距离活动断裂、河流和道路越近，滑坡也越容易发生。

(3)选取地形坡度、地形坡向、地面高程、平面曲率、地形湿度指数(TWI)、活动断裂、工程地质岩组、降雨量、河流、道路和植被归一化指数(NDVI)11个因素作为滑坡易发性评价影响因子，基于GIS软件采用证据权模型进行空间分析和评价，将研究区划分为极高易发区、高易发区、中等易发区、低易发区和不易发区5类。滑坡极高易发区和高易发区主要分布在东谷到道孚县沿鲜水河断裂带及鲜水河河谷两侧，以及康定县城和磨西镇附近；滑坡中等易发区主要分布在鲜水河支流两岸及省道沿线两侧300 m；滑坡低易发区和不易发区主要分布在人类工程活动微弱的高山地带以及地形相对平缓的区域。

致谢:中国地质科学院地质力学研究所汪西海教授级高工、张瑞端硕士、付晓晓硕士，四川省地质勘察局九一五地质队周毅工程师、钟东高级工程师等参加了部分野外地质调查工作；中国地质调查局成都地质调查中心郑万模教授级高级工程师、倪化勇副研究员在资料收集分析中给予大力支持；中国地质科学院地质力学研究所张永双研究员对本文进行指导，杨志华博士后、杜国梁博士生对ArcGIS分析提供了帮助，审稿人和编辑老师对本文提出了有益的修改意见，在此一并表示感谢。

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Landslide Susceptibility Evaluation Based on Weight-of-Evidence Modeling in the Xianshuihe Fault Zone, East Tibetan Plateau

WANG Ke1,2, GUO Changbao2,3, MA Shimin1, LIU Xiaoyi2，NIU Ruipeng1

( 1.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China;2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China;3.KeyLaboratoryofNeotectonicMovementandGeohazard,MinistryofLandandResources,Beijing100081,China)

Xianshuihe Fault zone is a sinistral-slip fault system on the eastern margin of the Tibetan Plateau with high Quaternary activity and frequently historic earthquakes. And large landslides are distributed along the fault zone. This paper investigated the landslide distribution characteristics in an approximately 7,339 km2area and adopted Weight-of-Evidence Model (WOE) to develop landslide susceptibility evaluation. A detailed landslide inventory was prepared with a total of 415 landslides. Eleven landslide-causative factors were analyzed including slope angle, slope aspect, altitude, planform curvature, topographic wetness index (TWI), active fault, lithology, annual rainfall, rivers, roads and the NDVI of the study area. Susceptibility mapping schemes with WOE model were put out in this study and the assessment result with ROC method showed that the WOE model had got well result responses. The landslide susceptibility in the study area is controlled by the activity of Xianshuihe Fault zone, and is divided into five levels including no susceptible, low susceptible, moderate susceptible, high susceptible and very high susceptible according to landslide susceptible degree. The areas with very high and high landslide susceptibility are mainly distributed on both sides of Xianshuihe Fault zone from Donggu to Daofu County as well as Kangding County and Moxi town nearby. The moderate susceptibility areas are mostly along the tributaries of the deep-cutting valleys and the roads. Besides, the low and no susceptibility areas are mostly distributed on high mountain areas where human engineering activity is weak, as well as areas where is relatively flat. The evaluation results reflect that the current situation of geological disasters in Xianshuihe Fault zone is well. The result can be used for the planning of geological disaster prevention and the major construction in the region.

Tibetan Plateau; Xianshuihe Fault; landslide; susceptibility evaluation; WOE model

2015-05-25；改回日期：2016-01-14；责任编辑：潘令枝。

中国地质调查局项目(12120113038000)；“十二·五”国家科技支撑计划项目(2011BAK12B09，2012BAK10B02)；国家科技基础性工作专项(2011FY110100-2)；中铁二院科研计划项目(二院科字13164007)；国家自然科学基金项目(41402321)。

王珂，男，硕士研究生，1989年出生，矿产普查与勘探专业，主要从事工程地质与地质灾害方面的研究。

Email：wangke_89@126.com。

郭长宝，男，博士，副研究员， 1980年出生，地质工程专业，主要从事工程地质与地质灾害方面的研究。

Email：guochangbao@163.com。

P642.2；P694

A

1000-8527(2016)03-0705-11