怒江州斜坡地质灾害孕灾环境因素敏感性研究

2018-10-12李益敏谢亚亚蒋德明段亚苹

水土保持研究 2018年5期

李益敏,谢亚亚,蒋德明,段亚苹

(1.云南大学资源环境与地球科学学院,昆明 650504; 2.云南省地理研究所高原山地灾害与环境研究中心,昆明 650223)

斜坡地质灾害是体积巨大的表层物质在重力作用下沿斜坡向下运动，导致人员伤亡和巨大财产损失的地质灾害。崩塌、滑坡及泥石流是典型斜坡地质灾害的表现形式，在特殊孕灾条件下易引发崩滑流群发成灾的现象[1]，对人民生命、财产、安全以及基础设施建设等造成重大威胁，严重阻碍着社会经济的可持续发展。地震、降雨、地形地貌以及人类活动等孕灾环境因素，为斜坡地质灾害的发生提供了良好条件。目前，国内外学者对斜坡地质灾害进行了大量研究，如Raghuvanshi等[2]通过考虑对边坡失稳的内在和外部触发参数，提出了一种新的边坡敏感性评价参数方案(SSEP)；O.F.Althuwaynee等[3]采用决策树模型对韩国Pohang Kyeong Joo流域进行了滑坡易发性区划，并将其结果与多元逻辑回归模型进行对比;陈曦炜等[4]对降雨诱发型地质灾害风险进行评估；庆丰等[5]主要分析了人类活动对地质灾害的影响。

目前，学者们主要开展了地质灾害的防治、管理、危险性区划、风险性评估、易发性评价、预测预警等方面的研究，并取得了重要成效[6-9]。地质灾害的发生影响因素多而复杂，地质灾害孕灾环境敏感性研究作为相关研究的基础，综合分析各孕灾因子对灾害发生的概率尤为重要，对提高区域灾害预测预报的精度具有重要的价值，对地质灾害防灾减灾有着重要的指导作用。

我国在青藏高原隆升以及季风气候的自然环境条件影响下，地形起伏大、地质构造复杂、降水集中，使得斜坡地质灾害发生频繁[10]，伴随着社会经济的快速发展，灾害带来的损失也愈发严重。基于上述情况，本文以怒江州高山峡谷区为研究区，选取海拔、坡度、河流、道路、地层岩性、断裂带、降水量以及土地利用8个孕灾环境指标，采用确定性系数概率模型，开展斜坡地质灾害孕灾环境敏感性研究。研究CF模型应用于高山峡谷区孕灾环境中的合理性与可行性。

1 研究区概况

怒江傈僳族自治州，位于云南省西北部的三江并流世界自然遗产地，地理坐标为98°09′—99°39′E，25°33′—28°23′N；辖1市3县共29个乡镇。怒江州最高海拔5 128 m，最低海拔738 m，相对高差达4 390 m，属典型的高山峡谷地貌，南北向总体地势北部高南部低。区内有高大的担当力卡山、高黎贡山、碧罗雪山、云岭以及水流湍急的独龙江、怒江、澜沧江由西向东相间并列分布，形成了深切割高山峡谷地貌。怒江断裂、澜沧江断裂及碧罗雪山断裂等深大断裂及次级断裂均较发育,致使区内岩石挤压变形,节理裂隙发育，岩体的完整性遭到破坏,降低了坡体的稳定性,为斜坡地质灾害的形成提供了有利的条件[11]。怒江州平均坡度32°，坡度大于35°区域占44.28 %。受地形及大气环流的影响，从谷底到山顶形成了独特的山地垂直气候带：亚热带—温带—寒带。境内河流密集，除独龙江、怒江以及澜沧江三大干流之外还有183条较大支流。由于降水的季节性差异，冬、夏季节降水量差别较大，加之特殊的地形地貌特征，常常引发崩塌、滑坡及泥石流等斜坡地质灾害。给当地人民生命安全及财产造成了重大影响，严重阻碍着当地社会经济的发展。

2 研究方法

2.1 数据源

数据源包括，研究区1∶5万DEM，1∶25万交通图、地质图，2014年高分一号卫星影像数据，国土部门收集的怒江州1 366起历史斜坡地质灾害点(滑坡630起，崩塌283起，泥石流453起)，2017年1月至9月的10起地质灾害数据。所有空间数据经投影转换统一到西安80坐标系下。

2.2 指标因子选择

建立科学合理的指标体系，是研究结果准确、合理的关键。结合研究区实际情况和数据资料的全面性、可获得性，选取海拔、坡度、河流、道路、地层岩性、断裂带、降水量、土地利用类型8个因子作为孕灾环境因子。

在确定指标因子的基础上，进行各个因子的分级(分类)，详见表1和附图3。其中地层岩性分级参照Wei F[12]的方法，将怒江州地层岩组分为5类。其中1类以泥质灰岩、灰色白云岩、厚层至块状含燧石结核结晶灰岩为主，2类以片麻岩、变粒岩、石英片岩夹角闪片岩为主，3类以砂质黏土、砂砾石、粉砂质泥岩为主，4类以砂岩夹泥岩、页岩夹灰岩为主，5类以砾岩、黏土岩夹褐煤为主(表1)。

2.3 模型方法

(1) 确定性系数概率模型。确定性系数CF (certainty factor)方法作为一个概率函数,最早由Shortlife 和Buchanan提出,由Heckerman加以改进,用来分析影响某一事件发生的各因素的敏感性。该方法主要是通过历史灾害点与孕灾环境因子之间的定量关系来确定灾害发生的敏感性，即预测未来潜在灾害在达到同相似条件区域的其他灾害发生时所处的相同环境时，也可能会发生灾害。计算公式如下：

(1)

式中：PPa为斜坡地质灾害事件在数据类a中发生的条件概率；PPs为斜坡地质灾害事件在整个研究区a中发生的概率。PPa在实际应用中可以表示为代表数据类a的单元中存在的灾害数目与单元面积km2)的比值，PPs可以表示为整个研究区的斜坡地质灾害数目与研究区面积(km2)的比值。

基于上述公式计算所得的CF的值域区间为[-1，1]。当结果为正，表明灾害发生的可能性增大，此区域为灾害易发区；反之，结果为负，则代表事件确定性的降低，表示灾害失稳的确定性低，不易发生灾害；如果计算结果接近于0值，则代表先验概率与条件概率十分接近，事件发生的确定性不可能确定，即此单元不能确定是否发生灾害。

(2) 敏感性指数。确定性系数概率模型其优势在于能反映某一孕灾环境因子的易发区间，但不能从整体上表达这类因子对灾害发生的贡献程度，而敏感性指数E主要反映孕灾环境因子敏感度的大小，这一方法可以从整体上分析每一类因子对斜坡地质灾害失稳的影响，对研究区域灾害敏感性分析指标体系提供定量化依据[13]，公式如下：

Ei=CF(i,max)-CF(i,min)

(2)

式中：Ei为某一个因子对斜坡地质灾害敏感性的影响指数；CF(i，max)为孕灾环境因子i各类别对斜坡地质灾害确定性系数值(CF)的最大值；CF(i，min)为孕灾环境因子i各类别对斜坡地质灾害确定性系数值(CF)的最小值。

3 结果与分析

3.1 斜坡地质灾害孕灾环境敏感性分析

3.1.1 海拔怒江州为高山峡谷地区，海拔738～5 128 m，相对高差达4 390 m，由于高差较大以及复杂的地形地貌条件，对水热条件的再分配造成了重要影响，形成了独有的山地垂直气候带，海拔的变化对气候、降水、植被类型等因素有着直接的影响，进而间接的影响着斜坡地质灾害的发生。海拔分级参考文献[14]按不同垂直气候带划分(附图3A)。通过GIS技术，由DEM得到海拔分级图，建立海拔与斜坡地质灾害发生的关系，采用CF模型方法，分析各海拔分级对斜坡地质灾害发生的敏感性。

通过表2可以看出，海拔<2 400 m范围内是怒江州斜坡地质灾害易发区域，特别是<1 900 m范围内是斜坡地质灾害的高易发集中区域。该区域也是人类活动较为集中的地区，耕作及工程建设等对自然环境的破坏较为严重，加之低海拔区域水系发育，对边坡切割较为明显，使得斜坡地质灾害发生的概率较大。

3.1.2 坡度坡度是斜坡地质灾害发生的一个重要性控制因素，斜坡地质灾害的发生关键在于斜坡体是否具有有效的临空面。将坡度划分为5个等级(附图3B)，应用CF模型分析方法，对研究区内坡度与斜坡地质灾害的发生之间关系进行研究，结果见表3。

表3显示，不同坡度分区与斜坡地质灾害的发生有较为密切的关系。怒江州8°～35°范围内CF较大，证明这一坡度区极易发生斜坡地质灾害。

表1 斜坡地质灾害孕灾环境因子分级(分类)及数据来源表

3.1.3 河流河流两岸属于典型的自然切坡，通过侵蚀作用河流沿岸边坡临空面积增大，使得上部斜坡易发岩土体超过自身承载力向下滑动而导致斜坡地质灾害的发生。不同河流等级其侵蚀作用各不相同，使得斜坡地质灾害发生的概率也不相同。本文通过DEM提取河流，根据怒江州现有自然条件建立200 m间隔的河流缓冲区(附图3C)，通过CF模型，研究河流与斜坡地质灾害之间的关系，得出距河流距离不同等级范围内的敏感性，结果见表4。

表2 海拔分级及CF值确定表

表3 坡度分级及CF值确定表

表4 距河流距离分级及CF值确定表

通过表4可以看出，0～600 m范围内河流对斜坡地质灾害的发生影响较大；距河流距离越远，其CF值越小，呈现出明显的递减规律性，表明河流对斜坡地质灾害发生的控制力随着距离的增大而减小。

3.1.4 道路道路对斜坡地质灾害的影响主要表现在人们修建道路时对边坡的开挖、爆破等加剧了斜坡地质灾害的发生。怒江州属于高山峡谷区，山高谷深，地质构造复杂，生态环境极为脆弱，是地质灾害敏感区，研究区人类活动条件下诱发斜坡地质灾害的频率明显增加。在GIS技术支持下，建立以200 m为间距的距离道路缓冲区等级图(附图3D)，分析道路与斜坡地质灾害的关系，具体见表5。

表5 距道路距离分级及CF值确定表

从表5可以看出，道路对斜坡地质灾害发生的影响范围主要集中在0～400 m范围内，其CF值超过0.4，该范围为斜坡地质灾害发生的主要控制因素之一；距道路距离越远，其CF值越小，道路对斜坡地质灾害的发生影响程度相应降低。

3.1.5 地层岩性地层岩性作为斜坡地质灾害易发敏感性不可缺少的影响因子之一，是区域斜坡地质灾害分布的主控因素。其岩石的坚硬程度、类型以及结构特征在一定程度上反映出了岩土体的力学强度，还表征了岩石的抗风化、抗侵蚀能力，对于斜坡岩土体变形失稳的影响极为明显。通过研究区1∶25万数字化地质图提取，结合文献[13]中提出不同地层岩性对滑坡泥石流灾害形成的贡献，本文以地层组为基本单位，对地层岩性指标进行归类化处理，将怒江州地层组定量分级标准为5类(附图3E)，研究怒江州地层岩性与斜坡地质灾害发生的关系，分析结果见表6。

表6 地层岩性分类及CF值确定表

从表6可以看出，地层岩性分类中1，3，5类型的CF值较高，特别是1，5两个类型发生斜坡地质灾害的概率较大，其CF值均大于0.5。怒江州1，3，5类岩性主要为泥质灰岩、砂岩、泥岩、粉砂岩、砂质黏土、砂砾、石砾岩、黏土岩等较为松散的岩石种类，有利于斜坡地质灾害发生的发生；而2，4类岩性主要为板岩、石英岩、大理岩以及流纹岩等较为坚硬的岩石种类，不易发生斜坡地质灾害。

3.1.6 断裂带断裂构造的破碎带影响范围较广，可长达几公里乃至数十公里，沿断裂构造带上软弱构造面发育，岩石极为破碎，风化程度较高，使得地下水富集和排泄，易发生斜坡地质灾害。研究区内断裂带以南北向为主，有少量东西向分布的断裂带(附图3F)，对研究区内距断裂距离不同区域的确定性系数进行分析，分析结果见表7。

从表7中可以看出，距断裂距离1 600 m以内区域，斜坡地质灾害的发生的概率极高，而1 600 m范围外斜坡地质灾害发生概率较低。

3.1.7 降雨量降雨量的大小、分布以及变化规律，对斜坡地质灾害的发生有影响，本文采用2012—2016年怒江州87个雨量监测站点的平均最大日降水量数据，在GIS技术的支持下，用反距离权重法进行空间插值计算出怒江州2014—2016年平均最大日降水量分布图(附图3G)，并划分为7个等级，以分析怒江州降雨与斜坡地质灾害之间的关系，分析结果见表8。

表7 距断裂距离分级及CF值确定表

表8 降雨量等级及CF值确定表

通过表8可以明显看出，降雨量与斜坡地质灾害的发生有着密切的关系，平均日降水量越大越容易发生斜坡地质灾害。平均日降水量超过70 mm，发生斜坡地质灾害频率较高。

3.1.8 土地利用不同土地利用类型对斜坡地质灾害发生的影响程度不同。而人类对土地的不合理利用方式会加剧斜坡地质灾害的发生。本文通过遥感解译，并结合土地利用一级分类标准将土地利用类型分为：林地、草地、耕地、水体、建设用地以及未利用地6大类型(附图3H)，采用CF模型，建立6种土地利用类型与斜坡地质灾害发生之间的关系，结果见表9。

表9 土地利用类型及CF值确定表

通过表9可以看出，斜坡地质灾害发生概率较大的土地利用类型为耕地和建设用地，CF值分别为0.897，0.997。怒江州为高山峡谷区，山高谷深平地少，人类耕作以及工程建设都会对边坡进行开挖，使得边坡稳定性降低，进而促使斜坡地质灾害的发生。

3.2 孕灾环境因子对斜坡地质灾害敏感性的影响程度分析

影响斜坡地质灾害发生的因素多且复杂，本文通过对不同因子孕灾环境的研究，得出不同因子的不同分级(分类)对斜坡地质灾害发生的影响程度各不相同，通过敏感性指数确定各孕灾环境因子的敏感性指数E，从而在整体上反映出该因子对斜坡地质灾害失稳性影响程度。

表10 斜坡地质灾害孕灾环境因子影响程度

表10反映各因子对研究区斜坡地质灾害影响程度。其中海拔、土地利用、道路、水系4个因子敏感性指数较高，均超过1.5，说明研究区斜坡地质灾害的发生主要受这4个因子的控制。怒江州山高谷深，河流对边坡的切割作用明显；海拔对地质灾害的影响也较大，怒江州低海拔地区灾害频发，一方面是低海拔地区受人类干扰较大，另一方面可能是高海拔地区人口分布少，发生的地质灾害没有造成人员伤亡未采集或没有被发现而未采集。道路的修建、不合理的土地利用方式以及开矿等人类活动容易诱发地质灾害。地层岩性和坡度是斜坡地质灾害发生的基本条件，而降雨量作为斜坡地质灾害诱发因子之一，对斜坡地质灾害的发生也有不可忽视的作用，其敏感性值都在1.0以上。

3.3 孕灾环境敏感性分区与验证

将CF模型计算结果赋值到各个敏感性因子分级(分类)中，并在ArcGIS支持下，对8个因子进行叠加分析，采用自然断点法，将研究区斜坡地质灾害敏感性分为5个等级：极低敏感区、低敏感区、中敏感区、高敏感区和极高敏感区(附图3I)。统计各敏感性区域的面积、比例以及各级别的灾害点个数和比例，结果如表11所示。

怒江州斜坡地质灾害高敏感区域主要分布在河流以及道路沿线，与实际历史斜坡地质灾害发生点较为吻合。统计各敏感性等级区域的面积分布分别为：极低敏感区面积为2 882.3 km2，低敏感区面积为4 510.3 km2，中敏感区面积为3 443.6 km2，高敏感区面积为2 393.5 km2，极高敏感区面积为1 216.1 km2。

表11 敏感性级别面积比例和检验灾害点在各级别中的分布比例

通过以上分析，进一步统计出历史斜坡地质灾害点在不同敏感性等级范围内的分布情况，得出各敏感性等级范围内斜坡地质灾害密度。斜坡地质灾害点的分布密度随着敏感性等级的升高而逐渐增加，二者呈现良好的正相关，与指数函数关系较为吻合，采用公式y=0.000 3e1.536 9 x定义，相关系数达到0.972 5。

3.4 2017年地质灾害数据与结果验证

以怒江州国土局提供的2017 年1月至9月发生的10起地质灾害作为验证数据，包括滑坡7起，崩塌1起，泥石流2起，将灾害点数据和怒江州孕灾环境敏感性分区图进行叠加，统计各敏感性分区内地质灾害个数，极高敏感区内发生地质灾害6起，高敏感区内3起，中敏感区内1起，可见灾害大多发生在高、极高敏感区内，占总灾害个数的90%，低敏感区内未发生地质灾害(表12)。