基于GIS的京藏高速公路京张段沿线地质灾害危险性评价

2018-10-26李焕彬张春山申俊峰孟华君张向营

西部探矿工程 2018年10期

李焕彬，张春山，申俊峰，孟华君，张向营

(1.中国地质大学〈北京〉地球科学与资源学院，北京100083；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081）

京藏高速公路(G6)东起北京西至拉萨，在北京至张家口段（京张段），公路跨越平原、丘陵、山区3种地貌，公路沿线地质灾害较发育，灾害类型以滑坡、崩塌（危岩体）、泥石流为主。其中，昌平—八达岭段是地质灾害最严重的地区，严重影响了局地交通安全和国家经济大动脉的运转。因此，进行京藏高速公路京张段沿线地质灾害危险性评价，对社会经济的发展和提升公路减灾决策水平具有重要的现实意义。

1 区域环境地质背景

研究区在区域大地构造单元上属于华北地台，其中次一级构造单元为内蒙古隆起和山西断隆。从东至西地貌类型为中山、盆地，地形西北高东南低，年均降雨量在400～800mm之间。地质灾害类型主要为崩塌、滑坡和泥石流，主要分布在八达岭镇、土木镇周围。发育崩塌、滑坡40处，泥石流15处，灾害体规模绝大多数为较小到中等。在研究区域内，新生界、中生界、古生界、元古界及太古界地层均有出露，在长期的地质演化过程中，该区形成了东西、北东和北西向3组主要活动断裂带在空间上交叉的构造格局。

2 评价方法及评价过程

层次分析法是目前应用最广泛的地质灾害危险评价方法[1-3]，该方法是目前求取地质灾害影响因子权重的较好方法,但该方法却无法有效地反映评价结果的空间分布格局,存在一定的不足，而GIS技术具有较强的空间分析能力,恰好可以解决上述不足。因此，本文采用层次分析法和GIS技术相结合，以京藏高速公路京张段沿线地质灾害为研究对象，沿公路两侧分别扩展15km作为研究区范围，对公路沿线地质灾害危险性进行评价。

2.1 评价因子选取

基于对京藏高速公路京张段野外调研，结合资料收集、整理和分析，筛选出公路沿线地质灾害点密度（x1）、工程岩组（x2）、年均降雨量（x3）、斜坡坡度（x4）、斜坡高差（x5）、断裂（x6）、地震动峰值加速度（x7）、公路（x8）、河流（x9）、植被类型（x10）等10个地质灾害危险性评价因子。

2.2 评价因子权重系数确定

本文拟采用层次分析法确定地质灾害危险性评价因子的权重，进而构建判断矩阵。为了量化各评价因子的权重，评价因子之间需形成一个两两对比的矩阵，利用1～9标度表示评价因子之间的影响强弱（表1）。通过相关工程的实际情况，确定各判别因子之间的相对重要性并赋与相应的分值，最后得到所需的判断矩阵U（表2）。

评价因子权重确定方法如下：

表1 1～9标度的意义表

表2 判断矩阵U

第一步：计算判断矩阵每一行因子的乘积Mi，即则当i=1时，×x19×x110=302400。同理，可计算其他9个因子的判断矩阵乘积。

第二步：计算Mi的N次方根，同理，可计算出其他9个因子的N次方根。

第三步：进行归一化处理，确定权重ai，即同理可得其他9个因子归一化处理后的数据。于是得到，a=[a1,a2,a3,…,a10]T=[0.252,0.204,0.157,0.118,0.084,0.064,0.045,0.034,0.025,0.018]T，式中a为所求的特征向量，即各因子对应的权重值。

第四步：计算最大特征值λmax，即λmax=

以上得到的权重分配是否合理，还需要对判断矩阵进行一致性检验，即：CR=CI/RI，式中CR为判断矩阵的随机一致性比率,CI为判断矩阵的一般一致性指标，CI=(λmax-n)/(n-1)，RI为平均随机一致性指标(表3)，可查表求取。当判断矩阵U的CR＜0.1时或λmax=n,CI=0时，认为具有满意的一致性，即认为判断矩阵的一致性可以接受。对于该计算过程，CI=(10.589-10)/（10-1）=0.065，由于矩阵为10阶，则RI=1.49，于是得到CR=0.044＜0.1，表明权重计算结果合理。最后得到地质灾害危险性评价因子权重如表3所示。

2.3 评价因子分级赋值

根据京藏高速公路的具体实际情况,结合专家经验法，对地质灾害危险性评价因子进行分级赋值。将10类因子分成5级，每一等级赋的最高值为10，最低值为1。赋值越高表示该等级对京藏高速公路地质灾害危险性的贡献率越大。具体分级赋值见表4。

2.4 评价模型的建立

公路沿线地质灾害危险性主要采用综合指数来表示。公路地质灾害危险性综合指数是公路地质灾害危险性分区的量化指标，据此进行分级、分区评价[4-5]。公路地质灾害危险性综合指数计算公式为：

式中：D——地质灾害危险性综合指数；

ai——因子权重；

xi——因子赋值。

根据前面各因子的权重系数和分级赋值，京藏高速公路京张段地质灾害危险性评价数学模型为：

3 地质灾害危险性综合分区

3.1 建立单因子图层

利用ArcGis平台的缓冲区分析功能，计算栅格单元大小为100m×100m，基于表5对各影响因子的影响范围进行划分，进而建立了相应的10个地质灾害危险性评价单因子图层。

表3 平均随机一致性指标和评价因子权重表

3.2 京藏高速公路京张段地质灾害危险性综合分区

在ArcGis平台利用所建立的京藏高速公路地质灾害危险性评价模型对地质灾害危险性评价单因子图层进行叠加运算,得出地质灾害危险性综合指数。地质灾害危险性综合指数越大,公路地质灾害危险度越高。利用统计学的自然断点法，对叠加运算结果进行重分类，把京藏高速公路地质灾害危险性划分为5个等级，即极高危险区、高危险区、中危险区、低危险区、极低危险区，划分的级别标准见表5，京藏高速公路京张段地质灾害危险性分区见图1。

3.3 评价结果分析

表4 地质灾害危险性评价因子分级及赋值表

通过对研究区内地质灾害危险性分区进行统计分析得出，区内地质灾害危险度局部较高，大部地区为中低危险区（表5）。从结果分析可以看出，地质灾害点的分布与危险性分区具有很好的相关性，说明本次危险性分区能够比较客观反映区内地质灾害危险度的分布情况，分区结果比较理想。

3.3.1 地质灾害极高危险区

主要分布于八达岭镇、南口村北部，零星分布于土木镇北部和新保安镇北部。分布面积325km2，占总面积6.46%。地质灾害类型主要为崩塌（危岩体）、滑坡、泥石流，发育崩滑体17处、泥石流6处，占灾害点总数41.8%，主要分布于八达岭镇周围。该区地形切割强烈，高差大于130m，坡度一般大于35°，岩体较破碎，构造复杂，有北西向和北东向活动断裂穿越，具备发生地质灾害的良好条件。在降雨、人类活动等条件下，特别容易发生地质灾害。威胁对象主要为G6高速公路、国道G110、铁路京包线和游客。

表5 各危险度等级区划分标准和灾害点的数目统计表

3.3.2 地质灾害高危险区

主要分布于南口村南部、昌平区北部和八达岭镇周围，北沙城乡西北、新保安镇北、土木镇北、小南辛堡镇南等带零星分布。分布面积649km2，占总面积12.9%。地质灾害主要类型为崩塌（危岩体）、滑坡、泥石流，发育崩滑体12处、泥石流5处，占灾害点总数30.9%，主要分布在八达岭镇周围、土木镇北边、小南辛堡镇南边。该区地形切割较强烈，高差主要为85～130m，坡度一般为25°～35°，岩体较破碎，新保安镇北边发育多条断裂，为北西、北东向的活动断裂和北东向的一般断裂；容易发生地质灾害。主要威胁对象是G6高速公路、国道G110、铁路京包线、G7高速公路。

3.3.3 地质灾害中危险区

主要分布于康庄镇、沙河镇，部分分布于土木镇，小南辛堡镇南、沙城镇北、新坝房村西北等零星分布。分布面积1162km2，占总面积23.1%。主要地质灾害类型为崩塌、泥石流，发育崩塌8处、泥石流2处，占灾害点总数18.2%，主要分布于土木镇东边。该区地貌主要为山麓地带，高差主要为50～85m，坡度一般为15°～25°，在沙河镇、土木镇附近有活动断裂分布，岩性主要为冲洪积物，地质灾害的发生受河流、人类工程活动影响较大，发生地质灾害的可能性一般。主要威胁对象为G6高速公路、居民和农田。

3.3.4 地质灾害低危险区

主要分布于东花园镇、小南辛堡镇、西八里镇、宣化区、岭子镇、北沙城乡等。分布面积2357km2，占总面积46.9%。发育崩滑体3处、泥石流1处，占灾害点总数7.3%。该区地貌为盆地，高差主要为20～50m，坡度较缓，一般为5°～15°，岩性为冲积物。地质灾害的发生主要受人类工程活动、河流等控制。发生地质灾害的可能性低，威胁对象主要是G6高速公路、官厅水库、居民和农田。

表6 G6京张段地质灾害危险程度分段

3.3.5 地质灾害极低危险区

主要分布在安家堡乡北、孔家庄东北、沙岭子镇东、顾家营镇东和安家堡乡、姚家房镇、沙岭子镇等南边10km外。分布面积531km2，占总面积10.6%。发育泥石流1处，占灾害点总数1.8%。该区地貌为盆地、平原，高差为0～20m，坡度极缓，一般为0°～5°，无断裂通过，人类工程活动、河流等影响较小，不具备发生地质灾害的条件。目前，基本无地质灾害发生。将来发生地质灾害的可能性极低，威胁对象主要是G6高速公路、居民和农田。

根据地质灾害危险性评价结果，把京藏高速公路京张段地质灾害危险程度分为9段，具体分段见表6。