彬县水利建设的地质灾害易发性与危险性分区评价

2018-11-29孙佳伟刘海南傅少君

中国农村水利水电 2018年11期

孙佳伟，刘海南，傅少君,3

(1. 西京学院陕西省混凝土结构安全与耐久性重点实验室，西安 710123；2. 陕西省地质环境监测总站，西安 710054；3. 武汉大学土木建筑工程学院，武汉 430072)

0 引言

彬县位于陕西省陇东黄土高原塬梁丘陵沟壑区，构造部位属鄂尔多斯构造盆地的南缘，新生代以来一直属于振荡上升区，尤其自第四纪以来，由于该区地壳强烈上升，泾河深切，形成塬、梁、峁等破碎的地貌形态，并形成了高危边坡、谷中谷及基座阶地等现象，崩塌、滑坡、地面塌陷灾害点极为发育，加之道路建设、削坡建房、矿产开发等人类工程活动，尤其强降雨季节，严重威胁彬县人民生命及财产安全。

农村水利工程建设关系到中国农业的可持续发展，良好的水利基础设施是提高粮食综合生产能力和有效解决三农问题的重要措施[1]。因此，基于陕西彬县1:50000地质灾害详细调查数据，研究地质灾害易发性和危险性分区评价是非常必要的，可为彬县水利工程建设与地质灾害防治管理提供参考。

1 区域地质灾害易发性和危险性评价方法

区域地质灾害一般以行政单元考虑，从镇(乡)、县(市)到省，其易发性和危险性评估范围大小不同。区域地质灾害易发性指在一定范围内地质灾害发生的容易程度和多发程度，一般将评价区域划分为高易发区、中易发区、低易发区和非易发区四个分区；区域地质灾害危险性是基于易发性分区评价及威胁对象，一定范围内地质灾害发生可能危害的概率，一般将评价区域划分为高危险区、中危险区、低危险区和极低危险区[2-5]。二者均属预测范畴，评价方法没有本质区别。

目前常用的评价方法有专家评判法、指数综合法、模糊综合评判法、数理统计预测法、神经网络法、支持向量机法、分形理论法、灰色聚类法等。

专家评判法可同时考虑大量影响因子，任意比例区域，但受评价者主观意志影响大；模糊综合评判法的评价结果更具科学性、客观性，但被评价对象的指标信息需求量大；数理统计预测法、神经网络法、支持向量机法，都是建立一种映射，人工智能程度高，但程序较复杂，实际工程适应度低；分形理论法、灰色聚类法，全面考虑评价系统复杂性，但实际工程应用较少采用[6-10]。

指数综合法是建立影响因子指标评价体系，经验量化赋值，加权叠加分区。优点是可GIS完成，快准，标准化，实际工程应用较多[11,12]。

为了体现各影响因素对地质灾害的作用，提高地质灾害易发程度和危险程度分区评价精度和准确性，又使评价工作具有可操作性，本研究基于GIS，采用影响因子指数综合法进行评价，研究路线见图1，计算公式如下：

(1)

式中：SI为综合指数；Fij为影响因素及分类，i=(1，2，3，…，7)表示影响因子的数量；j=(1，2，3，4)表示影响因子的分类数量。

2 彬县地质灾害发育分析

彬县发育地质灾害点185处，其中崩塌86处、滑坡54处、地面塌陷45处，主要受地质环境条件、人类工程活动与水体影响[13]。

2.1 地形地貌与地质灾害

彬县地貌类型为黄土梁峁区、黄土塬区、河谷阶地区。黄土梁峁区分布在彬县西南隅向黄土塬过渡地带，地形破碎，沟谷密度大，梁峁特别发育，斜坡地形普遍，但是其面积相对较小，人口分布较少，且集中在较为安全地带，因此该区地质灾害不甚发育；黄土塬区分为南塬与北塬两大块，该地貌单元面积大，地形平坦，土层深厚，分布着全县大部分的农业人口，部分居民在塬边切坡建窑或者修建地窑居住，类型以斜坡变形破坏引发的崩塌居多；河谷阶地区位于县境中部泾河及其较大支流沿岸，该地貌单元内人类工程活动强烈，开挖坡体或沿河修建道路，易产生地质灾害隐患，尤其在阶地后缘与黄土塬区过渡地段地质灾害频发。

2.2 地质构造、新构造活动与地质灾害

彬县位于鄂尔多斯构造盆地的南缘，县境内构造形迹不发育，没有大的断裂和褶皱。县境的新构造运动主要表现为地壳振荡性上升，尤其自第四纪以来，地壳强烈上升，泾河深切，形成塬、梁、峁等破碎的地貌形态，并形成了高危边坡、谷中谷及基座阶地等现象，为滑坡、崩塌等地质灾害的形成提供了地形地貌条件[14]。

2.3 地层岩性、岩土体类型与地质灾害

区内前第四系地层主要为陆相碎屑岩建造，自南而北出露的地层主要有：三叠系上统延长群，侏罗系中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组、华池环河组，新近系蓝田组不整合披履于中生界地层之上。区内第四系分布广泛，它掩覆了整个黄土梁峁、黄土塬区与河谷阶地。彬县各类地质灾害发育的岩土体组合关系见图1。

图1 各类地质灾害发育的岩土体组合关系统计结果Fig.1 The statistical results of geotechnical structure of geological disasters

2.4 水体与地质灾害

彬县滑坡、崩塌等地质灾害的发生或隐患点的形成与活动加剧，绝大部分与大气降水、地表水入渗岩土体形成地下水有关。

彬县为典型的暖温带大陆性季风气候，平均年降水量538.2 mm(2001-2014年)，年内和年际变化较大。年内降水主要集中在6-9月，占总量的60%～70%，暴雨多出现在7-8月份，次数较少，但强度颇大。地质灾害的形成时间主要集中在每年的6-9月份，与雨期时间一致，而在降雨量较大的年份，产生地质灾害的数量也较多。

县境内地表水表现为河(沟)谷流水对河谷岸坡的侧蚀、对河(沟)道下切、搬运作用和雨期地表汇水对坡面的面蚀冲刷作用。河谷阶地区河流下切强烈，岸坡高，坡度陡，两侧斜坡稳定性差，斜坡变形破坏频繁。

地下水按含水介质及赋存条件，有第四系松散层孔隙潜水、基岩孔隙裂隙潜水、基岩裂隙承压水。

2.5 地震与地质灾害

据历史统计，县境内未发生过强震，本区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，地震设防烈度为Ⅵ度区。但彬县煤炭采空县境内的崩塌、滑坡地质灾害可能受矿震的影响。

2.6 人类工程活动与地质灾害

县境内与地质灾害相关的人类工程活动主要有道路建设、采矿活动、削坡建房。

3 地质灾害易发性和危险性评价指标体系

本次评价选取了地形地貌、地层岩性、道路建设、采矿活动、削坡建房、多年降水量、地质灾害点密度7个影响因子，分为4类，评价因子量化值见表2。

表1 人类工程活动引发地质灾害统计表Tab.1 The statistical tables of geological disasters caused by human engineering activities

利用MAPGIS地理信息系统，将彬县行政区划图1 185 km2

表2 评价因子量化表Tab.2 Quantification of evaluation factors

进行网格剖分，单元格面积为1 km×1 km，对于边界小于1 km×1 km的单元按一个单元格处理，形成1 360个单元格，建立彬县地质灾害单因子评价图层，通过“空间分析”之“DTM分析”功能中的“区对区叠加”进行各因子的赋值求和，生成等值线分区(图2)。

图2 彬县综合因子评价结果Fig.2 The calculation results of comprehensive evaluation factors in Binxian

4 易发性分区评价与建议

4.1 易发性分区评价

根据彬县综合各因子评价量化结果，得到各因子和最大值为23，最小值为8。先拟选各因子和大于13.75的单元格为高中易发区，各因子和在10～13.75间的单元格为低易发区，各因子和小于10的单元格为非易发区；最后再根据野外调查的实际情况和搜集资料校正，最终形成彬县地质灾害易发性分区图(图3)，将彬县1 185 km2评价区分为高易发区、中易发区、低易发区和非易发四个级别。

(1)高易发区(A1～A3)。该区按照地质环境条件和地域位置的差异分为3个区段：城关高易发区(A1)、城关东～太峪北高易发区(A2)、小章～炭店高易发区(A3)，分布范围广泛，条带状，灾害分布集中，主要位于境内中部泾河两侧，总面积172.56 km2，占全县总面积的14.56%。该区内崩塌、滑坡和地面塌陷等地质灾害点共92处，地质灾害点密度为0.533 处/km2。

(2)中易发区(B1～B3)。该区分为三个区段：韩家～太峪中易发区(B1)、义门中易发区(B2)、香庙～龙高中易发区(B3)，总面积444.41 km2，占全县总面积的37.50%。该区内发育地质灾害点74处，地质灾害点密度为0.166 处/km2。

(3)低易发区(C1～C2)。该区分为两个区段：水口～底店低易发区(C1)、新民～北极低易发区(C2)，总面积532.31 km2，占全县总面积的44.92%。该区内发育地质灾害点19处，地质灾害点密度为0.036 处/km2。

(4)非易发区(D)。该区位于县境中部泾河河谷区，主要为河漫滩及一级阶地，地形平坦，地势开阔，总面积35.72 km2，占全县总面积的3.02%。现状无地质灾害发育，但汛期注意洪水的影响。

图3 彬县地质灾害易发性分区图Fig.3 The partitions with susceptible degree of the geological hazards in Binxian

4.2 建议

基于彬县地质灾害易发性分区结果，建议彬县农村水利建设优先选择地质灾害非易发区、低易发区，其次中易发区，严格避免高易发区。

5 危险性分区评价与建议

5.1 危险性分区评价

基于上述地质灾害易发性分区结果，地质灾害高、中易发的地区可能遭受地质灾害的影响更大，危险程度就越高；地质灾害低易发和非易发地区所受到的影响较小，其危险程度就较低。另外，现状地质灾害点的险情等级也是判别地质灾害危险程度的一个重要指标，一般现状地质灾害危害程度越大，表明当地的成灾作用强，成灾对象多，地质灾害危险性也越大[15,16]。因此，本次评价是根据地质灾害的易发性和地质灾害点的险情等级两个指标来确定地质灾害的危险性分区(表3)。

按照上述方法，通过地理信息系统MAPGIS“空间分析”功能得到灾害点的险情等级与易发区进行“点对区”空间叠加评价结果(图4)，并生成等值线分区图(图5)。根据评价结果，拟选赋值大于2.5的单元格为高中危险区，赋值介于1.5～2.5之间的单元格为低危险区，赋值小于1.5的单元格为极低危险区；最后再根据野外调查的实际情况、结合当地人类工程活动现状等，最终形成彬县地质灾害详细调查危险性分区图(图6)。

表3 危险性评价标准Tab.3 Evaluation criterion of danger

图4 灾害点险情与易发区空间叠加评价结果Fig.4 The evaluation results of space superposition for danger

图5 地质灾害危险性等值线分区Fig.5 The partitions with danger contour line degree of geological hazards

图6 彬县地质灾害危险性分区图Fig.6 The partitions with degree of danger of the geological hazard in Binxian

(1)高危险区(A1～A3)。该区分为三个区段：城关高危险区(A1)、小章高危险区(A2)、炭店高危险区(A3)，总面积102.59 km2，占全县总面积的8.66%。该区共发育地质灾害隐患点47处，险情等级特大型的2处、大型的8处、中型的16处、小型的21处；高危险点有23处、中危险点19处，低危险点5处。现威胁3 551 户、14 948 人、16 384 间房、公路8 095 m、铁路1 700 m、耕地1 083 hm2及变电所等，潜在经济损失为44 076 万元。

(2)中危险区(B1～B3)。该区分为三个区段：义门中危险区(B1)、小章东、炭店西与城关交界地带中危险区(B2)和城关东～太峪北危险区(B3)，总面积125.92 km2，占全县总面积的10.62%。该区共发育地质灾害隐患点43处，险情等级中型的8处、小型的35处；高危险点7处、中危险点25处、低危险点11处。现威胁392户、1 830 人、2 041 间房、公路5 170 m、耕地6.67 hm2、加油站1座及彬县缸瓦厂，潜在经济损失4 901 万元。

(3)低危险区(C1～C3)。

该区分为三个区段：新民～北极低危险区(C1)和香庙～龙高低危险区(C2)、韩家～底店～水口～太峪南低危险区(C3)，总面积920.77 km2，占全县总面积的77.70%。该区内共发育地质灾害隐患点47处，险情等级中型的3处、小型的44处；高危险点2处、中危险点36处、低危险点9处。现威胁245户、975人、989间房、公路3 015 m、铁路100 m及耕地124.8 hm2等，潜在经济损失2 926 万元。

(4)极低危险区(D)。泾河河谷极低危险区面积35.72 km2，占全县总面积3.02%，行政区划属义门镇、城关镇、炭店镇、小章镇。现状地质灾害不发育，该区为地质灾害非易发区，故地质灾害危险程度级别为极低危险。