基于GIS信息量模型的鄂州市西雷山地质灾害易发性分区评价

陈 诚， 苏 呈， 丁宇靖， 刘 剑

(湖北省地质环境总站,湖北 黄石 435000)

鄂州市西山与雷山位于鄂州市主城区西北部,东西长约2.7 km,南北宽约1.3 km,总面积3.34 km2。区内发育有多处地质灾害,类型主要以滑坡和不稳定斜坡为主,近年来变形破坏频繁,特别是2016年4月份以来四轮强降雨后更为强烈,严重威胁居民生命财产、建(构)筑物、旅游交通及输变电线路、通讯设施的安全,制约了当地旅游产业、城市建设及社会经济的持续健康发展[1]。开展地质灾害易发性评价,可为地质灾害防治和危险性评价提供依据,但是由于地质灾害的复杂性,诠释地质灾害的形成规律是一大难题。本文基于GIS的信息量模型[2]开展鄂州市西雷山地质灾害易发性研究,通过将已知地质灾害区域提供的各种数据转化为信息量,运用GIS平台进行叠加分析,能够较为准确地反映地质灾害的基本规律,是一种科学、有效的评价方法[3]。

1 地质环境条件与地质灾害特征

1.1 地质环境条件

1.1.1地形地貌

研究区位于长江南岸,最近处距长江不足100 m,属构造剥蚀丘陵地貌,西山、雷山均为一孤立山包,最高海拔高程为西山山顶166.8 m,长港为区内最低点,标高约20.0 m。自然坡度在20°～35°之间,坡面植被较发育。西雷山斜坡坡脚由于城市建设修路、建房切坡多形成陡坎,坡度在60°～85°。

1.1.2气象水文

本区具亚热带季风气候特征,四季分明,雨量充沛,阳光充足。历年平均气温17 ℃,极端最高气温40.7 ℃,极端最低气温-12.4 ℃；4—7月盛行东南风,其余以北风、东北风居多,年平均风速2.4 m/s,瞬时最大风速27 m/s；年均光照时数1 949.9 h。多年平均降雨量为1 218.7 mm,年最大降雨量2 006.7 mm,年最小降雨量784.3 mm,日最大降雨量216.6 mm,时最大降雨量为78.6 mm。全年降雨多集中在5— 9月,占全年降雨量的75%,且降雨具连续集中、强度大、突发性强等特征。

1.1.3工程地质岩组

根据岩土体的结构及物理学性质,将西雷山区岩土体划分为5类工程地质岩组，如表1所示。

表1 西雷山区工程地质岩组划分Table 1 Division of engineering geological rock group in Xileishan area

(1) 松散岩类工程地质岩组。本区域的松散土体分为两类：一是第四系全新统冲坡积含砾粉质粘土,结构较为松散,固结较低,呈软塑—可塑状,该类土体主要在山脚分布；另一类土体为山坡及山顶凹处零星分布的残坡积含砾石粘土,土石比约4∶6,厚度约0.8～4 m,具一定的固结度、硬塑状。

(2) 坚硬碳酸盐岩工程地质岩组。由二叠系上统大隆组(P2d)、下统茅口组(P2m)灰岩、白云质灰岩,含燧石团块灰岩等组成,在西雷山东南侧坡脚一带零星出露。岩溶发育程度较差,一般为中厚—块状完整结构,局部呈“架空结构”。该岩组岩石致密坚硬,结构完整,力学强度高。

(3) 坚硬—较坚硬层状砂砾岩、石英砂岩碎屑岩工程地质岩组。主要由石炭系中统黄龙群(C2h)、泥盆系上统云台观组(D2-3y)未风化的砂岩、石英砂岩、砂砾岩等组成。由于构造挤压与风化蚀变,该岩组部分地段岩体结构破碎,受多组裂隙切割,易发生崩塌灾害。

(4) 软硬相间层状砂岩、粘土质砂岩、泥岩等碎屑岩工程地质岩组。主要为泥盆系中上统云台观组(D2-3y)浅灰色薄—中层厚石英岩状细粒砂岩,夹薄层状细粒含铁细粒砂岩及灰黄绿色薄层状粘土质粉砂岩,特别是粘土质粉砂岩在雨水的作用下易泥化,易产生顺层滑移,地下工程易冒落塌陷。该层分布在西雷山坡脚一带,为研究区发生地质灾害的主要层位。

(5) 较坚硬—软弱层状砂页岩工程地质岩组。由志留系中统坟头组(S2f)地层组成,分布在西雷山中上部,以泥质粉砂岩、页岩为主,局部夹细粒石英砂岩。岩石力学强度较低,层理、页理及浅部风化裂隙发育,易产生顺层滑移及风化层滑塌,为研究区发生地质灾害的主要层位。

1.1.4地质构造

本区域位于西雷山背斜北翼西北端,长江南岸鄂城西雷山一带。东西长约7 km,南北宽0.5～1 km，核部由中志留统组成,两翼由上泥盆世—二叠纪地层组成。从平面上看,受北北东向断层切割,西雷山背斜核部及两翼地层从东到西,逐段南移,断距一般100～200 m。从剖面上看,背斜中部的西雷山段出露最高,两侧依次逐渐下降,在纵向上明显地呈地垒状(如图1)。

1.2 地质灾害基本特征

1.2.1地质灾害分布

西雷山范围内,目前发育地质灾害共17处,其中滑坡2处、不稳定斜坡14处、崩塌1处,分别占地质灾害总数的82.35%、11.76%、5.88%,如图2所示。现状下不稳定的地质灾害共15处(不稳定斜坡12处,滑坡2处,崩塌1处),基本稳定的地质灾害共2处(不稳定斜坡2处,已治理)。

图1 西雷山地质构造略图
Fig.1 Division of engineering geological formation in Xileishan

1.断层 2.地层界线 3.背斜

图2 地质灾害类型统计表
Fig.2 Statistical table of geological disaster types

西雷山地质灾害在空间上多分布于沿江大道公路一侧,主要与该区域内经济发展有关。区内人类工程活动强烈,人口较稠密,建房修路使坡体整体稳定性降低,易形成地质灾害,西雷山地质灾害分布见图3。

1.2.2地质灾害影响因素与变形破坏机制分析

(1) 地质灾害影响因素。根据地质灾害的地质环境条件与分布特征分析,地质灾害影响因素受形成条件与影响因素制约[4]。形成条件与研究区环境地质条件及自身特点有关,主要包括地形地貌条件与岩土体结构等；影响因素主要有大气降水及人类工程活动等。

① 地形地貌：研究区属于构造丘陵地貌,地形起伏大,山体林立,为地质灾害发育提供势能；地势平缓处,地质灾害发育数量较少,但是由于城市建设修路、建房切坡多形成陡坎,也有一定数量的地质灾害发育,因此陡峭的岩体成为影响地质灾害易发性的重要因素[5]。

② 岩土体结构：西雷山地质灾害多为不稳定斜坡,斜坡上部多为粉质粘土夹碎石、碎石土,结构相对松散,透水性强；下部为强风化砂岩,呈散体—碎块裂结构,裂隙较发育,岩体强度高低不均,软弱地层物理力学性质弱,容易形成土状或泥状的软弱夹层,硬质类岩抗风化能力较强。由于卸荷裂隙的发育,形成陡而深的裂缝,与其他结构面组合逐渐发展贯通,在触发因素下发生灾害。

图3 鄂州市西雷山地质灾害分布图
Fig.3 Geological disaster distribution map of Xileishan,Ezhou City

1.不稳定斜坡；2.崩塌；3.滑坡；4.水系；5.居民地；6.公路；7.铁路。

③ 大气降水：区内发育的岩土体结构松散,裂隙较发育,有利于水体汇集和下渗。大气降水入渗后,坡体内地下水位迅速升高,致使裂隙水压力随之升高,岩土体由于饱水而重度增加,同时大气降水入渗还使软弱岩土体饱水后软化,力学强度降低,在不利的结构的结构面条件下易造成失稳变形。变形主要发生于汛期雨季,坡脚长期受地表水冲刷、掏蚀,破坏了坡体原始平衡状态,靠公路一侧地表水汇集形成了冲沟,降低了坡体的稳定性。由于大气降雨在小范围内无明显差异,在本次评价因子提取中不作考虑。

④ 人类工程活动：随着人口增长,西雷山周边作为鄂州市老城区一隅,人类工程活动渐趋加剧,不断伐木开山切坡用作建设用地,建房时对坡脚进行了开挖,在房屋后侧形成了一较陡的临空面,部分边坡虽已完成治理措施,但年久失修或防治功能差,未能达到预期的防治效果。建房切坡破坏了坡体结构,形成了高陡的临空面,使坡体稳定程度降低,在坡面的裸露和降雨因素的影响诱发下产生滑塌,造成地质灾害频发。

(2) 变形破坏机制分析。研究区地质灾害的发生是各种自然因素与人为因素综合影响的结果,除受自身形成条件制约外,人类工程活动是其重要的影响因素。

由于建房时人工削坡,在前缘形成陡坎,且滑距相对较小,应力尚未完全释放,在强降雨等因素作用下坡体存在整体失稳的可能,最大可能的变形破坏方式为前缘失稳滑动,使上部坡体稳定程度降低,进而牵引上部坡体产生滑移。

2 易发性分区分析方法

2.1 分区方法

由于控制地质灾害形成的因素很多,既包括内动力地质作用,也包括外动力地质作用,地质灾害的易发性分区是一个复杂的多元系统。目前,国内外可用于易发性分区的方法很多,可分为定性分析和定量评价两种,但定量评价是当前国内外发展的主流方向。本次地质灾害易发性分区定性评价采用基于GIS技术的信息量法进行[6]。该方法是在分析地质灾害成因的基础上,确定影响灾害发育的各种主要因素(如影响滑坡稳定性的主要因素包括地形地貌、岩土体特征和人类活动强烈程度等),将每个影响因素赋予一定的权重,同时按各个因素不同状态分成不同的级别,赋予不同的分级值,求出所有影响因素的信息量,即得到某个评价单元的易发程度指数。易发程度指数越大,表示该单元地质灾害易发程度越高,根据每个单元的易发程度指数,依据分区标准进行灾害易发程度分区。

2.1.1确定地质灾害评价的单元

研究区工作区面积为3.34 km2,对于不同比例尺要求其栅格大小也有差别,划分栅格大小的经验公式为：

Gs=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

(1)

式中：Gs为适宜网格大小；S为研究区地形图比例尺分母。

对于1∶10 000比例尺地形图,由式(1)计算出最佳网格单元为10.44 m,为了方便数据在ArcGIS中处理和分析,本文将整个研究区以10 m×10 m栅格单元作为最小评价单元,共剖分为32 600单元。

2.1.2建立评价模型

在进行地质灾害易发性评价时,由于各地区的地质环境条件不同使得评价显得较为复杂。由于作用于地质灾害的因素很多,相应的因素组合状态也特别多,样本统计数量往往受到限制,故采用简化的单因素信息量模型的分步计算,再综合叠加分析,相应的信息量模型为：

(2)

2.2 评价因子的提取与分析

2.2.1评价因子的提取

根据西雷山地质灾害发育特征和分布规律,对西雷山区开展地质灾害易发性研究,初步选取高差、坡度、工程地质岩土体类型、斜坡结构类型、地质构造、人类工程活动6个评价因子,各因子栅格比例及信息量见图4。

(1) 高差。研究区内最高位置为西山山顶,高程为166.8 m,最低点为伍家垅湖,高差为20 m,根据各高差区间的信息量值,通过重分类工具可以将高差因素划分为四个级别：0～3 m、3～6 m、6～9 m、9～20 m。由信息量大小(图4-a)来看,研究区内最有利于发生地质灾害的高差是6～10 m,单元内地质灾害发生数量约49.12%；最不利于地质灾害发生的高差是0～3 m。

(2) 坡度。坡度是反映斜坡地形的重要指标之一。具体体现在坡度较陡的地方,地表水径流流速快,对地表冲刷强度大,坡体上的堆积物易于变形失稳。陡坡地带植被不易于生长,对坡体稳定性不利。但是坡度很大的区域,坡体上不易于松散物质堆积,也就没有产生滑坡的物质来源。总的来说,坡度是滑坡发生的重要控制因素。通过ArcGIS的Spatial Analyst工具中的表面分析工具,可以很方便地从DEM数据中得到研究区的坡度分布信息，如图4-b所示。通过重分类工具可以将坡度因素划分为四个级别：0°～10°、10°～25°、25°～40°、40°～60°,得到研究区的坡度分级图。对于坡度而言,研究区最有利于地质灾害发生的是10°～25°,其栅格数占总栅格的49.2%,发生地质灾害的比例为83.8%,提供的信息量为0.76。

(3) 工程地质岩土体类型。岩土体类型是产生地质灾害的物质基础,一定地区的地质灾害发生在一定的地层之中。虽然各类岩土都可能造成地质灾害,但不同的岩土体却明显对地质灾害存在着不同的贡献率,这可以从岩土体的成因和形成时代两个方面考虑。从成因上来说,岩土体的力学强度越高、越完整,则地质灾害发生的概率就相对较低；岩土体越松散、岩性越软、层间胶结越差,则地质灾害发生的概率就相对较高。如松散堆积层、页岩、半成岩及软硬相间的砂泥岩地质体所构成的斜坡就易发生地质灾害。根据西雷山地层出露情况,并且考虑评价时的可操作性,划分为5个岩土体类型(图4-c)：松散岩组(Ⅰ)；软硬相间层状砂岩、泥岩等碎屑岩工程地质岩组(D2-3y)(Ⅱ)；较坚硬—软弱层状砂页岩岩组(S2f)(Ⅲ)；坚硬—较坚硬层状砂砾岩、石英砂岩工程地质岩组(C2h)(Ⅳ)；坚硬—较坚硬中—厚层状强—中等岩溶化灰岩、泥灰岩夹软质页岩岩组(P2d、P2m)(Ⅴ)。软硬相间层状砂岩、泥岩等碎屑岩工程地质岩组(D2-3y)(Ⅱ)，较坚硬—软弱层状砂页岩岩组(S2f)(Ⅲ)，坚硬—较坚硬中—厚层状强—中等岩溶化灰岩、泥灰岩夹软质页岩岩组(P2d、P2m)(Ⅴ)地层为研究区内主要的岩土体类型,占研究区总栅格的92.0%,发生地质灾害比例为82%,最有利于地质灾害的发生。

(4) 斜坡结构类型。斜坡结构类型控制了不稳定边坡的发育强度,不同斜坡结构类型孕育的滑坡性质、特征和发育程度各异。顺向坡受岩土交界面和地层中软弱夹层控制。斜坡结构类型在ArcGIS中相对其他要素比较难以提取,首先通过DEM利用ArcGIS的Spatial Analyst工具中的表面分析工具,获得研究区的斜坡坡度和坡向信息,然后将区域地层产状点通过克里金方法进行插值和手动分片区赋值相结合的方法,生成地层倾向和倾角栅格数据,本研究区的倾角绝大多数在10°以上。①利用坡向与倾向夹角的差值转化到0°～360°的正值区间;②将夹角>180°的差值转化到0°～180°之间,方便后续分类。通过重分类工具按照坡向与倾向的夹角可以分为五类：顺向坡(0°～30°)、斜顺坡(30°～60°)、横向坡(60°～120°)、逆斜坡(120°～150°)及逆向坡(150°～180°)。从历史滑坡与斜坡结构的统计规律如图4-d所示,研究区顺向坡占整区的34.85%,发生滑坡的比例最大为61.84%,提供的信息量为0.828；斜顺坡占整区的32.03%,发生滑坡的比例最大为33.3%,提供的信息量为0.058；逆向坡占整区的13.83%,发生滑坡的比例最大为0.2%,不易发生地质灾害,提供的信息量为-6.3。

图4 影响因子灾害数量、加权信息量相关性统计图
Fig.4 Correlation graph between the impact factor number of disasters and weighted information values

(5) 地质构造。西雷山地质构造和地质灾害发育关系相当密切。首先从地质构造的动力作用方面来说,由于地质体在漫长的地质构造作用下往往与原生地貌发生较大变化,使岩层面发生一定角度的倾角,在条件适合时往往发生顺层滑动；其次,在地质构造作用下,岩体被各种构造面切割分离成不连续状态,较为破碎,这就为降雨等水流进入斜坡体提供了通道,使斜坡体在长期的水岩作用下诱发地质灾害的发生或影响滑坡的长期稳定性，尤其是在一些大的断层带内,地质灾害常沿断层壁或褶皱成群成线分布。根据西雷山断层的发育规模及影响范围,利用ArcGIS的多环缓冲功能,按0～100 m、100～200 m、200～500 m、500～750 m划分为4个等级,在ArcGIS中进行缓冲分析。研究区内最有利于地质灾害发生的区间为断层和褶皱核部0～100 m,其栅格数占总栅格的43.3%,发生地质灾害比例为67.2%,提供的信息量为0.63。距离断层越远，其信息量逐渐递减,在>500 m的区域,其栅格数占总数的28%,发生地质灾害的比例为3.2%,信息量为-3.1,不利于地质灾害的发生(图4-e)。

(6) 人类工程活动。区内人类工程活动主要为工程建设、修路、旅游开发切坡等,根据人类工程活动强烈程度,采用自然断点法划分为三级,人为开挖坡脚形成临空面高度<3 m的为人类工程活动弱；人为开挖坡脚形成临空面高度3～10 m的为人类工程活动中等；人为开挖坡脚形成临空面高度>10 m的为人类工程活动强烈,如图4-f。人类工程活动中等及强烈区地质灾害活动强烈,占研究区总栅格的36.7%,发生地质灾害比例为99.5%,提供的信息量为1.07～1.95；工类工程活动弱区,占研究区总栅格的63.3%,发生地质灾害比例为0.5%,提供的信息量为-6.91,总体不利于地质灾害的发生。

2.2.2评价因子的分析

(1) 地质灾害易发性评价的理论基础是工程地质类比法,即类似的工程地质环境可能发生类似的地质灾害。本文在建立易发性评价指标体系的过程中,选取了几类与地质灾害发育相关的影响因素类比其工程地质环境,但是这些影响因素存在一定的相关性。

本文采用的信息量模型需要非常严格的假定：①各影响因素之间相互独立；②在地质灾害发生时各影响因素之间相互独立。如果不对指标因素进行相关性分析,它们之间的影响权重会叠加,导致评价结果的准确性降低,因此对各评价指标进行相关性分析是非常必要的。提取研究区内影响地质灾害的相关因子后,为保证预测因素能满足信息量模型的要求,必须通过因素之间的相互独立性验证和综合分析研究区内的现状来剔除相关性较大的因素。因此,为了准确计算初选因子的互相关系数,可以利用ArcGIS波段集统计工具中栅格波段集多元分析提供各图层因素之间的相关系数矩阵(如表3)。

表3 图层因素之间的相关系数矩阵Table 3 The correlation coefficient between the matrix layer factors

相关矩阵显示相关系数的值,该值可描述两个数据集之间的关系。对于一组栅格图层,相关矩阵表示一个栅格图层中的单元值,而这些单元值与另一图层的单元值相关联。两图层间的相关性可用于衡量图层间依存关系。相关性为两图层间的协方差与两图层标准差乘积的比值。对于各因子相关系数r而言,当r>0时,说明两个图层单元值之间存在正相关关系；当r<0时,说明两图层单元值存在负相关关系;当︱r︱=1时,说明两个图层之间存在完全线性相关关系。

例如,当其中一个图层的单元值增大时,另一个图层的单元值也可能随之增大。在图层单元值的三种相互关系中,负相关性则表示当一个图层的单元值增大时,另一个图层的单元值会随之减小。当相关性为零时,表示两个图层的单元值之间不存在任何的依存关系。

表4 相关性划分标准Table 4 Correlation criteria

综合表3和表4可以看出，各指标都在低度相关范围内。最终选择高差、坡度、工程地质岩组、地质构造、斜坡结构类型、人类工程活动共6个因子作为本次评价的指标。

利用前面已经提取和分析影响地质灾害的各种因子,通过信息量模型及其理论公式计算得到参与预测各因子的信息量(表5)。

表5 各指标信息量一览表Table 5 List of information quantity of each index

应用层次分析法对所选的6个评价指标进行分析,划分有序层次,建立评价模型层次结构。按照各评价因子的内在关系,通过相关专家经验及鄂州市地质灾害的实际情况,评价采用1—9标度方法,对各因子进行两两比较建立判断矩阵,及层次排序,确定各因子的权重值,并进行一致性检验。易发性评价因子判断矩阵如表6,计算结果按权重从大到小排序如表7所示。

表6 地质灾害易发性评价因子判断矩阵Table 6 Judgment matrix of evaluation factors of geological hazard susceptibility

注：一致性比例为0.092 5；λmax为6.582 7。

表7 地质灾害易发性评价因子权重Table 7 Judgment matrix of weight of geological hazard susceptibility

(2) 分区结果。利用ArcGIS软件的空间分析功能中的加权总和工具,完成各影响因子加权信息量的叠加,得到易发性分区图。采用重分类工具将易发性区划图重新分类,鄂州市西雷山的地质灾害易发性划分为三级：取信息量I>0.732，为地质灾害高易发区；信息量I=0.732～-1.33，为地质灾害中等易发区；信息量I<-1.33，为地质灾害低易发区。西雷山地质灾害易发性分区见图5。

图5 西雷山地质灾害易发性分区图
Fig.5 Zoning map of geological hazard susceptibility of Xileishan

1.低易发区；2.中易发区；3.高易发区。

(3) 结果验证。易发性结果的有效性可以由受试者工作特征曲线(ROC)进行定量检验,其曲线下方面积(AUC)被用来评价模型的精度。ROC曲线是一条从原点到右上角的对角线即线段(0,0)～(1,1),这条线称为机会对角线,如果获得的ROC曲线落在这条机会对角线上,其AUC=0.5。一般认为：在AUC>0.5的情况下,AUC越接近1,说明模型的精度越好；AUC为0.5～0.7时,准确性较差；AUC为0.7～0.9时具有较好的准确性；AUC为0.9以上,说明准确性极好。因此,本文以信息量值从高到低的区域累计栅格与总栅格的百分比作为横轴,以对应信息量区间内地质灾害累计栅格与地质灾害总栅格百分比为纵轴,得到一个经过(0,0),(1,1)的曲线(如图6),AUC面积值为0.882，说明易发性结果评价有效性较好。

图6 地质灾害易发性评价结果ROC图
Fig.6 ROC chart of geological hazard susceptibility evaluation results

3 结论

(1) 本文采取信息量模型进行地质灾害易发性评价,将评价因子进行量化并结合专家打分法赋予权重,利用GIS的空间分析功能得到易发性分区结果,最大程度避免了评价过程中主观因素的干扰。这种方法要求对现状地质灾害发生的原因进行细致分析,找出控制、影响地质灾害发生的关键因素,并对这些因素赋予恰当的权重和分级值,而恰当的权重和分级值的获取皆来自于对现状地质灾害特征与影响因素的认识,以及地质环境条件之间的对比分析。评价结果是理想的也是合理的,说明基于GIS的信息量法在地质灾害易发性评价上是切实可行的,具有广泛的应用价值。

(2) 地质灾害易发性评价模型还有很多种,如多元统计分析、趋势分析法、神经网络模型等,本文研究信息量模型与GIS结合进行地质灾害易发性评价,有其优势也还有许多方面可以完善。如本文中地质灾害易发性评价因子选取较为简单,对于复杂环境地质条件下,地质灾害易发性分区模型体系建设与因子的选取,尚需开展深入的研究。可将本文中评价方法与其他方法相结合,形成一套更为完整的评价体系。

(3) 根据基于GIS信息量模型分析方法,将西雷山地质灾害易发性分为高、中、低三个大区。高易发区面积1.265 km2,占研究区总面积的37.87%,地质灾害及隐患点13处,占研究区灾害点总数的86.67%,点密度10.28处/km2。中易发区总面积1.047 km2,占研究区总面积的31.35%,灾害点2处,占研究区灾害点总数的13.33%,点密度1.91处/km2。低易发区总面积0.963 km2,占研究区总面积的28.83%,无灾害点发生。根据图5可以得出,地质灾害易发性空间分布与地质灾害现状分布规律一致,沿江道路一侧地势较陡,人类工程活动强烈,地质灾害频发,成为地质灾害隐患区,应重点加强该区域的地质灾害防治，因地制宜地规划城市建设的发展。