黄土高原地区地质灾害分析—基于甘肃省庄浪县实地勘察

侯云龙,万宝峰,郁 文,刘蓓蕾

甘肃工程地质研究院,甘肃 兰州 730000

随着生态环境关注度的提升，地质灾害分析受到越来越多的关注[1]。相关研究资源显示[2]，黄土高原区域因地质灾害已造成数千人伤亡，直接经济损失高达3 亿元以上。由此说明地质灾害已经成为抑制黄土高原地区经济与社会发展的主要因素，准确分析黄土高原地区地质灾害对该区域经济与社会发展产生重要影响。甘肃省庄浪县位于黄土高原地区，对庄浪县实地勘察并对地质灾害进行分析，为黄土高原地域地质灾害的防御提供理论依据。

1 黄土高原地区地质灾害分析方法

1.1 区域概况

庄浪县位于甘肃省中部，六盘山西麓，东西与南北长度分别为56.4 km 和46.6 km，整体地势呈现东北高西南低，大部分区域海拔处于1750 m±250 m 之间。区内的地形切割特征明显，地质构造复杂，极其容易受到自然灾害的影响。依照甘肃省庄浪县自然地理环境与时间分布特征，该区域内地质灾害可分为两种类型[3]：山地地质灾害与平原地质灾害；依照地质灾害活动的时间特征可将该区域内地质灾害分为两种类型[4]：突发性地质灾害与缓变性地质灾害。甘肃省庄浪县主要地质灾害类型为滑坡、泥石流、崩塌、水土流失等，而前三种地质灾害类型最易发生。

1.2 数据来源

黄土高原地区地质灾害分析过程中相关数据直接影响分析结果的准确性[5]。为准确获取数据，采用ArcGIS 软件平台WGS84 坐标系统对相关数据实施空间化处理，其中降雨量数据与地形数据分别来源于甘肃省庄浪县周边基本气象台站近50 年降雨量数据和Aster DEM 数据；人口数据与耕地、植被、地貌类型等数据分别来源于甘肃省人口供给数据与中国科学院资源科学数据中心；其它相关数据来源于甘肃省统计年鉴。

1.2.1 庄浪县气象水文特征 庄浪县属标准的大陆性温带季风气候，存在显著的降水少、降雨分布不均、多风、蒸发量大与湿度低等气候特征，降雨量由东南向西北逐渐递减。庄浪县区域内地下水以松散岩类空隙潜水、碎屑岩类空隙裂隙水与岩溶裂隙水为主要类型。庄浪县潜水赋存在黄土丘陵的梁峁与黄土残塬内，含水层岩性以黄土状亚黏土与压砂土为主，含水层通常低于30 m，塬面积与含水层厚度和富水性之间呈正比例，塬面积越大，含水层厚度和富水性也越大，同时梁峁边缘地带富水性较差，水质较好。碳酸盐岩溶裂隙水主要集中于逆冲带下部，以震旦—奥陶系灰岩和白云岩为含水层主要岩性，地下水赋存条件复杂，埋藏较深，富水性弱，水质波动显著。

1.2.2 庄浪县岩土体特征 庄浪县区域属黄土高原工程地质区黄土塬、梁峁稳定工程地质亚区。依照岩体的成因类型、岩性、结构与力学性质可将庄浪县区域岩体划分为不同组别（表1）。

表1 庄浪县区域岩体划分组别与岩性Table 1 regional rock mass classification and lithology in Zhuanglang County

结合土体形成的原因及类型、土体结构特点，能够针对庄浪县土体进行划分，分别是普通土和特殊土，普通土主要类型为：含亚砂土、亚黏土与黏土，土质松散，而砂砾石双层土、砂性土、黏土以及亚黏土是岩性；特殊土包括黄土状土、砂砾石双土体、黄土状土，其中砂砾石双土体主要为马兰黄土，呈垂直节理发育，有大空隙，比较容易崩解和下陷，下部离石黄土密度高于上部，与水接触后有一定几率下陷。

1.3 分析方法

基于庄浪县实地勘察结果，采用投影寻踪聚类模型进行黄土高原地区地质灾害分析。对庄浪县实地勘察，以暴雨日数比例、年暴雨量均值、年暴雨日数均值、年降雨量、地质灾害隐患指数与地理坡度确定风险分析因子，进而获取各分析因子相关数据，利用GIS 平台，对各分析因子实施网格化处理，生成0.005°×0.005°栅格数据。确定各分析因子的权重，得出黄土高原地区地质灾害风险结果与分析因子间的数值换算相关性，是一种定量化分析多指标多因子风险评估的有效方法，可分为指标集标准化处理、线性投影、优化投影目标函数和投影方向代入等四个步骤。

以Xij(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)描述分析因子，其中m和n分别表示样本数量与指标数量。选取极差变换法处理不同分析因子间数值的相关性，并统一数值范围，利用极差变换法对正向因子与逆向因子进行处理，各分析因子均转换为正向因子，同时各分析因子均满足0≤yij≤1 要求。以q描述初始投影方向，任选取数个初始投影方向q1,q2,…,qm实施计算，依照分析因子选大标准，取最大分析因子对应的解，并以其为最优投影方向。以q(q1,q2,…,qm)和Gi分别描述m维单位向量和样本i的特征值，则Gi的表达式如下

汇总投影因子值过程中，由于投影值Gi在整体与局部分别具有投影点尽可能散开与投影点尽可能凝聚为单个点团的特征，因此可将类间距离K(q)和类内密度v(q)间的乘积作为目标函数T(q)，即：T(q)=K(q)·v(q)，其中类间距离K(q)的计算过程如下：

式（2）内，表示序列{g(i)|i=1,2,…,n}的均值，gi与数据分布间呈正相关。

以dij=|gi-gj|(i,j=1,2,…,n)描述投影特征值间的距离，类内密度v(q)计算公式其中D和f(t)分别表示判断局部散点密度的窗宽参数和一阶单位阶跃函数，当t值为≥0 和<0 时，f(t)值为0，D值合理范围为dmax

采用自然断点分级方法将甘肃省庄浪县地质灾害风险划分为高风险区域、较高风险区域、中风险区域、较低风险区域和低风险区域。通过数据聚类方法降低类的方差，尽量提升类间差异，通过循环迭代过程进行计算，进而得出黄土高原地区地质灾害的风险等级。

2 分析结果

基于甘肃省庄浪县实地勘察结果进行黄土高原地区地质灾害分析，得到以下分析结果。

2.1 地质灾害防治分区

利用本文方法对甘肃省庄浪县地质灾害情况进行分析，依照庄浪县各区域地质灾害风险等级，将庄浪县区域划分为重点地质灾害防治区（中等级风险以上）与一般地质灾害防治区（低风险区域与较低风险区域）两部分，甘肃省庄浪县重点地质灾害防治区主要集中于水洛河流域，该区域是全县工业与农业的重点发展区域，但地质环境极差，生态环境相对脆弱，也是地质灾害高发区域。该区域内地质灾害隐患点共46 处，主要威胁对象为城镇、村庄、乡县级公路与农田；甘肃省庄浪县一般地质灾害防治区主要集中在庄浪河、葫芦河与水洛南河的部分流域，该区域地质环境条件较差，地质灾害风险等级较低。该区域内地质灾害隐患点共15 处，主要威胁对象为村庄与农田。

2.2 地质灾害成因分析

由实验结果得知，崩塌是甘肃省庄浪县的关键地质灾害，经对形成缘由进行深入分析和研究，便于找到有效的防治对策。沿软弱结构面迅速位移是地质崩塌的关键特点，崩塌体剖面详见图1。

由图1 可知，庄浪县区域内崩塌灾害普遍为土质崩塌，主要集中于村庄、公路与河谷两岸。崩塌灾害形成的主要原因分为自然因素与人为因素两种。（1）庄浪县沟岸在长期的风华侵蚀作用下，多呈现出一种垂直的陡坡形态，同时表层岩土和坡顶岩土一般都比较松散，受降水和沟内水流的冲刷，有较大概率形成陡壁，下部土体悬空。而且庄浪县内土体以大空隙和垂直节理裂隙发育为主，受地震等因素诱发，易形成崩塌；（2）庄浪县内人们在进行工程活动时，切坡处理山坡前缘、高阶地段的过程中，直立坡体会使沟案坡度、陡度都增大，这就会影响自然沟岸岸坡下土体应力均衡状态，所以岸坡外向张应力、剪应力增大，从而出现呈竖向的裂缝。其与土体内既有垂直节理裂隙重叠，加剧土体裂隙发展，增加岸坡崩塌灾害形成的概率。

3 结论

地质灾害问题是影响黄土高原地区经济与社会发展的主要问题，分析地质灾害高发区域与形成原因对地质灾害防治具有重要意义。本文基于甘肃省庄浪县实地勘察结果，分析黄土高原地区地质灾害等级及成因，得出黄土高原地区地质灾害的多发地域，有利于主动开展地质灾害防治工作，采取有效的防治手段可降低该区域人民生命财产损失，促进国民经济可持续发展。