湖北省鹤峰县城区滑坡地质灾害风险评价
2021-03-11杨淞月翁茂芝王宁涛连志鹏
杨淞月,翁茂芝,田 华,王宁涛,连志鹏
(1.湖北省应急救援中心,湖北 武汉 430064;2.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034;3.武汉中科岩土工程技术培训有限公司,湖北 武汉 430071;4.中国地质调查局武汉地质调查中心,湖北 武汉 430205)
地质灾害给人类造成了巨大的损失。古今中外的学者通过各种研究手段,研究了地质灾害的孕育及发展,探究其规律,以实现对地质灾害的风险评价及预警预报,尽量降低其造成的损失。
地质灾害的发育及分布通常受控于所在地区的自然环境和工程地质条件,其相关研究主要分为两个方面:不同空间条件下,因地形、构造、水系、人类活动等因素的不同属性,使地质灾害具有一定的空间分布规律;不同时间条件下不同季节或不同年份,因气候、风化作用等的差异性,使地质灾害具有一定的时间分布规律。
根据地质灾害分布的时空规律,考虑地质灾害发育地区的工程地质条件,通过可靠的时空分析方法,如层次分析法、证据权法、信息量法、神经网络方法等可对地质灾害的时空分布规律进行量化分析。不同的分析方法具有不同特点,但这类方法都有一个明显特点:通过统计分析和模糊评价的方法,将大量的概率时间定量化,即从看似规律不明显的事件中,提取可供参考的大体趋势。通过以上方法将地质灾害孕育规律定量化,并进行定量化区划,进而对地质灾害的时空分布规律进行定量评价。
本文以湖北省鹤峰县城区为研究区,基于研究区地质灾害的统计调查,分析了控制区内地质灾害的孕灾规律,并从地质灾害的时空分布出发,完成了研究区滑坡地质灾害易发性、危险性的评价分析,同时考虑建筑物及室内人口易损性,完成了区内滑坡地质灾害的风险评价,以为研究区及其周边地区的地质灾害发育分布特征研究以及防治规划制定与风险管理提供依据。
1 研究区概况
湖北省鹤峰县地处鄂西褶皱山地,山脉走向与褶皱构造线方向一致。全境地势呈西北高、东南低,平均海拨高程为1 147 m。本次研究区为鹤峰县城关镇,溇水河穿城而过,海拔高程为475~1 004 m(见图1),面积约为32 km,处于构造侵蚀低中山区,位于鹤峰向斜核部近中段部位。该向斜核部穿切县城中部至西部,从溪坪经石龙洞、新庄、容美、太坪、毛坝直抵分水岭,向西同来凤向斜联成一体。
图1 研究区海拔图Fig.1 Elevation map of the study area
研究区出露的地层主要为三叠系中统巴东组第二段(Tb
),地质构造较为简单,未见大的断裂构造形迹。根据研究区岩土体工程地质性质和岩层的组合关系,可划分为土体和岩体两大类,共7个岩组(见图2)。受构造的影响,区内NE、NW向节理裂隙较为发育,破坏了岩体完整性,在一定程度上影响了坡体稳定性。图2 研究区岩组分布图Fig.2 Distribution map of petrofabric in the study area
2 研究区地质灾害孕灾规律分析
研究区内共发育地质灾害及隐患点15处,其中滑坡13处,崩塌2处,见表1。
研究区内地质灾害以滑坡变形为主,其孕育和发展受地形地貌、地层岩性、地质构造以及降雨和人类工程活动等诱因的影响,控制区内地质灾害的孕灾规律主要有地形地貌控制规律、地层岩性控制规律、地质构造控制规律和诱因控制规律四个方面。
2.1 地形地貌控制规律
研究区13处滑坡地质灾害有11处集中发育在500~600 m高程段,区内滑坡地质灾害两侧边界以基岩凸梁地貌为主,滑坡后缘大多为三面高中间低的圈椅状汇水地形,前缘多为沟谷横切或工程切坡形成的高陡临空面。
滑坡地质灾害多发生于地形坡度在15°~40°的陡坡上(见表1),而地形坡度小于15°或大于40°的斜坡地段,滑坡灾害点分布较少。前者由于地形坡度小,地形平缓,岩土体不易滑动;而后者由于地形坡度较大,通常岩质坚硬,不易形成滑坡地质灾害。
表1 研究区地质灾害及隐患点统计表
2.2 地层岩性控制规律
地层岩性是滑坡形成的物质基础,由于地层岩性不同,其抗剪强度各不相同,发生滑坡的难易程度也会不同。软弱地层力学强度低、抗风化能力差,遇水易软化、崩解,同时也易形成大量的松散物质,形成土质滑坡。
碎屑岩地层在研究区的分布面积为8.2 km,占调查总面积(30 km)的27.33%,发育在该岩类中的地质灾害点为13处(其中滑坡12处,崩塌1处);而层状碳酸盐岩夹碎屑岩地层在研究区的分布面积为19.67 km,占调查总面积的65.57%,发育在该岩类中的地质灾害点为2处(其中滑坡1处,崩塌1处)。研究区内主要出露的地层为三叠系中统巴东组第二、四段(Tb
、Tb
),岩性以泥质粉砂岩、砂岩等碎屑岩为主,其饱和抗压强度一般小于15 MPa,多属软岩。此类碎屑岩地层区地质灾害较为发育(见图3),为研究区内的易滑岩组区域。土质滑坡(及滑坡隐患点)主要发生在母岩为软质岩石残坡积沉积物中,区内有8处滑坡地质灾害所处基岩岩性为三叠系中统巴东组(Tb
)泥质粉砂岩、粉砂质泥岩软质岩岩组。区内2处岩质滑坡均发生在碎屑岩岩组中,岩性为Tb
泥质粉砂岩、泥岩互层,属于易滑地层,为斜坡滑移变形的发生提供了有利条件。图3 研究区滑坡地质灾害与岩组分布关系图Fig.3 Relationship between landslide geological hazard and petrofabric distribution in the study area
2.3 地质构造控制规律
受北东向鹤峰向斜的影响,研究区沿沟谷两侧多为Tb
软硬相间易滑地层构成的顺向坡或斜交顺向坡,特定的地质构造与地貌配置为孕灾创造了有利条件。其次,构造作用致使岩体结构面节理裂隙较为发育,尤其在软弱岩层中节理裂隙发育更为明显,造成研究区内斜坡岩体易受风化及其他地质营力的影响,导致其物理力学性质差,易形成不稳定地质体。2.4 诱因控制规律
2.4.1 水
水对地质灾害的影响巨大,不仅加速了边坡的风化变形,而且改变了坡体自重,调整了斜坡内部应力状态,同时降低了软弱夹层的摩擦系数,致使坡体局部出现各种变形,如裂缝、下挫、坍滑等。
根据野外调查及资料分析,研究区内绝大多数地质灾害均发生在雨季,以5、6、7、8、9月份为主,其次为4、10月份。水对地质灾害的影响主要表现为:地下水使岩土体浸水软化,大大降低了岩土体的抗剪强度,增加了土体的重量,从而诱发斜坡变形;水在相对隔水层与上层土体接触面附近滞留,易软化
接触面土体,从而诱发斜坡沿该接触面的变形;洪水期河流水位上涨,地下水水位明显升高,会对斜坡稳定性造成明显的影响。
2.4.2 人类工程活动
人类工程活动对研究区内滑坡地质灾害形成的影响明显,随着经济建设的迅速发展,人类工程活动日渐增强,鹤峰县人类工程活动主要表现为城镇及公路建设、居民建房、水利水电开发等,大量的人类工程活动破坏了斜坡稳定状态,诱发了滑坡地质灾害的产生。
建房切坡、公路开挖等人类工程活动是典型的地质灾害孕灾控制因素之一,见图4。
图4 人类活动诱发地质灾害示意图Fig.4 Sketch map of geological hazards induced by human activities
3 研究区滑坡地质灾害风险评价
研究区内发育的主要地质灾害为滑坡,因此本次选取区内滑坡地质灾害为研究对象进行风险评价。
3.1 滑坡地质灾害易发性评价
滑坡地质灾害易发性评价是风险评价的基础,特别是为滑坡空间概率提供关键的中间数据。滑坡地质灾害是发生在地表并具有明显的时间属性和空间属性的自然地质现象,其影响因素在自然地质地理演化循环过程中有相对固定的地空信息。
滑坡地质灾害易发性评价主要包括评价单元划分、评价指标提取与分析、评价模型构建和精度评价4个环节。以下将重点针对评价单元划分和评价模型构建做重点介绍。
3.1.1 评价模型
本文在种类繁多的评价模型中选取经过众多专家学者应用且发展成熟的信息模型,对研究区滑坡地质灾害易发性进行定量评价。信息量模型理论认为地质灾害的产生与预测过程中所获取的信息数量和质量有关,可用信息量来衡量,信息量越大,表明产生地质灾害的可能性越大。
由于作用于滑坡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,故可采用简化的单因素信息量模型进行分步计算,再进行综合叠加分析,相应的信息量模型如下:
(1)
I
值的大小直接说明该单元产生滑坡的可能性,是滑坡地质灾害易发性区划的重要性指标。信息量越大,滑坡可能发生的概率越大。当I
>0时,表示因素i
对滑坡发生是有利的;当I
<0时,表明因素i
不利于滑坡发生;当I
=0时,则表示因素i
不提供有关滑坡发生与否的任何信息,即因素i
可以筛选掉,排除其作为预测因子。3.1.2 评价单元划分
不同的单元划分对不同研究尺度的滑坡地质灾害易发性评价结果有很大的影响,因此对于区域滑坡地质灾害易发性评价首要的步骤是确定评价单元的划分方法和类型。本次研究采用栅格单元与斜坡单元相结合的方法来划分评价单元。由于本项目中所评价的对象尺度为1∶10 000,因此后续评价过程中在无人机所测数字高程模型的基础上,选取10 m×10 m作为栅格评价的尺度单元。
图5 斜坡单元划分流程图Fig.5 Flow chart of slope unit division
在滑坡地质灾害的风险管理工作中,防灾工作需要基于斜坡展开,为了提高评价成果的可用性,需要以斜坡单元易发性高低的形式表达。以“集水区重叠法”为划分方法,认为斜坡单元是斜坡段的一部分,或是集水流域的1/2,利用正反地形分别提取集水流域的山脊线与山谷线,将生成的集水流域和反向集水流域融合,再依据山体阴影、坡体形态等地形因素和地层岩性因素人工修改斜坡单元,如对面积过大、形状不符合实际情况的斜坡单元进行修正,以得到大小、形状与实际地形高度吻合的斜坡单元,具体流程(见图5)如下:首先,利用ArcGIS中的水文分析模块由原始DEM数据提取山谷线的同时,进行DEM数据的洼地填充以求取整个研究区的流向图,获得各单元的累计流量;然后,通过设定最小汇水单元数,得到不同面积的汇水区,其边界即为分水线;再后,将原始DEM数据反转,用同样方法得到负地形的集水流域,提取负地形的山脊线;最后,将原始DEM数据获得的集水流域和反转DEM数据后获取的集水流域进行叠加融合,得到初步划分的斜坡单元。
以上叠加得到的斜坡单元不能直接作为评价单元,还需要后期进行人工调整,除了进行缝隙合并、空洞补全、调整重叠区域等细节工作外,还需要考虑山体阴影、等高线、地层岩性等因素(见图6)进一步调整斜坡单元的边界,用于滑坡地质灾害易发性评价。
图6 研究区斜坡单元划分示意图Fig.6 Schematic diagram of slope unit division in the study area
考虑研究区比例尺的大小,根据无人机所测10 m分辨率的数字高程模型,将全区划分为313 190个10 m×10 m栅格单元;同时,利用地形线提取山脊山谷线、山体阴影和坡度坡向图,结合野外调查对单个斜坡单元进行划分,完成研究区共955个自然斜坡单元的划分,见图7和图8。
图7 研究区斜坡单元划分图Fig.7 Slope unit division in the study area
图8 研究区斜坡单元划分三维示意图Fig.8 Three dimensional diagram of slope unit division in the study area
3.1.3 评价因子选取
在前期对研究区地质灾害发育规律分析的基础上,完成对地形坡度、坡向、高程、坡面形态、地层岩性、坡体结构、公路影响距离、土地利用类型等相关因子的信息量提取,见图9。另外,鹤峰县在近年建设过程中,溇水河人为改造很大,城区段和部分河岸被浆砌挡墙砌护,失去了其自然属性,对滑体稳定性的影响较小,故将河流因子剔除。
3.1.4 滑坡地质灾害易发性分区
采用综合信息量模型,考虑各因素对滑坡等地质灾害贡献性的大小(见表3),利用公式(1)建立综合因素评价模型。
进一步对所获取的研究区滑坡的易发性量值进行相对等级划分,用于指导地质灾害的定性评估与决策。通过统计全区栅格信息量分布数据,将数据突变点作为等级划分临界值,将全区滑坡的易发性划分为4个等级:高易发区(I
>2.768)、中易发区(-4.809 5<I
≤2.768)、低易发区(-9.356<I
≤-4.809 5)、极低易发区(I
≤-9.356)。为了评估分级结果的准确性,采用受试者特征曲线ROC(Receiver Operating characteristic Curve)对预测结果进行精度分析(见图10),结果表明:预测精度达89.38%,说明前期预测过程和结果较为合理。图9 研究区滑坡地质灾害易发性评价因子分布图Fig.9 Distribution chart of landslide risk assessment factors in the study area
表3 研究区地质灾害评价因素及其信息量
图10 ROC曲线Fig.10 ROC curve
根据滑坡地质灾害易发性分级区间,对全区滑坡地质灾害易发性栅格单元图进行分级,并通过斜坡单元分布,提取斜坡内栅格信息量数据,以实现研究区基于斜坡单元的滑坡地质灾害易发性分区。最终考虑将斜坡单元内栅格信息量均值作为该斜坡单元的滑坡地质灾害易发性代表值,并在此基础上,对所有斜坡单元的滑坡地质灾害易发性进行等级划分,见图11。
图11 研究区滑坡地质灾害易发性分区图Fig.11 Zoning map of landslide susceptibility in the study area
3.2 滑坡地质灾害危险性评价
3.2.1 评价模型
滑坡地质灾害的危险性H
由灾害发生的空间概率、时间概率和规模概率共同决定。其计算公式如下:H
=P
(A
)×P
(N
)×P
(S
)(2)
式中:P
(A
)为滑坡规模大小的超越概率;P
(N
)为滑坡发生的时间概率,即指不同重现期滑坡发生的超越概率;P
(S
)为滑坡发生的空间概率。(1) 滑坡规模大小的超越概率P
(A
):本次研究采用滑坡体积作为其规模大小的评价参数,即可以通过斜坡的体积与面积(在斜坡分布图上可测得)的对应关系,间接获取滑坡体积及其超越概率,但需要统计区内滑坡地质灾害的体积与面积的关系。通常,地质灾害的体积y
与其面积x
之间存在如下关系:y
=ax
(3)
通过统计鹤峰县城区及其附近地质环境条件相似地区(咸丰、宣恩)相关历史滑坡的体积与面积数据,拟合得到鹤峰县城区内滑坡体积与其面积的关系式为
y
=2.303 5x
(4)
根据公式(4),可依据研究区内划分的每一个斜坡单元的面积计算出每个斜坡单元的体积。观察历史滑坡的体积大小(即方量),找出历史滑坡集中分布的方量值,鹤峰县城区的滑坡体积大小集中分布在5×10m和10×10m,对应的斜坡面积分别是1.899×10m和3.370 8×10m,故分两种情况进行分析。
对于滑坡方量为5×10m的情况,当滑坡体积大于5×10m时,对应的面积也应要大于1.899×10m,则有:
(5)
对于滑坡方量为10×10m的情况,当滑坡体积大于10×10m时,对应的面积也应要大于3.370 8×10m,则有:
(6)
根据统计分析,对于鹤峰县城区及其附近地区(咸丰、宣恩),有a
=1.055 4,a
=0.494 8。(2) 滑坡发生的时间概率P
(N
):滑坡发生的时间概率,由滑坡在测区内以不同的重现期发生至少1次灾害的超越概率来确定。本研究认为该时间概率服从泊松分布,其计算公式如下:(7)
式中:t
为重现期(a),这里可以为1 a、10 a、20 a、50 a、100 a;T
为研究区内最新历史滑坡和最老历史滑坡的年份之差,分别为2015年和1994年,故T
=21;N
为斜坡单元里发生滑坡的个数(个),若重现期为10 a和20 a,则N
等于历史滑坡加上极高易发区斜坡个数,若重现期为50 a和100 a,则N
等于历史滑坡加上极高易发区和高易发区斜坡个数。(3) 滑坡发生的空间概率P
(S
):滑坡发生的空间概率意指历史滑坡现象在评价单元内发生的可能性大小,其值为0~1之间的取值。本研究认为该空间概率可由滑坡地质灾害易发性评价结果经归一化处理体现。3.2.2 滑坡地质灾害危险性分析
将研究区滑坡地质灾害易发性评价时利用信息量法得到的每个斜坡的证据权值归一化处理后得到的值作为斜坡的P
(S
)值,然后利用公式(2)即可计算得到每个斜坡单元的H
。滑坡体积大于5万方、10万方工况下的研究区滑坡危险性分布图,见图12和图13。图12 不同重现期研究区滑坡地质灾害危险性分区图(体积大于5万方工况)Fig.12 Landslide risk zoning map of the study area in different return periods (with volume greater than 50 000 cubic meters)
图13 不同重现期研究区滑坡地质灾害危险性分区图(体积大于10万方工况)Fig.13 Landslide risk zoning map of the study area in different return periods (with volume greater than 100 000 cubic meters)
根据研究区滑坡地质灾害危险性评价结果可以发现,相同重现期情况下,体积大于5万方工况的滑坡地质灾害危险性整体大于体积大于10万方工况;而相同体积工况条件下,随着重现期时间的增加,研究区内滑坡地质灾害总体危险性不断增大,滑坡地质灾害危险性高的区域由河流两岸城市建设区渐渐扩大至其他地区。
3.3 建筑物和室内人口易损性评价
易损性是承灾体在面对特定强度灾害时抗灾能力的度量,是灾害强度和承载能力的函数。易损性的定义表明易损性主要表现在致灾强度和承灾体抗灾能力。本次主要针对建筑物和室内人口的滑坡地质灾害易损性进行评价。由于建筑物和人口属性的数据缺失,本研究拟采用定性-半定量的方式计算其易损性。
3.3.1 建筑物易损性评价
滑坡在运动过程中,滑坡体对滑坡运动范围内建筑物的易损性与滑体物质冲击力直接相关,该冲击力与滑坡的速度平方和滑坡体的密度成正比。计算过程中由于无滑坡速度量化值,只有滑坡的运动距离,故采用滑坡运动速度随滑程衰减的假设,将建筑物易损性定义为如表4所示方案。
表4 滑坡影响范围分区与对应的建筑物易损性
滑坡的运动范围,可以通过Corominas等和Scheidegger的滑坡运动距离经验公式计算:
lg(H
/L
)=A
+B
lgV
(8)
式中:H
为滑坡前后缘高程差(m);L
为从滑坡后缘开始计算的投影滑动距离(m)(见图14);V
为滑坡方量(m)。图14 滑坡滑动距离L示意图Fig.14 Diagram of landslide sliding distance L
通过对比分析Corominas等和Scheidegger的滑坡运动距离经验公式,对鹤峰县城区已发生的滑坡的运动过程和影响范围进行反分析,确定出适合鹤峰县城市及其附近地区(咸丰、宣恩)滑坡的滑动距离计算公式为
lg(H
/L
)=-0.156 6×lgV
+0.624 19(9)
根据前期调查成果,对图12和图13中不同工况下出现的高危险性斜坡单元进行方量估算以及滑动距离估算,并将该滑动距离计算结果相应地绘制于各工况下滑坡地质灾害危险性分区图中,斜坡影响范围局部示意见图15,以此作为后续承灾体确定和风险计算的依据。
图15 斜坡影响范围局部示意图Fig.15 Local sketch map of slope image range
3.3.2 室内人口易损性评价
本次评估对象仅考虑室内静态人口的风险。由于室内人口易损性与建筑物易损性直接相关,因此可通过室内人口易损性与建筑物易损性之间的对应关系来实现室内人口易损性的计算。
滑体上人口易损性统一赋值为1.0。室内人口易损性V
-的计算公式为V
-=0.001 4×e6.07(10)
式中:V
为建筑物易损性。图16 室内人口易损性(Vp -s)与建筑物易损性 (Vs)的关系曲线Fig.16 Relation curve of vulnerability of indoor population and vulnerability of structure
3.4 滑坡地质灾害风险评价
3.4.1 评价模型
地质灾害风险可定义为危险性(Hazard)、易损性(Vulnerability)与承灾体(Elements at risk)三者的乘积。在前述地质灾害危险性分析、承灾体易损性分析以及承灾体数量或经济价值分析等成果的基础上,利用地质灾害风险评估模型,可计算得到地质灾害经济与人口风险,具体计算公式如下:
R
=E
×H
×V
(11)
式中:R
为地质灾害的经济与人口风险;E
为受地质灾害威胁的对象,包括人口、经济等;H
为特定地区范围内某种潜在地质灾害在一定时间内发生的概率;V
为承灾体易损性值,可用0~1表示。3.4.2 滑坡地质灾害风险分析
结合地质灾害发生的空间概率、斜坡方量和运动距离的估算,实现对受威胁对象(承灾体)的确定:处于危险性高的斜坡体上及其影响范围内的建筑物、人口、公共设施、土地资源等是本次研究要考虑的承灾对象。限于研究区的实际调查数据情况,仅对可能的受威胁建筑物进行评估。
将危险性属于中、高级别的斜坡及其影响范围内的建筑物认为是受威胁的对象,分别统计不同体积工况、不同重现期内受威胁对象的个数(见表5),也可以分辨受威胁建筑物,并将斜坡的危险性值赋予对应斜坡上及其影响范围内的受威胁建筑物,统计不同体积工况、不同重现期内研究区滑坡地质灾害威胁建筑物的危险性值,经公式(11)计算可得到风险值,见表5。
表5 不同体积工况、不同重现期内研究区滑坡地质灾害威胁建筑物统计表
不同体积工况、不同重现期内研究区滑坡地质灾害威胁建筑物空间分布图,见图17和图18。由于数据缺失,该风险值未考虑建筑物结构、楼层数以及建筑物年龄的差异性。
图17 不同重现期内研究区滑坡地质灾害威胁建筑物空间分布图(体积大于5万方工况)Fig.17 Spatial distribution of buildings threatened by landslides in different volume conditions and return periods in the study area (with volume greater than 50 000 cubic meters)
图18 不同重现期内研究区滑坡地质灾害威胁建筑物空间分布图(体积大于10万方工况)Fig.18 Spatial distribution of buildings threatened by landslides in different volume conditions and return periods in the study area (with volume greater than 100 000 cubic meters)
对研究区内不同危险性等级的斜坡,采用矩阵叠加方式,综合提出滑坡地质灾害风险防控措施原则,具体建议如下:具有高级别危险概率的斜坡、具有高级别风险的斜坡应实施工程治理方案;具有中等级别危险概率的斜坡、具有中等级别风险的斜坡应实施工程治理、专业监测或群测群防综合方案,见表6。
表6 研究区滑坡地质灾害风险防控措施原则
4 结 论
(1) 研究区地质灾害孕育主要受地形地貌、地层岩性、地质构造及相关诱因控制。
(2) 研究区滑坡地质灾害多发生于地形坡度在15°~40°的陡坡上,崩塌地质灾害则在地形坡度为40°~50°的陡坡上较常见;区内泥质粉砂岩、泥岩互层岩层发育广泛,属于易滑地层;区域构造作用不仅在区内构成顺向坡或顺向斜交坡,还使岩体破碎严重、易风化,这些均为地质灾害的发生创造了有利条件;水和人类工程活动对滑坡地质灾害的影响显著,多雨季节以及城镇建设、坡脚开挖等人类工程活动明显的地区,滑坡地质灾害发育更明显。
(3) 基于研究区滑坡地质灾害易发性评价结果,考虑滑坡规模超越概率和时间概率,结果表明:体积大于5万方工况的滑坡危险性整体大于体积大于10万方工况;相同体积工况条件下,重现期越长,研究区内滑坡总体危险性不断增大,滑坡危险性高的区域由河流两岸城市建设区渐渐扩大至其他地区。
(4) 考虑建筑物易损性、室内人口易损性,获得研究区不同体积工况、不同重现期内受威胁对象的风险值,可为研究区地质灾害防治规划制定与风险管理提供可靠依据。