海岛地区地质灾害易发性评价模型构建研究——以岱山县衢山镇为例

常连远， 焦德智， 司栋栋， 宋清峰

(浙江省工程勘察设计院集团有限公司， 浙江 宁波 315000)

0 引言

地质灾害易发性是指由基础地质环境条件所决定的发生地质灾害的空间概率，是地质灾害发生的难易程度的一种表征。以往地质灾害易发性评价单元多使用栅格单元，本文使用斜坡单元作为基本评价单元。自然斜坡单元(简称斜坡单元)是地质灾害发生的基本地形地貌单元，往往是一个具有一定坡度、平面面积及体积的斜坡地段。其划分是按照地质灾害的形成条件与成因机制的差异，依据山脊线和沟谷线进行。这种方法常用于较高精度的评价，具有较为明确的地质灾害成因机制分析，适用于大比例尺、小区域的评价分析[1-2]。

易发性评价指标及描述难以标准化，全国、甚至全省普适性的指标体系不可能完全统一。本次易发性评价以现有地质灾害资料为基础，结合地质地貌因素，借助层次分析法和综合危险指数法确定易发性的综合评分，进而划定易发程度等级和修编易发程度分区[3-4]。

本文构建的易发性评价指标体系补充完善了舟山市海岛地区地质灾害易发性评价模型，评价模型的构建过程可为海岛地区地质灾害易发性评价提供参考。

1 研究区概况

岱山县衢山镇位于浙江省舟山群岛中北部(见图 1)，长江、钱塘江入海口外缘，地处东经122°14′～122°33′、北纬30°24′～30°37′。背靠长江三角洲这一中国最大的经济核心区，与长三角重要中心城市上海、宁波隔海相望，东有国际航道穿越其境，有海上通衢大道之称。

岱山县衢山镇地形地貌以侵蚀剥蚀丘陵为主，丘陵区面积占整个陆域面积的80.0%左右，平原区面积占整个陆域面积的20.0%左右； 境内地质构造较复杂，基岩岩性变化较大，降雨具有雨量集中、降水强度大、持续时间较长等特点， 5～6月的梅雨期以及7～10月的台汛期，是本地区地质灾害多发期，且具有群发性的特征。

图 1 评价区位置图Fig.1 Location map of the evaluation area

2 评价指标体系的建立

易发性评价指标体系主要由基础地质环境数据决定，可分为3个部分： 地质环境条件指标，包括断裂密度、节理发育程度、工程地质岩组、覆盖层厚度、坡向、坡度、高程、坡型以及植被等方面； 人类工程活动指标，包括切坡强度、坡面开垦强度等； 现状地质灾害指标，包括灾害空间位置、灾害点密度等地质灾害现状信息[5]。

利用定性分析、专家经验、地质环境条件空间数据库和地质灾害分布的相关性分析，筛选影响地质灾害易发性的主要参评因子，并结合评价预测模型建立指标体系，完成指标因子的分析与量化[6]。

2.1 评价指标选取及分级赋值

2.1.1 地质环境条件

(1)与断裂距离

断层常常构成一定地区的构造格架，使其附近的岩体变得破碎，特别是在受断层构造控制的地层交界区域，地质灾害较为多发，在GIS空间分析模块中采用线文件(断层)与区文件(评价单元)相交分析获得各评价单元与断层的距离。

对已知灾害点进行统计(地质灾害点以省库灾害点统计内容为主，下同)，其中灾害点与次生断裂距离小于500im区间范围内，分布有灾害点6个，占灾害点总数的30%； 灾害点与次生断裂距离500～1000im区间范围内，分布有灾害点6个，占灾害点总数的30%； 灾害点与次生断裂距离1000～1500im区间范围内，分布有灾害点3个，占灾害点总数的15%； 灾害点与次生断裂距离大于1500im区间范围内，分布有灾害点5个，占灾害点总数的25%； 分布特征统计如图 2所示。对指标因素的各级分类按照对地质灾害形成的重要程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分级赋值情况见表 1。

图 2 地质灾害按与次生断裂距离统计图Fig.2 Statistical chart of geological hazards according to the distance from secondary faults

表 1 地质灾害与次生断裂距离相关性分级赋值表Tab.1 Grading assignment of the correlation between geological hazards and secondary fault distance

(2)节理裂隙发育程度

衢山镇地质灾害主要以崩塌、滑坡形式发生，而节理裂隙面对工程岩体的完整性、渗透性和物理力学性质等有着显著的影响，节理裂隙较发育的区域，地层破碎、易风化，水流的侵蚀作用也较强，促进地质灾害的发生[7]。

对指标因素的各级分类按照对地质灾害形成的重要程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分。对已知崩塌灾害统计，当节理不发育，有1～2组，间距一般大于0.4m时，未见崩塌灾害发生，将此区间分值赋最小值1； 当节理较发育，节理发育2～4组，间距0.2～0.4m时，易发生崩塌灾害，将此区间分值赋8； 当节理发育，一定规模的节理有4组以上，其间距一般小于0.2m时，最易发生崩塌灾害，将此区间分值赋11，分级赋值情况见表 2。

表 2 地质灾害与节理裂隙发育程度 相关性分级赋值表Tab.2 Grading assignment of the correlation between geological hazards and joint fracture development

(3)工程地质岩组

地层岩性是地质灾害形成、演化的重要因素，为灾害的发育提供了物质基础。不同岩土体构成的斜坡具有不同的物理力学性质，评价区域内基岩岩性变化较大，本次岩性评价以工程岩组为基本单位，评价单元内存在两种或者两种以上的岩组时，以最差岩组赋值[8]。

评价区基岩岩性变化较大，其中侵入岩(Q)岩性以钾长花岗岩、二长花岗岩、花岗斑岩为主，该岩性区域内分布以往灾害点9个，占灾害点总数的45%； 变质岩(B)岩性以斜长角闪岩、浅粒岩为主，该岩性区域内分布以往灾害点3个，占灾害点总数的15%； 火山灰碎屑岩(H)以坚硬块状西山头组、高坞组熔结凝灰岩为主，该岩性区域内分布以往灾害点7个，占灾害点总数的35%； 火山喷出岩(R)岩性以霏细斑岩、流纹斑岩、英安斑岩为主，该岩性区域内分布以往灾害点1个，占灾害点总数的5%； 分布特征统计如图 3所示。对指标因素的各级分类按照对地质灾害形成的重要程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分级赋值情况见表 3。

图 3 地质灾害按岩组统计图Fig.3 Statistical chart of geological hazards according to rock groups

表 3 地质灾害与岩组相关性分级赋值表Tab.3 Grading assignment of the correlation between geological hazards and rock formations

(4)覆盖层厚度

松散覆盖层是区内滑坡发生的物质基础，根据地质灾害空间分布可知，滑坡灾害大多分布在覆盖层厚度较大的区域。

在天然工况下，边坡初始安全系数与覆盖层厚度成反比，覆盖层厚度越大，边坡安全系数越小，这是因为覆盖层厚度越大，覆盖层土体自重应力越大，致使下滑力越大，边坡稳定性越差。而在相同降雨强度下，覆盖层厚度越小，边坡浸润线下移相对越深，体积含水量越大，边坡抗剪强度越小，对边坡稳定性造成的影响就越大[9]。

岱山县衢山镇地质灾害多发生在“台汛期”，受持续强降雨影响较大，并且衢山镇覆盖层结构较松散，此时可不考虑边坡稳定性与侵润线下移深度的关系，统一认为边坡稳定性与覆盖层厚度呈反比，地质灾害与覆盖层厚度相关性呈正相关[9]。

对指标因素的各级分类按照对地质灾害的影响程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分值赋值情况见表 4。

表 4 地质灾害与覆盖层厚度相关性分级赋值表Tab.4 Grading assignment of the correlation between geological hazards and overburden thickness

(5)斜坡坡向

向阳坡日照强烈，日夜温差较大，基岩受风化作用比北坡强烈，从而造成岩土体宏微观力学特性的改变。且大部分台风自东南向登陆，东南向坡面遭受短时强降雨破坏更加强烈，更有利于地质灾害的发生。

对评价区地质灾害坡向分布特征进行统计，其中北东向(0°～90°)区间内分布灾害点2个，占灾害点总数(劈开山道路边坡按两段进行统计，此处灾害点总数为21个)的9.5%； 东南向(90°～180°)区间内分布灾害点9个，占灾害点总数的42.9%； 西南向(180°～270°)区间内分布灾害点3个，占灾害点总数的14.3%； 北西向(270°～360°)区间内分布灾害点7个，占灾害点总数的33.3%； 对指标因素的各级分类按照对地质灾害形成的重要程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分级赋值情况见表 5。

表 5 地质灾害与坡向相关性分级赋值表Tab.5 Grading assignment of the correlation between geological hazards and slope direction

(6)斜坡坡度

评价区自然斜坡坡率一般为15°～25°，局部略陡，而评价区滑坡灾害多为坡脚前缘临空面覆盖层小规模滑塌，根据历年灾害点统计分析，认为斜坡自然坡度在衢山镇地质灾害易发性因素中影响较小，与坡脚处人工切坡坡度密切相关，且呈正相关关系。

因此，此处不考虑斜坡坡度影响，而在人类工程活动中，对坡脚人工切坡坡度影响进行详细阐述。

(7)斜坡坡型

根据极限平衡理论，斜坡的破坏就是滑面剪切力(滑动力)大于滑面上的抗剪强度(抗滑力)而发生位移，当斜坡剖面形态呈凸型时，其重力沿坡向提供的分量较其他形态的大，即滑动力相较其他类型的略大，通过分析评价区内已知滑坡灾害剖面形态数据可知，大部分为凸型坡，少量为直线型。斜坡形态各级分类对滑坡形成的重要程度为：凸型>直线型>凹型[4]。利用区域分析中的分区统计工具，将斜坡单元范围内斜坡曲率的众值提取到斜坡单元属性中。

由野外调查可知，区内大部分斜坡剖面形态为直线型，且地形起伏整体较小，各级剖面形态对地质灾害形成的影响程度区别较小。对指标因素的各级分类按照对地质灾害的影响程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分值赋值情况见表 6。

表 6 地质灾害与斜坡剖面形态相关性分级赋值表Tab.6 Grading assignment of the correlation between geological hazards and slope profile morphology

(8)植被

评价区属于亚热带海洋性季风气候，四季分明、气候温和、光照充足，典型的丰水型地区，全年降雨充沛，天然植被覆盖率普遍较高，该因素在易发性评价中区分度较小。斜坡坡面开垦，破坏天然植被覆盖率在人类工程活动指标中进行了考虑，故此处不再重复考虑植被因素。

(9)高程

高程因素对区域地质灾害发育具有一定的控制作用，人类往往居住在某一特定的高程范围内，在这一范围内，人口密度大、工程活动强烈，改变着周边的地质环境。根据野外调查情况分析，并对评价区滑坡、崩塌灾害点高程分布特征进行统计，评价区地质灾害主要分布在坡脚前缘，高程在0～50im区间，此高程段是山区居民活动频繁、人类工程活动强烈影响地带，也是覆盖层较厚的区域。

对指标因素的各级分类按照对地质灾害形成的重要程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分级赋值情况见表 7。

表 7 地质灾害与高程相关性分级赋值表Tab.7 Grading assignment of the correlation between geological hazards and elevation

2.1.2 人类工程活动

以往评价模型中人类工程活动指标多考虑的是公路密度、人口密度，达不到精细化、高精度的要求； 衢山镇山体自然斜坡历经成千上万次台风暴雨，自然状态下基本处于稳定状态，地质灾害多以房前屋后陡坎小规模滑塌为主； 同时，衢山镇土地资源稀缺，农户多在房后坡面上开垦为菜地、果园，坡面开垦种植活动，破坏了自然的植被状态，被降水冲刷、入渗，加剧水土流失，加速岩体风化破碎和不稳定结构面的形成与发展，是诱发地质灾害的主要因素之一。因此，本文中人类工程活动指标考虑切坡强度和坡面开垦强度两方面。

(1)切坡强度

切坡使斜坡产生临空面，改变了坡脚的应力状态，造成局部应力集中，易引发斜坡失稳。同时，切坡强度也反映了评价单元内人类工程活动的强度。此处把切坡强度划分为两方面： ①人工切坡高度； ②人工切坡坡度。

①人工切坡高度

评价区斜坡覆盖层厚度一般小于3im，当切坡未完全揭露覆盖层的时候，切坡高差越大，斜坡稳定性越差； 当切坡完全揭露覆盖层的时候，切坡高度对上部覆盖层稳定性不再会有明显的影响。此时，切坡高度与斜坡失稳后的破坏强度和造成的危害有正相关关系，并开始对人工边坡岩质坡段稳定性起控制作用。

根据野外调查数据，大部分屋后斜坡前缘切坡高度均大于覆盖层厚度，个别斜坡前缘切坡高度小于覆盖层厚度，公路边坡的高度一般均大于斜坡覆盖层厚度。

对指标因素的各级分类按照对地质灾害形成的重要程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分级赋值情况见表 8。

表 8 地质灾害与人工切坡高度相关性分级赋值表Tab.8 Grading assignment of the correlation between geological hazards and artificial cut slope

②人工切坡坡度

坡度是控制滑坡发育的重要因素之一，从斜坡的刚体极限平衡模型来看，斜坡坡度越大，其重力沿坡向提供的分量也就越大，滑动力越大，越易促进滑动发生。

对指标因素的各级分类按照对地质灾害形成的重要程度进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分级赋值情况见表 9。

表 9 地质灾害与人工切坡坡度相关性分级赋值表Tab.9 Grading assignment of the correlation between geological hazards and manual cut slope degree

(2)坡面开垦强度

本次易发性评价坡面开垦强度以植被覆盖率为分级标准进行取值。按照对地质灾害形成的影响程度对指标因素进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分级赋值情况见表 10。

表 10 地质灾害与坡面开垦强度相关性分级赋值表Tab.10 Grading assignment of the correlation between geological hazards and slope reclamation intensity

2.1.3 现状地质灾害

地质灾害往往具有群发性的特点，其发育现状从侧面反映了该区域地质灾害的易发程度，其理论基础是地质灾害发生在具有相同或相似地质环境条件的区域，即灾害集中发育的地段，其易发程度也越高。此处用灾害密度来表征现状地质灾害强度。

按照对地质灾害形成的影响程度对指标因素进行赋值，且使得该指标的各项分类赋值总和为20分，分级赋值情况见表 11。

表 11 地质灾害与现状地质灾害强度相关性分级赋值表Tab.11 Grading assignment of the correlation between geological hazards and the intensity of current geological hazards

2.1.4 其他因素

(1)评价区面积较小，可以认为区内年均降雨量是没有明显的差别。

(2)地震动峰值加速度均为Ⅶ度区，地震对评价区地质灾害易发性影响没有明显的差别。

(3)区内地表水(河流、水库)多位于山麓沟谷，基本都修建有河堤、大坝，水位变化小，对周边的山体侧蚀作用较小，对地质灾害的发育影响较小。

因此，本次研究不考虑年均降雨量、地震、地表水等因素。

2.2 评价指标体系的建立

根据上文评价指标选取及分级赋值情况，建立岱山县衢山镇地质灾害易发性评价指标体系，如图 4所示。

图 4 岱山县衢山镇地质灾害易发性评价指标体系Fig.4 Evaluation index system of geological hazard susceptibility in Qushan Town， Daishan County

3 确定评价因子权重

层次分析法是从定性分析到定量分析综合集成的一种典型的系统工程方法，是由美国运筹学家Saatty在20世纪70年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法[10-11]。它将人们对复杂系统的思维过程数学化，将人的主观判断为主的定性分析进行量化，将各种判断要素之间的差异数值化，帮助人们保持思维过程的一致性，适用于复杂的模糊综合评价系统，是目前被广泛应用的一种确定权重的方法[1]。本文将采用层次分析法确定各评价因子权重。

层次分析法的阶梯结构包括目标层、准则层和方案层三层。本文研究的目标层(A)为衢山镇地质灾害易发性评价； 准则层包括地质环境条件(B1)、人类工程活动(B2)、地质灾害现状(B3)三个Ⅱ级指标，与断裂距离(C1)、节理发育程度(C2)、工程地质岩组(C3)、覆盖层厚度(C4)、坡向(C5)、坡型(C6)、高程(C7)、切坡强度(C8)、坡面开垦强度(C9)、地质灾害密度(C10)等10个Ⅲ级指标以及人工切坡高度(D1)、人工切坡坡度(D2)两个Ⅳ级指标[12-13]； 最终方案层则是将衢山镇地质灾害易发性分为高、中、低、极低四个等级。

利用层次分析法确定Ⅱ级准则层地质环境条件(B1)、人类工程活动(B2)、地质灾害现状(B3)的权重。通过野外实地调查情况及参考文献，并听取专家意见，根据评价因子重要性标度表，构造判断矩阵[10]。

表 12 Ⅱ级准则层对目标层A判断矩阵Tab.12 The judgment matrix of Ⅱ grade standard layer to target layer A

按和积法计算得到判断矩阵A的特征向量W1以及特征向量W1对应的最大特征值λ1max。

W1=(0.43， 0.47， 0.1)T

λ1max=3.006

对判断矩阵A进行一致性检验：

计算结果满足一致性检验，符合要求。

按上述步骤构造Ⅲ级指标的判断矩阵，通过矩阵运算分别确定每个Ⅲ级指标层次单排序权重。Ⅱ级指标B2对应Ⅲ级指标有两个，通过野外调查并结合专家意见直接得出其权重分别为0.2(指标C9相对应权重值)、0.8(指标C8相对应权重值)， Ⅳ级指标人工切坡高度(D1)、人工切坡坡度(D2)对地质灾害易发性影响程度相近，权重设为一致； 其他指标权重判断矩阵见表 13。

表 13 Ⅲ级指标层对B1的判断矩阵Tab.13 The judgment matrix of Ⅲ grade index layer to B1 level

按和积法计算得到判断矩阵B1的特征向量W2以及特征向量W2对应的最大特征值λ2max。

W2=(0.06， 0.31， 0.15， 0.31， 0.09， 0.03， 0.05)T

λ2max=7.244

对判断矩阵B1进行一致性检验：

计算结果满足一致性检验，符合要求。

由上可知，各判断矩阵都通过了一致性检验，因此计算结果可作为评价因子的权重。最终各评价指标权重如表 14所示。

表 14 评价指标权重Tab.14 Evaluation index weight

4 易发性分区4.1 评价模型

本次地质灾害易发性评价采用定性与定量相结合的方法，通过综合指数法利用因子加权综合评判确定地质灾害易发程度分区，评价单元的各评价指标通过野外调查及地理信息系统的空间分析获取[14]。地质灾害易发性评价的数学模型为：

(1)

式中，W易为评价单元的地质灾害易发程度指数；Ei为第i项因子权重；Pi第i项因子分值。

4.2 易发性分区

(1)易发性分级标准

根据斜坡单元易发程度指数，结合野外调查情况以及专家经验，易发区划分标准如表 15所示。

表 15 易发区划分标准Tab.15 Classification criteria for susceptible areas

图 5 岱山县衢山镇地质灾害易发程度分区图Fig.5 Zoning of geological hazard susceptibility in Qushan Town， Daishan County

(2)易发区修正

①结合野外调查情况对地质灾害易发性评价进行校核；

②原有灾害点已消除隐患等地段，降低易发区等级；

③将近年来灾害频发，原为低、中易发的，提高易发区等级；

④将洪积、海积平原区，划定为极低易发区。

(3)评价结果

根据易发性综合指数法判定，并结合岱山县衢山镇地质灾害特点，对不同等级易发性评价单元进行人工修正，最终划定衢山镇地质灾害中等易发区面积4.03km2，占衢山镇总面积的5.47%； 划定衢山镇地质灾害低易发区面积55.69km2，占衢山镇总面积的75.67%； 划定衢山镇地质灾害极低易发区面积13.88km2，占衢山镇总面积的18.86%，分区情况如图 5所示。

5 结论

(1)岱山县衢山镇地质灾害易发性评价指标主要包括与断裂距离、节理发育程度、工程地质岩组、覆盖层厚度、坡向、高程、坡型、切坡强度、坡面开垦强度以及灾害点密度等，将其作为岱山县衢山镇地质灾害易发性评价指标体系的评价因子是合理的。

(2)本文划定的中、低、极低易发区与衢山镇历史灾害点的分布特征基本一致，评价结果是合理的。

(3)本文易发性评价充分利用前期“岱山县农村山区地质灾害调查与评价项目”的经验，以现有地质灾害资料为基础，以斜坡单元为评价单元，结合地质地貌因素，借助层次分析法和综合危险指数法确定易发性的综合评分，进而划定易发程度等级和修编易发程度分区，补充完善了舟山市海岛地区地质灾害易发性评价模型，评价模型的构建过程可为海岛地区地质灾害易发性评价提供参考。