黄土高原东部基本农田地质环境安全性评价

余悠然 王冉 李振 刘世奇 王鹤

摘要：黄土高原地区地表破碎，水土流失严重，易发生滑坡、崩塌、地面塌陷等地质灾害，损毁农田，威胁农业生产安全。以山西省古交市为研究区，采用信息量耦合二元逻辑（Logistic）回归模型和地理信息系统（GIS）空间分析工具，在划定地质灾害易发性分区的基础上，开展古交市基本农田地质环境安全性评价研究，研究结果表明：（1）古交市地质灾害极高、高、中、低易发区的面积占比分别为9.70%、12.27%、21.17%、56.86%，中心城区、城镇村居民区和交通干线附近地质灾害发生概率最高;（2）古交市基本农田地质环境安全性分为极低、低、中、高4个等级，其对应范围内基本农田面积占比分别为11.82%、17.02%、26.67%、44.49%。古交市地质环境已对基本农田安全造成威胁，黄土高原地区基本农田划定和布局优化调整时，应深入考虑地质灾害、水土流失等地质环境问题造成的影响。

关键词：黄土高原;古交市;地质灾害;基本农田;地质环境安全性评价

中图分类号：X43 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2021）16-0220-07

我国耕地资源稀缺，严守耕地红线，保证粮食安全是我国的基本国策，为此我国实行基本农田保护制度[1]，而基本农田保护的核心内容就是要保存基本农田的生产力[2]。黄土垂直节理发育，具有较强的湿陷性，因此黄土高原是我国地质灾害的频发地区[3]。各类地质灾害不仅会破坏农业基础设施，还会导致土壤肥力下降、耕作层受到破坏等后果，进而造成农田生产力下降。目前，我国基本农田的划定多是从自然禀赋、区位条件[4]等方面考虑，我国学者对基本农田质量的评价和布局的优化也主要从自然气候、地力大小、基础设施、经济效益、区位因素、环境清洁程度和可持续利用几个方面进行[5-8]，而对地质灾害、水土流失等可能造成农田损毁、产量减少的地质环境影响考虑不足[9]。受滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害破坏的农田，短期内难以恢复耕种，造成耕地面积减少。山西省古交市位于黄土高原东部，地表沟壑纵横，多黄土塬、梁、峁，耕地面积少，是我国重要的产煤基地和最大的炼焦基地，然而长期以来各种人类活动对当地地表造成了严重破坏，地质灾害频繁发生，给当地基本农田保有量和粮食安全产生了威胁。目前评价地质灾害易发性的方法有信息量法、逻辑回归法、随机森林算法等，综合考虑研究区实际情况以及资料的丰富程度。本研究采用信息量耦合二元逻辑（Logistic）回归方法分析山西省古交市地质灾害易发性，并在此基础上开展基本农田地质环境安全性评价。目前针对研究区基本农田展开的研究较少，当地对基本农田受地质灾害威胁的重视不足，本研究将为古交市基本农田保护工作提供参考，也将为其他地质灾害易发区的基本农田布局调整优化提供科学依据，帮助减少因地质灾害而造成的基本农田折损。

1 研究区域及数据

1.1 研究区概况

古交市地处黄土高原东部、山西省中部（111°43′08″～112°21′05″E，37°40′06″～38°08′09″N）（图1），隶属太原市下辖县级市，总面积为1 512.345 km2，现辖3镇7乡4个街道，总人口为21.18万人，国内生产总值（GDP）为36.61亿元，粮食总产量为 10 955 t（2018年）。2019年，全市共有耕地 19 740.26 hm2，基本农田15 792.33 hm2，主要分布于古交市北部的河口镇和南部的岔口乡、邢家社乡，占基本农田总数的51.71%。古交市属于温带大陆性气候，年均降水量为391.58 mm，四面环山，中部地势低缓，平均海拔为1 604 m，形成了以中山为主的地貌形态。地表黄土厚度小于50 m，多分布于低山丘陵区和中部梁峁及其边坡地带，区域内河谷纵横，水土流失严重。境内矿产资源丰富，多年来工矿开采给当地造成植被破坏、地面塌陷等严重环境问题。据《山西省2019年度地质灾害防治方案》，山西省全境均属地质灾害易发区。古交市地质灾害频繁发生，截至2017年底，共有287个地质灾害（隐患）点，其中已发生的各类地质灾害点有117个，各类潜在地质灾害隐患点有170个。

1.2 数据来源

数字高程模型（DEM）数据来源于地理空间数据云平台的ASTER GDEM 30 m分辨率数字高程数据，在地理信息系统（GIS）软件中提取坡度、高程、坡向等信息。地质灾害（隐患）点来源于《山西省古交市地质灾害详细调查报告》。基本农田、道路、河流、城镇村居民区等数据来源于古交市土地利用现状图，本研究结合遥感影像对其进行了修正。地貌、地质数据来源于BIGMAP软件，用于提取地貌类型、地质构造、岩土体类型信息，上述数据均通过GIS软件进行配准、投影变换、矢量化等处理，坐标系统一为2000国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）。

2 研究方法

2.1 地质灾害易发性评价方法

基本农田划定会对耕地土壤清洁程度、田面坡度、集中连片度、水利和水土保持设施[10-12]等提出具体要求，但对地质灾害的重视程度尚有不足。地表坡度、水土保持状况等在一定程度上可以表征地质环境对基本农田的约束作用，但倘若周边发生地质灾害，依然会对农田造成负面影响。本研究采用构建信息量法和二元Logistic回归方法的耦合模型，开展古交市地质灾害易发性研究，同单一模型相比，耦合模型可以在不过多增加工作量的前提下显著提高模型预测精度[13]。在此基础上，进一步分析地质灾害易发性对基本农田安全的影响。本研究以287个地质灾害（隐患）点和287个随机生成的非地质灾害点作为样本，将地质灾害发生定义为1，不发生定义为0，计算各分级影响因子的信息量值，并通过相关性分析和共线性诊断剔除相关性过强的多余因子，提高模型预测精度，再利用二元Logistic回归模型得到最终的地质灾害易发性预测结果。信息量法和二元Logistic回歸模型表达式如下：

式中：A表示地质灾害发生;I（Xi，A）表示在A条件下致灾因子（Xi）提供的信息量值;Ni为分布在因素Xi内变形破坏单元总数;N为研究区已知变形破坏单元总数;Si为研究区内含有评价因素Xi的面积;S为研究区总面积;β1～βk为影响系数;α为常量;Pi是地质灾害发生的概率;1-Pi为灾害不发生的概率。

2.2 影响因子分析

2.2.1 地质灾害影响因子分析 根据研究区现场调查情况和地质特点，本研究将从自然因素和人为因素论述各要素对地质灾害发育的影响。自然因素包括地貌类型、高程、坡度、坡向、岩土体类型、断层、河流等，人为因素包括城镇村居民区建设、道路建设和采矿活动等。

从地貌类型来看，古交市梁状黄土丘陵区的地质灾害最为集中，该区域黄土垂直节理发育、土质松散，是地质灾害形成的有利条件，同时又与采矿等人类活动频繁区有较多重叠，更易诱发地质灾害。单从坡度上来看，坡度越大的区域地质灾害发生的可能性越大，但高程高、坡度大的区域多属于建设用地不适宜区，人类活动极少，诱发地质灾害的可能性较低。从坡向上来看，阳坡受太阳辐照时间更长，岩石风化程度更高，更有利于地质灾害发育。从岩土体类型来看，粉土岩组分布的区域地质灾害数量最多，粉土垂直节理发育且具有湿陷性，当大量雨水冲刷时，极易形成泥石流和滑坡等地质灾害;断层是岩层所受应力超过自身极限而产生的断裂错位，在距离断层较近的地区，岩石破碎易被风化，岩土结构更为脆弱，也更易发生地质灾害;河流的浸泡、侵蚀对河谷两岸坡体的稳定性和强度也会有影响。古交市全境均为地质灾害易发区，各项工程建设过程中可能出现不合理开挖坡脚、随意堆放土石土方等问题，易诱发滑坡、崩塌等地质灾害;跟道路建设和居民区建设相比，采矿活动对地表及周边环境的改造最为强烈，生产过程中产生的采空区和废渣的随意堆积，为各类地质灾害的发生创造了条件。

2.2.2 影响因子分级 为便于计算影响因子的信息量值，本研究对10个影响因子进行分级。对于离散型数据，直接依据野外实地调查时的分级;对于连续型数据，依据各分级区间内灾害点比例与点密度曲线的突变点分级[14]。首先将影响因子按步长进行分割，即高程、距道路距离、距断层距离按 200 m，坡度按5°，距河流距离按100 m为步长进行灾害點比例与点密度统计。

如图2所示，将高程按1 000、1 200、1 600分级;坡度按10°、25°、45°分级;距断层距离按400、800、1 800 m分级;距河流距离按200、500、800 m分级;距道路距离按200、800、1 200 m分级。

2.2.3 信息量值计算 根据影响因子分级结果和公式（1）计算各级影响因子的信息量值，如表1所示。

2.2.4 影响因子相关性分析 为保证影响因子间的相互独立，本研究在SPSS中采用斯皮尔曼方法进行因子间的相关性分析，并结合研究区实际情况剔除相关性较大的因子。当相关系数大于0.5时，认为2个因子间存在一定的相关性[15]。如表2所示，地貌类型、高程、距断层距离和距道路距离与其他因子间的相关系数有的超过0.5，考虑到断层对区域地质稳定性的影响，且研究区交通干线两侧存在大量无防护的高陡边坡，这2个因子对地质灾害的发生有较重要的影响，应予以保留，最终选取岩土体类型、坡度、坡向、距断层距离、距道路距离、距水系距离、距居民区距离、距矿区距离为地质灾害易发性模型评价因子。

2.3 地质灾害易发性评价模型计算

在进行二元Logistic回归分析前，须要对影响因子进行共线性诊断，各要素的方差膨胀因子（VIF）值均小于10，表明因子间不存在多重共线性，可以进行回归分析。导入287个地质灾害点和287个非

地质灾害点作为样本，得到Logistic回归方程：

lgP=0.468+0.559x1+0.483x2+0.761x3+0.535x4-0.118x5+0.999x6+1.070x7+0.873x8。

式中：x1、x2、…、 x8分别对应岩土体类型、坡度、坡向、距断层距离、距水系距离、距道路距离、距居民区距离和距矿区距离。从回归系数大小来看，距道路距离、距居民区距离和距矿区距离的系数分别为0.999、1.070、0.873，表明这3个因子对地质灾害发生起主要控制作用，说明研究区内地质灾害发生的可能性与人类活动的频繁程度有较大相关性。而岩土体类型、坡度、坡向等影响因子不是古交市地质灾害发生的最主要影响因素。

为检验模型精度，本研究选用接受者操作特征（ROC）曲线对模型预测结果进行验证，当曲线下面积（AUC）为0.5～1.0时，说明结果可靠[15-16]。将模型预测结果和样本数据检验值代入得到AUC为0.897 8，远大于0.5，证明该模型计算结果可靠。

3 结果与分析

3.1 地质灾害易发性分区

将得到的各项回归系数代入公式（2）和公式（3），在GIS软件中通过栅格计算工具将各影响因子图层叠加得到每个栅格单元地质灾害发生概率（P），其范围为0.009 94～0.999 48。按自然断点法分为4个区间：（0.009 94，0.196 21）（低易发区）、[0.0196 21，0.479 49）（中易发区）、[0.479 49，0.782 17）（高易发区）、[0.782 17，0.999 48]（极高易发区），各分区面积占比分别为56.86%、21.17%、12.27%、9.70%（图3）。极高和高易发区主要集中于主城区、居民区和交通干道沿线，中易发区多与矿区分布相重合，低易发区分布在古交市四周人口密度低、人类活动较少的山地地区。

3.2 基本农田地质环境安全性评价

依据前文得到的古交市地质灾害易发性分区，对古交市现有基本农田地质环境安全性进行评价。将地质灾害易发性等级分区图和基本农田分布图进行叠加分析，地质灾害易发性等级和基本农田安全性等级（图4）的对应关系为极高-极低、高-低、中-中、低-高。从古交市基本农田地质环境安全性评价等级图（图4）和安全性分级统计表（表3）来看，古交市中部地区的基本农田地质环境安全性最低，并沿主要交通干线呈射线状向四周辐射。位于古交市中部的镇城底镇、梭峪乡、西曲街办、屯兰街办、桃园街办和东曲街办，其范围内有22.43%的基本农田安全性等级为极低，30.91%的基本农田安全性等级为低。在不采取任何措施的情况下，古交市有近30%的基本农田将受到地质灾害的破坏。

将基本农田地质环境安全性评价结果与道路、城镇村居民区、矿区叠加展示，如图5所示，可发现道路两侧和居民区周边的基本农田地质环境安全性等级多为极低和低，经统计，在道路和居民区周边100 m范围内，有基本农田397.35 hm2，其中地质环境安全性等级为极低的基本农田有258.20 hm2，占64.98%，安全性等级为低的占30.68%;矿区范围内的基本农田共有3 247.43 hm2，安全性等级为极低的基本农田占24.40%，安全性等级为低的基本农田占29.51%。根据表3可知，有90.10%的极低安全等级、67.96%低安全等级基本农田是分布在人类工程活动影响范围内的。经实地考查发现，古交城市中心和交通干线附近，仍有部分工程活动遗留的高陡边坡，且缺少必要的防护措施。由于古交市多黄土梁峁分布，当地村民选址建房时难以远离边坡，施工时若对周围坡脚及岩土体结构造成破坏，易诱发地质灾害，增加对周边基本农田的威胁。长期的矿产资源开发更是对地表的强烈改造，生产过程中不仅会对土壤造成污染，还会引发地裂缝、地面塌陷等问题，形成规模较大的塌坑和积水洼地，加剧水土流失速率，导致土壤肥力下降，使基本农田质量严重下降甚至无法耕种。而分布在研究区四周山地地区的基本农田安全性等级较高，这是由于该区域高程相对较高，又无大量矿产资源，人口密度小，人类工程活动对地表的扰动少，地表植被相对茂密，可巩固水土、阻滞降雨对地表的冲刷，从而在一定程度上提高了该区域基本农田的安全性等级。

4 结论与展望

本研究利用信息量耦合二元Logistic回归模型对古交市基本农田地质环境安全性进行了评价，得到以下结论：（1）古交市地质灾害易发性等级分为极高易发区、高易发区、中易发区和低易发区，面积占比分别为9.70%、12.27%、21.17%、56.86%，易受地质灾害影响的范围大。极高和高易发区主要集中于主城区、居民区和交通干道沿线，中易发区多与矿区分布相重合，低易发区分布在古交市四周人口密度低、人类活动较少的山地地区。（2）以地质灾害易发性为基础开展古交市基本农田地质环境安全性评价研究，基本农田安全性等级为极低、低、中、高所对应的面积占比分别为11.82%、17.02%、26.67%、44.49%，古交市基本农田安全正面临地质环境的严重威胁，各项人类活动是导致地质环境對基本农田产生负面影响的主要因素，积极采取相应措施保护基本农田数量、质量不受破坏已刻不容缓。以古交市为参考，黄土高原地区将城镇周边、交通沿线易被占用的优质耕地划为基本农田或开展基本农田布局优化时，应深入考虑当地地质环境对基本农田的约束作用，切实做好水土保持、防灾减灾等相应工作，必要时须对基本农田周边地质灾害隐患点进行工程治理，对于现有地质灾害易发区内的基本农田，可以通过土地置换的方式进行调整，确保做到牢守耕地红线，保护粮食安全。

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