基于信息量模型的小流域泥石流灾害易发性分析

张 博

(西山煤电集团 技术中心，山西 太原 030053)

中国地质环境的特殊性决定了地质灾害的多样性、易发性及其区域变异性[1].地质灾害易发区是指具备地质灾害发生的地质构造、地形地貌和气候条件，容易发生地质灾害的区域。地质灾害易发程度区划侧重的是滑坡、崩塌、泥石流等灾害地质现象发育的数量多少和活跃程度；评价单元可基于小流域[2]、栅格单元、地貌单元[3]等。评价方法有信息量法[4]、Logistic回归耦合模型[5-6]、模糊综合评价方法[7]、灰色关联分析模型和GIS空间分析方法[8]、层次分析法与确定性系数法相耦合的加权确定性系数法[9]等。地质灾害易发区评价的关键是评价因子的选取，现阶段选取的评价因子有坡度、坡向、高程、地层、距断层的距离、距水系的距离、距道路的距离[10]、斜坡坡高、归一化植被指数、工程地质岩组、活动断裂、河流、年平均降雨量、地震和人类工程活动[11]、累计汇水面积、水域、土地利用[12]、道路、起伏度、坡形[13-14]等。李益敏等基于小流域评价单元、选择距断裂带距离、岩性、melton比率、流域延伸率、流域高差率、河流弯曲系数、流域水系密度、平均植被覆盖度、年均降水量、距道路距离、距居民点距离等11个评价指标[2]，张英杰等选取森林覆盖率、高程、地质岩组、坡度、降雨量、现状地质灾害点密度、人口密度和公路密度等8个因子作为评价指标[8].

吕梁山区高差大，沟壑纵横，构造复杂，是地质灾害易发区，地质灾害类型主要有崩塌、滑坡、塌陷、泥石流、地裂缝，以及煤矿开采引发的地表沉陷、地裂缝等，严重威胁着村庄、道路、电塔、耕地等的安全，因此，对地质灾害易发性评价显得尤为重要。本文以数字高程模型(DEM)为主要数据源，选取地形条件、工程地质岩组、地质构造、植被覆盖度等6个因子作为评价指标，对吕梁山东麓陈台沟小流域进行地质灾害易发性评价。

1 地质概况

陈台沟小流域位于吕梁山中段东麓的西冶川，为黄河一级支流文峪河的三级支流。小流域面积9.83 km2，河流长度6.26 km，河谷平均宽度920 m，水系分支比3.2，支流间平均宽度230 m，河流弯曲度1.05.陈台沟流域高程在1 210～1 850 m，1 200～1 300 m占8.3%、1 300～1 400 m占12.5%、1 400～15 00 m占16.9%、1 500～1 600 m占27.2%、1 600～1 700 m占25.5%、1 700～1 800 m占8.9%、1 800～1 900 m占0.7%，1 500～1 700 m高程分布最广，占小流域面积的52.7%.在相同降雨或径流冲刷条件下，土壤流失程度因坡度不同而有较大差异，该流域优势坡向为东、东北、北、东南，劣势坡向为西南、西。0°～5°为平坡，占2%；6°～15°为缓坡，占12.9%；16°～25°为斜坡，占29.9%；26°～35°为陡坡，占36.3%；36°～40°为急陡坡，占11.5%；41°～45°为急坡，占5.5%；46°以上为险坡，占1.9%.险坡与陡坡共占55.2%.支沟走向以NNW和NNE向为主。

陈台沟小流域地表出露地层由老到新为太古宇界河口群(Ar)，元古界花岗岩体(Pt)，古生界的寒武系、奥陶系(-O)、石炭系和二叠系(C-P)，中生界的三叠系(T)，新生界的第四系(Q)。采用起伏比法计算的面积高程积分HI结果为0.563，混合杂岩、花岗岩、片麻岩带计算的HI结果为0.43，灰岩带计算的HI结果为0.5，砂泥岩带计算HI结果为0.36，HI值能反映出岩石的抗侵蚀能力，灰岩、花岗岩等抗侵蚀能力强于砂泥岩。

2 地质灾害易发性影响因子选取

影响地质灾害的因素多而复杂，野外调查显示，陈台沟小流域最严重的地质灾害是泥石流，导致该流域泥石流灾害发生的因素主要有高程、坡度、坡向、工程地质岩组、地质构造、植被覆盖度、水的作用、土地利用等8个相关指标，应用ArcGIS软件中多元分析工具计算协方差和相关矩阵功能进行相关性分析，得到各因素之间的相关性系数(表1)，依据相关系数筛选，得到高程、坡度、坡向、工程地质岩组、地质构造、植被覆盖度等6个因子可作为陈台沟小流域泥石流易发性的评价指标。

表1 各因素间相关系数表

3 泥石流灾害易发性评价

信息量模型是利用信息熵的概念分析各种因素综合作用下地质灾害易发性的模型，在地质灾害易发性评价研究和实践中得到了广泛的应用。信息量越大，地质灾害发生的可能性越大，在求得每个单元在所有影响因子条件下的信息量值后，通过求和即可得到单个评价单元内总的信息量值：

(1)

式中：

I—评价单元总的信息量值；

Ii—评价因素xi的信息量值；

n—所选取的评价因子的总数。

将评价单元总的信息量值I作为判断该单元在影响地质灾害时的综合作用指标：I>0时，该单元处有利于地质灾害的形成，且I值越大，易发性程度越高；I<0时，该单元处不利于地质灾害的形成，且I值越小，易发性程度越低。

以1∶50 000地形地质图为数据源，以野外调查获得的14个泥石流灾害隐患点为样本数据，借助ArcGIS软件和信息量评价模型，针对陈台沟小流域泥石流灾害易发性进行评价。

在ArcGIS 中，将以上6个因子进行叠加并分析，将各个评价因子图层和对应的泥石流灾害隐患点分布图在软件中做空间分析运算，得到地质灾害在每种因素的各个类别中的分布情况，得出每一因子图层中各类型中泥石流灾害的分布密度，即Ni/Si值，见表2，然后利用式(1)，计算结果即为各评价因子内各类别的信息量。最后根据加权信息量值对泥石流灾害的易发性进行分级，并且对整个研究区进行重新分类，判断出易发生泥石流灾害点。

表2 各评价因子信息量计算结果表

对陈台沟地区地质灾害易发性的分析，将信息量进行排序后，得到陈台沟小流域内易发生泥石流灾害的易发性分区图(图1).

图1 易发性评价分区图

4 结 论

1)吕梁山中段陈台沟小流域泥石流易发性评价指标为6个，分别是高程、坡度、坡向、工程地质岩组、地质构造、植被覆盖。

2)信息量模型的小流域泥石流易发性评价方法可以客观地反映地质灾害受地质环境条件的影响。

山区小流域泥石流灾害易发性评价对于山区地质规划扶贫与新农村建设有较重要的实用价值。