基于信息量模型法的石阡县地质灾害易发性评价

张云波，曾磊，付弘流，张钟远

(1.中化地质矿山总局贵州地质勘查院，贵阳 550003；2.重庆市生态环境科学研究院，重庆 401147；3.铜仁市自然资源局，铜仁554300；4.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650031)

地质灾害广泛分布于世界各地。近几十年来，地质灾害发生的频率和强度迅速增加。几乎每个国家或地区都发生过重大地质灾害事件，特别是在发展中国家尤为严重[1]。在中国，地质灾害评价已经发展成为一个行业，防灾减灾的需求也更加多样化[2]。所以进行区域地质灾害易发性评价，具有重要的现实意义。

国内外地质灾害易发性评价数学模型主要有：基于统计学方法的确定性系数法、证据权重法、信息量法、支持向量机法、模糊评判法、线性回归分析法等，基于非统计学方法的专家打分法、层次分析法，以及多种方法耦合分析等[3，4]。其中信息量算法稳定性较好，可以解决地质灾害诱发因素多、难以量化的问题，因此在地质灾害易发性评价中得到了广泛的应用[5]。所以，本文采用信息量模型对石阡县地质灾害进行易发性区划，为石阡县防灾减灾提供科学依据。

1 研究区概况

石阡县位于贵州省东北部，铜仁市西南部，辖18乡镇，国土面积为2 173 km2(27.28°～27.72°N，107.75°～108.57°E，海拔424～1 858 m)。研究区出露的岩性主要为灰岩、砂岩、白云岩、泥岩、页岩及第四系松散堆积物。该区地质灾害主要以滑坡、不稳定斜坡、崩塌、泥石流为主，其中滑坡和不稳定斜坡主要为大型、特大型，崩塌、泥石流以中小型为主。滑坡和崩塌主要分布在山缘地带，泥石流主要沿河流两岸发育。据石阡县地质灾害排查项目统计：截止2019年6月，区内历史地质灾害99处，其中以滑坡居多(占地灾总量78.8%)，其次为不稳定斜坡、崩塌、泥石流(分别占10.1%、9.1%、2%)(表1、图1)。

表1 石阡县地质灾害统计

图1 石阡县地质灾害分布

2 信息量模型

信息量模型是进行区域地质灾害易发性评价的一种有效方法，获得地质灾害信息的数量和质量决定评价的准确性，信息量值越大，表明地质灾害易发性程度越高[6]。

信息量模型可表示如下：

式中,I(Y,x1,x2,…,xn)为因子组x1,x2,…,xn对地质灾害提供的信息量；P(Y,x1,x2,…,xn)为在因子组合x1,x2,…,xn条件下地质灾害发生的概率；P(Y)为地质灾害发生的概率。根据条件概运算，可进一步写成：I(Y,x1,x2,…,xn)=I(Y,x1)+Ix1(Y,x2)+…+Ix1,x2,…xn-1(Y,xn)，式中：Ix1(Y,x2)为在因子x1存在时，因子x2对地质灾害提供的信息量。

在实际计算中通常使用样本统计来计算信息量。首先计算各因子对地质灾害发生的信息量，然后将其求和得到总信息量，计算公式如下：

单个因子信息量计算公式：

式中,Ni为在因子Xi特定类别xi内的地质灾害点个数；N表示研究区域地质灾害发生的灾害点总数；Si为研究区含有评价因子xi的面积；S为研究区评价单元总面积。

总信息量计算公式：

式中,Ij为总信息量，值越大越容易发生地质灾害。

3 评价因子

3.1 数据来源

地质灾害数据来源于中化地质矿山总局贵州地质勘查院的石阡县地质灾害排查项目；高程来源于地理空间数据云ASTER GDEM V2 数据，分辨率为 30 m;坡度、坡向通过ArcGIS表面分析获得；河流、道路数据源于借助Google影像地图矢量化;地层岩性和断裂数据来源于石阡县地质图矢量化处理;土地利用类型数据来源于FROM-GLC，分辨率为10 m。

3.2 评价因子分析

本文通过收集影响地质灾害发生的相关基础数据，最终选取工程地质岩组、土地利用类型、高程、坡度、坡向、断层、道路、河流8个影响因子进行地质灾害易发性评价。离散型因子根据已有的分类标准，如:工程地质岩组、土地利用类型。连续型因子高程、坡度、坡向、距断裂、道路和河流的距离分级采用细化等间距的分级方式，结合区间内的灾害密度进行分级。从影响地质灾害发育单因素考虑，理论上距离断层、河流、道路越远，地质灾害密度应呈减小的反比关系，但实际地质灾害的发生往往是多因素导致，灾害密度曲线在局部可能出现随着距离断层、河流、道路越远而增长的正比关系，为避免分类不合理导致总体规律不明显，需多次尝试不同间距分级。最终将断层距因子按500 m等间距分为5类，道路距因子按200 m分为6类，河流距因子按250 m等间距分为5类。

(1) 工程地质岩组

不同岩性的物理力学性质不同，导致地质灾害在不同岩层中的发育程度不同。软岩形成的软弱结构面对地质灾害的发生有着一定的控制作用[7]。统计结果如图2(a)，地质灾害多发生在软质岩类达64个，松散岩土类地质灾害发育密度最大达0.228个/km2。值得注意的是软硬相间岩类地质灾害达18个，密度为0.087个/km2，该岩类易发生滑坡。

图2 (a～h) 地质灾害个数与密度图

(2) 土地利用类型

研究区土地利用类型主要为农业用地、林地、草地、水域、硬化地表、裸地，地质灾害分布如图2(b)所示。调查统计显示研究区水域区无地质灾害发育。林地地质灾害发育数量最多达53个，但其发育密度除水域外最低仅为0.033个/km2。裸地地质灾害发育密度最大其值为0.276个/km2，如图2(b)所示。

(3) 高程

不同高程范围内植被类型及人类活动强度差异都影响着岩土体的稳定性[8]。将高程分为5个区间，结果如图3(c)所示。地灾点在700～900 m 高程范围内灾点数最多达50个，其中高程500～700 m内地质灾害密度高达0.067个/km2，高程大于1 100 m地质灾害发育较少，分布密度仅为0.009个/km2，如图 2(c)所示。

(4) 坡度

坡度不仅影响着斜坡内的应力分布，而且控制着斜坡上松散堆积物的厚度，影响斜坡的稳定性[9]。基于GIS提取研究区的坡度，并将其分为6个类别，结果如图 3(d)所示。研究区坡度在0°～ 60°之间，大部分地区的坡度小于20°，说明该地区存在着陡峭的山体，也存在一定的平坦区域，大部分地质灾害发生在10°至40°范围内达83个，其密度在40°～45°之间达到最大为0.703个/ km2，如图2(d)所示。

(5) 坡向

不同坡向与岩层倾向的空间组合关系不同，对斜坡的稳定性有一定影响[10]。基于GIS提取研究区的坡向， 将其分为9个类别，如图 3(e)所示。在东南和西北方向地质灾害发育最多分别为16个、15个，其中东北方向分布密度最大为0.055个/km2，在平面上无地质灾害分布，如图2(e)所示。

图3 (a～h)评价因子分级

(6) 断层距

断层附近岩土体往往比较破碎，破碎的岩土体极易发生地质灾害。基于GIS，将距断层距离分为5类缓冲区，结果如图3(f)所示。地质灾害密度与距断层距离呈反相关，距离越远发育密度越小。说明距断层越远发生地质灾害的可能性越小。如图2(f)所示。

(7) 道路距

道路修建开挖坡脚、破坏植被，改变斜坡应力分布易引发地质灾害[11]。基于GIS，将距道路距离分为6类缓冲区，如图3(g)所示。地质灾害主要分布在距道路600 m以内，高达36个，密度均大于0.06个/km2。大于800 m地质灾害发育密度低，表明大于800 m后的地质灾害与修建道路影响不大。如图2(g)所示。

(8) 河流距

河流的侵蚀作用改变地形地貌特征，沿水系的岩土体受河流侵蚀作用明显，容易发生地质灾害[12]。基于GIS，将距河流距离分为5类缓冲区，结果如图3(h)。统计显示，距河流越近灾害点分布越密集，如图2(h)所示。

4 地质灾害易发性评价

4.1 评价结果

各致灾因子的信息量如表2所示，通过对8个致灾因子的信息量叠加，并对地质灾害易发性结果进行区域统计分析，可得各易发区内主要的致灾因子的组合形式，结果如图 4所示。

表2 致灾因子信息量

对研究区地质灾害易发性分区，基于 ArcGIS ，首先给评价因子已分类的评级单元添加属性，将计算得到的信息量值输入属性，然后对各个评价因子的栅格进行按信息量叠加计算，最终得到石阡县地质灾害易发性评价的综合信息量图层，其值域范围为-7.19～6.88。使用自然间断法将研究区信息量值划分为4个区间，分别为地质灾害低易发区、中易发区、高易发区、极高易发区，如图4所示。研究区极高、高易发区主要分布在中部及中部北段。研究区地质灾害低、中、高、极高易发性面积(占比)分别为：457.99 km2(21.08%)、763.30 km2(35.13%)、554.76 km2(25.53%)、396.95 km2(18.27%)，地质灾害分布数量(占比)分别为：2个(2.02%)、9个(9.09%)、28个(28.28%)、60个(60.61%),如表3所示。

图4 石阡县地质灾害易发性评价

表3 不同易发性等级对应的实际灾害

4.2 精度评价

ROC曲线可简单直观，且准确地反映分析方法特异性和敏感度的关系，广泛应用于地质灾害易发性评价中[6]。AUC值是评价质量的良好指示器，为ROC曲线以下至横坐标的面积。若AUC为0.5～1，说明该模型是有效的，AUC值高，则模型精度高[13]。石阡县地质灾害易发性评价的 AUC 值为0.764，表示评价精度为76.4%。说明基于信息量模型的石阡县地质灾害易发性评价具有较高的精度,如图5所示。

图5 ROC曲线与AUC值

结果显示，地质灾害在这4个易发区的分布数量(占比)分别为：2个(2.02%)、9个(9.09%)、28个(28.28%)、60个(60.61%)，如表3所示。说明此次模型方法进行易发性评价效果较好。

5 结论

(1) 基于信息量模型，选取8个主要的致灾因子，借助GIS技术对石阡县地质灾害的易发性进行评价。通过计算不同因子对地质灾害的信息量，叠加计算获得该区地质灾害易发性分布图，将易发性分为低易发区、中易发区、高易发区和极高易发区4类。

(2) 石阡县地质灾害在具备以下特征的区域发育密度大:(a)岩组为软硬相间岩类、软质岩类、松散岩土类；(b)土地利用类型为裸地、硬化地表；(c)高程500～700 m区域 ；(d)坡度40°～45°之间；(e)坡向为东北方向；(f)断层1 000 m、道路600 m、河流1 000 m范围内。

(3) 石阡县地质灾害易发性分为4个区，研究区地质灾害低、中、高、极高易发性面积分别为：457.99 km2、763.30 km2、554.76 km2、396.95 km2，占比分别为：21.08%、35.13%、25.53%、18.27%， 评价精度为76.4%，评价效果较好，能够为石阡县的防灾减灾提供一定的科学依据。