基于ArcGIS的府谷县地质灾害与影响因素耦合分析

邓念东，石辉，崔阳阳

(1.西安科技大学地质与环境学院， 陕西 西安 710054； 2.陕西省电力设计院有限公司， 陕西 西安 710054)

0 引言

陕西省榆林市府谷县地处黄土高原北部，地理坐标位于东经110°25′40″～111°15′36″，北纬38°42′28″～39°33′44″之间。府谷县地质环境脆弱，加之煤炭资源的不断开采，地质灾害愈发频繁(张博，2009；贺玉成，2011；李永红等，2016；张庭瑜，2016；崔阳阳等，2020；王战社，2020)。近年来城镇化建设加快及极端气候的出现，府谷县地质灾害发育数量呈上升趋势(韩玲等，2019)。据统计，府谷县已发生的地质灾害造成直接经济损失达1960万元，尤其是对公路和工矿企业的损害，严重制约了当地的经济发展。本文基于ArcGIS平台分析影响因素与地质灾害的分布关系，统计分析地质灾害的分布情况，对府谷县地质灾害进行系统性的分析研究，揭示其空间分布特征与影响因素的耦合关系，为府谷县城市规划提供科学依据，是府谷县地质灾害防治工作有效进行的前提。

1 府谷县地质灾害主要类型

据2014年府谷县地质灾害详查数据，府谷县地质灾害主要类型为崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷4类，共计184处，地理位置及灾害点分布情况如图1所示。其中，崩塌116处，是各类灾害点数量最多的灾种，占灾害点总数的63.04%；滑坡39处，占灾害点总数的21.20%；地面塌陷16处，占灾害点总数的8.70%；泥石流13处，占灾害点总数的7.06%。

图1 研究区地理位置图(a，b)及灾害点分布情况图(c)

1.1 崩塌类型

崩塌在府谷县分布最广，是数量最多的地质灾害类型。岩质崩塌最为常见，占崩塌总数的86.20%，且多数为人类工程活动诱发，为典型的崩塌形式；而土质崩塌发育数量相对较少，仅占崩塌总数的13.80%，崩塌过程中往往伴有滑移现象。岩质崩塌主要分布于交通线路沿线等人类工程活动强烈的区域，主要是由于人类工程活动破坏了原有斜坡的稳定性，加之斜坡岩体风化程度较强、节理发育、岩体松散破碎从而发生崩塌。土质崩塌虽分布较少，但主要在人口密集区分布，且多为沿陡立临空面发生倾倒式破坏，常发育于雨季，严重威胁居民生命及财产安全。

1.2 滑坡类型

府谷县滑坡类型均为黄土型滑坡，根据滑动带(面)的位置，将其分为黄土滑坡和黄土基岩接触面滑坡。区内滑坡以黄土滑坡为主，占滑坡总数的79.48%，滑体规模较小，92.3%的滑坡为小型滑坡。府谷县地处黄土高原，第四系更新统黄土垂直节理发育，区内地形沟壑纵横，组成的斜坡一般较陡，在降雨条件下，多发生土质滑坡。基岩接触面滑坡在区内发育很少，仅有1处，且均由公路建设开挖坡脚所致。

1.3 地面塌陷类型

府谷县有着丰富的煤炭资源，是我国主要的产煤基地之一。在煤炭开采中形成了采空区，诱发了大面积地表变形和地面塌陷灾害的发生，区内地面塌陷以中小型为主。矿山企业采取了多种防护措施，如留设煤柱避绕村庄、为矿区居民修建新农村等，使得大多数地面塌陷灾害仅造成土地开裂，而对人民群众的生命安全威胁较小。

1.4 泥石流类型

研究区泥石流发育13处，其中泥石流隐患1处，以小型泥石流为主，主要分布在孤山川河各支流沟谷区域内。结合调查资料及泥石流发育形态和固体物质来源，研究区内所有泥石流均为沟谷型泥石流，固体物源主要为人类工程活动产生的弃渣。研究区虽然煤炭资源丰富，但区内未在沟谷中发现废渣堆放。据了解，当地煤矿企业在沟内修建运煤公路时利用废渣作为路基材料，从而减少了固体物质来源，阻断了泥石流产生的必要条件。

2 府谷县地质灾害空间分布特征

府谷县地质环境条件极差，地质灾害主要类型为崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷。整体上看，全县灾害点主要分布在人口相对集中、人类工程活动强烈且植被稀少的河谷沿岸地区；就行政区域来讲，府谷县地质灾害主要集中在府谷镇，府谷镇地形地貌主要为低山丘陵和河谷阶地，黄河、孤山川河从境内流过，镇内交通发达，出露地层涵盖了府谷县出露的所有地层类型，岩性以砂岩、泥岩、砂质及砂泥岩互层为主，岩体破碎，稳定性较差，是形成地质灾害的主要原因。截至2021年，府谷县各乡镇地质灾害数量及分布情况如表1所示。

表1 府谷县各乡镇(街道)地质灾害分布情况/处

3 地质灾害与影响因素耦合分析

3.1 地质灾害与海拔、地形地貌的耦合分析

府谷县总的地势西北高，东南低，海拔高度765～1414 m，相对高差649 m。本文以分辨率为30 m×30 m的DEM数据为底图，在ArcGIS软件通过投影、重分类、多值提取至点等工具获得地质灾害与海拔关系图(图2)及各海拔区间灾害点的类型和数量(表2)；以府谷县地貌分区图为底图，在ArcGIS10.0软件通过投影、面转栅格、重分类、多值提取至点等工具获得地质灾害与地貌类型关系图(图3)及各地貌类型灾害点的类型和数量(表3)。

表3 府谷县地质灾害与地貌类型分布情况/处

图3 府谷县地质灾害与地貌类型关系图

从中可以看出地质灾害主要集中在海拔765～1250 m的范围内(图2；表2)，崩塌、滑坡和泥石流各占98.28%、100%和92.31%；海拔在1250～1350 m的灾害点仅占地质灾害点总数的4.89%，且以地面塌陷为主；而海拔在1350 m以上未发现地质灾害。这是由于府谷县地貌类型以黄土梁卯区和黄土梁岗区为主，该区域海拔900～1300 m，区内沟壑纵横、地形破碎、人类工程活动强烈，为地质灾害的形成提供了前提条件。海拔1350 m以上区域主要分布在府谷县西北部基岩山区，植被覆盖良好，水土保持相对较好，人烟稀少，无地质灾害发生。

图2 府谷县地质灾害与海拔关系图

表2 府谷县地质灾害与海拔分布情况/处

从中可以看出，黄土梁岗区和河谷阶地区地质灾害点分别占地质灾害点总数的27.71%和34.24%(图3；表3)，其余两种类型地貌单元内分布的地质灾害数基本接近。黄土梁岗区内地面较平缓，起伏高差小，河流侵蚀较为微弱，但区内人类工程活动强烈，地质灾害分布较多；河谷阶地区受河流侵蚀作用强烈，基岩裸露，地质灾害发育相对集中。

3.2 地质灾害与坡度、坡向的耦合分析

以府谷县DEM数据为底图，利用ArcGIS软件坡度、坡向工具提取得到府谷县坡度图(图4)、坡向图(图5)。通过投影、多值提取至点等工具对府谷县各地质灾害点所处的坡度进行提取统计(表4)。分析发现93.10%的崩塌发生在坡度<25°的范围内；超过一半的滑坡发生在坡度10°～20°的范围内；而在0°～15°范围内，地面塌陷和泥石流分别占93.75%和100%。

图4 府谷县地质灾害与坡度关系图

图5 府谷县地质灾害与坡向关系图

表4 府谷县地质灾害与坡度区间分布情况/处

我国将南坡、东南坡和西南坡统称为阳坡，而将北坡、东北坡和西北坡统称为阴坡(王朝阳，2008)。通过对府谷县灾害点所处的坡向进行提取统计(图5；表5)。结果表明：发生在阳坡的灾害点占灾害点总数的53.8%，而发生在阴坡的灾害点仅占25.0%。这是因为阳坡受季节性气候变化影响较大，加之光照对斜坡岩土体的局部干湿循环、冻融循环、坡面侵蚀等影响较大，地质灾害分布较多(郑迎凯等，2020)。

表5 府谷县各坡向地质灾害分布情况/处

3.3 地质灾害与降雨、河流水系的耦合分析

降雨是诱发府谷县地质灾害发生的主要外在因素。以府谷县年均降水量等值线图为底图，在ArcGIS软件获得地质灾害与年均降雨量关系图(图6)及各年均降雨量区间灾害点的类型和数量(表6)。结果表明：年均降雨量在400～460 mm区域为府谷县地质灾害高易发区，这是因为降雨改变了斜坡上岩土体的水动力状况，从而导致了地质灾害的发生(郭子正等，2019)。据结果可知府谷县79.31%的崩塌、89.74%的滑坡和76.92%的泥石流分布于年均降雨量在400～460 mm的区域内(表6)。

图6 府谷县地质灾害与年均降雨量关系图

表6 府谷县各年均降雨量区间地质灾害分布情况/处

河流水系对府谷县地质灾害的影响，主要表现为沟谷流水对河谷岸坡的侧蚀和侵蚀作用。以府谷县地表水系图为底图，在ArcGIS软件获得地质灾害与河流水系关系图(图7)及地表水系距离各灾害点的类型和数量(表7)。府谷县境内水系发育的地段地质灾害分布较为集中，尤其在黄河、孤山川河范围内，地质灾害密集分布，其他河流地质灾害点分布则相对较为分散。据统计：府谷县69.83%的崩塌、48.72%的滑坡和53.85%的泥石流分布在地表水系两侧400 m范围内。

图7 府谷县地质灾害与河流水系关系图

表7 府谷县各河流水系距离区间地质灾害分布情况/处

3.4 地质灾害与岩土体类型、归一化植被指数的耦合分析

以府谷县岩土体工程地质分类图为底图，在ArcGIS软件获得地质灾害与岩土体类型关系图(图8)及各岩土体类型地质灾害点的类型和数量(表8)。从统计数据来看，易发生地质灾害的岩土体类型主要为层状坚硬—半坚硬砂泥岩互层碎屑岩组，崩塌、滑坡和泥石流分别占了82.76%、53.85%和84.62%。这些地区地质灾害发育的数量明显多于黄土及第四系地层分布范围内的灾害数量。从地域来看，中部、东部和南部发育地质灾害的地质环境条件明显优于西部和北部地区地质环境条件。

图8 府谷县地质灾害与岩土体类型关系图

表8 府谷县各岩土体类型地质灾害分布情况/处

地质灾害的发生与植被覆盖情况有着密不可分的联系(张秦华等，2018)。归一化植被指数(NDVI)是目前对植被指数进行空间监测最先进的技术和研究手段，它能够很好的反映出植被覆盖、生物量及生态系统参数的变化(赵志平等，2009)。在地理空间数据云获得landsat 8 OLI_TIRS卫星影像数据，基于ArcGIS软件获得地质灾害与归一化植被指数图(图9)及各NDVI区间地质灾害点的类型和数量(表9)。据统计：77.59%的崩塌、69.23%的滑坡、81.25%的地面塌陷和69.23%的泥石流都分布在NDVI为0.06～0.22区间内。该区间植被覆盖率较低，水土流失严重，土地荒漠化严重，加之人类工程活动强烈，因此地质灾害分布数量普遍较多。

图9 府谷县地质灾害与归一化植被指数关系图

表9 府谷县各NDVI区间地质灾害分布情况/处

3.5 地质灾害与道路、人口密度的耦合分析

随着经济的不断发展，近年来府谷县修建了许多交通线路。由于地处基岩山区，修建公路对山体坡脚进行开挖，形成了大大小小的高陡边坡，加之府谷地层多为砂泥岩互层，风化较为严重，节理较为发育，且保护措施又很差，因此公路建设诱发了大量崩塌、滑坡地质灾害及其隐患点(杨军强，2017；马啸，2021；王念秦等，2021；朱利辉等，2021)。据统计72.41%的崩塌、69.23%的滑坡和61.54%的泥石流均分布在道路两侧400 m的范围内(表10)。府谷县地质灾害与道路关系如图10所示。

表10 府谷县各道路距离区间地质灾害分布情况/处

图10 府谷县地质灾害与道路关系图

人口密度与地质灾害密切相关。一般来说，人们往往选择居住在地质环境相对较好的地段，但随着城镇化建设速度的不断加快，人类工程活动对地质灾害的影响越来越明显，呈现出人口密度较大的地方地质灾害相对较多的现象(张晓敏等，2018；高玉欣等，2021)。府谷县作为产煤大县，经济发展迅速，周边及外来人口大量涌入县城及各镇驻地，使得房地产开发异常火爆，原有居民房屋快速改建为多层甚至高层住宅。各类城市建设工程进行了大规模山体开挖，严重破坏了原有斜坡稳定性，且多数无有效的工程防护，产生了大量崩塌、滑坡等灾害隐患(张博，2009；洪增林等，2020；杨海峰和翟国方，2021)。据统计74.14%的崩塌、71.79%的滑坡和69.23%的泥石流均分布在人口密度大于100人/km2的范围内。府谷县地质灾害与人口密度关系及不同人口密度区间内灾害点的类型及数量如图11及表11所示。

表11 府谷县各人口密度区间地质灾害分布情况/处

图11 府谷县地质灾害与人口密度关系图

4 结论

(1)府谷县地质灾害类型众多，受人类工程活动影响显著。地质灾害以中小型崩塌为主，集中发育于府谷镇、新民镇。影响地质灾害发生的因素分为外因和内因，地形地貌、地层岩性等是内因，降雨量、人类工程活动等是外因。

(2)地质灾害主要集中在海拔765～1250 m的人类工程活动集中的区域内。地形地貌是形成地质灾害隐患的主要内在因素，黄土梁岗区和河谷阶地区地质灾害发育较多，分别占地质灾害点总数的27.71%和34.24%。在坡度<25°的范围内，分布着93.10%的崩塌；在0～15°范围内，地面塌陷和泥石流分别占93.75%和100%。此外，受太阳光照的影响，发生在阳坡的灾害点占灾害点总数的53.8%，而发生在阴坡的灾害点仅占25.0%。

(3)地质灾害受降雨量季节变化影响明显，超过75%的崩塌、滑坡和泥石流均分布于年均降雨量在400～460 mm的区域内。此外，地质灾害沿河流两岸呈集中带状分布，距离河流越近越容易发生地质灾害，69.83%的崩塌、48.72%的滑坡和53.85%的泥石流分布在地表水系两侧400 m范围内。

(4)府谷县有利于发生地质灾害的岩土体类型主要为层状坚硬—半坚硬砂泥岩互层碎屑岩组。此外，植被覆盖程度对地质灾害的影响明显，77.59%的崩塌、69.23%的滑坡、81.25%的地面塌陷和69.23的泥石流都分布在NDVI为0.06～0.22区间内。

(5)工程活动强烈的地区，地质灾害越易发生。在道路两侧400 m的范围内分布着72.41%的崩塌、69.23%的滑坡和61.54%的泥石流。此外，地质灾害总体分布于人口密集区域，74.14%的崩塌、71.79%的滑坡和69.23%的泥石流均分布在人口密度大于100人/km2的范围内。

致谢感谢马建全老师、丁一硕士、邢聪聪硕士、李宇新硕士、罗鹏翔硕士、郭亚雷硕士对本文撰写及修改方面提供的帮助。