基于GIS分析的万山区地质灾害风险评价

邹凤钗，邹银先，陶小郎，吕 东

(贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550081)

地质灾害严重威胁当地人民的生命安全和生产生活[1-2]。尽管目前防灾减灾成效较为显著，但各地仍然面临着较为严峻的防灾减灾形势;因此，开展地质灾害风险评价和建立健全地质灾害综合防治体系迫在眉睫，识别和预测地质灾害发生尤为重要[3-4]。随着地理信息系统(geographic information system, GIS)技术、数学学科及信息全球化的发展，国内外利用GIS对地质灾害进行风险性评价的手段和方法逐渐成熟[5-12]。

万山区地质构造复杂、地层岩性多变、地貌类型多样化、河流密度较大。特殊的自然地理环境和地质构造背景导致万山区发育独特的环境地质，地质灾害发生频率较高。万山区历史上的地质灾害造成11人死亡、4人失踪，损毁房屋1 150间，直接经济损失621万元[13]。本文基于GIS分析和信息量模型，以25 m栅格为单元开展了铜仁市万山区的地质灾害风险评价，以期为万山区的防灾减灾、国土空间规划和政府宏观决策提供一定的科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理环境

万山区位于贵州省东缘，与湖南省怀化市相接。研究区范围为东经108°50′30″—109°23′00″，北纬27°24′00″—27°42′00″，面积842.00 km2。该区地处中亚热带中纬度地区，属中亚热带季风湿润气候区，四季分明，冬暖夏凉，冬长秋短，雨量充沛，无霜期较长。区内多年平均降水1 430.9 mm，降水主要集中在4—10月，约占全年降水量的79%。

1.2 地质环境特征

研究区主要分布有4种地貌类型，中山、低山侵蚀地貌及中低山、低山溶蚀地貌。区内经历多次构造运动，形成了以北东向褶皱、断裂构造为主的基本构造格架；区内以寒武系碳酸盐岩地层出露面积最大，次为青白口系、南华系地层。主要岩组为东部清水江组变余粉砂岩、板岩，西部杷榔组黏土页岩或泥岩以及中部敖溪组的白云岩、车夫组灰岩及泥灰岩。

1.3 地质灾害分布特征

万山区现有地质灾害隐患点68处，以滑坡和崩塌地质灾害为主。其中：滑坡51处，占地质灾害隐患点总数的75.00%；崩塌8处，占比11.76%； 地面塌陷和泥石流共9处，占比13.24% 。隐患点威胁555户3 289人、房屋886处等，潜在经济损失23 029万元。

区内地质灾害具有整体分散、局部集中的特点，其分布受控于地形地貌、地层岩性及地质构造条件。其中，滑坡主要分布于软质岩类碎屑岩及变质岩出露的中山、低山侵蚀地貌区，崩塌主要分布于白云岩、灰岩出露的中低山溶蚀地貌区。区域上集中分布于西部的大坪乡—鱼塘乡一带；东北部的谢桥办事处—敖寨乡—下溪乡一带，东南面万山镇—黄道乡一带，茶店办事处也相对较密集(图1)。其中黄道乡、下溪乡、敖寨乡、大坪乡地质灾害隐患点数量较多，共47个，占地质灾害总数的69.12%。

图1 万山区地质灾害分布图Fig.1 Geological disasters distribution in Wanshan

2 地质灾害风险评价模型建立

2.1 风险评价方法

2.1.1易发性评价方法

地质灾害的形成受多种因素影响，信息量模型反映了一定地质环境下最易致灾因素及其分区间的组合[14]，通过特定评价单元内某种因素作用下地质灾害发生频率与调查区地质灾害发生频率相比较实现。对应某种因素特定状态下的地质灾害信息量为

(1)

式中：IAj→B为对应因素A、j状态(或区间)下地质灾害B发生的信息量；NAj为对应因素A、j状态(或区间)下地质灾害分布的单元数；N为调查区已知地质灾害分布的单元总数；SAj为对应因素A、j状态(或区间)分布的单元数；S为调查区单元总数。

IAj→B值有正有负，IAj→B值越大反映对应因素A、j状态下地质灾害发生的可能性较大[15-17]。

由于每个评价单元受众多因素的综合影响，各因素又存在若干状态，各状态因素组合条件下地质灾害发生的总信息量为

(2)

式中：I为对应特定单元地质灾害发生的总信息量，表示地质灾害发生的可能性，可作为地质灾害易发性指数；Ni为对应特定因素、第i状态条件下的地质灾害面积或地质灾害点数；N为调查区地质灾害总面积或总地质灾害点数；Si为对应特定因素、第i状态的分布面积；S为调查区总面积。

2.1.2危险性评价方法

针对地质灾害的危险性评价，国内外学者普遍认为时间概率和空间概率这2个因子共同决定了地质灾害发生的概率大小。时间概率是指受诱发因素影响的地质灾害的重现周期。空间概率是指区域地质灾害受时间概率影响而发生地质灾害的概率。然而要获取比较精确的和地质灾害发生相关的时间信息是非常困难的，因此，一般用外界诱发因子来表示时间概率[17]。

降雨是诱发斜坡失稳和岩土体破坏的主要因素。降雨所形成的地表水下渗后，能够控制和影响岩土体内含水量的大小，进而改变其应力环境[14]。一般地质灾害与前期降雨有重要的关系，而且降雨因子明显区别于其他因子的特征：降雨因子是一个随着时间变化的因子，具有非常明显的时间频率特征。年平均降雨量大的区域暴雨频率和持续时间都会大于年平均降雨量小的区域，因此，在同一个时间段，降雨量大的区域比降雨量小的区域发生地质灾害的可能性大。由此可看出降雨因子是一个具有时间概率特征的外界诱发因子。

以工作区平均年降水量作为衡量地质灾害时间尺度的频率因素指标，作为地质灾害区域危险性评价的时间概率指标，对其做量化和归一化处理，得到工作区年平均降雨归一化图。

结合所得的工作区地质灾害易发性评价归一化处理结果与地质灾害活动频率，构建万山区地质灾害危险性评价的加权线性评价模型，如下所示：

Hi=∑AiXi

(3)

式中：Hi为地质灾害危险性指数；Ai为指标i影响地质灾害危险性的权重；Xi为影响地质灾害危险性指标i的量化归一化值。

2.1.3易损性评价方法

承灾体易损性是指承灾体抵抗地质灾害损毁的能力，需要综合人员伤亡和经济损失的情况进行判断，即按照式(4)计算得到工作区承灾体易损性计算值，然后用自然断点法得到区域承灾体易损性分级。

V=F×J

(4)

式中：V为工作区承灾体易损性值；F为人口易损性值；J为财产易损性值。

工作区承灾体易损性值分为4级：低易损性、中易损性、高易损性、极高易损性。低易损性表示区域内居民和各类土地利用类型几乎没有受到损失，中易损性表示区域内居民和各类土地利用类型受到损失中等，高易损表示区域内居民和各类土地利用类型受到损失较大，极高易损性表示区域内居民和各类土地利用类型受到损失极大。

2.1.4风险性评价方法

地质灾害的风险性是灾害自然属性和社会属性的结合。风险性评价是在危险性评价和易损性评价的基础上进行的，由二者的结果综合分析而得。结合本文危险性评价和易损性评价结果确定地质灾害风险等级，见表1。本文利用地质灾害风险等级和ArcGIS空间分析功能，对区域地质灾害危险性评价图和工作区承灾体易损性评价图进行空间叠加分析，得到工作区地质灾害风险评价图。

表1 地质灾害风险等级划分Tab.1 Classification of geological hazard risk levels

2.2 风险评价指标体系建立

基于万山区孕灾地质环境条件与地质灾害发育之间关系的数据收集、调查和分析，本文对区域主要地质灾害滑坡与崩塌进行二元逻辑回归分析，选取了可能对滑坡与崩塌产生影响的多个因子进行单因素筛查，并对模拟结果采用霍斯默验证。为了保证模型的合理性和选取因子的科学性，对因子进行了分级/分类不同方式的验证。经过验证，滑坡的易发性因子主要有工程地质岩组、斜坡结构、地貌、平均坡度、与水系距离5个因子，崩塌的易发性因子主要有工程地质岩组、斜坡结构、地貌、平均坡度、与水系距离、与构造距离、平面曲率7个因子。危险性评价是在上述因子的基础上叠加降雨量(50年一遇)和人类工程活动2个因子。各因子的指标分级情况如图2所示。

3 地质灾害风险评价

3.1 易发性评价

基于万山区孕灾地质环境条件与各地质灾害发育之间关系的数据，本文选用25 m×25 m的栅格单元作为模型的计算单元，基于GIS栅格数据，将研究区划分为948 572个栅格，比例尺为1 ∶50 000。同时，运用GIS栅格计算器工具将不同的因子图层叠加处理，得到不同地质灾害类型的信息量，见表2。结合万山区地质环境条件，根据自然断点法将易发性评价结果分为4级。其中，滑坡易发性划分为高易发区(-8.44～-5.67)、中易发区(-5.66～-2.15)、低易发区(-2.14～1.07)、非易发区(1.06～4.70)；崩塌易发性划分为高易发区(-12.55～-6.16)、中易发区(-6.15～-2.85)、低易发区(-2.84～-0.18)、非易发区(-0.17～7.29)。将区域内滑坡和崩塌的易发性综合叠加取其大值，得到全区总易发性评价，据此划分为非易发区、低易发区、中易发区和高易发区(图3)。

表2 万山区易发性滑坡和崩塌的信息量计算表Tab.2 Calculation table of landslide and collapse susceptibility information in Wanshan

图3 万山区地质灾害易发性评价Fig.3 Evaluation of geological disasters susceptibility in Wanshan

由图3可知：万山区高易发区面积216.50 km2，占区域面积的25.71%；中易发区面积217.20 km2，占比25.80%；低易发区面积86.00 km2，占比10.21%；非易发区面积322.30 km2，占比38.28%。中、高易发区主要分布于大坪乡西部、敖寨乡中部、下溪乡东部等地。鱼塘乡大部、大坪乡东部、茶店街道东部、高楼坪乡及谢桥街道北部等乡镇主要处于非易发区。

3.2 危险性评价

危险性评价是在易发性评价的基础上叠加降雨量(50年一遇)和人类工程活动，代表了该区域发生地质灾害的相对危险性等级的大小。通过经验系数法确定易发性、降雨量和人类工程活动的权重分别为0.6、0.2、0.2。按照自然断点法将万山区地质灾害危险性分为3级，即低危险性、中危险性、高危险性(图4)。

图4 万山区地质灾害危险性评价Fig.4 Hazard assessment of geological disasters in Wanshan

由图4可知：高危险区面积约为167.94 km2，占区域面积的19.95%，主要分布在下溪乡东部、大坪乡西部以及东西部构造发育地带；中危险区面积约为311.79 km2，占比37.03%，主要分布在下溪乡西部、敖寨乡及黄道乡大部、大坪乡西部 ；低危险区面积约为362.27 km2，占比43.02%，主要分布在鱼塘乡、茶店街道、高楼坪乡及大坪乡东部。

3.3 易损性评价

区域的易损性分为人口易损性和财产易损性，主要包括人口、建筑物、道路、林地和耕地等。根据易损性评价方法分析万山区易损性分布情况，如图5所示。由图5可知：极高易损区面积42.36 km2，占区域面积的5.03%；高易损区面积64.22 km2，占比7.63%。极高、高易损区主要分布在谢桥街道、茶店街道等各乡镇中心区，人员分布较为密集，常住人口较多，且中心区商铺、酒店较密集，财产价值较高。中易损区面积242.40 km2，占比28.79%，主要分布在极高、高易损区外围区域，财产和人口密度降低。低易损区面积493.02 km2，占比58.55%，主要是分布于极少人口居住等偏远地区。

图5 万山区地质灾害易损性评价Fig.5 Vulnerability evaluation of geological disasters in Wanshan

3.4 风险评价

地质灾害风险评价采用矩阵分析方法，通过叠加运算地质灾害的危险性等级和易损性等级评价结果得出最终的风险评价结果。本文结合危险性评价的3个分级和易损性评价的4个分级，将万山区划分为低风险区，中风险区，高风险区(图6)。中、高风险区主要分布在东西部，西部分布于大坪乡及鱼塘乡北部，主要出露以杷榔组为主的软质岩类碎屑岩地层；而东部主要分布于敖寨乡至黄道乡一线，主要出露清水江组变质岩地层及南华系至寒武系中下部以碎屑岩为主的地层。其中，高风险区面积100.20 km2，占区域面积的11.90%；中风险区面积398.70 m2，占比47.35%；除中高风险区外其余为低风险区，面积343.10 km2，占比40.75%。

图6 万山区地质灾害风险评价Fig.6 Risk assessment of geological disasters in Wanshan

4 结论

1)万山区现有地质灾害隐患点68处，以滑坡和崩塌为主，共59处，占地质灾害总数的86.76%；主要分布于黄道乡、下溪乡、敖寨乡和大坪乡，共47处，占比69.12%。

2)运用GIS分析和信息量模型，选取7个指标对万山区进行地质灾害易发性评价。其中25.71%的区域为高易发区，主要分布于下溪乡东部及大坪乡西部。在区域地质灾害易发性评价的基础上叠加50年一遇降雨和人类工程活动，完成区域地质灾害危险性评价。

3)选取人口密度、建筑物密度、道路密度、林地和耕地等组建地质灾害承灾体易损性评价模型。结果表明，极高、高易损区占区域面积的12.66%，主要分布在乡镇中心区，财产和人员分布较为密集。

4)结合地质灾害危险性评价和承灾体易损性评价，实现区域地质灾害风险评价。结果显示， 在50年一遇降雨频率下，11.90%的区域为高风险区，主要分布在东部清水江组变质岩地层和西部杷榔组为主的软质岩类碎屑岩地层。