基于GIS的重点区域地质灾害风险评价

张鹏涛，姚 涛，赵 波

(江西省地质局生态地质大队，江西 南昌 330030)

0 引 言

我国是地质灾害发生较频繁的国家，主要地质灾害为崩塌、滑坡和泥石流等。地质灾害风险性通常以风险性=危险性×易损性进行表达，地质灾害风险性评价包括易发性、危险性与易损性评价，危险性评价建立在地质灾害易发性评价之上(徐继维等，2015；刘世江等，2018)。

我国地质灾害风险评价预测研究起步较晚，20世纪60年代起主要研究地质灾害的成因及分布状况，对地质灾害的评估停留在定性阶段。21 世纪以来，基于3S技术的地质灾害的地质成因研究日益深入，地质灾害风险评价由定性分析转向定量分析，诞生了一系列新技术、新方法，其中，基于GIS的地质灾害风险评价技术最为成熟(赵子良等，2019)。张贤(2021)选取工程地质岩组、NDVI、高程、坡度、坡向、坡形、地形起伏度、土壤类型、与道路的距离、与河流的距离、土地利用类型、降雨量和人类工程活动等 15 个危险性评价因子，以及人口、道路、耕地和GDP 密度4类易损性评价因子，构建了城口地区地质灾害风险性评价指标体系，并进一步形成灾害风险等级区划图；章瑞(2021)选取地层岩性、地质构造、土地利用、坡度、坡向、降雨、河网密度、路网密度8个评价因子，基于 GIS 运用多种方法进行元谋地区地质灾害易发性分区评价并完成了地质灾害风险性评价；刘飞(2020)选取高程、地貌、坡度、坡向、与断层的距离、工程岩组、降雨、与道路的距离、与矿山的距离、与居民地距离、植被覆盖率作为地质灾害危险性评价因子，以及人口、建筑物、道路和 GDP 密度等易损性评价因子，基于地质灾害易损性和危险性评价结果，选取合适的评价模型，利用 ArcGIS 软件制成风险性分区图，并对结果进行了评价分析。

在收集玉山地区1∶5万地质灾害、地质水文、工程勘查、遥感资料的基础上，开展地质灾害孕灾地质条件、承灾体、易损性调查，分析其地质灾害易发性、危险性，运用GIS进行江西三清山地区地质灾害风险区划与评价。

1 研究区概况

三清山地区位于江西东北部，玉山与德兴交界处，东与浙江开化、常山接壤，面积为269.23 km2，占全省总面积的0.16%。东西宽17 km，南北长23.6 km。三清山地貌类型为侵蚀构造中低山，地形呈椭圆形，地势由北向西南倾斜。

区内出露地层主要有第四系、奥陶系、寒武系、震旦系、南华系，岩浆岩以怀玉山花岗岩为主，岩性以粗中粒黑云母花岗岩、黑云母斜长花岗岩为主，侵入下古生界，属燕山早期第二阶段第二次侵入，呈岩基状产出。岩基边缘有舌状岩体和小岩株分布(楼法生等，2002)。按岩石岩性、强度及岩体结构类型进行工程地质岩组划分，各岩土类型的分布见图1。三清山地区现有地质灾害及隐患点245处，其中崩塌23处、滑坡42处、崩塌隐患149处、滑坡隐患31处。

图1 三清山地区岩土体类型概略图1-岩浆岩建造,坚硬的块状侵入岩岩组；2-碎屑岩建造,较坚硬—坚硬的薄—厚层状泥岩、页岩、硅质岩岩组；3-碎屑岩建造,较坚硬—坚硬的中厚—厚层状砂岩、砂砾岩、页岩岩组；4-碳酸盐岩建,较坚硬—坚硬的薄—厚层状弱岩溶化杂质灰岩、砂岩、页岩岩组；5-一般黏性土；6-多元结构；7-岩土体界线；8-实测性质不明断层；9-推测断层；10-实测正断层；11-实测逆断层；12-平移断层；13-构造角砾岩带、碎裂岩带Fig. 1 General map of rock and soil body types in Sanqingshan area

2 研究方法

2.1 模型建立

开展三清山地区1∶1万地质灾害调查，通过分析研究区地质构造、工程岩组、斜坡结构、土层厚度、灾点密度和地形地貌等地质灾害易发性指标，20年一遇降雨量和切坡密度等地质灾害危险性指标以及人口密度、道路、建筑物等地质灾害易损性指标，以斜坡单元为基本评价单元，运用GIS进行三清山地区地质灾害易发性指数、危险性指数、易损性指数及风险性指数栅格计算，并进行分区与评价(图2)。

图2 三清山地区地质灾害风险评价模型Fig.2 Geological disaster risk assessment model in Sanqingshan area

2.2 数据源的选取与处理

2.2.1 数据源选取 区域地层岩性、产状、地质构造及工程岩组选用三清山1∶1万地质资料，地形坡度和斜坡高差选用10 m精度数字高程模型(DEM)(图3)，野外调查的土层厚度数据和已发地质灾害点空间数据(含地质灾害面积和威胁人口属性字段)选用三清山1∶1万地质灾害详查资料，切坡调查民房数据、公路切坡数据、建筑物和交通设施选用野外调查数据和地理国情调查数据库资料。

2.2.2 数据加工 (1)制作斜坡单元。斜坡单元的划分基于DEM水文分析，利用DEM分别提取山谷线、山脊线(对应汇水线、分水线)，将生成的山谷线与山脊线融合，消除斜坡单元碎散面(面积<1 000 m2的碎散面)，最终得到的汇水线与分水线组成的区域为进行预算分析的斜坡单元，斜坡单元面积宜为 0.005 0～0.15 km2(图4)(宋高举等，2015)。

(2)制作斜坡结构。根据野外调查实测数据，结合区域地层产状数据，分类整理地层产状并进行块状结构地层预识别(平原区、大面积水体不参与斜坡结构分析)。① 对产状发育较为规律(单斜)的层状地层线进行整理，根据接触关系由老到新进行类高程赋值，转为DEM栅格，生成坡向，即岩层倾向；② 对产状较为凌乱的地层区采用反距离权重法进行倾向插值分析，输入的阻碍线可采用地质构造线(如断层、背向斜轴线等)，将岩层倾向初始数据以地层分区为基础叠加统计常见值(特征值)，形成以地层为单元的岩层倾向栅格数据；③ 将上述2种方法产生的栅格数据合并，得到完整的岩层倾向栅格，再与DEM生成的坡向栅格图层进行交角值栅格计算。

(3)土层厚度。根据野外调查数据，运用ArcGIS反距离权重法获取区域土层厚度栅格数据。

(4)已发灾点面积占斜坡单元面积的比例。利用ArcGIS空间连接功能统计每个斜坡单元影响范围内的地质灾害面积总和与斜坡单元面积的比值。

(5)降雨强度。根据20年一遇的24 h降雨量生成20年降雨量栅格图层。

(6)切坡文件。根据野外调查点记录的切坡宽度，综合建房切坡及公路切坡调查数据，生成切坡要素文件；以斜坡单元为单位，利用空间连接及属性统计功能进行单位面积切坡密度统计，生成切坡密度栅格文件。

(7)人口密度。利用ArcGIS空间连接功能，统计各斜坡单元影响范围内地质灾害隐患点威胁人口与斜坡单元面积的比值。

(8)交通设施。对线性公路进行缓冲区分析，其中，国道建议单侧100 m，省道与城市道路建议单侧80 m，一般道路建议单侧50 m。

3 技术与方法

3.1 地质灾害易发性指数及分区

分析三清山地区已有的1∶5万研究成果和数据资料，从研究区地质灾害及野外调查地灾隐患点的现状、形成机理及致灾因子出发，采用地形坡度、斜坡结构、斜坡高差、工程地质岩组、土层厚度以及灾点密度6项作为易发程度区划评价指标，建立三清山地区地质灾害易发评价指标体系(图5)。

基于地质灾害属性数据库，利用GIS平台对地质灾害点属性(如灾害面积、受威胁人数等)及地质灾害点和隐患点处的地质环境特征数据进行提取、插值、分析、叠加运算等处理，打分后得出各评价因子权重并计算单因子易发性指数(江西省自然资源厅，2022)(表1、图6)。易发性指数A=∑评价因子×权重=地形坡度×0.20+斜坡结构×0.10+工程地质岩组×0.25+土层厚度×0.10+斜坡高差×0.15+已发灾点密度×0.20。其中，各个因子权重值之和=1，计算所得易发指数为1≤A≤4的小数。

3.2 地质灾害危险性指数及分区

结合江西省地质灾害风险调查评价工作细则，评价指标采用易发性指数、工况降雨量、切坡密度3项主要评价因子，根据其权重进行叠加分析，得到三清山地区地质灾害危险性指数栅格(表2)。

危险性指数A=(∑评价单元内的易发性与切坡的特征值×易发性与切坡密度的贡献值)×工况降雨强度特征值。

根据已发地质灾害点及灾害隐患点分布和专家打分确定危险指数分级：A≥4.7时为地质灾害极高危险单元，3.5≤A<4.7时为地质灾害高危险单元，2.5≤A<3.5时为地质灾害中危险单元，A<2.5时为地质灾害低危险单元。制作危险性分布图(图7)。

表1 研究区地质灾害易发性指数评价因子特征值及权重Table 1 Characteristic value of evaluation factor and weight value of geological disaster susceptibility factors in the study area

图6 三清山地区地质灾害易发性指数Fig.6 Geological disaster susceptibility index of Sanqingshan area

表2 研究区地质灾害危险性评价因子分级特征值及权重Table 2 Classification characteristic value and weight value of geological disaster risk assessment factors in the study area

图7 三清山地区地质灾害危险性分布图Fig.7 Risk distribution of geological disasters in Sanqingshan area

3.3 地质灾害易损性指数及分区

易损性评价是对承灾体和人类工程的评价，承灾体主要为建筑物和人口，人类工程主要为交通设施，对此3个因子分别进行易损性评价(表3)，根据权重进行叠加分析得到承灾体易损性评价结果(图8)，分为极高、高、中和低4个等级(唐绪波，2018)。

3.4 地质灾害风险性分区

对地质灾害的危险性和易损性评价结果进行等级赋值并叠加运算，得到地质灾害风险栅格，根据风险等级划分矩阵划分为极高风险、高风险、中风险和低风险 4 个等级(表4)，根据等级赋值制作三清山地区地质灾害风险等级图(图9)。

表3 易损性评价因子分级特征值及权重Table 3 Classification characteristic value and weight value of vulnerability assessment factors

图8 三清山地区地质灾害易损性分布图Fig.8 Vulnerability distribution of geological hazards in Sanqingshan area

表4 地质灾害风险等级划分矩阵Table 4 Matrix of geological disaster risk grade

图9 三清山地区地质灾害风险性分布图Fig.9 Risk distribution of geological disasters in Sanqingshan area

极高风险区面积占整个研究区的20.7%，高风险区占21.9%，中风险区占53.3%，低风险区占4.1%。极高风险区分布在一级和二级公路且人口密度>0.001 人/m2所在的斜坡单元，高风险区分布在高速和三级公路且人口密度为0.000 1～0.001 人/m2所在的斜坡单元，极高风险区和高风险区的共同特征为区内人类工程活动较强，主要为道路及居民建房，地质灾害主要诱发因素为降雨和人工切坡。三清山已发生的地质灾害点和隐患点绝大多数分布在极高风险和高风险区，预测与实际基本相符。

4 结 论

(1)基于对江西三清山地区地质环境背景条件、地质灾害点、地质灾害承灾体的调查，分析了区内现有崩塌、滑坡及泥石流灾害发育特征及其形成机制。对研究区滑坡、崩塌灾害发育的影响因子、承灾体组成要素进行权重分析及赋值，运用MapGIS和ArcGIS平台进行地质灾害危险性及易损性评价，根据评价指标数据矩阵得到地质灾害风险性区划。经对比野外调查的已发地质灾害点和隐患点，预测结果与实际情况基本相符，可为三清山地区防灾减灾提供科学参考，指导防灾工作。

(2)以斜坡单元为三清山地区地质灾害风险性评价的基本单元，与传统的网格单元相比，更符合区域地质灾害发育状况及环境，提高了地质灾害风险性评价的精度。

(3)采用层次叠加和综合指数模型等常规地质灾害风险性评价方法，在评价指标方面数据准确度不够，如易发性评价的野外调查地层产状、土层厚度，常用空白区或稀疏区，运用距离权重法进行插值会降低易发性指数准确性。在易损性评价中，受资料来源限制，评价指标具有代表性但不够全面准确，如建筑物属性个别缺失或与实际不符，导致易损性评价准确性降低。