山区县域小流域滑坡点密度研究

林庆

(重庆市万盛经开区规划和自然资源局，重庆 400074)

1 引 言

由于地形特征及地理位置原因，山区县域大多位于山地、丘陵以及较为崎岖的高原地区，这些地区滑坡、泥石流以及山洪等自然灾害时常发生，已严重制约我国国民经济发展，威胁着山区人民生命及财产安全，是影响我国经济可持续发展的重要因素。单位流域面积内滑坡点个数即滑坡点密度，某地区滑坡点密度越高，则该地区发生滑坡灾害可能性越大，通过滑坡点密度可科学确定该地区滑坡灾害危险程度，对该地区防灾减灾意义重大。

地理信息系统(GIS)具有完善的地理空间信息处理功能和良好的模型载入与区划效果展示能力，因此基于GIS技术可以较好地完成滑坡灾害点密度的危险区划[1]。本文以忠县为例，在地理信息系统水文分析模块支持下，通过对数字高程模型洼地填充，水流方向提取、汇流累积量计算等，完成小流域划分；在此基础上耦合历史滑坡灾害点数据，调用属性表连接、空间分析等功能得到基于小流域的滑坡点密度分布，采用几何级数分类法进行危险分区，结果可为忠县城乡规划编制以及滑坡灾害预防治理提供参考和指导。

2 技术方法

数字高程模型(DEM)中包含丰富地形、地貌及水文等信息，是各种分辨率地形特征的真实反映。在获取DEM基础上，通过ArcGIS水文分析模块一系列功能分析，划分得到研究区小流域。将研究区历年滑坡灾害点经纬度Excel表格导入ArcGIS生成点文件，调用ArcGIS软件中叠加分析得到历史滑坡点与小流域相交部分，在此基础上对小流域面积以及小流域面积内滑坡点个数进行统计，利用属性字段计算器(Field Calculator)计算研究区小流域滑坡点密度值并采用几何级数分类法进行危险分区，最终得到分区结果。

具体流程如下：

第一步：对数字高程模型(DEM)洼地进行填充

一般来说，DEM被认为是比较光滑的地形表面真实模拟，但由于流域网格和地形结构线间断及不正确连通这些都使DEM表面存在着一些凹陷[2]。凹陷的区域对提取水文数据的精度会产生影响，因此，必须先调用ArcGIS水文分析模块中Fill工具对DEM进行填洼平处理，获取无洼地光滑DEM基础上再进行水流方向计算。

第二步：提取水流方向

地表径流在流域空间一般呈现由地势高处流向地势低处，经流域出口最终排除流域，而水流流出栅格单元方向即为水流方向。在确定水流方向前提下，进一步确定整个流域走向，最终划分出流域界限得到小流域。本文采用目前较常用的D8法[3]确定水流方向，即假定每个中心栅格单元水流方向可能流向8个相邻的单元，通过计算中心网格与8个相邻网格间的距离权落差值，其中流出网格则为距离权落差值最大的网格，对应水流方向即为中心网格流出点[4]，通过利用ArcGIS中的Flow Direction指令，提取在光滑DEM中每个栅格单元内的水流方向。

第三步：计算汇流累积量值

地表径流模拟过程中，汇流累积量值的大小代表着该网格汇聚水流能力强弱，网格栅格汇流累积量值越大，对应汇流能力也就越强，该栅格地形特征可能为地表径流[5]。通过对每个栅格单元流向矩阵依次扫描，根据水流方向追踪到DEM边界，扫描完毕整个水流方向矩阵，其结果对应为该流域汇流能力的栅格分布即为汇流累积量，当中汇流量值较大者可视为河谷，值等于零则是较高的地方，可视为流域分水岭[6]。在获取无洼地光滑DEM基础上，通过ArcGIS中的Flow accumulation指令得到汇流累积量栅格成果。

第四步：提取河网并分级

当汇流量达到一定阈值时，则有可能产生地表径流，所有大于该临界汇流阈值的栅格都是潜在水流路径，对应的河流网格即为所要提取河网。阈值确定尤为重要，其决定了待提取河网精度以及疏密度，利用“栅格计算器”条件函数com(flowacc_flow>N，1)设定合理汇流阈值，提取所有大于设定阈值(N)的河网，并结合手中现有水系数据资料进行反复对比校验最终确定临界汇流阈值提取河网，在此基础上采用Strahler分级方法对提取河网进行分级。

第五步：小流域划分

流域又称集水区域，是指流经其中的水流和其他物质从一个公共的出水口排出，从而形成一个集中的排水区域[6]。基于提取到水流方向、栅格河网及河网分级结果，通过ArcGIS流域地形特征分析中watershed指令得到河网结构信息并确定分水岭位置，最终实现对研究区小流域划分。

第六步：滑坡点密度值计算及分区

以研究区历史滑坡灾害点作为统计数据，通过ArcGIS导入生成点文件，耦合小流域划分结果，调用叠加分析工具得到滑坡点与流域相交部分，在此基础上对小流域面积以及流域内滑坡点个数进行统计，通过栅格计算器得到滑坡灾害点密度值，采用几何级数分类法对滑坡灾害点密度值进行危险分区进而得到分区结果。

3 案例分析

3.1 研究区概况

忠县地处三峡库区腹心地带，长江上游地区，东北邻万州区，东南接石柱县，西界垫江县，西南接壤丰都县，北与梁平区为界，地理坐标位于北纬30°03′～30°35′，东经107°3′～108°14′，地形呈“三山两槽”，典型山区丘陵地貌，海拔高度最低为 117 m，最高为 1 680 m，东西长 66.45 km，南北宽 60.15 km，行政上现辖2个街道、21个镇、6个乡[7]。以测绘部门忠县地形图为原数据，通过MapGIS软件对等高线进行提取并赋高程值，对照国家标准分幅单元图进行拼接，将格式转换输出shp文件，并将shp文件导入ArcGIS进行分析，最终得到忠县DEM数字高程模型。忠县区位及DEM如图1所示。

图1 忠县区位及DEM图

3.2 忠县小流域划分

(1)忠县DEM填充、水流方向提取及汇流累积量计算。以忠县DEM数字高程模型为基础，调用Hydrology工具中Fill指令进行DEM填充预处理。填洼处理后的DEM先后调用Hydrology工具中direction指令和accumulation指令得到忠县水流方向和汇流累积量如图2、图3所示。

图2 忠县流向图 图3 忠县汇流量栅格图

(2)网提取。以忠县汇流累积量作为输入，调用Multi Map Output工具，利用“栅格计算器”条件函数com(flowacc_flow>N，1)设定汇流阈值，提取出所有大于设定阈值(N)的网格。通过不同阈值设定生成的河网，结合手中忠县实际水系数据对比分析(图4)，发现当阈值为1 000与忠县实际水系分布最为接近，由此取阈值为1 000提取河网。

图4 忠县实际水系与阈值N=1000提取河网对比

(3)划分小流域。提取河网基础上，调用ArcGIS中hydrology工具集中的stream link指令，获取对应流域边界，以出水口数据为输入，调用hydrology工具集中的watershed指令，对流域的边界分水岭位置进行确定，最终划定小流域。当阈值取1 000(最优集水面积阈值为 10 km2)时，最终将忠县流域总共划分为237个小流域，如图5所示。

图5 忠县小流域划分结果

3.3 滑坡点数据生成、小流域面积及流域内滑坡点密度统计

(1)以忠县历史滑坡灾害点经纬度坐标统计数据表为基础，将Excel表格导入ArcGIS，调用“Display XY data”进行设置生成点文件。在此基础上，调用Intersect工具得到与小流域重合的滑坡灾害点成果，如图6所示。

图6 忠县小流域滑坡灾害点图

(2)调用ArcGIS中空间分析工具集中的Convert指令，将小流域划分成果转换为对应矢量数据，在此基础上打开属性列表，添加area字段，调用Calculate Geometry即可计算得到各小流域面积。

(3)以滑坡灾害点成果为基础，在属性表中新建“Count”字段，利用栅格计算器工具，将“Count”字段值赋值为1。在矢量小流域划分成果中，调用join功能，选择将滑坡灾害点成果图层与小流域划分成果图层建立空间连接，然后选择“Sum”，新生成矢量图层属性表中“Sum_Count”则表示每个小流域中滑坡灾害点个数[8]。在此基础上，新建“滑坡点密度”字段，利用ArcGIS栅格计算器工具，输入“滑坡点密度=Sum_Count/area”指令，结果为小流域滑坡灾害点密度，如图7所示。

图7 忠县小流域滑坡灾害点密度成果图

3.4 滑坡点密度危险分区

在忠县小流域滑坡灾害点密度成果基础上，为更直观展现滑坡灾害点密度趋势，对滑坡灾害点密度成果进行危险分区。在ArcGIS软件支持下，对比不同分级方法，最终选择Geometry Interval(几何级数分类法)对忠县小流域滑坡灾害点密度结果进行危险分区，分为4个等级，其中高风险区滑坡点密度 0.529 1～2.850 9(个/km2)，面积为 377.85 km2，占忠县总面积18.59%；中风险区滑坡点密度 0.095 9～0.529 1(个/km2)，面积为 386.39 km2，占忠县总面积19.01%；低风险区滑坡点密度 0.015 1～0.095 9(个/km2)，面积为 86.48 km2，占忠县总面积4.26%；微风险区滑坡点密度0～0.015 1(个/km2)，面积为 1 181.43 km2，占忠县总面积58.14%，危险分区成果如图8所示。

图8 忠县小流域滑坡灾害点密度危险分区图

4 结果与讨论

(1)基于重庆市忠县DEM数据，利用ArcGIS水文分析模块实现对忠县小流域划分。结果表明：与实际水系最为相似的河网是阈值取1 000时提取的河网，由此将研究区流域水系划分为237小流域。值得注意：选择不同阈值，对应提取河网密度不同，子流域划分结果亦不同，如何选择最为适合汇流累积量阈值，除了反复对比验证，提取方法亦有待进一步研究。

(2)得到忠县小流域划分结果基础上，叠加忠县历史滑坡灾害点数据，调用属性表连接、空间分析等功能得到忠县小流域滑坡点密度成果，采用Geometry Interval(几何级数分类法)对忠县小流域滑坡点密度成果进行危险分区，分为高风险、中风险、低风险及微风险区，其中高风险区滑坡点密度 0.529 1～2.850 9(个/km2)，中风险区滑坡点密度0.095 9～0.529 1(个/km2)，低风险区滑坡点密度 0.015 1～0.095 9(个/km2)，微风险区滑坡点密度0～0.015 1(个/km2)，分区结果可为忠县城乡规划编制提供参考，如避免在高风险区部署重点投资项目及居民点等，同时还可为合理制定忠县滑坡灾害防灾、救灾方案提供支撑，对忠县山洪、泥石流以及崩塌等其他自然灾害危险性评价提供重要评价指标。