基于斜坡单元鄂西山区典型集镇地质灾害风险评价

李彧磊, 熊启华*, 龙婧, 王芮琼, 陈标典, 曾嘉

(1.资源与生态环境地质湖北省重点实验室(湖北省地质局), 武汉 430000; 2.湖北省地质环境总站, 武汉 430000)

湖北地处华中腹地,是中国地质灾害多发易发频发的省份,鄂西中低山区是全国地质灾害重点防治区。恩施州巴东县野三关镇是湖北省小城镇综合改革试点镇,是湖北大西南的陆路咽喉。近几年,野三关镇工程建设发展加快,特别是人类工程活动对山体斜坡开挖,破坏了坡体结构,诱发了滑坡、崩塌等灾害,造成人民生命财产损失。

地质灾害风险调查评价是地质灾害综合防治的重要手段[1]。20世纪80年代,国外学者提出了一些滑坡危险性评价的定量化研究方法,但缺乏标准化的理论框架和技术路线。90年代以来,一些国家和地区的学术机构相继出版了与滑坡风险相关的法规条例和技术指南。其中,滑坡和工程边坡联合技术委员会(JCT-1)对滑坡灾害各层次工作理论方法和流程进行了详细规范化的表述,强调不同尺度评价的精度要求[2-6]。中国地质灾害风险评价起步相对较晚,大多开展小比例尺地质灾害风险评价。文献[7-10]论述了地质灾害的风险调查评价的内容和方法、评价体系、评价过程,为评价理论方法和技术流程奠定了基础。李春燕等[11]基于概率统计法论述了易损性量化评价方法及其分级标准,实现了县域单元地质灾害风险定性评估。王芳等[12]以三峡库区万州区为例进行不同日降雨工况下滑坡危险性分析。张茂省等[13]提出了一套山区地质灾害调查与风险评价的思路和技术方法。李冠宇等[14]以韩城市为例,采用聚类分析方法进行了地质灾害风险性评价,评价结果与实际情况相符。陈敏慧等[15]采用信息量法和确定系数法对茂县地质灾害易发性进行评价,评价准确度较好。赵阳等[16]以丽水地区为研究对象,基于最低合理可行原则,分别建立了生命和财产可接受准则模型,研究结果为风险评估和管理提供了参考。

然而,由于精度限制,小比例尺风险调查评价结果可能出现部分风险区偏大或风险区内存在地形平缓这种不易发灾害的情况,不能满足新形势城镇地质灾害风险管控的需求。因此,以斜坡为单元开展鄂西山区集镇大比例尺风险评价工作是目前亟待解决的问题。现以湖北省恩施州巴东县野三关集镇为研究区,在前期大比例尺(1∶10 000～1∶2 000)地质灾害调(勘)查基础上,以斜坡为风险评价单元,利用地理信息系统(geographic information system, GIS)技术分别从易发性、危险性、易损性和风险性建立了地质灾害风险评价体系,为推进鄂西山区集镇精细化“隐患点+风险区双控”体系建设提供了理论依据和实际指导。

1 研究区地质环境背景

野三关镇处于鄂西暴雨中心区域,具有降雨连续集中和年际变化大等特点。研究区属于构造剥蚀低中山地貌区,海拔高程700～1 391 m,地形起伏较大,相对高差150～350 m,沟谷发育,切割深度大,多呈V形,两岸多为陡坡或悬崖峭壁,山顶多呈圆锥状,如图1所示。

图1 研究区地势图Fig.1 Elevation map of the study area

区内属于扬子地层区上扬子地层分区,处于扬子陆块古生代-中生代盆地碳酸盐岩与碎屑岩沉积区,志留系至三叠系和第四系地层均有出露。区内褶皱、断裂构造较发育,褶皱主要以北北东向为主,近东西向为辅;断裂主要为近东西向和北东-北北东向两组。岩土体工程地质类型可划分为层状碎屑岩工程地质岩类、层状碳酸盐岩工程地质岩类和松散土体工程地质岩类3种工程地质岩类。

2 研究区地质灾害孕灾条件分析

研究区内地质灾害及隐患主要为滑坡、崩塌,共发育14处,其中滑坡10处、崩塌4处,以小型为主。滑坡以蠕滑-牵引式、蠕滑-推移式变形模式为主,而崩塌以滑移式、倾倒式变形模式为主,如表1所示。地质灾害空间上沿公路呈线形集中分布,时间上一般集中发生在5—8月。

2.1 孕灾地质环境背景分析

区内为中低山地貌,斜坡多为陡坡地形,一般坡度在25°～30°,渔泉河沿线为切割较深的沟谷地带,为灾害形成提供了良好的临空基础,如图2所示。

表1 研究区地质灾害基本特征统计表Table 1 Statistical table of basic characteristics of geohazards in the study area

图2 沟谷地带地质灾害分布图Fig.2 Distribution map of geohazards in the valley area

区内易滑地层主要是志留系下统罗惹坪组、二叠系上统龙潭组、孤峰组、三叠系下统大冶组第一段,岩性为软硬相间的泥砂岩、硅质岩夹页岩,该类岩组中岩质滑坡(HP1-004、HP1-009)发育数量最多;而土质滑坡和斜坡坍滑变形更易发生于母岩为软岩的残坡积或崩坡积物中,如柳家山社区3组滑坡(HP1-003)、猴子包滑坡(HP1-007)变形区滑床岩性为泥砂岩,如图3所示。区内易崩地层主要是集中于二叠系中统茅口组、二叠系上统下窑组、三叠系下统大冶组第二段,岩性为灰岩、灰岩局部夹泥岩,厚层状构造,岩石致密坚硬,岩溶发育但不均一,与下覆岩层的差异风化作用下,常形成陡崖(BT1-002等),在地貌上多形成陡坡或陡壁。

图3 区内地质灾害工程地质岩组分布图Fig.3 Relationship between geohazard and engineering geological unit in the study area

研究区褶皱和断层较为发育,在向背斜构造核部张性裂隙发育;断层以北东向较为发育。以上构造使岩体破碎、完整性较差(HP1-006等),降低了岩体力学性质,为崩塌、滑坡发育提供了物质来源。

区内岩质滑坡(HP1-002等)大多发生在顺向坡,占比80%,岩层面往往成为斜坡岩体滑动的优势结构面,在外力作用下容易发生失稳;崩塌(危岩体)则主要发育在逆向坡结构中,占比50%。

依据调查统计,区内地质灾害发育与植被覆盖相关性不明显,故在易发性评价中植被因子权重偏低。

2.2 地质灾害影响因素分析

受降雨影响,研究区内滑坡灾害具群发性和季节性的特征,其中80%的滑坡发生在雨季,以5—8月份为主,如图4所示。降雨对斜坡起加载作用,雨水渗入,弱化岩体,软化软弱结构面,改变斜坡力学性能,对斜坡稳定性造成影响。

图4 研究区受降雨诱发的滑坡(HP1-001)Fig.4 Rainfall-triggered landslide in the study area

人类工程活动也是区内地质灾害形成的重要影响因素,其中有57%的地质灾害是由人类工程切坡所诱发。研究区属中低山地貌单元,修路切坡形成大量的高陡边坡,有些路段地层与坡向一致形成顺向临空面,容易诱发崩塌、滑坡等地质灾害。

3 山区集镇地质灾害风险评价

3.1 斜坡单元划分

在山区地质灾害风险管控工作需要基于斜坡开展,以斜坡单元进行评价能提高成果的实用性。以“集水区重叠法”为划分方法[17],利用正反DEM(digital elevation model)分别提取集水区的山脊线与汇水区山谷线,再融合,最后依据山体阴影、遥感影像等地形因素和地层岩性因素进行人工校正,以得到更符合实际的斜坡单元。具体流程如图5所示。

图5 斜坡单元划分流程图Fig.5 Flow chart of slope unit division

按照上述方法及流程,将研究区共划分出329个斜坡单元(图6),地质灾害易发性、危险性、易损性和风险性评价均以斜坡单元进行。

图6 斜坡单元划分结果图Fig.6 Map of slope unit division

3.2 评价方法

3.2.1 易发性评价方法

易发性评价是风险评价的第一步,是在孕灾地质环境背景下地质灾害发育的空间概率的度量。本文使用层次分析法[18-19]以斜坡为单元分灾种进行易发性评价。首先分别将滑坡、崩塌易发性评价分解为目标层、准则层、指标层,结合孕灾地质环境条件分析分别构建滑坡、崩塌两种地质灾害判断矩阵。通过矩阵计算,进行层次总排序及其一致性检验,再将B层权重和C层权重相乘叠加最终得到滑坡、崩塌易发性评价指标的权重值。然后基于各评价指标与地质灾害的关系,将其以斜坡为单元进行赋值、重分类。最后,加权计算得到斜坡单元地质灾害易发性综合指数。

3.2.2 危险性评价方法

斜坡地质灾害危险性是对区域内滑坡等灾害在特定时间内发生的概率的度量[17,20]。本文研究基于降雨频率理论采用层次分析法进行危险性评价,即综合考虑灾害发生的时间概率和空间概率。时间概率采用不同重现期降雨量来表征;空间概率是考虑人类工程活动影响下斜坡地质灾害发生的空间概率,即人类工程活动因素与地质灾害易发性指数的叠加。

设a为尺度参数,u为分布密度参数,x为降雨样本,y为临界降雨值[17],计算降雨极值首先要对参数a、u进行估计,采用Gumbel法对参数进行估计,计算过程如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

某一重现期为T的极限降雨强度RT的计算公式为

(5)

式(5)中:RT为极限降雨强度,mm;T为重现期, a。

3.2.3 易损性评价方法

易损性是对承灾体因灾遭受损失难易程度的度量。根据承灾体的特征,分为人口易损性和经济易损性。人口易损性为人员因灾的伤亡概率;经济易损性为建筑物、交通等线形工程及土地类型等承灾体结构受损的可能性[11,21]。本文研究中采用综合指数法,首先分析统计各类承灾体的分布特征,然后依据其受损难易程度进行无量纲化赋值,最后分别叠加计算斜坡单元人口、经济易损性指数。

3.2.4 风险性评价方法

根据地质灾害危险性评估和易损性评价结果,进行计算斜坡地质灾害风险总值[22-23],其中,人口风险依据式(6)计算,经济风险依据式(7)计算,总风险依据式(8)计算。

Rpeople=PLVprop:SNpeople

(6)

Rproperty=PLVprop:SE

(7)

R=max(Rpeople,Rpropery)

(8)

式中:PL为斜坡危险性;Vprop:S为易损性;Npeople为人口承灾体密度;E为经济承灾体单位价值;Rpeople为人口风险;Rproperty为经济风险;R为综合风险。

3.3 地质灾害易发性评价

3.3.1 评价指标建立

根据前文对区内孕灾地质环境背景的分析,选取表征沟谷切割形态的地形地貌因子(斜坡坡度、斜坡高差、剖面曲率)、表征沟谷切割密度的地表水系因子(水系密度)、表征地质特征的因子(工程地质岩组、地质构造和斜坡结构)和表征植被发育的因子(植被覆盖率)作为崩滑地质灾害易发性评价指标。

3.3.2 评价模型和判断矩阵构建

图7 地质灾害易发性评价模型Fig.7 Evaluation model of geohazard susceptibility

首先,根据4个影响因素对应的8个评价指标,构建崩滑灾害易发性评价层次结构模型,如图7所示。基于层次分析法理论,分别计算滑坡和崩塌两类地质灾害各评价因子的总权重值,如表2和表3所示。然后,基于各评价指标与地质灾害的关系,将其进行重分类,得到各单因素分级图,如图8所示。

3.3.3 地质灾害易发性分区

根据层次分析法权重计算结果,将8个评价因子进行加权叠加分析,分别得到滑坡、崩塌易发性指数,再对采用就高级别原则进行图层空间叠加,将易发性(I)划分为极高易发区(I>4.0)、高易发区(3.5

表2 滑坡易发性评价指标权重矩阵Table 2 Index weight matrix of landslide susceptibility assessment

表3 崩塌易发性评价指标权重矩阵Table 3 Index weight matrix of rockfall susceptibility assessment

3.4 地质灾害危险性评价

3.4.1 评价指标建立

根据野三关镇地质灾害影响因素分析,选择降雨和人类工程活动两个诱发条件。

收集恩施巴东地区近30 a逐日降雨量,采用式(1)～式(5)计算在不同重现期的累计降雨阈值如表4所示。

人类工程活动主要考虑工程切坡对斜坡的影响,本文采用道路密度、房屋密度和管线密度来综合表征工程切坡的强度。

表4 不同重现期降雨阈值Table 4 Rainfall thresholds for different return periods

3.4.2 评价模型构建

危险性评价模型是在易发性评价的基础上,叠加降雨和人类工程活动因素,如图10所示。目标层(A)为地质灾害危险性评价;准则层(B)为危险性影响因素包括易发性评价(B1)、降雨(B2)和人类工程活动(B3);指标层(C)为道理密度、管线密度和房屋建筑密度评价指标。

3.4.3 评价模型判断矩阵构建

基于层次分析法理论,分别计算滑坡和崩塌两类地质灾害危险性评价因子的总权重值,如表5所示。依据3个人类工程活动指标与地质灾害分布的关系,进行赋值重分类,得到人类工程活动单因素分级图,如图11所示。

表5 滑坡和崩塌危险性评价指标权重矩阵Table 5 Index weight matrix of geohazard probability assessment

图8 地质灾害易发性评价单因子分级图Fig.8 Distribution chart of assessment index on geohazard susceptibility

图9 地质灾害易发性分区图Fig.9 Zoning map of geohazard susceptibility

图10 地质灾害危险性评价模型Fig.10 Evaluation model of geohazard probability

图11 人类工程活动单因子分级图Fig.11 Distribution chart of assessment index on human engineering activities

3.4.4 地质灾害危险性分区

根据层次分析法权重计算结果,将道路密度、管道密度、房屋密度指标分别与不同降雨重现期(10年一遇降雨、20年一遇降雨、50年一遇降雨和100年一遇降雨)的区间赋值进行加权叠加,得到不同降雨工况下的诱发性评价指数,再按照滑坡和崩塌发育比例进行叠加得到综合诱发性指数。考虑到易发性的重要性大于诱发因素,本文将易发性评价指数和综合诱发性指数以2∶1进行加权叠加,最终得到不同降雨工况下以斜坡为单元的地质灾害危险性评价结果,如图12所示。

图12 不同重现期地质灾害危险性分区图Fig.12 Zoning map of geohazard probability in different return periods

统计计算得到不同降雨工况下危险性分区面积,随着降雨量的增加,高危险区和极高危险区面积逐渐增加,当遇到50年一遇降雨时,极高危险区面积1.01 km2,占总面积的2.81%;高危险区面积14.92 km2,占总面积的41.47%;中危险区面积14.73 km2,占总面积的40.94%;低危险区面积5.32 km2,占总面积的14.78%。2020年7—9月汛期新发生的地质灾害(滑坡HP1-002、滑坡HP1-003和滑坡HP1-004)均位于极高危险区和高危险区。

3.5 地质灾害易损性评价

3.5.1 人口易损性评价

根据各行政村(社区)的人口数量统计,计算野三关集镇以建筑面积为单元的人口密度。然后,根据野三关镇人口分布和地质灾害危险性等级进行人口易损性赋值(表6),得到人口易损性分布图,如图13所示。

表6 人口易损性赋值表Table 6 Assessment index of population vulnerability to geohazard

图13 人口易损性分区图(50年一遇降雨)Fig.13 Zoning map of population vulnerability to geohazard in 50-year return period

3.5.2 经济易损性评价

根据野三关集镇经济承灾体类型并综合地质灾害危险性等级进行经济易损性赋值,如表7所示。对建筑物、土地资源、道路和管道等经济承灾体进行叠加得到经济易损性分区图,如图14所示。

表7 经济易损性赋值表Table 7 Assessment index of property vulnerability to geohazard

3.6 地质灾害风险性评价

3.6.1 人口风险

通过式(6)计算得到不同降雨工况下的斜坡人口风险值,然后将斜坡单元上的每个人口风险值求和得到斜坡单元的人口风险总值,再将人口风险总值重分类为人口极高、高、中和低风险区,最终得到不同降雨工况下的人口风险区划图。

图14 经济易损分区图(50年一遇降雨)Fig.14 Zoning map of property vulnerability to geohazard in 50-year return period

3.6.2 经济风险

收集研究区承灾体价值信息,通过式(7)计算得到经济风险值,然后将斜坡单元上的每个经济承灾体风险值求和得到斜坡单元的经济风险总值,再将经济风险总值重分类为经济极高、高、中和低风险区,最终得到不同降雨工况下的经济风险区划图。

3.6.3 综合风险

通过式(8),叠加得到不同降雨工况下地质灾害综合风险区划,如图15所示。

随着降雨量的增加,高风险区和极高风险区的面积逐渐增加,当遇到50年一遇降雨时,极高风险区占研究区的6.09%,主要集中在G318国道坛子岩段和猴子包段斜坡、巴野公路棺木岩段斜坡、玉麟大道斜坡和火车站斜坡,该区有地质灾害3处;高风险区占研究区的33.01%,主要分布在集镇-火车站公路沿线斜坡、G318国道坛子岩-阴坡段斜坡、猫儿坪村斜坡、故县坪-天生桥电站斜坡一带,该区有地质灾害6处;中风险区占研究区的40.23%,该区有地质灾害4处;低风险区占研究区的20.67%,该区有地质灾害1处。

3.7 地质灾害风险管控建议

基于研究区地质灾害风险调查评价结果,针对极高、高风险区的地质灾害隐患点和有变形迹象的斜坡建议采取工程治理或专业监测措施,制定应急预案;针对中、低风险区的地质灾害和斜坡建议建立长期警措施,以定期巡查为主专业监测为辅。

从研究区地质灾害风险评价角度,结合集镇土地规划,对集镇发展方向提出了建议,如图16所示。

4 结论

以湖北省恩施州巴东县野三关集镇为研究对象,总结了区内地质灾害孕灾条件,建立了以斜坡为单元地质灾害风险评价体系,分别进行了地质灾害易发性、危险性、易损性和风险性评价,得出如下结论。

图15 综合风险分区图Fig.15 Zoning map of geohazard risk in different return periods

图16 集镇发展方向建议图Fig.16 Proposal map of development direction

(1)研究区内发育地质灾害隐患点14处,其中滑坡10处和崩塌4处。滑坡变形破坏以蠕滑-牵引式、蠕滑-推移式为主;崩塌变形破坏以滑移式、倾倒式为主。地质灾害空间上沿公路呈线线形集中分布,时间上一般集中发生在5—8月。

(2)研究区内孕灾地质背景主要包括地形地貌、地层岩性、地质构造、斜坡结构等:切割较深的沟谷地带(渔泉河沿线)为地质灾害孕育提供了临空基础;断裂带和褶皱破坏岩石完整性为地质灾害发育提供了物质来源;软硬相间的砂泥岩及风化带为地质灾害易滑岩组;顺向坡为主的斜坡结构类型为岩质滑坡发育提供了优势结构面。大气降雨和人类工程活动是地质灾害的主要影响因素。

(3)运用层次分析法,以斜坡为单元构建了地质灾害易发性评价模型。结果显示,34.86%的区域为极高易发和高易发,呈带状分布于东北侧G318国道沿线斜坡。综合考虑人类工程活动和降雨诱发因素,基于不同降雨工况对研究区地质灾害危险性进行分区,随着降雨工况的增大,高危险区和极高危险区面积逐渐增加。

(4)根据研究区人口数据、建筑、道路和管道分布和土地利用现状,分别进行人口和经济易损性评价。再进一步结合危险性和易损性结果,进行不同重现期地质灾害风险评价。结果表明,随着降雨量的增加,高风险区和极高风险区的面积逐渐增加,主要分布于研究区东北片区。

(5)根据地质灾害风险区划结果,对研究区提出了地质灾害风险防控建议和集镇发展方向建议,为推进山区集镇精细化“隐患点+风险区双控”体系建设提供了理论依据和实际指导。