不同喀斯特类型区地质灾害敏感性研究

杨彩云,胡 稳,黄 勇

(1.贵州省第三测绘院,贵阳 550000; 2.中国科学院生态环境研究中心,北京 100000; 3.中科绿洲(北京)生态工程技术有限公司,北京 100000)

0 引言

世界上最大的喀斯特集中分布在以我国贵州省为中心的西南地区,面积约55万km2,占全国喀斯特面积的15.97%[1-2]。贵州喀斯特地区地质灾害具有分布广、突发性强、类型多等特点[3-5]。《中国气象灾害大典》(贵州卷)[6]统计显示,1952—2000年,贵州滑坡、泥石流灾害引起的经济损失达4.4亿元,毁坏房屋2 847间,受灾户数5 688户,受灾人数24 298人,其中死亡人数610人,受伤人数122人,伤亡人数10人,破坏农田或耕地4.96万亩,粮食损失0.85 t,家畜死亡282头。截至2006年,六盘水市共有地质灾害点1 043处[7]。2007—2015年,铜仁市共发生地质灾害820起,直接经济损失近9 000万元[8]。

研究显示,地质灾害多发生在碳酸盐区域[9]。贵州省的碳酸盐岩中,约有34.6%的不纯碳酸盐岩区域,其喀斯特发育特征与普通喀斯特有着明显的区别[10]。胡锋[11]等提出亚喀斯特概念,即发育在不纯碳酸盐岩及碳酸盐岩与非碳酸盐岩夹层之上的一种过度地貌形态,介于纯喀斯特与非喀斯特之间,由岩性决定。近些年,关于喀斯特区域的地质灾害敏感性评价[12-15]及影响因素[16-17]研究较多,涉及多种相关因子,如气候、区域地质条件、地质灾害、地球化学、生态环境现状、地质环境破坏速率、人类活动等7个评价要素及相应的18个评价因子常被选为地质灾害敏感性评价指标体系构建中[18],但关于不同喀斯特类型区对地质灾害的影响研究较少。

对贵州省3种不同喀斯特类型区进行地质灾害敏感性评价及等级划分,统计地质灾害敏感性在3类喀斯特类型区内的面积占比,以10 km格网为对象,对每个格网中的喀斯特类型区(非喀斯特、亚喀斯特和纯喀斯特)面积占比与各地质灾害敏感性面积占比进行分级,分析两者的相关性,从而分析喀斯特类型区与地质灾害的关系。为丰富喀斯特地区地质灾害研究、合理指导地质灾害预防及治理提供参考。

贵州省喀斯特地貌分布范围大,属于高原山地地貌,地势西高东低,自中部向北、东、南三面呈阶梯式倾斜,平均海拔1 100 m左右,高原山地居多,主要有高原、山地、丘陵及盆地4种地貌类型。碳酸盐岩出露面积大、分布连续,有自震旦系到三叠系的古老碳酸盐岩地层[19]。贵州省林业资源丰富,2016年全省森林覆盖率达到52%。调查显示,贵州省石漠化面积约为3.7万km2,主要分布在六盘水、黔西南、黔南、安顺、毕节等所在的喀斯特地区的南部和西部[20]。

1 数据来源

根据贵州省地理环境与气候条件,选择小流域面积、土壤保持量、高程、离断层线距离、基岩裸露率、土地利用类型、植被覆盖度、地形起伏度、坡度等9个因子,对贵州北盘江流域进行地质灾害敏感性评价,采用自然断点法,将每个评价因子分为5个等级,数值越大,代表该因子对敏感度影响越大。

坡度、地形起伏度、高程、小流域面积等数据是基于贵州北盘江流域的DEM数据,利用ArcGIS表面分析功能、栅格计算器及水文分析工具分别提取出来。植被覆盖度是基于贵州北盘江流域内2015年的Landsat TM /ETM影像,借助ENVI软件提取出来。土地利用类型采用非监督分类方法,结合植被指数、纹理、像元亮度、像元大小等指数提取出来,分为林地、灌木、草地、湿地、耕地、建设用地及裸地等类型。断层线分布数据来源于国土资源科学数据共享中心地址调查分中心。纯喀斯特、亚喀斯特及非喀斯特类型区的划分依据胡锋[11]等提出的亚喀斯特发育程度的岩性属性,包括不纯碳酸盐岩(如泥质石灰岩、泥质白云岩)、碳酸盐岩与非碳酸盐岩夹层两类。土壤保持量数据基于2015年的降水、土壤、高程等数据,运用通用土壤流失方程(RUSELE)估算出来。基岩裸露率计算采用遥感反演获取[21],将单个像元作为计算分析的基本单元,计算出每个单元的植被覆盖度及土壤裸露率,而基岩裸露率为减去以上两个数据的结果。

2 研究方法

2.1 层次分析法确定指标权重

评价指标因子权重的方法有很多,而层次分析法可建立多级评价模型,能充分地将专家的经验判断量化,效果较好,可把复杂问题中的各因素指标层次化、条理化及有序化,根据客观条件进行模糊判断,定量化表示每一层次各因素指标的重要性,利用数学方法确定指标因子的相对重要性次序的权重[22-23]。

以地质灾害敏感性为目的层,地形地貌、地质及环境3个因子为准则层,各子系统中的指标要素为基础层,构建评价指标的层次结构。依据评价指标对研究区地质灾害的影响程度,利用专家打分法给每个指标打分,指标分值越高,表示指标的相对重要性越大[24-25]。通过对地质灾害敏感性评价指标的两两比较,得到指标的两两判断矩阵,利用层次分析法计算出各评价指标的权重,如表1所示。

表1 地质环境评价指标判断矩阵及权重Tab.1 Judgment matrix and weight of geological environment evaluation index

2.2 数学模型与综合评价

利用加权平均法计算出地质灾害敏感度,根据地质灾害敏感度划分出贵州北盘江流域地质灾害敏感性,如式(1):

式中:St为地质灾害敏感性评价指数,Wi为第i个评价指标的权重,Fi为第i个评价指标图层,n为评价指标的个数。

运用Arcgis的重分类功能,对评价出来的地质灾害敏感性评价指数St按照自然断点法,将其分为不敏感(St<3.795 8)、轻度敏感(3.795 8≤St<4.470 6)、中度敏感(4.470 6≤St<5.068 4)、敏感(5.068 4≤St<5.719 6)及极度敏感(St>5.719 6)5种敏感性,得到贵州北盘江流域地质灾害敏感性图,如图1所示。

图1 贵州省地质灾害敏感性图Fig.1 Geological hazard sensitivity in Guizhou Province

3 评价结果与分析

3.1 贵州省喀斯特类型区分布状况

将喀斯特类型区进行划分,得到分布范围,如图2所示。纯喀斯特分布范围广,在贵州省各地州市均有分布,主要集中在黔西南州的西南部、中部和北部,毕节的西部和东部,六盘水、安顺、贵阳的大部分区域及黔南州的西部、北部和东南部,黔东南州的西北部,遵义的南部,铜仁的东部。亚喀斯特分布相对零散,在各地州市均有分布,相对集中于毕节的中部,黔南州南部的部分地区,安顺的东部及遵义的中部与北部。非喀斯特相对集中分布在黔东南州,遵义的西北部与东北部地区及黔西南州的东部,其余相对零散地分布在各地州市。对3类喀斯特类型区的分布面积进行统计,如表2所示。由此可知,喀斯特区域占贵州省面积的61.57%。

图2 贵州省3类喀斯特类型区的空间分布Fig.2 Distribution of 3 types of Karst in Guizhou Province

表2 贵州省三类喀斯特类型区面积及占比Tab.2 Area and ratio of 3 types of Karst in Guizhou Province

3.2 喀斯特类型区地质灾害敏感性状况

分析地质灾害敏感性状况可以看出,各等级面积从总体上表现为中度敏感>敏感>轻度敏感>极敏感>不敏感,敏感和极敏感区域占贵州省总面积的36.8%,88.11%的区域存在一定程度的地质灾害敏感。

从不同喀斯特典型区域来分析地质灾害敏感性的分布状况,可以看出,非喀斯特区域表现为中度敏感>轻度敏感>敏感>不敏感>极敏感,亚喀斯特区域表现为中度敏感>敏感>轻度敏感>不敏感>极敏感,而纯喀斯特区域表现为敏感>中度敏感>轻度敏感>极敏感>不敏感,如图3所示。非喀斯特、亚喀斯特和纯喀斯特3种喀斯特典型区域内主要的地质灾害敏感性在增加。

图3 3类喀斯特类型区地质灾害敏感性统计结果Fig.3 Statistics of geological hazard sensitivity of 3 types of Karst regions

具体的统计数据如表3所示。非喀斯特区域中,地质灾害敏感性为敏感或极敏感的区域分布面积占比分别为22.92%、9.04%。亚喀斯特区域中,地质灾害敏感性为敏感或极敏感的区域分布面积占比分别为24.71%、11.36%。纯喀斯特区域中,地质灾害敏感性为敏感或极敏感的区域分布面积占比分别为26.11%、15.55%。以上结果均表现出纯喀斯特>亚喀斯特>非喀斯特的特征。

表3 贵州省地质灾害敏感性综合评价统计表Tab.3 Comprehensive assessment statistics of geological hazard sensitivity in Guizhou Province

3.3 喀斯特类型区与地质灾害敏感性相关性

地理格网是一种依据统一规则,将地理空间进行连续分割,使空间不确定性控制在统一范围内的系统,便于对地理数据的采集与分析。以10 km格网为对象,计算贵州省3类喀斯特类型区(非喀斯特、亚喀斯特和纯喀斯特)面积占比与各地质灾害敏感性面积占比,并分级处理,具体分级标准如表4所示。采用IBM SPSS Statistics 22社会科学统计软件进行偏相关分析,结果如表5所示。

表4 三类喀斯特类型区面积占比和地质灾害敏感性面积占比分级Tab.4 3 types of Karst region ratio and geological hazard sensitivity area grading

表5 贵州省三类喀斯特类型区与地质灾害敏感性偏相关分析Tab.5 Partial correlation analysis between 3 types of Karst and geological hazard sensitivity in Guizhou

非喀斯特区与轻度敏感、中度敏感区呈正相关,与敏感、极敏感区呈负相关。纯喀斯特区与轻度敏感、中度敏感区呈负相关,与敏感、极敏感区呈负相关,且均通过置信度为99%的显著性检验,但相关性较低,其中非喀斯特区和纯喀斯特区与中度敏感性的相关性最高,分别为0.355、0.305,其次为轻度敏感性。处于非喀斯特与纯喀斯特之间的亚喀斯特则未表现出一定的相关性规律。由此规律可以看出,越典型的喀斯特类型在一个区域内的占比越大,该区域高敏感区占比越大,即地质灾害敏感性与喀斯特类型存在关联性,这种关联性强弱表现为纯喀斯特>亚喀斯特>非喀斯特。较低的相关性说明喀斯特类型对地质灾害敏感性具有较小的影响。

4 讨论

目前,已有的研究主要集中于区域内的地质灾害敏感性评价,还有关于不同喀斯特类型区地表地貌特征、植被特征等研究。通过对三大喀斯特类型区内地质灾害敏感性面积占比进行统计及对比,得出地质灾害敏感性为敏感或极敏感的区域分布面积占比表现出纯喀斯特>亚喀斯特>非喀斯特的特征。以10 km格网为对象,对三大喀斯特类型区内的地质灾害敏感性面积占比分级进行相关性分析,得出地质灾害敏感性与喀斯特类型区存在关联性,这种关联性强弱表现为纯喀斯特>亚喀斯特>非喀斯特。两种方法得到的结果一致,均达到了预期效果,说明喀斯特越典型,地质灾害敏感性越高。在相关性分析中显示,喀斯特类型区与地质灾害敏感性的相关性低,说明喀斯特类型对地质灾害敏感性具有较小的影响。

非喀斯特主要分布在非可溶性盐岩或埋藏型碳酸盐岩之上,难于被溶蚀,土层厚度大,植被覆盖度高,土地利用价值大,生态效应积极作用明显,地貌类型主要以缓坡、盆地及平地为主,地形起伏度小。亚喀斯特主要发育在不纯碳酸盐岩及碳酸盐岩非碳酸岩夹层之上,岩石中泥质成分及酸不溶物占比高,溶蚀速度相较于纯喀斯特区域慢,成土速率相对高,往往拥有较厚的土层,植被覆盖度较高,土地利用价值较大,生态效应较好。亚喀斯特区域地下溶洞发育程度低,地下洞穴分布少,地貌类型以丘陵、丘陵谷地、洼地、盆地和中山为主,平均坡度在15°左右,地形起伏度相对较缓。纯喀斯特主要发育在纯碳酸盐岩之上,岩石中泥质、酸不溶物等杂质含量较少,溶蚀速度快,成土速率缓慢,往往拥有很薄的土层,甚至是基岩裸露,形成石漠化,植被覆盖度低,生态环境脆弱。因为纯喀斯特区域碳酸盐纯度高,易于被溶蚀、侵蚀等,地貌发育强烈,拥有峰丛、峰林、洼地、槽谷、溶洞、暗河、竖井等喀斯特景观。