基于GIS的河南省电网工程地质灾害风险区评价研究

孙才华,范小光,刘 强,方 林

(1.国网河南省电力公司,河南 郑州 450052; 2.中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司,河南 郑州 450007;3.河南省自然资源监测和国土整治院,河南 郑州 450000)

电网工程安全对保障国家经济发展和民生具有十分重要的意义[1-3]。河南省地质构造复杂,北部、西部、南部多为山地丘陵地形,滑坡、崩塌及泥石流等地质灾害较多,东部平原地区分布着物理力学性质较差且地域性较强的特殊土,这些特殊岩土在地表水径流、地下水和大气降水等条件下,易于产生地质灾害。加上近几年来极端天气的频繁出现,使得复杂地质条件下各种地质灾害发生频率大幅提高,对电网工程规划建设造成的影响也日趋严重[4-6]。因此,有必要在电网工程规划选址前进行区域性地质灾害危险性评价。

地质灾害的灾种分布、灾害生成制约因素、灾害发生的时间与空间规律都具有较强的区域特征[7]。刘厚健等[8-9]归纳总结750 kV官亭—兰州东输电线路主要地质问题主要包括构造稳定性、滑坡、泥石流、地裂缝、湿陷性等;李学丰等[10-11]对750 kV兰州—银川输电线路的工程地质环境进行了评价,并指出黄土的湿陷性是该线的主要工程地质问题;高文龙[12]指出采空区稳定变形对山西境内电网工程安全性的影响非常大。青海—西藏电网工程的选线则主要考虑的是冻土和厚层地下冰的分布发育规律[13-14]。因此地质灾害风险性评价往往需要根据电网工程所在区域的地质灾害特点,对评价方法、评价指标、指标权重及风险等级等方面进行调整[15-17]。冯治学等[18]针对玉溪市电网遭受地质灾害特点选取了7个评价指标,采用AHP和熵值法计算各评价指标的权重,并利用聚类分析法对电网地质灾害脆弱性评价分级;黄冬梅等[19]利用空间插值、自然间断点分级方法得到地质灾害危害程度,然后通过主观和客观赋权相结合的方法确定各个影响因子的权重,通过采用Dijkstra算法得到最优输电线路路径。

本文针对河南省的地质灾害特点,综合相关勘察数据,详细分析影响河南省电网工程建设和安全运行的不良地质灾害因素,建立河南省电网工程地质灾害风险性评价指标体系,并开展不良地质灾害危险性评价研究,研究结果将对河南省电网工程区域规划及防灾减灾具有重要意义。

1 研究区概况

河南省地形地貌如图1所示。河南省境内平原和盆地、山地、丘陵分别占总面积的55.7%、26.6%、17.7%。灵宝市境内的老鸦岔为全省最高峰,海拔2 413.8 m;最低处在固始县的淮河出省处,仅23.2 m。省内地势总体上西高东低,东部为黄淮海平原,地势较为平坦,西北部为太行山地,南部主要是豫南山地,西部为豫西山地。河南省境内河流众多,分属黄河、淮河、长江及海河水系,由西向北、东、南呈放射状分流。

图1 河南省地形地貌Fig.1 Topography and landform of Henan Province

2 评价指标模型建立

2.1 评价方法

人工神经网络模型一种优秀的机器学习模型,被广泛地应用于各类地质危险性评价和风险评估中[20],其流程图如图2所示。

图2 人工神经网络评价模型流程[21]Fig.2 Flow chart of artificial neural network evaluation model

本文运用newff函数建立神经网络模型,人工神经网络结构一般分为输入层、隐含层和输出层,各层之间通过节点间的连接权值依次连接。人工神经网络的训练过程主要有两个过程组成,分别是信号的正向传输和误差反向传输。其中各指标信号正向传播,在输入层输入后,经过隐含层处理后到达输出层。若在输出层输出的误差过大,则需要把误差反向传播调整网络的连接权值,使得误差达到最小偏差信号。

2.2 评价指标选取

评价指标体系的建立是开展灾害风险区评价工作非常重要的一步。在综合分析河南省不良地质灾害发育规律的基础上,结合以往的工程经验,总结出河南省电网工程灾害风险性评价指标可以分为主导指标、触发指标和潜在指标,如图3所示。①主导指标。主导指标指对不良地质灾害的发生起控制作用的指标,主要包括地形地貌、岩土体类型、水文地质条件和地质构造等。②触发指标。触发指标指能诱发不良地质灾害发生的主要指标。常见有地震、降雨和人类工程活动等,人工工程活动主要包括植被覆盖率、矿山和交通建设的情况。③潜在指标。潜在指标是根据已发生地质灾害的强度来分析来今后地质灾害发生的潜在危险性,主要考虑以往地质灾害的规模和数量,常用灾害点密度来表示。

图3 地质灾害风险性评价指标体系Fig.3 Index system of risk evaluation for geological hazard

3 评价指标模型建立

3.1 风险评价单元划分

地质灾害风险性评价单元的划分计算结果具有很大影响。考虑到栅格数据可以以矩阵的形式存储在计算机中使得运算更准确迅速,因此本次采用栅格单元作为评价单元,根据经纬度在1∶50万图上对河南省国土面积进行单元网格剖分,剖分规格为0.6′×0.6′,剖分精度大致相当于1.1 km×1.3 km,共将全省剖分为163 504个单元格,以每个栅格单元作为一个最小的危险性评价单元,如图4所示。

图4 河南省网格剖分Fig.4 Grid division map of Henan Province

3.2 风险评价指标量化

考虑到工程地质灾害评价指标中既有定量指标,还有定性指标,且各种指标间的单位差异较大,无法综合评价同一目标。因此在评价计算前需要对评价指标进行归一化处理。对于定量指标可采用公式(1)将指标的数值进行归一化处理,将定量指标进行分级赋值。针对定性指标,可以根据指标大小与危险性的关系进行归一化赋值,离地质构造、水系中心线和矿山越近,地质灾害风险性越大,归一化赋值趋于1,反之赋值趋于0。

式中,x′为评价指标归一化处理后数值;max(xi)为评价指标量化的最大值;min(xi)为评价指标量化的最小值。

3.3 数据预处理

(1)灾害密度。地质灾害发育密度可以反映出区域地理与地质环境条件对地质灾害发生的影响程度。统计河南省滑坡、崩塌以及泥石流的发育情况,并进行灾害点密度分析,并根据式(1)进行归一化处理,得到河南省滑坡、崩塌、泥石流的灾害密度归一化分区图,如图5所示。

图5 地质灾害密度归一化分区Fig.5 Normalized zoning of geological hazard density

(2)坡高。坡高在某种意义上可以反映发生滑坡的危害程度。一般来说,斜坡越高,坡体的稳定性就越差,发生滑坡的概率就越大。斜坡单元法划分的每一个评价单元对应一个斜坡坡高,河南省边坡的最高高度可达1 383.54 m[21],然后进行归一化处理,如图6(a)所示。

图6 地质灾害评价指标归一化分区Fig.6 Normalized grading map of evaluation index of geological hazards

(3)坡度。陡峭的斜坡往往为崩塌滑坡的发生提供了有利的条件。研究区滑坡发生主要集中于坡度23°～53°,占比可58.21%,崩塌发生主要集中于坡度>61°,占比可达82.35%。图6(b)为河南省斜坡坡度分布归一化图。

(4)坡面曲率。坡面曲率可以反映坡型对地质灾害的影响,坡面曲率可以采用河南省DEM高程模型直接提取,如图6(c)所示。

(5)岩土体类型。地层岩性是地质灾害产生的物质基础,一般来说,岩土体力学强度越高、完整性越好,地质灾害发生的概率越小。依据岩性的坚硬程度以及完整性对每一岩土体赋值,河南省分布有岩浆岩、碳酸岩、碎屑岩、变质岩、黏性土、砂性土、砾质土和黄土类土,分别赋值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8,如图6(d)所示。

(6)地质构造。地质构造发育地段,岩体结构相对较破碎,不良地质灾害发育数量较多。根据研究区地质构造分布的实际情况,将断裂影响范围分5类,0～2.5、2.5～5、5～7.5、7.5～10、>10 km缓冲区,分别赋值0.8、0.6、0.4、0.2、0,其归一化分区图如图6(e)所示。

(7)河网水系。受到水动力作用的影响下,临近河岸地带易发生崩塌、滑坡等不良地质灾害。以河网水系边缘为轴线每隔0.5 km为一级向外侧设置缓冲区,即0～0.5、0.5～1、1～1.5、1.5～2、>2 km缓冲区,分别赋值0.8、0.6、0.4、0.2、0,如图6(f)所示。

(8)地震动峰值加速度。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)可以确定出河南省地震动峰值加速度分别为0.05g、0.10g、0.15g、0.20g,按照危险性程度赋值为0.2、0.4、0.6、0.8,如图6(g)所示。

(9)植被指数。植物的根茎有固定表层岩土体的作用,可以起到减缓坡面水流的流动速度和稳固斜坡的作用。一般植被指数越大说明植被覆盖程度越高,不良地质灾害发育的程度越低。图6(h)为河南省植被指数归一化分区图。

(10)降雨强度。降雨强度是诱发许多边坡地质灾害最直接的因素。河南省百年一遇24 h降雨量在150～600 mm,因此对降雨强度>400、300～400、200～300、<200 mm/d分别赋值0.8、0.6、0.4、0.2,分布如图6(i)所示。

(11)年均降雨量。年均降水量可以反映降雨的长期特征,有数据统计,不良地质灾害的数量随年均降水量的增加而有所增大,河南省的年降雨量在500～1 300 mm,图6(j)为年均降雨量归一矢量化后的分区图。

(12)路网密度。路网密度可以反映出人类工程活动的强弱。路网密度主要考虑一些重要道路,河南省交通密度归一化处理后如图6(k)所示。

(13)矿山分布。采矿形成的采空区易诱发地面沉降及地裂缝等地质灾害,从河南省1∶50万地理地图中提取矿山点状地理实体,建立缓冲区进行空间分析,确定矿山对落灾点的影响情况,对以下分级:0～250、250～500、500～750、750～1 000、>1 000 m缓冲区,分别赋值0.8、0.6、0.4、0.2、0,如图6(l)所示。

4 风险评价结果

评价计算主要通过计算机编程,将提取的地质灾害风险评价指标归一化后,作为人工神经网络的输入层,在给定初始权值后,选择典型的评价单元,并将其的定性评价结果作为人工神经网络的输出层,进行网络训练,可以得出各评价指标的权重,见表1。

表1 评价指标权重值Tab.1 Weights of evaluation index

5 地质环境分区评价结果

在ArcGIS软件平台下,构建各影响指标栅格图层,利用空间分析模块中的栅格计算工具,对各影响指标的权重值在各统计单元进行加权叠加,对不良地质作用进行风险区划,如图7所示。从图7中可以看出,河南地区大部分地区为无风险区,其中无风险区和低风险区面积分别为117 974、12 654 km2,分别约占全区总面积的70.64%和7.58%,场地平坦,地基条件好,地质灾害少。河南省中、高风险区面积分别为24 857、11 515 km2,约占河南面积的14.88%和6.90%,主要分布在西北部的太行山脉,豫南山地的大别山脉和豫西山地的伏牛山、外方山、熊耳山、嵩箕山、崤山,在电网工程规划选址时要注意风险。

图7 河南省不良地质作用综合风险Fig.7 Grading map of adverse geological action assessment for Henan Province

6 结论

(1) 根据河南省地质环境条件,结合电网工程特点,考虑地质灾害主导因素、触发因素和潜在因素,选取了坡高、坡度、坡面曲率、岩土体类型、河网水系、地质构造、地震峰值加速度、植被指数、矿山分布、路网密度、年降雨量、降雨强度及灾点密度等13个因素作为评价指标,利用人工神经网络方法计算各评价指标的权重,并构建河南地质灾害风险区评价模型。

(2) 河南省电网工程地质灾害风险区评价结果表明:河南地区大部分地区为无风险和低风险区,地质灾害少,适宜电网工程的建设。地质灾害危险性较高的地区主要分布在河南南部太行山脉、豫西和豫南地区。

(3) 电网工程地质灾害风险区评价可反映出地质灾害对电网工程活动的影响程度,评价结果可为河南省的电网线路规划及防灾减灾工作提供理论依据和科学指导。