北京门头沟区斜坡类突发地质灾害特征及影响因素分析

2023-09-27郭英

城市地质 2023年3期

摘要：基于2004—2021年地质灾害详细调查资料，门头沟区地质灾害类型有崩塌、地面塌陷、滑坡、泥石流，规模均为小型，王平镇、大台街道、妙峰山镇分布密度较大。采用GIS技术、确定性系数模型等方法，对5项影响因素与地质灾害的相关性进行分析。分析结果显示：坡度、道路修建、降雨以及高程为门头沟区地质灾害发生的主要影响因素；高程100～800 m范围，微地貌坡度大于50°的斜坡为崩塌灾害易发区域；道路两侧<200 m范围内地质灾害点密度最大，随着缓冲距离的增大，灾害点密度逐渐减小，道路修建对诱发地质灾害起到促进作用；降雨为诱发地质灾害的主要因素之一，降雨量>650 mm的区域地质灾害发生概率较大。

关键词：门头沟；地质灾害；影响因素；GIS技术；确定性系数模型

Characteristics and impact factors of abrupt slope geological disasters in Mentougou District， Beijing

GUO Ying

（Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100120， China）

Abstract： Based on the detailed survey data of geological disasters from 2004 to 2021， the geological disasters in Mentougou include such types as collapse， ground collapse， landslide and debris flow， mainly of small scales， but the distribution density is large in Wangping town， Datai street， and Miaofengshan town. Using GIS technology and determination coefficient model， the correlation between five impact factors and geological disasters is analyzed. The results show that： slopes with elevations between 100～800 m， and with microtopography slopes greater than 50° are prone to collapse disaster; the distribution density of geological hazard points is the highest within 200 m on both sides of the road; and with the increasing of the distance， the density gradually decreases; road construction plays a positive role in inducing geological disasters; rainfall is one of the main factors to induce geological disasters， and the occurrence probability of geological disasters is higher in regions with rainfall greater than 650 mm．

Keywords： Mentougou; geological disasters; impact factor; GIS technology; CF model

门头沟区地处燕山台褶带之西山迭坳褶，燕山期经历了较强烈的构造变形，形成了一系列大规模的褶皱构造，断裂构造发育，地形切割强烈，岩石破碎，加之降水时空分布不均匀等自然条件的影响，以及人类活动带来的破坏作用，曾多次发生崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等灾害（韦京莲等，2001；程素珍等，2020；周立等，2020），给当地人民的生命财产、交通水利、旅游设施和植被景观等造成了一定的损失，是北京地区发生地质灾害较多、灾害后果较严重的地区之一。

近年来，多位学者在门头沟区开展了地质灾害研究工作。如：冉淑红等（2013；2014）对门头沟区地质灾害隐患特征进行总结，采用层次分析法对其危险性进行综合评价，并根据易发程度进行分區；王珊珊等（2015）通过调查对门头沟区泥石流隐患发育特征与岩石类型相关性进行统计分析，总结了泥石流隐患分布规律；孙佳丽（2018）对门头沟区泥石流隐患分布特征及影响因素进行分析，并提出临界降雨量阈值。

这些研究成果是基于地质灾害隐患的基础数据进行分析的，研究内容部分以单灾种为研究对象，缺乏全区性地质灾害影响因素相关性的分析。本文基于2004—2021年门头沟区地质灾害详细调查资料，采用GIS、确定性系数模型方法，选取地形地貌、地层岩性、断裂构造、人类工程活动、降雨等5项影响因素，分析其与地质灾害的相关性，为后续区域地质灾害危险性评价及防治提供依据。

1 研究区概况与地质灾害特征

1.1 研究区概况

门头沟区位于北京西部山区，面积1 455 km2。地处太行山脉与军都山脉的交汇部位，以中低山地貌为主，总体呈西北高、东南低，海拔高度73～2 303 m，区内98.5%为山地，由4列西南-北东走向的山系组成。地层出露较全，尤以中生界侏罗系最为发育，岩性以白云岩、砂岩、灰岩为主，侵入岩以岩枝、岩株、岩床等形式零星分布，岩性包括辉长岩、花岗岩、花岗闪长岩等。区内褶皱构造发育，是北京地区中生代向斜构造规模较大、分布相对集中的地区，其中以北东向褶皱规模较大，区内断裂构造较发育，以北东向、北北东向为主。门头沟区属中纬度大陆性季风气候，全区年平均降水量约576.02 mm，降水量自东向西逐渐减少。区内大部分属永定河流域。

1.2 地质灾害特征分析

北京市于2004年成立第一支突发地质灾害应急调查队伍，负责北京市地质灾害应急调查工作，本文基于2004—2021年排查成果，简述该时段内门头沟区地质灾害的概况。

1）地质灾害类型及规模

2004—2021年门头沟区共发生地质灾害119起，其中崩塌100起，占灾害总数84%；滑坡2起，占灾害总数2%；泥石流1起，占灾害总数1%；地面塌陷16起，占灾害总数13%。见图1-a。

地质灾害规模均为小型。崩塌、滑坡体方量1～3 600 m3，规模小型，其中方量小于100 m3的崩塌、滑坡灾害有51处，100～1 000 m3的有34处，大于1 000 m3的有5处。16处地面塌陷面积均小于0.1 km2，规模小型。1处泥石流冲出方量约5 000 m3，规模小型。见图1-b。

2）地质灾害分布

门头沟区地质灾害点密度为0.082处·km-2（图2、表1），在大台街道、妙峰山镇、王平地区等10个乡镇不同程度发育。王平地区地质灾害密度最大，为0.257处·km-2，大台街道、妙峰山镇点密度次之，潭柘寺镇点密度最小，全区地质灾害点密度由大到小排序为：王平地区>大台街道>妙峰山镇>龙泉镇>军庄镇>雁翅镇>斋堂镇>永定地区>清水镇>潭柘寺镇。

崩塌在妙峰山镇、雁翅镇、斋堂镇、清水镇、大台街道、王平等地区均有分布，2处滑坡分别分布于永定镇、王平地区，1处泥石流位于清水镇，地面塌陷主要分布于斋堂镇、王平、龙泉镇等地区。

3）地质灾害灾情

门头沟区119处地质灾害点规模小型，未造成人员伤亡，直接经济损失均<10萬元，主要灾情为因灾害发生造成道路全幅或半幅封闭，影响道路通行，灾情等级均为小型。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数字高程模型数据（DEM）来源于地理空间数据云（http：//www.gscloud.cn/），分辨率为30 m；坡度由DEM数据提取分析获得；地层岩性及断裂分布数据来源于北京市地质研究所地质图；道路数据自门头沟区1∶100 000地形图提取；降雨数据来源于北京市气象局；地质灾害数据通过北京市应急调查大队多年应急调查报告统计获得。

2.2 研究方法

本文主要基于ArcGIS空间分析功能和确定性系数模型（CF）对门头沟区地质灾害分布规律及影响因素进行分析。

1）ArcGIS技术

通过ArcGIS中提取分析工具得到地质灾害点位置处各影响因子的属性，通过ArcGIS中欧式距离工具分析获得断裂、道路不同缓冲距离的分布，并统计分析不同距离范围内地质灾害点的分布。

2）确定性系数模型

确定性系数模型（CF）是一个概率函数，可用于分析某一事件发生各影响因子的敏感性分析（梁丽萍等，2019）。CF函数具体表示为：

：PPa为地质灾害在因素a类中发生的条件概率，具体表示为因素a类中存在的地质灾害个数与因素a类的面积的比值；PPs为地质灾害在整个研究区中发生的先验概率，具体表示为整个研究区域的地质灾害的个数与研究区面积的比值。

各影响因子的权重W i表达式为：

式中：为影响因子i各区段范围对地质灾害发生的确定系数的最大值；为影响因子i各区段范围对地质灾害发生的确定系数的最小值，两者差值可以分析各影响因子对地质灾害发生的贡献度。

3 结果与讨论

崩塌、滑坡、泥石流与地面塌陷的机理和诱发因素不尽相同，本文仅对前3种斜坡类地质灾害影响因素进行分析。地质灾害发育与其所处的地质环境背景以及外部影响因素密切相关，是地形地貌、地质构造、地层岩性、人类工程活动、降雨等因素共同耦合作用的结果（刘传正，2014）。

3.1 地形地貌对地质灾害空间分布影响

1）海拔高程

海拔高程是影响地质灾害发生及分布的重要影响因素之一（黄润秋等，2009；2013）。门头沟区海拔高程为73～2 303 m，地貌类型属山地地貌，自西北向东南逐次降低，中山分布在百花山—髫髻山—清水尖—妙峰山山系及以北广大地区，低山主要分布在九龙山—香峪梁—马鞍山一带，丘陵主要分布在清水河谷和永定河谷两侧和龙泉镇、永定镇周边。

门头沟区地质灾害在不同海拔高程呈不均匀分布，见图3-a和表2。地质灾害主要分布在高程100～800 m范围内，占灾害总数的91.26%。其中：高程200～<600 m，地质灾害最为发育，分布地质灾害73处，占灾害总数的70.87%；高程100～<200 m，地质灾害分布次之；高程600～<800 m，地质灾害分布稍少；高程800～<1 500 m，地质灾害分布较少，占灾害总数的8.74%；高程1 500～ 2 291 m，无地质灾害分布。

2）坡度

坡度是影响地质灾害发育的重要影响因素（黄润秋等，2007；黄润秋等，2010；王欢等，2014），对坡体的应力分布状态、地表水径流、地下水补给与排泄、松散物质的堆积厚度等因素起着重要的控制作用。

根据DEM数据提取坡度因子，考虑微地貌坡度DEM表达不全，故通过GIS平台统计功能与实地调查相结合的方式，对不同坡度范围内地质灾害点进行统计，详见图3-b及表3。门头沟区地质灾害在60°以上坡度范围内分布最多，占灾害总数的74.76%，灾害类型全部为崩塌；50～<60°坡度范围内次之。全部崩塌分布在坡度为40°以上斜坡，2处滑坡分布在坡度为20～<40°斜坡。

3.2 地层岩性对地质灾害空间分布影响

地层岩性是地质灾害发生发展的重要因素，不同类型的岩土体具有不同的物理力学性质，对地质灾害的形成发育的影响也不同。

通过GIS平台统计分析门头沟区地质灾害发育地层，灾害点与地层岩性分布关系见图3-c，详细统计见表4。门头沟区地质灾害主要发生在侏罗纪地层，灾害数量为47处，占总数45.63%，其次为二叠系及侵入岩地层，均占总数9.71%。其中崩塌主要分布地层为侏罗系、侵入岩以及二叠系，2处滑坡分别发育于二叠纪和奥陶纪地层，泥石流发育于侏罗纪地层。

3.3 断裂构造对地质灾害空间分布影响

门头沟区断裂构造较发育，区内发育一条大断裂为沿河城断裂，一般断裂主要包括北东向断裂和北北东向断裂。断裂不仅决定了形成地质灾害的地形地貌条件，也为地质灾害提供了物质基础（殷志强等，2013；许冲等，2012）。

通过GIS平台构建断裂带4级距离缓冲区，统计各级缓冲区内地质灾害的数量，见图3-d及表5。地质灾害在不同距离缓冲区呈不均匀分布，断裂带两侧<500 m范围内地质灾害点分布密度最大，为0.103处·km-2，500～<1 000 m范围内密度次之，其余区域密度稍小。

3.4 降雨对地质灾害空间分布影响

降雨是地质灾害的主要诱因之一，短时间的强降雨或长时间的降雨浸润都有可能诱发地质灾害（马秀梅等，2019；王海芝等，2020；2022）。门头沟区地质灾害分布与年平均降雨量的关系见图3-e及表6。门头沟区降水量最大区域675～ 686 mm范围分布地质灾害数量最多，密度最大，占总数33.98%；650～<675 mm范围灾害数量次之，占总数19.42%，2个区域650～686 mm范围分布地质灾害数量共计55处，占总数53.40%。其他降水区域呈差异性分布，625～<650 mm、475～<500 mm范围内地质灾害不发育。

3.5 人类工程活动对地质灾害空间分布影响

门头沟有京拉路G109、南雁路S219、妙峰山路X002等多条主干公路，山区修建道路过程中开挖坡脚，形成大量陡峭边坡，造成局部坡体临空，岩体风化加速，卸荷松动，为地质灾害的形成创造条件。

通过GIS平台构建道路5级距离缓冲区，统计各级缓冲区内地质灾害的数量，见图3-f及表7。地质灾害沿道路呈“串珠状”分布，在不同距离缓冲区分布差异明显，道路两侧<200 m范围内地质灾害点分布数量最多，密度最大，占总数68.93%，其次为200～<500 m范围，占总数15.53%，随着距离的增大，灾害点数量逐渐减少，密度逐渐减小，可见道路修建对地质灾害的发育有较大影响。经调查统计，G109、S219、X002、X013道路为地质灾害点较发育路段。

3.6 综合讨论分析

采用確定性系数模型分析各影响因素对地质灾害的贡献度，根据公式（1）对各影响因素CF值量化，运用公式（2）计算获得各影响因素权重，见表8。由表8可见，影响因素权重值大小依次排序为：坡度>人类工程活动>降雨>高程>地层岩性>断裂构造，坡度、道路修建、降雨以及高程为门头沟区地质灾害发生的主要影响因素，坡度和高程为地质灾害发生的内因条件，道路修建和降雨为主要的诱发因素。由前述统计及现场调查可知，门头沟区崩塌灾害为主要的地质灾害类型，占灾害总数82%，崩塌灾害均发生于坡度>40°坡体，大多分布于居民屋后或道路边坡等人类工程活动较强之处，发生时间主要为6—9月降雨量较大时期，与计算结果较吻合。

4 结论

1）门头沟区主要地质灾害类型有崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷，规模均为小型，灾情小型。王平地区地质灾害密度最大，大台街道、妙峰山镇点密度次之，潭柘寺镇点密度最小。

2）门头沟区地质灾害分布由东向西北逐次减少，高程100～800 m、微地貌坡度大于50°斜坡为门头沟地质崩塌灾害的易发区域；灾害主要发育于侏罗系、侵入岩以及二叠系地层，占总数65.05%；地质灾害在断裂带不同距离缓冲区呈不均匀分布，断裂带两侧<500 m范围内地质灾害点分布密度最大；降雨为诱发地质灾害的主要因素之一，降雨量>650 mm区域地质灾害发生概率较大，密度最大，占总数53.40%；道路两侧<200 m范围内地质灾害点密度最大，随着缓冲距离的增大，灾害点密度逐渐减小，道路修建对诱发地质灾害起到促进作用。

3）运用CF模型分析影响因素对地质灾害的贡献度，坡度、道路修建、降雨以及高程对门头沟区地质灾害贡献度较大，对地质灾害的影响较大，其次为地层岩性，断裂相对影响较小。

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