基于GIS加权叠加的区域地质灾害易发性评价

刘玉娟

(安徽工业经济职业技术学院 地质与建筑工程学院,安徽 合肥 230051)

0 引言

地质灾害的类型有多种,无论是自然因素导致的还是人为因素诱发的,只要是对人民自身和财产造成威胁的灾难性地质破坏都为地质灾害,例如:泥石流、山体滑坡、地面塌陷,等[1].为最大程度降低地质灾害产生的危害,地质工作者们采用定量研究的方法对地质灾害发生规律进行研究.地质灾害易发性分区定量评价的数学模型是区域地质灾害风险评价的关键,也是区域地质灾害易发性评价的重点和难点.目前区域地质灾害易发性评价中的方法主要有总体分析法[2]、加权叠加法[3]、Logistic回归法[4]、信息量法[5]、聚类分析法[6]、模糊综合评判法[7]、神经网络法[8],等.朱省峰等[9]针对定远县地质灾害频发问题进行野外调查并对灾害出现频率、分布等情况进行研究,经过一系列分析后发现这一地区地质灾害发生的频率和地形状态、地质岩石形态、断裂地质构造等致灾条件有密不可分的关系.张先敏等[10]利用国产资源系列卫星数据及DOM数据等遥感数据进行定远县地质灾害类型解译.然而,运用GIS加权叠加模型对定远县地质灾害易发性评价尚缺乏研究工作.

在总结前人研究资料以及定远县地质灾害野外调查基础上,文章以定远县地质灾害易发性评价为研究对象,采用ArcGIS 软件将研究区地质灾害致灾因子进行网格化分割,通过重分类计算方法将因子赋值,最后采用加权叠加模型进行易发性分区划分.成果为定远县地质灾害易发性综合评价分区图,可以为定远县地质灾害风险调查工作及地方政府地质灾害防治带来指导意义.

1 研究区地质灾害概况

定远县位于安徽省中东部的丘陵区、江淮之间.野外调查发现,定远县地质灾害发育受区域地质作用控制.地质灾害主要分布在定远县北部和东部的丘陵地区,且岩石风化强烈的地带;地面塌陷主要分布在东北部丘陵地区和定远城区的石膏矿区、东兴的盐矿区;河流岸崩主要分布在大桥镇至三和集镇一带的池河沿岸;不稳定斜坡则分布于定远县北部的丘陵地区.定远县地质灾害隐患点具体分布如图1所示.导致地质灾害的原因有很多,例如人为施工影响、地形地势、降水情况、土层分布、地质结构、岩土类型、地质变动,等[9].针对不同情况的地质破坏性灾难问题,区域致灾因素的影响程度各不相同.

图1 定远县地质灾害隐患点分布图

2 评价方法和评价因子的选取

2.1 研究思路

内外动力地质作用控制地质灾害形成,同时还要考虑人类工程活动对地质灾害的诱发作用.定远县地质灾害易发性分区充分顾及灾害形成背景,采用加权叠加方法对评价因子进行计算分析.具体研究步骤:

(1)在对定远县地质灾害形成背景外业调查基础上,构建易发性评价因子数据,采用专家打分法将每个评价因子数据分为5个等级,接着对各等级评价因子进行加权,同时赋予每一级强度指数.

(2)将定远县整体进行划分,分为50 m × 50 m的单元格.因为ArcGIS具备将栅格图像进行自动网格化的功能,所以在分析时只需要处理该分辨率的栅格问题.

(3)运用ArcGIS将各等级评价因子按照50 m × 50 m的标准进行栅格化处理,接着通过重分类方法为各等级评价因子提供合理正确的强度指数数据.

(4)利用ArcGIS的栅格计算方法,加权计算各项数据,最终得出总体栅格图像,这一图像中栅格权重数据就是定远县地质灾害易发性分区的分析数据值(A).

易发程度指数的通用表达式[11]为

将地质灾害易发程度情况设为A;将评价因子的权重情况设为αi;将导致地质灾害发生的影响因素设bi.

(5)根据易发性分区的分析数据值(A) 的高低,对定远县地质灾害进行易发性分区.

2.2 评价因子选取

文章充分利用野外调查成果,从发育特征、基础地质因素和影响因素3个方面开展评价工作.地质灾害发育密度属于发育特征方面.基础地质因素一般为地形坡度、高程、工程地质岩组、地质构造.影响因素为人类工程活动.充分考虑定远县地理特征、地质灾害数据的可获得性、空间分析的数据精度,在保证评价有效性的前提下,采用地质灾害发育密度、地形坡度、工程地质岩组、地质构造、高程、人类工程活动6个指标,作为地质灾害易发性分区评价的评价因子.

2.3 评价因子分析

2.3.1 地质灾害发育密度

地质灾害发育密度是指通过已有地质灾害的空间分布情况去评估区域地质灾害的易发性[3].文章经过详细调查后总结出有关定远县地质灾害的83个点位,根据ArcGIS 开展点核密度状况研究.根据不同地区地质灾害点的稀疏程度,将其分为4个区域.其中极高密度区域,强度定在5分,高密度、中密度、低密度以及极低密度区域强度依次减低,依次分别为4分、3分、2分以及1分.通过评分以及统计,获得反应其地质灾害发育密度评价的栅格图形,如图2所示.从中可以得出定远县地质灾害发育密度情况(图2a).

图2 易发性评价因子分级图

2.3.2 地形坡度

针对山地滑坡、地质崩塌等地质灾害问题,坡度是非常关键的影响因素.同等情况下高坡度和低坡度所导致的灾害种类、规模等亦是不同[3].按照灾害点在对应坡度的分布情况,给予不同因子评价数值:坡度0°～<15°给予1分值,35°～<45°给予2分值,坡度15°～<25°给予3分值,坡度45°～<90°给予4分值,坡度25°～<35°给予5分值.通过定远县DEM对坡度变化及大小进行分析研究,最终得出坡度分区栅格图,见图2.

2.3.3 工程地质岩组条件

工程地质岩组情况的不同也会导致地质灾害发生频率不同.通过分析定远县地质灾害点的分布情况,对不同工程地质岩组进行划分如图2所示,可以看出定远县北部山区的馒头组泥页岩夹中厚层灰岩是地质灾害容易发生的地层,县域东部的变质砂岩地质灾害亦容易发生.在前人研究的基础上[1],通过定远县地质灾害点在每个工程地质岩组的不同分布情况,给予不同的因子评价数值:将碳酸盐岩岩组设为5分,其中多为寒武-奥陶纪坚硬的中-厚层状具软弱夹层碳酸盐岩;其中选择元古界的坚硬-较软弱层状千枚岩、变质砂岩、变质凝灰岩为主浅变质岩岩组设为4分;将碎屑岩岩组设为3分,多为白垩系的坚硬-较软弱中厚-巨厚层砂砾岩;侵入岩岩组2分,多为坚硬块裂状花岗岩;喷出岩岩组1分,其中多为坚硬块裂状玄武岩.

2.3.4 地质构造

地质灾害发生情况还和区域地质构造有着千丝万缕的联系.构造程度较强的地区,结构面发育密集,从而出现岩石破裂的情况,破裂的岩石会对地质灾害的发生造成间接性影响[9].以断层线分别向两边设立0～<500 m,500～<1 000 m,1 000～<2 000 m,2 000～<3 000 m,>3 000 m共计5个缓冲区类型.地质构造因子评价赋值为:0～<500得5分,500～<1 000得4分,1 000～<2 000得3分,2 000～3 000得2分,>3 000得1分,获取地质构造评价分区情况如图2(d)所示.

2.3.5 高程

高程是区域地貌的变化表现,因此也体现了地貌对地质灾害发生与否的影响[5].定远县的大部分地区属于江淮波状平原区地带,只有池河东侧的部分地区属于沿江丘陵平原区地带.总体地势呈现北部高于南部的形态,北部地区多为地势高低相间的丘陵,而南部地区则较为平坦,多为河谷型平原.从崩塌、不稳定斜坡(不包括岸崩)分布高程看,高程0～180 m范围内均有灾害隐患点分布,其中高程50～200 m范围内隐患点最多,占隐患点总数的63.16%,主要是地形起伏大、人类工程活动强烈、切坡较多.所以可以发现高程是影响地质灾害出现频率的重要因素.根据定远县地貌特点和灾害地区的位置变化,将高程因子评价赋值:100～<200 m为5分,200～<400 m为4分,50～<100 m为3分,20～<50 m为2分,0～<20 m为1分,划分结果如图2(e)所示.

2.3.6 人类工程活动

随着定远县经济建设的迅速发展,无论是大肆采矿,还是高速发展的城建建设,均或多或少影响到了地表原始地质情况,进一步致使地质灾害频繁发生.在这些工程中,影响最大的就是长距离施工工程,例如公路、铁路等[12].所以文章主要针对公共道路可能对于地质灾害造成的干预情况展开探讨,其中以省道及高速公路等道路中心为原点,以500 m为距离间隔,共分为5个区域.将各区设为不同的数值,内部向外部依次为5分、4分、3分、2分,至于不在缓冲区的区域,则是赋值为1分.

经过计算获得人类工程活动因素评价分区情况如图2(f)所示,从中可以清晰观察出人为修建活动的影响情况.

2.4 评价因子权重计算及赋值

根据6个方面确定定远县地质灾害易发性评价因子情况,分别为地质灾害发育密度、地形坡度、工程地质岩组、地质构造、高程、人类工程活动,其权重总数量和为1.

参考不同方面影响程度的大小,根据专家打分法为各评价因子设立权重数值,各参评因素赋值标准及权重分配见表1.

表1 定远县地质灾害易发程度评价中各参评因素赋值标准及权重分配表

3 地质灾害易发性评价

基于计算得到的易发程度栅格图像,统筹ArcGIS完成的加权叠加模型,同时借助自然间距分类方法[3],划分相对科学适宜的分区界限值,即高易发区、中易发区、低易发区、不易发4大区域类型,划分结果如图3所示.

图3 定远县地质灾害易发程度分区评价图

地质灾害高易发区总面积为200.66 km2,占全县总面积的7.30%,主要分布在定远县北部山区,主要包括能仁乡、永康镇、西卅店镇、定城镇的部分区域.其地貌类型主要为中高丘,地形起伏较大,灾害点密度极高.地层主要为寒武系馒头组、张夏组、崮山组,白垩系张桥组,岩性以中-厚层状具软弱夹层的碳酸盐岩岩组为主,局部具泥页岩等软弱夹层.地质构造发育,断裂总体走向20°左右,区域节理方向以近南北和东西向为主,节理与北东向断层及伴生结构面吻合,基岩风化程度较高,部分破碎不完整,遇强降雨易形成崩塌、滑坡等地质灾害.该区分布有泉坞山、中山等十余家采石场,人类工程活动强烈,植被覆盖受到破坏.此外,高易发区中还包括池河镇东南部崩塌地质灾害发育,地层主要为中元古界北将军岩组和西冷岩组,岩性以大理岩、千枚岩、凝灰岩主,地貌类型则是主要表现为高丘,其相对高差非常明显,岩组抗风化能力低,且软化可能性较大,岩石风化问题较为严峻,存在着明显的崩塌地质灾害隐患.

地质灾害中易发区总面积为417.81 km2,占全县总面积的15.21%,其重点位于高易发区以南区域,包括定远县能仁乡、永康镇、西卅店镇、定城镇、范岗乡、藕塘镇、拂晓乡和池河镇的东部.地貌类型为波状平原,地形相对高差较小,属于地质灾害点高密度区和中密度区.上覆土体为第四系松散层,岩性为白垩系张桥组石英砂岩、邱庄组砂砾岩、新庄组泥岩、砂岩为主.岩组岩石抗风化能力较为逊色,一般风化层厚度较大,有着明显的易于软化特征.该区有众多石膏矿分布,采空地面塌陷,地质灾害高发.藕塘镇与拂晓乡一带,由于人类活动强烈,表现为人工采砂和种植农作物,区内岸崩地质灾害较发育.

地质灾害低易发区总面积为1 905.29 km2,占全县总面积的69.36%,主要分布在炉桥镇、朱湾镇、严桥乡、定城镇南部一带.地质灾害非易发区总面积为223.33 km2,占全县总面积的8.13%.上述两区因为地表上覆土体为第四系松散层,基岩出露较少,构造发育不强烈,人类工程活动一般,以城镇建设为主,地质灾害不易发.

4 结论

(1)以详细的野外地质背景调查为基础,采用地质灾害发育密度、地形坡度、工程地质岩组、地质构造、高程、人类工程活动6个地质灾害致灾因子,构建定远县地质灾害易发性评价综合指标体系.

(2)利用ArcGIS软件对各评价因子进行网格划分、重分类工具赋予各范围评价因子的分数、加权叠加工具赋予各因子权重值.易发性分区结果显示,定远县地质灾害不易发区占全县总面积的8.13%,共223.33 km2;地质灾害低易发区占总体的69.36%,共1 905.29 km2;地质灾害中易发区占总体面积的15.21%,共417.81 km2;地质灾害高易发区占总体面积的7.30%,共200.66 km2.

(3)文章根据定远县地质灾害致灾因子野外调查成果资料,构建定远县地质灾害易发性分区评价指标体系,采用ArcGIS的空间分析功能中的加权叠加模型进行易发性分区,成果可为1∶5万定远县地质灾害风险调查评价工作提供依据.