基于GIS 的甘肃省东乡县锁南镇地质灾害易发性和危险性分区评价

赵欣 陈宁

（1 甘肃省有色工程勘察设计研究院 甘肃兰州 730000 2 西北师范大学地理与环境科学学院 甘肃兰州 730070）

地质环境是人类生存和发展的基础，由于环境恶化或人类不合理的开发利用导致的地质灾害严重破坏人类赖以生存的环境，并且造成巨大的生命财产损失［1］，尤其在我国西北地区发生频率较高［2］，地质灾害风险管理难度较大［3］。东乡族自治县位于甘肃省中部西南面，临夏回族自治州东北部，以东乡族发祥地和丝绸古道南路上的重要通道而闻名，是全国唯一的以东乡族为主体的少数民族自治县。然而，区内沟壑密集，地形坡度较大且坡形、坡向多变，植被覆盖率低，雨季集中，暴雨频发，水土流失严重，加之区内特殊的黄土—泥岩组合的岩土体发育，崩塌、滑坡等地质灾害发生频繁，严重影响着境内人民群众的生命财产安全［4］。因此，如何选择合适的灾害易发性评价方法，建立评价模型，划分研究区内危险区域和易发性等级，为防灾减灾提供科学的指导，是当前的研究热点之一。

1 研究区概况

锁南镇位于东乡县中部黄河上级支流巴谢河上游，临夏盆地北缘，地势为黄土覆盖的残梁及沟谷呈放射状向四周延伸，区内出露地层主要为新近系临夏组泥岩、砂岩与第四系黄土。

1.1 气象

研究区地处黄土高原和青藏高原过渡地带，属温带半干旱气候。区内多年平均降水量536 mm，24 h 最大降水量64.7 mm（1970 年8 月18 日），1 h 最大降水量45 mm，降水主要集中于6—9 月，占全年降水总量的70.4%，多年平均蒸发量为1 421.2 mm，是年均降水量的2.6 倍。降水多以暴雨和连阴雨的形式出现，年均暴雨天数2.9 d，最长连续降雨天数15 d，标准冻土深度120 cm。

1.2 地形特征

锁南镇地处东乡县中部，属黄土丘陵地貌区，高程［2 068.1，2 460.3］ m，高差达［150，200］ m，基本形成以锁南镇为中心，黄土覆盖的残梁及沟谷呈放射状向四周延伸的地势特征。地貌类型决定了地形的此起彼伏，呈现出地形坡度、坡形、坡向的多变性。

1.2.1 坡度特征

利用1∶1 万DEM 数据对东乡县锁南镇地形进行坡度因子提取，东乡县锁南镇坡度［0°，5°）的面积占9.8%；［5°，10°）的面积占6.3%；［10°，15°）的面积占17.9%；［15°，20°）的面积占18.1%；［20°，25°）的面积占12.7%；［25°，30°）的面积占10.1%；［30°，35°）的面积占9.1%；［35°，45°）的面积占12.7%；［45°，55°）的面积占3.1%；坡度≥55°地段极少，多为陡崖、断壁，由于坡度过大，投影在平面上面积较小，仅占0.2%。

1.2.2 高差特征

区内斜坡坡高以 ［30，120）m 居多，占全区域面积的86.64%，其中坡高＜60 m 的地形占全县总面积的47.46%，坡高［60，120）m 的地形占46.93%，坡高≥120 m 的占5.61%。这一比例也侧面反映出本区沟谷发育，大部分地带斜坡体高差较大，具有临空面，为滑坡、崩塌的形成提供了非常有利的地形条件，是区内地质灾害多发的重要因素之一。

1.3 地貌类型与特征

研究区地处黄土丘陵地貌单元内，锁南镇及其周边呈沟梁相间的地形特征，梁顶起伏不大，总体呈缓坡状的起伏形态，高差一般在［20，30］ m，宽［100，200］ m。研究区四周沟谷较发育，其沟谷底部与梁顶相对高差［150，200］ m，沟谷多呈“V”型，两侧坡度多在［20°，45°］，受雨水冲刷作用影响，近沟脑地带侧蚀和向源侵蚀严重，梁顶完整性较差，大部分地段已成为峁状地形。原地形沟谷侵蚀切割强烈，梁顶完整性差，受人工改造作用大部分地段已成为阶状地形。

1.4 新构造运动

区内新构造运动明显，以垂直升降运动为主，形成典型的黄土沟壑地形。区内各河谷形成多级阶地，阶地多呈基座式，且在各河谷两岸分布呈不对称性，表现为震荡性及差异性抬升。新构造运动为本区滑坡的形成奠定了基础。

1.5 地质灾害发育特征

根据调查资料，研究区内共发育有滑坡（潜在滑坡）和崩塌（潜在崩塌）2 大类共170 处地质灾害隐患点，其中滑坡（潜在滑坡）94 处，占比55%；崩塌（潜在崩塌）66 处，占比45%。滑坡（潜在滑坡）剖面形态多以“阶梯型”为主，按照物质组成可分为土质滑坡（主要为黄土滑坡和残坡积层滑坡）、岩土质滑坡和岩质滑坡（泥岩滑坡）3 类；按照滑体厚度可分浅层滑坡{［0，10）m}、中层滑坡{［10，25）m}、深层滑坡{［25，50）m}和超深层滑坡（≥50 m）。区内崩塌（潜在崩塌）剖面形态多以“直线型”为主，以人工斜坡为主，自然斜坡次之，人工斜坡坡宽数米至数十米不等，坡高［5，30］ m，坡度一般［50°，85°］；自然斜坡一般坡宽数十米至数百米不等，坡高［50，200］ m 不等。

2 地质灾害易发性评价

2.1 评价方法

2.1.1 滑坡易发性评价

本文通过对研究区的已发生滑坡灾害的规模、大小、地形特征、坡度、岩性等信息进行统计分析并依据滑坡形成条件，选择地层岩性、斜坡结构类型、坡度、坡高和斜坡变形破坏特征等5 项影响因素（表1）采用易滑分值法进行滑坡易发程度综合评判，滑坡易滑性分值计算见式（1）。

表1 滑坡易发程度量化评分表

式中：E滑表示滑坡易滑性分值；xi表示滑坡易发性影响因素；ai表示xi影响因素的权重。根据E滑值将滑坡易发性分为4 级：E滑≥25 对应高易发区，E滑=［20，25）对应中易发 区，E滑=［15，20）对应低易发区，E滑＜15 对应不发育区。

2.1.2 崩塌易发性评价

本文通过对研究区的已发生崩塌灾害的实际情况和具体特点，最终确定崩塌形成的地形坡度、坡高、地层岩性、地质构造及发生频率等5 项影响因素（表2）进行潜崩易发程度综合评判，潜崩易发性分值计算见式（2）。

表2 崩塌易发程度量化评分表

式中：E崩表示崩塌易发性分值；xi表示崩塌易发的影响因素；ai表示xi影响因素的权重。根据E 崩值将崩塌易发性分为4 级：E崩≥25对应高易发区，E崩=［20，25）对应 中易发区，E崩=［15，19）对应低易发区，E崩＜15 对应不发育区。

2.1.3 易发性分区

根据易发性评价方法评判出每个评价单元的地质灾害易发程度，并将其划分为A、B、C、D 4 类，分别表示地质灾害高、中、低易发区和不易发区，若有2 种或2 种以上的地质灾害高易发区重叠时，则取值为4（表3）。

表3 地质灾害易发程度取值表

2.2 评价单元

根据甘肃省 《重要城镇地质灾害调查与风险区划技术导则》，将研究区的每个斜坡单元滑坡体和崩塌体视为一个完整对象，将灾害体以外的斜坡带、冲沟及其邻近的地质环境背景相似的区域划分为一个评价单元，以研究区地理底图为基础，充分考虑“区内相似、区际差异”原则和地质环境条件的差异性，将研究区划分为不同的评价单元。对于地质环境条件相同的单元，可将单元合并；反之，地质环境条件变化明显的单元，可将评价单元进一步细划，主要根据单元内致灾体的类型、特征、空间密度等，以使评价结果更为合理。

按照上述划分原则，结合已确定的170 处地质灾害隐患点和区内的地质环境条件，以锁南镇规划区斜坡地带为评价重点，并兼顾现状地质灾害和潜在地质灾害发育特征，按照上述划分方法，将研究区划分成200 个评价单元。

2.3 评价结果

根据上述易发性评价方法，在定性分析和定量计算的基础上，斜坡区评价单元与区内灾害体评价单元采取 “就高原则”，即当定性分析的和定量计算得出的评价结论不一致时，取二者中的较高等级。将研究区划分为地质灾害高易发区、中易发区、低易发区和不发育区。其中，地质灾害中易发区面积占比最大约7.81 km2，高易发区面积3.089 km2，低易发区面积2.44 km2，不发育区面积0.75 km2（表4）。

表4 地质灾害易发性评价区划结果

3 地质灾害危险性评价

3.1 评价方法

基于目前各类危险性评价方法的优缺点，以及锁南镇地质灾害的发育特征，本文在地质灾害易发性评价的基础上，以斜坡单元作为评价重点，兼顾现状地质灾害和潜在地质灾害易发特征，通过对坡体失稳范围的计算，考虑条件概率和动态变化过程，得出危险性分区结果。

3.1.1 滑坡（潜在滑坡）威胁范围

对于斜坡变形的危害主要为其前缘危害区和其本身，在评价时，确定不同规模、频率地质灾害危害区范围。滑坡直接或间接的最大影响范围包括滑动区、滑体堆积区、裂缝区和堵断河流的影响区。其堆积危害区范围确定可按公式估算法计算。

（1）水平滑移距离。滑坡前缘滑移面的最大威胁距离，即为滑体影响范围的最远点，滑移的最大距离与坡高、滑速和滑移面上的摩擦系数有关，见式（3）。

式中：L（x）表示滑坡体最大水平滑移距离，m；△H 表示滑坡体前、后缘高差，m；n 表示滑坡体滑出条件系数，可参考表5 取［0.1，1.0］；φ 表示黄土的综合内摩擦角（°）。

表5 滑坡体滑出条件系数表

2018 年7 月18 日，甘肃临夏、定西等地发生短时强降雨，暴雨引发灾害，特别是临夏州东乡县受灾严重，经对灾后锁南镇隐患点排查的数据分析，预测值与实测值比较接近。

（2）横向散开范围。滑坡横向散开的范围与地形有关，一般取前缘宽的［1，2］倍。

3.1.2 滑坡概率计算

通过计算滑坡诱发因素的年超越概率来进行失稳概率分析，研究区滑坡的主要诱发因素为地震活动、降水条件和人类工程活动。根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（2016版），东乡县设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度按50 a 超越概率为10%计算，诱发滑坡的概率为0.0021。暴雨强度重现按50 a 一遇计算，则诱发滑坡的概率为0.02，20 a 一遇降雨，诱发滑坡的概率为0.05。

3.1.3 崩塌（潜在崩塌）

与易发性评价相同，崩塌（潜在崩塌）的威胁范围和概率计算参照滑坡（潜在滑坡）评价方法，进而进行危险性评价。根据调查，区内发育的崩塌（潜在崩塌）平面形态多呈规则分布，剖面形态多为“直线型”。人工不稳定斜坡坡宽一般数米至数十米不等，坡高［5，30］ m，坡度［50°，85°］；自然不稳定斜坡坡宽一般数十米至数百米不等，坡高［50，200］ m，坡体总体上缓下陡，坡度［25°，40°］。大多在雨季有小规模的溜土、坍塌现象发生，同时受地形及人类工程活动的影响，易失稳严重威胁斜坡影响范围内的人员及财产的安全。

3.2 评价单元

基于易发性评价划分的200 个评价单元和斜坡影响范围，将每个斜坡单元在暴雨工况下失稳的覆盖范围作为1 个评价单元、地震工况下失稳超出暴雨工况下的覆盖范围再作为1 个评价单元，而其他评价范围不再单独划分危险性评价单元，故危险性评价共划分出600 个评价单元。

3.3 评价结果

依据地质灾害易发性分区和斜坡影响范围的计算结果，对上述每个评价单元的危险性进行分析，对各评价单元危险性分级赋值，其中高、中、低危险区分别赋值为4、3、2。按照地质灾害危险性评价方法，结合每个评价单元危险性计算结果，以“区内相似、区间相异”的原则，将研究区划分为地质灾害高危险区、中危险区和低危险区。地质灾害高危险区面积为2.90 km2，中危险区面积为7.70 km2，低危险区面积为2.48 km2（表6）。

表6 地质灾害危险性评价区划结果

4 结论

（1）研究区目前共发育170 处地质灾害隐患点，其中滑坡（潜在滑坡）占55%，崩塌（潜在崩塌）占45%。

（2）本文在传统地质灾害危险性评价方法的基础上，将GIS技术应用于锁南镇地质灾害易发性评价。根据锁南镇地质灾害发育特征选取评价因子进行易发性评价，将研究区划分为地质灾害高易发区、中易发区、低易发区和不发育区，其面积分别为3.089、7.81、2.44 和0.75 km2，中易发区占比最大为55.5%，高易发区主要分布于研究区毛毛沟的沟脑斜坡地带与沟脑右岸斜坡地带。

（3）基于易发性评价，将研究区划分为地质灾害高危险区、中危险区和低危险区，其面积分别为2.90、7.70 和2.48 km2，中危险区占比最大为58.87%，高危险区主要分布于毛毛沟的沟脑斜坡地带与沟脑右岸斜坡地带。

（4）本文的评价结果与实际情况吻合，锁南镇未来的防治重点应侧重于城镇交通枢纽两侧、重要基础设施区的黄土质滑坡。针对相同类型的灾害区划研究，未来可结合多重数据分析、机器学习算法的多源观测模型来提高风险区划的精度，最大程度管理好地质灾害频发区域。