基于易发程度指数法的集镇斜坡地质灾害易发性评价——以茶恩寺镇斜坡为例

肖 燕, 王 潇, 姚海鹏

(湖南省地质调查所水文地质工程地质调查研究中心, 长沙 410000)

地质灾害易发性属自然属性,是地质灾害的形成条件组合有利于发生地质灾害的可能程度(易发程度),这种可能程度用易发指数表示,易发指数越高,发生地质灾害的可能性越大,反之则越小。目前有学者认为易发性评价方法宏观上一般分为定性分析法、概率统计法和确定性分析法3类[1]。而易发性模型的构建是评价的关键,这些模型主要分为以下几种[2]:证据权法、Logistic模型、层次分析法、信息量法、确定性系数法、支持向量机、随机森林模型等。例如,张文等[3]基于专家经验值分析法对四川吴高坪铺库区的滑坡灾害进行了易发性评价;Ercanoglu等[4]使用专家经验与层次分析法分析了土耳其西黑海地区的滑坡易发性;王文俊等[5]基于地理信息系统(geographic information system,GIS)平台,采用模糊综合评判法开展四川省珙县崩塌、滑坡易发性研究;石菊松等[6]基于遥感(remote sensing,RS)与GIS平台,采用空间信息量法开展库区滑坡易发性研究;许冲等[7]基于层次分析法,在汶川震后灾区滑坡遥感解译的基础上进行滑坡易发性研究;邓念东等[8]采用随机森林模型、机器学习混合模型、堆叠模型等对滑坡及崩塌地质灾害的易发性进行评价,取得较好效果;王念秦等[9]基于粒子群优化算法-支持向量机(particle swarm optimization-support vector machine,PSO-SVM)模型、支持向量机模型-逻辑回归(support vector machine-logistic regression,SVM-LR)模型、加权信息量模型等进行滑坡易发性研究。

总体来说,易发性评价的方法多种多样,每种方法具备各自的优势和不足。针对区域上的地质灾害易发性评价,以定性和定量评价相结合的方法较为常见。

1 研究区概况

茶恩寺镇位于湘潭县南端,湘江下游西岸,距湘潭县县城44 km,湘潭市50 km,东与衡东县三江乡隔江相望,南与衡山县长江镇交界,西与本县龙口乡、花石镇接壤,北与白石乡毗邻。全镇面积137.03 km2。本次研究的集镇面积为10.36 km2。

研究区整体地势南北高,中间低,高程一般为50～140 m,最高点位于东南部边界处牛皮窝,高程为212.4 m,最低点位于研究区向阳水东部边界处,高程为45.6 m。

区内年平均降雨量1 300 mm,年平均降雨日150 d。水资源较为充足,地表水系较发育,南岳后山溪水入境花桥河与天马山下溪水于研究区西部洪舒公汇合,经向阳渠流入湘江,丰水位52.4 m,枯水位50.1 m,未见水库,一般以山塘为主。

研究区地层相对单一,仅出露青白口系和第四系地层。青白口系岩性为灰黄、灰绿色板岩夹粉砂质板岩;第四系为冲洪积层和残破积层。区内褶皱不发育,断裂少量发育。

区内发育滑坡4个,原不稳定斜坡6个,本文根据不稳定斜坡可能的变化趋势,3个视为滑坡,3个视为崩塌,故滑坡共计7个,崩塌3个。

2 评价方法及网格划分

本次易发性评价采用地质灾害易发程度指数法,是以定性分析为主,与定量评价相结合[10]。总体思路是:首先选择影响地质灾害发育的主要因子,对各因子进行分级,一般划分为二级,然后对各因子进行权重和赋值。其次对研究区进行单元网格剖分,即将研究区按照一定的精度划分为大小相等的网格,将评价因子值赋给每一个小的单元网格,结合各因子权重,将各因子赋值在单元网格进行数值处理,得到每个单元网格的指标,再将各指标累积叠加,即可得到单元网格的易发程度指标。易发程度指标的大小即可以代表该网格单元的易发性,指标值越大,易发性越高,反之越小。最后综合分析各个单元网格,根据相似性原则,进行易发分区[11-13]。

根据本次评价的精度,选择50 m×50 m为基本评价单元格,将全区剖分为4 357个单元网格,基础底图为1∶5 000地形图。

3 评价因子分析及指数化

3.1 评价因子选择及分级

本研究考虑的是斜坡类地质灾害,主要针对滑坡和崩塌两种。根据收集分析茶恩寺镇滑坡的孕灾条件及其影响因素可知,该地区对斜坡类地质灾害影响较大的有7个因子:斜坡坡度、岩土体结构类型、人类工程活动强度、地质构造、降雨量、植被覆盖率和灾害密度。这7个因子为一级评价因子,然后结合研究区的具体孕灾地质条件,进行二级划分。

3.1.1 斜坡坡度

斜坡的坡度,是控制斜坡类地质灾害的关键。茶恩寺地灾坡度为24°～80°,以35°～60°分布最为发育。该因子划分为4级:①0°～15°;②15°～30°;③30°～45°;④≥45°。坡度分级如图1所示。

图1 坡度分级

3.1.2 岩土体结构类型

岩土体工程地质条件是斜坡类地质灾害形成的物质基础。不同岩土体的物理力学性质其地质灾害易发性差异很大。根据研究区的岩土体工程地质岩组划分,土体类型为单层结构含碎石黏土、碎石土和双层结构粉质黏土、砂粒卵石类土。岩体类型为较坚硬中层夹薄层条带状浅变质板岩、粉砂质板岩岩组。该因子划分为2级:①土体结构松散或岩性软弱,岩体风化强烈,结构破碎,节理裂隙发育;②土体结构密实或岩性坚硬均一,岩体风化程度弱,结构完整,节理裂隙不发育。岩土体结构类型分级如图2所示。

图2 岩土体结构类型分级

3.1.3 人类工程活动强度

研究区的主要人类工程活动有切坡建房、公路开挖、水利建设、农业生产。目前人类工程活动对坡体的开挖成为滑坡、崩塌地质灾害的一个主要诱发因子,尤其是不合理的切坡建房。根据以上4个人类工程活动类型的强度,将该因子划分成3级:①强烈区;②中等区;③一般区。人类工程活动强度分级如图3所示。

图3 人类活动强烈程度分级

3.1.4 地质构造(断层)

地质构造,尤其是断层一般对区域岩土体的影响较大,断层发育直接破坏影响岩土体结构,常常形成多组节理裂隙,岩体破碎。对地质灾害发育的直接影响是岩体物理力学性质降低,同时更有利于水在斜坡岩体内的运移。区内构造发育简单,褶皱不发育,仅在研究区东北部发育一段南西-北东向的断层。该因子划分为2级:①构造中等区;②构造简单区。地质构造等级分级如图4所示。

图4 地质构造等级分级

3.1.5 降雨量

斜坡类地质灾害的发生与降雨有着密切联系,是地质灾害发生主要诱发因子。主要是由于雨水下渗至斜坡内软弱带,软化岩土体,导致其抗剪强度降低,易引起滑动。研究区面积小,年均降雨量和日降雨量都是同一个值,降雨量的二级评价因子只有一个值,划分1级:年降雨量1 200～1 400 mm或日最大降雨量100～200 mm。

3.1.6 灾害密度

灾害发生密度直接反映不同区域发生地质灾害的可能性,以往灾害密度大,说明该区域发生地质灾害的概率相对较大。本次划分的评价网格为50 m×50 m,根据在这个网格尺度类地质灾害发生的个数作为二级评判因子,划分为4级:①0个;②1个、③2个;④≥3个。地质灾害点分布如图5所示。

图5 地质灾害分布

3.1.7 植被覆盖率

植被覆盖率的高低对地质灾害的产生有一定影响,一般植被覆盖率越高的地方产生地质灾害的概率越小。其原因一方面是因为植被覆盖率越高,说明区内人类工程活动程度越低,对地质环境的改造破坏程度也越低,另一方面植物根系可以加固斜坡岩土体,同时减小地表水流对斜坡的冲刷,因而起到提高斜坡稳定性的作用。根据研究区的植被发育状况,该因子划分成3级:①植被发育;②植被中等;③植被不发育。植被覆盖率分级如图6所示。

图6 植被覆盖率分级

3.2 评价因子指数化

3.2.1 评价因子分级赋值

根据自然资源部《县(市)地质灾害调查与区划基本要求》实施细则(2006年修订稿),本次研究区各影响因子权重及分级赋值见表1。

表1 地质灾害评价因子分级赋值

3.2.2 评价网格各因子脆弱性指数计算

将每类二级分级值与所在单元网格内的面积百分比相乘,得出各影响因子的脆弱程度指数,公式为

N1=A1a+A2b+A3c+A4d

(1)

式中:N1为评判单元格内因子脆弱程度指数;A1、A2、A3、A4为所计算因子的分级赋值;a、b、c、d为二级分级因子在单元格内分布的面积百分数。

3.2.3 地质灾害易发程度指数计算

根据式(1)得到各因子的脆弱程度指数,赋值给各对应的因子图层,在每个单元网格内计算各因子累计指数值,即为各个网格单元的易发性指数。

(2)

式中:Z为评价因子地质灾害易发程度指数;Ni为评判因子的脆弱性指数;Ki为各评价因子的权重;n为因子数目。

3.3 易发性评价分区

根据式(2)计算各个单元网格的易发性指数,采用如下原则将易发性指数进行分区:高易发区(Z>6)、中易发区(6≥Z≥3)、低易发区(3>Z≥1)、不易发区(Z<1)。可见研究区主要为中易发区、低易发区和不易发区,没有高易发区。易发性综合评价网格如图7所示。

图7 易发性综合评价网格

根据地质灾害易发性综合评价结果(图7),将相邻具备相似条件的网格划分为同一分区,绘制易发分区图(图8),划分结果见表2。

表2 地质灾害易发程度分区

图8 易发分区

4 结论

根据易发性评价及分区,茶恩寺镇中易发区4个,面积0.81 km2,占研究区面积的7.82%,区内有地质灾害点5处,占研究区灾害点总数的50%;低易发区3个,面积0.45 km2,占研究区面积的4.34%,区内有地质灾害点3处,占研究区灾害点总数的30%;不易发区1个,面积9.11 km2,占研究区面积的87.93%,区内有地质灾害点2处,占研究区灾害点总数的20%。

评价分区的结果与茶恩寺镇地质灾害发育现状较为吻合,可为集镇的规划建设和地质灾害防治提供一定的指导。