贵州省开阳县斜坡地质灾害孕灾因子敏感性分析

2020-08-19覃乙根杨根兰刘榜余

煤田地质与勘探 2020年4期

覃乙根，杨根兰，谢金，刘榜余

(贵州大学资源与环境工程学院，贵州贵阳 550025)

斜坡地质灾害(slope geologic hazard)是指在重力等地质营力作用下，斜坡表层物质沿斜坡向下运动，造成人类生命财产损失或使环境、资源发生破坏的现象或过程[1]。滑坡、崩塌和泥石流为斜坡地质灾害的主要表现形式，严重阻碍着社会经济的可持续发展，威胁人民生命及财产安全。因此，开展区域斜坡地质灾害预测预报，对国土规划和灾害管理等具有重要的研究价值和现实意义[2-3]。

斜坡地质灾害孕灾环境敏感性研究作为相关研究的基础，是提高地质灾害预测预报精度的先决条件，对地质灾害防灾减灾有着重要的指导作用[4]。近年来，随着GIS 技术的发展，地质灾害孕灾因子的敏感性研究也取得了长足进展，陈晓利等[5]基于确定性系数法，开展了1976 年龙陵地震诱发滑坡的影响因子敏感性分析，确定了该区域内各因子的地震滑坡易发区间；李雪平等[6]运用Logistic 回归模型，并用贝叶斯信息标准对模型进行验证，对巫山县新址西区滑坡因子的敏感性进行了分析，为区域滑坡因子的敏感性评价提供了一种新的、可靠的方法；王志恒等[7]基于变维分形理论，应用累计变换次数和分维值2 个分形指标，首次将分形理论应用到区域滑坡孕灾环境因素敏感性研究中；吴森等[8]采用贡献率权重法，通过统计已发生滑坡对选取各评价因子的贡献率，对研究区滑坡灾害影响因子的内部敏感性及因子间敏感性进行分析。上述研究成果科学地阐述了各影响因子对滑坡等地质灾害发育分布的控制作用及其敏感性，为地质灾害的预测和管理提供了科学依据。但以往研究并未研究个别因子对地质灾害具有较低敏感性的原因及是否受其他因子间的影响作用等。基于此，本文在前人研究基础上，对个别因子对地质灾害具有较低敏感性的原因进行进一步探索。

贵州省开阳县地质条件复杂，区内斜坡地质灾害频发，尤其在强降雨季节，给人民生命财产安全造成巨大威胁，阻碍开阳县社会经济发展；且以往针对开阳县地质灾害孕灾因子敏感性方面的研究相对较少。笔者以开阳县为研究对象，在完成地质灾害野外调查和数据库编制工作的基础上，基于GIS平台，采用确定性系数模型(CF)进行了开阳县斜坡地质灾害影响因子敏感性研究，以找出开阳县地质灾害的易发因子区间，并对个别因子对地质灾害易发性并非很敏感的原因进行进一步探索。研究成果能为进一步开展地质灾害危险性评价和风险评估奠定基础，为国土规划及防灾减灾工作提供一定参考和指导作用。

1 研究区概况

1.1 地质背景

开阳县地处黔中，地理坐标为东经 106°45′～107°17′，北纬26°48′～27°22′，总面积2 026 km2。调查区地处云贵高原苗岭山脉梯级斜坡地带，位于近东西向分水岭地带，以分水岭为骨架，地貌为呈东西向分布的高原丘陵。总地势由西南向东北倾斜，南部多为侵蚀脊状中低山，北部多为峰丛谷地及河谷阶地。开阳县属亚热带季风气候。西部、南部降水量较多，北部降水量偏小。县境河流均属长江水系乌江流域区。除乌江、清水江、鱼梁河、谷撒河4 条主干河流外，还有56 条规模不同的小支流分布全境。县内地质构造复杂，时代地层多样，分布着前震旦系、寒武系、石炭系、二叠系、三叠系和古近系、第四系，以寒武系、二叠系和三叠系为主。区内在大地构造上属扬子准地台黔北台隆遵义断拱贵阳复杂构造变形区，总体近东西向的黔中白马洞断裂为区内主断裂，褶皱构造具有背斜短而宽缓呈穹状，向斜窄而紧凑呈线状的特点。褶皱轴向主要为近北向及北北东向，南部则偏转为北东向。主要褶皱构造有：翁昭背斜展布于东部；洋水背斜展布于西部，最宽广开阔的清河背斜展布于南部(图1)。

1.2 斜坡地质灾害特征

1.2.1 斜坡地质灾害类型

通过野外调查，进行地质灾害编图，共圈定141处斜坡地质灾害点，其中滑坡102 处，占总数的72%；崩塌35 处，占总数的25%，泥石流4 处，占总数的3%，滑坡是开阳县最主要的斜坡地质灾害类型，其次为崩塌 (图1、表1)。

表1 开阳县不同类型及规模斜坡地质灾害的数量统计Table 1 Statistical table of types and scale of slope geohazards in Kaiyang County

1.2.2 斜坡地质灾害分布特征

a.在侵蚀地貌区集中分布侵蚀地貌区的地质灾害数量最多(图2)，共98 处，占69.5%，主要原因是侵蚀地貌以浅切中山为主，山体高大且多呈脊状山岭，切割深度200～400 m，为崩塌、滑坡及泥石流(简称“崩滑流”)灾害的孕育提供良好条件。中部峰丛沟谷与缓丘沟谷地貌分布数量次之，共28处，占19.9%，此区域岩溶发育型崩滑较为集中。北部峰丛谷地与峰丛槽谷地貌、南部的峰丛洼地地貌灾害点分布数量相对较少。

图2 不同地貌区中地质灾害的数量Fig.2 The number of geohazards in different geomorphology

b.多发育于寒武纪地层前震旦系、震旦系、寒武系、二叠系和三叠系5 个地层中共分布141 个地质灾害点(图3)，且寒武系地层中地质灾害分布数量最多，共88 处，占总量的62.4%。主要是因为寒武系地层岩性以砂岩、石英砂岩、泥页岩等为主，该岩组抗风化能力弱，地表浅部多严重风化，岩体稳定性较差，为易滑岩层，常形成残坡积层滑坡，也可为泥石流提供物源。

图3 不同地层中地质灾害的数量Fig.3 The number of geohazards in different strata

c.局部沿地质构造带呈线状分布地质灾害点在近北南向、北东-南西向断层带分布较为密集。断层带两侧0～500 m 范围内灾害点65 处，占总量的46%，距断层500～1 000 m 灾害点36 处，占总量的25.5%；从统计结果(图4)可知，灾害点与距断层距离呈负相关关系，相关性显著。

图4 地质灾害与断层距离的关系Fig.4 Relationship between geological hazards and fault distance

d.集中发育于河流两岸开阳县境内长度大于10 km、集水面积大于20 km2的河流有30 条，地质灾害点沿河流分布密集，尤以清水江、洋水河及鱼梁河灾害点较多。与河流距离200 m 内灾害点40处，占总量的28.3%，在200～400 m 有29 处，占总量的20.6%。从统计结果(图5)可知，灾害点与距水系距离呈负相关关系，相关性较显著。

图5 地质灾害与水系距离的关系Fig.5 Relationship between geohazards and drainage distance

综上所述，区内地质灾害的分布情况受地形地貌、地层岩性、地质构造及水系的控制作用明显。

2 研究基础

2.1 数据来源

本文采用数据主要包括：2018 年笔者所在团队获得的贵州省开阳县地质灾害隐患点野外调查成果数据；10 m 分辨率数字高程数据；1︰5 万地质图；Landsat 8 遥感影像(地理空间数据云)；由DEM 提取出来的坡度和坡向数据；由地质图提取出的水系和工程岩组数据；根据岩层倾向与坡向的夹角关系计算得到的斜坡结构数据以及根据遥感影像数据波段反射率计算得到的归一化植被指数(NDVI)等。

2.2 指标因子选择

地质灾害的产生是孕灾因子和致灾因子共同作用的结果。相对致灾因子的时变性，孕灾因子的变化相对迟缓，地质灾害孕灾环境研究是进行相关研究的基础。在研究开阳县地质灾害孕灾环境的基础上，结合前人关于地质灾害孕灾因子的研究结论[9-11]，选取高程、坡度、坡向、工程岩组、斜坡结构、断层、水系、NDVI 共8 个影响因子作为地质灾害孕灾环境因子。

各个因子的分级情况参考文献[12-13]，其中，坡度按照10°间隔分为6 个等级[12]，坡向分为9类[13]，斜坡结构根据岩层倾向和地形坡向夹角关系划分为4 类；与河流距离则根据开阳县面积大小，以200 m 为单位进行分级；根据开阳县断层实际分布稀疏、密度较小，与断层距离以500 m 为单位进行分级；岩性按照工程地质岩组分为3 类；高程和NDVI 按照自然间距分类方法进行分类[14]，具体分级(分类)情况见表2。

表2 开阳县地质灾害孕灾环境因子分级(分类)Table 2 Environmental factor classification of geohazards in Kaiyang County

2.3 模型方法

2.3.1 确定性系数(CF)模型

确定性系数模型最早在 1975 年由 E.H.Shortliffe 等[15]提出，1985 年，D.Heckerman[16]对其加以改进。确定性系数CF 为一个概率函数，用于分析影响事件发生的各种因素的敏感性。CF被广泛用于滑坡敏感性评估，基本假设条件为：滑坡灾害的易发程度可依据以前发生的滑坡与确定为环境因素的数据集之间的统计关系来确定[17]。其表达式为：

式中：PPa为事件在a 分类中发生的条件概率，即在数据a 类单元中灾害点个数与该类单元面积的比值；PPs为事件发生的先验概率，即整个研究区地质灾害隐患点数量与研究区面积的比值。

由式(1)可知，CF 值的变化区间是[-1,1]。CF＞0时，表示地质灾害的确定性高，为地质灾害易发区，CF 值越接近1，地质灾害确定性越高；当CF 值接近0 时，表示确定性与区域平均值接近；CF＜0 时，表示地质灾害的确定性低，为地质灾害不易发区，越接近-1，确定性越低。

2.3.2 敏感性指数(E)

敏感性指数E可从整体上反映某一类孕灾因子对地质灾害的影响程度，因此，可应用敏感性指数对孕灾因子的敏感性大小进行研究。其计算方法[4]如下：式中：Ei为某一个因子对斜坡地质灾害敏感性的影响指数；CFi,max为孕灾因子i类别的CF 值中的最大值；CFi,min为孕灾因子i类别的CF 值中的最小值。

3 结果与分析

3.1 孕灾因子敏感性分析

基于GIS 平台，将要素图层转换成栅格数据，并将各个评价因子的图层和地质灾害点分布图层进行叠加分析，利用CF 模型计算出各分级的CF 值，结合不同因子与地质灾害分布规律的统计，开展贵州省开阳县斜坡地质灾害孕灾因子敏感性分析。PoA(percentage of area)为某一分级面积与研究区总面积之比；PoLN(Percentage of landslide number)为某一分级内地质灾害个数与总地质灾害个数之比。

3.1.1 高程

开阳县地处云贵高原梯级斜坡地带，海拔515～1 664 m，相对高差达1 149 m。高程变化影响气候、降雨、植被类型等的分布，进而间接影响地质灾害的发生[18]。采用CF 模型方法分析5 个高程分级对地质灾害的敏感性，结果如图6 所示。

图6 高程分级与地质灾害空间统计Fig.6 Elevation classification and spatial distribution of geohazards

从图6 可以看出，高程主要集中在828～1 287 m，占开阳县总面积的78.5%，93.8%的灾害点发育于高程1 287 m 以下区域。高程在515～993 m 的CF 值大于0，为开阳县地质灾害易发区，占总面积的35%，其中515～827 m 高程的CF 值最大，为地质灾害高易发区。

3.1.2 坡度

坡度是地质灾害发生的重要影响因素，影响水流方向与土壤发育[19]，开阳县地貌以山地、丘陵为主，山地、丘陵、盆地、河谷交错分布，采用CF模型方法分析6 个坡度分级对地质灾害的敏感性，结果如图7 所示。

从图7 可以看出，坡度主要集中在0°～30°，占总面积的94.3%，在坡度20°～50°发育的灾害占总数49.6%，为开阳县利于地质灾害发生的区域，占总面积的20.8%，特别是在30°～40°，CF 值最大，为地质灾害最易发坡度范围。坡度大于50°和小于10°的区域，CF 值均少于0，为地质灾害不敏感区。

图7 坡度分级与地质灾害空间统计Fig.7 Slope classification and spatial distribution of geohazards

3.1.3 坡向

坡向对地质灾害发生的控制作用主要表现在山坡的小气候以及水热比的规律性变化[20]，采用CF模型方法分析9 个坡向分级对地质灾害的敏感性，结果如图8 所示。

计算结果显示，研究区利于地质灾害发生的坡向为东南、西、西北向，灾害点数量占总数的48.9%，面积占研究区总面积的40.0%，其中坡向为西的CF值最大，说明此坡向最利于地质灾害的发生。

图8 坡向分级与地质灾害空间统计Fig.8 Slope direction classification and spatial distribution of geohazards

3.1.4 工程岩组

地层岩性是产生地质灾害的物质基础，岩石类型和软硬程度决定岩土体的抗风化能力[21]，采用CF模型方法分析3 个起伏度分级对地质灾害的敏感性，结果如图9 所示。

从图9 可以看出，开阳县工程岩组以硬质岩组为主，其分布占总面积的54.6%；软质岩组的CF 值最大，且发育灾害数占灾害总量的45.5%，说明此岩组利于地质灾害的发生，面积占总面积的22.3%。

图9 工程岩组分级与地质灾害空间统计Fig.9 Engineering petrofabric classification and spatial distribution of geohazards

3.1.5 斜坡结构

斜坡结构对地质灾害的分布起着重要作用。基于GIS 平台，根据岩层倾向和地形坡向夹角关系，斜坡结构类型划分为4 类(图10)，采用CF 模型方法分析各斜坡结构类型对地质灾害的敏感性，结果如图11 所示。

图10 斜坡分类准则Fig.10 Slop classification criteria

结果显示，研究区以斜向坡为主，面积占总面积的43.8%，85.5%的灾害点发育于横向坡、顺向坡和斜向坡区域。顺向坡地区的CF 值最大，灾害点占比达14.4%，该区域为地质灾害高易发区，面积占总面积的9.6%，而斜向坡地区CF 值为负，说明不利于地质灾害的发生。

3.1.6 断层

断层是地质灾害重要的影响因素，在断层影响下，岩体破碎、节理裂隙发育，给斜坡的变形和破坏带来不利影响[22]。对研究区内断层以500 m 间隔建立缓冲区，采用CF 模型方法分析各断层缓冲区分级对地质灾害的敏感性，结果如图12 所示。

图11 斜坡结构分级与地质灾害空间统计Fig.11 Slope structure classification and spatial distribution of geohazards

图12 断层距离分级与地质灾害空间统计Fig.12 Fault distance classification and spatial distribution of geohazards

结果表明，研究区内距离断裂1 500 m 以外区域的CF 值为负值，说明发生地质灾害的确定性低；距断层1 000 m 以内的区域CF 值大于0，为地质灾害易发区，占总面积的54.1%。总体来讲，距断层越远的区域，发生地质灾害的概率也会越小，结果与图4 的统计结果相一致。

3.1.7 水系

河流水系对地质灾害分布也具有控制作用。河流对岸坡具有侵蚀作用，可改变坡体内部应力状态，增加岸坡失稳滑移的可能性[22]。对研究区内河流以200 m 间隔建立缓冲区，采用CF 模型方法分析各水系缓冲区分级对地质灾害的敏感性，结果如图13 所示。

从图13 可以看出，距水系800 m 以内的区域CF值大于0，灾害点占比71.4%，为地质灾害易发区，占总面积的41.6%。在大于600 m 范围内，随着距离的增大，CF 值呈现出逐渐减小的趋势，表明在该范围内，水系对崩滑流地质灾害的影响随着距离的增加而降低。结果与图5 的统计结果相一致。

3.1.8 NDVI

图13 水系距离分级与地质灾害空间统计图Fig.13 Drainage classification and spatial distribution of geohazards

归一化植被指数(NDVI)常用于反映人类工程活动的情况，作为一种表征植被特征的指数，植被覆盖度能在一定程度上代表诱发地质灾害发生的外部因素[23]。本文基于Landsat8 遥感影像，采用ENVI 软件，根据近红外波段的反射值与红光波段的反射值之差比上两者之和，计算研究区的NDVI 数据，采用CF 模型方法分析6 个NDVI 分级对地质灾害的敏感性，结果如图14 所示。

从图14 可以看出，开阳县植被覆盖较好，NDVI主要集中在0.070～0.274，占总面积的93.7%，NDVI在-0.098～0.181 的CF 值大于0，为有利于地质灾害发生的区域，占总面积的48.1%，特别是0.070～0.137范围内CF 值最大，为地质灾害最易发范围。

图14 NDVI 分级与地质灾害空间统计Fig.14 NDVI classification and spatial distribution of geohazards

3.2 孕灾因子对地质灾害影响程度分析

在对不同孕灾环境因子不同分级敏感性分析的基础上，通过敏感性指数E研究各因子对地质灾害发生的影响程度，结果见表3，通过上述数据可以看出选取的8 个因子对开阳县地质灾害影响程度大小排序为：坡度＞工程岩组＞坡向＞距河流距离＞距断层距离＞高程＞NDVI＞斜坡结构。其中，坡度、工程岩组、坡向、与河流距离、与断层距离和高程6 个因子的敏感性指数超过1，说明这6 个因子为开阳县地质灾害的主要控制因素。

表3 开阳县孕灾环境因子影响程度Table 3 Influence degree of disaster-bearing environmental factors in Kaiyang County

斜坡结构和NDVI 对斜坡地质灾害的敏感性较低，其原因可能是受内部其他影响因子或某一影响因子区间限制所致，对此作进一步分析。

a.高程、坡度、坡向与NDVI 关系基于高程、坡度和坡向的某一分级为前提，统计此分级内NDVI 的CF 值变化趋势，并依次对各个分级采用同样的方法进行统计，将结果绘制成曲线(图15)，再与图14 的CF 值曲线进行对比分析。图15b 中坡度作用下NDVI 的CF 值变化曲线大体趋势与图14 中CF 曲线基本一致，说明坡度并未限制NDVI 的敏感性；图15a、图15c 和图15d 中高程和坡向作用下NDVI 与CF 值关系变化曲线显示，高程在1 288～1 664 m 和坡向为北的NDVI 和CF 值变化曲线同其他曲线相比有较大波动，说明两者更容易削弱NDVI 对斜坡地质灾害的作用。分析结果表明，NDVI 对斜坡地质灾害易发性的敏感程度很可能受高程在1 288～1 664 m 区间和北向坡向限制。

b.坡向与斜坡结构的关系斜坡结构是根据岩层倾向和地形坡向夹角关系求得，因此，主要探讨坡向对斜坡结构因子的敏感性是否具有限制作用。图16 为坡向作用下斜坡结构的CF 值变化曲线，从图中可以看出，坡向为东、西时斜坡结构的CF值变化曲线同其他曲线在顺向坡时有较大波动，说明斜坡结构对斜坡地质灾害的敏感性很可能受东向和西向2 个坡向限制。

4 结论

a.研究区地形因子中，高程515～993 m、坡度20°～50°、坡向为东南、西、西北向及NDVI 在-0.098～0.181 均利于地质灾害的发生。地质因子中，软质岩组、顺向坡地区及距断层1 000 m 以内的区域为地质灾害易发区。水系因子中，距水系800 m 以内的区域，灾害点占比71.4%，为地质灾害易发区。