谷城縣滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價與易滑地層識別*

李 林，晏鄂川，張 懿

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430070

滑坡災(zāi)害在谷城縣分布廣泛、發(fā)生頻繁，對當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展及人身財(cái)產(chǎn)安全造成了不利影響。滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價是滑坡災(zāi)害風(fēng)險評價中最基礎(chǔ)的工作，評價結(jié)果能為滑坡災(zāi)害預(yù)測和防治提供重要的依據(jù)。在滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價研究中普遍運(yùn)用的方法有層次分析法、信息量法、模糊評價法、廣義加法模型、邏輯回歸模型、分類與回歸樹等[1]。郎文霞[2]、張英[3]、牛樹軒[4]、賈貴義等[5]分別采用層次分析法、信息量法、加權(quán)信息量法和組合賦權(quán)法等，開展了滑坡災(zāi)害易發(fā)性或者危險性分區(qū)評價。Lee 和Min[6]采用邏輯回歸模型評價了韓國Yongin地區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性；Yesilnacar 和Topal[7]評價了土耳其Hendek 地區(qū)的滑坡災(zāi)害易發(fā)性，并對比了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和邏輯回歸模型的評價結(jié)果。在很多相關(guān)研究中，對高程、水系、斷層緩沖等區(qū)內(nèi)連續(xù)變化因子分級的依據(jù)不足，未反映滑坡發(fā)育情況在不同單因子分段中的規(guī)律，最終區(qū)域分析結(jié)果的準(zhǔn)確性會受到一定的影響。而且谷城縣滑坡分布發(fā)育的區(qū)域性規(guī)律研究工作成果較少，利用易發(fā)性評價結(jié)果進(jìn)行易滑地層的研究也鮮有涉及，大多數(shù)研究局限于單體滑坡穩(wěn)定性分析和防治研究。基于此，根據(jù)現(xiàn)有資料，文章以谷城縣全境為研究范圍，統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)滑坡分布及發(fā)育的各項(xiàng)要素。通過對滑坡各影響因子的深入分析，完成滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價，為谷城縣滑坡災(zāi)害的預(yù)測奠定基礎(chǔ)，并為滑坡災(zāi)害防治工作提供地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

谷城縣位于湖北省西北部，地處秦嶺、大巴山東延余脈與鄂北崗地接壤地帶，降雨充沛，是一個以低山丘陵為主體、中低山與崗地為輔的多地貌單元區(qū)，地勢自南西向北東降低，呈現(xiàn)南西、中部、北東三級階梯狀的特征。研究區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺一級構(gòu)造區(qū)北緣，地處秦嶺褶皺系大地構(gòu)造區(qū)，斷裂及褶皺發(fā)育。出露地層較全，廣泛分布的變質(zhì)巖和碎屑巖主要為武當(dāng)群片巖和志留系碎屑巖，巖性軟弱，巖體結(jié)構(gòu)較為破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈。按照成因及巖性，考慮其結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)及工程地質(zhì)特性，把區(qū)內(nèi)巖土體劃分為8 個工程地質(zhì)巖組，見表1。

調(diào)查顯示，截至2015 年底，谷城縣共發(fā)育滑坡226 處，點(diǎn)密度8.83 處/100km2，滑坡總體積2427.26×104m3，西南部分布最多，中部和南部次之，東北部分布最少?；聻?zāi)害共造成2 人死亡，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)3267.21 萬元。

表1 谷城縣工程地質(zhì)巖組劃分

2 滑坡易發(fā)性評價方法

對滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性評價的關(guān)鍵在于三點(diǎn)：評價因子分級、評價模型因子分級賦值以及確定評價因子的權(quán)重。

2.1 評價因子分級

評價因子主要分為連續(xù)因子和離散因子，離散因子自身即可保證各分級之間的差異性，而連續(xù)因子并沒有明顯分界線，因此為保證連續(xù)變量單因子分段的合理性，需對連續(xù)變量因子進(jìn)行敏感性分析。敏感性分析采用下式：

根據(jù)各個單因子不同等級的敏感性系數(shù)差異性，對敏感性系數(shù)相近等級進(jìn)行歸并，從而得到相對可靠的單因子分區(qū)圖。

2.2 評價模型因子分級賦值

在以往的研究中，評價因子賦值常采用人工賦值，這種方法較為主觀，受研究者影響較大。為減少人為因素的影響，研究采用滑坡發(fā)育度作為評價因子賦值?；掳l(fā)育度是以各個等級滑坡發(fā)育數(shù)量來衡量的，其公式如下：

式中：im為單因子權(quán)重值。

2.3 確定評價因子的權(quán)重

文章運(yùn)用組合賦權(quán)法確立因子間的權(quán)重關(guān)系，其優(yōu)點(diǎn)是既利用客觀賦權(quán)法考慮了滑坡發(fā)生的客觀現(xiàn)狀，又采用主觀賦權(quán)法預(yù)測了未來滑坡的區(qū)域易發(fā)情況。

式中：n={1,2,…,a}；m={1,2,…,b}；b 為選擇的評價因子個數(shù)；a 為因子m 內(nèi)總共劃分的等級數(shù)。

（2）主觀賦權(quán)法選擇層次分析法。根據(jù)表1，結(jié)合專家打分評估所選評價因子的重要性來構(gòu)造判斷矩陣，判斷矩陣必須通過一致性檢驗(yàn)，見式（7）、（8）。若CR ＜0.1，則判斷矩陣具備一致性，否則調(diào)整矩陣各項(xiàng)，直至滿足CR ≤0.1 的條件。最終計(jì)算具有良好一致性的判斷矩陣最大特征值對應(yīng)的特征向量，將其歸一化后得到各因子的主觀權(quán)重值。

式中：CI 為一致性指標(biāo)；CR 為一致性比例；RI 為平均一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n 為判斷矩陣的階數(shù)。判別矩陣中各因子的標(biāo)度含義見表2，各因子標(biāo)度的平均一致性指數(shù)RI 值的取值范圍見表3。

表2 判斷矩陣中各因子標(biāo)度含義

表3 平均一致性指數(shù)RI 的取值

（3）組合權(quán)重計(jì)算。首先，通過歐式距離函數(shù)合理組合客觀權(quán)重ωk和主觀權(quán)重ωz，見式（9）；其次，客觀權(quán)重的分配系數(shù)α 和主觀權(quán)重的分配系數(shù)β 需滿足式（10）和式（11）；最后，當(dāng)分配系數(shù)確定后，可通過式（12）計(jì)算各因子的組合權(quán)重值。

3 滑坡易發(fā)性評價過程與結(jié)果

3.1 因子選取及敏感性分析

基于現(xiàn)有資料，遵循所選因子應(yīng)具備評價過程中可操作性和獨(dú)立性的原則，根據(jù)巖土體類型的選取分析地層巖性的影響，根據(jù)高程分布的選擇分析地形地貌的影響，根據(jù)斷層分布的緩沖分析地質(zhì)構(gòu)造的影響，根據(jù)水系分布的緩沖分析水系的影響，根據(jù)谷城縣多年降水等值線圖分析降水的影響，根據(jù)路網(wǎng)分布的緩沖分析人類活動的影響。將所選評價因子分為連續(xù)因子和離散因子兩類，對所選的連續(xù)因子（高程分布、水系緩沖、斷層緩沖、路網(wǎng)緩沖）進(jìn)行敏感性分析。

已有研究表明[8-9]，高程、水系距離等連續(xù)因子對災(zāi)害發(fā)生的影響隨其值的變化呈現(xiàn)出較明顯的相關(guān)性，同時在評價時通常需要確定連續(xù)因子的分段區(qū)間值，但以往研究者多采用均等區(qū)間劃分高程等連續(xù)因子，較少對區(qū)間值進(jìn)行討論?；诖耍恼陆Y(jié)合研究區(qū)的具體情況，為使連續(xù)因子的區(qū)間值劃分更為準(zhǔn)確合理，采用敏感性分析的方法探討連續(xù)因子相對準(zhǔn)確合理的區(qū)間值。根據(jù)區(qū)內(nèi)連續(xù)因子的分布，將研究區(qū)分為20 個每段78m 高差的高程段（最大高程為1560m）；根據(jù)與水系的距離（100m,200m,…,1500m）將高程劃分為16個分段；根據(jù)與斷層的距離（100m,200m,…, 3000m）將高程劃分為31 個分段；根據(jù)與路網(wǎng)的距離（100m,200m,…,2500m）將高程劃分為26 個分段。各連續(xù)因子分段及滑坡分布見圖1。運(yùn)用式（1）對連續(xù)因子進(jìn)行敏感性分析，計(jì)算各因子每段的敏感系數(shù)，各因子的敏感性分布見圖2。

把敏感性系數(shù)相近的分段合并：對于高程，將1 ～3段、4 ～6 段、7 ～9 段、10 ～20 段合并，最終劃分為4段。對于水系緩沖，將1 ～2 段、3 ～7 段、8 ～10 段、11 ～14 段、15 ～16 段分別合并，最終劃分為5 段。對于斷層緩沖，將2 ～8 段、9 ～17 段、18 ～22 段、23 ～29段、30 ～31 段分別合并，最終劃分為5 段。對于路網(wǎng)緩沖，將1 ～2 段、3 ～5 段、6 ～7 段、8 ～15 段、16 ～26 段分別合并，最終劃分為5 段。對連續(xù)因子進(jìn)行重新分段后，得到分區(qū)結(jié)果（見圖3）。對于離散因子（巖土體類型和降水），根據(jù)現(xiàn)有資料，可得出不同巖土體類型、不同降水量區(qū)域的滑坡分布情況（見圖4）。

3.2 因子權(quán)重計(jì)算結(jié)果

用2.3 節(jié)中的計(jì)算方法對選取的6 個因子的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

3.3 易發(fā)性評價結(jié)果

圖1 連續(xù)因子分段及滑坡分布

對谷城縣滑坡災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性評價，評價結(jié)果見圖5。圖中5 個等級為易發(fā)性等級，等級越高，說明綜合條件下其內(nèi)部具有更高的滑坡發(fā)生可能性。絕大部分的滑坡災(zāi)害點(diǎn)分布于易發(fā)性高等級4 和5 的區(qū)域。谷城縣滑坡災(zāi)害易發(fā)性各個等級區(qū)域所占全縣面積及其比重見圖6。1 ～5 等級分別占縣域面積的8.7%、23.3%、24.4%、24.3%、19.3%。

將圖5 與圖3、圖4 對照可看出，易發(fā)性高等級區(qū)域與變質(zhì)巖類、碎屑巖類分布區(qū)域和高降水量分布區(qū)域較吻合，其分布范圍大體一致，且滑坡災(zāi)害多發(fā)生在高程低于700m、距斷層較近、距路網(wǎng)較近、河流切割明顯的蜿蜒帶狀區(qū)域。

3.4 易滑地層的確定

利用滑坡災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃結(jié)果，繪制各巖組區(qū)域易發(fā)性等級面積占比圖（見圖7），由該圖可知變質(zhì)巖類和碎屑巖類區(qū)域高易發(fā)等級（4、5 等級）面積占比顯然高于其他區(qū)域。對照各巖組覆蓋區(qū)域滑坡災(zāi)害密度表（見表5）亦可看出，變質(zhì)巖類和碎屑巖類區(qū)域滑坡災(zāi)害密度明顯高于其他區(qū)域，故變質(zhì)巖類和碎屑巖類地層為谷城縣易滑地層。

易滑地層單獨(dú)在谷城縣區(qū)內(nèi)的分布見圖8。4、5 等級的易發(fā)性高等級區(qū)域大范圍被變質(zhì)巖類覆蓋，還有較大范圍被碎屑巖類覆蓋。根據(jù)表1 與谷城縣地層分布情況，基于區(qū)域滑坡分布規(guī)律，該區(qū)域滑坡易滑地層以志留系碎屑巖層位和武當(dāng)群片巖層位為主。

4 結(jié)論

（1）選取研究區(qū)滑坡易發(fā)性區(qū)劃影響因子，采用單因子敏感性系數(shù)，單獨(dú)分析連續(xù)因子對區(qū)內(nèi)滑坡發(fā)育的敏感性，合理化連續(xù)單因子分區(qū)。

圖2 連續(xù)因子分段敏感性系數(shù)分布圖

圖3 連續(xù)因子分區(qū)結(jié)果

圖4 谷城縣巖土體類型與降水圖

表4 谷城縣各因子權(quán)重值計(jì)算

（2）運(yùn)用組合賦權(quán)法計(jì)算因子貢獻(xiàn)權(quán)重，采用滑坡發(fā)育度和易發(fā)性綜合指標(biāo)評價了谷城縣滑坡易發(fā)性，將縣域劃分為5 個滑坡易發(fā)性等級。1 ～5 等級分別占縣域面積的8.7%、23.3%、24.4%、24.3%、19.3%。易發(fā)性高等級（4、5 等級）區(qū)域主要為沿路網(wǎng)和河流切割明顯的呈蜿蜒帶狀分布的變質(zhì)巖和碎屑巖片區(qū)。

圖5 谷城縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖

圖6 易發(fā)性各等級面積及比重分布

圖7 各巖組易發(fā)性等級面積占比圖

（3）利用滑坡災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃結(jié)果，繪制各巖組區(qū)域易發(fā)性等級面積占比圖，可知變質(zhì)巖類和碎屑巖類覆蓋區(qū)域易發(fā)性高等級（4、5 等級）面積占比明顯高于其他區(qū)域，且該區(qū)域滑坡災(zāi)害密度明顯高于其他區(qū)域，故得出武當(dāng)群片巖和志留系碎屑巖為谷城縣易滑地層的結(jié)論。

表5 各巖組覆蓋區(qū)域滑坡災(zāi)害密度

圖8 谷城縣滑坡易發(fā)性高等級（4、5 等級）區(qū)域與易滑地層分布關(guān)系圖