基于I法與CF法的榕江縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

李微，洪托，徐世光，陳明超，秦煜杰，曾磊

(1.昆明理工大學(xué)，昆明 650093；2.云南地礦工程勘察集團公司，昆明 650041；3.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，貴陽 550081；4.重慶市生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147)

1 引言

地質(zhì)災(zāi)害是人類生存發(fā)展、工程建設(shè)中的重要問題[1]。當(dāng)前地質(zhì)災(zāi)害防治普遍實行治理為主，預(yù)防為輔，但地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價能從空間上給出地質(zhì)災(zāi)害的分布及發(fā)生的概率，如此大大提高了地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防的可行性，降低了預(yù)警的高成本，將更有限的財力物力放在危險性較高影響較大的地質(zhì)災(zāi)害上,實現(xiàn)有的放矢的地質(zhì)災(zāi)害防治，對國土開發(fā)具重要的作用[2]。

目前常用的地質(zhì)災(zāi)害評價方法包括定性評價方法(滑坡編錄方法和知識驅(qū)動方法)和定量評價方法(數(shù)據(jù)驅(qū)動方法和物理驅(qū)動方法)[3]。定量評價方法又可分為：頻率比[4]、邏輯回歸[5]、信息量法[[6]、層次分析[7]、確定性系數(shù)[8]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]和支持向量機[6]等模型。

本文采用的方法即就是定量評價方法下的信息量模型及確定性系數(shù)模型進行分別評價，再檢驗對比兩種評價模型的評價結(jié)果，選用精度較大的結(jié)果。

2 研究區(qū)概況

2.1 研究區(qū)地質(zhì)背景

本次研究區(qū)為貴州省黔東南州榕江縣，總面積約為3 315.8 km2，位于東經(jīng)108°04′～108°44′，北緯25°26′～26°28′之間；榕江縣距黔東南首府凱里市173 km、省府貴陽市367 km；榕江縣地處貴州高原向廣西丘陵過渡的邊緣地帶，主要為中低山、丘陵、盆地地貌；年代地層為寒武系、震旦系、二疊系、新近系及第四系；地質(zhì)構(gòu)造由水尾、色同向斜和雞冠嶺背斜三大褶皺帶和24條斷層組成；境內(nèi)有河流67條，總長1 303 km；地形西北高東南低，最高海拔1 704 m，最低海拔213 m。氣候?qū)賮啛釒е衼啔夂騾^(qū)[10]。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害類型及發(fā)育規(guī)律

根據(jù)野外調(diào)查資料顯示，榕江縣現(xiàn)存隱患點特大型不穩(wěn)定斜坡1個，大型5個，包含3個滑坡、1個泥石流、1個不穩(wěn)定斜坡；中型地質(zhì)災(zāi)害24個，為滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡，小型地質(zhì)災(zāi)害若干。研究區(qū)現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害分布圖如圖1所示。通過對這些災(zāi)點進行詳細分析，可歸納出該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的大致規(guī)律。

(1) 大型滑坡、崩塌及泥石流等主要發(fā)生在高程及地形起伏度較大的地區(qū)。

(2) 滑坡及泥石流集中發(fā)生時間段往往為4～10月雨季，受雨水沖刷及地下水作用控制。

(3) 不穩(wěn)定斜坡隱患點形成往往與人為工程活動相關(guān)聯(lián)，往往在進行道路施工或房建施工時形成，若不及時治理，將對工程造成影響。

(4) 研究區(qū)地層巖性出露以二疊系灰?guī)r為主，碳酸鹽巖類巖溶水也是造成滑坡發(fā)生的重要原因。

1.第四系;2.新近系;3.二疊系;4.寒武系;5.震旦系;6.道路;7.榕江地質(zhì)構(gòu)造;8.水系;9.災(zāi)害點圖1 現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害分布圖

3 模型概述

3.1 數(shù)據(jù)來源

本文進行易發(fā)性評價的數(shù)據(jù)來源主要包括:(1)地理空間數(shù)據(jù)云30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)；(2)榕江縣1∶50 000地質(zhì)圖；(3)1∶100 000交通圖；(4)野外調(diào)查。

3.2 評價模型

結(jié)合實際情況，本文將選用信息量模型及確定性系數(shù)模型進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，兩種方法均屬于數(shù)據(jù)型驅(qū)動法，信息量的概念由Shannon在1948年首次提出，1985年左右才被應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害危險性評價領(lǐng)域，此后發(fā)展迅猛，并深入到理論經(jīng)濟學(xué)、水利工程等多個學(xué)科；確定性系數(shù)最早在1975年由Bchanan等提出，如今已經(jīng)成為地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域危險性評價的常用模型[11]，確定性系數(shù)模型不僅在本領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且已深入到計算機科學(xué)與技術(shù)、大氣科學(xué)等多個學(xué)科。

信息量模型以統(tǒng)計理論為基礎(chǔ)，物理意義明確，流程清晰，操作簡單[11]；確定性系數(shù)模型可計算災(zāi)害數(shù)量為0的分類，可達到數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的效果。

3.2.1 信息量模型概述

信息量法(Information Value, I)，公式如下[6]：

(1)

式中,n為影響因子數(shù)量；I(xi，H)為因子xi影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生(H)的信息量；xi為評價單元內(nèi)所取的因子等級；Ni為分布在特定評價因子xi內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害面積；N為地質(zhì)災(zāi)害的總面積；Si為含有評價因子xi的面積；S為研究區(qū)總面積[6]。

信息量總值I越大，說明地質(zhì)災(zāi)害越容易發(fā)生。

3.2.2 確定性系數(shù)模型概述

確定性系數(shù)模型(Certainty Factor, CF)，其計算公式為:

(2)

式中,PPa為地質(zhì)災(zāi)害在評價因子a類中發(fā)生的條件概率；PPs表示地質(zhì)災(zāi)害在整個研究區(qū)中發(fā)生的先驗概率[8]；CF的值域為[-1，1];當(dāng)CF為正值時，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率增長，越接近1越易于發(fā)生；CF為負值時，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率下降，越接近-1越不易于發(fā)生;CF=0時則不確定災(zāi)害是否發(fā)生[12]。

4 評價因子分析

榕江縣主要災(zāi)種有滑坡、崩塌、泥石流，隱患災(zāi)點有不穩(wěn)定斜坡。根據(jù)榕江縣地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害成因及分布特征[13]，將選取地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形起伏、高程、坡度、坡向、距水系距離、距道路距離等8個因子作為本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的評價因子，將評價因子用細化等間距的分級方式，結(jié)合區(qū)間內(nèi)的災(zāi)害密度進行分級，分級等級選取不同間隔進行多次嘗試，最終將總體規(guī)律最明顯的等級進行選用。各因子分級如下表1所示。

高程、坡度、坡向及地形起伏度歸屬于地形地貌類因子。高程因子評價結(jié)果如圖2(a)和表1所示，小于500 m及500～700 m的范圍內(nèi)高程因子的頻率比值大于1，說明在此區(qū)間內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生。坡度因子評價結(jié)果如圖 2(b)和表1所示，坡度20°～40°時，頻率比值均大于1，且頻率比值隨坡度越來越大，說明該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在高坡度的邊坡上。坡向因子如圖 2(c)和表1所示，坡向為東南、南向和西南時，頻率比均大于1，表明地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在東南-西南方向，位于該方向的邊坡更易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。由圖2(d)和表1可知，地形起伏度在15～45 m范圍內(nèi)的頻率比值均大于1，此時地質(zhì)災(zāi)害容易發(fā)生。

地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造因子是造成地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要原因，它們均屬于災(zāi)害發(fā)生的內(nèi)部條件。榕江縣出露5套地層從圖 2(e)和表1中可知，寒武系、二疊系和第四系的頻率比值均大于1，在這些地層中，地質(zhì)災(zāi)害易于發(fā)生。地質(zhì)構(gòu)造是通過改變坡體結(jié)構(gòu)進而促使災(zāi)害發(fā)生，在此以斷層對災(zāi)害發(fā)生的影響作為地質(zhì)構(gòu)造評價因子，當(dāng)斷層越接近坡體，則坡體結(jié)構(gòu)越破碎，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率則越高。將全縣斷層構(gòu)造線按1 km步長緩沖，根據(jù)圖2(f)和表1可知，距離斷層0～900 m處頻率比值大于1，從整體趨勢而言，距離斷層越遠，頻率比值越小，表明了距離斷層越近，地質(zhì)災(zāi)害越易于發(fā)生。

地質(zhì)老話說“十水九滑”，說明了水對于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的必要性。地表水系統(tǒng)的沖刷與切割給地質(zhì)災(zāi)害提供了巨大的誘因[1],故依據(jù)榕江縣地下水系統(tǒng)的規(guī)模、分布狀況,提取流域面積超過10 km2的小流域作為水網(wǎng)線,按200 m步長加以緩沖。據(jù)圖2(g)及表1可知，距離水系600 m內(nèi)的區(qū)域，頻率比值大于1，且0～200 m 范圍內(nèi)頻率比值最大，整體來說，距離水系越遠，頻率比值越小，表明距離水系越近，地質(zhì)災(zāi)害越易于發(fā)生。

人類工程活動對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生起到觸發(fā)作用，許多人工形成的邊坡往往發(fā)展成為較大的滑坡，威脅工程安全。本文主要考慮人類工程活動的公路交通建設(shè)對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響，所以將據(jù)道路距離作為評價因子進行分析。根據(jù)圖2(h)和表1可知，距離公路距離在400 m內(nèi)時，頻率比值遠大1。

表1 榕江縣地質(zhì)災(zāi)害評價因子指標(biāo)分級

5 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果

5.1 信息量法(I)評價結(jié)果

本文兩種評價模型均利用ArcGIS軟件來進行評價因子指標(biāo)信息量值的疊加,疊加后的數(shù)據(jù)可生成榕江縣地質(zhì)災(zāi)害信息量值分布圖,利用自然間斷法,將榕江縣的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)等4個易發(fā)性等級區(qū)間[13、14]，經(jīng)綜合分析概化，即得到榕江縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)成果圖[15]。結(jié)果如圖3(a)和表1、表2所示。

圖2 地貌類影響因子分級

從表2可知，從低易發(fā)區(qū)到極高易發(fā)區(qū)，對應(yīng)的頻率比值持續(xù)增大的趨勢,極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)頻率比值之和達總頻率比值的89.5%,這說明信息量(I)模型評價榕江縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是有效可行的。由圖3(a)及表2可知，在紅色極高易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積達41.06%，橙色高易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積達27.15%，黃綠色中易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積為26.49%，綠色低易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積僅5.298%。

5.2 確定性系數(shù)(CF)評價結(jié)果

榕江縣地質(zhì)災(zāi)害確定性系數(shù)值分布圖的獲取方法和信息量值分布圖的獲取方法相同,將獲取的榕江縣地質(zhì)災(zāi)害確定性系數(shù)值分布圖劃分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)等4個易發(fā)性等級區(qū)間，結(jié)果如圖3(b)和表1、表2所示。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)

表2 頻率比值表

從表2可知，從低易發(fā)區(qū)到極高易發(fā)區(qū)，對應(yīng)的頻率比值持續(xù)增大的趨勢,極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)頻率比值之和達總頻率比值的89.8%,這說明確定性系數(shù)(CF)模型評價榕江縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性也是有效可行的。由圖3(b)及表2可知，在紅色極高易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積達41.72%，橙色高易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積達39.73%，黃綠色中易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積為15.23%，綠色低易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積僅3.31%。

6 對比分析

6.1 頻率比檢驗對比

FR法是建立在地質(zhì)條件相似的地區(qū)，孕育地質(zhì)災(zāi)害的概率也相似的假設(shè)之上。FR值可以定量表示環(huán)境因子各屬性區(qū)間對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相對影響程度。公式[16]如下：

(3)

式中，li是某個環(huán)境因子的第i個屬性區(qū)間內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害面積；L是研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的總面積，si是環(huán)境因子第i個屬性區(qū)間的面積；S是研究區(qū)總面積[16]。

Fr大于1表明該環(huán)境因子屬性區(qū)間利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，值越大表示對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的影響也越大；反之，則不利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育[16]。

由上表2可看出，兩種評價模型的易發(fā)性由低到高時，頻率比值均逐漸增大，符合評價規(guī)律，當(dāng)頻率比值大于1時，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率逐步增大。

6.2 ROC曲線檢驗對比

ROC 曲線(receiver operating characteristic curve)是驗證地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價精度的手段[17]。ROC 曲線縱軸代表敏感度，代表區(qū)內(nèi)某易發(fā)等級發(fā)生災(zāi)害的累計百分比；其橫軸代表特異度，代表區(qū)內(nèi)各易發(fā)性等級面積累加百分比[12]。

將ROC曲線下面積AUC作為一個客觀定量的評價指標(biāo)來衡量模型預(yù)測的準(zhǔn)確程度能更加直觀地表現(xiàn)出評價結(jié)果。AUC值介于 0～1 范圍，越接近 1 模型預(yù)測準(zhǔn)確性越高[12]。

本文2種模型ROC檢驗結(jié)果如圖4所示，CF模型、I模型的AUC值分別為 0.860及0.774。2種模型的AUC值均大于0.75，兩模型均能精確地評價榕江縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性，且CF模型較I模型更精確。

圖4 ROC曲線圖

7 結(jié)論

(1) 基于ArcGIS 技術(shù)采用信息量模型(I)、確定性系數(shù)模型(CF)開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，I模型和CF模型的ROC精度分別達0.774和0.860，說明該易發(fā)性分區(qū)與研究區(qū)實際情況比較一致。

(2) 本文用以上兩種模型得出的榕江縣地區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性面積大致相同,滑坡易發(fā)性等級的頻率比值由低易發(fā)區(qū)到極高易發(fā)區(qū)均明顯上升,且極高易發(fā)區(qū)與高易發(fā)區(qū)的頻率比值占總體頻率比值均達到了89%,說明兩種評估模型都能夠客觀正確地評估榕江縣地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性。

(3) 在進行比選后，將精度較大的CF模型評價結(jié)果作為本次研究成果，在榕江縣，地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)占9.289%，高易發(fā)區(qū)占37.236%，中易發(fā)區(qū)占40.26%，低易發(fā)區(qū)占13.216%。在國土空間利用時應(yīng)該避開地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)及高易發(fā)區(qū)，在中易發(fā)區(qū)及低易發(fā)區(qū)應(yīng)當(dāng)綜合考慮建筑所需安全類別來進行合理利用。