不同喀斯特類型區(qū)地質(zhì)災(zāi)害敏感性研究

楊彩云,胡 穩(wěn),黃 勇

(1.貴州省第三測(cè)繪院,貴陽(yáng) 550000; 2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,北京 100000; 3.中科綠洲(北京)生態(tài)工程技術(shù)有限公司,北京 100000)

0 引言

世界上最大的喀斯特集中分布在以我國(guó)貴州省為中心的西南地區(qū),面積約55萬(wàn)km2,占全國(guó)喀斯特面積的15.97%[1-2]。貴州喀斯特地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害具有分布廣、突發(fā)性強(qiáng)、類型多等特點(diǎn)[3-5]。《中國(guó)氣象災(zāi)害大典》(貴州卷)[6]統(tǒng)計(jì)顯示,1952—2000年,貴州滑坡、泥石流災(zāi)害引起的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)4.4億元,毀壞房屋2 847間,受災(zāi)戶數(shù)5 688戶,受災(zāi)人數(shù)24 298人,其中死亡人數(shù)610人,受傷人數(shù)122人,傷亡人數(shù)10人,破壞農(nóng)田或耕地4.96萬(wàn)畝,糧食損失0.85 t,家畜死亡282頭。截至2006年,六盤水市共有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)1 043處[7]。2007—2015年,銅仁市共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害820起,直接經(jīng)濟(jì)損失近9 000萬(wàn)元[8]。

研究顯示,地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在碳酸鹽區(qū)域[9]。貴州省的碳酸鹽巖中,約有34.6%的不純碳酸鹽巖區(qū)域,其喀斯特發(fā)育特征與普通喀斯特有著明顯的區(qū)別[10]。胡鋒[11]等提出亞喀斯特概念,即發(fā)育在不純碳酸鹽巖及碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖夾層之上的一種過(guò)度地貌形態(tài),介于純喀斯特與非喀斯特之間,由巖性決定。近些年,關(guān)于喀斯特區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)[12-15]及影響因素[16-17]研究較多,涉及多種相關(guān)因子,如氣候、區(qū)域地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害、地球化學(xué)、生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、地質(zhì)環(huán)境破壞速率、人類活動(dòng)等7個(gè)評(píng)價(jià)要素及相應(yīng)的18個(gè)評(píng)價(jià)因子常被選為地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建中[18],但關(guān)于不同喀斯特類型區(qū)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響研究較少。

對(duì)貴州省3種不同喀斯特類型區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)及等級(jí)劃分,統(tǒng)計(jì)地質(zhì)災(zāi)害敏感性在3類喀斯特類型區(qū)內(nèi)的面積占比,以10 km格網(wǎng)為對(duì)象,對(duì)每個(gè)格網(wǎng)中的喀斯特類型區(qū)(非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特)面積占比與各地質(zhì)災(zāi)害敏感性面積占比進(jìn)行分級(jí),分析兩者的相關(guān)性,從而分析喀斯特類型區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系。為豐富喀斯特地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究、合理指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防及治理提供參考。

貴州省喀斯特地貌分布范圍大,屬于高原山地地貌,地勢(shì)西高東低,自中部向北、東、南三面呈階梯式傾斜,平均海拔1 100 m左右,高原山地居多,主要有高原、山地、丘陵及盆地4種地貌類型。碳酸鹽巖出露面積大、分布連續(xù),有自震旦系到三疊系的古老碳酸鹽巖地層[19]。貴州省林業(yè)資源豐富,2016年全省森林覆蓋率達(dá)到52%。調(diào)查顯示,貴州省石漠化面積約為3.7萬(wàn)km2,主要分布在六盤水、黔西南、黔南、安順、畢節(jié)等所在的喀斯特地區(qū)的南部和西部[20]。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)貴州省地理環(huán)境與氣候條件,選擇小流域面積、土壤保持量、高程、離斷層線距離、基巖裸露率、土地利用類型、植被覆蓋度、地形起伏度、坡度等9個(gè)因子,對(duì)貴州北盤江流域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià),采用自然斷點(diǎn)法,將每個(gè)評(píng)價(jià)因子分為5個(gè)等級(jí),數(shù)值越大,代表該因子對(duì)敏感度影響越大。

坡度、地形起伏度、高程、小流域面積等數(shù)據(jù)是基于貴州北盤江流域的DEM數(shù)據(jù),利用ArcGIS表面分析功能、柵格計(jì)算器及水文分析工具分別提取出來(lái)。植被覆蓋度是基于貴州北盤江流域內(nèi)2015年的Landsat TM /ETM影像,借助ENVI軟件提取出來(lái)。土地利用類型采用非監(jiān)督分類方法,結(jié)合植被指數(shù)、紋理、像元亮度、像元大小等指數(shù)提取出來(lái),分為林地、灌木、草地、濕地、耕地、建設(shè)用地及裸地等類型。斷層線分布數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)土資源科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心地址調(diào)查分中心。純喀斯特、亞喀斯特及非喀斯特類型區(qū)的劃分依據(jù)胡鋒[11]等提出的亞喀斯特發(fā)育程度的巖性屬性,包括不純碳酸鹽巖(如泥質(zhì)石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖)、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖夾層兩類。土壤保持量數(shù)據(jù)基于2015年的降水、土壤、高程等數(shù)據(jù),運(yùn)用通用土壤流失方程(RUSELE)估算出來(lái)。基巖裸露率計(jì)算采用遙感反演獲取[21],將單個(gè)像元作為計(jì)算分析的基本單元,計(jì)算出每個(gè)單元的植被覆蓋度及土壤裸露率,而基巖裸露率為減去以上兩個(gè)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

2 研究方法

2.1 層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重

評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重的方法有很多,而層次分析法可建立多級(jí)評(píng)價(jià)模型,能充分地將專家的經(jīng)驗(yàn)判斷量化,效果較好,可把復(fù)雜問(wèn)題中的各因素指標(biāo)層次化、條理化及有序化,根據(jù)客觀條件進(jìn)行模糊判斷,定量化表示每一層次各因素指標(biāo)的重要性,利用數(shù)學(xué)方法確定指標(biāo)因子的相對(duì)重要性次序的權(quán)重[22-23]。

以地質(zhì)災(zāi)害敏感性為目的層,地形地貌、地質(zhì)及環(huán)境3個(gè)因子為準(zhǔn)則層,各子系統(tǒng)中的指標(biāo)要素為基礎(chǔ)層,構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)。依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度,利用專家打分法給每個(gè)指標(biāo)打分,指標(biāo)分值越高,表示指標(biāo)的相對(duì)重要性越大[24-25]。通過(guò)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)的兩兩比較,得到指標(biāo)的兩兩判斷矩陣,利用層次分析法計(jì)算出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,如表1所示。

表1 地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷矩陣及權(quán)重Tab.1 Judgment matrix and weight of geological environment evaluation index

2.2 數(shù)學(xué)模型與綜合評(píng)價(jià)

利用加權(quán)平均法計(jì)算出地質(zhì)災(zāi)害敏感度,根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害敏感度劃分出貴州北盤江流域地質(zhì)災(zāi)害敏感性,如式(1):

式中:St為地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)指數(shù),Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,Fi為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)圖層,n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

運(yùn)用Arcgis的重分類功能,對(duì)評(píng)價(jià)出來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)指數(shù)St按照自然斷點(diǎn)法,將其分為不敏感(St<3.795 8)、輕度敏感(3.795 8≤St<4.470 6)、中度敏感(4.470 6≤St<5.068 4)、敏感(5.068 4≤St<5.719 6)及極度敏感(St>5.719 6)5種敏感性,得到貴州北盤江流域地質(zhì)災(zāi)害敏感性圖,如圖1所示。

圖1 貴州省地質(zhì)災(zāi)害敏感性圖Fig.1 Geological hazard sensitivity in Guizhou Province

3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

3.1 貴州省喀斯特類型區(qū)分布狀況

將喀斯特類型區(qū)進(jìn)行劃分,得到分布范圍,如圖2所示。純喀斯特分布范圍廣,在貴州省各地州市均有分布,主要集中在黔西南州的西南部、中部和北部,畢節(jié)的西部和東部,六盤水、安順、貴陽(yáng)的大部分區(qū)域及黔南州的西部、北部和東南部,黔東南州的西北部,遵義的南部,銅仁的東部。亞喀斯特分布相對(duì)零散,在各地州市均有分布,相對(duì)集中于畢節(jié)的中部,黔南州南部的部分地區(qū),安順的東部及遵義的中部與北部。非喀斯特相對(duì)集中分布在黔東南州,遵義的西北部與東北部地區(qū)及黔西南州的東部,其余相對(duì)零散地分布在各地州市。對(duì)3類喀斯特類型區(qū)的分布面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如表2所示。由此可知,喀斯特區(qū)域占貴州省面積的61.57%。

圖2 貴州省3類喀斯特類型區(qū)的空間分布Fig.2 Distribution of 3 types of Karst in Guizhou Province

表2 貴州省三類喀斯特類型區(qū)面積及占比Tab.2 Area and ratio of 3 types of Karst in Guizhou Province

3.2 喀斯特類型區(qū)地質(zhì)災(zāi)害敏感性狀況

分析地質(zhì)災(zāi)害敏感性狀況可以看出,各等級(jí)面積從總體上表現(xiàn)為中度敏感>敏感>輕度敏感>極敏感>不敏感,敏感和極敏感區(qū)域占貴州省總面積的36.8%,88.11%的區(qū)域存在一定程度的地質(zhì)災(zāi)害敏感。

從不同喀斯特典型區(qū)域來(lái)分析地質(zhì)災(zāi)害敏感性的分布狀況,可以看出,非喀斯特區(qū)域表現(xiàn)為中度敏感>輕度敏感>敏感>不敏感>極敏感,亞喀斯特區(qū)域表現(xiàn)為中度敏感>敏感>輕度敏感>不敏感>極敏感,而純喀斯特區(qū)域表現(xiàn)為敏感>中度敏感>輕度敏感>極敏感>不敏感,如圖3所示。非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特3種喀斯特典型區(qū)域內(nèi)主要的地質(zhì)災(zāi)害敏感性在增加。

圖3 3類喀斯特類型區(qū)地質(zhì)災(zāi)害敏感性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistics of geological hazard sensitivity of 3 types of Karst regions

具體的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示。非喀斯特區(qū)域中,地質(zhì)災(zāi)害敏感性為敏感或極敏感的區(qū)域分布面積占比分別為22.92%、9.04%。亞喀斯特區(qū)域中,地質(zhì)災(zāi)害敏感性為敏感或極敏感的區(qū)域分布面積占比分別為24.71%、11.36%。純喀斯特區(qū)域中,地質(zhì)災(zāi)害敏感性為敏感或極敏感的區(qū)域分布面積占比分別為26.11%、15.55%。以上結(jié)果均表現(xiàn)出純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特的特征。

表3 貴州省地質(zhì)災(zāi)害敏感性綜合評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Comprehensive assessment statistics of geological hazard sensitivity in Guizhou Province

3.3 喀斯特類型區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害敏感性相關(guān)性

地理格網(wǎng)是一種依據(jù)統(tǒng)一規(guī)則,將地理空間進(jìn)行連續(xù)分割,使空間不確定性控制在統(tǒng)一范圍內(nèi)的系統(tǒng),便于對(duì)地理數(shù)據(jù)的采集與分析。以10 km格網(wǎng)為對(duì)象,計(jì)算貴州省3類喀斯特類型區(qū)(非喀斯特、亞喀斯特和純喀斯特)面積占比與各地質(zhì)災(zāi)害敏感性面積占比,并分級(jí)處理,具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。采用IBM SPSS Statistics 22社會(huì)科學(xué)統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行偏相關(guān)分析,結(jié)果如表5所示。

表4 三類喀斯特類型區(qū)面積占比和地質(zhì)災(zāi)害敏感性面積占比分級(jí)Tab.4 3 types of Karst region ratio and geological hazard sensitivity area grading

表5 貴州省三類喀斯特類型區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害敏感性偏相關(guān)分析Tab.5 Partial correlation analysis between 3 types of Karst and geological hazard sensitivity in Guizhou

非喀斯特區(qū)與輕度敏感、中度敏感區(qū)呈正相關(guān),與敏感、極敏感區(qū)呈負(fù)相關(guān)。純喀斯特區(qū)與輕度敏感、中度敏感區(qū)呈負(fù)相關(guān),與敏感、極敏感區(qū)呈負(fù)相關(guān),且均通過(guò)置信度為99%的顯著性檢驗(yàn),但相關(guān)性較低,其中非喀斯特區(qū)和純喀斯特區(qū)與中度敏感性的相關(guān)性最高,分別為0.355、0.305,其次為輕度敏感性。處于非喀斯特與純喀斯特之間的亞喀斯特則未表現(xiàn)出一定的相關(guān)性規(guī)律。由此規(guī)律可以看出,越典型的喀斯特類型在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的占比越大,該區(qū)域高敏感區(qū)占比越大,即地質(zhì)災(zāi)害敏感性與喀斯特類型存在關(guān)聯(lián)性,這種關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱表現(xiàn)為純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特。較低的相關(guān)性說(shuō)明喀斯特類型對(duì)地質(zhì)災(zāi)害敏感性具有較小的影響。

4 討論

目前,已有的研究主要集中于區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià),還有關(guān)于不同喀斯特類型區(qū)地表地貌特征、植被特征等研究。通過(guò)對(duì)三大喀斯特類型區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害敏感性面積占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)及對(duì)比,得出地質(zhì)災(zāi)害敏感性為敏感或極敏感的區(qū)域分布面積占比表現(xiàn)出純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特的特征。以10 km格網(wǎng)為對(duì)象,對(duì)三大喀斯特類型區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害敏感性面積占比分級(jí)進(jìn)行相關(guān)性分析,得出地質(zhì)災(zāi)害敏感性與喀斯特類型區(qū)存在關(guān)聯(lián)性,這種關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱表現(xiàn)為純喀斯特>亞喀斯特>非喀斯特。兩種方法得到的結(jié)果一致,均達(dá)到了預(yù)期效果,說(shuō)明喀斯特越典型,地質(zhì)災(zāi)害敏感性越高。在相關(guān)性分析中顯示,喀斯特類型區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害敏感性的相關(guān)性低,說(shuō)明喀斯特類型對(duì)地質(zhì)災(zāi)害敏感性具有較小的影響。

非喀斯特主要分布在非可溶性鹽巖或埋藏型碳酸鹽巖之上,難于被溶蝕,土層厚度大,植被覆蓋度高,土地利用價(jià)值大,生態(tài)效應(yīng)積極作用明顯,地貌類型主要以緩坡、盆地及平地為主,地形起伏度小。亞喀斯特主要發(fā)育在不純碳酸鹽巖及碳酸鹽巖非碳酸巖夾層之上,巖石中泥質(zhì)成分及酸不溶物占比高,溶蝕速度相較于純喀斯特區(qū)域慢,成土速率相對(duì)高,往往擁有較厚的土層,植被覆蓋度較高,土地利用價(jià)值較大,生態(tài)效應(yīng)較好。亞喀斯特區(qū)域地下溶洞發(fā)育程度低,地下洞穴分布少,地貌類型以丘陵、丘陵谷地、洼地、盆地和中山為主,平均坡度在15°左右,地形起伏度相對(duì)較緩。純喀斯特主要發(fā)育在純碳酸鹽巖之上,巖石中泥質(zhì)、酸不溶物等雜質(zhì)含量較少,溶蝕速度快,成土速率緩慢,往往擁有很薄的土層,甚至是基巖裸露,形成石漠化,植被覆蓋度低,生態(tài)環(huán)境脆弱。因?yàn)榧兛λ固貐^(qū)域碳酸鹽純度高,易于被溶蝕、侵蝕等,地貌發(fā)育強(qiáng)烈,擁有峰叢、峰林、洼地、槽谷、溶洞、暗河、豎井等喀斯特景觀。