基于斜坡单元的大区域地质灾害风险性评价--以莲花镇为例.pdf

研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期基于斜坡单元的大区域地质灾害风险性评价以莲花镇为例朱镕1，柯波2*，叶武3，吴丽斌3（1.武汉理工大学 安全科学与应急管理学院，武汉 430070；2.武汉理工大学 资源与环境工程学院，武汉 430070；3.浙江海川勘察有限公司，杭州 310000）我国遭受地质灾害的破坏非常严重，特别是山地因为受到多种因素的影响非常容易发生地质灾害，地质灾害的频繁发生对我国的经济高速高效发展和居民的身体健康造成很大的隐患1-6。莲花镇是一个多山的区域，因此开展地质灾害风险评价有着非常重要的意义。对于地质灾害风险评价的研究，国内外许多学者做了很多有益的研究。国外学者如 Cotecchia 等7把研究对象瞄准了滑坡，对意大利南部斜坡的滑坡危险性进行分区研究。Brugner 等8在 1972 年以1颐50 000 的地质图为基础，根据实地情况选取了地貌、坡角等影响因子来分析斜坡稳定性，并且形成了所研究区域的稳定性分区图。Remondo 等9在 2005年把 Deva 做为示例，研究了该区域的地质灾害分区第一作者简介：朱镕（1998-），男，硕士研究生。研究方向为地灾安全。*通信作者院柯波（1982-），男，博士，助理研究员。研究方向为地灾安全。摘要：为研究大区域的地质灾害风险性评价，以莲花镇为例，基于 DEM 数据，利用水文分析法将研究区域划分为斜坡单元，并且对斜坡单元进行大比例尺野外调查，查明孕灾地质环境和在地质灾害威胁范围内的承灾体。利用层次分析法确定影响地质灾害发生的各个影响因子的权重，构建易发性评价指标体系。利用综合指数法对所有斜坡单元进行易发性评价。再结合 4 个降雨工况，利用危险性指数法和基于极值降雨假设进行危险性评价。再以危险性评价为基础结合承灾体情况进行风险评价。研究结果得出，研究总共划分为 1 121 个斜坡单元，根据危险性评价，综合经济和人口损失在最不利损失情况下，莲花镇地质灾害风险程度划分为高风险、中风险、低风险 3 级，其中高风险 4 处，中风险 21 处，其余为低风险，因此对于中高风险地区应加强当地民众的防灾意识，加强监测，完善应急措施。关键词：地质灾害；风险评价；斜坡单元；层次分析法；综合指数中图分类号院P642.22文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0075-05Abstract:In order to study the risk assessment of geological disasters in large areas,take Lianhua Town as an example.Based on DEM data,the study area is divided into slope units by hydrological analysis method,and a large-scale field survey ofslope units is carried out to identify the disaster-pregnant geological environment and the disaster-bearing bodies within the threatrange of geological disasters.The analytic hierarchy process is used to determine the weight of the influencing factors affecting theoccurrence of geological disasters,and the vulnerability evaluation index system is constructed.The comprehensive index method isused to evaluate the vulnerability of all slope units.According to the four rainfall conditions,the risk assessment is carried out byusing the risk index method and based on the extreme rainfall hypothesis.Then the risk assessment is carried out on the basis ofrisk assessment combined with the situation of the disaster-bearing body.The results show that the study is divided into 1,121slope units.According to the risk assessment,comprehensive economic and population losses under the most adverselossconditions,the risk degree of geological disasters in Lianhua Town is divided into three levels:high risk,medium risk and lowrisk,of which 4 are high risk,21 are medium risk,and the rest are low risk.For medium and high risk areas,disasterprevention awareness should be strengthened,monitoring should be strengthened and emergency measures should be improved.Keywords:geological hazard;risk assessment;slope unit;analytic hierarchy process;comprehensive indexDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.01875-2023 年 27 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application工作，在此次研究中提出了新的地质灾害风险性评价方法，这种新方法是基于统计学原理的。我国地质灾害风险评价比国外发展较晚，开始阶段更多的只是对地质灾害的定性分析，目前我国也进入到定量评价阶段，比如周鑫10选用 AHP-PCA-ICM 模型与PCA-PSO-SVM 模型对研究区金沙江上游进行地质灾害危险性分区，选用了高差、覆盖层、降雨和覆盖植物种类等 8 个因子进行评价。朱良峰等11在 2002年基于 GIS 系统提出了新的进行地质灾害风险性分区的评价方法和评价过程。可以看出，随着研究学者对地质灾害的理论和防治技术的逐步研究，现研究学者对区域地质灾害的研究也更趋向于更精确及大比例尺12。基于此本研究通过对莲花镇的孕灾地质条件和承灾体等进行调查，来分析研究莲花镇地质灾害发育类型、形成特征和破坏模式，开展大比例尺下地质灾害风险评价研究，对莲花镇范围进行斜坡单元划分，以斜坡单元为基础来逐个评价该地区地质灾害的易发性、危险性及风险性，为研究区地质灾害防治提供支撑。1研究区地质环境条件概况莲花镇总体地势东北高西南低，海拔高度 65.28耀1 041.55 m，山脉多分布于西北部呈条带状，形成中低山逐渐向中部丘陵区过渡的地貌形态。除了河流沟谷略平坦外，大部分地形起伏较大，山体自然地形坡度在2050毅。莲花镇属亚热带季风气候，温暖湿润，雨量充沛，四季分明，光照充足，年平均气温 17 益，莲花镇最大年降雨量 1 852.9 mm，每年 6 月中下旬7 月上旬为集中降雨期，受冷暖气流控制连绵阴雨，常暴雨成灾，该时期灾害性天气较多，易引发地质灾害。莲花镇位于扬子准地台钱塘台褶带，主要出露二叠系、奥陶系等早古生代地层，以唐家坞组分布最为广泛，石炭系及泥盆系等仅局部地段有零星分布。2评价体系构建目前，国内外研究人员对于地质灾害风险评价是由地质灾害危险性和承灾体易损性组成的，根据联合国提出的风险性=危险性伊易损性。本文结合以往研究从 4 个方面对地质灾害风险进行评价，分别是易发性、危险性、承灾体易损性和风险性评价。2.1评价单元确定目前国内外地质灾害风险评价比较常用的基本单元有网格单元、流域单元、斜坡单元及地形单元等。其中斜坡单元可以提高与实际地貌的吻合程度，并且斜坡单元是地质灾害发生的基本单元。国内外众多学者利用斜坡单元来评价地质灾害13。因此，本次地质灾害风险评价采用斜坡单元作为基本评价单元。本次斜坡单元的划分基于 DEM 模型数据，利用 Arcgis 水文分析模块来提取沟谷线和山脊线形成斜坡单元，再根据微地形来修正斜坡单元，本次将研究区域总共划分为 1121个斜坡单元。2.2易发性评价体系构建地质灾害易发性是在某特定范围内发生地质灾害概率的反映，是由地质环境条件所决定的，是一种自然属性。目前国内外对易发性评价常用方法主要有聚类分析法、人工神经网络法、综合指数法、信息量法和支持向量机等14-16。本次研究选取综合指数法进行易发性评价。综合指数法是把会导致地质灾害发生的有关因子进行无量纲化，是将各个因子确定不同的权重得分来分析因子对地质灾害发生的不同的影响程度。再进行加和计算来确定各个斜坡单元的易发性指数，其评价模型公式为Yi=移j=1nFj伊Sj，（1）式中：Yi为第 i 个斜坡单元易发程度综合指数；Fj为第i 个斜坡单元第 j 类指标权重；Sj为第 i 个斜坡单元第 j类指标赋值；n 为项数。对于影响因子权重的确定，本次研究对研究区域地质灾害特征和规律进行分析后确定评价指标因子为坡度、坡向、高差、坡形、覆盖层厚度、岩性与岩土结构、斜坡结构、与构造间距和切坡高度共 9 项。采用层次分析法，比较各个影响因子的相对重要性，通过判断矩阵确定 9 个影响因子的权重，并且对各个指标进行赋值。最后确定适合本研究区域的地质灾害易发性评价指标体系及量化分值表，具体见表 1。本次研究根据研究区域各个斜坡单元的评价结果，将地质灾害易发程度等级分为高易发、中易发、低易发和不易发 4 个等级。分级标准见表 2。2.3地质灾害危险性评价方法易发性评价的局限性在于只研究了影响地质灾害76-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期发生的静态因子，对降雨这种动态因子并没有考虑进去。因此危险性评价是在易发性评价的基础上叠加降雨工况进行评价。本次研究采用危险性指数法在易发性评价的基础上对研究区域的危险性进行评价。危险性综合指数法计算方式如下Hi=YiYmax伊Pi，（2）式中：Hi为某种工况下第 i 个评价单元危险性指数（危险性概率）；Yi为第 i 个评价斜坡单元易发性指数；Ymax为最大易发性指数，Ymax=5；Pi为某种工况下第 i 个评价单元的给定时间段内的失稳概率。其中对于 Pi的计算方法采用极值降雨假设来确定。极值降雨假设是基于研究区历史上有地质灾害发生的事实，假设有监测纪录以来，24 h 最大降雨量Lmax/day为灾害发生的触发因素，不同降雨工况下失稳概率 Pi则可表达为 Pi=L/Lmax/day。其中 L 对照 4 种工况，分别取 24 h 计降雨量 35、75、175 和250 mm，Lmax/day的取值则根据搜集研究区及周边区域近几十年以来的最大24 h 降雨量来确定，本次研究取值为 190 mm。根据此评价方法，计算得到每个评价单元的危险性指数值，根据地质灾害危险程度划分标准（表 3）对各评价单元地质灾害危险程度等级进行分级。2.4地质灾害风险性评价方法地质灾害风险评价是在危险性评价的基础上叠加上承灾体易损性评价来评价的。承灾体是被地质灾害伤害的如人口、建筑物、线性工程和环境等对象。易损性是指在可能被灾害威胁范围内的承灾体在地质灾害发生时，遭到的伤害程度的预估。本次研究的承灾体分为人员和经济 2 种类型。本次风险性评价计算公式如下Ri=移j=1nHj+Ej+Vj，（3）式中：Ri为某工况下第 i 个评价单元风险值；Hj为某工况下第 i 个评价单元内 j 号承灾体地质灾害危险性指数；Ej为某工况下第 i 个评价单元内 j 号承灾体价值；Vj为某工况下第 i 个评价单元内 j 号承灾体易损性。本次风险性评价中承灾体经济价值是根据建筑结构进行划分的，其价值见表 4。本次承灾体易损性评价分为人员易损性和经济易损性。其中人员易损性按最大风险原则考虑在影响范围之内的人员其易损性值都为 1，影响范围之外的人员易损性都为 0。经济易损性根据构筑物本身结构确定易损性，其数值区间为 01。表 1以斜坡为单元的地质灾害易发程度评价指标体系及量化分值表序号评价指标指标权重指标分类赋值1坡度0.154522坡向0.05北1北东2东3南东4南5南西3西2北西13高差0.1300 m54坡形0.05凸形5凹形3直坡、折形15覆盖层厚度0.1525 m26岩性与岩土结构 0.1岩石坚硬、结构完整1岩石较坚硬、结构较完整2岩石较破碎、镶嵌结构3岩石破碎、有不连续软弱结构面4岩石特别破碎、有连续软弱结构面 57斜坡结构0.1顺向坡飘倾坡5层面坡4伏倾坡3斜向坡3横向破2逆斜坡1近水平层状坡2块状结构斜坡18与构造间距0.05500 m19切坡高度0.2525 m577-2023 年 27 期研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application表 2地质灾害易发程度划分标准表表 3地质灾害危险程度划分标准表表 4承灾体经济价值本次研究将风险等级划分为极高风险、高风险、中风险和低风险 4 个等级，按照人员伤亡风险和经济损失风险，综合考虑以就高原则确定其最终风险等级。划分标准见表 5。地质灾害易发程度 高易发 中易发 低易发 不易发 易发性综合指数值Yi4Yi5 3Yi4 1.5Yi3 1Yi1.5及平原区 地质灾害危险程度极高危险 高危险 中危险 低危险 危险性指数Hi 0.8Hi1 0.6Hi0.8 0.4Hi0.6 0Hi0.4 房屋结构 钢结构 钢混、砖混 砖木、框架 泥木、其他结构 价值 35万元/层 30万元/层 20万元/层 15万元/层 表 5地质灾害风险等级划分标准表3莲花镇地质灾害风险评价3.1野外调查野外调查主要是调查研究区孕灾地质环境条件，识别地质灾害隐患或风险，查明研究区内地形地貌、植被、地质构造、岩（土）体工程地质特征、斜坡结构和残坡积层厚度等孕灾条件和气候、水文、人类工程活动等诱发因素，利用调查的数据对斜坡单元进行评价分析。主要包括对斜坡单元的地面调查和承灾体调查。其中地面调查主要是对易发性评价的影响因子的数据进行收集，根据收集的数据对研究区进行易发性评价。3.2易发性评价根据研究区野外调查搜集到的数据和上述评价体系进行地质灾害易发性评价。据统计，莲花镇易发性评价中，中易发斜坡单元 88 个，面积 5.92 km2，占全镇总斜坡单元的 7.85%，占全镇总面积的 6.87%；低易发斜坡单元 1 002 个，面积 77.76 km2，占全镇总斜坡单元的89.38%，占全镇总面积的 90.29%；不易发斜坡单元31个，面积 2.44 km2，占全镇总斜坡单元的 2.77%，占全镇总面积的 2.83%。本研究区地质灾害易发性较高区域都是人类工程活动严重、人工切坡高、岩石较破碎且土层较厚的区域。低易发区域主要是人类工程活动弱、土层覆盖薄、植被茂盛和岩石较完整的区域。不易发区域主要是平原和河流区域。3.3危险性评价根据上述危险性评价体系及方法，计算各个斜坡单元不同工况下的地质灾害危险性指数，对其分级后得到莲花镇不同工况下地质灾害危险程度评价结果。评价结果显示，在大雨、暴雨工况下，莲花镇全镇范围均为低危险性。在大暴雨工况下，莲花镇地质灾害危险程度划分为高危险、中危险、低危险 3 级，其中高危险斜坡单元 51 个，面积 3.99 km2，占全镇总斜坡单元的4.55%，占全镇总面积的 4.63%；中危险斜坡单元 1 013个，面积 78.11 km2，占全镇总斜坡单元的 90.37%，占全镇总面积的 90.70%；低危险斜坡单元 57 个，面积4.02 km2，占全镇总斜坡单元的 5.08%，占全镇总面积的 4.67%。在特大暴雨工况下，莲花镇地质灾害危险程度划分为高危险、中危险、低危险 3 级，其中高危险斜坡单元 89 个，面积 5.95 km2，占全镇总斜坡单元的7.94%，占全镇总面积的 6.91%；中危险斜坡单元 995个，面积 77.43 km2，占全镇总斜坡单元的 88.76%，占全镇总面积的 89.91%；低危险斜坡单元 37 个，面积2.74 km2，占全镇总斜坡单元的 3.30%，占全镇总面积的 3.18%。3.4风险性评价根据地质灾害风险评价计算方法，在确定不同降雨工况条件下区内地质灾害危险性评价的基础上，通过分析地质灾害危险性评价指数，耦合承灾体地质灾害风险等级 人员伤亡风险R 经济损失风险R 综合风险R 极高风险 R30 R1 000 按照人员伤亡风险和经济损失风险等级，以就高原则确定 高风险 10R30 500R1 000 中风险 3R10 100R500 低风险 R3 R100 78-研究视界科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期人口和经济价值，采用定量计算的方法进行地质灾害风险评价。综合不同工况下人员和经济伤亡风险在就高原则下的风险性评价结果为：在大雨工况下，区内综合风险2 处中风险，其余为低风险；在暴雨工况下，区内综合风险 1 处高风险，6 处中风险，其余均为低风险；在大暴雨工况下，区内分布 3 处高风险，20 处中风险，其余为低风险；在特大暴雨工况下，区内分布 4 处高风险，21 处中风险，其余为低风险。4结束语1）根据对莲花镇地质灾害特征及分布发育规律的分析研究，结合实际情况选取 9 个评价指标构成了莲花镇地质灾害易发性评价指标体系。使用层次分析法确立评价指标权重，并利用综合分析法评价区域易发性，将莲花镇分为了中易发、低易发、不易发 3 个等级，其中中易发区面积 5.92 km2，占全镇总面积的 6.87%；低易发区面积 77.76 km2，占全镇总面积的 90.29%；不易发区面积 2.44 km2，占全镇总面积的 2.83%。2）根据易发性，在不同的降雨工况下，评价了各斜坡的危险性。在特大暴雨工况下，莲花镇地质灾害危险程度划分为高危险、中危险、低危险 3 级，其中高危险区面积 5.95 km2，占全镇总面积的 6.91%；中危险区面积 77.43 km2，占全镇总面积的 89.91%；低危险区面积2.74 km2，占全镇总面积的 3.18 km2。3）根据危险性数据再叠加影响范围内的承灾体信息，综合经济和人口损失在最不利损失情况下得出，莲花镇地质灾害风险程度划分为高风险、中风险、低风险3 级，其中高风险 4 处，中风险 21 处，其余为低风险。参考文献院1 张梁，张业成，罗元华.地质灾害灾情评估理论与实践M.北京：地质出版社，1998.2 张业成，胡景江，张春山.中国地质灾害危险性分析与灾变区划J.海洋地质与第四纪地质，1995（3）：55-67.3 黄润秋，向喜琼.巨能攀.我国区域地质灾害评价的现状及问题J.地质通报，2004（11）：1078-1082.4 王思敬.地球内外动力耦合作用与重大地质灾害的成因初探J.工程地质学报，2002，10（2）：115-117.5 罗元华.地质灾害风险评估方法M.北京：地质出版社，1998.6 张珊珊，张茂省，孙萍萍，等.面向黄土地质灾害的优势流研究J.兰州大学学报（自然科学版），2019，55（2）：274-280.7 COTECCHIA V，MELIDORO G.Some principal geologicalaspects of the landslides of Southern ItalyJ.Bulletin of theInternational Association of Engineering Geology-BulletindelAssociation Internationale de G佴ologie de lIng佴nieur，1974，9（1）：23-32.8 BRUGNER W，UALDINUCCI A.Schema di cartografia tem原atica relativa alla stabilita dei terreni ed esempio della suaapplicazione nel territorio di Alpago（Prow di 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