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基于GIS的云南小江流域滑坡因子敏感性分析

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第2l卷第lO期 2002年l0月 岩石力学与工程学报 Chinese dournal ofRock Mechanics and Engineering 21(10):1500 ̄1506 Oct.,2002 基于GIS的云南小江流域滑坡因子敏感性分析 兰恒星 伍法权 周成虎 北京王思敬 北京100029) (‘中国科学院地理科学与资源研究所,资源与环境信息系统国家重点实验室100101)( 中国科学院地质与地球物理研究所摘要进行滑坡因子敏感性分析是滑坡研究的一个重要的步骤,有利于研究滑坡的变形破坏机理及分析滑坡的空 间分布规律。采用滑坡确定性系数的方法对云南小江流域进行了影响因子敏感性分析,确定了有利于滑坡发育的 岩性、结构、坡度、高程、断裂等影响因子。 关键词滑坡稳定性,滑坡确定性系数,因子敏感性,地理信息系统 分类号P 642.22,P 208 文献标识码A 文章编号1000-6915(2002)10-1500-07 理及灾害防治提供科学的依据。 1 引 言 2研究区概况 确定诱发滑坡失稳的潜在因素是滑坡研究的一 个重要的基本步骤。事实上,滑坡的稳定性主要与 小江流域位于滇东北,地理坐标是北纬 25。32 ~26。35 ,东经102。52 ~103。22 ,面积3 086 岩体的不良岩土工程特性、水文地质岩组的渗透特 性等因素有关。这些不稳因素及其空间相关关系可 以在GIS系统中可以采用相应的图层表示(因子图 层)【I J。滑坡变形失稳危险性评价需要通过研究滑坡 km ,主要属东川市管辖的小江流域(图1),该区小 江深大活动断裂纵贯南北,新构造运动强烈,地震 活动频繁,滑坡、泥石流等地质灾害严重,斜坡稳 定性差,分布有众多级别不同的滑坡,区域工程地 滑动历史上造成滑坡失稳的因素特征来预测滑坡将 来的运动,包括滑动的时间和部位。对于任何一种 滑坡稳定性评价的方法,必须对滑坡影响因子敏感 性进行充分研究,特别是过去滑坡失稳的机理的研 究和将来滑坡可能失稳的触发性关键因素的研究。 质条件极为复杂。图l为小江流域的数字高程图, 根据高程范围的不同,采用不同的色度表示。 可能造成边坡失稳的因素可以分为两组【21:降 低剪切强度,增加下滑力的因素以及增加剪切强度 和抗滑力的因素。根据各种因子的影响方式的不同 又分为内在因素(静力要素)和外在因素(动力要素)。 内部因素决定了滑坡分布的特征和规律,外在因素 与老(古)滑坡的再活动有关。在许多文献中涉及了 滑坡诱发因素的研究【j ̄^1。 云南小江流域是滑坡泥石流等地质灾害极为频 繁的地区,其中蒋家沟更有地质灾害博物馆之称【71。 本文采用相关模型在GIS中对小江流域滑坡变形失 稳的影响因子进行了详细的讨论,以便对流域的治 图1研究区概况 Fig.1 Study area 2001年l2月2日收到初稿,2002年1月3日收到修改稿。 ・中国科学院特别资助领域项目“山地灾害——滑坡泥石流基础研究”。 作者兰恒星简介:男,29岁,博士,1995年毕业于山东科技大学地球科学系,现为中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室博士后,主要 从事地理信息系统及工程地质力学研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 笙 !堂笙 兰恒星等.基于G1S的云南小江流域滑坡因子敏感性分析 .1501. 地层发育较齐全,从元古界昆阳群变质岩系到 中生界侏罗系均有分布,尤以玄武岩、变质岩分布 最为广泛。沟谷发育、岩层破碎。第四系主要分布 在断陷及山间盆地和河谷区,以洪积相分布最广。 根据地层岩性及年代特征,将地质年代相近、岩性 类似的地层组合到一起,形成新的岩性岩石组合, 每一种岩性组合具有相近的形成年代及相似的工程 地质特性、水文地质特性,以利于进行有效的滑坡 稳定性分析。其具体划分见表1和图2。 表1岩性岩组划分 Table 1 Lithology formation classification 根据岩体的结构面特征及其物理力学性质对岩 体结构类型进行详细划分,对整个流域的岩体结构 类型划分为块状结构硬质岩岩组(I1)、层状结构硬质 岩岩组(II1)、层状结构硬质岩夹软质岩岩组(II2 、 层状结构硬质岩与软质岩互层岩组(II3)、镶嵌结构 硬质岩组(III1)、层状碎裂结构岩组(III2)、碎裂结构 岩组(III3)等7种类型,得到小江流域的结构岩组分 布(图3)。表2为碎裂结构岩组的主要分布区及其工 程地质特性。 3滑坡发生确定性系数 采用确定性系数CF进行滑坡的危险性区划的 假定,是指滑坡的危险性可以根据过去滑坡与确定 岩性岩组 圆墓暑紊洪积’湖积砂’ 圈第三系泥岩 圈侏罗系泥岩、粉砂岩 圆主 妻统灰岩’ 口主耋 统砂岩’泥岩、 圜主至上统石英砂岩-玄 圆云雾要统灰岩’ 岩 囹要 l妻耋 茗娄 砂岩夹 圈震旦系白云岩 一震旦系砂岩、砾岩 圆昊囊爹 板岩 囹昊罢霎 板岩 圜里望群落雪组硅化白 N 圆垂 群 w E 圜爰翼羹褒垄组白云岩、 昆阳群黑头山.草岭组 S 口千枝岩、板岩、右英砂 岩、白妻岩 图2小江流域岩性岩组分布 Fig.2 Lithology formation distribution 10 0 10 20 30 km 结构岩组 臣卫第四系 mi匠圈层状结构硬质岩岩组ni第三系 蓥蓑薯鬻  …W N E 图3小江流域结构岩组 Fig・3 Structure formation in Xiaojiang watershed 维普资讯 http://www.cqvip.com ・l502・ 岩石力学与工程学报 2002笠 表2碎裂结构岩 ̄(1113)划分表 Table 2 Classiifcation of structure formation(Ill3) Z= ,1 1) 代号布地区 詈 圭 工程地质特性 三,  相y符<0号 相反 cJ} (2) ,●●__●_l1__J ●●__●■_l●lI Plh 板岩为主,夹少量白云岩砂岩,裂隙发育.岩体破 P 汤舟和绿碎.结构面间距小于30 cm.崩塌发育.侵蚀强烈, P。 茂以北 是大多数泥石流沟物质的主要补给源。足 lO964 Ptc MPa,风I3 5 MPa.dp=37。18 .E=24.32X 10 MPa 玄武岩夹凝灰岩,表层受构造、风化作用多呈碎石, 小江流域侵蚀强烈,局部受凝灰岩控制形成滑坡,是泥石流 一 广大地区沟固体物质的另一重要补给源。e,,=145.46 MPa, Rs=15.54MPa,dp--43*40 ,E=84 2X103MPa 注:&—抗压强度平均值(MPa),风一抗剪强度平均值(MPa). 静弹 性模型平均值(MPa)。 为诱发因素的数据集(地质、地形等)之间的统计关 系进行确定。即未来滑坡在达到与自已或相似条件 地区的其他滑坡发生时所处的相似的环境条件时, 将发生滑动。这些类比的滑坡可以是位于研究区,.  也可以位于研究者已经掌握了滑坡发生与诱发因素 一¨ + 一一 + 之间相关关系的类似条件地区。其适用的模型单元 一 一.—m m + 类型为网格单元和均一条件单元。 CF作为一个概率函数,最早由Shortlife和 Buchanan(1975)提出,由Heckerman(1986)进行改 进,表示为下式IS]: 一PP if PP 一CF: PP ) 一pp s fi PP <pp —PP ) 式中:尸尸a为事件(滑坡)在数据类a中发生的条件概 率,在实际滑坡应用时可以表示为代表数据类a的 单元中存在的滑坡面积与单元面积的比值;胁为 事件在整个研究区A中发生的先验概率,可以表示 为整个研究区的滑坡的面积与研究区面积的比值。 通过式(1)函数变换,CF的变化区间为【.-l,l】。 正值代表事件发生确定性的增长,即滑坡变形失稳 的确定性高,此单元为滑坡易发区;负值代表确定 性的降低,表示滑坡变形失稳的确定性低,不易发 生滑坡;接近于0值代表先验概率与条件概率十分 接近,事件发生的确定性不可能进行确定,即此单 元不能确定是否为滑坡易发区。 计算出每一数据层的CF后,需要将不同数据 层的CF进行合并。假定要合并2个数据层的CF 分别为x和Y,合并后的结果为z,合并公式如下式: 每个因子数据层的CF计算及合并均在GIS中 完成。首先将因子数据层按一定规则进行划分为不 同的数据类别,然后在GIS中将每个因子数据层与 滑坡层进行叠加,计算因子层中每一数据类中滑坡 的面积,滑坡的面积与数据类的面积相比得到滑坡 在此数据类中发生的频度。根据公式(1)进行CF的 计算,从而确定因子层的每一数据类对于滑坡发生 的影响程度,进行因子的敏感性分析。将因子数据 层的CF值按式(2)两两进行合并,按一定规则对合 并后的CF值进行重新划分,得到滑坡变形失稳危 险性区划结果。通过与新的滑坡数据的对比,可以 确定每一种影响因子对滑坡发生的影响程度,确定 滑坡发生的关键因子。 4滑坡因子敏感性分析 小江流域滑坡灾害分析选取的滑坡影响因子主 要包括岩性、结构、断裂、坡度、坡向和高程、岩 土工程参数分区等7个主要因子。对每个因子进行 分组,具体的分组结果见表3。 表3滑坡因子选取及分类 Table 3 Landslide factor selection and group 滑坡因子 分 组 Q,N,J・Tl,T2-3,P2,Pl,C-O,∈・Z 2d・Z 1.2.Plc,PⅡ・ 岩性 P“,Ptm,Ptd.Pth 结构 I1,II1.II2,113,IIII,III2,III3.N.Q 断裂0,ll,l2,l3,2l,22,23,31.32.33.4l,42.43 0~10,10 ̄20,20~30,30 ̄40,40~50,50 ̄60,6O~ 坡度/(。) . 70.>70 坡向 北.北东,东,东南.南.南西,西,西北 300 ̄500.5oo~l 000.1 O00~l 5oo.1 500 ̄2 000.2 000~ 高程/m 2 500,2 500 ̄3 000,3 000 ̄3 500,3 500 ̄4 000。>4 000 T嘏 根据数值相同间隔分为5类 参数 将小江流域所有的因子在GIS中进行叠加分 析,得到进行统计计算的近2×lO 个均一条件单元。 对于那些没有实际意义的小多边形、畸形多边形予 以删除。每个均一条件单元均包含每一个影响因子 维普资讯 http://www.cqvip.com 第21卷第10期 兰恒星等.基于GIS的云南小江流域滑坡固 壁 坌堑 :! : 的单一条件分组(见图4和表4,表中“断裂分段缓 冲”的含义见4.2节),从而可以认为单元之间是相 的鹅头厂组、大龙组、黑头山.草岭组、震旦系及寒 武系的白云岩、砂岩等的滑坡发生确定性系数大于 或接近于0.5(图5),对于滑坡的变形失稳具有显著 的影响作用。其他岩性的地层相对来讲比较稳定。 结构岩组中CF值大于0的结构类型无一例外 地落入III类结构岩组中,说明小江流域的岩土体的 碎裂结构对滑坡的发生有至关重要的影响和控制作 互独立的,有利于进行统计分析。 单元 用。然而,最具显著影响作用的并非通常认为的层 状碎裂结构,而是镶嵌结构(CF值接近于0.5)。这 条●234S9。圈圈圈圈雷§m¨ B  N w E O S 图4 小江流域均一条件单元划分示例 Fig.4 Unique condition unit classiifcation 襄4部分均一条件单元一性 Table 4 Attribute of unique condition units 根据滑坡因子各分类的滑坡发生频率(条件概 率:分类中滑坡面积/分类面积)与整个研究区滑坡 发生频率(先验概率:滑坡总面积/流域面积)计算每 个滑坡因子的滑坡失稳确定性系数CF,分析各滑 坡因子对滑坡发生的影响作用及程度,并确定影响 滑坡发生的关键性因子。 4.1岩性岩组与结构岩组 斜坡岩土体岩性及其结构特征对于滑坡变形失 稳的影响是显而易见的,它们是决定斜坡岩土体强 度、应力分布、变形破坏特征的基础,同时是滑坡 等地质灾害的物质基础。应指出的是岩体结构特征 对滑坡稳定性的影响在于地质结构面特别是软弱结 构面的控制作用,这些软弱结构面往往构成滑坡体 的滑动面和滑坡体的切割面。 小江流域的岩性岩组与结构岩组的滑坡发生确 定性系数CF的计算结果分别列于表5和表6中。 从岩性岩组各个分类的CF值可以看出:元古界的 昆阳群、震旦系、寒武系及第四系的松散沉积物均 提供了有利于滑坡发生的岩性特征,特别是昆阳群 就决定了小江流域的滑坡以中小型滑坡为主,而较 少见巨型及大型滑坡。 襄5岩性岩组分级及CF值确定 Table 5 CF of lithology formation O6 一 一O4 : 一1.O —1.2 岩性组代码 图5岩性岩组CF值 Fig.5 CF of lithology formation 维普资讯 http://www.cqvip.com ・l504・ 岩石力学与工程学报 2002焦 表6结构岩组CF值 Table 6 cF structure formation 4.2断裂 小江流域的断裂活动以小江深大断裂带最为重 要。小江断裂带的新构造运动和地震活动强烈,而 且具有明显的继承性,主要表现为区域性隆起、局 部掀斜、老断裂复活及高原面解体等。小江断裂带 构成了强烈的地震带,据史料记载,每百年发生一 次大地震,小震几乎年年都有发生。新构造运动加 速山体抬升和河谷下切,地震则直接破坏山体稳定, 降低岩石强度,增加了固体物质的来源,加剧了滑 坡、坍塌、泥石流等不良地质现象的活动过程。 北北硒.近南北向的小江断裂在几何结构上呈 现复杂的分段特征,不同段之间存在明显的差异(李 坪,1993)。为在GIS中定量分析小江断裂对于滑坡 的控制作用,对小江断裂进行了分段,并作了不同 距离的缓冲分析,得到不同的断裂影响分区。根据 小江断裂空间分布的几何特征,将其分为4段,即 江口至达朵段、达朵至小清河段、达朵至阿旺段、 阿旺至功山段。对小江断裂每一段分别进行距离为 500,2 000,4 000 m的缓冲分析,将小江流域分为 断裂不同的影响区(表7、图6及前表3)。 对每一分区进行了滑坡发生确定性系数CF值 的计算,结果如表8所示。从表中可见:小江流域 的滑坡分布明显受断裂活动控制,但小江断裂不同 分段对于滑坡的影响程度不同,其中以江口一达朵 段,达朵一阿旺段的影响最为显著,达朵至清水海 段次之,阿旺至功山段影响最小。 4.3坡度 斜坡的坡度一直被认为是影响滑坡稳定性的重 要因素,它从几何特征上决定了滑坡的分布:同时, 坡度直接决定斜坡的应力分布,控制着滑坡的稳定 性。 表7小江断裂分段缓冲 Table 7 Buffer analysis of Xiaojiang fault 小江断裂缓冲区分析 衄缓冲区以外 固江口一达朵(500m) 圜江口一达朵(5o0~2 000m) 圈江口一达朵(2 Oo0~4000m) £丑达朵一清水海(500 m) 圜达朵一清水海(500 ̄2 000 m) 一达朵一清水海(2 Oo0~4 000 m) 圜达朵一阿旺(5oo m) 囤达朵一阿旺(5oo~2 000 m) 圜达朵一阿旺(2 O00~4 000 m) w 衄阿旺一功山(500 m) 匠盈阿旺一功山(5o0~2 000 m) 一阿旺一功山(2 Oo0~4 000 m) 3O O 图6小江断裂分段缓冲 Fig.6 Buffer analysis of Xiaojiang fault 表8小江断裂CF值确定 Table 8 CFofXiaojiangfault 维普资讯 http://www.cqvip.com 第21卷第10期 兰恒星等.基于GIS的云南小江流域滑坡因子敏感性分析 : 小江流域的斜坡以中缓坡为主,低于4O。的斜 坡占了流域的绝大部分面积(图7),尤以10。"- ̄30。 范围内的低缓坡居多。对于不同坡度范围内的斜坡 单元进行CF系数计算的结果(图8)表明,小江流 域最利于滑坡发育的坡度范围为30。"- ̄40。和4O。~ 5O。。 0~10 10~2020~30 30 ̄4040~5050~6060 ̄70>70 坡度/(。) 图7 不同坡度区间所占面积 Fig.7 Area of slope angle grouup 邑 0~10 10~20 20~3030~4040 ̄505O~6060~70>70 坡度/(。) 图8坡度CF值 Fig.8 CF of slope 4.4高程 高程与滑坡的变形失稳之间似乎无直接的关 系。然而,从对不同高程范围的CF系数的计算结 果可以发现(图9),小江流域的滑坡发育较有利的高 程范围位于500"- ̄l 500 m和l 500-- ̄2 000 m的范围 之内,主要集中于小江流域的中下流区域。 高程对滑坡的分布产生影响一个原因是不同 的高程范围具有不同的植被类型和植被覆盖率。然 而,更重要的原因在于高程与地区的降雨之间具有 很好的相关性。虽然小江流域的降雨量与高程的总 体规律是高程高的地方,降雨量较大,但由于真正 对滑坡的稳定性起作用的是由于降雨所引起的地下 水位的变化,从而造成孔隙水压力的变化。降雨过 程导致了地表和地下径流,进而地形控制着径流的 分布。在地下水容易聚集的部位,会造成相对于滑 面较高的水位,即滑坡的饱和因子较大,位于此区 的滑坡容易失稳。因此,水文因素对于滑坡稳定性 的影响的真正的原因是斜坡不同部位的集水能力的 不同,在数值上表示为集水区面积,或比集水区面 ¨ 州 积。小江流域的500-- ̄2 000 m的高程范围内的斜坡 的比集水区面积较大的单元所占比例较大,同时此 高程范围为断裂显著影响区,因此滑坡容易发生于 这个高程范围内。 l 0 0.5 00 0 5 图・口口l圈一目_ l 0 l 5 量 量 8 量 8 量 一 n v、 一 2 2 2 2 2 2 8 量 事景 善暑  暮 景 量 量 n 量 一 一 N N n l 2 3 4 5 6 8 9 高程/m 图9各高程范围滑坡发生的确定性程度 Fig.9 CF ofelevation group 4.5坡向 一般认为,不同斜坡坡向的太阳辐射强度等条 件不同,影响了水蒸发量、植被覆盖、坡面侵蚀等 诸多因素,从而影响了斜坡的地下水孔隙压力的分 布及岩土体物理力学特征,因而影响了斜坡及滑坡 的稳定性。 将小江流域的坡向划分为8个级别,并计算每 一类别的CF系数(表9)。可以看出,利于滑坡发生 的坡向条件为北、南及西北向。 表9坡向分级及CF值确定 Table 9 CFofaspect group 4.6岩土工程参数 岩土工程参数分区对于滑坡的影响应与地层岩 性结合起来进行评价才有较为实际的意义,以粘聚 力分区为例,大家知道,粘聚力越低,滑坡变形失 稳的可能性越大,即CF值应越大。从粘聚力分区 的CF计算结果中(表lO)可以看出,滑坡发生的确 定性并未完全依照这个规律。因此,在进行实际的 维普资讯 http://www.cqvip.com ・1506・ 岩石力学与工程学报 2002仨 表lO粘聚力区间划分及CF值确定 Table lO CFofcohesive force group 旺段。 致谢 感谢中国科学院成都山地研究所提供的小 江流域的数字高程模型数据。 参考文献 l Can'am A,Guzzetti E Use of GIS technology in the prediction and Monitoring of landslide hazard【J】Natural Hazarstd 1999,2o(2): Il7~l35 2 孙广忠,姚宝魁.中国滑坡地质灾害及其研究【A】.见:中国岩石力 学与工程学会编中国典型滑坡【C】.北京:科学出版社,1988t l~ 分析时,应将不同岩土工程参数与其载体一体结合起来进行综合评价。 岩土 3 Il Baeza C,Corominas J Ass ̄sment ofshallow lndslaide SHSCeptibility by means ofstatistical techniques[A]In:Senneset K ed Proc.VII Int. Symp.on Landslides[C1.Rotterdam:A.A.Balkema,1996t I53~ l58 5结论 4 Carrara A.Multivariate methods for landslide hazard evaluation[J] Mathematical Geologyt 1983,l5(3):403 ̄426 根据滑坡因子敏感性分析,小江流域最利于滑 坡发生的条件是:(1)岩性:昆阳群的鹅头厂组、 大龙组、黑头山.草岭组、震旦系及寒武系的白云岩、 砂岩等:(2)结构:碎裂结构,尤其是镶嵌结构的 碎裂结构岩体:(3)坡度:为30。~50。的中高坡度; 6 5 Fell R Landslide risk ̄sessment and accepmble risk[J]Canadin aGeotchnieque Journalt 1994,3l(2):26l~272 戴福初,李军.地理信息系统在滑坡灾害研究中的应用[J】.地质 科技情报,2000t 19(1):91~96 7 杜榕桓,康志成,陈循谦等.云南小江泥石流综合考察与防治规划 研究[MI.重庆:科学技术文献出版社重庆分社,1987 8 Heckerman A.Probabilistic interpretation of MYCIN’S certainty (4)坡向:南、北、西北向为主;(5)高程:位于 l 000 ̄2 000 m的高程范围内;(6)断裂:特别是小 江深大断裂对滑坡发育起控制作用。然而小江断裂 的不同几何分段部位对滑坡发育的控制作用不同, 控制作用较强的断裂分段为江口一达朵及达朵一阿 factors[A]In:Kanal L N,Lemmer J F d.Unceretainty in Aniifcial Intelligence[C]NewYork:Elsevier,l986,298 ̄3Il ANALYSIS ON SUSCEPTIBILITY OF GIS BASED LANDSLIDE TRIGGERING FACToRS IN YUNNAN XIAOJIANG ATERSHED Lan Hengxing。,Wu Faquan ,Zhou Cheghu ,Wang Sijing (ILREIS,Institute ofGeographical Sciences and Natural Resources Research,The Chinese Academy ofSciences, Bering 100101 China) (2Istnitute ofGeology and Geophysics,The Chinese Academy ofSciences,Beijing 1 00029 China) Abstract Analysis is made on the lndsliade triggering factor susceptibility in Xiaojiang watershed,Yunnan by means of landslide certainty factor(CF).The presented results are helpful to study the landslide mechanism and spatial distribution characteristics.The factors contributing the lndslaide occurrence are determined,including lithology,structure,slope,elevation and faults,etc.. Key words lndsliade stabiliy,ltandslide certainty factor,factor susceptibiliy,GIS t

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