（地质工程专业论文）基于gis的信息量模型在滑坡灾害危险性分析中的应用.pdf

摘要 滑坡灾害的频繁发生，给人类生命财产带来了严重损失。从防灾减灾角 度，开展滑坡灾害危险性分析具有十分重要的理论和实际意义。虽然滑坡灾 害的发生具有随机性的特点，但其发生的区域性特点是滑坡灾害分布与发生 的总体规律。研究滑坡灾害的区域规律为滑坡灾害危险性分析提供了基础， 同时不断发展的地理信息系统( g i s ) 技术为滑坡灾害危险性分析提供了技术 手段。 论文首先介绍滑坡灾害危险性分析的国内外研究现状以及危险性分析的 各种方法，然后系统分析滑坡灾害影响因素的选取和量化的方法，最后阐述 地理信息系统的原理及其在滑坡灾害危险性分析中的应用。 论文选取南水北调西线工程一期工程区达曲库区为研究区进行分析。通 过对已查明的滑坡的统计分析建立研究区的危险性分析指标体系和信息量模 型，运用g i s 技术实现研究区的危险性分区。将研究区分为稳定区、低危险 区、中危险区、高危险区四个级别。其中稳定区占研究区面积的3 1 ；低危 险区占研究区面积的4 2 ；中危险区占研究区面积的2 0 ；高危险区占研究 区面积的7 。 关键词：滑坡灾害，危险性分析，地理信息系统，栅格 a b s t r a c t l a n d s l i d eh a z a r d sh a p p e nf r e q u e n t l ya n db r i n ga b o u tg r e a td a m a g et op e o p l e s l i f ea n dp r o p e r t y i ti sn o to n l yt h e o r e t i c a l s i g n i f i c a n c eb u ta l s op r a c t i c a l i m p o r t a n c et od e v e l o pl a n d s l i d eh a z a r dr i s ka n a l y s i si nt h ep r o c e s so fh a z a r d p r e v e n t i o na n dr e d u c t i o n r a n d o m r e f l e c t so n ea s p e c to fl a n d s l i d eg e n e r a t i o n ，b u t r e g i o nr e g u l a r i t i e sd o m i n a t et h ed i s t r i b u t i o no fl a n d s l i d eh a z a r d so nar e g i o n a l s c a l e t h e k n o w l e d g eo fr e g i o nr e g u l a r i t i e s i st h eb a s i co fr i s k a n a l y s i s ， m e a n w h i l e ，t h ed e v e l o p m e n to fg i sp r o v i d e sr i s ka n a l y s i sw i t ht e c h n i q u em e a n s a tf i r s t , i n t r o d u c er e c e n tl a n d s l i d eh a z a r dr i s ka n a l y s i sa n dv a r i o u sa n a l y s i s m e t h o d si nt h ew o r l d s e c o n d ，a n a l y s eh o wt os e l e c ta n dq u a n t i f yi n f l u e n c i n g f a c t o r so fl a n d s l i d eh a z a r d t h i r d ，e x p a t i a t et h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fg i s t h ep a p e rs e l e c t sd a q ur e s e r v o i ra r e ao ft h ef i r s ts t a g eo ft h ew e s tr o u t eo ft h e s o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c ta s e x p e r i m e n t a ls t u d y i n g a r e a t h e a p p r a i s a ls y s t e m a n di n f o r m a t i o nm o d e la r ee s t a b l i s h e d t h r o u g h s t a t i s t i c a l a n a l y s i so fl a n d s l i d e sw h i c hh a db e e nr e s e a r c h e d ，t h e nr i s kz o n a t i o ni sa c h i e v e d b yg i st e c h n i q u e t h es t u d ya r e ai sd i v i d e di n t of o u rc l a s s e s ：t h es a f ea r e a , t h e l o w - g r a d ea r e a , t h em e d i u m g r a d ea r e a , t h eh i g h - g r a d ea r e a ：t h es a f ea r e a a c c o u n t i n gf o r3 1 o ft h et o t a ls t u d ya r e a ；t h el o w - g r a d ea r e aa c c o u n t i n gf o r4 2 o ft h et o t a ls t u d ya r e a ；t h em e d i u m g r a d ea r e aa c c o u n t i n gf o r2 0 o ft h et o t a l s t i l d ya r e a ；t h eh i g h - g r a d ea r e aa c c o u n t i n gf o r7 o ft h et o t a ls t u d ya r e a k e y w o r d s ：l a n d s l i d eh a z a r d ，蹦s ka n a l y s i s ，g i s ，r a s t e r m 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行 为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或证书所使用过的 材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明并表示了谢 意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：岁砀谚仓 保证人( 导师) 签名： 签字日期：矽多向 签字日期：9 z o 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水利 水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采用影 印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门 或机构送交论文原件或复印件和电子文档。( 涉密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：卢以仓 导师签名： 签字日期： 呶 签字日期： 。7 6 i 口 华北水利水电学院硕上学位论文 o 绪论 0 1 地质灾害概述 灾害是一种自然的或人为因素引起的不幸事件( 或过程) 它对人类的生命财产、 社会经济活动和发展的基础一资源与环境造成了危害和破坏。灾害可概略的分为自然灾 害和人为灾害。自然灾害是指由自然动力活动或自然环境的异常变化对人类造成危害的 现象。自然灾害的形成需具备两个方面的条件：一是具有灾害事件的起源，即自然动力 活动或自然环境的异常变化；二是具有受灾害危害的对象，即人类生命财产以及赖以生 存与发展的资源、环境。 地质灾害是指以地质营力为主要原因引起的自然灾害，即在地质营力作用下，自然 环境恶化，造成人类生命财产损毁或人类赖以生存与发展的资源、环境发生严重破坏的 现象或过程。地质灾害是自然灾害的一种，它具有自然灾害的基本属性，主要表现在： 一是强调致灾的动力条件，即地质作用。地质作用是地质动力引起的。根据动力来源， 地质作用可分为内力地质作用和外力地质作用，但是随着人类工程和经济活动的规模和 范围的不断扩展，人类对地球表面形态和物质组成产生越来越大的影响，这种人为地质 作用显现的愈加突出；二是强调灾害事件的后果，即地质灾害对人类生命财产和生存环 境产生产生损毁。 地质灾害的分类有几种不同的方法：根据造成地质灾害的动力来源，分为内动力地 质灾害、外动力地质灾害、人为地质灾害；根据地质灾害的分布区域自然地质条件和空 间分布特征，分为山地地质灾害( 崩塌、滑坡、泥石流) 、平原地质灾害( 主要是地面 沉降) 、海岸地质灾害( 主要包括海水入侵、海水侵蚀) 、海底地质灾害( 主要是海底 滑坡) 、矿井及人类工程地质灾害( 岩爆、煤瓦斯、地下热害) ；根据地质灾害活动的 时间特点，分为突发性地质灾害( 地震、火山，崩滑流、地面塌陷) 和缓发性地质灾害 ( 地裂缝、地面沉降、海水入侵、水土流失、土地沙漠化、土地盐渍化、水库渗漏) 地质灾害主要的属性特征如下【2 l ： ( 1 ) 地质灾害的必然性和可防御性 地质灾害是地球物质运动的产物，是由于地壳能量不均衡，导致能量转移或地壳物 质运动引起的。地质灾害活动是伴随地球运动，与地球共存的自然现象。这种活动自人 类出现后一直伴随着人类，影响着经济社会发展。同时，灾害的发生是按照一定的规律 达到一定程度后发生的一种自然现象，因此它是不可避免的。但是通过研究灾害的基本 属性，揭示并掌握地质灾害发生、发展及其空间分布规律，就可以对灾害进行控制，并 l 坐j ! 查型查坐兰堕型! ：兰垡笙塞 减少和避免灾害造成的损失。 ( 2 ) 地质灾害的随机性和周期性 地质灾害活动是在多种条件作用下形成的，它既受地球动力活动控制，又受地壳物 质性质、结构和地壳表面形态等因素影响；既受自然条件控制，又受人类活动影响，因 此，地质灾害活动的时间、地点、强度等具有很大的随机性。受地质作用周期性规律的 影响，地质灾害活动还表现出周期性特征。这种特性既可以由一个具体的灾害体活动得 到反映，也可以由地区或区域灾害活动得到反映。例如，滑坡、泥石流灾害具有一年到 几百年的不同时间尺度的周期性活动规律。 ( 3 ) 地质灾害的突发性和渐变性 突发性地质灾害主要是指地震、火山、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等。渐变性 地质灾害有地裂缝、地面沉陷、海水入侵、膨胀土。突发性地质灾害危害人类生命安全， 造成重大经济损失，渐变性地质灾害使得地质环境逐步恶化。另外，灾害的发生都有一 个量变到质变的积累过程，环境恶化到一定程度而形成灾害。 ( 4 ) 地质灾害的群发性和区域性 地质灾害多以灾害点、灾害群的方式发生。就个别而言，这种现象有其偶然性，但 从总体上看，他们并不是孤立的，而是受区域地质条件所控制，受降雨、地震、地形地 貌等条件的制约，具有群发性和区域性。中国的地质构造最突出的特点是：“南北分区、 东西分带、交叉成网”。这一构造格局对区域性地质灾害的分布起着重要的制约作用。 中国的地形从西向东依次降低，形成三个显著的阶梯：第一阶梯青藏高原；第二阶梯中 部山地，崩滑流地质灾害9 0 发育在这一带；第三阶梯东部平原，地面沉降、地裂缝、 海水入侵多发育在这一带。 ( 5 ) 地质灾害的相关性 对于某一特定区域而言，地质灾害往往表现出相关性，例如；地震灾害常常会诱发 崩塌、滑坡灾害。而由于崩塌、滑坡灾害提供了大量的物源，从而又加剧泥石流灾害的 规模和强度；区域性的水土流失改变了自然环境，也形成了泥石流形成的储备条件；区 域性的地面沉陷使地表标高丧失，又为海水入侵提供了基础。 中国地质灾害种类繁多，灾害分布广泛，活动频繁，危害严重。主要成灾特点表现 为： ( 1 ) 地质灾害数量特别多我国大陆发生过活动或具有明显潜在活动危险的各种地 质灾害数以万计，再加上那些发育在人口比较稀少的偏僻边远地区的地质灾害体，则可 能达几十万，甚至几百万处。 2 兰! ! 查型查堡兰堕堡主竺垡笙塞 ( 2 ) 在一定条件下，某些地质灾害与其它自然灾害同时或连续发生，形成破坏比 较严重的灾害群或灾害链崩塌、滑坡、泥石流灾害的这一特征表现的最为突出，其中 比较经常的现象是在泥石流沟谷流域内，通常发育有大量的崩塌体、滑坡体，在强烈的 地震或暴雨的诱发下，首先发生严重的崩塌、滑坡活动，而后由此形成的大量碎屑物融 入洪流，转化成泥石流灾害。这种类型的地质灾害在我国的川、滇等地区非常普遍。 ( 3 ) 地质灾害分布广泛，但不同地区地质灾害发育水平和成灾规模不同不同类型、 不同规模的地质灾害几乎覆盖了中国大陆的所有区域。但是由于地质自然条件和社会经 济条件的差异，使不同地区地质灾害的发育程度和破坏程度显著不同。从全国范围看地 质灾害的区域变化具有比较明显的方向性：从西向东、从北向南、从内陆向沿海，地质 灾害不断趋于严重。这种变化把中国大陆分成特点显著不同的两大地质灾害区域，大致 以长白山、燕山、贺兰山、巴颜喀拉山、念青唐古拉山一带为界，其西北部区域地质灾 害轻微，东南部区域地质灾害严重。 ( 4 ) 地质灾害具有比较严重的潜在危险性全国范围内的地质灾害的发展趋势进 一步趋于广泛化和严重化。从地质条件看，在今后一个时期，地球以致更大系统的天体 运动有可能进入一个更加复杂的变异阶段。在这种形势下，地壳运动可能更加活跃，全 球气候可能出现更加强烈的异常，因此人类面临着环境进一步恶化的严重挑战。从我国 的社会经济条件看，今后一个时期，人口将进一步增长，城市化进程将进一步加剧，更 大规模的资源开发和工程建设活动将在全国范围内发展。在这种情况下，中国大部分地 区地质灾害的发育程度和破坏程度均将不断提高，从而使我国地质灾害达到前所未有的 严重程度。 0 2 本文选题的目的和意义 滑坡灾害是地质灾害的灾种之一，是仅次于地震灾害和洪水灾害的一种严重的地质 灾害。在我国因7 0 地域为山区，故滑坡发生密度大，频率高，我国成为世界上受滑坡 危害最严重的国家之一。在我国，已受到滑坡灾害威胁和可能受到滑坡灾害威胁的地区 约占全国陆地面积的班一v 4 ，每年因滑坡灾害造成的损失数以亿计，给国家和人民生 命财产带来巨大损失，产生严重的社会影响，甚至还影响到国家的技术经济政策1 3 1 。四 川省仅1 9 8 1 年全省因暴雨引发的大小崩塌、滑坡达6 万多处，泥石流1 0 0 0 多条，造成4 0 0 多人死亡，直接经济损失3 5 亿元。1 9 8 2 年重庆云阳县城下游长江北岸的鸡扒子滑坡，滑 坡体积达1 9 1 6 x 1 0 4 m 3 ，其中2 3 0 x 1 0 4 m 3 推入长江，河床堆积高3 0 4 0 m ，水面宽度由 1 2 0 m 减小到只有4 0 m ，鸡扒子滑坡的整治费用高达8 0 0 0 多万元 4 1 。2 0 0 0 年，西藏林芝地 3 兰j ! 查型查皇堂堕堡土兰丝丝兰 区波密县易贡藏布河扎木弄沟发生大规模山体滑坡，历时约l o m i n ，滑程约8l u n ，高差 约3 3 3 0m ，截断了易贡藏布河，形成长约2 5 0 0m 、宽约2 5 0 0 m 的滑坡堆积体，面积约5 k m 2 ，最厚达1 0 0 m ，平均厚6 0 m ，体积约2 8 3 0 亿m 3 ，这一滑坡是目前世界上规模最 大的滑坡之一。造成交通中断，4 0 0 0 多人被困，1 万多人面临洪水的威胁，直接经济损 失1 3 亿元以上( 还不包括8k m 2 的森林) 。据2 0 0 2 年中国国土资源公报，2 0 0 2 年全国发生各 类突发性地质灾害4 0 2 4 6 起，造成8 5 3 人死亡、1 0 9 入失踪、1 7 9 7 人受伤，直接经济损失 5 1 亿元嘲。在过去几十年的经济活动和重大工程建设过程中，由于忽视滑坡灾害的研究 也有很多的教训值得借鉴，如：宝成铁路因滑坡灾害，在铁路接轨后对滑坡整治长达一 年之久才恢复通车；1 9 8 0 年成昆线铁西车站因滑坡中断行车达4 0 天；陇海铁路宝鸡天 水段由于处于我国滑坡灾害的高发区，铁路线在建成后的3 0 年问，因滑坡灾害中断行车 1 9 5 天，经济损失达2 4 9 亿元人民币。随着经济的迅速发展，人类必然会更大范围的开 发利用土地，由于一些不合理的开发利用方式，造成危及人类安全的滑坡灾害问题将日 益严重。最近十多年来，我国滑坡灾害的总体特点是：滑坡灾害理论研究和防治水平在 逐步提高，但是灾害却越来越严重，受潜在滑坡灾害困扰的县级城镇达4 0 0 多个，有1 万 多个村庄受到滑坡、崩塌、泥石流等灾害的威胁1 6 】。 然而，由于认识和管理水平的局限，同时受制于经济条件，目前只能调用有限的资 源、采取有限的措施来应对滑坡灾害的频繁发生。同时，由于滑坡灾害发生的时间、地 点、规模和方式具有很大的不确定性，我们对这种不确定性的认知能力还有诸多的不足， 因而在制定防灾方案时缺乏必要的依据，无法作出确定性决策。这一切都依赖于滑坡灾 害风险评价水平的提高。滑坡灾害危险性分析是滑坡灾害风险评价的基础，近年来，大 量学者对滑坡灾害危险性分析理论与方法进行了深入研究，滑坡研究的特点已由单个滑 坡的现象描述、分类、治理发展到以定性和定量描述为基础的危险性评价、预测。滑坡 灾害的区域性规律认识进一步充分，各种危险性分析方法相继提出，危险性评价体系不 断完善，危险性分析已经成为表达滑坡灾害不确定性的一种重要方法。然而无论是在理 论上还是在实践上，滑坡灾害危险性分析都处在一种探索、逐步发展阶段。 南水北调西线工程是我国水利建设中的超大型水利工程。由于各种原因，该地区工 程地质综合研究程度一直较低，而这一地区又是我国地质条件最为复杂的地区之一。西 线调水工程区地处青藏高原东部，高山峡谷众多，新构造活动强烈，地质条件复杂，地 震活动频繁，多年冻土和季节性冻土发育。受自然因素控制和人类活动影响，尤其是工 程建设对滑坡表层大规模的扰动，大坝附近、库区和输水线路区的大型崩塌、滑坡和泥 石流等灾害将成为工程施工和运行期间的重要危害和控制性障碍。主体工程及其配套工 4 程的建设，将诱发新的滑坡灾害。水库库区由于水动力环境条件变化而造成的库岸失稳 和大型滑坡复活是库区的一类重要地质灾害，对工程和环境造成较大的危害。面对这样 的形势，传统的以单个滑坡机理研究和整治为目的的方法和手段在减轻滑坡灾害方面已 经显得力不从心，所以区域性、超前性的滑坡灾害危险性分析迫在眉捷。通过对西线工 程区库区滑坡灾害规律的研究，建立滑坡灾害危险性评价体系，进行危险性前瞻分析， 将对库区工程安全、环境保护和灾害减缓具有重要的指导意义。 因此，对西线调水区的滑坡灾害危险性进行分析具有重要的理论意义，并对工程建 设具有重要的实践指导意义。 0 3 本文的研究思路及内容 通过对国内外滑坡灾害危险性研究现状的分析，综合分析目前已有的各种危险性分 析方法，本文将针对特定的研究区域，选取合适的危险性分析方法建立评价指标体系， 以地理信息系统( g i s ) 为辅助工具，进行研究区危险程度的试探性分析( 图0 - 1 。 本文研究的主要内容包括： ( 1 ) 综合分析目前各种滑坡灾害危险性分析的数学方法，并总结出各种方法的优 缺点； ( 2 ) 详细阐述评价指标体系的建立方法包括：滑坡灾害主要影响因素分析、影响 因素的量化方法： ( 3 ) 论述地理信息系统( g i s ) 的基本理论及其在滑坡灾害危险性分析中的应用方 法： ( 4 ) 以南水北调西线调水区达曲库区为研究区域进行滑坡灾害危险性分析，将以 上所论述的各种理论付诸实践。 里翠 。 糟荆标准 图0 - 1 研究思路与内容 f i 吕0 - 1m e n t a l i t ya n dc o n t e n to f r e s e a r c h 5 华北水利水l 乜学院硕l ：学位论文 1 滑坡灾害危险性分析研究现状及其主要方法 1 。1 滑坡灾害危险性分析研究现状 1 1 1 国外滑坡灾害危险性分析研究现状 从2 0 世纪中叶开始，国外许多发达国家开始重视滑坡等灾害对国民经济所造成的危 害，美国、日本、原苏联、瑞士等国家组织有关专家，根据影响滑坡发生的因素对本国 重点建设地区( 特别是山区) 进行滑坡危险性评价，并逐步以法规的形式将滑坡危险性区 划纳入国家建设规范【碉。这一时期的研究主要限于灾害机理及预测研究，重点调查分析 灾害形成条件与活动过程。但是，随着灾害破坏损失的急剧增加，促使人类把防灾、减 灾工作提高到前所未有的程度。滑坡灾害危险性分析经历了由定性分析到定性半定量 分析的发展历程，对滑坡灾害影响因素、滑坡灾害危险性分析方法的研究也逐渐深入。 如：美国专家利用“滑坡敏感性预测方法”进行危险性分区。该方法认为滑坡是一个复 杂系统，其发育受主要影响因素控制，因此该方法主要利用单因素进行危险性分区研究； 欧洲科学家1 9 7 7 年提出了编制1 ：5 0 00 0 0 全欧洲滑坡灾害工程地质图及灾害区划图的必 要性和基本原理，建议编图从以下两个方面进行：一是标出各种滑坡灾害的位置、类型、 成因和影响因素；二是滑坡灾害所处的地质背景( 大地构造、地层、地貌和岩石的岩性 及工程地质特性) ，从而确定滑坡灾害的分布规律。在此基础上对不同地区进行定量的 危险性分析 g a o l 。 2 0 世纪7 0 8 0 年代，一些发达国家首先拓宽了灾害研究领域，开始进行滑坡灾害的 评估工作，继而世界大部分国家和地区都开展了区域滑坡灾害的危险性分析研究。主要 是针对以下几点：一是对滑坡灾害影响因素的研究；二是危险性的分区理论研究；三是 滑坡灾害预测图( 危险性分区图) 的编制探讨1 1 1 6 1 。法国科学家提出的的z e r m o s 法认为 滑坡分布不是单因素所能控制的，需要两个或两个以上的因素控制，此后随着对滑坡灾 害认识的不断深入，“多因素综合预测法”普遍应用于滑坡灾害危险性分析l 切。 e i n s t e i n ( 1 9 8 8 ) 对滑坡灾害的危险性进行了系统分析，提出了事件先验概率和后验概率 的统计评价方法，从滑坡灾害图的角度提出了5 个层次的滑坡灾害评价过程：滑坡灾害影 响因素图、滑坡灾害现象分布图、危险性图、风险图、滑坡灾害管理图。其中危险性图 是一种基于分析信息的预测性图件，预测可以是定量的也可以是定性的，但主要反映滑 坡灾害发生的概率大小【l s l 。 进入2 0 世纪8 0 年代后期，世界大部分国家和地区都开展了区域滑坡灾害危险性分析 研究，如意大利、瑞士、美国、法国、前苏联、西班牙、新西兰、印度等。各国科学家 6 望! ! 查型查皇兰堕堡主竺垡笙苎 普遍重视滑坡灾害危险性的定量分析，特别是危险性分析数学模型的研究与应用，相继 提出了许多滑坡灾害危险性分析的数学方法，如多元回归分析、线性指数方法、模糊数 学方法等等，在实际应用中也取得了较好的效果1 1 9 删。这一时期的滑坡灾害危险性分析 属于半定量、定量阶段，其基本思路都是筛选若干控制因素和诱发因素，运用提出的数 学方法进行计算，得出个危险性指标，据此进行危险性的详细分析。 近年来发展起来的g i s 技术是一个可以使数据库和地理信息一体化，并可提供空间 模拟能力的计算机系统 2 4 1 。g i s 技术在滑坡灾害危险性分析中的应用已从数据管理、数 据数字化输入和绘图输出，到数字高程模型( d e m ) 或数字地形( d i t m ) 的使用、g l s 结合灾害评价模型的扩展分析、g i s 与决策支持系统的集成技术的应用，g i s 已逐步发 展成熟并得到深入应用瞄硎。在滑坡灾害危险性分析中，g i s 技术应用比较成熟的地方 主要体现在：一是g i s 技术在滑坡灾害影响因素选取中的应用。如：m a r k 利用g i s 数据库 中的1 5 0 0 个滑坡研究了浅层滑坡频度与地形的关系，得出陡峭地形与滑坡具有很好的统 计相关性【冽；t o r r e s - s a n c h e z 对p u e r t o r i c o - - 个典型研究区滑坡发生频率与环境背景因 子进行了统计分析，发现坡度大于1 2 。、高程大于3 0 0 m 的北东东向斜坡为易滑地质环境 条件1 2 2 l 。二是g i s 技术与各种评价方法相结合进行滑坡灾害危险性分区。l e js 等利用g i s 结合遥感图像，便用概率法、逻辑回归法和神经网络法对滑坡发生因子进行统计，分 析滑坡危险性【捌；bt e m e s g e n 等使用t m 和s p o t 图像，利用g i s 技术对衣索比亚o e m 数据、 坡度图、坡向图、植被覆盖图和地质图进行叠加分析，得出滑坡危险等级图p 哪。 i i 2 国内滑坡灾害危险性分析研究现状 我国开展滑坡危险性区划工作始于2 0 世纪7 0 年代末，8 0 年代初期，在此期间由于我 国相继发生了四川鸡爬子滑坡、湖北盐池河磷矿、甘肃洒勒山、湖北新滩镇等重大滑坡、 崩塌事件，三峡水电站和二滩水电工程相继开展了库区滑坡调查和库岸滑坡的预测工 作，推动了我国滑坡危险性分析的研究。这一时期的分析多在广泛的野外调查的基础上 进行，以定性评价为主，针对的对象也多为单体滑坡。研究也主要局限于对滑坡灾害分 布规律、形成机理、趋势预测等方面。 2 0 世纪8 0 年代后期至9 0 年代中期，中国地质灾害区域评价领域的研究基本上处于停 滞状态。到2 0 世纪9 0 年代后期，滑坡灾害研究开始突破传统的研究模式，研究水平不断 提高，研究内容日益丰富。主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 地质灾害危险性评价法律法规进一步健全继国际减灾十年计划行动，我国 在包括滑坡灾害在内的地质灾害危险性评价与灾害管理方面的法律法规建设取得了十 分明显的进展。国土资源部于1 9 9 9 年3 月2 日颁布的地质灾害防治管理办法，使得地 ! 垄查塑查生兰堕堡主兰竺堡兰 质灾害防治工作正逐步纳入法制化的轨道，为地质灾害防治管理工作提供法律保证。紧 接着，国土资源部针对地质灾害与建设用地的关系问题，发布了关于实行建设用地地 质灾害危险性评估的通知。并自1 9 9 9 年1 2 月1 日起，城市建设、地质灾害易发区内进 行建设及其他有可能导致地质灾害发生的工程项目建设，在项目选址阶段必须进行地质 灾害危险性评估【孔, 3 2 1 。 ( 2 ) 滑坡灾害由单体研究到注重区域分析滑坡灾害的区域分布主要是与区域地 质环境、地形地貌特点有关。区域滑坡灾害危险性分析从根本上把握了一个地区滑坡灾 害的基本规律和关键点，为土地规划、减灾决策、灾害管理提供宏观上的依据i 珏3 9 1 。其 不足就是难以为特定的工程服务，难以为特定的工程对象提供灾害预报的依据。 ( 3 ) 滑坡灾害危险性分析方法的相继提出并在实践中得到了较好的验证滑坡灾 害危险性分析由定性发展到定量、半定量的标志就是学科之间的相互渗透和现代科学一 系列新的理论方法引入危险性分析中。随着计算理论的发展，危险性分析方法如信息量 法、模糊数学方法、回归分析方法、人工神经网络方法相继提出，大大提高了滑坡灾害 危险性研究的理论水平、应用水平h o - 4 7 1 。这一时期，危险性分析的研究内容、研究思路 与国外2 0 世纪8 0 年代时期没有本质上的区别。其基本思路都是筛选若干控制因素和诱发 因素，运用提出的数学方法进行计算，得出一个危险性指标，据此进行危险性的详细分 析。 ( 4 ) g i s 技术与滑坡灾害危险性分析发法的结合随着高校与科研院所将地理信息 系统( g i s ) 引入滑坡区域评价，g i s 与各种危险性分析方法结合进行区域评价，g i s 技 术贯穿于评价数据的获取、评价计算、评价结果的表达这一评价的全过程之中，第一次 将滑坡灾害区域评价从传统的繁复手工劳作中解放出来，并为运用多种数学方法进行对 比分析提供了方便。国内把g i s 技术应用于滑坡灾害危险性分析也作了很多工作，g i s 技 术的应用从滑坡灾害的数据管理、多源数据采集发展到数字高程模型、数字地面模型的 使用、6 i s 结合灾害评价模型的扩展分析、g i s 与决策支持系统的集成、g i s 虚拟现实技 术的使用、网络化g i s 的应用等等主要体现在：一是g i s 技术与各种评价模型相结合进 行滑坡灾害危险性分析，主要是利用g i s 的空间分析功能与预测模型的结合进行滑坡影 响因素的空间叠加与分析，进行危险性预测，得到相应的预测分区图【州7 】。二是基于g i s 的滑坡灾害预测与管理。从影响滑坡灾害危险性的主要因素出发，利用g i s 的空间分析 功能进行因素叠加，实现风险评估，并结合g i s 的信息管理功能，对滑坡灾害危险性进 行综合管理，实现滑坡灾害管理决策，达到防灾减灾的目的【5 1 1 。为推动国土资源的现 代化管理及保护，国土资源部于1 9 9 8 年底展开新一轮的国土资源调查与评价的科学技术 8 兰! ! 查型查! 坠兰堕堡兰竺堡丝苎 试验( 示范) 工作，由成都理工学院牵头，全国地质环境监测总站及国土资源部长江三 峡地质灾害防治指挥部参加，进行“地质灾害信息系统及防治决策支持系统”专项开发 的试验研究。在试验区建立地质灾害的评价分析，提供信息采集、存储、管理、检索、 分析及编图等全过程的计算机处理软件工具系统。系统的建立将面向全国地质灾害调查 和综合评价工作，是一个专业型综合信息系统( g g i s ) 。系统根据地质灾害信息在空间 的分布特征，提供人机交互的综合分析处理和编图的计算机辅助处理功能，产生对区域 规划、灾害防治，管理决策等方面的有用信息。 综合国内外的研究成果，可以得出如下结论： 各国所进行的地质灾害评价有许多的共同之处： ( 1 ) 对控制滑坡发生和发展的因素认识，从单因素发展到充分考虑各种地质因素 的共同叠加作用； ( 2 ) 滑坡危险性分析理论和分析方法不断发展，相继提出各种预测模型； ( 3 ) 各种危险性分析为工程实践和防灾减灾提供了重要的依据。 同时也存在一些需要改进的地方： ( 1 ) 对控制滑坡的影响因素的认识存在较大的主观性，影响了评价结果的可信度； ( 2 ) 对指标体系的量化基本是以经验为基础确定的，理论方法尚待进一步的研究；o ( 3 ) 针对同一区域，应用不同的预测方法得出的结果也不尽相同，势必影响滑坡 危险性分析的可信度。 通过以上分析可以得出滑坡灾害危险性研究的基本趋势是：从历史与现状分析走向 预测与研究结合；从个体分析走向个体与区域研究相结合；从定性分析走向定量评价； 从单项要素分析走向综合要素评价；从传统的调查统计和手工制图走向以g i s 技术为核 心的模型化评价与计算机制图，并向网络技术化发展。 1 2 滑坡灾害危险性分析的基本原理 滑坡灾害危险性分析主要是基于下面几条原理1 3 7 1 ： ( 1 ) 工程地质类比 未来滑坡或其他斜坡不稳定现象的工程地质条件理应类似于已有滑坡所具备的，故 现有滑坡的条件有可能外推到前者以预测未来滑坡的空间位置。也就是说，两类斜坡仅 当具有相同或类似的工程地质静态条件和动态作用因素时，才可认为两类斜坡的不稳定 性或灾害强度和发展趋势是可类比的。作为统计预测情形，大多是以野外的抽样统计为 基础，故可视为充分满足类比原理的一种类比分析。 9 ：兰! ! 查型查生兰堕堡生兰竺堡奎 ( 2 ) 区域斜坡演化过程的平稳性 在相对不长的一段历史时期内，若斜坡的基本地质条件不发生显而易见的变化，则 未来区域斜坡的演化过程，其破坏的平均时间频率将与过去所具有的特征相同。即区域 斜坡演化的过程为一平稳过程。若以以( f 。- t 。，) 表示自时刻起的时间段出一t l t o 内某 空间点固定邻域s 内发生的滑坡的次数，则上述事件可表示为： e 一咒o ，一t o , ) - 石0 垃 ( 1 1 ) 式中：i ( g ) 为邻域内单位时间发生滑坡的平均值。这一性质使我们可根据过去一定历 史阶段的滑坡事件的过程密度去预测未来相应时问内的滑坡密度 ( 3 ) 斜坡演化过程与滑坡空间分布的时空等效性 区域4 内在时刻t ，滑坡群体数必然是一定地质历史阶段丁一t 。一f o 中该区域滑坡随 机事件在a 上的投点数，即： 盹川一辱氆挚冲 m 2 ， 对于工程地质条件组合基本均匀的较小区域而言，上式可近似地表示为： ( f 。，彳) = 行o a t 一万。4 0 l t 。) ( 1 3 ) 式中：n 。为某区域单位面积内发生滑坡的个数。对于大体均一平稳的工程地质条件组合 而言，t l o 为常数，故而爿，t ( t i t o ) 对于( f 。，彳) 具有等效的意义，亦即斜坡演化过程 的研究可以转化为对滑坡事件分布空间的研究。此即库恰依b k 多次引用过滑坡过程为 一各态历经的平稳过程假说，即对滑坡在大面积上的短期研究等效于在小面积上进行长 期研究的结果。 1 3 滑坡灾害危险性分析的方法 1 3 1 工程地质分析法 工程地质分析法是对滑坡灾害危险性的定性评价。该方法主要依靠专家的经验，最 早应用工程地质类比法。工程地质分析法的理论基础是地质成因演化论及岩体结构理论 1 6 2 j 。该方法实质上就是利用已有的自然边坡或人工边坡的稳定性状况及其影响因素、有 关设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中 去的一种方法。它需要对已有的边坡和目前的研究对象进行广泛的调查分析，全面研究 工程地质因素等的相似性和差异性，分析影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶段的 兰些查型查! 皇兰堕堡兰兰竺丝兰 相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、方式等的相似性和差异性，兼顾工程 的等级、类别等的特殊要求。通过这些分析，来类比分析和判断研究对象的稳定性状况、 发展趋势、加固处理设计等。 1 3 2 信息量法 信息预测的观点认为：地质灾害的产生与预测过程中所获取信息的数量与质量有 关，可用信息量表示；地质灾害现象( y ) 受多种因素的影响，各种因素置所起作用的 大小、性质是不相同的；在各种不同的环境中，对于地质灾害而言，总会存在一种“最 佳因素组合”，因此，对于区域地质灾害要综合研究“最佳因素组合”，而不是停留在 单个因素上【5 5 捌。 信息量的计算公式是： ，( ) ， 屯毛) 一l o g 掣 c - 4 ， 根据条件概率运算，上式可进一步写成： 如畸砭一) z j 而) + ( ) ，而) + - - - + 。b ) ( 1 - 5 ) 式中： 几。而砭) ：因素组合毛z ：工。对地质灾害所提供的信息量( b i t ) ； 乩，而b ) ：因素毛x ：组合条件下地质灾害发生的概率； l 而) ：因素工。存在时，因素屯对地质灾害提供的信息量( b i t ) ； m ) ：地质灾害发生的概率 式( 1 - 5 ) 说明：因素组合而屯对地质灾害所提供的信息量等于因素 提供的信息量，加上因素而确定后因素工：对地质灾害提供的信息量，直至因素工。工：。 确定后，对地质灾害提供的信息量。从而说明区域地质灾害信息预测是充分考虑因素 组合的共同影响与作用。 区域地质灾害的预测是在对区域地质灾害分布图开展信息统计分析的基础上进行 的。如果采用面积比来计算信息量值，则可表示成： 如料一) - l o g 笳 ( 1 旬 式中： 兰j ! 查型查! ! 兰堕堡! ：兰竺堡苎 4 ：区域内单元总面积； 4 ：已经发生地质灾害的单元面积之和； s ：具相同因素石。x ：组合的单元总面积； 瓯：具相同因素v ：毛组合单元中发生地质灾害的单元面积之和。 一般情况下，由于作用于地质灾害的因素很多，相应的因素组合状态也特别多，样 本统计数量往往受到限制，故采用简化的单因素信息量模型分步计算，再综合叠加分析， 相应的信息量模型改写为： ，- 砉一辜l o g 筹 7 ， ，：预测区某单元信息量预测值( b i t ) ； ，；：因素t 对地质灾害所提供的信息量( b i t ) ； s ：因素置所占单元总面积； ：因素t 单元中发生地质灾害的单元面积之和。 信息量法是进行区域地质灾害评价的一种有效方法，其综合研究“最佳因素组合”， 而不是停留在单个因素上，充分考虑因素组合的共同影响与作用，同时可以预测：考虑 的因素越多，有用信息也就越多，相应的精度就越高。但是对区域滑坡灾害评价而言， 获取大量的有用信息是要付出相当的代价的，而且有时会带来“信息超载”的现象，增 加了分析系统的复杂性，并未带来明显的作用。 1 3 3 模糊综合评判法 模糊数学理论成功地应用在许多岩土工程分析评价中，为研究和处理具有双重不确 定性的事物提供了新方法，其核心就是用参数问的模糊关系替代数学假设基础上求出的 解析关系【删。一个系统中如控制的因素较少且较容易确定各个因子的权重，一般采用一 级模糊综合评判，就可以满足评判的需要。但对于一个复杂系统，影响系统稳定性的因 素较多，且权重的分配较难，这样经常会造成样本的错判或漏判，为了克服这一缺点， 经常采用二级或多级模型进行评判。 ( 1 ) 一级模糊综合评判 建立评判对象的因子集，- 0 。，犯：，叫。 ，即给出各个判别指标，它们综合反映了 影响被判别样本归属的各种主要要素； 华北水利水屯学院硕l 学位论文 建立评判集y - 鼽，v ：， ，即判别样本的归属( 危险度等级) ； 建立单因素评判，即建立一个从u 到，缈) 的模糊映射： ，：u f 缈l 妇；c u 吩- ，“。) 鱼+ 垒”+ 量，其中o 白1 0 , 1 s s m , 1 ；j s n ”l ”2心 由，诱导出模糊关系r ，得到模糊矩阵： r l l2 r 2 1 屹 r 1 0 2 ( 1 - 8 ) r 称为单因素评判矩阵，于是移，v ，r ) 构成了一个综合评判模型，称为综合评判空间。 综合评判 由于各因素有不同的侧重，因此需对每个因素赋予权重，可表示为u 上的一个模糊 子集爿一0 。，4 ：，口。) ， 则综合评判为： b 。a o r ( i - 9 ) 记做b 一侈。，6 ：，屯 ，它是y 上的一个模糊子集，其中= v ( 口，一o ) 并对评判结果作归一化处理，根据最大隶属原则确定样本的归属。 ( 2 ) 二级模糊综合评判【删 将全部参评因素集合【，按某种属性分成s 类，记作c ，。，u ：u ，其满足 u l ，u jn ，j 一妒f _ ， 设每个子集的因素为：啦- 岳n ，吩：，。 ，o 一1 ，2 ，s ) 对于每个子集“，按一级模型进行评判。 假设评判集y - h ，屹， ，仉上的权重分配为4 - 0 n ，n 。，4 蛔j ，其中 善。1 u 的单因素评价矩阵为r ，于是第一级的综合吁判为： 岛- a i 。墨。 。，6 j ：，6 k ) ( f - 1 ，2 ，s ) ( 1 1 0 ) k 华北水利水l 乜学院硕j 学位论文 将每一个玑作为一个元素，用且作为它的单因素评判，又可构成评判矩阵： r i 毋 曰2 ： b | kb ： b 2 l6 2 2 b u , 6 2 舸 6 ，。6 j ：k ( 1 - 1 1 ) 它是- 每n ，“。，“。 的单因素评价矩阵，每个u ，作为u 的一部分，反映了u 的某类 属性，按照它们的重要程度给出权重分配，爿一【口i ，4 ；，口：j ，则第二级综合评判： b 一爿。o r ，从而对样本进行判别。 模糊综合评判方法，也考虑了多重因素的综合作用，但参评因素的选择、权重分配 的理论与方法的不完善，对滑坡灾害的评价有较大的影响，尤其是对各要素隶属度函数 的确定在理论上还没有一个普遍适用的方法。文献【4 3 】采用模糊综合评判方法，选取历 史灾害危险性、地质环境条件、成灾体易损性三个参评因素，建立三等级危险性分析， 对参评因素的隶属函数采用以下公式： u l ( x ) 一 “：g ) 一 u ：3 g ) - k ，+ 乏) 一数 口2 一q 0 及一知1 4 2 一a i 1 2 a ，一2 x a 2 一q 口2 一口l l 膏口l 4 - t 工t t a l + a z 石鱼1 2 2 卟茸c 笔粤 工! ! 1 2 ( 1 1 2 ) 2 1 11 生工 斜坡变形线状， 故三类指标的权值可以分别定为1 0 、6 1 8 、3 8 2 。同理，对能够区分主次关系的同级指 标按相同方法定义权彭7 4 】。周伟等对清江流域进行地质灾害预测中，采用黄金分割法建 立影响因素权重分级表( 表2 8 ) ，结果表明地质灾害预测图与地质灾害现状较吻合吲。 华北水利水电学院硕士学位论文 表2 - 8 地质灾害影响因素权重分级表 考评因素 因子 因子分级权值 因素分类名称 i 5 0 。 3 0 9 a t 地表坡度 2 3 0 5 0 。 1 9 1 3 0 9 ) 3 1 0 3 0 。1 1 8 4 5 0 0 m 1 9 1 b - 相对商差2 2 0 0 5 0 0 m 1 1 8 a 地形冈素 ( 1 9 1 ) 3 5 0 2 0 0 mo 7 3 ( 6 1 8 ) 4 1 3 7 5 1 1 8 ( 1 0 0 0 ) a 3 线性密度 2 i n 5 1 3 7 5 0 7 3 ( 1 1 8 ) 3 7 5 1 0 50 4 5 4 2 0 0 0 r a m1 4 6 外部条件 c ? 年均降水量2 1 4 0 0 2 0 0 0