（地质工程专业论文）基于gis和logistic模型的地质灾害危险性区划研究.pdf

摘要 地质灾害危险性评价与区划是有效减缓地质灾害风险的一项基础性工作，已成为国 内相关领域研究的热点。区划手段多采用g i s 平台进行单元剖分，建立评价指标体系， 利用栅格运算和归一化处理进行危险性分级。在评价方法上引入了模糊综合评判法、层 次分析法、l o g i s t i c 模型、c f 法等方法。本文在总结和分析前人研究成果的基础上，以 陕西省延安宝塔区作为研究区，利用实地调查资料和1 ：5 万d e m 数据，基于g i s 和 l o g i s t i c 模型提取地质灾害危险性指标并定量化确定其权重，实现对研究区地质灾害危 险性评价与区划，所得区划结果与实际情况吻合较好。 主要研究内容有： ( 1 ) 地质灾害危险性评价指标体系的建立及其提取量化。根据地质灾害详细调查 数据和d e m 数字高程模型，建立了灾害点密度、坡型、坡度、坡高、植被、人类工程 活动、降雨等7 个因素构成的地质灾害危险性评价指标体系。使用a r c g i s 的空间地形 特征提取和水文分析功能，逐一对地质灾害危险性评价的每一个指标进行提取量化；并 使用折线型和直线型阙值法对其进行归一化处理，使其处在无量纲或同一量纲下。 ( 2 ) 建立l o g i s t i c 回归模型。利用l o g i s t i c 模型对二分类变量和非线性回归的优势， 拟合地质灾害发生与否和地质灾害危险性指标之间的关系，建立与地质灾害发生概率拟 合程度高的非线性l o g i s t i c 回归模型，得到指标权重和地质灾害发生概率计算方程，定 量确定各评价指标的权重。 ( 3 ) 地质灾害危险性区划。利用a r c g i s 空间分析模块完成基于流域单元网格的地 质灾害发生概率聚类分析，实现研究区地质灾害危险性评价与区划。 ( 4 ) 基于g i s 和l o g i s t i c 模型的地质灾害危险性区划技术方法。初步形成了一套 基于g i s 和l o g i s t i c 模型，资料采集一资料分析一地质灾害危险性指标体系建立一评价 指标提取与归一化处理一l o 西s t i c 模型分析一危险性区划的地质灾害危险性定量评价与 区划技术方法。 关键字：地质灾害危险性区划指标权重g i sl o g i s t i c 模型d e m a b s t r a c t g e o l o g i c a lh a z a r d sr i s ke v a l u a t i o na n dz o n i n gi s af o u n d a t i o n a lw o r ko fr e d u c i n g g e o l o g i c a lh a z a r d sr i s ke f f e c t i v e l y i th a sb e c o m et h eh o ts p o to fd o m e s t i cr e l a t e dd o m a i n t h eu s u a ls t e po fz o n i n gi ss u b d i v i d ee l e m e n t 晰t l lg i sc l i e n t ，e x t r a c tt h eg e o l o g i c a lh a z a r d i n d e x s ，g d dc a l c u l a t e ，m a k eau n i f i e dd i m e n s i o no fi n d e x s ，t h e nc l a s s i f i e db yr i s k f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ，a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ，l o g i s t i cm o d e l ，c fm e t h o da r eu s e d w i d e l yi ng e o l o g i c a lh a z a r d sr i s ke v a l u a t i o na n dz o n i n g o nt h eb a s i so fs u m m a r i z e da n d s t u d yp r e d e c e s s o r s a c h i e v e m e n t s ，u s i n gi n v e s t i g a t i o nd a t aa n d1 ：5 0 0 0 0d e m ，t h i sa r t i c l e e x t r a c t e dt h eg e o l o g i c a lh a z a r di n d e x sa n dd e t e r m i n e dt h e i rw e i g h t sq u a n t i t a t i v e l yb a s eo n g i sa n dl o g i s t i c ；r e a l i z e dt h eg e o l o g i c a lh a z a r dr i s kz o n i n go fs t u d ya r e a , a n dt h er e s u l ti n a c c o r dw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n t h em a i nr e s e a r c h e sa r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) s e tu p ，e x t r a c t e da n dq u a n t i z e dg e o l o g i c a lh a z a r di n d e x ss y s t e m s e tu pg e o l o g i c a l h a z a r di n d e x ss y s t e mo f7f a c t o r si n c l u d eg e o l o g i c a lh a z a r d sp o i n t sd e n s i t y , s l o p es h a p e ，s l o p e g r a d i e n t , s l o p eh e i g h t ，v e g e t a t i o n ，h u m a ne n g i n e e r i n ga c t i v i t i e sa n dr a i n f a l l u s e dt h et e r r a i n f e a t u r ee x t r a c t et o o l sa n dt h eh y d r o l o g i ca n a l y s i st o o l so fa r c g i st oe x t r a c ta n dq u a n t i z et h e i n d e x s t h e nu n i t i z e dt h e m 诚t 1 1t h ef o l d l i n eo rl i n e a rt h r e s h o l d ，m a k eau n i f i e dd i m e n s i o n ( 2 ) s e tu pl o g i s t i cr e g r e s s i o nm o d e l t a k ea d v a n t a g eo fl o g i s t i cm o d e lt oc l a s s i f i c a t i o n v a r i a b l e sa n dn o n l i n e a rr e g r e s s i o n ，f i t t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e o l o g i c a lh a z a r da n dt h e i n d e x s ，s e tu pn o n l i n e a rl o g i s t i cr e g r e s s i o nm o d e lw h i c hf i t t i n gg e o l o g i c a lh a z a r dp r o b a b i l i t y w e l l g o tt h eq u a n t i f i c a t i o n a lw e i g h t so fi n d e x sa n dt h ee q u a t i o no fg e o l o g i c a lh a z a r d p r o b a b i l i t y ( 3 ) g e o l o g i c a lh a z a r d sr i s kz o n i n g f i n i s h e dt h ec l u s t e ra n a l y s i so fg e o l o g i c a lh a z a r d p r o b a b i l i t yb a s eo nb a s i nu n i tg r i db yu s i n gs p m i a la n a l y s i sm o d u l eo fa r c g i s t h e n a c c o m p l i s h e dt h eg e o l o g i c a lh a z a r dr i s kz o n i n g ( 4 ) t h eg e o l o g i c a lh a z a r dr i s kz o n i n gm e t h o da n dt e c h n i q u eb a s eo ng i sa n dl o g i s t i c f o r m e dt h et e c h n i c a lr o u t e ，m e t h o d sa n dw o r k i n gf l o wo fg e o g r a p h i c a lh a z a r dr i s kz o n i n g b a s eo ng i sa n dl o g i s t i c ，i t ss t e pi sd a t aa c q u i s i t i o n 一d a t aa n a l y s i s _ b u i l d i n gi n d e x s y s t e m - - - e x t r a c t i n ga n du n i t i z i n gt h ei n d e x s - - - l o g i s t i ca n a l y s i s - g e o l o g i c a lh a z a r dr i s k z o n i n g k e yw o r d s g e o l o g i c a lh a z a r d r i s kz o n a li n d e x w e i g h t g i s l o g i s t i c d e m i i i 长安大学硕士学位论文 研究的背景及意义 第一章绪论 地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破 坏和损失的地质作用( 现象) 。本文所指地质灾害与v a r n e s ( 1 9 8 4 ) 分类的滑坡( l a n d s l i d e ) 【1 】相对应，包含了滑动型、崩塌型和泥石流型地质灾害及隐患。我国是一个多山的国家， 山地、高原和丘陵占国土面积的6 9 ，每年都发生大量的崩塌、滑坡和泥石流等地质灾 害，其中黄土高原地质灾害尤为严重。黄土高原的植被覆盖条件较差，夏雨多集中于7 、 8 两月，且多以暴雨和连阴雨形式降落，因此在流水作用的长期侵蚀下，形成千沟万壑 的独特地貌。而黄土工程地质性质极差，在这些沟谷区域很容易形成崩塌、滑坡、泥石 流等地质灾害。近年来，据不完全统计各类地质灾害每年平均造成1 0 0 0 多人死亡，经 济财产损失达百亿元1 2 】。 因此，开展地质灾害危险性防治工作一直以来是人们研究和解决的热点问题。然而， 在我国现阶段的经济实力仍不足以对每个地质灾害点和隐患进行工程治理措施的条件 下，对地质灾害进行有效预防，为工程治理提供有效依据的途径就是进行地质灾害区划 研究。 开展地质灾害危险性区划研究，既是目前国际地质灾害风险研究的热点问题之一， 也是地质灾害防治工作中的重要环节，它成为解决人类工程活动与自然地质环境矛盾的 主要手段之一，具有重要的实际意义和理论意义。具体来说，对于地质灾害危险性区划 研究具有以下意义： ( 1 ) 作为地质灾害风险管理的基础性研究工作，地质灾害危险性区划研究对区域 地质灾害灾情评估和防治工作有着指导性作用。本次研究利用先进的g i s 技术和拟合 度、适用性高的l o g i s t i c 对地质灾害发生的主要控制因素、诱发因素、影响因素等实行 定量化描述，信息化、科学化、定量化确定地质灾害危险性指标权重，以此作为根据进 行区域地质灾害危险性区划，可以为区域地质灾害防治工作提供可靠度较高的定量依 据，为后续风险管理提供有力的技术支持。 ( 2 ) 我国黄土高原面积广大，其内地质环境条件较差，地质灾害频发，给当地人 民和财产造成了巨大的损失和威胁。合理量化的地质灾害危险性区划对区域人民财产安 全保护、土地利用、防灾减灾工作具有重大的实际意义。 第一章绪论 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 地质灾害危险性区划研究始于上世纪6 0 年代的美国以及一些西欧国家。为了安全 合理的利用斜坡地带，一些专家采用敏感因素法对斜坡地带进行地质灾害危险性区划分 带。国外地质灾害危险性区划多针对于单一灾害或小区域区划的研究。2 0 世纪6 0 年代 末期美国一些学者利用地质灾害敏感性预测方法对加利福尼亚州进行了地质灾害危险 性区划；2 0 世纪7 0 年代初，法国一些专家使用z e r m o s 法f 3 】进行地质灾害危险性区划， 并提出多因素评价数学模型。 进入2 0 世纪8 0 年代，各国开始普遍开展地质灾害危险性区划工作，并在多因素综 合评价预测理论的基础上进行地质灾害危险性区划达成了一致，方法上主要采用和发展 了多种线性和非线性的数学模型。 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着g i s 技术的发展和成熟，越来越多的学者将g i s 技术 和数学模型结合，采用多因素综合评价的定量方法进行地质灾害危险性区划研究。v a n d i j k e t 4 l 等人基于g i s 对山区地质灾害进行分析，经过大量的资料整理和数据处理后，建 立了一套完整数据库，进而开发出用于地质灾害危险性分析评价模型；b a r r e d o l 等人基 于g i s ，运用层次分析法( a h p ) 在西班牙t i r a j a n a 地区的地质灾害进行了评价( b a r r e d o l e ta l ，2 0 0 0 ) ；g o r s e v s k i 等人提出将l o g i s t i c 回归模型和g i s 技术应用于地质灾害的空 间预测( g o r s e v s k ie ta l ，2 0 0 0 ) ；o h l m a c h e r 和d a v i s 在美国k a n s a s 东北地区对地质灾 害进行预测时，也使用了l o g i s t i c 回归模型1 5 1 ；a y a l e w 等人对日本t s u g a w a 地区运用 g i s 和加权线性组合法( w l c ) 相结合，进行了地质灾害危险性区划工作( a y a l e we ta l ， 2 0 0 4 ) 。 同时，不少专家学者也采用了定性评价的方法进行地质灾害危险性区划研究，这些 方法多是以专家经验和主观判断为基础，在现场结合地质地形数据对区域进行地质灾害 危险性区划。例如：印度的r o o r k e e 大学基于提取建立多元数据集，引入滑坡危险性系 数( l n r f ) ，对喜马拉雅山麓p a m g a n g ac a t c h m e n t 地区进行了滑坡灾害危险性分带， 从而得出滑坡危险性区划刚6 】；akp a c h a u r i 等人利用对喜马拉雅g a r h w a l 地区进行地 形分类得到滑坡区划制图，提出了基于地质学和地形学的滑坡区划理论【7 l ；u r o m e i h y 等 人利用简单的格网单元，考虑单元内影响滑坡的一系列因素，如岩性、坡度、构造活动、 土地利用以及地下水作用等，评价单元格网内每个滑坡的发生概率及其影响因素影响权 2 长安大学硕士学位论文 重，进而使用模糊综合评判计算灾害指数( h p i ) ，对伊朗k h o r s h r o s t a m 地区滑坡灾害进 行危险性区划【8 】，随后，c a n d a ng o l c e o g l u 就斜坡破坏模式、影响因素选取等问题与之 展开过颇具启发性的讨论；c a r r a r a 、g u z z e t i 等人运用了逐步判别分析对意大利的稳定 和不稳地边坡进行了分类【9 】，西班牙的b a e z a 和c o r o m i n a s 也利用相同的办法对比利牛 斯山东部地区进行了地质灾害危险性分类( c a r r a r ae ta l ，2 0 0 3 ) 。 同期，国内也有不少学者针对地质灾害危险性区划进行了深入研究。归纳起来为两 种方法，一是通过研究地质灾害影响因素与地质灾害关系，采用专家打分或评级的方式 对区域进行区划，如：2 0 世纪9 0 年代初，一些研究学者经过细致的野外调查后，运用 多种数学模型对长江三峡库区进行稳定性评价，以此对库区岸坡做出危险性区划【l o 】；刘 汉超、陈明东等人运用专家打分等多种方法对金沙江向家坝水电站库区进行了危险性区 划【1 1 1 。张业成、张梁等学者在地质灾害灾情分析的基础上，运用层次分析法分析评价了 我国地质灾害危险性，并对我国地质灾害危险性进行了区划【1 2 】；王轶、王慧玲运用g i s 的空间叠置分析技术( s p a t i a lo v e r l a ya n a l y s i s ) ，通过与专家评判与层次分析法相结合， 以地质灾害危险性评价为基础，在单类地质灾害危险性区划的层次上，实现地质灾害危 险性的综合区划，构建了地质灾害危险性综合评价与区划体系【l 刀；范文等运用主成分分 析法，确定地质灾害危险性多指标综合评价体系和分级特征，对某高速公路沿线进行了 地质灾害危险性综合评价，绘制了地质灾害危险性分段图1 1 3 1 。另一种方法是通过将地质 灾害危险性影响指标定量、半定量化，通过数学模型或g i s 空间分析工具将其叠加，如： 赵强等人基于g i s 使用信息量叠加法对铜川市区斜坡地质灾害进行了危险性区划【1 4 】；沈 芳等人建立了基于g i s 的信息量评价模型，将之与传统信息量模型进行了优缺点对比， 并对金沙江某库区进行了地质灾害危险性区划【l5 】：阮沈勇、黄润秋使用基于g i s 的信息 量法对国产软件m a p g i s 进行了二次开发，并以长江三峡库区作为实验区，进行了地质 灾害危险性区划i l q ；李雪平、唐辉明、丛威青等人将l o g i s t i c 模型应用于斜坡稳定性研 究和地质灾害危险性区划【l 引。 近年来，随着地质灾害危险性区划方法的进一步发展，诸多学者开始重视复合评价 模型及多评价方法的应用。周托、钱林峰( 2 0 0 5 ) 将灰色预测模型和模糊评价方法结合， 提出了灰色模糊地质灾害危险性区划模型；匡乐红等( 2 0 0 6 ) 将改进后的主观赋权法 ( a h p 法) 与客观赋权法( 熵值法) 相结合，用于地质灾害危险性因素权重的确定；丛 威青等( 2 0 0 6 ) 结合专家打分、层次分析法、人工神经网络法、信息量法、l o g i s t i c 回 归模型、统计量等模型方法，建立了地质灾害危险性区划评价分析系统，并对基于g i s 第一章绪论 的地质灾害危险性区划过程中的因子分析、模型选取、模型复合、单元划分等问题进行 了讨论。 通过以上总结，可以看出随着日渐成熟的g i s 技术，其在地质灾害危险性区划过程 中得到了越来越多的开发和应用；数学模型方面，l o g i s t i c 模型凭借其出色的非线性拟 合优势和特性也逐渐受到诸多学者的重视。 常用地质灾害危险性区划方法、模型与l o g i s t i c 回归模型比较，本文总结如表1 1 。 表1 1 常用地质灾害危险性区划方法与模型 模型、方法原理优点缺点 野外现场由对单体地质灾害具有丰富经验的专家在现场对地存在人为随意性， 分析判断质灾害进行调查，逐一评判地质灾害危险性现状及 允许考虑大量 判断规则因人而异； ( 专家打发展趋势，然后连点成片、连片成面，最终得到区 现场因素： 评价结果正确性难 评价速度快： 分法)域地质灾害危险性区划图。以评判： 建立评价冈素论域和地质环境好坏等级论域之间的 使用隐含规则 模糊综合 模糊关系矩阵，采用层次分析法通过计算判断矩阵 解答问题； 因素各状态打分( 或 特征值确定因素权重：然后通过梯形型或直线型隶 各步骤完全自 隶属度判定) 困难； 评判动； 属函数来确定评价因素对质量等级的隶属度，最终因素权重不确定 确定评价因素对地质环境质量等级的隶属度。 数据管理标准 化： 监测类比 通过对单个地质长时间监测其变形破坏过程，应用 允许不同斜坡 需要埋设监测仪器 于预测与之发育特征类似及形成条件基本类似的一 问进行比较； 取得数据； 法 数学上较严 类型地质灾害发生概率即地质灾害危险性分类。主要用于低速滑坡； 格： 以已有地质灾害为已知样本，量化统计地质灾害危 方法客观 需对研究对象有详 传统统计 险性影响因子与地质灾害发生之间的关系，利用数各步骤完全自 细的数据支持无法 学方法，得到两者的相关方程。然后将整个评价区动： 在大范围区域内实 分析 施： 域划分成一些评价单元带入方程，求得各单元的地数据管理标准 质灾害危险性指标。从而利用所得指标值进行区划。 化： 未考虑各种不确定 因素，模型理想； 需要大量数据支持， 通过计算各地质灾害影响因素对斜坡变形破坏所提 否则只能进行主观 供的信息值叠加，作为定量指标，经过统计分析、 数学上严密；分析； 信息量法主观判断或聚类分析等方法找出单元信息量叠加值 定量、客观；权重确定需要人为 分界点，从而确定相应的危险性程度分级，实现区 划。 决定； 只适用大范围实施； 模拟人脑的思维，把大量的神经元连成一个复杂的 方法上客观； 网络，利用己知样本对网络进行训练，即类似人脑已知样本获取困难： 神经网络的学习，让网络存储变量间的非线性关系，即类似 淡化对地质灾 于人脑的记忆功能，然后利用存储的网络信息对未 害机理的研 解释和验证结果困 究： 难： 知样本进行分类预测，即类似于人脑的联想功能。 需对研究对象有详 细的数据支持无法 稳定性计 利用极限平衡理论，模拟斜坡极限平衡状态下的各 客观、可靠； 在大范围区域内实 项参数，利用牛顿力学公式计算斜坡滑动力和抗滑 算结果定量化；施： 力间关系，评价斜坡稳定性。 未考虑各种不确定 因素，模型理想化： 4 长安大学硕士学位论文 表1 1 常用地质灾害危险性区划方法与模型( 续) 模型、方法原理优点缺点 权重定量客 多元非线性统计模型，通过已有地质灾害历史及地 观； 需要完整的灾害历 l o g i s t i c 模质灾害影响因素调查资料的量化值导入l o g i s t i c 模 结合已知地质 型型，确定各影响因素权重，然后反推地质灾害发生 灾害发生情 史资料： 况， 需要大样本试验： 概率，从而达到地质灾害危险性区划的目的。 结果定量以概 率形式表达； 1 2 2 存在的问题 本次研究以中国地调局西安地质调查中心延安市宝塔区地质灾害详细调查示范 项目资料作为数据来源，对研究区地质灾害形成条件和发育规律进行深入研究，建立、 提取、量化地质灾害危险性评价指标体系，确定各指标权重，并以此作为定量评价依据， 对宝塔区进行地质灾害危险性区划工作。研究过程中，不可避免的将遇到一些关键性技 术问题，列举如下： ( 1 ) 地质灾害危险性评价指标体系的建立完善。需要大量的统计资料和合理、科 学的计算判断。在建立地质灾害危险性评价指标体系过程中，如何筛选指标，使其即不 重复繁复又不失代表性和完整性，需要深入的研究地质背景资料和地质灾害发育特征。 指标体系在提取量化过程中，使用何种方式方法和空间分析工具与模型也直接影响其结 果的精度，、因此也是一个难点问题。所得指标体系量化值处于不同的单位量纲下，无法 在同一标准下进行定量描述，必须对其进行单位统一或消除量纲。但是各指标对地质灾 害诱发、控制和影响方式不同，所以需要选取不同的方法统一各指标量纲或消除量纲。 ( 2 ) 如何确定权重、定量化权重是目前国内外学者研究的一个技术难题。不同的 危险性评价指标对地质灾害的影响效应不同，在区划过程中所占的权重就不同，采用何 种方法定量化确定是个难题。地质灾害危险性描述结果是一个概率，但由于国内地质灾 害历史资料的缺乏，国内学者常多绕过这一难点使用其他的描述手段如：信息量、稳定 性系数等，因此得到区域地质灾害发生概率公式亦是一大难题。 1 3 本文研究的目的、内容及技术路线 1 3 1 研究目的 在总结和分析前人研究成果的基础上，以陕西省延安宝塔区作为研究区，利用实地 调查资料和l ：5 万d e m 数据，建立地质灾害危险性评价指标体系和l o g i s t i c 模型，定 量确定各评价指标的权重，实现对研究区地质灾害危险性评价与区划，总结基于g i s 和 第一章绪论 l o g i s t i c 模型的地质灾害危险性区划技术方法。 1 3 2 研究内容 基于上述目的，本文具体研究内容如下： ( 1 ) 结合调查资料，对区内地质灾害进行系统研究。利用统计、主观判断、模拟 等方法，研究得出研究区地质灾害的成因机制、地质环境、发育规律。 ( 2 ) 在充分研究掌握地质灾害成因机制和发育特征的基础上，建立地质灾害危险 性评价指标体系。使用g i s 空间分析、水文分析等工具提取、量化各危险性评价指标， 并使用线性阙值法对评价指标逐一进行归一化处理，使其处在无量纲或同一量纲下。 ( 3 ) 建立l o g i s t i c 回归模型，充分利用其对二分类变量和非线性回归拟合的优势， 模拟地质灾害发生与各评价指标关系，定量化确定各评价指标权重，得到地质灾害发生 概率公式。 ( 4 ) 形成一套应用g i s 和l o g i s t i c 回归模型定量化确定地质灾害危险性发生概率、 危险性评价指标权重，进而取得地质灾害危险性区划结果的区划技术方法。 1 3 3 技术路线 通过西安地调中心“延安市宝塔区地质灾害详细调查”资料，研究陕西延安市宝塔 区地质灾害发育规律和形成条件，得出研究区地质灾害的控制因素、影响因素和诱发因 素。在此基础上基于g i s 平台建立、量化、无量纲归一化地质灾害危险性指标体系。确 定各指标权重时，常用到回归分析，但在地质灾害危险性区划研究中，各地质灾害危险 性评价指标作为自变量，灾害的发生与否作为因变量只有两种情况：发生和不发生，且 地质灾害危险性指标和地质灾害发生概率间也并非是常见的线性关系。因此，建立 l o g i s t i c 回归模型解决此类分类变量的非线性关系，定量化确定各指标权重，得到地质 灾害发生概率的回归方程，进而计算地质灾害危险性发生概率，最终实现地质灾害危险 性区划。 综上所述，本文的技术路线如下图所示( 图1 1 ) ： 6 长安大学硕士学位论文 图1 1 技术路线图 7 鬻 第二章地质环境概况 第二章地质环境概况 本文研究区宝塔区地处黄土高原腹地，其现今地形地貌的形成，是由于内力地质作 用和外力地质作用共同作用形成的结果。由于第四纪黄土的大面积覆盖，使得区内内力 地质作用的诸多痕迹被掩盖，而外力地质作用诱发的各种不良地质现象表现得更加明 显。外力地质作用的主要类型有风化作用、重力地质作用、地面流水地质作用、地下水 地质作用等。由外力地质作用诱发滑坡、崩塌、泥石流等，在人类活动地区，它们往往 造成地质灾害。 此次研究以西安地质调查中心“延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害调查”为资料来源， 选择此区域进行地质灾害危险性区划研究具有重要的实际意义。 2 1自然地理 宝塔区是陕西省延安人民政府住地，是近代中国革命的圣地和摇篮：也是陕北地区 政治、经济、文化的中心；作为重点的国家能源化工基地之一，以煤炭、石油资源为主。 全区处于黄河中游，位于黄土高原中部，介于北纬3 6 。1 17 - 3 7 。0 27 ，东经1 0 9 。1 4 1 1 0 。0 77 之间，南北长约9 6 k m ，东西宽约7 6 k m ，总面积约3 5 5 6 k m 2 。 1 铁路；2 高速公路；3 国道；4 省级公路；5 水系；6 - 省界；7 研究区 图2 1 1 研究区交通位置图 8 长安大学硕十学位论文 2 2 地形地貌 研究区位于陕北黄土高原中部，属于典型的继承型和继承、侵蚀混合型的黄土梁峁 沟壑区。黄土广覆于下伏起伏不平的基岩古地形之上，在新构造运动的影响下，由于延 河、汾川河及其支流的长期侵蚀切割，形成了现今梁峁起伏、河谷深切的地形。总的地 形特点是西高东低中部隆起，南部大墩梁最高，海拔1 4 6 4 m ；东南部官庄乡汾川河谷最 低，海拔8 6 0 m ，相对高差达6 0 4 m 。南部汾川河流域地形相对平缓，谷坡坡度相对较小； 北部地形起伏较大，谷坡坡度相对较大。 新生代以来，陕北黄土高原在侵蚀与堆积的共同作用下形成了现今的黄土高原地 貌，其最大特点是沟壑纵横，地形破碎。研究区海拔8 0 0 - - 1 4 0 0 m ，主要地貌类型有黄 土地貌和河流地貌两大类型：黄土地貌以黄土梁、峁和梁峁为主；河流地貌主要表现为 沟( 河) 谷，按其发育程度可划分为幼年期、壮年期沟谷和老年期河谷三种类型。各期 沟谷地质灾害发育特征不同，纵横交错的沟谷为地质灾害的形成提供了广阔的活动空 间。 2 3 地层岩性 图2 2 1 延安市城区地貌立体影像图 研究区地层自下而上有：中生界三叠系和侏罗系；新生界新近系上新统，第四系更 新统、全新统。中生界为砂岩、泥岩及其互层，总厚在1 0 0 0 m 上下。新生界上新统为三 9 第二章地质环境概况 趾马红粘土，厚o l o m ；更新统以风积黄土( 离石黄土) 为主，厚6 0 - - , 1 5 0 m ，广泛覆 盖地表，成为地质灾害体的物质主体；全新统主要为河流冲积物，厚0 1 5 m 。详细地 层岩性特征如图2 3 1 所示。 地层单位 厚度 桂状倒菌 地屡岩性描述 再系统 代号 r lq h _5 r 穗 1 荻黄色榆组砂砂卵石。琉栓，分选不均，囊即度差，冀 夸 o b 啊6 1 二 中宠菏层犄土台泥t 新 1 o h 1 0 1 二 2 上部为灰黄色粉t ：下部为砂砾石夹薄层耪砂茂径， 统 4q h 卜5 5q h 5 1 0 砾石舒选筹麝阑鹰较好： q ， 1 5 - 18 ，j ，- f 。 、3 1 部却黄i 央寓再体扶砂砾石下部为砂卵石i 新 第 蔓 4 又黄色黄土状土，业帖土央碎i i ： 新 o p “ 1 0 2 0 5 灰黄色剪 状粉t 丧砂砾肆朽。 统 上哪为荻黄色黄土扶土，下邮为砂、砂砾卵石，疏悟分 生近小均髀踟腹好 四 黄土；i 璺黄或拣黄色奠松具大空豫霉直节理不发 育不禽钙质结拨 界 纪 由 史 新 w “ 6 0 l ，0 黄上t 拽黄邑浅椽黄色粉质粘十，牯十孽密、坚硬夹 统 十余层占士壤下韶帝搴多钙质结核层 l - 黄土。幅黄色粘上，坚艟。古钙质结核。 2 砂再弗石孵质结核粒径1 5 e m 次困状分选性差 下 i q p ，。 4、1 4 _ j 历，上部t 为捞_ 耋【色粘土央骨钙暖结梭，吉符i 鱼r 一；化石； 更 新 绕q p “。”3 新卜 静乐绑 中部为棕打色磺杉细砂岩：底部为灰白色、谒色砾岩 近新 宅德组 n ：b - o - 1 0 一 纪统 上部为砂质抛岩细砂古且层卜鄙为黑色页岩，油页岩 与下伏地堪芏骰整合接。 安 定 j r a 4 0 蛹 f 直 灰绿色块扶长石砂岩，央杂色泥岩和糟砂岩 罗 j # 1 8 0 ；l 一 侏组 罗 二段：为黄绿、灰景、灰绿色泥质页岩与袭黄、灰孽、黄 由 j 1 5 0 2 0 c 绿色砂岩互崖，以泥页岩为主 纪 统延 i l l 安 ；= o 一 一段，主体为灰白、袤冀色犀晨状中租牲石英砂者 生 组砂1 2 0 2 0 0 界 富 下 上部为杂色泥岩：f 部为荚白，奠绿色砂岩，砾状砂岩及 县j i 厂 统o - 6 5 砾岩，古有铁质结援。 组 瓦 三 2 0 0 卜 窑 袤绿、灰色负， 砂质泥岩与黄绿色犀层至薄尼中细砂 叠 统 蜃 t ，wf 一：、二 岩互屡，失教层菏层瑕线 纪 组 恁 灰内色荻绿色砂岩央潦教色泥岩页岩及煤线。砂岩单 巾 长 t 卜 詹厚度变化较大具交锚层理。禽黄铁矿结棱 组 l l o 统 图2 - 3 1 综合地层柱状图 l o 长安大学硕士学位论文 2 4 气象水文 研究区地处西北内陆，属于半湿润 和半干旱的大陆性季风气候。多年平均 降水量达5 6 2 1 m m ，其中最大8 7 1 2 m m ， 最小3 3 0 m m 。年内降水量分配极不均匀， 6 - 9 月平均占全年降水量的7 0 左右， 形式以雷阵雨降落为主。日降水量最大 为1 3 9 9 m m ( 1 9 8 1 年) ，时最大为6 2 m m ( 1 9 7 9 年) 。大于5 0 m m d 的暴雨年平均 为0 7 d ，大2 5 m m d 的降雨年平均为4 6 d ；暴雨中心雨强最高达1 3 9 9 m m d ， 常造成洪水突发，是当地地质灾害的重 要诱发因素。 图2 4 1 研究区水系 研究区中一北部位于延河流域的中游，该流域水土流失日渐严重，延河多年平均含 沙量高达2 2 7 k g m 3 ；南部多属于汾川河流域，水土流失情况稍好j 其多年平均含沙量只 有延河含沙量一半。 2 5 地质构造与地震 延安市宝塔区位于华北陆块鄂尔多斯地块的中东部，是岩石圈厚度最大( 2 0 0 k m ) 的地区之一，研究区及相邻地区在二叠纪末和三叠纪末遭受了区域隆升，此外一直保持 着稳定沉积盆地特征，并无显著的构造作用。褶皱构造总体表现为轴向近南北的大型宽 缓向斜，次级褶皱则以短轴背斜、鼻状背斜等平缓拱形隆起为主；断裂构造不发育，地 球物理资料显示宝塔区存在两组北东向、一组北西向隐伏断裂。 研究区新构造运动主要为地壳间歇性的抬升运动，表现为延河、汾川河及其支流的 强烈下切，在河流两侧形成1 2 级侵蚀堆积阶地，河谷两侧出露大片基岩。由于陕北 黄土高原在新构造运动期间整体表现为间歇性缓慢抬升，中、新生代地壳垂直形变不明 显，褶皱、断裂不发育，所以地震活动水平低。宝塔区地处陕北黄土高原腹地，地壳变 形速率在1 - - - 2 m m a 之间，地壳相对稳定，无4 级以上地震发生，地震动峰值加速度为 o 0 5 9 ，地震基本烈度为v i 度。 第三章地质灾害发育特征及形成条件 第三章地质灾害发育特征及形成条件 3 1 地质灾害发育特征 研究已有滑坡、崩塌、不稳定斜坡的活动状况、活动规律，统计其活动规模、发生 频次、密度等发育特征，进而推断地质灾害形成条件及影响因素是区域地质灾害危险性 区划的基础。不稳定斜坡目前虽无灾害发生，但未来发生滑坡崩塌地质灾害的概率极高， 存在潜在地质灾害威胁。因此研究已有滑坡、崩塌及不稳定斜坡发育特征对区域地质灾 害危险性区划具有重要的统计学和现实意义。根据野外调查资料，全区地质灾害共3 9 6 处，其中滑坡2 9 3 处，崩塌5 2 处，不稳定斜坡5 1 处。概括来讲，全区地质灾害发育特 征主要表现为：数量多、密度高、变形模数大，规模以中小型为主；滑坡平面形态 典型、剪出口高、基本力学模式简单；崩塌规模小、危害大、变形模式多样；诱发 因素清楚，宏观前兆相对明显，可预防性强【2 l l 。现将滑坡、崩塌和不稳定斜坡灾害或灾 害隐患的形态与规模特征、边界特征、变形活动与发育机理特征等分述如下。 3 1 1 滑坡 ( 1 ) 形态特征 研究区内滑坡均属黄土滑坡，无 论是实地还是在遥感影像上，其形态 特征明显，容易识别。 。毒+ 滑坡体长度l 和宽度b 之间大体磊 上呈直线关系，其关系式为： 薹 b = 1 0 7 l + 6 0 相关系数：足= 0 6 7 滑坡体厚度分布范围为2 3 0 m ， 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 滑体长度( m ) 主要集中在2 - 1 5 m ，有2 7 0 处，占实际调 查滑坡总数的9 2 ；其中6 l o m 间，分布 图3 l l 滑坡体长度与宽度相关关系图 有1 4 2 处，占4 8 ；2 - - 1 0 m 间分布有2 3 5 处，占8 0 ； 1 5 m 有2 3 处，占8 。 滑坡体长度主要集中在9 0 - - - 2 5 0 m ，宽度主要集中在1 0 0 - - 3 0 0 m ，厚度主要集中在 2 - - - 1 5 m 。宽度最大，长度居中，厚度最小。从滑坡规模看，其大小主要是取决于面积的 变化，而面积的变化又主要取决于宽度的变化，故宽度与滑坡规模具有很大关系。规模 1 2 长安大学硕士学位论文 小的滑坡多偏窄，规模大的滑坡多较宽。就统计资料的长度、宽度和厚度数据，求得区 内滑坡面积为( 0 9 7 5 ) x1 0 4 m 2 ，体积为( 1 8 - 1 1 2 5 ) 1 0 2 i m 3 。 ( 2 ) 边界特征 区内滑坡后壁一般较高，坡面比较平直，平面上多呈弧形，且坡度较陡，在5 0 - - 9 0 0 间。滑坡前缘多出露于河流和沟谷斜坡坡脚，多数古滑坡和老滑坡由于堆积年代久远， 滑坡前缘已被流水搬运消失，新滑坡前缘保存较完整，阻塞河道，常在坡体前缘形成几 字型河湾。滑坡前缘由于水流冲刷形成数米至数十米临空面，坡度多在4 5 0 以上。剪出 口因坡体内部结构和沟谷斜坡位置出露四种类型：黄土层内型、黄土一古土壤型、黄土 一红黏土型、黄土一基岩型。 ( 3 ) 表部特征 研究区内滑坡滑动后，后缘常形成坡面反倾，一旦降雨引起雨水积累，沿滑坡两侧 排泄，经年累月，形成两道同源冲沟，也就是我们常说的“双沟同源”现象。坡体中部 土质疏松，滑坡活动期常形成落水洞，直径可达数十厘米。由于研究区内多为牵引式滑 1 1 坡，其表部常呈现多级陡坎，高l - 3 m ，宽2 - - 5 m ，陡坎坡度近直立，陡坎平台近水平。 滑坡后壁及两侧多伴有张裂缝，长数米至数十米，最大宽度可达1 5 m 。 ( 4 ) 内部特征 受黄土地质结构制约，坡体主要有黄土状土构成，滑动时解体松散，稳定后受重力 作用重新固结，坡体一般不含地下水。坡体内部结构面主要为黄土垂直节理、黄土与基， 岩接触层面，与红黏土接触层面，与古土壤接触面层理，滑床出露不明显。 ( 5 ) 滑动特征 区内滑坡多为牵引式高速滑坡，按其滑动面类型可分为黄土层内滑坡、沿古土壤面 滑坡、黄土一基岩接触面滑坡及红粘土顶面滑坡。其滑动特征按滑动面类型归纳如表3 1 1 所示。 第三章地质灾害发育特征及形成条件 表3 1 1 滑坡滑动特征表 滑面数量百分比 滑床岩性滑面及滑带特征滑体特征典型滑坡剖面 类型 ( 个) ( ) 滑面后部呈直线 h ( 1 1 1 1 ) 型、中部及前部呈 1 2 6 5 以中更新世黄土 圆弧型，整体近似滑体主要由中、晚更新世 黄土层为主，少量晚更新 圆弧型。黄土崩滑堆积物组成，结 1 2 5 0 内滑坡 3 41 1 6 滑带土致密，呈层构零乱，颜色混杂或较均 世黄土：整体坡度 状碎裂块状结构，一，呈灰黄色或浅黄色。1 2 3 5 一般较大 表面光滑，有擦痕，滑体厚度一般 1 0 m 厚度1 0 - - 3 0 c m 不1 2 2 0 等 h ( m ) 。 滑面沿顺坡向的古 1 1 1 0 滑床岩性为古土 土壤发育，多呈直滑体主要由晚更新世黄 沿古土壤层，顺坡发育。 线型。滑带土呈褐 土滑坡堆积物组成，掺杂 1 0 7 0 壤面滑 3 01 0 2 3 滑床整体坡度接 红色褐色，表面部分古土壤及中更新世 坡 近原始坡度或较 光滑，有擦痕，致 黄土崩滑堆积物，颜色以1 0 3 0 密，呈层状碎裂块灰黄色为主，间或有褐红 陡 状结构，厚度1 0 色。滑体厚度一般 1 0 m 9 9 0 4 0 c m 不等 1 4 长安大学硕士学位论文 表3 1 1 滑坡滑动特征表( 续) 滑面数量百分比 滑床岩性滑面及滑带特征滑体特征典型滑坡剖面 类型 ( 个) ( ) 滑面中后部呈圆弧型， 黄土滑床中后部岩性为中、晚前部呈近水平直线型。 n t m ) 1 1 2 0 更新世黄土。中前部为侏滑带土呈褐红色，致滑体由中、晚更新世黄土滑坡 、一 诲化砭镇小拣沟村卜蹦乍寐膀侨滑坡 基岩 罗纪或三叠纪砂泥岩。滑密，黄土段呈层状碎裂堆积物及部分风化砂泥岩组 1 0 8 0 法丝 2 2 57 6 8 接触床后部坡度陡峻，中部及结构，表面光亮如镜成，可辨层次。滑体厚度一般 1 0 4 0 面前部较平缓，整体坡度较面，部分滑坡滑带处可为2 5 m t 0 0 0 滑坡小见泥岩表面光滑擦痕； t 3 - - - w 厚度3 0 5 0 c m 滑面后部较陡，前部稍 h ( m ) i i o s 缓，呈近圆弧型。滑带 红黏土 滑床后部为中更新世黄滑体由中、晚更新世黄土滑坡 1 1 4 5 土呈褐红色褐色，表 顶面 41 3 7 土。中前部为新近纪泥堆积物组成，可辨层次。滑体 面光滑，有擦痕，致密， 1 1 2 5 滑坡岩