（环境工程专业论文）基于gis技术的陕南地区高速公路滑坡灾害危险性评价研究.pdf

摘要 随着西部公路交通建设的高速发展，公路建设成为推动陕南经济发展的最重要因 素。然而，陕南地处秦巴山区，地质构造复杂，岩土体差异明显，又处于暴雨频繁的 亚热带季风气候区，地质灾害极为发育。地质灾害的发生对公路及其沿线居民造成很 大的威胁。进行公路沿线地质灾害危险性评估，可以及时采取必要的工程措施，避免 或减少滑坡灾害的发生；有效确定公路沿线灾害高易发区，便于各级管理部门及时准 确地做出防灾、减灾决策，并为公路沿线防灾、减灾提供辅助决策支持信息；为危险 性评价所建立的公路沿线滑坡灾害数据库，可以为公路沿线地质环境管理和灾害评估 的信息化提供参考。 目前，g i s 技术已经广泛应用于各种地质灾害危险性评估中，但多数是区域上的， 对于高速公路大比例尺地质灾害危险性评价还很少，且以定性评价为主。本论文结合 陕鄂界至安康高速公路实际情况，研究了将g i s 运用于高速公路滑坡灾害危险性评价 的理论和方法。取得如下成果： 1 建立了基于g i s 的公路沿线滑坡灾害数据库系统，并应用数据库实现了研究 区公路滑坡灾害信息的互动查询和管理； 2 通过野外地质调查及资料收集，统计公路沿线滑坡灾害的类型及数量，并分 析得出了3 种公路沿线滑坡灾害主要变形破坏模式，运用g i s 工具揭示了滑坡灾害的 发育特征和形成机制； 3 运用层次分析方法，确定影响滑坡灾害的因子权重，建立了滑坡灾害危险性 评价模型； 4 运用g i s 为主要方法的计算机技术初步实现模型化、定量化对整个评价区进 行了滑坡灾害危险性评价，得到了公路沿线滑坡灾害危险性评价分区图，结果表明： 研究公路滑坡灾害中、高滑坡区主要分布在滑坡灾害分布密集区和沟谷区，面积 5 3 8 k m 2 ，占评价区总面积的4 1 1 ，轻度滑坡区面积4 6 0 k m 2 ，占评价区总面积的 3 5 2 ，不滑坡区面积3 1 0 k m 2 ，占评价区总面积的2 3 7 。定量的实现危险性评价， 优于以往定性的评价。 关键词：公路滑坡灾害，变形破坏模式，危险性评价，地理信息系统 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew e s t e r nr o a dc o n s t r u c t i o n ，h i g h w a yc o n s t r u c t i o nt o p r o m o t ee c o n o m i cd e v e l o p m e n th a sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri ns o u t h e r ns h a a n x i h o w e v e r ，q i n b am o u n t a i n si ns o u t h e r ns h a a n x ii sl o c a t e di nt h ec o m p l i c a t e dg e o l o g i c a l s t r u c t u r e ，d i v e r s i t yo ft h er o c ka n ds o i l ，a n di ns u b t r o p i c a lc l i m a t ez o n e sr a i n s t o r m o c c u r r e df r e q u e n t l y t h eo c c u r r e n c eo fg e o l o g i c a lh a z a r d sa l o n gt h eh i g h w a ya n dc a u s e da g r e a tt h r e a tt or e s i d e n t s r i s ka s s e s s m e n tt og e o l o g i c a lh a z a r d sa l o n gt h er o a d ，y o uc a n w o r ki nt i m et ot a k et h en e c e s s a r ym e a s u r e st oa v o i do rr e d u c et h eo c c u r r e n c eo fl a n d s l i d e d i s a s t e r s i ti se f f e c tt oi d e n t i f yd i s a s t e r - p r o n ea r e a sa l o n gt h er o a d ，t of a c i l i t a t et i m e l ya n d a c c u r a t em a n a g e m e n td e p a r t m e n t sa ta l ll e v e l st od i s a s t e r p r e v e n t i o n - m a k i n ga n d m i t i g a t i o nd e c i s i o n - m a k i n g s oi tp r o v i d e ss u p p o r ti n f o r m a t i o nt od e c i s i o n m a k i n g o f d i s a s t e rr e d u c t i o ni nt i m e r i s ka s s e s s m e n te s t a b l i s h e db yt h er o a da l o n gt h el a n d s l i d e d i s a s t e rd a t a b a s ef o rt h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t a lm a n a g e m e n ta n dd i s a s t e rt op r o v i d e r e f e r e n c ei n f o r m a t i o n a tp r e s e n t ，g i sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h er i s ka s s e s s m e n to fa l lk i n d so f g e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，b u tm o s to ft h e m w e r er e g i o n a l i ti ss t i l lf e wt h a tg i s u s e dt oa s s e s s t h er i s ko fg e o l o g i c a lh a z a r d so fl a r g e s c a l el a n df o rl i f e l i n es u c ha sh i g h w a yc o n s t r u c t i o n ， a n dm a i n l yt oq u a l i t a t i v ea s s e s s m e n t i nv i e wo ft h i s ，t h ep r e s e n tp a p e ru n i f i e dt h e b o u n d a r yo fs h a n x ia n dh u b e it oa n k a n gh i g h w a yo fa c t u a ls i t u a t i o n , d i s c u s s e dt h eg i s a p p l i e dt oh i g h w a yc o n s t r u c t i o n o fl a n d s l i d eh a z a r de v a l u a t et h e o r ya n dm e t h o d s a c h i e v e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s ： 1 b a s e do ng i s ，t h ep a p e rh a sb u i l tt h ed a t a b a s eo fh i g h w a yl a n d s l i d eh a z a r da n d r e a l i z e dt h ei n q u i r ym u t u a l l y , m a n a g e m e n to fh i g h w a y sl a n d s l i d eh a z a r di n f o r m a t i o n ； 2 t y p e sa n dn u m b e r sa n dt h r e et r a n s f o r md e s t r u c t i o nm o d e l so ft h el a n d s l i d eh a z a r d h a v eb e e na n a l y z e dt h r o u g hf i e l ds u r v e ya n dh i s t o r yd a t ao b t a i n e d ，a n dt h e nt h et r i g g e r i n g m e c h a n i s m sh a v eb e e ns h o w nu s i n gg i s 3 d e c i d i n gt h ew e i g h t so ft h el a n d s l i d eh a z a r da n dt h e i ra f f e c t i n gf a c t o r sb yt h e a h pa n db u i l d i n gt h er i s ka s s e s s m e n tm o d e lo fl a n d s l i d eh a z a r d 4 a s s e s s i n gt h er i s ko ft h ed i s e a s e sq u a n t i t a t i v e l yu s i n gg i s ，t h er i s ka s s e s s m e n t z o n i n gm a pw a so b t a i n e d t h er e s u l t so fa s s e s s m e n ts h o wt h a td i s t r i b u t i o n i n t e n s i v ea r e a s o fl a n d s l i d eh a z a r da n dv a l l e ya r e a sa r ev e r yr i s kw h i c hi s5 3 8 k m 2 ，4 1 1 o f t h et o t a la r e a , m o d e r a t er i s ki s4 6 o k m 2 ，a b o u t3 5 2 ，l o wr i s ki s31 o k m 2 ，a b o u t2 3 7 r i s ka s s e s s m e n t h a sb e e nc a r r i e do u tq u a n t i t a t i v e l y , w h i c hi sp r i o rt oq u a l i t a t i v ea s s e s s m e n t k e yw o r d s ：h i g h w a yl a n d s l i d eh a z a r d ；t r a n s f o r md e s t r u c t i o nm o d e l ；r i s ka s s e s s m e n t ；g i s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：文- i 委交、 o 7 年，月；f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 0 7 年9 月；日 o1 7 r 年歹月引日 长安人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 1 1 1 选题的背景 陕南地区地处秦巴山地，地质构造复杂、岩土体差异明显，山高谷深、暴雨频率高、 强度大，滑坡泥石流灾害时有发生。在最近几十年里，该地区公路交通建设项目越来越 多，公路项目的建设必然会对生态环境和地质环境产生一定的影响，又加上人口数量的 快速增长，不合理的人类工程活动的急剧增加，都会加速灾害的发生。与中国其他地区 相比，陕南地区经济增长缓慢，人民生活水平低，地质灾害成为制约该区公路工程建设 和社会经济增长的主要因素之一。 由于公路的建设是一项庞大而复杂的带状工程，需要跨越不同的地区、不同的地质 地貌单元，适应不同的地质环境，经受各种地质灾害的威胁及潜在灾害因素的影响。另 一方面，公路建设工程活动还会造成沿线地质环境的强烈扰动，产生一系列新的地质灾 害。据资料显示【l 卅：1 9 8 1 年8 月份的大洪水，在陕南地区引发多处大滑坡和泥石流灾 害，造成多条公路中断交通达数月余。鄂陕界至安康公路位于秦巴山区的安康地区，该 区属于滑坡、泥石流地质灾害易发区，同时又是我国贫困地区之一，2 0 0 0 年6 一- 7 月， 由于连续5 次特大暴雨的袭击，诱发了规模不等的滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害共4 2 1 5 处，造成2 1 3 人死亡，使多处桥梁、路基被毁，5 条国、省干线公路和4 9 条县乡级公路 中断，襄豫铁路中断行车7 d 之久，所造成的损失高达6 亿多元。2 0 0 3 年8 月份的连续 暴雨引发的地质灾害造成陕南地区多条公路毁坏。平常年份的雨季也常出现崩塌、滑坡 和泥石流等地质灾害，使得一些公路中断交通较长时间，造成重大经济损失和不良社会 影响。另一方面，在陕南山区交通建设的发展过程中，由于设计、施工和养护等方面的 问题，公路建设破坏了山坡的稳定性，从而引发滑坡、崩塌、泥石流。如镇安县1 9 8 4 年冬至1 9 8 5 年，新修公路6 0 k m 和复修2 0 0 k m ，由于残坡开挖和处治不当造成大小滑 坡近5 0 0 0 处，移动土方量达5 5 0 0 多万m 3 。其中午峪乡一条1 3 k m 的公路，沿途发生大 小滑坡5 0 0 多处，将5 0 多万m 3 的土石涌入河道，抬高了河床，使县河的河床高出县城 东关1 - 一3 m ，严重地威胁城镇人民的生命财产安全。据不完全统计【4 】，2 0 0 3 年6 月一1 0 月间，由于崩塌、滑坡造成秦巴山区公路堵塞、中断累计达3 0 d 以上，造成车毁人亡的 事件近1 0 起。在以上这些已发生的地质灾害中，滑坡灾害占这些灾害的二分之一之多。 陕南公路沿线的滑坡灾害已经对公路和沿线居民财产及生命安全构成严重威胁，因 第一章绪论 此，研究公路沿线滑坡灾害的主要影响因子，建立滑坡灾害危险性评价模型，编制公路 沿线滑坡灾害危险性评价图是非常必要的。 滑坡灾害危险性评价研究是一个复杂的多源信息( 包括空间信息和属性信息) 综合分 析过程【5 1 ，其数据量大，数据结构复杂，需要具有强大空间管理功能的系统支持才能完 成。此外，滑坡灾害自身的多源性、模糊性、非确定性和随机性等特点，使信息处理和 空间综合分析的模型变的十分复杂。由于传统处理方法存在成果表达缺乏直观性和可操 作性等问题，导致分析效率降低、结果不准确。而近年来，快速发展的g i s 技术，由于 其强大的制图功能、数据处理功能、空间分析功能和空间数据管理功能而在滑坡灾害危 险性评价研究中发挥了很大的作用。实践证明，g i s 非常适合解决历史滑坡编录、滑坡 发生与静态及动态环境因素、滑坡时空序列分析、滑坡灾害风险评价等许多滑坡研究领 域中的问题，而这些问题与滑坡及影响滑坡发生的动、静态环境因素的空间位置有直接 的联系，利用g i s 技术就可以对这些问题进行定性、定量分析，从而确定g i s 技术为滑 坡灾害危险性评价及其结果量化的技术基础 6 1 。 1 1 2 研究的意义 目前，陕南地区滑坡灾害的研究仍局限于滑坡机理方面，滑坡危险性评价方面的研 究成果很少，针对陕南高速公路滑坡灾害危险性评价方面的研究更少。因此，本文在参 与陕鄂界至安康高速公路环境影响评价的基础上，结合作者已有的g i s 方面的经验知 识，以陕南陕鄂界至安康高速公路为研究对象进行基于g i s 技术高速公路滑坡灾害危险 性评价研究。本研究具有以下意义： 1 ) 研究得出的高速公路沿线危险性评价区划图可以为路线设计部门提供参考，及 时采取必要的工程措施，避免或减少滑坡灾害的发生，把灾害损失减到最小，从而保证 拟建公路工程安全。 2 ) 可以有效的确定公路沿线滑坡灾害的高易发区，便于各级管理部门及时准确地 做出防灾、减灾决策，及时为公路沿线减灾提供辅助决策支持信息； 3 ) 为危险性评价所建立的公路沿线滑坡灾害数据库，可以为公路沿线地质环境管 理和灾害评估的信息化提供参考。 1 2 滑坡灾害形成机制概述 滑坡( 1 a n d s l i d e ) 是指斜坡( 含人工边坡) 岩土体依附于其内在或潜在软弱结构面 ( 带) ，在重力等综合因素作用下，失去原有平衡条件而产生的水平位移为主的滑动现象。 2 长安大学硕士学位论文 滑坡灾害是指自然地质作用和人类活动造成的恶化地质环境，降低环境质量，直接或间 接地危害人类安全和生态环境平衡，并给社会和经济建设造成一定损失的斜坡变形破坏 乃至整体移动事件。 一个发育完全的滑坡一般都具有下列要素：l ) 滑坡体；2 ) 滑坡周界；3 ) 滑坡壁； 4 ) 滑坡台阶；5 ) 滑坡舌；6 ) 滑坡轴：7 ) 滑坡鼓丘：8 ) 拉张裂缝：9 ) 剪切裂缝；1 0 ) 扇形 裂缝；1 1 ) 鼓张裂缝；1 2 ) 破裂缘：1 3 ) 后缘律地；1 4 ) 滑动面；1 5 ) 滑动带；1 6 ) 滑坡床； 1 7 ) 滑坡剪出口；1 8 ) 原始地面( 如图1l i t l ) 。判别滑坡的主要标志有：地物地貌、岩和 土的结构、水文地质和滑坡边界及滑坡床等。 、素= = ：= ：= = 二二、 a 3 1 3 、l r 芝过 叫、jn 4、 8 鞭缒 1 4 1 81 51 7 b 1 滑坡体：2 精坡周界：3 滑坡壁：4 滑坡台阶；5 滑坡舌；6 滑坡轴；7 滑坡鼓丘；8 张拉裂缝： 9 剪切裂缝；l o 扇形裂缝；1 i 鼓张裂缝；1 2 破裂缝；1 3 前缘洼地：1 4 后缘洼地；1 5 滑动带： 1 6 滑坡床；1 7 剪出口 1 8 原始地酝。 圈11 滑坡构成要素图( 左平面图、右期面目) 产生滑坡灾害的主要因素可分为内在基本因素和外界诱发因素两种。 内部基本因素主要是地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质等： 1 ) 地形地貌条件：只有处于一定的地貌部位，具有一定坡度的斜坡，才可能发生 滑坡。坡度大于1 0 。，小于4 5 0 ，下陡中缓上陡的山坡和山坡上部成马蹄形的环形地形， 且汇水面积欤大，在破积层中或沿基岩面易发生滑动，形成滑坡灾害。 2 ) 地层岩性条件：岩土体是产生滑坡灾害的物质基础，一般来说，对于各类岩、 土体，如果具有受水构造、聚水条件和软弱面等就容易形成滑坡。滑坡的形成与边坡岩 第一章绪论 土体的坚固性、均一性、边坡与岩层倾斜属性等结构条件有关。 3 ) 地质构造条件：岩体构造和产状对山坡的稳定，滑动面的形成、发展影响很大， 一般堆积层和下伏岩层接触面越陡，则其下滑力越大，滑坡发生的可能性就越大。 4 ) 水文地质条件：地下水活动，在滑坡形成中起着重要作用。由于软弱岩、土降 低岩、土体的强度，产生的动水压力和孔隙水压力，侵蚀岩、土，增大岩、土容重，对 透水岩层产生浮托力等，尤其是对滑面( 带) 的软化作用，降低强度，最终导致滑坡的产 生。 外界诱发因素如地震、降雨、融雪、地表水的冲刷、浸泡和不合理的人类工程活动 ( 如坡脚开挖、坡体上部堆载、爆破、水库蓄泄水、矿山开采等) 等均可以使产生滑坡的 基本条件发生变化，从而诱发滑坡灾害。 滑坡灾害属于自然灾害中的最重要灾害类型之一，具有分布地区广、发生频率高、 运动速度快、灾害损失严重等特点。滑坡灾害不仅给人类带来威胁，而且对环境、资源、 财产等具有破坏性，尤其在人口稠密地区，这些破坏性更为严重。我国是世界上滑坡灾害 最严重的国家之一，造成百人以上死亡的重大滑坡灾害事例在近几十年里几乎年年都有 发生【l l 】，可见，滑坡灾害在我国是极为严重的。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国内研究现状 国内利用g i s 技术对滑坡灾害进行危险度评估起步较晚，关于g i s 在地质灾害危险 性评价中的应用也仍处于不断地探索阶段，但是这种探索正在逐步的深入，涉及和应用 的g i s 功能也正在逐步扩展。 姜云、王兰生( 1 9 9 8 ) 在山区城市地面岩体稳定性管理与控制中应用了g i s ，分析了 各种土地利用类型的土地能力，得到了土地能力的定量分级、斜坡稳定性综合评价分区 图。雷明堂、蒋小珍等( 1 9 9 8 ，2 0 0 1 ) 运用g i s 技术分析岩溶塌陷，完成了唐山地区危险性 评价及分区。原地质矿产部水文地质工程地质研究所在“八五”期间，将g i s 与智能决策 支持系统集合，完成了“京津唐地质灾害预测防治计算机辅助决策系统”。1 9 9 7 年，成都 理工学院基于“山区小流域地质环境及地质灾害预测的g i s 系统”的项目，在贵州印江河 流域展开了实际预测应用。1 9 9 8 年，国土资源部长江三峡地质灾害防治指挥部、全国地 质环境监测总站和成都理工学院等进行了“地质灾害信息系统及防治决策支持系统”的 专项开发研究。2 0 0 0 年，唐川等人利用a r c i n f o 的叠加分析功能，选取了地震烈度、地 形坡度、岩土体类型和现存滑坡密度等四个因子编制了云南省地震诱发滑坡危险区预测 4 长安大学硕十学位论文 副引。2 0 0 1 年，阮沈勇、黄润秋等人将信息量模型与g i s 系统相结合，对长江三峡库区 的新滩一巴东库段的地质灾害进行研究，得出了该地区的危险性区划【9 】。吴益平、唐辉 明选取工程地质岩组类型，变形情况，高程差，冲沟密度，坡度，斜坡类型6 大类2 4 种状态，作为预测变量，采用信息量和神经网络两种模型进行黄土坡滑坡区的斜坡稳定 性预测分区u o l 。殷坤龙，朱良峰对陕西省南部秦巴山区的汉江河谷旬阳段，分别建立单 因素的信息量预测区划图层，采用矢量图层叠加的方法区划出滑坡灾害的等级【l l 】。2 0 0 2 年，武强、陈佩佩等人则在对山西榆次地裂缝灾害进行研究时将g i s 与人工神经网络相 结合使用建立了地裂缝灾害活动性评价系统【1 2 】。2 0 0 2 年，乔彦肖，李密文等人基于从遥 感图像获取评价因子信息，对张家口地区的地质灾害及孕灾环境进行综合评价【1 3 】。2 0 0 4 年唐川在对红河流域滑坡风险图编制中，对影响滑坡危险度的因子主要选取了区域地形 指标( 坡度) 、岩性指标( 岩土体类型) 、降水指标( 暴雨天数) 、地震( 地震烈度、地质构造 指标( 断层分布) 、人为活动指标( 土地利用和公路分布) 等自然因子【1 4 1 。毕华兴等人选择 了坡度、坡向、坡面倾斜类型、地质、海拔、降雨、植被指数、土壤类型8 个因子，在 g i s 技术支持下对日本东北地区岩手县的早池峰山地区进行滑坡空间预测与危险等级划 分【1 5 】。 1 3 2 国外研究现状 国外在基于g i s 的滑坡危险性评价方面已有不少研究。早在1 9 8 4 年美国的b r a b b 就已经给出一种基于出现滑坡地质单元百分比和坡度权重的滑坡危险性分析方法，以坡 度为权重，计算了2 0 0 0 多个滑坡与1 2 个因子百分比，最后确立了地质、土壤、和坡度 是影响滑坡稳定性的主要因素【1 6 1 。1 9 8 7 年，m a t u l a 等利用g i s 的空间分析功能与预测 模型的结合完成了滑坡预测因素的空间叠加，进行了滑坡危险性预测，得出了相应的预 测分区图和滑坡敏感图。1 9 8 9 年，美国的f i n n e ym i c h a e la 和b a i nn a n c yr 使用g i s 的数据处理和绘图输出等基本功能进行滑坡灾害的分布分析。9 0 年代以来，印度的 r o o r k e e 大学地球科学系的r r g u p t a 和b c j o s h i 运用g i s 对喜马拉雅山麓的r a m g a n g a c a t c h m e n t 地区的滑坡灾害危险性进行了分析，使用了空问分析和面积量算功能完成了 滑坡灾害危险性分区，并通过使用多源数据分析了滑坡发生的相关因素【1 7 】。1 9 9 1 年美 国弗吉尼亚州地质调查局的r u s s e l lh c a m p b e l l 等用g i s 对滑坡灾害进行了空间预报； 同年，美国密苏里州的r b j a c o b s o n 等用g i s 分析滑坡位置。统计分析法最早是1 9 8 8 年由意大利著名滑坡专家a l b e r t oc a r r a r a 引入危险性评价的，1 9 9 1 年，意大利著名滑坡 专家c a r r a r a a 等将g i s 结合统计模型用于滑坡灾害的评价，使用逐步回归方法分析了 第一章绪论 地形因素对单个滑坡的影响【1 8 】。19 9 2 年加拿大的a e c h u n g 和a g f a b b r i 等结合g i s 和统计分析方法在获取地形参数的基础上，进行了滑坡灾害分区的多因素综合分析。 1 9 9 5 年，意大利g u i d a 采用多元回归分析建立了p o t e n z a 地区的滑坡分区图；同年，美 国的d a n i e lj m i l l e r 运用g i s 结合力学模型，评价深层滑坡灾害，用d e m 模型模拟出 滑动面位置与形态。1 9 9 7 年加拿大的t r e v o rj d a v i s 和c p e t e r k e l l e 基于g i s 的模糊分类 方法及可视化技术，虚拟再现了斜坡形态( 3 d 虚拟现实) ；同年，c j 和v a nw e s t e n 等 人分析了g i s 在不同尺度地质滑坡危险性评价中的应用，将g i s 与统计模型结合划分滑 坡灾害区域【1 9 1 。2 0 0 0 年s a r ol e e 和k y u n g d u c km i n 等人用g i s 的空间数据管理功能和 空间分析功能结合遥感数据分析了韩y o n g i n 地区滑坡敏感性1 2 0 1 。2 0 0 2 年a l d oc l e r i c i 等人利用条件分析的方法对p a r m a 河流盆地山区进行滑坡危险性分区【2 1 1 。2 0 0 6 年m f a l l 等人采用多阶段方法( 野外和室内工作，数字化，以及g i s 分析) 研究d a k a r 西南海岸的 滑坡危险性 2 2 1 。 总的看来，早期g i s 在滑坡灾害中的应用主要侧重于它( k i e n h o l z ，1 9 9 8 ：w a g n e r ， 1 9 8 8 ；g u p t a 和j o s h i ，1 9 9 0 ) 的制图功能。现在g i s 的应用己从数据管理、多源数据应 用和绘图输出，到数字高程模型( d e m ) 的各种地形参数提取、g i s 虚拟现实技术的应 用，并利用统计分析、人工神经网络等方法进行建模分析。但这些建模方法较少考虑滑 坡灾害及其影响因子的空间变化，使得基于g i s 的滑坡空间预报进展相对较慢。 1 4g i s 技术在滑坡灾害研究中的具体应用 滑坡灾害是在地球表层一定空间范围和一定时间内发生的一种灾害现象，在空间上 各种类型的滑坡体大小有很大的区别，时间上快慢差别也很大，但它们都是灾害孕育环 境与触发因子共同作用的结果。而滑坡灾害及其影响因素都与空间位置密切相关，利用 g i s 技术不仅可以对滑坡灾害及其相关信息进行管理，而且可以从不同空间和时间尺度 上分析滑坡发生与环境因素之间的统计关系，定量一半定量评价滑坡灾害发生风险及其 可能的灾害范围。 1 4 1g i s 对滑坡灾害信息的管理 g i s 具有强大的数据库管理功能，它将相关数据集合存贮，以最优的方式为一个或 多个应用服务，实现数据共享，减少数据冗余；对数据的维护更新提供一种公用、可控 制的运行方法。g i s 具有一般数据库所具有的资料存贮、维护、更新、查询、检索等功 能，但不同于一般数据库管理系统的是g i s 中能够以图形形式进行可视化查询和显示， 6 长安人学硕l 二学位论文 这也是g i s 的特点所在。g i s 强大的空间数据库功能为历史滑坡信息的管理和分析提供 了技术保障。在建立一个滑坡灾害管理g i s 时，大约8 0 的投入都消耗在建立数据库中， 可见数据库的份量之重，一个运行成功的g i s ，往往需要一个设计完善的数据库作为支 撑。滑坡灾害研究中涉及大量的数据，如历史灾害数据、孕灾环境数据、致灾因子数据、 灾害承灾体数据、地震灾害、地质力学、降水、地下水、土壤岩性、地质地貌和人类活 动等等，这一系列与地理空间分布相关的数据用g i s 技术处理是极为方便的。g i s 能够 将以图件形式保存的地图与表格资料通过数字化处理进入数据库系统，因而能充分利用 前期所完成的以图件形式保存的大量宝贵资料。在野外调查、测绘、试验基础上编制的 滑坡体分布图，照片和平剖面图以及其它基础性图件，如工程地质图、崩滑体工程治理 图、地形地貌图等，均可转换成数据形式存贮，并以一定的时间和空间序列组织这些资 料、图件，在此基础上进行历史滑坡的条件查询检索、滑坡发生的时间与空间规律分析， 如滑坡分布密度、滑坡时序趋势分析等。 1 4 2g i s 可以有效地对滑坡灾害进行环境因素分析和灾害监测 g i s 的分析功能是实现数据的分析、统计、知识挖掘和解决各种问题的有效工具， 是g i s 区别于其他类型系统的主要标志。g i s 分析功能随系统应用的增强而逐渐得到完 善。对滑坡灾害研究来说，g i s 的分析功能主要包括统计与空间分析、专业应用分析两 部分。统计与空间分析包括几何分析、网络分析、地形分析和多元统计分析等；专业应 用分析是根据滑坡研究的特点结合专业知识建立模型，模型中既有g i s 的空间分析、统 计分析又有专业分析程序，是一种复杂的高级分析过程。对滑坡灾害研究而言，滑坡发 生频率与影响因子之间的统计关系是滑坡灾害半定量空间预测的基础。通过对滑坡空间 分布及其环境背景数据层g i s 图层叠加操作，可以获得滑坡及其影响因素综合数据库， 在此基础上利用g i s 统计分析功能对数据库属性项进行统计分析，可获得滑坡发生频率 与各影响因子，如地形坡度、坡向、高程、植被覆盖、土地利用类型、地层岩性与地质 构造等之间的统计直方图或饼状图等，进而可据此对易滑地质环境条件进行综合分析。 如国外的l a r s e n 和t o r r e ss a n c h e z 利用g i s 对p u e r t or i c o 三个典型研究区研究发现，区 内坡度大于1 2 0 、高程大于3 0 0 m 的北东东向斜坡为易滑地质环境条件；国内戴福初和 李军利用g i s 为技术手段研究香港大屿山时发现坡度 2 0 0 、高程为10 0 m - - 5 0 0 m 的南坡 为易滑地形条件1 2 引。由此可见，在地理信息系统技术支持下，可以快捷、准确地分析滑 坡发生频率与影响因子的统计关系，进而可以确定易滑地质环境条件。另夕l - o n 果将g i s 与g p s 整合，再辅以相关的信息传输设备，则可以建立包括灾情获取实时传输g i s 7 第一章绪论 显示g i s 与历史遥感数据的复合分析一滑坡灾害预警在内的灾害动态管理系统。 1 4 3g i s 用于滑坡灾害风险评价研究 近年来，对滑坡研究己由过去的单个滑坡体的现象描述、分类治理发展到现在的以 定性、定量描述为基础的预测、预报研究。由于目前预报技术和水平有限，准确预测滑 坡灾害可能发生的地点和时间是很困难的，因而从滑坡灾害分布规律入手，从宏观上研 究易滑地质环境，进行滑坡灾害风险评价是滑坡灾害研究的主要内容。从技术方法上讲， g i s 在滑坡灾害风险评价中的操作过程可分为以下几个阶段： 获取数据：获取风险评价中各因子的基础图件、文字资料，及由己有数据获取各 影响因子的算法、方案、模型等。 属性数据空间表达：将所有影响因子图形化，使属性与图形要素相关联，以便参 与空间运算及分析。 空间数据的归一化处理：将所有数据转化到可比的坐标与数值空间，内容包括： 所有空间数据换算到相同的坐标空间中；对各因子值重新分类，统一转化成无量纲的可 比数值。 灾害危险性评判：对每一个影响因子对崩塌滑体灾害发生的贡献率进行评定，多 采用经验参数。 危险区划分：用滑坡灾害分析专业模型对各种数据进行分析处理，圈定出不同等 级的灾害危险区。 制图表达：以图形形式表达分析结果，并用统计分析图表及适当的描述对结果进 行分析。 1 4 4g i s 应用于滑坡灾害研究中，有效提高灾害研究的效率与效益。 滑坡灾害的成因不是单个孤立的因素，而是各种影响因素综合作用的结果。有时一 种其他灾害现象的发生就会触发滑坡的发生，如地震、暴雨引发滑坡。因此在g i s 中将 各种灾害作为一个系统来研究，综合分析其实体过程、分析物质与能量的转换过程、分 析地球各圈层的相互影响等，对一系列灾害因素构成的信息流进行管理、分析、评价， 是g i s 最为胜任的工作。 在数据库基础上，g i s 软件将各种数据或分析成果显示在二维地图或三维图像上， 如滑坡灾害类型分布，灾害危险程度分类图，灾情动态演变，灾害损失，救灾措施规划 等内容，地图图像直观而有效地显示其定位，显示形式可以是栅格的，也可以是矢量的， 8 长安大学硕上学位论文 可以在屏幕上人机交互式的输入、查询、输出，也可以用绘图仪将地图输出成为纸质的 地图，或直接提供磁带或磁盘数据。g i s 的这种功能，大大提高了滑坡灾害研究的效率。 此外，对于选取的研究区，通过对历史滑坡灾害范围与形成因素，如岩土体的物理 力学特性、滑坡体积、破坏模式、地形地貌条件等的统计分析，可以建立滑坡灾害范围 预测模型，然后与g i s 结合即可确定滑坡可能的灾害范围，同时可以显示出范围的大小， 如果进一步利用g i s 的叠加分析功能还可以得出可能受到威胁的建筑物、人口等。 总之，随着g i s 技术和滑坡灾害研究理论的不断深入，将有越来越多的滑坡灾害研 究会利用g i s 技术，g i s 在崩滑灾害研究中的作用也将会越来越大。 1 5 研究内容 结合国内外研究现状及g i s 技术在滑坡灾害研究中的具体应用情况，我们可以看出 g i s 技术在地质灾害领域中的应用已经十分广泛，但从目前的研究情况看，多数研究是 集中在区域上，对高速公路大比例尺滑坡灾害的研究还不多，有的也多半停留在定性或 半定量的评价中，鉴于此，本论文以陕鄂界至安康高速公路为研究对象，研究运用g i s 进行高速公路滑坡灾害危险性定量评价的理论和方法。 研究内容包括： 1 ) 建立公路沿线滑坡灾害基础数据库； 2 ) 进行公路沿线滑坡灾害类型、破坏模式、发育特征及形成机制分析； 3 ) g i s 与层次分析法结合建立滑坡危险性评价模型； 5 ) 划分公路沿线滑坡灾害危险性等级； 6 ) 绘制公路沿线滑坡灾害危险性分区图。 1 6 研究思路及技术路线 本研究在广泛收集阅读国内外研究资料的基础上，选取陕鄂界至安康高速公路沿线 为典型研究区域，通过现场调研、资料收集完成室外工作，然后，充分利用己有的资料 数据，通过数字化建立基于g i s 的公路沿线滑坡灾害危险性评价空间数据库和属性数据 库，在g i s 数据库的基础上，运用g i s 空间分析功能研究公路沿线滑坡灾害发育特征， 分析其形成机制及影响因素，选取合适的评价预测指标，运用恰当的数学分析模型，对 公路沿线进行滑坡灾害危险性等级划分，绘制公路沿线滑坡灾害危险性分区图，完成基 于g i s 技术高速公路滑坡灾害危险性评价研究。滑坡灾害危险性评价技术路线见图1 2 。 9 第一章绪论 图1 2高速公路沿线滑坡灾害危险性评价技术路线图 1 0 长安大学顾i 学位论文 譬。爹擎i ：；i “ 鎏黪：菱釜 i|。 ， 、1 、唧：二：二二，? ”：， 第二章研究区概况 极端最高4 2 6 0 c ，极端最低9 6o c 。安康、旬阳、白河降水较丰富，但降水地域分布不 均，总的趋势是由西向东递减( 图) ，降水年际变化大，多年平均降雨量7 5 8 2 7 9 9 3 m m ， 最大降水量1 4 31 o m m ( 2 0 0 3 年，汉滨区) ，最小降水量4 6 6 o m m ( 白河县，1 9 6 6 年) ，年 内降水4 月以后逐月递增，且集中程度较高，主要集中在7 9 月。 区内降水多以暴雨及连阴雨形式降落，6 9 月为暴雨高频高值期，暴雨次数占降雨 总数的9 5 ，暴雨呈先南后北，西南部多于北部的特点。 2 、水文 研究区内河流属长江水系汉江流域，沟溪密布，河网纵横，呈树枝状展布。 汉江为区内最大河流，长江一级支流，发源于秦岭中段南侧的宁强县境内，从秦岭、 巴山之间东流至湖北武汉市注入长江，全长1 5 4 2 k m ，流域面积1 7 4 0 0 0 k m 2 ，区内汉江江 面狭窄，水流急，多急流险滩，两岸台地极少，悬崖陡壁比比皆是。长水位宽8 - 一2 0 0 m ， 深0 7 l o m ，流速0 5 m s 左右，流量2 0 0 m 3 s 左右，洪、枯流量相差悬殊，洪水多发于 7 9 月。河流纵比降0 6 。( 月河、神河) 月河系汉江的一级支流，发源于凤凰山主峰铁瓦殿北麓，流经汉阴县平梁、城关、 涧池、蒲溪、双乳等乡镇，南收9 条河沟，北纳1 4 条河沟，由双乳镇黄龙洞入安康境。 流域面积2 8 3 0 k m 2 ，河长9 5 2 k m ，常水位宽一般8 0 - - 1 5 0 m ，年平均流量3 0 2 m 3 s ，河流 纵比降0 6 。 白石河发源于白河县南部韩家山，流长8 8 5 k m ，流域面积8 0 7 k m 2 ，占白河全县总面 积5 5 7 ，较大支流有：水田河、小白石河、厚子河、红石河等。平均比降6 1 5 最大 洪水流量2 0 8 0 m 3 s ( 1 9 7 5 年8 月9h ) o ，最枯流量0 1 2 m 3 s ( 1 9 6 6 年6 月6 日) ，以侧蚀为 主，侵蚀模数1 9 0 1 f f y x k m 2 ，易诱发滑坡、泥石流。 2 3 3 地形地貌 公路位于安康市的汉滨区、旬阳县、白河县境内，北依秦岭南麓，南距北大巴山脉， 之间为汉江谷底。地势总体南北高中间低、西部低东部高，北西西一南东东向山脉与河 谷相间排列。公路沿线汉江呈线状展布，整体处在低山丘陵区、河谷阶地和山间盆地这 三大地貌单元中。汉江水流湍急，下切侧蚀强烈，河谷呈“u ”型，河床宽阔。研究路段 位于汉江，地势起伏较大，切割强烈，沟谷发育且较狭窄，多呈“v ”型。植被覆盖率可 达4 0 - - - 6 0 。由于公路建设，公路沿线地形受人工活动改造，基岩裸露，形成大量的高 陡边坡，斜坡坡度较大，危岩陡壁发育。 1 2 长安大学硕士学位论文 2 3 4 岩土体特性 l 、地层 公路沿线地层区划属扬子地层南秦岭分区。出露地层由老至新，分别为：寒武系、 奥陶系、志留系、泥盆系及第四系。其中第四系为零星分布于研究路段各岩体之上的残 坡积层。 2 、岩土体工程地质特性 ( 1 ) 软硬相间互层状浅变质碳酸盐岩体 主要分布在陕鄂界一带。由寒武奥陶系的云母结晶灰岩、薄层灰岩、杂色于枚岩、 炭质片岩、板岩、硅质岩等组成。岩石软硬不均，软化系数0 6 - - - - 0 8 。岩体风化较强、 节理裂隙较为发育。主要结构面是层理面、构造面理( 劈理面、片理面) ，结构体多呈成 份相对均一的各向异性层、板、楔状等。沿软弱夹层易形成山体滑坡、陡崖易发生崩塌。 ( 2 ) 软弱薄层( 片) 状变质岩体 主要指全路段大面积分布的志留系绢云母粉砂质板岩、炭质板岩、钙质板岩、粉砂 质绢云母千枚岩、云母石英片岩等。岩石中绢云母等片状矿物及粘土质含量较高，岩石 呈粒状鳞片变晶结构、板状、千枚状构造。经多次构造变动，断裂、节理、板理、千枚 理发育，使变质岩具有极为明显的不均一性及各向异性，岩体完整性被破坏，稳定性差， 强度低。岩质软，表层全风化，在构造作用下易变形，临坡蠕变强烈，易形成滑坡、崩 塌等灾害。 3 、土体 一般粘性土主要分布在河流水系的下游，具二元结构，上部为粘性土，厚1 5 m ， 具弱膨胀性，下部为砾卵石层。另外广泛分布于区内各岩体之上的残坡积层，主要有碎 石土，含碎石粘性土组成，土质松散，透水性强，雨季易沿基岩面滑动，形成堆积层滑 坡。( 图2 2 ) 第一章研究区概况 篓荽褰美 蠢塞羔茹誓蕊；? 孓 - 女 _ 、! = 6 0 0 ”，其 中，字段名为“g c ”，输入查询内容为“ - - 6 0 0 ”的等高线信息，查询后即可得到所有符合 条件的等高线结果，在条件显示区中显示。 劂i 宴 莨! ；= = 一熟 l 霄 1茜：三广璺矗一。 3 4 空间分析 具有强大的空间分析能力是g 1 s 的主要特征，有无空间分析功能是g i s 与其制图系 统相区别的主要标志。空间分析是从空间物体的空间位置、联系方式等方面去研究空间 事物，以对空间事物做出定量的描述。从信息提取的角度来讲，这类分析还不是