基于信息量法的江苏盱眙第一山地质灾害易发性评价

史忠鑫，王振海，车增光，张 丽

（1.南京市国土资源信息中心，江苏·南京 210018；2.自然资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏·南京 210018；3.江苏省地质调查研究院，江苏·南京 210018）

易发性评价是从区域空间尺度对崩塌与滑坡发生的可能性进行定性分级或定量估算的过程，是崩塌滑坡风险管控的基础依据。崩塌滑坡易发性评价常见的方法有信息量模型[1-3]、CF模型[4-5]、Logistic回归模型[6]、SHALSTAB模型[7-8]、证据权模型[9-10]、BP神经网络[11]、逻辑回归模型[12]等，多种方法在实际应用中均得到了有效验证，其中信息量法适应于样本数量较多的评价区。

历史上盱眙县第一山及周边曾进行过大规模矿山开采，形成了数十个大大小小的采石宕口。不合理的开山采石活动、切坡建设活动导致多处山体坡度较陡，存在多处崩塌滑坡隐患。已有的研究多集中在定性评估或局部崩塌滑坡隐患上，由于工作区样本数量较多，本次采用信息量模型法，选取7个主要影响因子，对盱眙县第一山崩塌滑坡易发性进行定量评价，为盱眙城市建设防灾减灾、国土空间规划、崩塌滑坡预警等提供依据。

1 研究区域概况

盱眙县第一山在盱眙县北部，位于盱眙断裂带上，由西侧淮河—自来桥断裂和东侧渔沟—桂五断裂以及两者所夹持的盱眙断块所组成。地貌按形态可分为低山丘陵和侵蚀堆积岗地两种类型，地面标高在22～146 m，坡度较缓；由于构造活动强烈，出露的最老地层为震旦系上统黄墟组及灯影组，沿老子山、大尖山、甘泉山、老军山、磨盘山一带呈NNE向条带状分布。地下水可分为松散岩类孔隙潜水和岩溶水两大类。中小型采石场遍布，受开山采石影响，大部分低山地形地貌破坏极为严重，人类工程活动较强烈。

目前，盱眙县第一山共有崩塌、滑坡、不稳定斜坡等地质灾害隐患点51处，其中崩塌23处，滑坡10处，不稳定斜坡（崩塌、滑坡隐患）18处（图1），直接威胁人数364人，威胁财产达2899万元。

图1 研究区崩塌滑坡灾害分布Fig.1 Distribution of collapse and landslide in the study area

2 评价模型

信息量法认为，某种地质环境因素提供的发生崩塌滑坡的可能性，可以通过计算该因素的信息量来度量，用该因素信息量的大小来评价这一因素对崩塌滑坡发生的影响[13-14]。一般崩塌滑坡发生与多种因素有关，综合这些因素的信息量值，得到“最佳因素组合”下，崩塌滑坡发生的可能性大小，实现对一定区域崩塌滑坡发生可能性的客观评价，具有科学性。对应某种因素特定状态下的崩塌滑坡信息量公式可表示为：

式中：

IAj→B—对应因素A、j状态（或区间）下崩塌滑坡灾害发生的信息量；

Nj—对应因素A、j状态（或区间）下崩塌滑坡灾害分布的单元数；

N—评价区已知有崩塌滑坡灾害分布的单元总数；

Sj—因素A、j状态（或区间）分布的单元数；

S—为评价区单元总数。

当IAj→B>0时，反映了对应因素A、j状态（或区间）下崩塌滑坡灾害发生倾向的信息量较大，崩塌滑坡发生的可能性较大；当IAj→B<0时，表明因素A、j状态（或区间）条件下，不利于崩塌滑坡发生；当IAj→B=0时，表明因素A、j状态（或区间）不提供有关崩塌滑坡发生与否的任何信息，即因素A、j状态（或区间）可以剔除掉，排除其作为崩塌滑坡预测因子。

由于每个评价单元受众多因素的综合影响，各因素又存在若干状态，各状态因素组合条件下崩塌滑坡发生的总信息量可用如下公式确定：

式中：

I—对应特定单元崩塌滑坡发生的总信息量，指示崩塌滑坡发生的可能性，可作为崩塌滑坡易发性指数；

Ni—对应特定因素、第i状态（或区间）条件下崩塌滑坡面积或崩塌滑坡点数；

Si—对应特定因素、第i状态（或区间）的分布面积；

N—评价区崩塌滑坡总面积或总崩塌滑坡点数；

S—评价区总面积。

3 易发性评价

3.1 评价单元选取

本次易发性评价采用网格单元，由于网格单元大小的确定尚无成熟模型，根据已有数据精度，采用5m×5m网格单元，将栅格单元划分为736行、1537列，共计52.8万个栅格单元。

3.2 评价指标体系的建立

根据本区崩塌滑坡发育特征，易发性评价选取崩塌滑坡点密度、工程地质岩组、与断层距离、斜坡结构、地形坡度、斜坡高差和人类工程活动7项主要因子作为易发性评价指标[15-19]。

（1）崩塌滑坡密度

崩塌滑坡密度反映某区域崩塌滑坡发育环境的优劣，崩塌滑坡密度大的区域未来崩塌滑坡发生的概率较大。将现状崩塌滑坡隐患点投影到评价单元内，并计算出每个输出栅格像元周围点要素的密度。每个栅格像元中心的周围都定义了一个邻域，将邻域内的点数量相加，再除以邻域面积，所得数值为崩塌滑坡密度（图2a）。

崩塌滑坡密度可分为[0，10）、[10，20）、[20，30）、[30，42.6）四个状态级别（图3a），崩塌滑坡频率比在四个状态内逐渐增大。

（2）与断层距离

盱眙第一山位于淮河—自来桥断裂东侧，与之平行发育有一系列北北东向断裂，其所在的盱眙断块内部层间牵引褶曲、劈理、断裂、节理等构造发育。一般来讲，距断层距离越近，节理等小构造、软弱面越发育，岩体也就越破碎，越有利于滑坡、崩塌的发生。利用ArcGIS的缓冲区功能，对全区构造沿线进行分级。

根据评价区构造规模，将崩塌滑坡与构造距离分为[0，50）、[50，100）、[100，+∞）三个状态级别（见图3b），崩塌滑坡相对频率比在三个状态内逐渐增大。

（3）斜坡结构

本次根据斜坡坡向与地层倾向在空间上的夹角，对斜坡结构进行划分。

为研究斜坡结构对崩塌滑坡发育的影响，将坡向与地层倾向的夹角按15°划分区间，共划分为12个区间，计算出各区间的崩塌滑坡相对频率比。从图2b曲线可以看出，发生崩塌滑坡的斜坡结构集中在[0°，5°）、[15°，45°）和[75°，165°）之间，崩塌滑坡面积比大于分级面积比，说明崩塌滑坡的相对频率比较大，这也与实地野外调查成果相符，因此，将坡向与地层倾向的夹角分为[0°，5°）、[15°，45°）、[45°，75°）、[75°，165°）和[165°，180°）六级（见图3c），并分别计算其信息量。

（4）地形坡度

根据1:1万DEM数据，生成地形坡度图，以10°为间距将地形坡度划分多个区间，并计算出每个区间内崩塌滑坡相对频率比。从图2c曲线可看出，崩塌滑坡发生的坡度集中于60°以上，说明坡度越大，崩塌滑坡的相对频率比越大。根据崩塌滑坡与坡度的频率关系，将坡度分为[0°，20°）、[20°，40°）、[40°，60°）、[60°，90°]四个区间（见图3d），并分别计算其信息量。

（5）工程地质岩组

根据工程地质性质及岩性组合，盱眙县第一山工程地质岩组可分为第四系低压缩性黏性土、黄墟组下段半坚硬千枚质泥岩、粉砂岩，黄墟组上段半坚硬—坚硬灰岩、泥灰岩夹千枚状页岩、粉砂页岩以及灯影组坚硬白云岩、白云质灰岩夹千枚状页岩、粉砂质页岩4类工程地质岩组，由于第四系黏性土土层较薄，分布范围较小，且多分布于地势低洼的沟谷内，对崩塌滑坡发育的影响程度甚小，因此本次崩塌滑坡易发性评价主要考虑后3类工程地质岩组（图3e）。

在3类工程地质岩组中，黄墟组下段软弱结构面发育，该岩组崩塌滑坡发育频率比为0.69，其次为黄墟组上段，岩性软硬相间，频率比为0.68，灯影组地层工程地质性质较好，软弱结构面育远不如黄墟组地层，频率比为-0.48。

（6）斜坡高差

斜坡高差越大，越易发生崩塌滑坡。根据1:1万DEM数据，生成斜坡高差图，以10 m为间距对斜坡高差划分多个区间，并计算出每个区间内崩塌滑坡相对频率比。从图2d曲线可看出，发生崩塌滑坡的斜坡高差主要集中于30 m以上，说明高差越大，崩塌滑坡的相对频率比也就越大。根据崩塌滑坡与斜坡高差的频率关系，将高差分为[0，10）、[10，30）和[30，70]三个区间（图3f），并分别计算其信息量。

图2 崩塌滑坡与各影响因素分级统计图Fig.2 The statistical chart of collapse, landslide and grading of various influencing factors

（7）人类工程活动类型

盱眙县第一山已发生的33处崩塌滑坡，几乎全部与人类工程活动相关，区内人类工程活动类型大致可分为开山采石、道路与房屋建设切坡和其他3类（图3g）。一般来说，开山采石对地形地貌的破坏程度最高，形成的斜坡规模最大，稳定性最差，最易形成崩塌滑坡灾害，区内因开山采石形成的灾害数量20处，占总数量的60%以上；其次为道路、房屋建设切坡，此类工程活动类型多分布于丘陵低山周边，形成的斜坡一般高差较小，而且往往都有不同程度的防护措施，据统计，区内此类工程活动形成的崩塌滑坡11处，占总数的33%；其他人类工程活动一般为农业种植、坡面植被破坏、排水等，形成的崩塌滑坡数量少，区内仅2处，占总数的6%。

图3 崩塌滑坡与各影响因素分级平面图Fig.3 The plan of collapse, landslide and grading of various influencing factors

4 易发性评价分区

4.1 信息量计算

利用信息量模型及各评价因子状态划分，计算各评价因子各分级状态的信息量，计算结果见表1所示。信息量数值越大表示对崩塌滑坡灾害发生的影响程度越高，总体来看崩塌滑坡主要影响因子为地形坡度，其次为崩塌滑坡密度、斜坡高差和人类工程活动。

表1 评价因子信息量计算表Table 1 Calculation table of information quantity of each evaluation factor

4.2 崩塌滑坡易发性评价分区

计算得到各栅格的总信息量值，根据概率比率值大小划分为高、中和低3个易发区等级（图4）。

图4 崩塌滑坡易发性分区图Fig.4 Zoning map of collapse and landslide prone areas

（1）崩塌滑坡高易发区

该区主要分布于四山、龙山西坡、象山、第一山、宝积山、磨盘山、都梁山都梁阁等地，此外，在天台山东侧、龙虾广场、斗笠山巷、老虎岗等地也有小范围分布，面积约0.25 km2。该区受开山采石或房屋、道路切坡活动影响极大，尤其是开山采石活动，如象山、磨盘山、第一山，历史上开山采石活动强度大，严重破坏了原始的地形地貌，遗留了诸多高陡边坡，边坡高度普遍都在20 m以上，象山地区最高可达70～80 m，坡度皆在60°以上，极易发生崩滑坡。根据调查，该区已发生崩塌滑坡点25处。

（2）崩塌滑坡中易发区

该区主要分布于龙山、象山、戚大山、第一山、宝积山、天台山、磨盘山、都梁山等山体周边，面积约1.74 km2。该区部分受居民房屋或道路建设切坡影响，不稳定斜坡数量多，多数高度不大，一般在10 m以上，但坡度较陡，坡体及周边人类活动频繁，极易造成斜坡失稳；另一部分区域则地形自然坡度较大，如戚大山和第一山西坡、天台山西坡和南坡、都梁山北部等地，自然坡度普遍都在25°以上，遇坡脚切坡等不利影响因素，也易产生崩塌滑坡。根据调查，该区已发生崩塌滑坡点8处。

（3）崩塌滑坡低易发区

该区主要分布于其它大部分地区，面积约10.8 km2，受人类工程活动影响较小，地势平缓，无规模较大的不稳定斜坡，在该区域本次调查未发现有崩塌滑坡隐患点，未来如无大规模的人类活动影响（如采石、切坡等），发生崩塌滑坡的可能性较低。

5 评价结果精度验证

本次选用ROC 曲线作为地质灾害易发性评价精度验证方法，ROC 曲线下面积AUC为评价准确程度的标准。AUC 值介于0～1 之间，越接近1 模型预测准确性越高。

ROC 曲线横轴为高易发区到低易发区的区域面积累计百分比，纵轴为对应易发性等级区间内地质灾害隐患点个数的累积百分比（图5），计算AUC值为0.896，说明本次评价结果准确程度较好。

图5 评价结果ROC曲线Fig.5 ROC curve of evaluation result

6 结论

（1）选取崩塌滑坡点密度、工程地质岩组、与断层距离、斜坡结构、地形坡度、斜坡高差和人类工程活动7个评价因子，运用信息量模型将盱眙县第一山崩塌滑坡易发性分为高、中和低3个易发区等级，面积分别为0.25 km2、1.74 km2、10.8 km2。

（2）盱眙县第一山崩塌滑坡的主要影响因子为地形坡度、崩塌滑坡密度、斜坡高差和人类工程活动4个因子，特别是在地形坡度大于等于60°、崩塌滑坡密度大于等于30、斜坡高差大于等于30 m的开山采石区域发生崩塌滑坡的可能性最大。

（3）因工作区面积较小，区域内年均降雨量基本无差异，故本文未考虑其影响，后续将作为诱发因子在危险性评价中单独考虑。