基于连续因子和非连续因子的山区崩滑流易发性研究.pdf
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1、兰州大学学报(自然科学版),2 0 2 3,5 9(4)8 月Journal of Lanzhou University(Natural Sciences),2023,59(4)/August基于连续因子和非连续因子的山区崩滑流易发性研究舒和平1 2,刘蓉,王刚,刘兴荣41.兰州大学土木工程与力学学院,西部生态安全省部共建协同创新中心,兰州7 30 0 0 02.甘肃农业大学水利水电工程学院,兰州7 30 0 7 03.兰州市气象局,兰州7 30 0 2 04.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所,兰州7 30 0 0 0摘要:以祁连山东段北坡为研究区,基于区内390 个崩滑流点,选择坡度、坡向
2、、水流强度指数、道路、土地利用、断层等评价因子,结合因子剔除方法,应用改进频率比(连续因子计算)和证据权法(非连续因子计算)进行易发性评价,并用密度法和ROC曲线验证评价结果精度.结果表明,评价因子的筛选对易发性结果极为重要;不同因子组合下两种方法的易发性结果曲线下面积值均高于0.8 0;极低-低易发等级面积约占8 0%,高-极高易发等级面积约占6.5%,高-极高易发等级中崩滑流灾害点数量均超过6 4%,巫需加强区内地质灾害潜在风险转移研究。关键词:地质灾害;易发性;证据权;改进频率比;祁连山东段北坡中图分类号:P642.23文献标识码:A文章编号:0 4 5 5-2 0 5 9(2 0 2
3、3)0 4-0 4 37-1 1D0I:10.13885/j.issn.0455-2059.2023.04.002Susceptibility of geological hazards in mountain areas basedon continuous and discontinuous factorsSHU He-ping,LIU Rong,WANG Gang,LIU Xing-rong1.Collaborative Innovation Center for Western Ecological Safety,College of Civil Engineering andMech
4、anics,Lanzhou University,Lanzhou 730000,China2.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China3.Lanzhou Meteorological Bureau,Lanzhou 730020,China4.Geological Hazards Prevention Institute,Gansu Academy of Sciences,Lanzhou 730000,ChinaAbstrac
5、t:The north slope of the Qilian Mountains east segment was selected as the study object,390geological hazards points were used as sample data,and the slope,aspect,road,stream power index,landuse and fault chosen as the evaluation factors.The modified frequency ratio(continuous factors)andweight evid
6、ence methods(discontinuous factors)were conducted to calculate the susceptibility and bycombining with the method of exclude factors,density method and receiver operator characteristic curve,收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 3修回日期:2 0 2 2-0 7-2 1基金项目:兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金项目(lzujbky-2021-kb12,lzujbky-2022-pd01);防灾减灾湖
7、北省重点实验室(三峡大学)项目(2 0 2 1 KJZ05);甘肃省2 0 2 1 年度重点人才项目(2 0 2 1 RCXM066);甘肃省科学院应用研究与开发项目(2 0 2 1 JK-07)作者简介:舒和平(1 98 9-),男,瑶族,湖南淑浦人,副教授,博士,e-mail:,研究方向为水文过程与地质灾害.438兰州大学学报(自然科学版),2 0 2 3,5 9(4)to verify the accuracy of the evaluation results,which showed that the selection of evaluation factors wasvery i
8、mportant for susceptibility,and the values of area under curve were higher than 0.80 for the twomethods under different factor combinations.The areas of very low and low susceptibility accounted forabout 80%of the total,and the very high and high susceptibility for about 6.5%;the number of geologi-c
9、al hazard points exceeded 64%in the high and very high susceptibility areas.It is urgent to strengthenthe research into the potential risk transfer of geological disasters.Key words:geological hazard;susceptibility;weight evidence;modified frequency ratio;north slope ofthe Qilian Mountainseast segme
10、nt随着全球变暖和人类活动加剧,崩滑流是山区发生最频繁的地质灾害类型之一,对社会经济、生态系统和人员安全等造成严重影响-4 .通过崩滑流易发性评价能有效反映特定区域崩滑流发生的空间概率分布,易发性研究逐渐成为地质灾害研究领域的热点 5 地质灾害易发性评价模型众多,一般可分为定性模型和定量模型,其中定量模型可分为数据驱动模型和确定性模型 6-8 .确定性模型是通过计算研究区稳定性系数来预测地质灾害易发性,该模型需考虑区域的岩土力学参数和水文环境因素等,限制了模型在大区域的应用 2.7.数据驱动模型基于输人和输出的样本数据进行大区域的地质灾害易发性研究,数据比较容易获取 9-,其中频率比法和证据权
11、法(weightevidence,WE)等是常用的方法,其基于样本数据建立与地质灾害的关系,评价结果客观,容易操作 1 2-1 4 .刘璐瑶等1 5 通过WE和逻辑回归模型对永嘉县滑坡易发性进行计算,结果发现两者组合模型精度高于单一模型.郭子正等1 6 采用加权频率比模型对万州区的滑坡易发性进行评价,结果发现加权频率比模型计算优于单一的统计方法.这些成果充分证明数学统计方法在地质灾害易发性评价中具有较好的效果.近年来祁连山区一系列人类活动(例如能源开采、道路修建等)正改变着区内原有的地形地貌,为不同类型灾害的发生提供了丰富的物源,增加了崩滑流灾害的威胁程度1 7 .吴玮江等 1 8 通过野外调
12、查和遥感解译初步分析了祁连山滑坡类型、形成条件和危害性等,并探讨了滑坡发育的动力因素.刘金鹏等 1 7.1 9 利用打分法计算了甘肃省河西地区泥石流的易发性,发现泥石流普遍发育,属于中易发性,治理难度较大.目前这些研究还处于半定性半定量的阶段,缺乏祁连山地质灾害易发性的量化研究.本研究以祁连山东段北坡为研究对象,通过改进频率比法(modifiedfrequencyratio,MF R)和WE计算区内崩滑流易发性,结合ArcGIS空间分析技术划定易发性等级,分析计算方法和因子组合的差异性.应用密度法和ROC(receiveroperatorcharacteristic)曲线检验易发性评价结果的精
13、度,1资料与方法1.1研究区概况甘肃段祁连山东段北坡南靠乌鞘岭和毛毛山,北靠大靖盆地、武威盆地和高古城-永昌盆地,东邻黄土高原,海拔1 4 90 4 8 2 1 m,地理环境具有多样性、过渡性和脆弱性特征.区内山高谷深、构造发育、地震频繁和高寒低温,为崩滑流灾害的发育提供了有利条件.该区域位于中国东部季风区、西北干旱区和青藏高原的交错地带,属于祁连山高寒半干旱气候,年降水量1 95 5 5 1mm,蒸发量在1 30 0 1 7 0 0 mml8.祁连山是河西走廊多条河流的发源地,研究区自东向西主要有大靖河、古浪河、黄羊河、杂木河、西营河、东大河和西大河,属于石羊河流域水系.山区河流主要以大气降
14、水和冰川融水补给为主,年内水量分布不均,主要在6-9月1 8 1.2地质灾害目录根据地质灾害分类方法 2 0 ,区内地质灾害点可分为3类:滑坡、崩塌和泥石流.图1 a是黄土滑坡因房屋修建挖方诱发,可能造成破坏房屋或者掩埋公路;崩塌可能由于风化、降雨和冻融等共同作用发生,若崩塌规模较大时可能堵塞河道,形成堰塞湖,威胁附近居民和公路的安全(图1 b);图1c是在降雨、冰川融雪等影响下诱发泥石流高质量地质灾害点数据对于校准和验证地质灾害易发性模型的性能具有重要的意义 2 .通过遥感解译、野外调查、资料搜集和文献总结等手段获取研究区的崩滑流灾害点,区内崩滑流点共390个,其中泥石流约占崩滑流的4 5.
15、38%,滑坡占36.93%,崩塌占1 7.6 9%(图2).439舒和平,等:基于连续因子和非连续因子的山区崩滑流易发性研究a滑坡b崩塌泥石流图1崩滑流照片Fig.1Photosofgeological hazards永昌县N.0.0.88武威市滑坡N.0.00oLE崩塌海拔/m泥石流高:4 8 2 1县市所在地底:1 4 90水系015km研究区边界山101300E10200E102300E10300E103300E图2崩滑流灾害点分布Fig.2Distribution of geological hazard points1.3评价因子崩滑流易发性评价因子可分为地形地貌、水文条件、地质构造
16、条件和人类活动等.2 1-2,,地形地貌包括高程、坡度、坡向、平面曲率、面曲率、标准曲率、表面粗糙度、地形位置指数和地形起伏度;水文条件包括单位面积汇流量、水系缓冲区、地形湿度指数和年降雨量;地质构造条件包括断层缓冲区、岩性和地震动峰值加速度;人类活动包括人口密度、道路缓冲区和土地利用(图3).1.4因子剔除方法1.4.1共线性检验为了提高易发性结果的可靠性,需对评价因子进行共线性检验,当两个因子的共线性值 0.5时,需剔除其中一个因子 2 3.借助Python语言里Seaborn包中可视化工具进行评价因子相关矩阵检测,得到评价因子共线性值(表1).根据共线性原则和研究区实际情况,剔除的评价因
17、子为高程、平面曲率、剖面曲率、标准曲率、粗糙度和地形起伏指数,拟选取1 4 个评价因子进行易发性研究。1.4.2关联分析基于崩滑流灾害点的分布和因子共线性检验结果,结合ArcGIS中“值提取至点”功能获取每个灾害点的评价因子信息值,统计灾害点在不同因子的区间分布情况.灾害点主要分布在地形位置数值0 附近,从0 值向两侧逐渐减少;在不同坡向区间分布较为均匀;坡度在5 30 的灾害点约占总灾害点的7 6%.水系对大部分灾害点有积极的影响,然而对部分灾害点的影响较弱;单位面积汇流量较小时利于灾害的发生;当地形湿度指数位于2 1 0 时灾害容易发生;多年年平均降雨量在260380和4 6 0 5 0
18、0 mm时灾害发生的次数较多,可能与当地的地形雨和高山积雪融化有关.崩滑流在不同地质构造因子的分布情况结果发现断层利于灾害的发生;灾害点主要分布在地震加速度0.150.20gal;沉积岩区域的灾害点约占总灾害的80%;栗钙土和灰钙土区域的灾害点分布较多.草地和裸地区域的灾害点占比达92%,森林、农田和灌区区域分布的灾害点较少;道路在修建过程中440兰州大学学报(自然科学版),),2023,59(4)永昌县永昌县N.0.0085N.0.0085武威市武威市高程/m坡度/)14902.070古浪县072070253512.5km7140012.5km2.5352.9801423129803540县
19、市所在地2334县市所在地研究区边界3476研究区边界3.5404.821101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300E高程b坡度a永昌县坡向/)永昌县N.0.0.85St006StSEI06081SE109ES1EN.0.0.85武威市武威市平面曲率N.O.0EoLE古浪-134古浪县-40012.5km01县市所在地012.5km13县市所在地研究区边界L310研究区边界101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300EC坡
20、向Cd平面曲率永昌县永昌县N.0.0085N.0.0.80武威市武威市剖面曲率标准曲率N.O.0CoLC-205古浪县-26-5古浪县-50012.5km-50012.5km10201县市所在地县市所在地2512口研究区边界口研究区边界520222101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300E部面曲率f标准曲率e永昌县永昌县N.0.0.86N.0.0.85武威市武威市表面粗糙度地形位置指数011-68-12古浪县11125012.5km-120012.5km2541034162县市所在地315县市所在地口研究
21、区边界口石16225215-71研究区边界101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300Eg表面粗糙度h地形位置指数永昌县永昌县N.0.0.85N.0.0.85武威市武威市地形起伏度/m单位面积汇流量011110012.5km10100012.5km1125025411001000县市所在地10005000县市所在地4165研究区边界5.000口研究区边界65318101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300Ei地形起伏度j单
22、位面积汇流量图3易发性评价因子Fig.3Susceptibilityevolutionfactors441舒和平,等:基于连续因子和非连续因子的山区滑流易发性研究永昌县永昌县N.0.0086N.0.085武威市武威市水系缓冲区/m地形湿度指数12研究区边界4000101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300Ek水系缓冲区1地形湿度指数永昌县永昌县N.0.080N.0.0.85武威市武威市断层缓冲区/m年降雨量/mm2.500研究区边界101300E10200E102300E10300E103300E10130
23、0E10200E102300E10300E103300Em年降雨量n断层缓冲区永昌县永昌县NL.0.0.86N.0.0080武威市武威市岩性N.O.0CoL侵人岩古浪县地震动峰值加速度/gal古浪县变质岩12.5km0.15012.5km围岩0.20沉积岩县市所在地0.30县市所在地脉岩研究区边界0.40研究区边界101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300E0岩性P地震动峰值加速度永昌县永昌县+连福N.0.0.88N.0.0.80武威市武威市人口密度(人/km)N.0.000LS01古浪县130.12.5k
24、m035县市所在地012.5km510县市所在地研究区边界10184研究区边界101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300Eq土壤类型I人口密度永昌县永昌县田?N.0.0.85N.0.0.88武威市武威市道路缓冲区/m1000101300E10200E102300E10300E103300E101300E10200E102300E10300E103300ES道路缓冲区t土地利用类型续图3易发性评价因子Continue Fig.3Susceptibility evolution factors442兰州大学学报
25、(自然科学版),2 0 2 3,5 9(4)表1 易发性评价因子共线性检验Table1Collinearity test of susceptibility evaluation factors道路缓人口断层缓水系缓地震动土壤平面剖面标准因子岩组冲区密度冲区冲区加速度类型曲率曲率曲率道路缓冲区1.00人口密度-0.251.00断层缓冲区-0.140.101.00水系缓冲区0.19-0.09-0.011.00地震动加速度0.01-0.030.06-0.021.00岩组0.10-0.040.000.050.041.00土壤类型0.020.090.05-0.22-0.05-0.081.00平面曲率0
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