川藏交通廊道崩滑灾害分布及其危险性评价.pdf

书书书 工程地质学报 （）鲁晓，祁生文，郑博文，等 川藏交通廊道崩滑灾害分布及其危险性评价 工程地质学报，（）：，（）：川藏交通廊道崩滑灾害分布及其危险性评价鲁晓祁生文郑博文郭忻怡李永超郭松峰邹宇唐凤娇姚翔龙宋帅华马丽娜张琳鑫刘方翠罗光明梁宁台大平（中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 ，中国）（中国科学院大学，地球与行星科学学院，北京 ，中国）（中国科学院地球科学研究院，北京 ，中国）（中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院，北京 ，中国）摘要川藏交通廊道雅安到林芝段位于青藏高原东南部，沿线地质条件复杂、河流切割强烈、地质环境脆弱、新构造运动活跃，具有山高谷深、坡体稳定性差等特点，是我国崩滑灾害最发育、危害最严重的地区之一。为了保障廊道内相关工程的顺利建设和后期安全运营，本文以线路两侧一级分水岭为界，通过遥感解译和野外调查，获得川藏交通廊道雅安林芝段崩滑灾害共 处，在此基础上，选取高程、坡度、坡向、工程地质岩组、断裂、水系、公路、地震动峰值加速度、降雨共 个因子分析了灾害的空间分布规律及发育特征，建立了频率比法与逻辑回归方法耦合模型，并运用到高原山区重大交通廊道崩滑灾害危险性评价中。研究结果表明：（）廊道沿线各县区段的崩滑灾害面密度在空间上总体呈从西向东递减的趋势。（）有利于灾害发生的条件分别是：高程 ，坡度大于 ，、和 坡向，较软弱、较坚硬和坚硬岩组，距断裂 范围内，距水系 范围内，距公路 范围内，地震动峰值加速度 ，年均降雨量大于 。（）将研究区危险性等级划分为极低危险（）、低危险（）、中等危险（）、高危险（）、极高危险（）级，其中：极高危险区与高危险区主要分布在断裂附近和坡度较陡的区域。（）耦合模型的 值达到了 ，优于单一的频率比模型的 ，表明耦合模型的评价结果具有更高的精度。该研究可为川藏交通廊道雅安到林芝段相关工程的规划、建设和未来运营过程中的防灾减灾工作提供重要参考。关键词川藏交通廊道；崩滑灾害；危险性；频率比；逻辑回归中图分类号：；文献标识码：收稿日期：；修回日期：基金项目：第二次青藏高原综合科学考察研究（资助号：）（）（）第一作者简介：鲁晓（），女，博士生，主要从事工程地质与地质灾害方面的研究工作 ：通讯作者简介：祁生文（），男，博士，研究员，博士生导师，主要从事工程地质与岩石力学方面的研究工作 ：（，）（，）（，）（，），：（）（），（）：（），（），（），（），（），（），；引言崩滑灾害是山区常见的地质灾害，容易对人类的生命财产安全造成威胁，同时也会对自然环境造成破坏（黄润秋，；高华喜，）。川藏交通廊道雅安到林芝段地处青藏高原东南部，位于四川省、西藏自治区境内，由于青藏高原的强烈隆升，沿线地质条件复杂、河流切割强烈、地质环境脆弱、新构造运动活跃，具有山高谷深、坡体稳定性差等特点，是我国崩滑灾害最发育、最活跃、类型最齐全、危害最严重的地区之一（彭建兵等，；李秀珍等，；彭建兵等，；薛翊国等，；兰恒星等，）。频繁发生的崩滑灾害可以造成线路路基、车站、隧道等变形破坏，严重影响着线路的建设与安全运营，制约着区域经济的发展（郭长宝等，；杜国梁等，；徐正宣等，）。因此，分析区内已有崩滑灾害的空间分布特征，预测未来 （）鲁晓等：川藏交通廊道崩滑灾害分布及其危险性评价潜在崩滑灾害发生的概率显得十分重要。地质灾害的危险性是指地质灾害发生活动的可能性（张春山等，）。地质灾害危险性评价是风险评价的一个重要环节（乔建平等，；胡瑞林等，；薛强等，）。从区域尺度上根据崩滑灾害可能发生的危险性等级进行区划，进而指导区域防灾减灾工作，已成为主动有效预防和减轻崩滑灾害损失的重要手段之一（，；方然可等，）。目前崩滑灾害危险性评价方法主要分为定性方法和定量方法两种，其中定性方法主要依赖专家的知识和经验，主观性较强，包括专家打分法（马中豪，）、层次分析法（齐洪亮，；郑师谊等，）等；定量方法主要是利用统计模型进行危险性计算，应用比较广泛的评价模型主要有随机森林模型（吴孝情等，）、确定系数模型（许冲，）、逻辑回归模型（马思远等，）、频率比模型（徐瑞池等，）等。研究人员针对川藏交通廊道区域，运用上述各种方法开展了一些危险性评价研究的工作，如李孝攀等（）基于层次分析法，选取了既有灾害的数量、规模和频次、地形地貌条件、气候水文条件、地层地质条件和人为活动条件这 个指标评价了川藏交通廊道康定至昌都段线路工程地质灾害（崩塌、滑坡、泥石流和断层破碎带灾害）的区域危险性；杨宗佶等（）基于贡献率法分析了川藏交通廊道康定至林芝段线路工程的滑坡风险，其中危险性评价指标包括与断层距离、地层岩性、相对高差、海拔、坡度、地震加速度、年平均降雨、与河流距离；边江豪等（）基于贡献率权重模型，选取了坡度、地层岩性、高差、坡向、断裂带和河流水系共 个指标进行了川藏交通廊道线路工程大型滑坡危险性区划研究。但是，这些研究均以一个大范围的矩形框或线路的缓冲区作为危险性评价区域，且有些研究区内的地质灾害样本数量比较少。以往研究表明，逻辑回归模型和频率比模型都是崩滑灾害危险性评价中应用较为普遍的模型（，；，；，），但两者分别具有一定的局限性（吴常润等，），其中：逻辑回归模型可以在一个因变量和多个自变量之间进行多元统计分析，从而得到不同因素对崩滑灾害发生的贡献度，即因子之间的相对权重，但是不能得到各因素不同分级区间与灾害的相关性；而频率比模型可以计算同一影响因子在不同分级区间下对崩滑灾害发生的影响，但不能反映不同影响因子对灾害发生的贡献率或影响程度的差异。近年来，越来越多的研究者不再局限于单一模型的选取，而是更倾向于将不同的模型进行对比以及重新组合，以提高危险性评价结果的精度，均取得了较好的应用效果（刘杰等，；杨康等，；，；王剑锋等，；赵铮，）。为了进一步提高川藏交通廊道地质灾害危险性评价结果的准确性，本文基于遥感影像目视解译和野外调查，以线路两侧一级分水岭为界，在分水岭范围内解译了 多处崩滑灾害，建立了川藏交通廊道雅安到林芝段的崩滑灾害数据集；选取了高程、坡度、坡向、工程地质岩组、断裂、水系、公路、地震动峰值加速度、降雨共 个因子，分析了崩滑灾害空间分布规律及其发育特征；建立了频率比 逻辑回归耦合模型，开展了崩滑灾害危险性评价工作，并将耦合模型与单一频率比模型的评价精度进行了比较。川藏交通廊道地质背景川藏交通廊道雅安到林芝段的线路工程正处在施工建设阶段，新建正线长度 ，计划工期 天，东起四川省雅安市，向西经康定、理塘、昌都、波密，到达西藏自治区林芝市。由于复杂的特提斯构造形成演化及青藏高原隆升，沿线地质条件极其复杂（潘桂堂等，），处于“五高”（高海拔、高应力、高烈度、高地温、高水压）、“四极”（地形切割极为强烈、构造作用极为活跃、岩性条件极为复杂、历史地震效应极为显著）的复杂耦合环境下，建设难度之大堪称世界之最（，）。本研究区范围介于川藏交通廊道雅林段线路两侧的一级分水岭内，总面积约 。线路最东侧位于四川盆地，向西经过横断山高山峡谷区进入藏东南高山峡谷区。区内地势西高东低，高程为 ，地形高差十分显著，山高坡陡、地势险峻。地貌形态主要受青藏高原隆升的影响，横断山区的伯舒拉岭、他念他翁山、芒康山等山脉走向主要为南北向，而横断山区西侧的山脉走向由南北向过渡为东西向，冰川地貌和冻融地貌发育。从大的地块单元看，川藏交通廊道雅安到林芝段横跨了 个一级大地构造单元，最东侧为扬子陆块（雅安至康定段），向西依次是羌塘 三江造山系（康定至昌都段）、班公湖 双湖 怒江 昌宁对接带（昌都至八宿段）和冈底斯 喜马拉雅造山系（八宿 工程地质学报 至林芝段）（潘桂棠等，）。此外，还贯通了 条岩浆弧带，涉及 个不同构造环境的沉积盆地，贯穿 条蛇绿混杂岩带（潘桂棠等，）。受青藏高原构造格局控制，研究区内地层岩性复杂多变，从震旦系至第四系均有分布（杜国梁等，），受构造活动影响，岩体挤压变形强烈。研究区内水系发育，川藏交通廊道雅安林芝段沿线横跨大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江等主要河流，河流流向受区域构造走向和区域地势控制，主要为近南北向平行排列。线路穿越多条第四纪活动断裂，如龙门山断裂带、鲜水河断裂带、理塘断裂带、金沙江断裂带、澜沧江断裂带、怒江断裂带、嘉黎 察隅断裂带、米林断裂带等。密集发育的活动断裂使该地区地震活动强烈、破坏性大，根据中国地震动峰值加速度区划图（）中川藏交通廊道雅林段沿线的地震动峰值加速度分布，康定、泸定、波密、林芝地区的 可达 甚至 ，其余绝大部分地区 为 和 ，地震风险不可忽视。崩滑灾害危险性评价的频率比 逻辑回归耦合模型频率比模型（，）是一种简单且常用的定量分析模型，可以有效评估地理空间中因变量和自变量之间的概率关系。对于崩滑灾害而言，频率比 表示的是影响因子 在某一分级区间 内灾害所占的面积和研究区内灾害总面积的比值与该影响因子 在该分级区间 下的面积和研究区总面积的比值之比，其计算公式为：（）式中：是灾害总面积；是研究区总面积；是某一特定因子 在第 分级区间的灾害面积；是某一特定因子 在第 分级区间的研究区面积。值表征了影响因子 在各分级区间 对于崩滑灾害发生的重要程度：表明影响因子 在第 分级区间对灾害发生有利，表明影响因子 在第 分级区间不利于灾害发生。逻辑回归模型（，）是在一个因变量和多个自变量之间形成多元回归关系，从而预测事件的发生概率。在 模型中，因变量是一个二分类变量，分别取 和 表示事件的发生和未发生，自变量为影响事件发生的 个影响因子。逻辑回归函数表达式为：（）（）（）（）式中：为中间变量参数；为回归常数；是第 个自变量的回归系数（，）；是第 个自变量的取值（，）；是事件发生概率的回归预测值。本文充分发挥频率比模型和逻辑回归模型的优势，既关注各影响因子的不同分级区间致灾效应的大小，同时考虑不同影响因子对灾害发生的贡献权重，基于式（）、式（）和式（）建立了频率比 逻辑回归耦合模型，表达式为：（）（）（）（）式中：为第 个评价单元的中间变量参数（，）；为回归常数；是第 个影响因子的回归系数；是影响因子的个数；是第 个评价单元的第 个影响因子的频率比值；是第 个评价单元的崩滑灾害发生概率的回归预测值。本文选择栅格作为危险性评价单元，主要计算步骤如下：（）利用式（）计算各影响因子 在不同分级区间 下的 值，并将该值赋给相应因子图层的栅格单元，则第 个影响因子在第 个栅格单元的频率比值为 。（）在研究区内随机选取相同数量的崩滑点样本和非崩滑点样本，再将这些样本按照?的比例分成训练集和测试集（训练集和测试集中的崩滑点和非崩滑点都各占一半）。（）假设训练集中共有 个样本点，每个样本点的特征向量由该样本点所在栅格单元的各影响因子的频率比组成，则 个样本点对应的 个影响因子的频率比组成一个矩阵（），以该矩阵作为自变量，以每个样本点崩滑灾害发生与否作为因变量（代表不发生，代表发生）进行二元逻辑回归，可得到训练后的二元逻辑回归模型，模型的回归系数即为因子之间的相对权重。（）利用式（）和式（）计算出研究区每个栅格单元崩滑灾害的发生概率。（）鲁晓等：川藏交通廊道崩滑灾害分布及其危险性评价 崩滑灾害分布及发育特征 崩滑灾害遥感调查与面积分类本文主要以 影像数据为基础对川藏交通廊道雅安林芝段的崩滑灾害进行了初步解译，廊道解译范围以线路两侧一级分水岭为界，整体宽度介于 之间。崩塌灾害的遥感解译标志（许冲等，；童立强等，）：崩塌常以小规模成群出现，多发育于陡坡，上陡下缓；崩塌壁陡峭粗糙，通常呈浅色调；崩塌体在坡脚形成锥状堆积体或倒石锥，地貌特征明显，影像粗糙，通常呈浅色调；崩塌体上一般不长植被或植被稀疏，多数较老的崩塌体植被茂盛。滑坡灾害的遥感解译标志（许冲等，；童立强等，）：滑坡体的平面形态多呈簸箕形、舌形、椭圆形和不规则形等；发生过滑坡的坡体颜色与周围环境差异较大；规模较大的滑坡可见圈椅状后壁、滑坡台阶、滑坡鼓丘、封闭洼地、滑坡舌、滑坡裂缝等微地貌形态；规模较大的古滑坡堆积体上通常可见田地或房屋。通过野外调查验证发现，室内遥感解译的准确率可达 ，图 为崩