研究区面积为840.34 km², 位于天津市北部山区, 属暖温带半湿润大陆性季风气候, 地势整体北高南低, 北起长城, 南至蓟运河, 逐渐下降, 呈阶梯分布。地貌可分为山地丘陵、山前冲洪积平原、潮白河冲积平原等, 出露地层有太古宇、中元古界、新元古界和古生界。第四系主要分布在南部平原区, 不整合覆盖于古老地层之上, 其厚度由北向南迅速变厚, 一般厚约50~200 m。滑坡、崩塌、地面塌陷等地质灾害频发, 研究区内共有地质灾害244处, 其中崩塌212处, 滑坡22处, 泥石流9处, 地面塌陷1处(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 研究区地质灾害分布图Fig.1 Geological sketch of the study area

2021年11月至2022年6月, 综合采用地面调查、地球物理勘探、工程地质钻探、岩土试验等多种技术手段, 对研究区开展地质灾害调查和数据收集, 室内工作利用2021年WorldView2卫星拍摄的0.5 m分辨率遥感影像对灾害隐患进行识别解译, 制定调查路线, 利用无人机航拍、GPS定点进行调查验证。

地形坡度、坡向、起伏度等数据基于分辨率12.5 m 的DEM数据提取生成。地貌、断裂、地层岩性数据主要来源于《天津市区域地质志》, 降雨数据来源于蓟州区31个雨量站2016— 2021年的汛期(6— 9月)月平均降雨量。

本研究基于精度为12.5 m的数字高程模型数据, 以0.5 m 精度WorldView2卫星遥感影像为辅助, 采用ArcGIS的栅格赋值和叠加运算方法进行评价, 栅格像元分辨率为25 m× 25 m, 整个北部山区共划分为1 344 548个像元。每个像元对各项因子分别打分赋值, 经数值化处理后, 获得各像元的各项指标影响程度分值, 然后对各项指标进行加权叠加分析^[7]。

按照地质灾害易发区划分原则, 建立地质灾害易发区评价体系。易发性指数计算公式为

N=∑i=1nbi·xi 。(1)

式中: N为易发指数; i为选取的因子(分别为地貌类型、地形坡度、坡向、地形起伏度、与断裂褶皱距离、地层岩性); n为选取因子的个数(本次选取6个评价因子); x_i为各评价因子影响易发程度的分值(按影响程度分别取2分、3分、4分、5分); b_i为该因子的影响程度权重系数。

根据研究区地质环境条件, 选取地貌类型、地形坡度、坡向、地形起伏度与距断裂褶皱距离、地层岩性6个评价因子^{[8, 9]}。充分考虑各评价因子对地质灾害的影响程度, 对其分别赋予不同权重(表1)。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 地质灾害易发性评价因子权重赋值 Tab.1 Weight assignment of geological hazard susceptibility assessment factors 评价因子 影响程度分级量值 因子权重 非易发(2分) 低易发(3分) 中易发(4分) 高易发(5分) 地形地貌 地貌类型 平原亚区 山间盆地亚区 丘陵亚区 低山亚区 0.25 地形坡度/(° ) [0, 5) [5, 15) [15, 35) [35, 90) 0.15 坡向/(° ) 无 [0, 45), [315, 360) [45, 90), [225, 315) [90, 225) 0.10 地形起伏度/m [0, 20) [20, 50) [50, 80) [80, 240) 0.25 地质条件 距断裂褶皱距离/m ≥ 300 [100, 300) [50, 100) [0, 50) 0.05 地层岩性 松散土 页岩、片麻岩 侵入岩、喷出岩 碳酸盐岩、碎屑岩 0.20

表1 地质灾害易发性评价因子权重赋值 Tab.1 Weight assignment of geological hazard susceptibility assessment factors

在对所有像元(评价网格)易发指数汇总分析后, 对其进行归一化处理, 同时结合野外调查核实情况, 综合确定地质灾害易发指数阈值(表2)。

表2

Tab.2

表2(Tab.2)

表2 北部山区崩塌和滑坡地质灾害易发指数阈值 Tab.2 Susceptibility index threshold of collapse and landslide geological hazards in northern mountainous area 易发程度 非易发 低易发 中易发 高易发 易发指数(N) (0, 0.10] (0.1, 0.40] (0.40, 0.70] (0.70, 1.00]

表2 北部山区崩塌和滑坡地质灾害易发指数阈值 Tab.2 Susceptibility index threshold of collapse and landslide geological hazards in northern mountainous area

根据研究表明, 地质灾害灾情有90%左右发生在汛期(6— 9月), 因此, 降雨是地质灾害灾情发生的重要诱发因素^[9]。本研究收集了蓟州区31个雨量站2016— 2021年的汛期月平均降雨量, 利用ArcGIS的空间分析功能, 绘制6— 9月平均降雨量等值线, 对有记载以来发生的85起地质灾害灾情分布进行核密度分析, 两者进行空间叠加, 结合地质灾害隐患分布现状, 根据实际情况确定山区修正的降雨影响等级图, 再结合地质灾害易发性分区结果, 利用矩阵分析法(表3), 确定地质灾害危险性结果。

表3

Tab.3

表3(Tab.3)

表3 地质灾害危险性等级划分 Tab.3 Classification of geological hazard danger grade 降雨影响等级 易发性等级 高 中 低 非 强 极高 高 中 低 中 高 中 低 低 弱 中 低 低 低

表3 地质灾害危险性等级划分 Tab.3 Classification of geological hazard danger grade

地质灾害易损性是指在发生自然灾害时, 承灾体受到伤害和破坏的程度, 确定可能遭受灾害威胁的人口、工程、财产等, 其中人类工程活动是地质灾害易损性评价的主体^{[11, 12]}。通过地质灾害隐患分布范围和影响范围内的承灾体调查, 详细了解受威胁人数和受威胁财产, 确定危害程度分级, 再根据危害程度分级结果, 将易损性划分为极高、高、中、低4个等级(表4)。

表4

Tab.4

表4(Tab.4)

表4 承灾体易损性等级划分 Tab.4 Vulnerability level classification of disaster bearing bodies 易损性等级 危害程度分级 受威胁人数/人 受威胁财产/万元 极高 特大 > 1 000 > 5 000 高 大 [100, 1 000) [1 000, 5 000) 中 中 [10, 100) [500, 1 000) 低 小 < 10 < 500

表4 承灾体易损性等级划分 Tab.4 Vulnerability level classification of disaster bearing bodies

综合危险性和易损性评价结果, 划分地质灾害风险等级并进行综合评价(表5)。

表5

Tab.5

表5(Tab.5)

表5 地质灾害风险等级划分 Tab.5 Classification of geological hazard risk level 易损性等级 危险性等级 极高 高 中 低 极高 极高 极高 高 中 高 极高 高 中 中 中 高 高 中 低 低 高 中 低 低

表5 地质灾害风险等级划分 Tab.5 Classification of geological hazard risk level

根据ArcGIS叠加分析对地貌类型、地形坡度、坡向、地形起伏度、与断裂褶皱距离、地层岩性权重因子进行叠加, 结合野外调查实际情况进行修正, 得到地质灾害易发性评价结果(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 易发性评价结果Fig.2 Susceptibility assessment results

由图2可知, 研究区共划分为9个高易发区(A)、15个中易发区(B)、5个低易发区(C)、2个非易发区(D)。其中: 高易发区面积为253.68 km², 占山区面积的30.19%, 主要以崩塌、滑坡、泥石流地质灾害为主; 中易发区面积为253.97 km², 占山区面积的30.22%, 主要以崩塌、滑坡地质灾害为主; 低易发区面积为233.40 km², 占山区面积的27.77%, 主要以崩塌地质灾害为主; 非易发区面积为99.29 km², 占山区面积的11.82%, 主要是于桥水库和杨庄水库, 该区不发育突发性地质灾害。根据易发区特点分析, 高中易发区地貌类型以低山和丘陵为主, 高易发区坡度大多在35° 以上, 受构造、岩性影响, 山势陡峻, 地形切割强烈, 岩组主要为碳酸岩, 碎屑岩山体浑圆, 沟浅谷宽, 山低坡缓, 岩层风化剥蚀较剧烈; 中易发区坡度大多在5° ~35° 之间, 地形起伏度多为20~50 m, 岩组主要以碳酸盐岩和碎屑岩为主, 局部为侵入岩、喷出岩、页岩和片麻岩, 岩石节理裂隙发育; 低易发区地貌类型以山间盆地为主, 坡度大多在0° ~5° 之间, 地形起伏度多为0~20 m, 土质松散。

根据蓟州区31个雨量站2016— 2021年的汛期(6— 9月)月降雨量分析, 平均降雨量在55.56~154.34 mm之间, 结合有记载以来发生的地质灾害灾情分布密度, 绘制降雨量等值线, 结合实际情况修正降雨量影响等级图(图3), 利用矩阵分析方法, 与易发性结果相结合, 得出危险性评价结果。

图3

Fig.3

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	图3 研究区降雨影响等级Fig.3 Rainfall impact grade in the study area

研究区地质灾害危险性等级分为极高、高、中和低4个级别, 包括3个极高危险区(A)、5个高危险区(B)、12个中危险区(C)和5个低危险区(D)(图4)。其中极高危险区面积约20.16 km², 占山区面积的2.40%; 高危险区面积约124.15 km², 占山区面积的14.77%; 中危险区面积约268.07 km², 占山区面积的31.90%; 低危险区面积约427.96 km², 占山区面积的50.93%。从结果看, 极高危险区主要集中在降雨量比较大的黄崖关和九山顶所在的低山区, 并且整体呈现出随着雨量增加危险性升高的趋势。

图4

Fig.4

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	图4 研究区地质灾害危险性评价Fig.4 Danger assessment of geological hazards in the study area

研究区易损性分区可分为中易损区和低易损区(图5)。研究区中易损性地区主要分布在景区、居民区等人员密集区域。易损性结果则直接反应出了人类工程活动情况, 人类活动密集的地区, 承灾体越多, 易损性也相对较高。易损性和危险性评价结果也是风险性评价结果的重要组成部分^[13]。

图5

Fig.5

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	图5 研究区易损性评价Fig.5 Vulnerability assessment in the study area

综合危险性和易损性评价结果, 得出地质灾害风险等级评价结果, 蓟州区北部山区地质灾害风险划分为2个高风险区(B)、8个中风险区(C)和1个低风险区(D)(图6)。高风险区面积约43.08 km², 占研究区面积的5.13%, 主要分布在黄崖关、常州村— 黄花山; 中风险区面积约204.68 km², 占研究区面积的24.36%, 主要分布在前干涧— 丈烟台、田家峪— 偏桥子、九龙山— 东水厂、西五百户— 新房子、大星峪— 铁岭子、芳峪— 果香峪、别山、崔各寨— 山前屯; 低风险区592.58 km², 占研究区面积的70.51%。

图6

Fig.6

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	图6 研究区地质灾害风险等级评价Fig.6 Risk level assessment of geological hazards in the study area

综上可知, 地质灾害风险性评价结果受到多方面因素的综合制约。高风险区属于地质灾害高易发区、地质灾害极高危险和高危险分布区, 主要集中在低山区, 岩性为软弱的碎屑岩和碳酸盐, 降雨量大部分地区大于140 mm, 局部在120~140 mm之间, 地质灾害隐患密度相对较大, 人类活动较为稠密, 如公路交通、切坡建房等, 较易引发崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害; 中风险区大部分属于地质灾害高危险分布区, 局部属于地质灾害中危险分布区, 降雨量多在120~140 mm之间, 局部小于120 mm, 地质灾害隐患密度相对较大, 大部分承灾体分布和影响范围为低易损区; 低风险区属于地质灾害中、低危险分布区, 处于低山和丘陵区, 降雨量多在120~140 mm之间, 山间盆地和于桥水库区域降水量小于120 mm, 地质灾害隐患密度相对较小, 大部分承灾体分布和影响范围为低易损区。在今后的地质灾害监测预警工作中, 要着重于中、高风险区的地质灾害监测预警。