基于DEM的地形地质特征对地质灾害影响研究
——以沙河市为例

胡雪峰，杨燕燕，任宏磊

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063200；2.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究院有限公司，河北 秦皇岛 066000)

0 引言

沙河市地势差异悬殊，空间分布特征明显，西部为山区和丘陵，地质条件复杂；东部地区地势较为平坦，多为平原。沙河市矿产资源丰富，铁矿煤矿居多，随着矿产资源的开发，地质环境问题也随之而来。一般而言，地质灾害的发生往往是由于地貌在地质的作用下发生形变，因此深入了解沙河市地貌、地质特征对防治地质灾害、保障矿产资源开采的安全具有重要意义[1]。地形因子是定量分析与表达地貌形态特征的重要指标，利用数字高程模型(digital elevation model，DEM)提取区域地形因子信息方便快捷，已成为地形信息提取与分析的主要方法之一[2]。本文基于沙河市的DEM数据，运用ArcGIS软件平台对高程、坡度、地形起伏度、地表切割深度、河流等地形因子进行提取，由此分析地质灾害与地形地质特征的关系，结果可为沙河市的地质灾害防控提供依据。

1 数据来源及研究方法

1.1 数据来源

本文采用沙河市30 m空间分辨率的DEM数据，来源于地理空间数据云。得到DEM原始数据后需根据沙河市行政边界对其进行拼接与裁剪预处理。

1.2 研究方法

地形是诱发地质灾害的主导因素之一[3]。高程、坡度、地形起伏度、地表切割深度是影响山体滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害发生的重要影响因子。坡度越陡、地形起伏越大的区域发生滑坡、泥石流等地质灾害的可能性就越大；地表切割深度越大，地表被侵蚀越严重，该区域的水土流失情况就越严重。

地形因子具有实际的物理意义，一般被分为宏观和微观两类，分别侧重于表达区域整体范围内的地貌特征和具体点位的特征。根据研究需要，本文选取了微观地形因子高程和坡度，宏观地形因子地形起伏度与地表切割深度，并提取沙河市河流网络数据，综合该区域地质特征对地质灾害形成原因进行分析。利用ArcGIS软件平台对DEM数据进行提取分析，可得到坡度、地形起伏度等地形因子，简单快捷。

2 地形地质特征分析

2.1 地形特征分析

将沙河市30 m分辨率的DEM在ArcMap10.5中进行等值线提取、坡度提取，在符号系统中对其进行分级显示，得到研究区的高程、等值线以及坡度分布图。利用空间分析中邻域分析的焦点统计工具结合栅格计算器工具得到研究区的地形起伏度以及地表切割深度。在利用DEM数据提取河网结构时，需对DEM数据进行填洼处理，进而提取研究区的流向、流量，利用栅格计算器对流量图进行汇流量统计，并通过叠加分析确定最优阈值，最终得到沙河市的河流网络，结果如1。

图1 DEM数据分析结果

高程反映了一个地区地势的高低。由图1a可知，沙河市地区地势差异明显，表现为西高东低，且海拔高度由西至东呈递减趋势。西部边缘地区地势最高，高程在1 000 m以上，东部地区高程低于100 m。由图1b沙河市等值线分布图可以看出，西部地区等高线密集，东部地区等高线稀疏，说明西部地区相对高度变化大，地面起伏较大，东部地区相对高度变化小，地面较为平坦开阔，主要为平原地区。沙河市西部地区的应力条件复杂，势能高于东部地区，发生滑坡、泥石流的可能性远高于东部地区。

坡度表示地表单元陡缓的程度，与地表物质流动和能量转换的规模密切相关[4]。根据以往研究经验以及研究区的实际情况，将坡度分为5级：0°～5°为平原，5°～15°为斜坡，15°～25°为陡坡，25°～35°为急坡，35°～90°为急陡坡[5]。由图1c可以看出，沙河市西部地区平原较少，多为斜坡、陡坡、急坡以及急陡坡，东部地区以平原、斜坡为主。坡度的平峭会影响河流侵蚀程度，坡度陡峭的地区因河流侵蚀作用较强，水土流失严重，极易引发滑坡、泥石流等地质灾害。

地形起伏度是特定的区域内最高海拔点与最低海拔点的高度差值，可以直观的评价土地利用好坏以及土壤侵蚀敏感性等，也可作为划分地貌形态的重要参考指标[6]。本文以100 m为统计单元进行焦点统计，得到的研究区地形起伏度范围在0～977 m之间，依据柴宗对地貌基本形态的划分标准，将沙河市划分为以下四种地貌形态类型：平原(<20 m)、丘陵(20～200 m)、低山(200～500 m)、中山(500～1 500 m)[7]。由图1d可知，沙河市整体地形起伏度较小，平原、丘陵面积占比最高；地貌形态空间分布明显，东部多以平原、丘陵为主，西部地区地形起伏度相对较高，多为低山、中山。

地表切割深度是指一定范围内平均高程与该邻域范围内的最小高程的差，通常表示自然界中如水、风、沙等对地表的侵蚀程度[8]。由图1e可知，沙河市西部地区地表切割深度值较大。从整体来看，沙河市地表切割深度与坡度空间分布相似，地势平坦的地区，地表切割深度较小，地表被侵蚀程度越轻；相反，地势陡峭的地区，地表切割深度较大，地表越易受到侵蚀。

河网是由众多纵横交错的河道构成的水系，是水文分析与地形分析的重要指标之一。河网水系可以反应出一个地区的地表水的分布情况以及河流的数量、长度等。由图1f可知，沙河市水系分布全区，由西部山区往东部平原区多条支流河道汇入主流，结合图1a、图1b、图1e的分析可知，西部山区落差大，切割较强烈，东部地区地势平缓，河流切割作用较弱，河流切割作用强烈的陡峭山区，更容易发生滑坡等地质灾害。

2.2 地质特征分析

沙河市西临太行山隆起，东接华北平原，地层由老至新依次为中太古界、中元古界、古生界地层、中生界、新生界地层，地层总体走向北北东，倾向南东东，倾角一般5°～10°。西部山区主要出露太古界、中上元古界、寒武系地层；中部地区主要出露奥陶系和石炭二叠系地层；东部主要为第四系；燕山期火成岩体在矿山、紫山、綦村均有出露。构造多以褶皱、断裂为主，主要沿南北向、北西向、北北东向三个构造带发育，构造整体轮廓表现为西部隆起，东部下降，应力条件较复杂，其断层发育较多，多为高角度正断层，走向以北北东向和北西向为主，复杂的地质构造条件和地层岩性一定程度上有利于山体滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的发生。沙河市矿产资源丰富，地下矿产开采长期抽排地下水，会导致地下水位大幅下降，可能会引发地面沉降。

河流主要为沙河、马会河、北洺河，从地形因子分析来看，河流在西部山区切割深度较大，东部平缓地区切割深度较小，西部山区多个直流汇入主流河道，如沙河分南北两条支流，流经地区基岩主要为寒武系灰岩和砂岩，中部和东部地区基岩主要为奥陶系灰岩，灰岩中发育岩溶，基岩透水性均较好，河水位高于地下水位时可直接补给基岩水，同时，河流流经岩溶地区和断层区域时，很可能会出现漏失的现象。

3 结语

(1)以DEM为数据源，利用ArcGIS空间分析工具提取沙河市坡度、地形起伏度、地表切割深度等地形因子，结合地质信息，对沙河市地形地貌特征进行分析，发现沙河市的地质灾害隐患具有一定的地域性，多集中在西部山区、丘陵区，构造运动、河流作用、地形地貌、地层岩性、降水以及矿产开采等人来活动是沙河市地质灾害的主要影响因素。

(2)通过地形因子分析可以看出西部地区高程差异明显，地势陡峭，地形起伏度较大，同时受太行山隆起影响，地质构造情况复杂，发生滑坡、崩塌等地质灾害的可能性较大；山区、丘陵、平原之间地形变化急骤，缓冲地带不明显，山区以及靠近山区地区的坡度较大，流水切割作用明显，容易造成水土流失；平原地区地势开阔，水流平缓，河流切割作用较弱，区域铁矿资源丰富，铁矿开采长期抽排地下水，带来了地下水位大幅下降，容易致使地面沉降等地质灾害的发生。

(3)地质灾害的发生，不但会影响人类生产生活的安全，也会影响当地经济的发展，分析结果可为沙河市的地质灾害防范工作提供参考。