延边州地区泥石流灾害易发性评价★

房金鹏 权赫春

(延边大学工学院，吉林 延吉 133002)

0 引言

泥石流是由于暴雨、暴风雪或其他自然灾害在山区引起的山体滑坡并携带有大量泥沙及石块的特殊洪流。它爆发突然，破坏力强，严重威胁人民的生命和财产安全[1]。延边州位于中朝边界，州内地质灾害种类较多且发生频繁，对国家地缘政治安全有着重要的影响[2]，对泥石流灾害易发性评价可以有效减少泥石流灾害带来的损失。因此，国内外学者选取了多种评价模型如层次分析法[3]，回归预测模型[4]和人工神经网络模型[5]评估泥石流灾害的易发性，但每种方法也都存在一些缺陷。信息量模型[6]具有明确的物理意义，可以科学地对每个评价因子的危险状态进行等级划分，所以本文采用信息量模型评价延边州地区泥石流灾害的易发性。

1 信息量模型基本原理

信息量是将信息分析的观点运用到评价多种因素相互作用下地质灾害易发性的模型。以信息论为基础，能有效预测地质灾害的发生。就泥石流而言，运用灾害发生过程中熵的减少表明泥石流灾害发生的概率。信息量大小与泥石流灾害发生的可能性成正比。计算公式如下所示：

(1)

式中：I(y,x1x2…xn)——致灾因子x1x2…xn对泥石流灾害提供的信息量;

S——研究区评价单元总数;

N——研究区内有泥石流灾害的栅格总数;

Si——研究区内含有评价因素xi的单元数;

Ni——分布在因素xi内的某一等级的泥石流灾害单元数。

(2)

式中:I——每个栅格总的信息量值;

Ii——评价因素xi的信息量值;

N——所选取的评价因子的总数。

计算各致灾因子提供给栅格单元的信息量，对每个单元内的所有致灾因子提供的信息量求和，得到该栅格单元的信息总量。利用栅格单元总的信息量值I判断该单元是否有利于泥石流灾害的产生:I<0时，该单元不利于泥石流的形成，且I值越小，易发性程度越低；I>0时，该单元有利于泥石流的形成，且I值越大，易发性程度越高[7]。

2 研究区状况

延边州地区位于中国和朝鲜的两国边境、吉林省东部，包括八大县市，分别是延吉市、珲春市、图们市、敦化市、龙井市、和龙市、安图县和汪清县，总面积达4.27万km2。延边州地区地貌主要以山地为主，除山地之外还有丘陵、盆地。海拔范围在15 m～2 800 m之间，坡度主要分布在0°～40°之间，州内地势起伏较大。州内季风明显，雨量充沛。各种不利因素导致延边地区泥石流灾害频繁发生，严重威胁人民的生命财产安全。根据对延边州地区泥石流灾害实地考察，选择州内327个泥石流历史发生点作为样本数据评估泥石流灾害的易发性。将基于ARCGIS的信息量模型分析评价延边州泥石流灾害易发性，为该地区泥石流的防治规划提供依据。

3 基于GIS的延边州地区泥石流易发性评价

3.1 评价单元划分

研究单元大小的确定对于评估的准确程度至关重要。通过参考其他学者经验[8]，给出了适宜格网大小选取的经验公式，如式(3)所示。

GS=7.49+0.000 65S-2×10-9S2+2.9×10-15S3

(3)

式中：GS——适宜网格的大小;

S——原始轮廓的数据精度的分母。

本研究栅格单元的大小由式(3)计算得出，为了便于统计分析，栅格单元取30 m×30 m。

3.2 评价指标状态分级

利用ARCGIS的空间分析功能叠加各致灾因子，并统计分析致灾因子与泥石流点的关系，计算各网格单元的总信息量。使用延边州等高线要素作为数据来源，将其转换为30 m的网格单元。利用ARCGIS中自然断点分级法进行分级，统计分析得到泥石流主要分布在300 m～800 m范围内。从0°起，以5°为步长使用自然间断点分级法对坡度进行分级，统计各级别泥石流点个数。研究表明：研究区泥石流点主要分布在坡度0°～25°范围内。基于30 m精度的DEM数据，利用ARCGIS空间分析网格工具生成坡向网格。将坡向等分为9个类别，统计分析各类别泥石流点分布，泥石流灾害点主要分布在90°～315°。根据吉林省气象局的发布的吉林省历年降雨量资料，选择延边州年平均降水量作为影响因子，将研究区降水量以县市为单位分为819 mm～851 mm,851 mm～869 mm,869 mm～963 mm,963 mm～1 010 mm 4个区域。延边州的水系相对发达，河流较多，筛选长度1 000 m以上的河流，以其为中心进行0 m～500 m，500 m～1 000 m和1 000 m以上的缓冲分析。结果表明，有214个泥石流点分布在距河流500 m范围内。根据研究区的地质要素图，参考各种岩层的地质特性，将研究区的岩石按照硬度分成三类：坚硬岩层，一般坚硬岩层，软弱岩层。

状态分级图见图1～图6。

3.3 基于GIS的信息量计算和易发性评价

利用式(1)，计算各致灾因子每个等级的信息量见表1。在ARCGIS平台下，输入每个致灾因子分级状态下的信息量，并获得六个评估指标的信息量图层。根据式(2)，使用栅格计算器叠加计算，获得整个研究区域中的每个栅格单元的信息总量。信息量越大，泥石流的易发性就越高。根据自然断点法，将延边州泥石流灾害易发性分为4个等级，低易发区域[-12.9，-5.4]、较低易发区[-5.4， 0.2]、较高易发区[0.2，4.1]，高易发区[4.1，7.3]，得到最终的易发性分区图见图7。

表1 各灾害因子分级状态信息量

4 结果分析及精度评价

研究表明：延边州高易发区、较高易发区、较低易发区、低易发区分别占延边州面积的12%,21%,27%,40%。统计各等级区域泥石流的数量、区域面积、泥石流的比例见表2。结果表明：有77.2%的泥石流灾害点位于高易发区和较高易发区。在易发性从低变为高的过程中，区域面积逐渐减小，但是泥石流点的个数逐渐增加，泥石流的比例越来越大，符合实际等级划分的原则。

表2 易发性等级评价

5 结语

基于ARCGIS和信息量模型得到延边州泥石流灾害易发性分区图。根据研究结果和实际情况分析，延边州泥石流高发区集中在安图县北部、和龙市东部和珲春市北部，延吉市、汪清县北部等地较为安全，此结果与延边州历史泥石流灾害发生区域较为吻合，验证了本论文所采用方法的合理性以及致灾因子选取的准确性。

通过计算信息量大小：得出坡度和降雨量对延边州泥石流灾害的影响较大；地层岩性较为软弱的区域泥石流易发性较大；水系作用也对灾害的发育有着重要的影响，主要表现是与河流之间的距离越近，灾害发生的可能性越大。