基于信息量法的新疆伊宁县滑坡灾害易发性评价

王伟中，曹小红，汪鑫，于洋，李平平，王伟华

（1.新疆地质灾害防治重点实验室(新疆工程学院)，新疆 乌鲁木齐 830000；
2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039；
3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；
4.兰州理工大学土木工程学院，甘肃 兰州 730050）

我国地域广阔，地形地貌多样，地质构造复杂，地质环境条件脆弱[1-2]。近年来人类工程活动加剧，极端气候频发，引发诸多的地质灾害[3]，我国成为世界地质灾害分布广泛、影响严重的国家之一[1]。伊犁谷地位于新疆天山西段，地形地貌多样，地质环境复杂，地质环境脆弱[4]。区内崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，严重威胁当地人民生命财产安全和生态环境[5]。地质灾害是孕灾地质条件与诱发因子相互作用下产生的威胁人民生命财产安全和生态环境的一种自然现象。地质灾害易发性评价，又称为地质灾害敏感性评价，主要是通过对孕灾地质条件研究和灾害特征分析，预测一定区域和范围内地质灾害发生概率[6]，对区内地质灾害防治工作及城市国土空间规划具重要意义[7]。

对地质灾害易发性评价方法较多，尚未形成统一评价标准[8]。目前使用方法有层次分析法、信息量法、证据权法、逻辑回归法及多种方法耦合等[9]。信息量法评价不仅物理意义明确、操作简便、实用性强[10]，还能避免主观判断，结果更客观合理[11]。信息量法仅反映评价因子在组合情况下对灾害发生的影响，未考虑影响因子对灾害发生的贡献度，即影响因子权重。本文以新疆伊宁县为研究区域，选取高程、坡度、坡向、地表粗糙度等9 个评价因子，使用信息量法为基础性评价模型，采用熵值法计算每个影响因子对地质灾害发生的贡献度，确定评价模型加权信息量，评价伊宁县滑坡地质灾害易发性，为伊宁县地质灾害防治提供参考。

1.1 信息量模型

信息量模型是一种统计预测分析方法，首次由晏同珍应用于地质灾害评价预测中[12]。滑坡地质灾害易发性评价中，首先提取滑坡点分布情况，据研究区情况选取滑坡影响因子并进行分级，将各因子实测数值转化为量化地质灾害易发程度信息量值，然后使用GIS 对各影响因子进行叠加分析，计算的信息量值越大，表明地质灾害易发程度越高[13]。

计算公式：

式中：S——研究区总的栅格单元数；

N——研究区已有地质灾害点的栅格单元数；

Ii——地质灾害因子分级i信息量值；

Ni——应地质灾害因子分级i地质灾害栅格单元数；

Si——对应地质灾害因子分级i总栅格单元数。

1.2 确定评价因子权重

熵值法是通过计算评价因子的熵值，据评价因子变化程度确定评价因子权重。计算的熵值越小，评价因子权重越大。由于评价因子对滑坡灾害发生贡献度不同，本文选择熵值法确定评价因子贡献度。

1.2.1 计算熵值

公式如下：

式中：i——二级评价因子；

j——一级评价因子；

YIJ——一级评价因子中二级评价因子区域内灾害点密度归一值；

Ej——第j项一级评价因子的熵值；

K——常数，且K=1/ln()n，n为二级评价因子个数。

1.2.2 计算评价指标权重

公式如下：

式中：Wj——各一级评价因子权重；

N——一级评价因子数。

1.2.3 计算加权信息量

由于信息量模型未考虑评价因子对灾害发生贡献值，因此，通过将公式（1）和公式（3）计算得到的二级评价因子信息量和一级评价因子权重通过相乘得以叠加，得到GIS空间分析使用的加权信息量I。

公式如下：

将计算出的评价因子加权信息量值I，使用ArcGIS 栅格计算器对评价因子进行叠加，得到伊宁县滑坡地质灾害易发性综合评价指数。多次调试，得到伊宁县滑坡地质灾害易发性评价流程图（图1）。

伊宁县位于伊犁河谷中北部，地理坐标为北纬43°35′10″～44°29′30″，东经81°13′40″～82°42′20″。该区属温带大陆性半干旱气候，冬春温暖湿润，夏秋干燥较热，昼夜温差明显，年均气温8.4℃，年均降水257 mm。地势北高南低，由NE向SW倾斜。整个地区大地构造位于天山-兴安地槽褶皱区西南天山褶皱系西天山优地槽褶皱带，由3 个四级构造单元构成。位于北天山地震带，地震烈度均在Ⅶ以上，东北部地震烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度0.15～0.2 g。地层岩性较复杂，境内岩层从元古界—新生界均有出露。第四系黄土分布范围广泛，从山前平原、丘陵区，到中山-高山区均有分布，主要沿河流两岸分布。县境内分布有伊犁河、喀什河、博尔博松河、布力开河、吉尔格朗河等。境内交通较发达，道路分为国道、省道、县乡道、乡村道及通往各牧点牧道。对收集资料分析可知，伊宁县地质灾害有滑坡、崩塌及泥石流等，其中滑坡78处，崩塌2处，泥石流2处，多分布于低山区和河流沿岸区域。

3.1 数据来源

本研究使用数据：①12.5 m 分辨率的DEM 底图，用于提取地形地貌因子；
②地质灾害数据主要来源于新疆维吾尔族自治区地质环境监测院地质灾害详细调查（1∶50000）项目数据库；
③1∶250万地质图，用于提取地层岩性、地质构造等评价因子；
④研究区地理底图用于提取主要河流及行政区划数据。

3.2 评价因子选择分析

滑坡的发生受孕灾地质条件和诱发因子等因素影响，合理选择评价因子是滑坡灾害易发性评价的关键[14]。本次研究在分析研究区地质环境及孕灾地质条件、诱发因素基础上，结合伊宁县实际情况，选择高程、坡度、坡向、地势起伏度、距断层距离、工程地质岩组、地表粗糙度、距河流距离、地表曲率等9个评价因子，构建伊宁县滑坡地质灾害易发性评价体系（图2）。

图2 研究区地质灾害分布图Fig.2 Disaster distribution map of the study area

3.2.1 高程

高程是影响灾害发生最重要地形因素之一[15]，不但影响坡体内部应力状态，还为斜坡类地质灾害提供势能。据研究区数字高程模型(DEM)，研究区海拔568～3 582 m，采用自然间断点分级法将研究区高程分为5类：568～889 m、889～1 282 m、1 282～1 722 m、1 722～2 215 m、2 215～3 582 m（图3-a）。随高程增加，地质灾害密度呈先增加后降低趋势，集中在高程1 282～1 722 m范围，地质灾害数约占总数56.4%。

3.2.2 坡度

坡度为斜坡体变形提供临空面，坡度大小直接影响下滑力大小，并影响斜坡体的失稳[16]。坡度采用自然间断点分级法分为5类：0～6.65°、6.65°～14.89°、14.89°～24.07°、24.07°～34.85°、34.85°～80.8°（图3-b）。地质灾害主要分布在14.89°～24.07°、24.07°～34.85°范围。

3.2.3 坡向

不同坡向接受太阳辐射角度不同，影响坡面植被发育、水分蒸发及风化程度大小。坡向分为平面、东北、东、东南、南、西南、西、西北、北9个方向（图3-c），研究区面向东北、东、东南、西北、北方向的斜坡易发生滑坡地质灾害。

3.2.4 地势起伏度

地势起伏度反映地表起伏变化情况，与滑坡分布具一定关联[10]。采用自然间断点分级法将研究区地势起伏度分为5 类：为0～4 m、4～11 m、11～19 m、19～30 m、30～213 m（图3-d）。地质灾害主要分布在4～30 m，该范围内易发生灾害。

3.2.5 断层距离

断层构造控制附近岩土体破裂和稳定程度，控制滑坡边界和滑面空间位置。使用ArcGIS 中多环缓冲功能，进行研究区断层缓冲区分析，依次将缓冲区分为＜1 000 m、1 000～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000～4 000 m、4 000～5 000 m、＞5 000 m 6个区域（图3-e）。缓冲距离＜3 000 m范围，地质灾害相对发育，灾害点密度较高。

3.2.6 工程地质岩组

地层岩性是滑坡发生的物质基础，不同工程地质岩组物理力学性质不同，所发生灾害类型不同。将研究区地层岩性划分为互层状较软弱以砂岩砾岩、黄土状亚砂土单层土体等7类工程地质岩组（图3-f）。互层状较软弱以砂岩砾岩、层状较坚硬的火山碎屑岩组，是研究区发育灾害最多的工程地质岩组。

3.2.7 地表粗糙度

地表粗糙度反映一个地区抗侵蚀能力，指数越大，抗侵蚀能力越强[16]。本文使用自然间断点分级法将研究区地表粗糙度分为5类：1～1.04、1.04～1.14、1.14～1.31、1.31～1.64、1.64～6.25（图3-g）。地表粗糙度在1～1.31 范围，发育地质灾害数量最多，1.31～6.25范围发育地质灾害较少。

3.2.8 距河流距离

河流可对坡脚侵蚀和下切作用加速坡体变形。河流分布密度和发育程度对坡体造成不同程度冲刷及地表侵蚀[17]。对研究区主要河流水系进行多环缓冲区分析，将河流缓冲区分为＜500 m、500～1 000 m、1 000～1 500 m、1 500～2 000 m、2 000～2 500 m、2 500～3 000 m、＞3 000 m7 个区域（图3-h）。研究区地质灾害点主要集中分布在距离河流＜1 000 m范围内，距离河流越远灾害分布越少。

3.2.9 曲率

曲率通常和坡体类型相关。按曲率大小将坡形分为凹形坡（＞1）、直线坡（0～1）和凸形坡（＜0）3 种。通过GIS 对研究区曲率进行分析，可知研究区曲率值为-74.24～65.28（图3-i）。按前述方法分为3 类，凸形坡发育地质灾害数量最多，凹形坡次之，直线坡最少。

4.1 评价单元选取

本文以新疆伊宁县为研究区域，域内分布滑坡灾害总数为78处，灾害规模以小型居多，使用栅格单元可满足评价精度要求。本次评价选择12.5 m×12.5 m为栅格单元大小，将研究区共划分为28 650 367个栅格单元。

4.2 评价因子信息量计算

据信息量模型计算评价因子信息量值，使用熵值法确定评价因子权重，按公式（4）计算二级评价因子加权信息量值（表1）。

表1 滑坡各影响因子权重及加权信息量Table 1 Weight and weighted information of each influencing in landslide

4.3 滑坡易发性评价

在评价因子加权信息量和分级图基础上，利用ArcGIS栅格重分类功能将二级评价因子加权信息量输入，使用栅格计算器将每个评价因子进行叠加，获得伊宁县滑坡地质灾害易发性评价指数图。采用自然间断点分级法将伊宁县滑坡地质灾害易发性评价指数图划分为高易发区、中易发区、低易发区和不易发区（图4）。

图4 伊宁县滑坡地质灾害易发性评价结果Fig.4 Evaluation results of the susceptibility to geological hazards in Yining County

4.4 精度检验

据易发性评价结果，对易发区面积、面积占比、灾害点数量、灾害点密度等进行统计（表2）。由表2可知，伊宁县地质灾害高易发区面积为291.045 6 km2，占整个县域面积的6.5%，分布滑坡灾害数量37 处，占比47.44%，灾害点密度0.127 1 处/km2；
中易发区面积753.695 6 km2，占整个县域面积的16.84%，分布滑坡灾害数量22 处，占比28.21%，灾害点密度0.029 2 处/km2；
低易发区面积995.093 9 km2，占整个县域面积的22.23%，分布滑坡灾害数量12 处，占比15.38%，灾害点密度0.012 1 处/km2；
不易发区面积2 436.785 km2，占整个县域面积的54.43%，分布滑坡灾害数量7处，占比8.97%，灾害点密度0.002 9处/km2。

表2 研究区滑坡易发性区划统计表Table 2 Zoning statistics of susceptibility to lanside

将研究区滑坡地质灾害易发性结果使用ROC曲线进行精度检验。ROC曲线是将易发分区面积从高到低累计百分比作为横坐标，灾害点个数累计百分比作为纵坐标绘制一条曲线，曲线下方面积大小为易发性结果的评价精度，面积越大，精度越高。研究曲线下方面积（AUC）为0.854 1，即评价精度85.41%。说明使用信息量模型为基础，熵值法计算权重，加权信息量模型对伊宁县滑坡易发性评价适用性较好，可为伊宁县滑坡灾害防治提供参考（图5）。

图5 信息量模型的ROC曲线Fig.5 ROC curve of the information model

（1）以伊宁县为例，选取高程等9个评价因子，采用信息量模型，将该县滑坡灾害易发等级划分为高易发、中易发、低易发和不易发4个等级，高易发区面积291.045 6 km2、中易发区面积753.695 6 km2、低易发区面积995.093 9 km2、不易发区面积2 436.785 km2，分别占伊宁县总面积的6.50%、12.35%、32.29%、47.94%。

（2）伊宁县地质灾害易发性评价结果AUC=0.8541，评价精度为85.41%。说明使用信息量模型为基础，熵值法计算权重，加权信息量模型对伊宁县滑坡易发性评价适用性较好。