G219阿克赛钦段地质灾害分布特征及易发性评价
贺强，尚彦军，乔华，吕东，梁世川，崔振东
（1.新疆维吾尔自治区地质环境监测院，新疆 乌鲁木齐 830000；
2.中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；
3.新疆工程学院新疆地质灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830023)
我国西部山区道路工程多穿越构造活动强烈、地形地貌多变区域，工程地质条件复杂，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发育，道路工程运行受到威胁[1-3]。G219（新藏公路）为我国重要的进疆、进藏路线，对西部资源开发及巩固西部边防意义重大。其跨越塔里木盆地、昆仑山、青藏高原等地貌单元，是世界上海拔最高、道路最险、路况极差和环境最恶劣的高原山区公路。沿线崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害频发，常造成道路中断，道路运维受到严重影响[4]。G219阿克塞钦路段（以下简称阿克赛钦段）地处我国地形陡变、构造活动强烈的昆仑山-喀喇昆仑山高原山区[5-7]。公路从赛图拉镇途经三十里营房、康西瓦、大红柳滩、泉水沟、甜水海、六三五道班，沿线穿越昆仑山、喀喇昆仑山，翻越康西瓦达坂、奇台达坂等数10 个冰达坂。由于道路附近地势起伏大，新构造活动活跃，地震发生频率高，冻融等物理风化作用强烈，车辆通行严重受崩滑流等地质灾害影响，不利于沿线交通运输及社会经济发展[8-10]。杨坤、马东涛等先后调查G219新疆段沿线泥石流、崩塌、滑坡等灾害发育特征，对沿线灾害形成机理进行研究[4，8-9，11]；
杨发相等基于地理条件，分析地貌对公路安全的影响[6]，并利用GIS 制图，开展包括G219 在内的新疆公路自然区划研究，将G219新疆段沿线划分为帕米尔-昆仑-阿尔金山冻融作用区及铁龙潭-肖库勒冻融作用高原区[12]。新时代“西部大开发”等战略实施的不断深入，对G219等西部边疆要道的交通安全提出更高要求[13]，现有研究已不能满足G219 交通线路的防灾减灾需求，沿线区域性地质灾害评价工作亟须开展。地质灾害易发性评价是地质灾害风险性评价的基础，3S 技术的发展提高了区域地质灾害易发性评价模型的精度，带来易发性评价研究的快速发展。相比以往基于专家经验的定性分析，采用频率比法、信息量法、逻辑回归等统计模型及神经网络等方法的评价模型更为客观、准确率高，成为目前地质灾害易发性评价工作的主要方法[2-3，14-16]。焦方谦等采用证据权模型，选取高程、坡度、坡向、地形起伏度、岩性、降雨量与水系距离等因素为影响因子，对中国境内天山及南北麓区域泥石流进行灾害易发性评价[14]。李郎平等采用改进频率比法，选取地面高程、地形坡度、地形坡向、地形曲率、地形起伏度等影响地质灾害的主要因素，对川藏铁路沿线地区的崩滑流等地质灾害易发性进行评价及分区[2]。赵良军等选取地层岩性、断层密度、坡度、坡向、地表高程、植被指数等6个评估因子，结合频率比法和二元Logistic 回归模型进行北天山果子沟地质灾害易发性分析[15]。尚彦军等基于层次分析法，利用Arc GIS 工具，选取汇流面积、纵坡度、面积宽度比、堆积区面积和距公路距离等影响因子，开展中巴公路奥依塔克-布伦口段泥石流危险性评价[3]。李坤等选取地形、地震、地层岩性、断层、降水、温差等为评价因素，利用GIS分析工具，完成中巴公路国内段沿线地质灾害易发性分析[16]。
本文利用收集的阿克赛钦段地质灾害信息数据库，选取坡度、坡向、高程、工程地质岩组、PGA、距断层距离、距河流距离、距公路距离等8个灾害影响因子，采取可以直观表现灾害区域分布规律、灾害影响意义明确的频率比法进行阿克赛钦段地质灾害易发性评价，并结合AUC曲线验证评价结果。
1.1 地质地理条件
G219 阿克赛钦段位于和田县南部昆仑山与喀喇昆仑山间，是半封闭性山间盆地，属青藏高原与塔里木盆地的结合部。地质构造上北部为昆南地块、巴颜喀拉褶皱带，南部为甜水海地块，构造活动强烈，自北向南主要分布有康西瓦断裂、大红柳滩断裂、泉水沟断裂及天神达坂断裂等活动构造[5,17-18]。康西瓦断裂是区域内重要断裂，为多条断裂带构成的宽3～5 km的构造带，断裂两侧因动力作用发育糜棱岩带、角砾岩带和片理岩化带，破碎带宽数百米，最宽处达1 000 m[5]。公路沿线主要出露有长城系石英岩、砂岩等；
寒武—奥陶系粉砂岩、灰岩；
志留系千枚岩、变质细砂岩、板岩等；
石炭系灰岩、砂岩等；
二叠系砾岩、细砂岩等；
三叠系砾岩、砂岩、粉砂岩等；
白垩系石英砂岩、粉砂岩、灰岩及古生代、中生代花岗岩等（图1）。
图1 G219阿克赛钦段沿线地形地貌图Fig.1 The topographic and physiognomic map of G219 in Aksai Chin
沿线东南部地表径流补给于山间局部洼地，形成许多咸水湖，属封闭性部分；
西北部地表径流汇集为喀拉喀什河，流至塔里木盆地，为和田河西源，属外泄性山间盆地性质。盆地海拔均超过4 000 m，沿线平均海拔4 500 m 以上。研究区属高寒气候区，以康西瓦为例，年平均温度-0.6℃，1 月平均温度-11.3℃，7月平均温度9.8℃，无霜期10天，10℃以上活动积温为20℃。盆地位于雨影面，西南季风很难越过喜马拉雅山进入，西风气流也难越过喀喇昆仑山和西昆仑山，周边地区实测年降水量不到100 mm，如康西瓦36 mm，天文点47 mm。
1.2 地质灾害发育情况
研究区地质灾害多沿公路两侧发育，主要类型有泥石流、滑坡、崩塌。现场调查及遥感解译形成的灾害数据库有泥石流灾害点36个、滑坡灾害点30个及崩塌灾害点18 个。空间分布上泥石流灾害多发育于康西瓦断裂附近河谷一带的高山峡谷区，康西瓦断裂带附近动力作用产生的破碎带为泥石流形成提供了充足物源，山高谷深的地貌特征利于泥石流发育[4]。滑坡、崩塌灾害主要分布在康西瓦-大红柳滩区域，该区公路切坡等工程扰动作用强烈，岩体应力平衡条件受到破坏，坡体稳定性降低，甚至发生破坏，引发滑坡、崩塌等地质灾害。但在泉水沟以南的高原区，地势起伏较小，活动构造发育强度较低，除六三五道班南部部分区域，崩滑流等地质灾害分布不多。
因方法简单直观且意义明确，频率比法（Frequency Ratio Model）为地质灾害易发性评价研究中应用最广泛方法之一[19-21]。频率比法据一定规则将具体地质灾害类型的某一影响因子分为i（i=1，2，3，…，n）个等级，那么某影响因子某个级别的频率比为FRi：
因崩滑流等地质灾害是内外动力耦合作用的结果，具体地质灾害类型往往有多个不同影响因子。若给定地质灾害有j（j=1，2，3，…，n）个影响因子，那么，研究区某一给定空间位置所属的影响因子分级频率比记为FRi（j），则该空间位置关于j个因子频率比FR（j）=FRi（j）。最后，将该空间位置所有影响因子频率比相加，得到该空间位置关于给定地质灾害类型的易发性指数SI（Susceptibility Index）[2]：
3.1 数据来源
本文采用数据源有：①ASTER GDEM 30m分辨率数字高程数据（http://www.gscloud.cn/），用于生成坡度、坡向及高程地形地貌数据；
②1∶25 万地质图（https://geocloud.cgs.gov.cn/#/home），用于生成工程地质岩组数据；
③活断层数据（https://www.eq-igl.ac.cn/gjdzhdcyjzx/index.html）；
④PGA 数据（http://www.gb18306.net/）；
⑤OpenStreetMap 官方网站的地理信息数据（https://www.openstreetmap.org/#map=4/36.96/104.17），用于提取道路及河流数据。
3.2 影响因子选取与分级
阿克赛钦段崩滑流地质灾害发育受地形地貌、地层岩性及构造活动等多种因素影响。据研究区灾害调查情况及前人研究，选取坡度、坡向、高程、工程地质岩组、PGA、距断层距离、距河流距离及距公路距离等8 个影响因子进行阿克赛钦段沿线崩滑流地质灾害的易发性评价。评价单元类型采用栅格单元。FRij值越大，说明j 类影响因子的i 级内灾害越容易发生。据（式1）各影响因子分级FR值计算结果见表1。
表1 各影响因子频率比计算结果Table1 Frequency ratios of geohazards influencing factors
3.2.1 坡度
坡度与坡体结构面、水文条件、植被覆盖度、软弱结构面空间几何关系等多种因素相关，是决定地质灾害发生的一个重要因素。按自然断点法，将研究区内坡度分为5 类，坡度高的区域主要分布在泉水沟以北（图2）。坡度因子下各级FR值与坡度大小为正相关（图3-a）。
图2 坡度因子图层Fig.2 The map of slope distribution
图3 影响因子各级频率比统计图Fig.3 The histograms about frequency ratios of geohazard influencing factors
3.2.2 坡向
坡向与地质灾害发育有着密切关系，它影响土壤湿度、斜坡光照时间等因素。不同坡向斜坡所受太阳辐射强度及风力条件不同，因而影响斜坡表面水的蒸发及下渗、植被覆盖、坡面侵蚀与风化作用等，并影响斜坡稳定性。本研究对坡向进行离散化处理，45°为一分级状态，共计8 个类别（表1）。坡向在180°～270°范围内FR值明显高于其他坡向（图3-b）。该范围所在区域主要位于康西瓦河谷北侧，即为昆仑山南坡（图4）。由于前文提到该区几乎不受西风或西南季风影响，降雨稀少。出现上述情况是因南坡日照强度高，冰雪融水作用显著，提供了水动力条件，易诱发崩滑流灾害。
图4 坡向因子图层Fig.4 The map of aspect distribution
3.2.3 高程
高程是一个地区宏观地貌的重要表征，不同高程范围内具不同气候特征、水文条件等，与风化作用类型、植被类型、降雨条件、温度条件及人类活动程度密切相关，从而影响斜坡的稳定性。本研究采用自然断点法，将区域内高程分布为5种级别状态（图5），可见地质灾害在4 000～4 500 m 范围内最集中（图3-c）。
图5 高程因子图层Fig.5 The map of elevation distribution
3.2.4 工程地质岩组
地层岩性是地质灾害发生的重要地质条件，地层岩土体性质不同，在风化程度、节理裂隙分布、岩石强度等方面也有所不同，从而影响斜坡形态、地势高低、岩体强度等，并影响斜坡的稳定性。本研究基于1∶25万地质图，参考《工程岩体分级标准》（GB/T50218-2014）岩石饱和单轴抗压强度UCS，将研究区地层岩性划分为坚硬岩组、较坚硬岩组、较软弱岩组、软弱岩组、松散岩组及冰川、湖泊等类型（图3-d）。区域内弱风化花岗岩、灰岩等较坚硬、坚硬岩组主要分布在构造活动强烈、冰川活跃的康西瓦河谷区（图6）。这一带岩体节理裂隙发育、冻融物理风化强烈，易形成泥石流、滑坡等地质灾害。
图6 工程地质岩组因子图层Fig.6 The map of engineering geological rock group distribution
3.2.5 PGA
地震频发不利于斜坡稳定。地震发生往往引发滑坡群形式的聚集性灾害现象，高震级地震释放的能量巨大，还会诱发大型，甚至特大型滑坡、崩塌灾害。研究区沿线PGA主要为0.15 g、0.20 g（图7），且FR值与PGA值表现出明显的正比例关系（图3-e）。因在本研究中区域过小，PGA为0.30 g的地区并未发现明显地质灾害。
图7 PGA（地震动峰值加速度）因子图层Fig.7 The map of PGA distribution
3.2.6 距断层距离
区域内康西瓦断裂带等构造活动区域往往岩体破碎、稳定性差，为崩塌、滑坡提供了有利条件。断层面、节理面等地质构造结构面，控制着破坏面的空间位置和崩滑灾害边界。断裂带附近因动力作用多形成断层崖、断裂谷地貌，地表起伏大，为崩滑流灾害发生提供有利的地貌条件，大量崩滑堆积体也为泥石流形成提供了丰富物质基础。一般距离断层距离越近，越易发生崩塌、滑坡灾害。本研究将距断层距离划分为5类级别状态（图6）。图3-f中，FR值与距断层距离明显表现为反比例关系。
3.2.7 距河流距离
河流对坡脚有冲刷和侵蚀作用，河水位的季节变化性大还会造成坡体水文条件的周期变化，弱化坡体结构，不利于斜坡的稳定。河流的分布密度、径流量、流速等决定了侵蚀坡体的能力。本研究将距河流距离划分为5类级别状态（图9）。阿克赛钦段沿线区域河流3 km以内河流侵蚀作用强烈（图2），且在该范围内FR值与距河流距离表现出反比关系。
图8 距断层距离因子图层Fig.8 The map of distribution about the distance from faults
图9 距河流距离因子图层Fig.9 The map of distribution about the distance from rivers
3.2.8 距公路距离
公路修建过程中的切坡等工程活动破坏了原有自然地貌和地质环境，造成坡体原有应力平衡改变，使得边坡临空面出现卸荷作用，导致坡体失稳，或直接引起边坡破坏，诱发崩塌、滑坡灾害。本研究以1 km 为基本步长，将距公路距离划分为5 个级别状态（图10）。如图2-h 所示，距公路距离因子各级别FR值随距道路距离增大而不断减小，两者呈明显负相关性。
图10 距公路距离因子图层Fig.10 The map of distribution about the distance from roads
4.1 易发性计算与区划
据（式2），基于以上各影响因子不同级别计算得到的FR值，计算各个栅格的SI值。采用自然断点法，将研究区内崩滑流灾害易发性划分为极高、高、中、低、极低5 类，得到地质灾害易发性分区图（图11，表2）。
图11 G219阿克赛钦段地质灾害易发性分区图Fig.11 The map of geohazards susceptibilities along G219 in Aksai Chin
表2 易发性分区统计结果Table 2 The statistical results of different geohazard susceptibility zones
阿克赛钦段地质灾害极高易发区、高易发区主要分布在泉水沟以北的河谷北侧及六三五道班南部部分区域，面积分别占研究区的7.99%、21.08%，各有63.71%、23.56%的总历史灾害面积占比。这些地区大部分为康西瓦断裂、大红柳滩-郭扎错-泉水沟断裂带发育的赛图拉-泉水沟一带的高山峡谷区，特别是南坡区域，地势起伏大，岩体破碎，冻融风化作用强烈。泉水沟以南地区，除六三五道班南部，基本为地表起伏不大的高原荒漠区，地质灾害不发育，基本为灾害低、极低易发区，康西瓦南部等部分河谷区域也有灾害低、极低易发区分布，整体占研究区面积的22.85%、27.21%，发生该区的历史灾害面积不足全部历史灾害面积5%。研究区地质灾害中等易发地区面积占20.87%，主要分布在赛图拉-泉水沟一线的河谷地区，发育的历史灾害面积占总体历史灾害面积的8.35%。
4.2 易发性结果验证
本文运用ROC 曲线方法检验频率比模型的易发性评价结果准确率。AUC 为ROC 曲线的线下面积，其值越大，模型的准确率越高。图12 中频率比模型结果的AUC 值为0.854，说明本文采用的频率比模型计算结果精度高，能够较好地应用于阿克赛钦段崩滑流地质灾害易发性评价研究。
图12 ROC曲线图Fig.12 ROC curve
（1）G219阿克赛钦段地质地貌条件复杂，为地质灾害多发区，特别是赛图拉-大红柳滩一带，道路运行严重受地质灾害影响。其中，泥石流灾害大部分发育在康西瓦断裂附近的河谷地区，崩滑灾害主要分布在康西瓦-大红柳滩附近切坡等扰动活动作用强烈的区域。
（2）本文采用频率比法，选取坡度、坡向、高程、工程地质岩组、PGA、距断层距离、距河流距离、距公路距离等8 个灾害影响因子进行阿克赛钦段地质灾害易发性评价。极高易发区、高易发区主要分布在泉水沟以北的河谷及六三五道班南部部分区域，面积分别占研究区的7.99%、21.08%；
低、极低易发区主要分布在泉水沟以南地区及康西瓦南部部分河谷，各占研究区面积的22.85%、27.21%。
（3）本文采用的易发性模型计算精度较高，评价结果可作为G219 阿克赛钦段地质灾害防治工作的理论依据与指导，本研究方法也为开展昆仑山等高原山区道路工程地质灾害评价提供参考。
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