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北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害空间分布及其敏感性分析

倪树斌 马超 杨海龙 张熠昕

倪树斌, 马超, 杨海龙, 张熠昕. 北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害空间分布及其敏感性分析[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
引用本文: 倪树斌, 马超, 杨海龙, 张熠昕. 北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害空间分布及其敏感性分析[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
Ni Shubin, Ma Chao, Yang Hailong, Zhang Yixin. Spatial distribution and susceptibility analysis of avalanche, landslide and debris flow in Beijing mountain region[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
Citation: Ni Shubin, Ma Chao, Yang Hailong, Zhang Yixin. Spatial distribution and susceptibility analysis of avalanche, landslide and debris flow in Beijing mountain region[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328

北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害空间分布及其敏感性分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41702369

详细信息
    作者简介:

    倪树斌。主要研究方向:山地灾害。Email:461009284@qq.com 地址:100083  北京市海淀区北京林业大学水土保持学院

    通讯作者:

    马超,博士,讲师。主要研究方向:山地灾害。Email:sanguoxumei@163.com 地址:同上

  • 中图分类号: S715.4

Spatial distribution and susceptibility analysis of avalanche, landslide and debris flow in Beijing mountain region

  • 摘要: 目的本研究拟通过对北京地区的山地灾害发生的影响因子进行敏感性评价, 认识该区内灾害的分布特征与规律, 为防灾减灾工作服务。方法利用ARCGIS10.2作为处理平台, 分析北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害的空间分布特征; 同时选取断层、岩性、坡度、坡向、多年平均降雨量因子进行敏感性分析, 并对各因子进行敏感性评价。结果3类灾害在距断层0~6km范围内分布最多, 占总灾害个数的86%;在距断层0~2km内灾害点密度达到0.83个/km2, 其敏感性系数(Sci)为1.95;崩塌、滑坡、泥石流灾害在花岗岩分布最多, 其Sci分别为7.05、3.46、5.89;3类灾害受降雨影响具有一致性, 崩塌、滑坡、泥石流分别在年均降水量区间为710~730mm、710~730mm、630~650mm时Sci值最高, 分别为1.14、1.68、0.90;3类灾害在平均坡度5°~15°区间内Sci最大, 分别为0.75、0.53、0.93;崩塌、滑坡在西南方面最易发生, Sci分别为0.37、0.64, 泥石流多发生于流域内, 灾害发生坡向不固定。结论通过对灾害不同影响因子进行敏感性赋值, 利用ARCGIS中的空间叠置分析与栅格累加功能, 得到北京山区崩塌、滑坡、泥石流3类灾害的敏感性分布图, 对北京山地灾害的发生有了更进一步的认识。
  • 图  1  北京山地灾害分布图

    Figure  1.  Distribution of mountain hazards in Beijing

    图  2  北京地层岩性与主要断裂带分布图

    1.长哨营-古北口断裂带;2.紫荆关-大海陀断裂带;3.丰台-怀柔-白马关断裂带;4.南口-平谷断裂带;5.黑峪口-良乡西断裂带;6.怀柔-采育断裂带;7.沙厂-墙子路断裂带;8.沿河城-琉璃庙断裂带;9.青石岭断裂带;10.自合堡-黑峪口断裂带;11.红石湾-营盘断裂带;12.沙梁子-上花楼断裂带;13.黄花山-程各庄断裂带;14.斋堂-军饷断裂带;15.大台-上苇甸断裂带;16.霞云岭断裂带。引自文献[13]。

    Figure  2.  Distribution of main lithology and the main faults in Beijing

    1, Changshaoying-Gubeikou fault zone; 2, Zijinguan-Dahaituo fault zone; 3, Fengtai-huairou-baimaguan fault zone; 4, Nankou-Pinggu fault zone; 5, Heiyukou-Liangxiangxi fault zone; 6, Huairou-Caiyu fault zone; 7, Shachang-Qiangzilu fault zone; 8, Yanhecheng-Liulimiao fault zone; 9, Qingshiling fault zone; 10, Zihepu-Heiyukou fault zone; 11, Hongshiwan-Yingpan fault zone; 12, Shaliangzi-Shanghualou fault zone; 13, Huanghuashan-Chenggezhuang fault zone; 14, Zhaitang-Junxiang fault zone; 15, Datai-Shangweidian fault zone; 16, Xiayunling fault zone. Quoted from reference [13].

    图  3  灾害与距断裂带距离关系

    Figure  3.  Relation of disasters and the distance to fault zone

    图  4  距断裂带不同距离处灾害点密度

    Figure  4.  Disaster density at different distance from the fault zone

    图  5  不同岩性类别下灾害数量百分比

    Figure  5.  Percentage of disaster amount under different lithology types

    图  6  不同岩性下灾害面密度

    Figure  6.  Disaster areal density under different lithology conditions

    图  7  年平均降雨量与灾害百分比关系

    Figure  7.  Percentage of hazard site with respect to annual mean precipitation

    图  8  崩塌数量分布与地形关系

    Figure  8.  Distribution of avalanche site number with respect to topography

    图  9  滑坡数量分布与地形关系

    Figure  9.  Distribution of landslide site number with respect to topography

    图  10  泥石流数量分布与地形关系

    Figure  10.  Distribution of debris flow with respect to topography

    图  11  研究区敏感性评估图

    Figure  11.  Susceptibility assessing map in the research area

    表  1  距断层不同距离的灾害敏感性系数

    Table  1.   Sensitivity coefficient at different distance to fault zone

    灾害类型Disaster type 距断层距离Distance to fault zone
    0~2km 2~4km 4~6km 6~8km 8~10km 10~12km 12~14km 14~16km 16~18km 18~20km
    崩塌Avalanche 0.55 0.12 -0.16 -0.70 -1.01 -1.44 -1.80 -2.86 -5.24
    滑坡Landslide 0.34 0.27 0.02 -0.74 -1.53 -0.56 -2.12 -2.08
    泥石流Debris flow 0.80 0.00 -0.38 -1.54 -1.84 -1.46 -3.61 -3.16 -4.25
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    表  2  北京山区岩性分类

    Table  2.   Lithology classification of Beijing mountain area

    项目
    Item
    岩性类别Category of lithology
    闪长岩
    Diorite(Ⅰ)
    片麻岩
    Gneiss(Ⅱ)
    堆积物(第四系)
    Quaternary deposits(Ⅲ)
    花岗岩
    Granite(Ⅳ)
    灰岩、泥云岩
    Limestone, mudstone(Ⅴ)
    泥页岩夹砂岩、煤层
    Mud-shales-andstone, coal seam(Ⅵ)
    玄武岩
    Basalt(Ⅶ)
    白云岩
    Dolomites(Ⅷ)
    面积比
    Area ratio/%
    1.05 5.69 43.88 35.90 3.88 1.58 0.05 7.96
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    表  3  不同岩性的敏感性系数

    Table  3.   Sensitivity coefficient and the lithology

    灾害类型
    Disaster type
    岩性Lithology
    崩塌Avalanche 0.26 0.42 -1.61 7.05 -2.46 -0.02 0.71
    滑坡Landslide -2.39 -4.17 3.46 -4.74 -2.52 -2.39
    泥石流Debris flow -1.21 0.43 -2.86 5.89 -2.98 -0.94 -0.76
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    表  4  不同年平均降水量下灾害敏感性系数

    Table  4.   Sensitivity coefficient and the annual mean precipitation

    灾害类型Disaster type 降雨量Precipitation
    450~470mm 470~490mm 490~510mm 510~530mm 530~550mm 550~570mm 570~590mm 590~610mm 610~630mm 630~650mm 650~670mm 670~690mm 690~710mm 710~730mm 730~750mm
    崩塌Avalanche -0.98 -0.56 -0.33 0.24 0.24 0.12 0.30 0.26 0.49 -0.13 -0.51 0.50 1.14
    滑坡Landslide -2.27 - -0.25 1.25 0.52 -0.16 -1.06 0.03 -0.57 -0.30 0.86 1.68
    泥石流Debris flow -1.61 -1.27 -0.63 -0.19 -0.06 0.27 0.09 0.37 0.90 0.58 0.03 0.36 -0.91
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    表  5  不同坡度山地灾害数量统计

    Table  5.   Statistical analysis of mountain hazard site with respect to slope gradient

    坡度
    Slope degree/(°)
    分区面积
    Divisional area/km2
    面积百分比
    Area percentage/%
    灾害数
    Disaster number
    灾害百分比
    Disasterpercentage/%
    0~5 7189.19 43.82 333 12.46
    5~15 3868.96 23.58 1399 52.34
    15~25 3004.77 18.31 641 23.98
    25~35 1706.60 10.40 222 8.30
    35~55 625.35 3.81 77 2.88
    > 55 11.52 0.08 1 0.0004
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    表  6  不同坡度灾害敏感性系数

    Table  6.   Sensitivity coefficient at different slope degree

    灾害类型Disaster type 0~5° 5°~15° 15°~25° 25°~35° 35°~55° > 55°
    崩塌Avalanche -1.22 0.75 0.28 -0.11 -0.12 -0.29
    滑坡Landslide -1.07 0.53 0.41 -0.04 0.68
    泥石流Debris flow -1.41 0.93 0.24 -0.65 -1.34
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    表  7  不同坡向灾害敏感性系数

    Table  7.   Sensitivity coefficient at different slope aspect

    灾害类型Disaster type N NE E SE S SW W NW
    崩塌Avalanche -0.19 -0.18 -0.16 -0.03 0.06 0.37 -0.03 0.13
    滑坡Landslide -0.82 -0.21 -0.44 -0.08 0.14 0.64 0.20 0.08
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-09-11
  • 修回日期:  2017-12-26
  • 刊出日期:  2018-06-01

北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害空间分布及其敏感性分析

doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
    基金项目:

    国家自然科学基金项目 41702369

    作者简介:

    倪树斌。主要研究方向:山地灾害。Email:461009284@qq.com 地址:100083  北京市海淀区北京林业大学水土保持学院

    通讯作者: 马超,博士,讲师。主要研究方向:山地灾害。Email:sanguoxumei@163.com 地址:同上
  • 中图分类号: S715.4

摘要: 目的本研究拟通过对北京地区的山地灾害发生的影响因子进行敏感性评价, 认识该区内灾害的分布特征与规律, 为防灾减灾工作服务。方法利用ARCGIS10.2作为处理平台, 分析北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害的空间分布特征; 同时选取断层、岩性、坡度、坡向、多年平均降雨量因子进行敏感性分析, 并对各因子进行敏感性评价。结果3类灾害在距断层0~6km范围内分布最多, 占总灾害个数的86%;在距断层0~2km内灾害点密度达到0.83个/km2, 其敏感性系数(Sci)为1.95;崩塌、滑坡、泥石流灾害在花岗岩分布最多, 其Sci分别为7.05、3.46、5.89;3类灾害受降雨影响具有一致性, 崩塌、滑坡、泥石流分别在年均降水量区间为710~730mm、710~730mm、630~650mm时Sci值最高, 分别为1.14、1.68、0.90;3类灾害在平均坡度5°~15°区间内Sci最大, 分别为0.75、0.53、0.93;崩塌、滑坡在西南方面最易发生, Sci分别为0.37、0.64, 泥石流多发生于流域内, 灾害发生坡向不固定。结论通过对灾害不同影响因子进行敏感性赋值, 利用ARCGIS中的空间叠置分析与栅格累加功能, 得到北京山区崩塌、滑坡、泥石流3类灾害的敏感性分布图, 对北京山地灾害的发生有了更进一步的认识。

English Abstract

倪树斌, 马超, 杨海龙, 张熠昕. 北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害空间分布及其敏感性分析[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
引用本文: 倪树斌, 马超, 杨海龙, 张熠昕. 北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害空间分布及其敏感性分析[J]. 北京林业大学学报, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
Ni Shubin, Ma Chao, Yang Hailong, Zhang Yixin. Spatial distribution and susceptibility analysis of avalanche, landslide and debris flow in Beijing mountain region[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
Citation: Ni Shubin, Ma Chao, Yang Hailong, Zhang Yixin. Spatial distribution and susceptibility analysis of avalanche, landslide and debris flow in Beijing mountain region[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2018, 40(6): 81-91. doi: 10.13332/j.1000-1522.20170328
  • 我国是个山地灾害大国,大部分的崩、滑、流灾害分布在3大地形阶梯的两个过渡带上[1]。据国土资源部门统计,每年发生有数千至上万起崩、滑、流灾害,7 400万人不同程度地受到威胁。2001—2010年全国滑坡、泥石流等灾害共造成9941人死亡和失踪(不含汶川地震期间由崩塌、滑坡、泥石流造成的约25000人遇难数据)[2]

    自建国以来,北京地区因崩、滑、流灾害造成的死亡人数已超过600人,直接经济损失达数亿元[3]。最新研究表明:1950—2010年间,北京山区共计暴发39场群发性山洪泥石流灾害[4]。2010年以来,因强降雨诱发的崩、滑、流灾害更加严重。2011年7月24日暴雨诱发平谷、密云部分地区发生山洪泥石流灾害,近6000人被转移。2012年北京“7.21”特大暴雨导致房山区多处桥梁被冲毁,因降雨导致的崩塌、滑坡、泥石流使三岔村受损非常严重;2017年6月18日门头沟区石阳沟突发山洪泥石流导致12人失联。

    进一步探索灾害的空间分布规律,分析不同灾害因子的敏感性,已经成为许多学者关心的问题。曾琳洁等利用Mapgis对野外调查结果进行了矢量化和耦合分析,对河南南召县地质灾害发育情况有了全面了解[5],陈秀琼等对二滩库区地质灾害分布进行了研究并分析其发展趋势[6],苏凤环等利用遥感技术对影响地震次生山地灾害的要素进行了叠加分析,获得次生山地灾害的分布规律[7],陈玉等基于概率指数模型与信息量模型对研究区进行了地质灾害敏感性评价[8],白利平等基于GIS对北京市泥石流危险程度进行了区划,但泥石流受各种随机因素影响较大,评价结果与实际情况有差异[9],赵越等预测不同暴雨频率下的泥石流流量,结合泥石流易发程度综合评价了北京门头沟区涧沟泥石流的危险性[10],任凯珍利用AHP法对北京地区地质灾害易发区进行了规划,对实验结果进行了可信度检验,并提出针对不同类型地质灾害隐患提出了防治建议[11]

    本文运用地统计学和地理信息系统,分析该区域崩、滑、流灾害与降雨空间分布、断层、地层岩性以及地形地貌进之间的敏感性,目的在于认识该区山地灾害的空间分布规律与特征,评价崩滑流敏感性区域,为山地灾害防灾减灾服务。

    • 北京市总面积约为16807.8km2,地处华北平原与太行山交界地带,其中山区面积约10417.5km2,占总面积的62%,主要分布在北部和西部的边缘地带,区域平均坡度大多大于25°,相对高度一般在500~1000m之间(图 1)。地势总趋势西北高、东南低,地貌类型多样,由中山、低山、丘陵、洪积冲积平原、冲积平原等多种地貌组成。北京山区属于太行山脉和燕山山脉两个山系,西山属于太行山系,北山属于燕山山系,走向大致为北东—西南走向。平原地区三面环山,各山脊大致可连成一条平均海拔1000m左右的弧形天然屏障,形成山前山后气候的天然分界线[12]。区域内主要有16条断裂带或区域性断裂(图 2),断裂带上动力变质作用强烈,岩体破碎,松散碎屑物质丰富,断裂具有多期活动特点,对岩体破坏强烈,对山坡稳定性和岩体完整性造成破坏[12-14]。区域地层除缺少古元古界、新元古界震旦系、古生界上奥陶统至下石炭统外,其他地层都有发育,岩石类型齐全。区内水系支流短而急,洪枯期流量变化大,年平均降雨量为450~660mm之间,降雨等值线走向大致与山脉走向一致,从东南方向至西北方向降雨量逐渐减少。

      图  1  北京山地灾害分布图

      Figure 1.  Distribution of mountain hazards in Beijing

      图  2  北京地层岩性与主要断裂带分布图

      Figure 2.  Distribution of main lithology and the main faults in Beijing

    • 敏感性分析是分析、预测项目主要不确定因素的变化对项目效益的影响,找出敏感因素,估计项目效益对它们的敏感程度,可预测项目可能会承担的风险[15-16]。敏感性分析方法已经被大量的利用在复杂环境影响因素与山地灾害的研究当中[8-9],并根据比较分析敏感性影响因子的变化,为防治灾害提供一定的理论依据。

      引入敏感性系数Sc(sensitivity coefficient)[17-19],定量描述不同成灾影响因素(距断层带距离、岩性、年均降雨量、坡度、坡向)对崩塌、滑坡、泥石流的敏感性:

      $$ {S_{{\rm{c}}i}} = \ln \frac{{{H_i}}}{D} = \ln \frac{{{N_i}/{A_i}}}{{N/A}} $$ (1)

      式中:Ni为第i类影响因素下的灾害点个数,Ai为第i类影响因素下的面积,N表示为总灾害个数,A表示为研究区总面积。Sci的值越大,则表示敏感性程度越大,敏感性越高,该类影响因素越容易导致灾害发生;若其值越小或为负,表示敏感性越低,越不易导致灾害发生。

      本研究使用的灾害数据源于北京市国土资源局2016年山地灾害的统计结果(http://www.bjgtj.gov.cn),并在已有相应的矢量数据上进行数字化,得到北京山地灾害分布点图。北京地区的崩、滑、流灾害暴发频率低,规模较小。区域中总计灾害点2707个,崩塌1920个,小型1776个,中型140个,大型4个;滑坡总计80个,小型67个,中型12个,大型1个;泥石流沟总计707条,小型597条,中型96条,大型14条。Dem数据为地理空间数据云下载(http://www.gscloud.cn);地质与降雨资料来源于北京市国土资源局,并在地理信息系统平台处理后得到北京岩性分布图和断层带分布图,利用北京市气象局的降雨资料,数字化成为多年降雨等值线图。

    • 地质构造既控制着断层带的分布,又可控制岩层的岩体结构及其组合特征,对山地灾害的发育起着重要的控制作用。黄润秋等[20]在汶川地震触发的地质灾害研究中表明:断层上盘0~7km范围内为地质灾害强发育区;曾琳洁等[5]发现地质灾害多发于断裂构造较密集部位附近,具有沿构造线方向密集展布的特点;王帅等[21]在研究浙西南山地灾害的分布规律时,发现断裂带区域灾害具有较高分布密度,明显高于其他区域。利用北京地区断层带分布图与灾害点进行空间分析,将灾害点至最近断层带的距离按照2km等间距进行划分,分析不同距离内泥石流灾害的分布。泥石流多为流域内发生,本文将泥石流沟口距断层带距离近似作为泥石流沟道距断层带距离。

      崩塌在距黑峪口-良乡西断裂带、长哨营-古北口断裂带、南口-平谷断裂带4km范围内灾害分布最多分布近35%。黑峪口-良乡西断裂属于斜向倾滑正断层,断面总体倾向南东,以基岩断崖、副断层三角面和第四纪中晚期的冲积扇体的断层陡坎为主,加之降雨和风化作用,崩塌极易发生。

      31%的滑坡分布在距霞云岭断裂4km范围内,该地区是相对隆起剥蚀的地段,海拔相对高差较大;其次是黄花庄-程各庄-上营断裂,该断裂形成于中生代晚期,是左旋压扭性断裂带,在断裂带的挤压破碎作用下,形成了多期发育的构造岩。27%分布在丰台-白马关断裂带和南口-平谷断裂带。

      有近50%的泥石流灾害分布在长哨营-古北口断裂、沿河城-南口-琉璃庙断裂、青石岭断裂。长哨营-古北口断裂为逆断裂,走向近东西,倾向北,次生构造复合叠加,沿途岩层向南东方向倾斜,局部岩层片理化,基岩节理发育为泥石流发生提供了有利条件。沿河城-南口-琉璃庙断裂由沿河城断裂、南口山前断裂、奇峰茶-琉璃庙断裂组成,处于平原和山区的过渡地带,总体为北东50°~60°走向,为压扭性上冲断层,泥石流密集分布。青石岭断裂带形成于燕山期的压扭性断裂,断面西倾,为一条明显的线性构造[22],断裂带两侧的高山峻岭与沟谷中的残丘形成地貌反差,且构造岩破碎疏松,为泥石流的发生提供了物源和空间。

      随着距断层带的距离增大,3类灾害的分布呈指数型急剧减少,分布在距断层0~2km范围内的崩塌百分比为46.12%,滑坡百分比为37.50%,泥石流百分比为59.12%(图 3)。灾害点密度也随着距断裂带距离的增加而减小(图 4)。此外,滑坡、泥石流灾害在距断层10~12km处有所增加。进一步分析表明:在距离断层10~12km的滑坡和泥石流灾害主要集中在房山区西北部,即2012年“7·21”特大暴雨河北镇附近。由于该次降雨的暴雨中心位于河北镇-三岔村一带(1h雨量接近95mm),导致附近南窖沟、三岔村等多处暴发了滑坡、泥石流灾害。

      图  3  灾害与距断裂带距离关系

      Figure 3.  Relation of disasters and the distance to fault zone

      图  4  距断裂带不同距离处灾害点密度

      Figure 4.  Disaster density at different distance from the fault zone

      3类灾害在上盘分布数量百分比为63.23%,下盘分布数量百分比为36.77%,即断层上盘地质灾害的发育密度要高于下盘,这种效应在前人研究中就有发现[23-26]。根据方仲景对北京地区第四纪活动构造的研究,研究区内大小断层带有29个,其中27个均为正断层,只有八宝山断裂、东垒子—涞水两条断裂为逆断裂,而研究区内灾害均处在距正断层20km范围内。

      根据敏感性计算式(2),可得到北京山区断裂带20km内以2km为间隔,各间隔区的计算结果见表 1

      表 1  距断层不同距离的灾害敏感性系数

      Table 1.  Sensitivity coefficient at different distance to fault zone

      灾害类型Disaster type 距断层距离Distance to fault zone
      0~2km 2~4km 4~6km 6~8km 8~10km 10~12km 12~14km 14~16km 16~18km 18~20km
      崩塌Avalanche 0.55 0.12 -0.16 -0.70 -1.01 -1.44 -1.80 -2.86 -5.24
      滑坡Landslide 0.34 0.27 0.02 -0.74 -1.53 -0.56 -2.12 -2.08
      泥石流Debris flow 0.80 0.00 -0.38 -1.54 -1.84 -1.46 -3.61 -3.16 -4.25

      崩塌、泥石流在0~4km区域内Sci均为正,敏感性显著,而4km以外敏感性系数为负值,对灾害影响不明显;滑坡在0~6km内Sci为正,表明其对灾害影响显著,6km范围外则影响不显著。

    • 北京地区岩性类型多样,岩石节理发育良好,山体基岩风化剥蚀严重,不同岩性对灾害发生具有明显影响效果。田述军等发现在汶川大地震中崩塌在硬质岩层中最为发育,滑坡在软弱层中较为发育[14],李秀珍等在研究芦山地震诱发的次生地质灾害时发现,新增的地质灾害主要发育于白垩系,三叠系砂泥岩、二叠系碳酸盐泥层、第三系砾岩半成岩地层的陡坡[27]

      根据地层岩性与山区灾害的相关性进行分析,基于岩浆岩的形成时期及活动期的不同,将全区进行了不同岩性的归类处理(表 2);再利用地统计平台进行空间分析,分析不同岩性的山地灾害发生数量。

      表 2  北京山区岩性分类

      Table 2.  Lithology classification of Beijing mountain area

      项目
      Item
      岩性类别Category of lithology
      闪长岩
      Diorite(Ⅰ)
      片麻岩
      Gneiss(Ⅱ)
      堆积物(第四系)
      Quaternary deposits(Ⅲ)
      花岗岩
      Granite(Ⅳ)
      灰岩、泥云岩
      Limestone, mudstone(Ⅴ)
      泥页岩夹砂岩、煤层
      Mud-shales-andstone, coal seam(Ⅵ)
      玄武岩
      Basalt(Ⅶ)
      白云岩
      Dolomites(Ⅷ)
      面积比
      Area ratio/%
      1.05 5.69 43.88 35.90 3.88 1.58 0.05 7.96

      区域的山地灾害发生与不同岩性的关系有着很明显的联系(图 5)。3类灾害的分布均是在花岗岩地层上最多;在白云岩和花岗闪长质片麻岩地层分布次之。据表 3可知,第四系沉积物和花岗岩两类岩性面积各占总面积的43.88%和35.90%,主要分布在北京东部及东南部区域,其地势平缓,地形起伏变化较小,该类岩性对灾害的影响甚小;花岗岩则在北京山区大面积分布;新近系玄武岩地层主要分布在延庆山区,面积约7.77km2,为区域总面积的0.05%,该地层上无灾害分布。

      图  5  不同岩性类别下灾害数量百分比

      Figure 5.  Percentage of disaster amount under different lithology types

      表 3  不同岩性的敏感性系数

      Table 3.  Sensitivity coefficient and the lithology

      灾害类型
      Disaster type
      岩性Lithology
      崩塌Avalanche 0.26 0.42 -1.61 7.05 -2.46 -0.02 0.71
      滑坡Landslide -2.39 -4.17 3.46 -4.74 -2.52 -2.39
      泥石流Debris flow -1.21 0.43 -2.86 5.89 -2.98 -0.94 -0.76

      不同岩性下的崩塌灾害面密度差异较大(图 6),灾害面密度最大为泥页岩、砂岩、灰岩,其灾害的岩性面密度达到了0.30个/km2;而灾害面密度最小的为各类松散土体和可塑性的黏土组成的第四系沉积物,其他4种岩性下灾害面密度相差不大。

      图  6  不同岩性下灾害面密度

      Figure 6.  Disaster areal density under different lithology conditions

      滑坡在闪长岩、玄武岩岩性区无分布;而在泥页岩、砂岩、灰岩地层中灾害面密度最大,该类地层主要分布在房山、门头沟境内,所占面积为1.58%,岩性较软弱,加之易变质为千枚岩、石英片岩和大理岩,较易形成滑坡;在花岗岩地层中分布数量最多,但由于其面积较大,故其面密度较小。

      泥石流灾害面密度则较为明显,主要分布在Ⅳ(早侏罗世二长花岗岩)上,地域上主要分布于门头沟区中南部、密云北部四合堂、白马关,怀柔北部西石门、干沟子、青石岭地区,平谷区的泉水峪、镇罗营、关上等地。

      对不同岩性进行敏感性分析,计算结果见表 33类山地灾害的Sci在Ⅳ(花岗岩)上最为敏感,分别为7.05、3.46、5.89。崩塌与泥石流在Ⅴ(泥云岩)上最不敏感,而滑坡则在Ⅲ(第四系沉积物)上最不敏感,其Sci值为-4.17。

    • 北京山区气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候。北山西北部、西山西部和昌平一带年降水量在600mm以下,并从东南向西北递减;在门头沟、丰台北部到顺义以南,年平均降水量向南递减。这主要是因为进入北京的暖湿气流主要来自东南方向,当其向西北运行时,遇到山体阻拦爬高而凝云形成降雨,致使山前降水量大,山后降水量减少。本研究选择北京市气象局近50年来的年平均降水量作为研究数据(图 1),以20mm平均年降水量作为间隔,统计不同降水区间内山地灾害数量,分析不同降水量对灾害数量的影响。

      进一步分析降水的高值分布特点,发现高值中心主要分布于北京东北部地区,覆盖了密云,怀柔、平谷地区,这与杨萍等[28]在研究2007—2014年北京地区降水特征时,发现的城区高值中心和东北高值中心在空间上具有一致性,而研究区域内近70%的灾害分布在降水高值区,进一步说明了降水条件对灾害发生具有极强的影响作用。从小时降水量的值域范围与灾害发生时间联系来看,夏季小时累计降水量最大,介于8~24mm之间,春秋季小时累计降水量介于1~4mm之间[28],而北京山地灾害发生时间均为6—9月份,这与最大小时降水量的发生具有时间上的一致性。

      图 7可知,随着降水量的增大,崩塌灾害也在逐步增加。当降水量达到570~590mm时,灾害达到峰值,之后出现下降趋势,并在650~670mm时达到第2个峰值。这是因为在570~590mm,降水是对崩塌有着最强的影响力,尤其是较长时间的连续降雨,且降水受地形因素的影响,与断裂带联合作用,形成了房山、怀柔和密云为主的崩塌密集发育区。陡坡岩体由于近临空面释重应力产生与边坡平行的张性垂直裂隙,加上长期的风化作用,使岩体处于临界稳定状态,崩塌发生前的降水使雨水渗入岩石裂隙,冲刷、溶解和软化了裂隙充填物,降低了岩体间的抗拉强度,使其小于临空岩体的自重,在重力作用下,处于临界状态的岩体失稳,促使岩体垮塌崩落[8]

      图  7  年平均降雨量与灾害百分比关系

      Figure 7.  Percentage of hazard site with respect to annual mean precipitation

      降水对滑坡的发生具有显著影响,当降水量达到550~570mm时,滑坡灾害数量最多(图 7)。随着降水量的增大,灾害数量呈减小趋势。这是由于北京地区广泛分布着灰岩、白云岩、花岗岩等坚硬岩石,软弱层不太发育,缺少利于滑动的结构面,但在暴雨条件激发作用下,易形成滑坡。

      泥石流的发生通常在几年或者几十年就发生一次,这主要取决于降水条件,而泥石流的物源主要是由崩塌产生的碎石碎屑物提供。在图 7中,灾害分布百分比最大的降水区间为650~670mm,该降水区间所在位置密云区与怀柔区,也是北京泥石流灾害发生最多的区域。据资料记载,从历史上泥石流发生的地区看,与北京地区大暴雨分布一致,近50年泥石流灾害约80%分布在降雨强度为80mm/12h的山区;从泥石流发生的时间来看,皆出现在7月下旬至8月上旬,与暴雨出现的时间非常吻合。

      据公式(2)计算敏感性系数见表 4,崩塌敏感性最高的降水区间为690~730mm间;滑坡敏感性最高的降水区间为550~570mm,而在630~650mm时会形成第二高区间;泥石流则在630~670mm降水区间内敏感性最大。

      表 4  不同年平均降水量下灾害敏感性系数

      Table 4.  Sensitivity coefficient and the annual mean precipitation

      灾害类型Disaster type 降雨量Precipitation
      450~470mm 470~490mm 490~510mm 510~530mm 530~550mm 550~570mm 570~590mm 590~610mm 610~630mm 630~650mm 650~670mm 670~690mm 690~710mm 710~730mm 730~750mm
      崩塌Avalanche -0.98 -0.56 -0.33 0.24 0.24 0.12 0.30 0.26 0.49 -0.13 -0.51 0.50 1.14
      滑坡Landslide -2.27 - -0.25 1.25 0.52 -0.16 -1.06 0.03 -0.57 -0.30 0.86 1.68
      泥石流Debris flow -1.61 -1.27 -0.63 -0.19 -0.06 0.27 0.09 0.37 0.90 0.58 0.03 0.36 -0.91
    • 坡度是控制滑斜坡的稳定性主要条件之一。韩用顺等[29]发现在岷江上游河谷地带有利于灾害发生的坡向条件依次为东南、东、南和北东4个方向。坡向的不同,造成不同坡向的气候差异,并对植被、土壤、水文等产生影响,王朝阳[30]发现不同的坡向对植被根系的分布、生长有着显著影响,进而影响边坡的稳定性。将研究区的坡向划分为北东(0°~45°)、东(45°~90°)、东南(90°~135°)、南(135°~180°)、西南(180°~225°)、西(225°~270°)、西北(270°~315°)、北(315°~360°)。根据斜坡坡度特征和次生山地灾害发育情况,将地形坡度分为0°~5°、5°~15°、15°~25°、25°~35°、35°~55°和>55° 6个级别。将灾害点与坡度分级进行空间分析,结果如表 5

      表 5  不同坡度山地灾害数量统计

      Table 5.  Statistical analysis of mountain hazard site with respect to slope gradient

      坡度
      Slope degree/(°)
      分区面积
      Divisional area/km2
      面积百分比
      Area percentage/%
      灾害数
      Disaster number
      灾害百分比
      Disasterpercentage/%
      0~5 7189.19 43.82 333 12.46
      5~15 3868.96 23.58 1399 52.34
      15~25 3004.77 18.31 641 23.98
      25~35 1706.60 10.40 222 8.30
      35~55 625.35 3.81 77 2.88
      > 55 11.52 0.08 1 0.0004

      通过图 8可知,崩塌灾害主要分布在5°~25°的坡度区间,占总数量的74.29%。这是由于该区间内属于地质构造运动相对较活跃的区域,岩层裂隙比较发育的原因导致。滑坡的分布也是主要分布在5°~15°、15°~25°这两个区间内。通过图 9可知,两个区间灾害数量占据总灾害的67.50%,这是由于构成斜坡的岩土体比较软,在降雨强度比较大的情况下,斜坡体难以平衡下滑力与滑面的抗剪切强度,进而发生滑坡;而当坡度超过35°之后,滑坡几近消失,这是由于斜坡体的坡度过陡时,岩体的应力超过岩体的抗剪切强度而无法孕育一定体积的不稳定体,多形成崩塌、落石等灾害[27-29]

      图  8  崩塌数量分布与地形关系

      Figure 8.  Distribution of avalanche site number with respect to topography

      图  9  滑坡数量分布与地形关系

      Figure 9.  Distribution of landslide site number with respect to topography

      图 89可知,崩塌和滑坡的坡向分布图有着很大的相似之处。这两类灾害在不同坡向均有发生,但是在西南坡向最为突出。因为北京的山脉走向大致为北东方向排列延展,而夏季盛行东南风,雨团为东南向西北走向,与山脉总体走向垂直,进而造成迎风坡和背风坡降雨量有着很大差异,降雨量又对灾害的发生有着很明显的影响,这也就解释了西南坡坡向灾害数量偏多的原因。

      泥石流多发生于小流域,在地形上主要是平均坡度的大小影响泥石流的活动,由于泥石流的发生并无固定坡向,因此其影响并不显著。北京地区泥石流多发生于平均坡度约为5°~25°区间内(图 10)。坡度影响地表汇流的时间,坡度越大,地表汇流时间越短,洪峰流量越大;再是坡度越大,对于崩塌以及残坡堆积物参与泥石流的可能性越大,地表松散物的可移动性越强,越有利于泥石流的发生。但一般超过35°之后,风化碎削物难以存留,泥石流形成物源条件较少,则不易发生泥石流。

      图  10  泥石流数量分布与地形关系

      Figure 10.  Distribution of debris flow with respect to topography

      坡度坡向的敏感性系数计算见表 67,崩塌、泥石流灾害在5°~15°区间内敏感性最高,而滑坡则在5°~25°区间内敏感性较高,这也说明不同坡度对崩滑流有着较强的影响;加之崩塌、滑坡均在西南坡向上敏感性最高,也印证北京雨团的走向与灾害的发生有着直接关系。

      表 6  不同坡度灾害敏感性系数

      Table 6.  Sensitivity coefficient at different slope degree

      灾害类型Disaster type 0~5° 5°~15° 15°~25° 25°~35° 35°~55° > 55°
      崩塌Avalanche -1.22 0.75 0.28 -0.11 -0.12 -0.29
      滑坡Landslide -1.07 0.53 0.41 -0.04 0.68
      泥石流Debris flow -1.41 0.93 0.24 -0.65 -1.34

      表 7  不同坡向灾害敏感性系数

      Table 7.  Sensitivity coefficient at different slope aspect

      灾害类型Disaster type N NE E SE S SW W NW
      崩塌Avalanche -0.19 -0.18 -0.16 -0.03 0.06 0.37 -0.03 0.13
      滑坡Landslide -0.82 -0.21 -0.44 -0.08 0.14 0.64 0.20 0.08
    • 根据结果分析,崩塌、滑坡选取距断层带距离,年降水量、岩性、坡度、坡向为敏感性评价因子;泥石流由于多发生在小流域内,灾害的发生多无固定坡向,选取距断层带距离、年降水量、岩性、平均坡度为敏感性评价因子,利用ARCGIS中空间叠置分析,表面分析和距离分析等功能,对各类别因子赋予不同的敏感性系数,进行栅格累加计算,最终得到3类灾害的敏感性分布图(图 11)。

      图  11  研究区敏感性评估图

      Figure 11.  Susceptibility assessing map in the research area

      利用统计学中的自然间断法(natural break),将计算结果图进行重分类,划分为5个等级:极敏感区、高敏感区、中敏感区、低敏感区、极不敏感区。

      崩塌极敏感区面积约为2376km2,约占总面积的15%,主要分布在怀柔中部地区、房山北部、密云西北部、平谷西北部与密云东南部接壤处;高敏感区面积约为3607km2,占北京市总面积的22%,主要分布于延庆东南部、怀柔南部、门头沟西南部、密云东北部;中敏感区面积约为4796km2,占北京市总面积的30%,主要分布在门头沟西南部、房山南部、昌平中部地区;低敏感区与极不敏感区面积分别约为2876、2430km2,主要分布在不具有灾害发生条件的平原区。

      滑坡极敏感区面积约为4109km2,占总面积的25%,主要分布在怀柔中部及南部地区、密云东北部、门头沟南部、延庆东部一带、高敏感性区面积约为1309km2,占总面积的8%,集中分布在延庆西北部、房山西南部、门头沟北部地区;中敏感性区面积约为3122km2,占总面积的19%,主要分布在怀柔北部一带、房山北部;低敏感区与极不敏感区面积分别为4778、2768km2,分布在平原区、延庆中部地区。

      泥石流极敏感性区面积约为4689km2,占总面积的29%,主要分布于怀柔中部以及南部、密云西北部、北部、门头沟南部、延庆东南部;高敏感区面积约为2313km2,占总面积的14%,主要分布在平谷南部、怀柔北部、房山中部地区;中敏感性区面积约为1912km2,占总面积的11%,分布于平谷北部、门头沟北部、密云中部地区;低敏感区与极不敏感区面积分别为3939、3246km2,主要分布于平原地区与延庆中部、平谷南部地区。

    • 本文利用地理信息系统中的地统计工具,分析了北京山区崩塌、滑坡、泥石流灾害与断层距离、岩性、坡度、坡向、降雨影响因子之间的敏感性,得到灾害的点密度和面密度,结合灾害发生的成因和影响因素,总结了该区3种灾害的空间分布规律,结果表明:

      (1) 北京地区断裂带0~6km内极易发生崩塌、滑坡、泥石流灾害,敏感性系数极高,灾害点沿断裂带呈条带状分布,灾害密度随断层距离呈指数下降。

      (2) 通过对不同岩性与灾害的敏感性分析表明,崩塌最易发生于花岗岩、白云岩,其次为片麻岩、闪长岩、灰岩,第四系沉积物、泥云岩、玄武岩地层最不易发生;滑坡最易发生于花岗岩、闪长岩,片麻岩、白云岩、灰岩则比较易发生,第四系沉积物、泥云岩、玄武岩不易发生;泥石流在花岗岩、片麻岩、白云岩地层上最易发生,在灰岩、闪长岩分布次之,第四系沉积物、泥云岩、玄武岩地层不易发生。3类灾害均在花岗岩上敏感性系数最大,玄武岩和泥云岩岩性地区敏感性系数较低。

      (3) 通过对地形因素敏感性的分析,崩塌、滑坡在山区西南坡向发生灾害的几率最大,敏感性系数最高;平均坡度在5°~15°之间敏感性系数最高,最易发生山地灾害,该区间主要为农活集中区,极易发生人畜伤亡情况。

      (4) 降雨量在550~570mm时,灾害数量最多,在降雨量610~630mm时达到第2个高峰,降雨主要与其他因素共同作用,影响灾害的发生。

      (5) 本文通过敏感性系数大小进行崩塌、滑坡、泥石流灾害的敏感性程度区分,将研究区划分为极敏感区、高敏感区、中敏感区、低敏感区、极不敏感区,采取因子难免有所疏漏,因此下一步应结合实际调查增加其他影响灾害因子的评价。

参考文献 (30)

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