摘要
郑州市惠济区受2021年“7·20”极端暴雨影响，地质灾害频发，为减少地质灾害造成的损失，亟待对郑州市惠济区开展地质灾害风险评价。本文基于地理信息系统分析和逻辑回归模型，以20 m栅格为单元，选取6 个因子作为自变量因子，实现地质灾害易发性评价；后叠加降雨量完成危险性评价；对各类承灾体易损性进行赋值叠加，获得综合易损性评价；最后，通过危险性和易损性叠加运算，实现了惠济区重点调查区地质灾害风险评价。结果表明：随着降雨频率的增加，高风险区面积随之增加，由原来的 1.30 km2 增加到 3.76 km2 ，主要高风险区域为黄河桥村、孙庄村。通过地质灾害风险评价为地方政府的防灾减灾管理、国土空间规划和用途管制等提供了基础依据。
Abstract
Under the influence of the "July 20" extreme rainstorm in 2021, Huiji District of Zhengzhou City suffered from frequent geological disasters. In order to reduce the losses caused by geological disasters, it is urgent to carry out geological disaster risk assessment for Huiji District of Zhengzhou City. Based on geographic information system analysis and logistic regression model, this paper takes 20 m grid as unit and selects 6 factors as independent variables to evaluate the vulnerability of geological disasters. After the superimposed rainfall to complete the risk assessment; The vulnerability of all kinds of disaster bearing bodies was assigned and superimposed to obtain comprehensive vulnerability evaluation. Finally, the geological hazard risk assessment of key survey areas in Huiji District is realized through the superposition calculation of risk and vulnerability. The results showed that with the increase of rainfall frequency, the area of high risk area increased from 1.30 km2 to 3.76 km2 , and the main high risk areas were Huangheqiao Village and Sunzhuang Village. Geological hazard risk assessment provides a basis for local government's disaster prevention and reduction management, territorial space planning and use control.
0 引言
2021 年“7·20”极端暴雨引发河南省郑州市西部山区4市（荥阳、巩义、新密、登封）山洪地质灾害，造成 251 人死亡失踪，既具有群发性、分散性，也具有相对集聚性（刘传正和黄帅，2022）。惠济区古荥镇位于河南省中部，郑州北部，属黄土丘陵区，地质灾害多且发生频次高（于帅印，2018）。2020 年 9 月 4 日，据自然资源部发布地质灾害灾情险情报告第 249期，惠济区邙岭道路邙岭墓园旁发生1起小型崩塌，造成1人死亡。2021年“7·20”事件，惠济区共发生崩塌地质灾害多处，共计造成财产损失 1627 万元，所幸未造成人员伤亡。
开展地质灾害风险评价有助于及时研判区域地质灾害形势，针对性地采取风险管控措施，从而减轻地质灾害造成的损失（张茂省和唐亚明，2008； 齐信等，2012；王毅，2017；姬永涛等，2022）。随着地理信息系统（geographic informa-tion system，GIS） 技术的出现和发展，GIS技术与数学模型联用，对地质灾害进行评价已日趋成熟（任晓莹，2017；杨柳等，2020；杨锐等，2023）。杜谦等（2017）采用信息量模型和二元逻辑回归方法对地质灾害进行易发性、危险性评价，表明二元逻辑回归模型模拟具有较高的准确性，分区结果较为理想。 Liu et al. （2018）对渑池县地质灾害的空间分布进行了调查，并基于信息价值模型，得到了地质灾害易发性和灾害风险分区图。段顺荣等（2021）利用GIS和层次分析法对青海甘德县地质灾害危险性评价，证明了层次分析法评价体系适用性较好。张玘恺等（2020） 利用GIS和信息量、确定性系数、逻辑回归对九寨沟县滑坡灾害易发性快速评估，发现逻辑回归-信息量和逻辑回归-确定性系数模型对滑坡易发性评价优于其他模型。邹凤钗等（2022）采用信息量模型和二元逻辑回归模型，结合地理信息系统对万山区进行了地质灾害风险评价，对地质灾害防治提供了科学依据。周子俣（2023）表示可以尝试结合 AHP 法、BP神经网络、Logistic回归模型、支持向量机、深度学习等对地质灾害进行定性和定量评价。逻辑回归方法能很好地解决灾害评价中出现的二态性 （发生或不发生）变量的问题，具有较高的预测精度，故本文基于 GIS 分析和逻辑回归模型，以 20 m 栅格为单元，对郑州市惠济区重点调查区古荥镇的地质灾害展开风险评价，以期为地方政府的防灾减灾管理、国土空间规划和用途管制等提供基础依据。
1 研究区概况
1.1 气象水文
惠济区属北温带半干旱半湿润季风型大陆性气候。年平均气温 14.2℃，年变化幅度在 13~16℃。多年平均降水量667.75 mm，无霜期220 d，全年日照时间约 2400 h。降水量年际变率较大，最大年降水量 1570.50 mm，最小年降水量 353.20 mm（1992— 2021 年）。多年平均以 7 月份降水最多，降水量为 151.5 mm，占全年降水量的 24.3%；最小月份降水量出现在 12 月份，降水量为 7.8 mm，约占全年降水量的 1.2%，月最大降水量是最小降水量的 19.5 倍 （1992—2021 年）；最大 24 h 降水量为 648.4 mm，最小24 h降水量为51.70 mm。2021年7月月降雨量高达902 mm，远高于其他年份的年降雨量。地质灾害发生时段与降雨有十分密切的关系，在1月、4月、11 月、12月相对较稳定性，发生灾情频率相对小甚至无灾情发生；2、3 月份发生冰融，稳定性相对较差，5~10月相对不稳定，发生灾情频率相对集中甚至造成灾情频发。2021年7月20日，惠济区发生特大暴雨自然灾害，强降雨是诱发地质灾害的主要原因之一。
1.2 地形地貌
研究区地理坐标为东经 113° 29'47″~113° 47'50″，北纬 34°47'59″~34°58'06″。惠济区位于郑州市区北部、黄河南岸，属黄土丘陵区，地势西南高，东北低，中间较低的塬前冲、洪积岗地，京广铁路以东地区为黄河冲积、洪积平原，海拔一般 85~200 m（甄习春，2013）。
古荥镇的微地貌特征属黄土台塬，海拔 200 m 左右，塬面平坦。塬的上部为上更新统褐色黄土，下部为中更新统棕色粉质黏土。塬面高出黄河河床100~110 m，南坡平缓，北坡陡，为黄河的冲刷岸，塬面微向南倾斜，塬面破碎，冲沟发育，切割密度 2 km/km2，切割深度 30~80 m。黄土塬边坡陡立、垂直裂隙发育，易被雨水渗透、冲蚀形成崩塌、滑坡地质灾害。
1.3 地层岩性
区内地层主要为新近系和第四系（张介山， 2021）。地表为第四系所覆盖，厚度近 300 m。新近系、早更新世区内处于下沉阶段，沉积了一套河湖相沉积物。中更新世早期，山前地区相对抬升，露出湖面，加积了后期的风成黄土，而东部仍接受河湖相沉积。区内工程地质岩组为粉质黏土、粉土多层土体（Q3）和粉土、细砂多层土体（Q4）2 类。粉质黏土、粉土多层土体（Q3）分布于惠济区西北部邙山黄土台塬，岩性以浅黄色、浅灰黄色粉质黏土、粉土 （马兰黄土）为主，夹红褐色古土壤。粉土、细砂多层土体（Q4）分布于惠济区的大部分地区，岩性主要为粉土、粉质黏土、细砂、中砂，在东部该层含有淤泥质夹层，自西向东岩土颗粒由细变粗。
1.4 地质构造
惠济区位于华北坳陷（一级构造单元）中的开封坳陷（二级构造单元）的西南部，与西部的嵩山隆起相接。区内被新生界所覆盖，基岩基底构造以断裂为主，均为隐伏断裂，以北西向和近东西向断裂为主（图1）。区内断裂主要有古荥断层（F1）、老鸦陈断裂（F2）、花园口断层（F3）、柳林断层（F4）（樊海龙， 2018）。
图1惠济区地质构造图
1.5 水文地质特征
地下水可划分为浅层含水层组、中层含水层组、中深层含水层组。浅层含水层组主要分布在京广线以东，邙山以北平原区，主要由全新统（Q4）和上更新统（Q3）黄河冲积的一套以粗、粗细相间的各类砂层夹粉土组成，含水类型为以砂、含砾砂含水层为主的孔隙水。中深层含水层组系指埋藏在第一稳定（相对）隔水层之下至150 m的含水层。顶板埋深 50～100 m，底板埋 220～280 m 的地下水，东部 300～380 m。该层水接受浅层地下水的越流补给及侧向径流补给，具有承压性。包括第四系中、下更新统、新近系上部 3 个含水岩层。中深层含水层组系指埋藏在 150~300 m 的地下水，含水层为承压含水层，由下更新统和部分新近系组成。主要为新近系明化镇组下段和馆陶组中上段湖积地层，与上下含水层组水力联系极弱，为承压水类型，接受测向径流补给。
1.6 地质灾害分布特征
调查发现惠济区有地质灾害隐患点24处，灾害类型均为崩塌，规模均为小型，无人员伤亡，受威胁人口 590人，威胁财产 7730万元。崩塌灾害整体呈现西北多集中分布的特点，具有极不均匀性，崩塌灾害沿黄土沟谷呈带状分布，与人类工程活动有显著联系。惠济区政府下辖 2 个镇和 6 个街道办事处，地质灾害主要发生在西北部古荥镇丘陵地貌黄土台源区，其他区域多为城市平原区，无地质灾害。主要涉及古荥镇孙庄村、黄河桥村、张定邦村、黄河文化公园及邙岭大道沿线，地质灾害隐患点具体位置如图2所示。
图2惠济区地质灾害分布图
2 风险评价方法
2.1 易发性评价方法
应用ArcGIS水文分析功能提取斜坡单元，然后结合现场调查地形地貌情况，进行一定的人工修改，得到斜坡单元划分图。对于易发性评价来说，指标体系的构建是相当重要的步骤（章瑞，2021）。采用二元逻辑回归模型，将地质灾害是否发生作为因变量，保证概率在（0，1）取值（杜谦等，2017；李德坤，2020）。邓念东等（2022）研究发现地质灾害分布规律受海拔、坡度、降雨、岩土体类型等因素的影响。本文选取坡度、坡向、岩性及工程地质岩组、高程、道路、水系等作为自变量因子作为易发性评价的因子，建立地质灾害易发性分析模型。得到单个栅格内地质灾害发生的概率，通过将研究区内所有栅格叠加地质灾害发生的概率划分范围，将结果归并到斜坡单元之上，斜坡单元是滑坡、崩塌等地质灾害发生的基本地形地貌单元，因此斜坡单元是进行地质灾害危险性、风险评估的理想单元。斜坡单元能够较好地体现 1∶10000 尺度区域斜坡的整体性，相较于栅格单元能更有效地应用于评价区域防灾减灾工程与风险管理实践，发挥灾害区划理论成果的科学指导作用。栅格叠加综合得到该区域的灾害概率分布，再参考自然断点法（Natural Break），将灾害概率分布图分为3个级别，分别为中等易发、低易发和非易发，然后基于斜坡单元进行分区统计，即可得到区内地质灾害易发性分区。
2.2 危险性评价方法
以全区域平均月降水量作为衡量地质灾害时间尺度的频率因素指标，把它作为地质灾害区域危险性评价的时间概率指标，对其做量化和归一化处理，得到全区域月平均降雨归一化图（邹凤钗等， 2022）。结合所得的全区域地质灾害易发性评价归一化处理结果，构建古荥镇危险性评价的加权线性评价模型，如下所示：
(1)
式（1）中：LHI 为地质灾害危险性指数，Ri为指标i影响地质灾害危险性的权重，Xi为影响地质灾害危险性指标i的量化归一化值（邱海军，2012）。
根据前面所得到的数据结果，利用专家经验的方法赋予空间概率因素和时间概率因素的权重，分别为0.8和0.2，计算模型可以表达为：
(2)
式（2）中，X1、X2分别代表区域地质灾害易发性量化归一化值和区域地质灾害活动频率量化归一化值。
2.3 易损性评价方法
易损性评价包括人口易损性、建筑物易损性、交通设施易损性、重要工程易损性评价。各类承灾体易损性按照公式及承灾体易损性赋值建议表进行赋值，根据栅格最终指数值的统计曲线评价综合易损性。将不同类型承灾体易损性进行叠加，获得综合易损性评价图。易损性评价指标有人员、建筑物、交通设施、重要工程 4 类，对重点调查区各类承灾体进行赋值，评价综合易损性。根据权重进行叠加分析得到承灾体易损性评价结果，分为极高、高、中和低4个等级（唐绪波，2018）。评价公式如下：
(3)
式（3）中：Fi为评价单元的地质灾害综合易损性指数，j 表示评价单元；pj表示第 i 个评价单元第 i 个评价指标标准化后的取值；ωj 表示第 i 个评价指标的权重值。
2.4 风险性评价方法
地质灾害风险评价采用矩阵分析方法（表1）进行叠加运算（张鹏涛等，2022），地质灾害风险评价结果可划分为极高风险区、高风险区、中风险区、低风险区共4级。
表1地质灾害风险等级划分
3 地质灾害风险评价
3.1 易发性评价
基于1∶10000分辨率DEM高程数据，以20 m栅格单元作为易发性评价的计算单元。用 ArcGIS 软件水文分析功能提取斜坡单元，然后结合现场调查情况，进行一定的人工修改，得到斜坡单元划分图，将古荥镇划分为104个斜坡单元。地质灾害因子应用ArcGIS软件进行加权叠加分析，得到惠济区重点调查区分级图，各因子的指标分级情况如图3所示，叠加得到每个栅格单元易发性等级评价结果，将该结果进行分区统计，将最多的等级为该斜坡单元的易发性结果赋值。在斜坡单元易发性的评价结果基础上，考虑实际情况以及地灾点分布和密度，最终统计出古荥镇易发性分级，将易发性划分为中易发区、低易发区、非易发区3个等级。
图3易发性评价各因子的指标分级图
a—坡度分级图；b—坡向分级图；c—高程分级图；d—工程地质岩组分级图；e—距道路距离分级图；f—距水系距离分级图
图4古荥镇地质灾害易发性评价
将地质灾害高易发和具有重大承灾体的区域 （即地质灾害威胁严重、孕灾地质条件复杂的集镇、集中安置点、人口聚集区等）定为重点调查区，重点调查区总面积为 22.53 km2。从图4可看出，重点调查区内地质无灾害高易发区；地质灾害中易发区面积为3.20 km2，占该重点调查区总面积的13.59%；地质灾害低易发区面积 11.75 km2，占该重点调查区总面积的49.88%；地质灾害非易发区面积8.61 km2，占该重点调查区总面积的36.53%。
3.2 危险性评价
根据雨量值和空间分析结果确定惠济区修正的 100 年一遇、50 年一遇、20 年一遇和 10 年一遇降雨工况影响等级图（图5），结合地质灾害易发性分区图，利用矩阵分析方法，确定惠济区重点调查区地质灾害危险性评价。
对不同降雨频率工况下灾害危险区面积进行统计（表2），在 10年一遇降雨工况下古荥镇重点调查区内以中危险、低危险区为主；在 20 年一遇降雨工况下古荥镇重点调查区仍以中、低危险区为主，有 1.54 km2 高危险区；50 年一遇降雨工况下古荥镇重点调查区高危险区面积显著提升，达到4.95 km2，面积占比为 21.01%；100 年一遇降雨工况下古荥镇重点调查区的高危险区面积继续增加，高危险区面积为5.55 km2，面积占比为23.56%。
图5古荥镇不同降雨工况下危险性评价图
a—10年一遇工况危险性评价；b—20年一遇工况危险性评价；c—50年一遇工况危险性评价；d—100年一遇工况危险性评价
表2不同降雨频率工况下灾害危险区面积统计
3.3 易损性评价
由于惠济区山区人口较为分散，人口易损性根据人口核密度进行分级，建筑物易损性根据结构类型、建筑类型、楼层数3方面进行分级，交通设施易损性按照道路类型进行分级，得到各类型承灾体分布图（图6）。
分别统计各分区所占面积及面积比，古荥镇重点调查区低易损区面积为 12.52 km2，占重点区斜坡单元总面积的53.11%；中易损区面积为6.41 km2，占重点区斜坡单元总面积的27.20%；高易损区面积为 4.64 km2，占重点区斜坡单元总面积的19.69%；无极高易损区（图7）。
图6易损性评价各类型承灾体分布图
a—古荥镇人口核密度分布图；b—古荥镇建筑物结构类型分布图；c—古荥镇建筑物建筑类型分布图；d—古荥镇建筑物楼层数分布图；e—古荥镇交通设施分布图；f—古荥镇重要工程分布图
图7古荥镇地质灾害易损性评价
3.4 风险性评价
结合惠济区地形地貌特征以及野外调查实际情况，对风险区进行人工调整，对一些碎小图斑区块合并到周围区块的风险等级，采用栅格综合的概化功能将风险评价分区进行概化，不当评价结果进行适当修正，最终得到惠济区古荥镇重点调查区不同降雨工况下的风险评价图（图8）。可见不同降雨工况下，重点调查区的斜坡单元风险性程度有所变化，降雨工况越严重，斜坡单元的风险性等级随之有上升的趋势。
在 10 年一遇降雨工况下古荥镇重点调查区内以中风险、低风险区为主；在 20 年一遇降雨工况下古荥镇重点调查区仍以中、低风险区为主，有 1.75 km2 高风险区；50 年一遇降雨工况下古荥镇重点调查区高风险区面积达到 2.78 km2，面积占比为 11.80%；100年一遇降雨工况下，惠济区古荥镇重点调查区低风险区面积为 13.04 km2，占区内总面积的 55.34%，中风险区面积为6.76 km2，占区内总面积的 28.70%，高风险区面积为 3.76 km2，占总面积的 15.96%，无极高风险区，具体见表3。
表3古荥镇地质灾害风险分区统计
图8古荥镇不同降雨工况风险性评价图
a—10年一遇工况风险性评价；b—20年一遇工况风险性评价；c—50年一遇工况风险性评价；d—100年一遇工况风险性评价
4 结论
（1）惠济区地质灾害主要为黄土崩塌，具有类型单一、灾害点多、分布集中等特点。无地质灾害高易发区，中易发区面积为3.20 km2，占该重点调查区总面积的 13.59%；低易发区面积 11.75 km2，占该重点调查区总面积的49.88%；其余为非易发区。
（2）古荥镇高危险区域面积，随着降雨量的增加而增大，10 年一遇降雨无高危险区；20 年一遇降雨高危险区面积为 1.54 km2；50 年一遇降雨高危险区面积为4.95 km2；100年一遇降雨高危险区面积为 5.55 km2，面积占比为23.56%。
（3）古荥镇重点调查区低易损区面积为 12.52 km2，中易损区面积为 6.41 km2，高易损区面积为 4.64 km2，无极高易损区。
（4）高风险区面积随降雨频率的增加而增加， 10 年一遇降雨无高风险区，20 年一遇降雨有 1.75 km2 高风险区，50 年一遇降雨高风险区面积达到 2.78 km2，100年一遇降雨高风险区面积为3.76 km2。
