Application of Geological Hazard Risk Assessment in Territorial Space Planning: A Case Study of Gaoxigou Village in Yulin City of Northern Shaanxi Province
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摘要:
榆林市米脂县高西沟村位于黄土高原丘陵沟壑区，属于地质灾害多发区，因此，考虑地质灾害风险的国土空间规划具有极其重要的意义。笔者基于地质灾害调查数据，选取坡度、坡向、地质灾害发育密度等评价指标，采用信息量模型以斜坡单元进行危险性评价，在此基础上叠加承灾体易损性进行定量风险评价，划定地质灾害风险分区。利用ArcGIS将地质灾害风险区划与现状功能区叠加，将高西沟重构为4个国土空间分区：地质灾害中风险–生活居住区、地质灾害低风险–生态功能区、地质灾害低风险–农业生产区和沟谷区，并提出国土空间优化策略。
Abstract:Gaoxigou village of Mizhi county in Yulin city, is located in the hilly and gully region of the Loess plateau. It is a geological disaster prone area. Therefore, it is of great importance to consider the risk of geological disaster in territorial space planning. Based on geological disaster survey data, evaluation indexes such as slope, slope aspect and geological disaster development density were selected, the information quantity model was used to evaluate the risk with slope element, on this basis, the vulnerability of disaster bearing body was superimposed for quantitative risk assessment, and delineated risk zones of geological disasters. Using ArcGIS, the risk zoning of geological disasters and current functional areas were superimposed, and Gaoxigou was reconstructed into four territorial space zones: medium risk in geological hazards–living area, low risk in geological hazards–ecological functional area, low risk in geological hazards–agricultural production area, and ravine region, and put forward the territorial space optimization strategy.
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地质灾害评价与防治是国土空间规划中重要的内容之一（马云飞等，2020），地质灾害风险评估是地质灾害风险管理的重要组成部分，是城乡建设规划、土地利用规划和地质灾害防治规划的编制依据（卢全中等，2003；齐信等，2012；徐继维等，2015）。省、市级国土空间规划编制指南中提出：“考虑山地丘陵地区崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，提出防治标准和规划要求，明确应对措施；对国土空间开发不适宜区域，根据治理需求提出应对措施。”
众多学者针对地质灾害风险评价开展了一系列的深入研究（张茂省等，2008；唐亚明等，2011；吴树仁等，2012；唐亚明等，2015；杨柳等，2020；杨淞月等，2021；王颖等，2022），相关评价方法包括层次分析法、信息量法、聚类分析法等（周超等，2020；邱维蓉等，2020；李冠宇等，2021；解明礼等，2021）。借助GIS空间分析，在危险性评价和易损性评价基础上开展地质灾害风险评价成为国内外学者普遍采用的方法（张茂省等，2019；冯凡等，2022；姬永涛等，2022）。目前，各地村庄规划工作正在陆续开展，关于乡村规划研究方兴未艾（冯旭等，2022；万成伟等，2022；李畅，2022），但基于地质灾害风险评估的国土空间规划研究尚处于探索阶段。笔者以陕北榆林米脂县高西沟为研究单元，基于野外地质灾害调查数据，进行地质灾害风险评价，以此划定国土空间分区，提出国土空间优化策略。
1. 研究区概况
高西沟位于陕西省米脂县北部20 km，地理位置为E 110°10′～110°12′，N 37°51′～37°53′，总土地面积为4.07 km2。地貌属于典型的黄土高原丘陵沟壑区，地势南北高中间低、东高西低，海拔为938～1127 m，高差为189 m。高西沟属无定河支流金鸡河流域（图1、图2），年平均降雨量为451.6 mm。区内地层大部分为第四系黄土，河谷两侧裸露少量基岩，以三叠系为主，在河流岸边及冲蚀沟谷中部出露新近系砂泥岩。高西沟地质灾害破坏类型为小型土质崩塌，破坏模式包括滑移式、倾倒式及复合式等（图3），发育在沟谷两侧、居民房后边坡地带，其诱发因素主要为人工开挖、自然风化及降雨等，区内共发育崩塌隐患26处。
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图 3 陕北榆林高西沟崩塌隐患示意图a. 滑移式崩塌隐患；b. 倾倒式崩塌隐患Figure 3. Collapse hazard of of Gaoxigou area in Yulin city, Northern Shaanxi2. 风险评估方法和数据来源
2.1 评估原理和方法
采用信息量模型进行地质灾害风险评估，通过特定评价单元内某种因素作用下地质灾害发生频率与区域地质灾害发生频率相比较而实现，对应某种因素特定状态下的地质灾害信息量公式表示为：
$$ I({x}_{i},H)=\mathit{ln}\frac{{N}_{i}/N}{{S}_{i}/S} $$ (1) 式中：
$ I({x}_{i},H) $ 为评价因素$ {x}_{i} $ 对地质灾害发生提供的信息量值；$ S $ 为研究区评价单元总数；$ {S}_{i} $ 为研究区内含有评价因素$ {x}_{i} $ 的单元数；$ N $ 为研究区内含有地质灾害分布的单元总数；$ {N}_{i} $ 为地质灾害落在评价因素$ {x}_{i} $ 内的单元数。计算单个评价单元内
$ n $ 种因素组合情况下，提供地质灾害发生的总的信息量$ {I}_{i} $ ，即：$$ {I}_{i}={\sum }_{i=1}^{n}I({x}_{i},H)={\sum }_{i=1}^{n}\mathit{ln}\frac{{N}_{i}/N}{{S}_{i}/S} $$ (2) 将总的信息量值
$ {I}_{i} $ 的大小作为该评价单元影响地质灾害发生的综合指标，单元信息量值越大，地质灾害发生的概率越高，即该单元的地质灾害危险性越高。地质灾害风险评价通过以下公式进行计算（Fell et al.，2005），财产风险计算公式如下：
$$ R_{( {prop })}=P_{(L)} \times P_{(T: L)} \times P_{(T)} \times V_{( {prop })} \times E $$ (3) 式中：R（prop）为财产年损失，P（L）为地质灾害发生概率，P（T:L）为地质灾害到达承灾体概率，P（T）为承灾体时空概率，V（prop）为承灾体财产易损性，E为承灾体价值。
人员风险计算公式如下：
$$P_{(L O L)}=P_{(L)} \times P_{(T: L)} \times P_{(T)} \times V_{(D)}$$ (4) 式中：P（LOL）为单人年死亡概率，V（D）为人员易损性。
2.2 数据来源说明
DEM数据来源于全球12.5 m分辨率DEM数字高程数据（ALOS DEM），影像数据采用天地图影像，像素分辨率为1 m。坡度、坡向、坡型数据利用ArcGIS软件中栅格表面处理计算得到；斜坡单元使用ArcGIS软件中水文分析计算得到；地层、地质数据来源于米脂县地质灾害详查报告（许创智等，2016）；地质灾害、斜坡结构、斜坡发育特征、切坡高度等通过野外调查与勘查获得；承灾体房屋和人员信息、公路等通过现场调查比对确定。国土空间现状功能分区以第三次全国土地调查数据为基础，结合影像和野外对比确定。为消除评价指标量纲不一致的影响，评价采用极差标准化对数据进行归一化处理。
3. 评估过程和结果
3.1 评估指标的选取
选取斜坡坡度、坡向、坡高、工程地质岩组、地质灾害发育密度和距公路距离6项主要因素作为地质灾害的危险性评价指标（图4）。其中，坡型利用地表的曲率P进行量化，当P≥0.5时，坡型为凸形坡；当−0.5＜P＜0.5时，坡型为直线形坡；当P≤−0.5时，坡型为凹形坡。地质灾害发育密度为每个评价单元内地质灾害体面积所占总面积的比例（地质灾害面积/单元面积），其值为0～1。
3.2 危险性评估
将评价因子生成信息量图，然后进行空间叠加分析，生成地质灾害危险性评价图，利用ArcGIS中的自然断点法（Natural break）将高西沟地质灾害危险性分为危险性中、危险性低和危险性极低3级（表1、图5）。高西沟地质灾害危险性特征明显，中部区域的主沟道两侧地质灾害危险性以中低为主，南部和北部区域的危险性以低和极低为主，海拔较低的沟谷地带是地质灾害危险聚集区。其中，中危险区面积为0.850 km2，占研究区总面积的20.89%，主要分布在中部区域沟谷两侧，这与该区人类活动频繁、崩塌发育密度相对较大有关。低危险区面积0.932 km2，占研究区总面积的22.90%，主要分布在主沟道东南部及北侧中部区域，该区坡度相对较大，人口密度较低，人类活动以农业种植为主。极低危险区面积2.133 km2，占研究区总面积的52.40%，主要分布在西南侧、最北侧和东侧区域，该区海拔较高、林草发育，属于无人居住区，人类工程活动很少。
表 1 信息量值对应危险性等级及灾点分布的对比表Table 1. Comparison of information value corresponding to risk grade and disaster point distribution危险性
等级信息
量值面积
（km2）面积所
占比例（%）崩塌
数（个）崩塌所
占比例（%）危险性中 2.401～6.015 0.850 20.89 20 76.9 危险性低 0～2.401 0.932 22.90 6 23.1 危险性极低 −2.171～0 2.133 52.40 0 0 沟谷区 0 0.155 3.81 0 0 总计 4.07 100 26 100 3.3 风险评估
在地质灾害危险性评价的基础上，以斜坡单元为风险评价单元，结合承灾体易损性进行评价。
（1）承灾体易损性评价
承灾体主要考虑受潜在地质灾害威胁的人员或财产，包括动态的人员、静态的房屋建筑、基础设施、道路等。高西沟居民房屋几乎全部建在山脚或山坡斩坡处，威胁对象一般位于主滑方向的坡脚或坡体上，房屋建筑多为窑洞，参照《地质灾害风险调查评价技术要求（试行）》，财产易损性V（prop）取值为0.3～0.7，威胁人口10人以内的人员易损性V（D）取值为0～0.3，威胁人口10～100人V（D）取值为0.3～0.5。
（2）地质灾害风险评价
地质灾害发生年概率根据野外实地调查定性，参考澳大利亚地质力学联合会（AGS，2008）规定的灾害可能性描述，对于失稳可能性是“可能”的相当于年概率10−3，对于失稳可能性是“不一定”的相当于年概率10−4。承灾体时空概率根据当地生活模式，考虑居民在建筑物内的居住时间为15 h计算（张茂省等，2019）。地质灾害到达承灾体概率主要由承灾体距离灾害体的远近和相对位置决定，研究区灾害点均位于斜坡坡脚处，灾害到达承灾体的概率为1.0。评价结果表明（表2），单人年死亡概率在10−4～10−3的风险源为：2号、4～6号、8～9号、12号、15号、18号、23号，其余风险源的单人年死亡概率为10−5～10−4。
表 2 高西沟地质灾害风险评价结果表Table 2. Risk assessment results of geological hazards in Gaoxigou风险源
编号发生
概率P（L）到达
概率P（T:L）承灾体
时空概率P（T）财产易
损性V（prop）人员易
损性V（D）承灾体价值
E（万元）财产年损失
R（prop）（万元/a）单人年死亡
概率P（LoL）1号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 60 0.0019 1.25×10−5 2号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 30 0.0113 1.88×10−4 3号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.3 100 0.0031 1.88×10−5 4号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 20 0.0075 1.88×10−4 5号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 50 0.0188 1.88×10−4 6号 10−3 1.0 0.625 0.7 0.3 15 0.0066 1.88×10−4 7号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 40 0.0013 1.25×10−5 8号 10−3 1.0 0.625 0.7 0.3 60 0.0263 1.88×10−4 9号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.5 80 0.0300 3.13×10−4 10号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.3 90 0.0028 1.88×10−5 11号 10−4 1.0 0.625 0.3 0.2 30 0.0006 1.25×10−5 12号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.5 80 0.0300 3.13×10−4 13号 10−4 1.0 0.625 0.4 0.2 85 0.0021 1.25×10−5 14号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 90 0.0028 1.25×10−5 15号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.5 80 0.0300 3.13×10−4 16号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 50 0.0016 1.25×10−5 17号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 16 0.0005 1.25×10−5 18号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 18 0.0068 1.88×10−4 19号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.3 40 0.0013 1.88×10−5 20号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 30 0.0009 1.25×10−5 21号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 15 0.0005 1.25×10−5 22号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 38 0.0012 1.25×10−5 23号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 40 0.0150 1.88×10−4 24号 10−3 1.0 0.625 0.7 0.3 80 0.0350 1.88×10−4 25号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 15 0.0005 1.25×10−5 26号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 85 0.0027 1.25×10−5 叠加地质灾害危险性和易损性评价将评价区划分为地质灾害中风险区、低风险区和极低风险区（图6、图7）。中风险区主要分布在主沟道两侧中危险区，面积约为0.182 km2，占评价区总面积的4.50%，区内人类活动剧烈、崩塌发育密度较大，承灾体单人年死亡概率和财产年损失相对较高。低风险区主要分布在主沟道两侧中低危险区，面积约为0.505 km2，占评价区总面积的12.40%。
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图 7 高西沟地质灾害风险区划图（局部放大）Figure 7. Geological hazard risk zoning map of Gaoxigou (local amplification)4. 地质灾害风险区划与国土空间的叠加分析
4.1 叠加分析方法和过程
首先，利用ArcGIS将斜坡单元与高西沟土地利用现状叠加，将高西沟土地利用现状划分为生态功能区、农业生产区、生活居住区和沟谷区四区（图8）。然后，将地质灾害风险区划与现状功能区进行叠加，得到地质灾害中风险-生活居住区、地质灾害低风险-生活居住区、地质灾害低风险-生态功能区、地质灾害极低风险-生态功能区、地质灾害低风险-农业生产区、地质灾害极低风险-农业生产区及沟谷区，按照“就高不就低”的原则，将地质灾害中风险-生活居住区、地质灾害低风险-生活居住区划为地质灾害中风险-生活居住区，将地质灾害低风险-生态功能区、地质灾害极低风险-生态功能区划为地质灾害低风险-生态功能区，将地质灾害低风险-农业生产区、地质灾害极低风险-农业生产区划为地质灾害低风险-农业生产区。最后将高西沟重构为4个国土空间分区，分别为地质灾害中风险-生活居住区、地质灾害低风险-生态功能区、地质灾害低风险-农业生产区和沟谷区（图9）。
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图 9 基于地质灾害风险区划的国土空间分区图Figure 9. Territorial space zoning map based on geological disaster risk zoning4.2 叠加分析结果
（1）地质灾害中风险–生活居住区呈散状分布于高西沟主沟道北侧沟道，面积约为0.634 km2，占高西沟总面积的15.57%。受地形限制，该区存在地质灾害隐患，这些斜坡段目前总体稳定性尚可，但在极端气候条件下也有发生崩塌灾害的可能，沟道内不适宜发展居民居住用地。
（2）地质灾害低风险–生态功能区呈片状分布于高西沟南侧区域，北侧有少量分布，面积约为2.115 km2，占高西沟总面积的51.97%。该区位于高西沟高山区，以阴坡面为主，种植油松、刺槐、杨、柳等。现状地质灾害风险较低，在今后发展过程中做好生态保护措施，维持生态系统良性发展，促进经济与生态的和谐发展。
（3）地质灾害低风险–农业生产区呈片状分布于高西沟北侧及东南侧，面积约为1.166 km2，占高西沟总面积的28.65%。高西沟农业生产主要在阳坡面种植苹果、梨、枣、核桃，沟里淤地坝平整处，山上缓坡处修建梯田，种植传统农业作物。该区现状地质灾害风险较低，农业生产条件良好，在今后发展过程中可以科学规划农业用地结构与布局，以保护耕地为前提提高农业综合生产能力，建设山区高标准农田，发展特色农业。
（4）沟谷区分布于高西沟中部，面积约为0.155 km2，占高西沟总面积的3.81%。河谷中部较开阔的地方现状为广场和红色教育宣教中心，该区地势开阔，受地质灾害影响较小。沟谷中部可作为红色教育展示区，传承高西沟精神，发展特色旅游基地。
5. 结论
（1）利用ArCGIS将地质灾害风险区划与现状功能区进行叠加，将高西沟重构为4个国土空间分区，分别为地质灾害中风险–生活居住区、地质灾害低风险–生态功能区、地质灾害低风险–农业生产区和沟谷区，并提出国土空间优化策略。
（2）通过本次地质灾害风险评估在国土空间规划中的应用，表明地质灾害风险评估和国土空间规划的综合叠加分析是一条可行的途径，但分析过程使用的斜坡单元、评价指标等数据精度，直接影响评估结果的准确性。
（3）国土空间规划不仅受到地质环境条件的影响，很大程度上也受到当地经济社会发展阶段的制约，其最终的规划需要权衡两者的需求。
致谢：衷心感谢项目组成员洪勃、王冬等在野外调查工作中的辛勤付出。
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图 3 陕北榆林高西沟崩塌隐患示意图
a. 滑移式崩塌隐患；b. 倾倒式崩塌隐患
Figure 3. Collapse hazard of of Gaoxigou area in Yulin city, Northern Shaanxi
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图 7 高西沟地质灾害风险区划图（局部放大）
Figure 7. Geological hazard risk zoning map of Gaoxigou (local amplification)
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图 9 基于地质灾害风险区划的国土空间分区图
Figure 9. Territorial space zoning map based on geological disaster risk zoning
表 1 信息量值对应危险性等级及灾点分布的对比表
Table 1 Comparison of information value corresponding to risk grade and disaster point distribution
危险性
等级信息
量值面积
（km2）面积所
占比例（%）崩塌
数（个）崩塌所
占比例（%）危险性中 2.401～6.015 0.850 20.89 20 76.9 危险性低 0～2.401 0.932 22.90 6 23.1 危险性极低 −2.171～0 2.133 52.40 0 0 沟谷区 0 0.155 3.81 0 0 总计 4.07 100 26 100 
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表 2 高西沟地质灾害风险评价结果表
Table 2 Risk assessment results of geological hazards in Gaoxigou
风险源
编号发生
概率P（L）到达
概率P（T:L）承灾体
时空概率P（T）财产易
损性V（prop）人员易
损性V（D）承灾体价值
E（万元）财产年损失
R（prop）（万元/a）单人年死亡
概率P（LoL）1号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 60 0.0019 1.25×10−5 2号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 30 0.0113 1.88×10−4 3号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.3 100 0.0031 1.88×10−5 4号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 20 0.0075 1.88×10−4 5号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 50 0.0188 1.88×10−4 6号 10−3 1.0 0.625 0.7 0.3 15 0.0066 1.88×10−4 7号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 40 0.0013 1.25×10−5 8号 10−3 1.0 0.625 0.7 0.3 60 0.0263 1.88×10−4 9号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.5 80 0.0300 3.13×10−4 10号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.3 90 0.0028 1.88×10−5 11号 10−4 1.0 0.625 0.3 0.2 30 0.0006 1.25×10−5 12号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.5 80 0.0300 3.13×10−4 13号 10−4 1.0 0.625 0.4 0.2 85 0.0021 1.25×10−5 14号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 90 0.0028 1.25×10−5 15号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.5 80 0.0300 3.13×10−4 16号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 50 0.0016 1.25×10−5 17号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 16 0.0005 1.25×10−5 18号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 18 0.0068 1.88×10−4 19号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.3 40 0.0013 1.88×10−5 20号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 30 0.0009 1.25×10−5 21号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 15 0.0005 1.25×10−5 22号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 38 0.0012 1.25×10−5 23号 10−3 1.0 0.625 0.6 0.3 40 0.0150 1.88×10−4 24号 10−3 1.0 0.625 0.7 0.3 80 0.0350 1.88×10−4 25号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 15 0.0005 1.25×10−5 26号 10−4 1.0 0.625 0.5 0.2 85 0.0027 1.25×10−5
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