CN102707332A - 一种水库区工程地质调查的解译与评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水库区工程地质调查与评价的层次解译法与综合评价方法，可实现对滑坡、崩塌与泥石流等不良地质体的解译，精度可达到可研阶段的要求，并可实现对水库渗漏、库岸稳定、水库塌岸、水库浸没以及泥石流等工程地质问题的综合评价。该方法的实现步骤为：①建立水库区工程地质GIS数据库与三维真彩色遥感影像可视化系统；②建立滑坡、崩塌与泥石流等不良地质体的遥感解译标志；③以地形解译为主的初步解译；④配合影像解译的野外验证；⑤以三维解译为主的详细综合解译；⑥基于GIS的水库渗漏综合评价；⑦基于GIS的水库区库岸稳定性综合评价；⑧基于GIS的水库塌岸与水库浸没综合评价；⑨基于GIS的水库区泥石流综合评价。
Description
技术领域
本发明涉及水库区工程地质勘察，具体是基于地理信息技术（GIS）与遥感技术的水库区工程地质勘察方法，特别是基于GIS与遥感技术的水库区工程地质条件的解译以及在此基础上对水库区工程地质问题（水库渗漏、库岸稳定、水库塌岸、水库浸没以及泥石流）的评价。
背景技术
对于地质灾害的调查与评价，传统上多采用地面调查方法。由于水库通常位于山区，交通不便、环境恶劣，勘察工作进行十分艰苦。同时，视界限制使地质人员不能整体上掌握地质体的面貌，尤其在西南高山峡谷地区，人力、物力及时间成本耗费巨大。
遥感技术具有时效性强、获取数据范围广与信息丰富的特点。若将遥感技术应用于水库区工程地质勘察，不仅可以用来更新与校对传统调查采用的地形图与地质图；而且对于认识区域构造地质，灾害整体判别与群集分布有着重要意义；同时，由于不同地物对于不同波长有不同的波谱响应，可发挥多光谱的优势，利用光谱信息识别岩性等地表特征。
随着航空航天对地观测技术、计算机技术和电磁波信息传输技术等的深入研究，遥感技术得到了迅猛的发展，传感器拍摄能力、影像分辨率均不断提高，在实用化方向上迈出了重要的一步，并被广泛应用于各种国土资源调查与环境评价及灾害监测中。
我国不良地质现象的遥感调查是在为山区大型工程建设或为大江大河洪涝灾害防治服务中逐渐发展起来的。有关单位先后在雅砻江二滩电站、红水河龙滩电站、长江三峡工程、黄河龙羊峡电站、金沙江下游溪洛渡、白鹤滩及乌东德电站库区开展了大规模的区域性滑坡、泥石流遥感调查。通过近20年的实践，摸索了一套滑坡、泥石流等地质灾害的遥感调查方法，即利用遥感信息源，以目视解译为主，计算机图像处理为辅，将重点区遥感解译成果与现场验证相结合，并利用其它非遥感资料，综合分析，多方验证。
水库区工程地质勘察技术规程中已将遥感作为预可研阶段的库区工程地质调查的必要手段。但当前大多数的解译成果仅仅局限于小比例尺的应用，仅仅能满足于项目初级阶段的大致判断，且准确率低、误判率高，难以满足更高设计阶段的高精度要求。
[发明内容]
为解决上述问题，本发明目的是提供一种基于GIS与遥感的水库区工程地质条件解译与评价方法，以有效利用充分利用现代空间信息技术及三维可视化技术，克服现场调查的视界限制，提高水库区工程地质调查的效率，并使其精度达到可研阶段以上的要求，减轻现场工程地质测绘工作量。
本发明的技术方案是：水库区工程地质调查与评价的层次解译法与综合评价方法，包括以下步骤：
步骤1）：针对水库区区域，收集相关的地形数据、影像数据与其他基础数据、地质资料以及已有不良地质现象解译成果，建立水库区的多源GIS数据库；
步骤2）：根据步骤1水库区的多源GIS数据库，叠加工程地质与不良地质现象数据，以及其他水库相关信息，采用地理信息三维可视化平台，建立水库区的三维真彩色遥感影像可视化系统；建立滑坡、崩塌、堆积体与泥石流的解译标志；通过野外实地踏勘，在基础图像上建立典型地质灾害类型、构成要素、地貌、地质构造、岩/土体类型、水文地质现象和土地覆盖类型的遥感解译标志；
步骤3）：水库区不良地质现象的地形解译：依据不良地质现象在等高线、DEM以及坡度与坡向分布等图形中所表现出的体形特征，结合以前调查结果及地质图，分析在水库区研究范围内可能存在的滑坡、堆积体与崩塌三类不良地质现象，并制作初步解译图。
步骤4）：水库区不良地质现象的影像解译：在步骤3建立初步解译图的基础上，依据不良地质现象在卫星遥感影像或航空遥感影像中所表现出的纹理特征与体貌特征，根据危险区域解译标准，分析在水库区研究范围内可能存在的滑坡、崩塌、堆积体与泥石流四类不良地质现象，从遥感影像中提取危险区域；
步骤5）：水库区不良地质现象的三维解译：根据地形图上解译出危险区域的地形要素，结合三维解译判断各危险区域的安全性；针对以往调查资料中的危险区域，结合三维影像，确认其可靠性；针对从地形图上不能读取的崩塌、新形成的小规模的泥石流、岩屑崩坍，利用三维影像进行解译；其中，所述危险区域为滑坡，崩塌和泥石流；
步骤6）：水库渗漏可能性的分析与评价：基于对水库区工程地质条件层次解译的上述工作成果，从地形地貌、地层岩性与地质构造三个角度出发，分析水库区的封闭条件，判断水库渗漏的可能性以及可能的渗漏通道，并针对可能存在的渗漏通道进行渗漏量计算，评价水库渗漏对水库蓄水的影响；
步骤7）：库岸稳定性的分析与评价：基于对水库区工程地质条件层次的解译成果，通过基于GIS的综合分析，从地层岩性与岸坡结构等角度出发，划分水库区工程地质分段与库岸稳定分段，并针对存在滑坡、崩塌、堆积体等不良地质现象的典型岸坡段进行库岸稳定性的定量分析，评价其对工程的影响；
具体步骤如下
（1）水库区工程地质分段：以河谷结构类型、岩性、构造作为库区工程地质分段的主要依据，结合库区工程地质遥感解译成果，将库区沿河5km范围按工程地质条件进行分段；
（2）水库区库岸稳定性分段：根据库区岸坡岩/土体工程地质性状及组合特征，结合遥感解译分析成果，将库岸岸坡划分为：稳定岸坡、基本稳定岸坡、潜在不稳定和不稳定岸坡四种类型，并划分其在水库区内的分布状况；
（3）水库区库岸稳定性综合评价：以边坡单元作为基础，分析计算其三维安全系数；利用基于GIS的层次分析法对边坡单元的三维安全系数进行修正，将定量的三维稳定性指标与定性指标相结合，对库岸稳定性进行综合分析评价；
定义如下的边坡单元稳定性修正指数RII
RII=∑x i y i
其中，为项目指标值；为指标值对应权重；
以下式计算边坡单元稳定性指数
I
SUi
＝SF
3Di
+RII
i
其中，SF 3Di 为边坡单元的三维稳定安全系数，以基于GIS的边坡稳定三维分析方法3DSlopeGIS计算，如下式所示：
数学上，抗滑力与滑动力分别表示为抗剪强度与摩擦力在滑裂面上的积分，往往不能显式获得。边坡三维极限平衡的柱体分析方法将滑坡体离散为一组柱体的集合，每个柱体以一个栅格表示，如图13所示。采用差分形式分别计算抗滑力与滑动力，上述三维安全系数可用以下公式计算。
其中，f R （x i ，y i ）与f S （x i ，y i ）分别为柱体底部可能的抗滑力与滑动力。计算流程如图14所示。
上述计算方法可获得边坡单元的稳定性指数；
将库岸稳定分段内各边坡单元的稳定性指数进行面积加权平均，可获得库岸段稳定性指数，如下式所示：
其中，ISUi与Ai分别为该库岸稳定分段内第i个边坡单元的稳定性指数与面积；
（4）典型岸坡库岸稳定性分析：针对规模或影响较大的滑坡、崩塌与堆积体，采用基于GIS的边坡稳定性分析方法3DSlopeGIS评价其安全性；
步骤8）：水库塌岸分析与评价：
（1）在水库区不良地质现象解译工作的基础上，通过基于GIS的空间分析，结合道路、房屋与农田等人类活动区域以及第四纪覆盖层分布范围与厚度的识别结果与已有数据，初步划定可能的塌岸区域；
（2）根据岸坡的地形地貌与岸坡结构特点判定可能的塌岸类型；
（3）针对不同类型的塌岸，分别通过基于GIS的岸坡结构法与边坡稳定分析方法3DslopeGIS，根据初步分析的塌岸范围，对研究区域的塌岸范围与塌岸宽度做进一步估算；
（4）通过基于GIS的空间分析，估算研究区域塌岸潜势度BCP，并进行危险度评价；塌岸潜势度BCP可按下式计算：
BCP=s+d+a
其中，s为考虑了坡度的参数，按坡度划分，其中，坡度在35-40度之间时，s=6；以此为基准，坡度增加5度或减少5度，s减1；d为该处距离水库设计高水位的距离参数，其中，当该距离为100m以内时，d=3；每增加100m，d减小1；a为该处所与该段河流流向的相对坡向参数，相对坡向定义为该岸坡坡向与河流流向之间的夹角，当相对坡向在75-115度之间时，d=1；相对坡向小于75度时，d=0.9；相对坡向大于115度时，d=1.1，
对上面BCP计算结果按照“四分法”进行重分类，得到研究区域内塌岸危险度；其中，危险度数值为1～4表示不易发生塌岸、危险度数值为5～9表示较不易发生塌岸、危险度数值为10～15表示较易发生塌岸、危险度数值为16～20表示容易发生塌岸，
（5）基于上述工作，确定研究区域塌岸灾害范围，对塌岸灾害影响进行评估，并针对塌岸灾害发生位置的岸坡特点提出防护措施；
步骤9）：水库浸没分析与评价：
（1）确定水库正常蓄水位分布情况；
（2）依据现有资料与解译成果，划定水库区房屋、田地所在区域；
（3）通过叠加分析，确定水库区正常蓄水位3m范围内的房屋与田地所在区域；
（4）将上述区域内包含的不良地质体、水库塌岸等去除，剩余区域即为初步估计的水库浸没范围，
（5）依据初步估计的水库浸没范围在库区内的分布情况，包括分布密度、面积与宽度等，对水库浸没的影响做进一步评价，
步骤10）：水库区泥石流分析与评价：基于DEM，利用GIS的空间分析功能，生成水系图，并划分0次谷与1次谷；
（2）泥石流总流量估算：确定泥石流流量估算模型与计算参数，按照物源区泥沙堆积量与可能的侵蚀量估算最大可能的泥石流流量；
（3）年均泥石流流量估算：考虑降雨影响，依据当地降雨条件，估算年均泥石流流量；
（4）泥石流影响评价：从泥石流沟的泥石流流量、分布密度以及距离坝址的距离等角度，对水库区泥石流的影响进行评价；
（5）典型泥石流泛滥范围估计：针对影响较大的典型泥石流沟，基于泥砂的堆积状况及过去的泥石流泛滥记录推测泥石流灾害区域，圈定最大规模的泥石流泛滥范围。
（6）典型泥石流灾害影响范围估计：从泥石流假想发生处坡度15度到坡度2度之间的范围作为基准，结合过去的灾害纪录、地形及堆积物等进行判断，划定泥石流发生时的灾害影响范围。
（7）典型泥石流危险性分区：黄区范围为坡度2度以上的区域，红区范围为坡度在10度以上的区域；在此基础上，从泥石流沟的泥沙产量、分布密度以及距离坝址的距离出发，对水库区泥石流的影响进行评价。
由以上本发明实施例提供的技术方案可见，综合采用GIS与遥感技术手段，可较好地实现水库区工程地质条件调查与分析评价的目的，精度可达到水电站建设可研阶段的要求，并且能够提高水库区工程地质调查与评价的工作效率，节省费用。
附图说明
图1为不良地质现象的解译层次及分析流程示意图。
图2为不良地质现象的地形解译流程。
图3为水库区多源GIS数据库目录示意图。
图4为多源GIS数据库基础数据处理流程示意图。
图5为多源GIS数据库地形数据处理流程示意图。
图6为多源GIS数据库地质数据处理流程示意图。
图7为建立库区三维真彩色遥感影像系统工作流程的示意图。
图8为水库区工程地质条件解译与评价方法工作流程的示意图。
图9为水库渗漏地形分析流程的示意图。
图10为水库渗漏地层岩性分析流程的示意图。
图11为水库塌岸预测分析及风险评估工作流程的示意图。
图12为边坡单元稳定性修正指数指标取值示意图。
图13为 3DSlopeGIS分析方法示意图。
图14为3DSlopeGIS分析流程逻辑框图。
图15为塌岸预测分析及风险评估工作流程逻辑框图。
具体实施方式
为了引用和清楚，现将本发明涉及到的技术名词以及一些解译与评价方法介绍如下：
1. 水库区不良地质现象的层次解译法：如图1所示，本发明实例施所提出的解译方法以地形解译分析为基础，以地层岩性、地质构造与岩土体结构、水文地质状况四方面的外部表现为重要判别依据，建立地形、影像、三维特征的解译标志（包括图件与文字描述），与提取信息、其他资料综合后，抽样进行现场对比与验证，完成解译工作。
该方法包括建立解译标志、初步解译、野外验证和详细综合解译四个步骤，分别介绍如下。
①建立遥感解译标志：在充分收集和熟悉工作区地质资料的基础上，通过野外实地踏勘，在基础图像上建立典型地质灾害类型、构成要素、地貌、地质构造、岩（土）体类型、水文地质现象和土地覆盖类型的遥感解译标志。
②初步解译：在熟悉工作区地质资料、野外实地踏勘、建立遥感解译标志的基础上，在基础图像上识别地质灾害及其发育环境，了解各种地质灾害的结构特征，圈划边界，指出所有不确定及疑问点，编制初步解译草图。
③野外验证：对初步解译结果及所有的不确定及疑问点进行野外实地验证。工作量应根据调查目标地物在基础图像上的可解译程度、地质灾害体可能产生的危害、地质环境条件的复杂程度、前人研究程度、交通和自然地理条件综合考虑确定。
④详细综合解译：进一步确认灾害体及类型，确定灾害体及其组成部分，计算覆盖面积（规模）；通过灾害体所处地貌、岩性、产状、斜坡结构、水文及区域地质构造环境解译分析灾害形成的基本地质环境条件及触发因素；分析灾害发育规律，评价其影响及危害，通过空间分析进行灾害危险性分区。
2.水库区不良地质现象的地形解译：地形解译的主要任务为依据不良地质现象在等高线、DEM以及坡度与坡向分布等图形中所表现出的体形特征，结合以前调查结果及地质图，分析在水库区研究范围内可能存在的滑坡、堆积体与崩塌三类不良地质现象，并制作初步解译图。这部分工作主要在层次解译的初步解译阶段进行，目的是尽量使初步解译的成果包含水库区的全部不良地质现象，避免发生遗漏。
如图2所示，水库区不良地质现象地形解译包括以下四个步骤：
①地形分析，即根据地形图对地形进行大致划分，主要内容包括五部分：通过山脊线及山谷线划分汇水区域；将斜坡部分为20°以上及以下两大类，用于确定阶地、崩坍堆积体的分布范围；在山谷部分提取10°上下的分界点，用于确定泥石流堆积物的起始点；提取沿山谷分布的连续平坦地形；提取山谷（溪流的）出口附近，等高线呈突出状的区域。
②整合以往调查结果，即根据以往的调查结果，提取滑坡、崩塌与泥石流等不良地质体的信息（包括地理位置、几何形状以及规模、状态等），将其矢量化后整合到地形图上。
③整合地质信息；从地质图上提取断层的位置与产状、地层产状、地层岩性以及岩体风化程度等信息，并移到地形图上。
④从崩塌、滑坡、堆积体等不良地质体的地形解译标志出发，结合地层岩性与地质构造等信息，参考以往调查结果，通过综合分析，解译出可能为不良地质体的区域，判断其灾害类型，并将解译成果制成初步解译图。
3.水库区不良地质现象的影像解译：影像解译的主要任务为，在初步解译图的基础上，依据不良地质现象在卫星遥感影像或航空遥感影像中所表现出的纹理特征与体貌特征，根据危险区域解译标准，分析在水库区研究范围内可能存在的滑坡、崩塌、堆积体与泥石流四类不良地质现象，从遥感影像中提取危险区域。这部分工作主要在层次解译的第3阶段与野外验证配合进行。
不良地质体的地形解译仅从不良地质体的地形特征角度进行判断。因此，在上述初步解译成果中可能存在一些误判。配合相应区域的遥感影像进行进一步确认，可减少这种误判的发生。此外，野外工作费时费力，尚有部分区域由于地形险峻造成人员无法到达，通过遥感解译进一步确认一些不良地质体，分析其与坝址区的距离，并判断其对工程的影响程度，这样野外验证就可将工作重点放在一些对工程影响重大的疑似不良地质体上，对于减少现场工作量、提高水库区工程地质调查的效率与节约费用有重要的作用。
水库区不良地质现象的影像解译需综合考察危险区域的地形特征（位置，形状，形态），及其属性（成因，形成过程，构成成分，形成时间）并按下述流程进行：
（1）依据地形图，划分汇水区，并将汇水区作为解译单位；
（2）解译斜坡上的破坏区域，从上游向下游推进。一边观察陡倾斜和缓倾斜的分布状况，一边按照崩塌、滑坡、堆积体3要素对各个要素相互关系进行考察和解译；
（3）对汇水区内的泥石流堆积，溪流河床堆积地及阶地进行解译。解译时，要充分注意到斜坡崩塌后崩塌物质存留在河床内这一现象。
4.水库区不良地质现象的三维解译：三维解译是将水库区的影像数据与地形数据叠加，在水库区三维真彩色遥感影像可视化系统中，从体型与体貌特征出发，结合水库区的地形地貌、地层岩性与地质构造等因素，对水库区不良地质现象地形解译与影像解译的成果做进一步判断。
这部分工作主要在层次解译的第四阶段用于水库区工程地质条件的详细综合解译。工作内容包括三部分：从地形图上解译出危险区域的地形要素，结合三维解译判断各危险区域的安全性；针对以往调查资料中的危险区域（滑坡，崩塌、泥石流），结合三维影像，确认其可靠性；针对从地形图上不能读取的崩塌、新形成的小规模的泥石流、岩屑崩坍，利用三维影像进行解译。
三维解译的工作流程与工作方法为：
①对于崩坍土堆积地，缓倾斜范围末端有陡崖时应确定迁急线位置，在陡崖上有表层破坏发生时应确定其位置范围。
②对于泥石流堆积地，首先在地形图上确定位置范围。对于在地形图上无法识别的区域，参照（正射片，三维立体图）影像进行解译提取。
③对于滑坡，首先确定滑坡后缘壁的位置和范围，另外结合三维影像，把滑落后缘不鲜明的部分列为崩坍土堆积地。
④对于崩塌，首先在地形图上进行解译提取，确定位置规模并认定是崩塌地还是崩塌残留地。崩塌地是指岩体出露目前仍然发生着表层破坏；崩塌残留地是指破坏发生后植被已经产生，表层已经安定的区域。其次，对于在地形图上难以识别的区域，参照（正射片，立体图）影像进行解译提取。对崩塌部分还没有产生植被也没有流出的区域应作为崩塌堆积体进行解译。
⑤河床堆积体是指由崩塌地产生的残积物堆积在河床，在影像上呈泛白色特征。
⑥岩屑崩坍是指岩体出露的陡崖发生的岩石塌落。在影像上可以看出（没有植被，呈灰色、紫灰色、黑灰色等）其相应的颜色特征，应提取其位置及范围。崩坍的岩块堆积在陡崖的坡角处。
⑦地质构造线是由断层造成的线状构造地形，应通过（正射片，立体图）影像对值得怀疑的部分进行检验。
5. 水库区多源GIS系统：为有效管理和利用与水库区工程地质相关的数据，基于GIS与遥感的水库区工程地质解译方法充分利用GIS的空间数据管理与计算、分析与统计功能，需在收集整理多源数据（包括地形、地质、遥感影像）的基础上，建立水库区多源GIS系统。在资料收集整理的基础上，制作与水库地形地质研究相关的数据资料，整理为统一坐标和统一投影方式的GIS格式的数据文件，并综合地形、地质、遥感影像、地质灾害及综合资料，建立起各项数据的数据格式、属性数据和空间数据内容。
如图3所示，为实现库区工程地质问题的三维遥感解译，系统数据库分为5个子库，分别为地质资料、基础数据、灾害解译、分析数据与遥感影像。其中，地质资料应包括库区等高线、断层、地层；基础数据包括数据范围、地名、道路、房屋、河流中心线、距坝址里程点与水位线；灾害解译主要分为堆积体、滑坡、崩塌、危岩体与泥石流共5类；分析数据主要为地形分析数据（包括坡度、坡向）。
河流、道路、地名以及正常蓄水位线等子库的属性数据可主要由系统依据实体对象的shape类型自动生成。
不良地质灾害（包括堆积体、滑坡、危岩体、崩塌以及泥石流）GIS子库的属性数据中，既包含编号、名称等标识信息，也包含反映其与库区相对位置关系的干支流、距坝址距离、岸别等信息。此外，为了给库区工程地质灾害的综合评价提供有效的数据支持，应针对不同的地质灾害类型给出相应的分析数据。
（1）针对堆积体，属性数据应包含堆积体的堆积类型、离河流中心线的距离以及长度、宽度、面积、周长、深度、体积、坡度等几何特征信息，以及堆积体的前后缘高程。
（2）针对滑坡，除几何特征信息（包含离河流中心线的距离以及长度、宽度、面积、周长、深度、体积、坡度）外，属性数据还应包含滑坡的前后缘高程。
（3）泥石流子库主要包括泥石流主沟、汇水区与堆积区三部分。泥石流主沟属性数据包含泥石流名称、编号与主沟长度；泥石流汇水区属性数据包含信息较全，包括泥石流名称、编号、干支流、距坝址距离、岸别、主沟长度、坡度、面积、周长以及最高、最低高程；泥石流堆积区属性数据包含信息与汇水区一致。
（4）崩塌及危岩体的属性数据结构与滑坡类似，另含几何中心坐标。
6. 数据处理：直接获取的资料多为CAD格式，缺乏足够的属性数据，无法满足GIS数据库的需要。为建立更为完备的库区工程地质及地质灾害综合GIS数据库系统，应对已获取的资料进行较为深入的数据处理。与GIS数据库结构相对应，数据处理工作主要包括基础数据处理、地形数据处理以及地质等其他数据处理三类。
（1）就基础数据而言，依据CAD格式库区地形图提取并修改编辑库区地名、道路、房屋以及河流等数据。河流数据多为polygon格式，可据此通过FME分析给出河流中心线，并结合坝轴线位置生成河流中心线的路径，即距坝址的距离。最终形成的地名、道路、河流、河流中心线、坝轴线以及距坝址距离等子库应加入GIS数据库。处理流程如图4所示。
（2）就地形数据而言，可采用库区地形数据与坝区地形数据相结合，如图5所示，从中提取等高线后加入GIS数据库。为方便地质灾害解译分析，可依据以上CAD格式的地形图制作DEM。
（3）就其他资料（如地质资料）而言，如图6所示，可基于CAD格式的库区与坝区地质资料，提取表层地质，转换为shp格式后，加入GIS数据库，并添加地层岩性说明与标注等属性数据；基于MapGIS格式的库区地质资料或CAD格式的库区断层信息，提取断层信息，转化为shp格式后合并，加入GIS数据库，并添加形成时间与长度、宽度等几何信息以及走向、倾向、倾角等产状信息。
7. 水库区三维真彩色遥感影像可视化系统：是指在库区工程地质及地质灾害综合GIS数据库基础上，以水库区高精度遥感影像与DEM为主要数据，叠加有关工程地质和地质灾害信息，并加入其他水库相关信息所建立的水库区三维彩色影像系统。
建立库区三维真彩色影像系统的工作流程如图7所示，其主要数据包括库区地形与影像两部分。不同精度的DEM在融合过程中存在的局部不匹配现象，可通过切割重叠部分等方法进行处理。
8. 水库区工程地质条件综合评价：在分析水库区工程地质条件基础上，对可能产生工程地质问题的地区进行专门性勘察，评价其影响和危害，提出治理措施的建议。主要内容为工程地质问题（包括水库渗漏、库岸稳定、水库塌岸、水库浸没与泥石流）的分析与评价，如图8所示。
9.基于GIS的水库渗漏分析与评价：基于对水库区工程地质条件层次解译的工作成果，从地形地貌、地层岩性与地质构造等角度分析水库区的封闭条件，判断水库渗漏的可能性以及可能的渗漏通道，并针对可能存在的渗漏通道或地段进行渗漏量估算，评价其对水库蓄水的影响，并提出防渗处理建议。
主要工作流程包括地形分析、地层岩性分析与地质构造分析三个步骤：
（1）地形分析：主要目的在于查明库区是否存在低矮邻谷，满足库水向低矮邻谷渗漏的地形条件。当库区正常蓄水位高于邻谷枯水位时，则满足库水向邻谷渗漏的地形条件，否则库水向邻谷渗漏的可能性较小。通过基于GIS的空间数据分析，可给出沿任意方向的地形纵剖面绘制。在此基础上可进行水库渗漏的地形分析，如图9所示。
（2）地层岩性分析：在地形分析的基础上进行，其主要目的在于查明库区正常蓄水位以下是否存在可溶性岩层与高渗透性地层，并形成向大坝下游及低矮邻谷渗漏的通道。通过基于GIS的空间数据分析，判断可能存在的渗漏通道，其分析流程如图10所示。
（3）地质构造分析：在地层岩性分析的基础上进行，其主要目的在于查明库区是否存在通向下游的断层，并形成向大坝下游及低矮邻谷渗漏的通道。基于ArcGIS的空间数据分析功能，亦可方便的判断出可能存在的渗漏断层。
10.库岸稳定性分析与评价：基于对水库区工程地质条件层次的解译成果，通过基于GIS的综合分析，从地层岩性与岸坡结构等角度出发，划分水库区工程地质分段与库岸稳定分段，并针对存在滑坡、崩塌、堆积体等不良地质现象的典型岸坡段进行库岸稳定性的定量分析，评价其对工程的影响。
其工作流程为：
（1）水库区工程地质分段：以河谷结构类型、岩性、构造作为库区工程地质分段的主要依据，结合库区工程地质遥感解译成果，将库区沿河5km范围按工程地质条件进行分段；
（2）水库区库岸稳定性分段：根据库区岸坡岩（土）体工程地质性状及组合特征，结合遥感解译分析成果，将库岸岸坡划分为：稳定岸坡、基本稳定岸坡、潜在不稳定和不稳定岸坡四种类型，并划分其在水库区内的分布状况；
（3）水库区库岸稳定性综合评价：以边坡单元作为基础，分析计算其三维安全系数；利用基于GIS的层次分析（AHP）法对边坡单元的三维安全系数进行修正，将定量的三维稳定性指标与定性指标相结合，对库岸稳定性进行综合分析评价，其分析流程如图11所示。
考虑的影响因素为地形地貌（包括坡体完整度、蓄水位与植被）、岩性构造（包括断层、岩性、河谷结构与岸坡结构）与不良地质现象（包括滑坡、崩塌、堆积体与泥石流）。运用层次分析法的原理，可计算边坡单元稳定性指标修正系数各层的指标权重。
定义如下的边坡单元稳定性修正指数RII
RII=∑x i y i
其中，xi为项目指标值（如图12所示）；yi为指标值对应权重。
以下式计算边坡单元稳定性指数
I
SUi
＝SF
3Di
+RII
i
其中，SF 3Di 为边坡单元的三维稳定安全系数，以基于GIS的边坡稳定三维分析方法3DSlopeGIS计算，如下式所示。
数学上，抗滑力与滑动力分别表示为抗剪强度与摩擦力在滑裂面上的积分，往往不能显式获得。边坡三维极限平衡的柱体分析方法将滑坡体离散为一组柱体的集合，每个柱体以一个栅格表示，如图13所示。采用差分形式分别计算抗滑力与滑动力，上述三维安全系数可用以下公式计算。
其中，f R （x i ，y i ）与f S （x i ，y i ）分别为柱体底部可能的抗滑力与滑动力。计算流程如图14所示。
上述计算方法可获得边坡单元的稳定性指数。将库岸稳定分段内各边坡单元的稳定性指数进行面积加权平均，可获得库岸段稳定性指数，如下式所示。
其中，ISUi与Ai分别为该库岸稳定分段内第i个边坡单元的稳定性指数与面积。
（4）典型岸坡库岸稳定性分析：针对规模或影响较大的滑坡、崩塌与堆积体，采用基于GIS的边坡稳定性分析方法3DSlopeGIS评价其安全性。
11.水库塌岸分析与评价：目的在于分析水库坍岸工程地质条件，对可能坍岸地段进行专门性勘察，预测坍岸发展过程及范围，提出防治措施的建议。
如图15所示，其工作流程为：
（1）在水库区不良地质现象解译工作的基础上，通过基于GIS的空间分析，结合道路、房屋与农田等人类活动区域以及第四纪覆盖层分布范围与厚度的识别结果与已有数据，初步划定可能的塌岸区域；
（2）根据岸坡的地形地貌与岸坡结构特点判定可能的塌岸类型；
（3）针对不同类型的塌岸，分别通过基于GIS的岸坡结构法与边坡稳定分析方法3DslopeGIS，根据初步分析的塌岸范围，对研究区域的塌岸范围与塌岸宽度做进一步估算；
（4）通过基于GIS的空间分析，估算研究区域塌岸潜势度BCP，并进行危险度评价；塌岸潜势度BCP可按下式计算。
BCP=s+d+a
其中，s为考虑了坡度的参数，按坡度划分（坡度在35-40度之间时，s=6；以此为基准，坡度增加5度或减少5度，s减1）；d为该处距离水库设计高水位的距离参数（当该距离为100m以内时，d=3；每增加100m，d减小1）；a为该处所与该段河流流向的相对坡向参数。相对坡向定义为该岸坡坡向与河流流向之间的夹角。当相对坡向在75-115度之间时，d=1；相对坡向小于75度时，d=0.9；相对坡向大于115度时，d=1.1。
对上面BCP计算结果按照“四分法”进行重分类，得到研究区域内塌岸危险度。其中，危险度数值1～4分别表示不易发生塌岸（BCP=0～4）、较不易发生塌岸（BCP=5～9）、较易发生塌岸（BCP=10～15）、容易发生塌岸（BCP=16～20）。
（5）基于上述工作，确定研究区域塌岸灾害范围，对塌岸灾害影响进行评估，并针对塌岸灾害发生位置的岸坡特点提出防护措施建议。
12.水库浸没分析与评价：基于道路、房屋与农田等人类活动区域以及第四纪覆盖层分布范围与厚度的识别结果与已有数据，结合库区正常蓄水位的计算结果，通过基于GIS的综合分析，初步划定可能发生水库浸没的区域范围，并从水库浸没区域的分布密度、面积等角度，对水库浸没的影响进行评价。
其主要工作流程为：
（1）确定水库正常蓄水位分布情况；
（2）依据现有资料与解译成果，划定水库区房屋、田地所在区域；
（3）通过叠加分析，确定水库区正常蓄水位3m范围内的房屋与田地所在区域；
（4）将上述区域内包含的不良地质体、水库塌岸等去除，剩余区域即为初步估计的水库浸没范围。
（5）依据初步估计的水库浸没范围在库区内的分布情况，包括分布密度、面积与宽度等，对水库浸没的影响做进一步评价。
13.水库区泥石流分析与评价：基于水库区泥石流汇水区、物源区与堆积区的解译成果与已有数据，通过基于GIS的综合分析，估计最大可能的泥石流流量，并结合当地降雨条件，对泥石流的年均泥石流流量进行估算；在此基础上，从泥石流沟的泥石流流量、分布密度以及距离坝址的距离等角度，对水库区泥石流的影响进行评价，并对典型泥石流沟进行危险性分区。
其主要工作流程为：
（1）地形分析：基于DEM，利用GIS的空间分析功能，生成水系图，并划分0次谷与1次谷；
（2）泥石流总流量估算：确定泥石流流量估算模型与计算参数，按照物源区泥沙堆积量与可能的侵蚀量估算最大可能的泥石流流量；
（3）年均泥石流流量估算：考虑降雨影响，依据当地降雨条件，估算年均泥石流流量；
（4）泥石流影响评价：从泥石流沟的泥石流流量、分布密度以及距离坝址的距离等角度，对水库区泥石流的影响进行评价；
（5）典型泥石流泛滥范围估计：针对影响较大的典型泥石流沟，基于泥砂的堆积状况及过去的泥石流泛滥记录推测泥石流灾害区域，圈定最大规模的泥石流泛滥范围。
（6）典型泥石流灾害影响范围估计：从泥石流假想发生处坡度15度到坡度2度之间的范围作为基准，结合过去的灾害纪录、地形及堆积物等进行判断，划定泥石流发生时的灾害影响范围。
（7）典型泥石流危险性分区：黄区范围为坡度2度以上的区域，红区范围为坡度在10度以上的区域。
Claims (1)
1.一种水库区工程地质调查的解译与评价方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1）：针对水库区区域，收集相关的地形数据、影像数据与其他基础数据、地质资料以及已有不良地质现象解译成果，建立水库区的多源GIS数据库；
步骤2）：根据步骤1水库区的多源GIS数据库，叠加工程地质与不良地质现象数据，以及其他水库相关信息，采用地理信息三维可视化平台，建立水库区的三维真彩色遥感影像可视化系统；建立滑坡、崩塌、堆积体与泥石流的解译标志；通过野外实地踏勘，在基础图像上建立典型地质灾害类型、构成要素、地貌、地质构造、岩/土体类型、水文地质现象和土地覆盖类型的遥感解译标志；
步骤3）：水库区不良地质现象的地形解译：依据不良地质现象在等高线、DEM以及坡度与坡向分布等图形中所表现出的体形特征，结合以前调查结果及地质图，分析在水库区研究范围内可能存在的滑坡、堆积体与崩塌三类不良地质现象，并制作初步解译图;
步骤4）：水库区不良地质现象的影像解译：在步骤3建立初步解译图的基础上，依据不良地质现象在卫星遥感影像或航空遥感影像中所表现出的纹理特征与体貌特征，根据危险区域解译标准，分析在水库区研究范围内可能存在的滑坡、崩塌、堆积体与泥石流四类不良地质现象，从遥感影像中提取危险区域；
步骤5）：水库区不良地质现象的三维解译：根据地形图上解译出危险区域的地形要素，结合三维解译判断各危险区域的安全性；针对以往调查资料中的危险区域，结合三维影像，确认其可靠性；针对从地形图上不能读取的崩塌、新形成的小规模的泥石流、岩屑崩坍，利用三维影像进行解译；其中，所述危险区域为滑坡，崩塌和泥石流；
步骤6）：水库渗漏可能性的分析与评价：基于对水库区工程地质条件层次解译的上述工作成果，从地形地貌、地层岩性与地质构造三个角度出发，分析水库区的封闭条件，判断水库渗漏的可能性以及可能的渗漏通道，并针对可能存在的渗漏通道进行渗漏量计算，评价水库渗漏对水库蓄水的影响；
步骤7）：库岸稳定性的分析与评价：基于对水库区工程地质条件层次的解译成果，通过基于GIS的综合分析，从地层岩性与岸坡结构等角度出发，划分水库区工程地质分段与库岸稳定分段，并针对存在滑坡、崩塌、堆积体等不良地质现象的典型岸坡段进行库岸稳定性的定量分析，评价其对工程的影响；
具体步骤如下
（1）水库区工程地质分段：以河谷结构类型、岩性、构造作为库区工程地质分段的主要依据，结合库区工程地质遥感解译成果，将库区沿河5km范围按工程地质条件进行分段；
（2）水库区库岸稳定性分段：根据库区岸坡岩/土体工程地质性状及组合特征，结合遥感解译分析成果，将库岸岸坡划分为：稳定岸坡、基本稳定岸坡、潜在不稳定和不稳定岸坡四种类型，并划分其在水库区内的分布状况；
（3）水库区库岸稳定性综合评价：以边坡单元作为基础，分析计算其三维安全系数；利用基于GIS的层次分析法对边坡单元的三维安全系数进行修正，将定量的三维稳定性指标与定性指标相结合，对库岸稳定性进行综合分析评价；
定义如下的边坡单元稳定性修正指数RII
RII=∑x i y i
其中，xi为项目指标值,yi为指标值对应权重；
以下式计算边坡单元稳定性指数:
I
SUi
＝SF
3Di
+RII
i
其中，SF 3Di 为边坡单元的三维稳定安全系数，以基于GIS的边坡稳定三维分析方法3DSlopeGIS计算，如下式所示：
数学上，抗滑力与滑动力分别表示为抗剪强度与摩擦力在滑裂面上的积分，往往不能显式获得,
边坡三维极限平衡的柱体分析方法将滑坡体离散为一组柱体的集合，每个柱体以一个栅格表示，采用差分形式分别计算抗滑力与滑动力，上述三维安全系数可用以下公式计算:
其中，f R （x i ，y i ）与f S （x i ，y i ）分别为柱体底部可能的抗滑力与滑动力，上述计算方法可获得边坡单元的稳定性指数；
将库岸稳定分段内各边坡单元的稳定性指数进行面积加权平均，可获得库岸段稳定性指数，如下式所示：
其中，ISUi与Ai分别为该库岸稳定分段内第i个边坡单元的稳定性指数与面积；
（4）典型岸坡库岸稳定性分析：针对规模或影响较大的滑坡、崩塌与堆积体，采用基于GIS的边坡稳定性分析方法3DSlopeGIS评价其安全性；
步骤8）：水库塌岸分析与评价：
（1）在水库区不良地质现象解译工作的基础上，通过基于GIS的空间分析，结合道路、房屋与农田等人类活动区域以及第四纪覆盖层分布范围与厚度的识别结果与已有数据，初步划定可能的塌岸区域；
（2）根据岸坡的地形地貌与岸坡结构特点判定可能的塌岸类型；
（3）针对不同类型的塌岸，分别通过基于GIS的岸坡结构法与边坡稳定分析方法3DslopeGIS，根据初步分析的塌岸范围，对研究区域的塌岸范围与塌岸宽度做进一步估算；
（4）通过基于GIS的空间分析，估算研究区域塌岸潜势度BCP，并进行危险度评价；塌岸潜势度BCP可按下式计算：
BCP=s+d+a
其中，s为考虑了坡度的参数，按坡度划分，其中，坡度在35-40度之间时，s=6；以此为基准，坡度增加5度或减少5度，s减1；d为该处距离水库设计高水位的距离参数，其中，当该距离为100m以内时，d=3；每增加100m，d减小1；a为该处所与该段河流流向的相对坡向参数，相对坡向定义为该岸坡坡向与河流流向之间的夹角，当相对坡向在75-115度之间时，d=1；相对坡向小于75度时，d=0.9；相对坡向大于115度时，d=1.1，
对上面BCP计算结果按照“四分法”进行重分类，得到研究区域内塌岸危险度；其中，危险度数值为1～4表示不易发生塌岸、危险度数值为5～9表示较不易发生塌岸、危险度数值为10～15表示较易发生塌岸、危险度数值为16～20表示容易发生塌岸，
（5）基于上述工作，确定研究区域塌岸灾害范围，对塌岸灾害影响进行评估，并针对塌岸灾害发生位置的岸坡特点提出防护措施；
步骤9）：水库浸没分析与评价：
（1）确定水库正常蓄水位分布情况；
（2）依据现有资料与解译成果，划定水库区房屋、田地所在区域；
（3）通过叠加分析，确定水库区正常蓄水位3m范围内的房屋与田地所在区域；
（4）将上述区域内包含的不良地质体、水库塌岸等去除，剩余区域即为初步估计的水库浸没范围，
（5）依据初步估计的水库浸没范围在库区内的分布情况，包括分布密度、面积与宽度等，对水库浸没的影响做进一步评价，
步骤10）：水库区泥石流分析与评价：基于DEM，利用GIS的空间分析功能，生成水系图，并划分0次谷与1次谷；
（2）泥石流总流量估算：确定泥石流流量估算模型与计算参数，按照物源区泥沙堆积量与可能的侵蚀量估算最大可能的泥石流流量；
（3）年均泥石流流量估算：考虑降雨影响，依据当地降雨条件，估算年均泥石流流量；
（4）泥石流影响评价：从泥石流沟的泥石流流量、分布密度以及距离坝址的距离等角度，对水库区泥石流的影响进行评价；
（5）典型泥石流泛滥范围估计：针对影响较大的典型泥石流沟，基于泥砂的堆积状况及过去的泥石流泛滥记录推测泥石流灾害区域，圈定最大规模的泥石流泛滥范围;
（6）典型泥石流灾害影响范围估计：从泥石流假想发生处坡度15度到坡度2度之间的范围作为基准，结合过去的灾害纪录、地形及堆积物等进行判断，划定泥石流发生时的灾害影响范围;
（7）典型泥石流危险性分区：黄区范围为坡度2度以上的区域，红区范围为坡度在10度以上的区域；在此基础上，从泥石流沟的泥沙产量、分布密度以及距离坝址的距离出发，对水库区泥石流的影响进行评价。
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2012
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