不安定指數法在林口台地山坡穩定評估之應用

林書毅1 李錫堤2

1國立中央大學應用地質研究所碩士研究生

2國立中央大學應用地質研究所副教授

摘要

區域性山坡穩定評估常以山崩潛感分析行之。以往山崩潛感分析方法對於潛感因子的選擇、評分、權重及分析模式,尚無一套標準的方法。本研究經評估各種不同的分析模式後,採用不安定指數法配合地理資訊系統來進行林口台地的山坡穩定評估。

不安定指數法定義一不安定指數(Dtotal)來代表坡地不安定的程度,其關係為: Dtotal=D1W1×D2W2×D3W3…×DnWn ,其中不安定指數值Di與權重值Wi分別由包含崩塌地的訓練區計算而得。本計畫蒐集了可能影響研究區域山坡穩定之山崩潛感因子,包括:坡度、坡向、岩性、地表覆蓋、距侵蝕溝距離、距斷層距離及距道路距離等。訓練區資料來自民國七十一年九月的航空照片,其拍攝時間恰為西仕颱風過境50天後,大量的崩塌地仍然可以清晰地被判釋。利用MapInfo地理資訊系統軟體提供之分析查詢功能進行各潛感因子不安定指數及權重的計算,最後經權重計算及疊加後得到林口台地之山崩潛感圖。

由山崩潛感圖可看出:岩性、坡度及距侵蝕溝距離對本區域之山坡穩定影響最巨,其中高潛感區多分布於東側、南側鄰近侵蝕溝之陡坡,北側及西側則呈零星分布,而台地頂部與侵蝕溝底部則多屬安全區。

 

前言

區域性山坡穩定評估在大區域公路選線、大型工程選址、環境影響評估的前期分析上皆可提供規劃者重要資訊。而近來隨著山坡地開發所造成的災害問題日趨嚴重,山坡地安全更受到山坡地住宅居民及一般大眾的重視。

區域性山坡穩定評估為針對邊坡破壞的潛在因子進行評估。以分析該區域山崩發生的潛在可能性。而那些因子會造成山崩? 不同因子之重要性及其彼此間的相依性問題如何克服?大量的空間資料如何處理?皆有賴一套理想的山坡穩定評估方法。

 

資料蒐集與地理資訊系統建置

在區域性山坡穩定評估中,山崩潛感因子是否做了完整的考量與資料處理的效率均為評定優劣的關鍵。因此本研究首先對研究區域的自然及人文基本資料進行廣泛的蒐集,期能將該區域的各項潛在因子做完整的考慮,所蒐集的各項基本資料包括:(1)台灣40公尺網格數值地形、(2)林口台地民國37、67、71、81及85年航空照片、(3)林口台地民國67、73及84年五千分之一相片基本圖(4)林口台地民國80年二萬五千分之一及五萬分之一地形圖(5)林口台地民國61、77與 83年SPOT衛星影像。(6)林口台地歷年降雨量資料(7)台灣地區1900-1996年地震目錄資料(8)台灣地區地質圖林口圖幅(9)林口台地土地利用圖。

所蒐集之各項基本資料分別具有不同形式,處理方式可分為以下幾類:

  1. 地理資訊圖檔:此類檔案如土地利用圖與地質圖本身即為具有圖形及屬性資料之地理資訊圖檔,不同處僅為格式上之差異,因此僅需透過轉換檔案的程式即可將其建入MapInfo中。
  2. 數值型資料:利用MapInfo開發程式工具MapBasic與Fortran程式將數值型資料轉換為屬性資料。
  3. 航空照片:利用航照正射化技術修正航空照片中高差移位現象,使航照中的地形地貌資訊,能精確的數化於地理資訊系統資統之中。
  4. 地形圖:利用掃描儀將圖形資料掃入成為影像檔,並利用MapInfo中座標控制功能將其建入地理資訊系統中。

 

不安定指數法

不安定指數法乃以定量方式評估坡地安定程度,定義一不安定指數(D)以代表坡地不安定之程度,其數學關係如下:

 

Dtotal=D1W1×D2W2×D3W3…×DnWn …………………………………….…[1]

 

其中D1 、D2 …Dn代表各評估因子之不安定指數值,如坡度因子、岩性因子....等,W1、W2.....Wn則代表因子之權重值,而Dtotal則為該區域各項因子綜合表現之山崩潛感值。

本研究採用網格法分析以簡化分析流程,將研究區域劃分為由40公尺×40公尺間距的網格,其數值之計算方法是利用發生災害密度做衡量的基準。而災害密度值可由崩壞網格密度表示,計算方式如下︰

 

崩壞網格密度=崩壞網格數/區域總網格數…………………………….[2]

 

求出各因子分級崩壞網格密度後,再依[3]式將所有崩壞網格密度之資料範圍計算對應至1~10 之間,即可求得各因子不安定指數之值。

其中D為因子之不安定指數,Xi表崩壞網格密度,Xmax、Xmin則分別表示因子分類中崩壞網格密度或百分比最大與最小者。

本研究旨在評估各山崩潛感因子對邊坡的影響,因此在計算因子之評分與權重時引入有效因子之觀念,即當坡度小於15%時設定其評分為零,則不論其他各項因子評分與權重值為何,求出之山崩潛感值(Dtotal)皆為零,表平坦之地形面上各項因子並無導致崩塌發生之潛在可能性。此做法可使山崩潛感值 (Dtotal)更符合現地之情況。

權重值是用以描述所有因子組合後,各因子對山崩潛感值(Dtotal)之影響程度,若要以計量之方法計算權重,可分為兩個步驟:

一.各因子權重比較值之計算

利用分區統計而得崩壞個數所佔有百分比的變異係數(Coefficient of Variation),代表因子分類(級)發生崩壞機率的靈敏度,當變異係數較小時,各分類(級)發生崩壞機率相近,表示此因子之分類無法將崩壞機率高的地區決定出來;反之,若變異係數較大者,則可利用此因子分類而決定出較清楚的坡地安定等級,故可利用變異係數之計算做為各因子權重的比較值。

其中σ為標準偏差(Standard Deviation),X為平均值。

二.權重值之計算

利用各因子間所計算出之變異係數,除以全部變異係數值之總和即可得該因子之權重值。其中Wi表第i個因子之權重值,Vi表第i個因子之變異係數。而權重值(W1、W2.....Wn) 則為因子間對坡地安定之影響程度指標值,其範圍介於0~1之間,且和為1。

 

 

分析流程

本研究之流程乃以MapInfo地理資訊系統為基本架構,首先將各因子之原始資料建入地理資訊系統,輔以MapInfo之開發程式工具MapBasic與Fortran程式進行資料間轉換。以程式或MapInfo之查詢分析功能建立各因子之網格化分級圖,各因子與舊崩塌地資料進行疊合分析所得之因子評分與權重則建入屬性資料中,最後將各項因子疊加以繪製山崩潛感圖,流程如圖一。

各項因子之原始圖層資料來源為本計畫中所蒐集之林口台地各項自然與人文基本資料,以數化或程式轉換成MapInfo圖檔,崩塌地圖層為民國七十一年九月五股、林口、泰山一帶之航空照片,其上有西仕颱風過境引進旺盛西南氣流,短時間內大量降雨所造成之崩塌地,經正射化後數化而成,如圖二所示。

 

因子分級

在區域性山崩潛感分析中,研究的因子一般可分為潛因及誘因,潛因是指邊坡本身具有潛在造成山崩的因素,如岩性、坡度等。誘因則為直接引發山崩的環境因素,如連續降雨、地震等。誘因多為具時間相關性(如崩塌前累積雨量、地下水變動等)或動態的因子(如地震等),此類因子在大區域的山崩潛感分析中並不易考慮,所以本研究以潛因作為評估的依據。

經評估後本研究將山崩潛感因子分為地形因子、地質因子及區位因子三類。地形因子包括坡度與坡向,地質因子包括岩性及地表覆蓋等因子,區位因子則包括距侵蝕溝、道路及斷層距離等因子,其分類如下表所示。經由不安定指數法求出之因子不安定指數值及權重分別如表二及表三所示。

 

山崩潛感圖

將各項山崩潛感因子之評分與權重以不安定指數法疊加之後,得到各網格之山崩潛感值,再將其區分為四個等級(1) 安全區:山崩潛感值為0,(2) 低潛感山崩潛感值介於1~4,(3)中潛感區:山崩潛感值介於4~7,(4)高潛感區:山崩潛感值介於7~10。以此分級所繪製之林口台地山崩潛感圖,如圖三所示。

 

討論與結論

由於山崩潛感值為各項山崩潛感因子之綜合表現,茲就其山崩潛感之分布,綜合討論如下︰

  1. 林口台地東側及南側鄰近侵蝕溝之陡坡為高潛感最主要分布區域,此乃因岩性,距侵蝕溝距離,坡度為各因子中權重較高者,此區屬於前述三項因子分級評分高之區域:礫石層、侵蝕溝一百公尺內且坡度陡時,因此呈現高潛感。
  2. 觀音山區坡度雖為研究區域內較陡的區域,但因其岩性屬岩體強度與抗風化能力甚強之火成岩,因此本區整體表現仍為低潛感。而台地西、北側之邊坡多屬砂岩與泥岩,且坡度較為平緩,因此本區亦多屬低潛感區域。
  3. 若與水系圖對照,則台地東側之觀音坑溪、水礁寮溪及五股坑溪屬山崩潛感較高者,紅水仙溪及南崁溪則屬中潛感,而西北側之河流則屬山崩潛感值較低之河流。

參考文獻

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R. Anbalagan (1992)Landslide hazard evaluation and zonation map in mountainous terrain

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游中榮 (1995) 應用地理資訊系統於北橫地區山崩潛感之研究,國立中央大學應用地質研究所碩士論文。

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洪如江、郭振泰、陳榮河、陳鴻霞(1986)林口台地及鄰近地區洪災及坍方之研究(一) 行政院國家科學委員會防災科技研究報告,第74-43號,第11-81頁。

陳榮河、陳忠銘、陸萬海(1986)林口鄉嘉寶村坍方之研究。行政院國家科學委員會防災科技研究報告,第75-08號,共32頁。

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表一 山崩潛感因子分類

分類

地形因子

地質因子

區位因子

坡度(%)

坡向

岩性

地表覆蓋

距侵蝕溝

距離(m)

距道路

距離(m)

距斷層

距離(m)

1

0~5

N

河海

林地

<100

I : <20

<1000

II : <40

2

5~15

NE

紅土層

裸露地

100~200

I : 20~40

1000~2000

II: 40~80

3

15~30

E

礫石層

其他

200~300

I : >40

2000~4000

II : >80

4

30~40

SE

砂岩、泥岩

>300

[註]I:鄉道

II:國、省及

縣道

>4000

5

40~55

S

現代沖積層

6

55~70

SW

火成岩

7

70~85

W

火山角礫岩

8

85~100

NW

其他沈積岩

9

>100

 

表二 山崩潛感因子評分

分類

地形因子

地質因子

區位因子

坡度(%)

坡向

岩性

地表覆蓋

距侵蝕溝

距離(m)

距道路

距離(m)

距斷層距離(m)

1

0

2.249

1.000

7.494

10.000

7.847

10.000

2

0

6.158

4.194

10.000

4.626

10.000

5.000

3

1.000

6.049

10.000

1.000

2.153

1.000

2.000

4

1.688

4.397

2.484

1.000

1.000

5

4.197

1.000

1.926

6

5.823

8.410

1.000

7

8.050

10.000

1.000

8

7.801

7.576

2.139

9

10.000

表三 各山崩潛感因子之權重

山崩潛感因子

變異係數

權重

坡度

57.629

0.144

坡向

30.116

0.075

岩性

126.212

0.314

地表覆蓋

26.394

0.066

距侵蝕溝距離

99.637

0.248

距道路距離

16.542

0.041

距斷層距離(山腳斷層)

30.000

0.075

距斷層距離(南崁斷層)

15.000

0.037

SUM

1.000