金福喜，何亨武，徐 志

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南長沙 410083；2.江西科技學(xué)院江西南昌 330098)

基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)方法

金福喜1，何亨武1，徐 志2

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點實驗室，湖南長沙 410083；2.江西科技學(xué)院江西南昌 330098)

在總結(jié)湖南省資興市滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害分布特征的基礎(chǔ)上，基于GIS分別采用專家經(jīng)驗的綜合危險性指數(shù)法和層次分析的綜合危險性指數(shù)法對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度進行了分析評價，結(jié)果表明采用層次分析法與專家經(jīng)驗法分區(qū)結(jié)果大體上一致，但也存在一定的差異。層次分析法提高了評價因子災(zāi)害點密度的權(quán)值比重，更充分地考慮了歷史現(xiàn)狀對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的影響。層次分析法除了將易發(fā)區(qū)劃分為低、中、高易發(fā)區(qū)外，還指出了極高易發(fā)區(qū)。專家經(jīng)驗—綜合易發(fā)指數(shù)法對于權(quán)重的確定完全是人為的，誤差偏大，而層次分析法確定權(quán)重是定性與定量的結(jié)合，結(jié)果更為可靠。

GIS；地質(zhì)災(zāi)害；專家指數(shù)法；層次分析法；易發(fā)分區(qū)

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害是一種危害大、難以準確預(yù)測的地質(zhì)現(xiàn)象，往往是點多面廣，且發(fā)生頻率高，一旦發(fā)生將直接或間接危害人類生命財產(chǎn)安全，在一定程度上制約了城鄉(xiāng)建設(shè)，阻礙了社會經(jīng)濟的健康發(fā)展。地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)研究顯得尤為重要，近年來，國內(nèi)外做了許多關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害評價的研究，于曉輝等[1-8]基于GIS空間分析對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度綜合分區(qū)研究；韓娟等[9]應(yīng)用綜合危險性指數(shù)法對蒼山縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分；唐紅梅等[10]采用綜合評價法對重慶市萬州區(qū)進行地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)。通過以上研究分析，基于GIS空間分析對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)是可靠的。

本文在收集、調(diào)查資興市地質(zhì)災(zāi)害的分布、范圍、類型、規(guī)模、危害對象、治理情況、穩(wěn)定狀況、誘發(fā)因素等地質(zhì)災(zāi)害要素和地質(zhì)環(huán)境要素條件下，選擇地質(zhì)災(zāi)害評價指標，遵循科學(xué)客觀性原則、實用性原則、系統(tǒng)性原則和主導(dǎo)性原則，建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)評價指標體系，基于GIS分別采用專家經(jīng)驗的綜合危險性指數(shù)法和層次分析的綜合危險性指數(shù)法對資興市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度進行綜合評價。

1 研究區(qū)域概況

1.1 概況

資興市位于湖南省東南部，地處湘江流域耒水的上游，羅霄山脈西麓，茶永盆地南端，湘、粵、贛三省交匯處，總面積2647 km2。轄1個街道、10個鎮(zhèn)、15個鄉(xiāng)、2個民族鄉(xiāng)，總?cè)丝?6萬余人。全市地貌形態(tài)以山地為主，丘、崗與平地交錯，地表起伏較大，地勢東南高西北低，最高點八面山海拔2042 m，最低點程江口海拔僅106m。境內(nèi)最大的淡水資源東江湖水域面積約160km2。受地域季風(fēng)的影響，資興市氣溫冷暖差異明顯。由于降雨集中及地形地質(zhì)條件，屬斜坡地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律及主要特征

研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的分布情況主要受地形地貌、工程地質(zhì)巖組、氣象水文、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動、植被覆蓋率等因素的影響，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害具有明顯的時空分布規(guī)律?？臻g分布規(guī)律呈現(xiàn)出不均勻性、條帶性和相對集中性。其中時間分布規(guī)律包括同發(fā)性和滯后性。資興市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害分布特征如圖1所示：

圖1 地質(zhì)災(zāi)害空間分布圖(1∶50000)Fig.1 Distribution of geological disasters

2 研究方法

2.1 地理信息系統(tǒng)(GIS)

地理信息系統(tǒng)(GIS)起源于20世紀的北美。隨著該系統(tǒng)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)在多門學(xué)科領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。GIS的功能主要在于采集、制圖、空間分析、數(shù)據(jù)處理和管理、儲存等方面。本文選用的GIS軟件是MapGIS，該系統(tǒng)不僅有強大的圖形編輯功能，還具備很強的空間分析、屬性管理等功能。

2.2 基于專家經(jīng)驗的綜合危險性指數(shù)法

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度指數(shù)法是以定性分析為主，與定量評價相結(jié)合。定量分析選取“地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性指數(shù)法”，采取單因素致災(zāi)的量化評價和多因素綜合評價方法。根據(jù)資興市地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度、分布規(guī)律、地質(zhì)環(huán)境條件以及人類工程活動現(xiàn)狀與未來發(fā)展規(guī)劃，選取影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的因素，再采用數(shù)學(xué)綜合評判的半定量方法對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度有影響的主要因素進行分級處理并賦以分級值，考慮各選取因素對地質(zhì)災(zāi)害影響程度的大小，賦予不同權(quán)重體現(xiàn)其影響程度。以上是建立在專家經(jīng)驗基礎(chǔ)上的，是地質(zhì)災(zāi)害方面的學(xué)者或?qū)＜腋鶕?jù)自身經(jīng)驗和實地調(diào)查資料數(shù)據(jù)進行定性分析的基礎(chǔ)上，充分考慮各選取因素對地質(zhì)災(zāi)害影響程度的大小，賦予不同權(quán)重。該方法的要點如下：

(1)劃分單元網(wǎng)格

按1 km×1 km將全市分成2946個單元網(wǎng)格，對每個評價單元各項分區(qū)指標分別打分賦值，經(jīng)數(shù)值化處理后，從而獲得各評價單元的各項指標分級值，然后對各項分級指標進行疊加分析，得出評價單元的易發(fā)程度指數(shù)。易發(fā)程度指數(shù)越大，表示該單元地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度越高。

(2)指標體系構(gòu)建

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況，通過地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度影響因素綜合分析，選出7個主要評價指標，建立指標評價體系，采用專家經(jīng)驗法確定地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)害易發(fā)性評價因子權(quán)重。各因子指數(shù)化如下：

式中Mk為各因子區(qū)間的分級值，S為各因子的不同等級在單元格內(nèi)分布的面積百分數(shù)。地質(zhì)構(gòu)造體系因素、人類工程活動強度因素及植被因素的指數(shù)化時k=3；巖土體工程地質(zhì)條件因素、災(zāi)害發(fā)生密度情況因素指數(shù)化時k=4；降雨量因素、地形地貌因素指數(shù)化時k=5。根據(jù)專家經(jīng)驗法各評價因子權(quán)重及分級評分如表1、2所示。

表1 滑坡(斜坡)、崩塌評價因子權(quán)重及分級評分表Tab.1 Evaluation factor weight and grading scale of landslide(incline)，collapse

表2 泥石流評價因子權(quán)重及分級評分表Tab.2 Evaluation factor weight and grading scale of debris flow

(3)綜合危險性指數(shù)模型

易發(fā)性綜合指數(shù)計算公式如下：

式中：Z表示評價單元內(nèi)斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度指數(shù)值，N1～N7代表單元格內(nèi)的各影響因子的指數(shù)值。K1為坡度因子的權(quán)重；K2為巖組因子的權(quán)重；K3為地質(zhì)構(gòu)造因子的權(quán)重；K4為人類活動因子的權(quán)重；K5為降雨量因子的權(quán)重；K6為植被覆蓋率因子的權(quán)重；K7為災(zāi)害點密度因子的權(quán)重。

通過采用綜合危險性指數(shù)法，結(jié)合MapGIS技術(shù)，根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害各評價因子分級評分表，對每一個評價單元格內(nèi)各類致災(zāi)因素分級賦以不同的分級值，采用對研究區(qū)的七個評價因子一一進行指數(shù)量化，得到評判單元格內(nèi)每個評價因子的指數(shù)值Ni，再運用專家經(jīng)驗評價因子的權(quán)值打分表計入每個評價因子的權(quán)重值K i，運用綜合危險性指數(shù)公式，對7個因子疊加運算得到調(diào)查區(qū)所有地質(zhì)災(zāi)害類型的易發(fā)性綜合指數(shù)值，利用MapGIS屬性管理和空間疊加功能綜合疊加各單因素圖層，最終得到每個單元格的易發(fā)性綜合指數(shù)。按照表3分區(qū)標準生成等值線，得到整個資興市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的空間分區(qū)。

表3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)標準Tab.3 Susceptibility zoning standard of geological disasters

2.3 基于層次分析的綜合危險性指數(shù)法

層次分析法(AHP)于20世紀70年代中期由美國運籌學(xué)家托馬斯·塞蒂提出。它是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)化、層次化的分析方法。在專家經(jīng)驗對評價因子打分的基礎(chǔ)上，構(gòu)造出由各評價因子組成的數(shù)學(xué)判斷矩陣，通過求得矩陣的特征向量而得到各評價因子的重要程度。通過對研究對象總體把握和分析，了解問題的實質(zhì)，從而判斷出需研究探索的因素范圍。確立各因素相互間的層次及主次隸屬關(guān)系，從而構(gòu)建出由目標和各因子組成的層次模型。根據(jù)易發(fā)性評價指標層次結(jié)構(gòu)模型，按評價因子的重要程度進行兩兩比較得到判斷矩陣，再進行一致性檢驗。各級因子的層次單排序和總排序如表4所示，結(jié)合GIS技術(shù)，根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害各評價因子分級評分表，對每一個評價單元格內(nèi)各類地質(zhì)環(huán)境條件等致災(zāi)因素分級賦以不同的分級值，對研究區(qū)的7個評價因子一一進行指數(shù)量化，得到評判單元格內(nèi)每個評價因子的指數(shù)值Ni。再運用上面層次分析法得到的評價因子總排序作為7個評價因子的權(quán)值Ki，運用綜合危險性指數(shù)公式(2)，對7個因子疊加運算得到調(diào)查區(qū)所有地質(zhì)災(zāi)害類型的易發(fā)性綜合指數(shù)值。通過GIS平臺，利用其區(qū)對區(qū)、點對區(qū)等各種疊加分析功能對各因子綜合分析評價，按照表4所示分區(qū)標準生成等值線，得到整個資興市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的空間分區(qū)。

與專家經(jīng)驗法相比，層次分析法中除了災(zāi)害點密度、巖土體結(jié)構(gòu)類型特征的權(quán)值有提高外，其余因子的權(quán)值均有不同程度的降低。歷史地質(zhì)災(zāi)害的密度很大程度上反應(yīng)了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度，層次分析法中也強調(diào)了巖土體結(jié)構(gòu)特征因子對分區(qū)評價的主要貢獻。

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)評價

3.1 基于專家經(jīng)驗的綜合危險性指數(shù)法地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)

分區(qū)標準是在參考其他地區(qū)的分區(qū)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，考慮資興市各分區(qū)面積比例實際情況，近似等距原則確定的(表3)，基于專家經(jīng)驗的綜合危險性指數(shù)法的資興市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)結(jié)果如下：

(1)地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)

主要分布于環(huán)東江湖水庫—三都—州門司地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、黃草環(huán)東江湖水庫地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、清江西部—七里地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，面積848.07km2，占全市面積的30.97%，區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點272處，占全市災(zāi)點總數(shù)的40.00%。

表4 一、二級評價指標權(quán)重和總排序權(quán)重Tab.4 The first and secondary index weight and total weight sorting

(2)地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)

主要分布于清江西部—七里地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)、波水東北部—湯溪中南部地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)、州門司東南部—黃草地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，面積1463.83km2，占全市面積的53.47%，區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點373處，占全市災(zāi)點總數(shù)的54.85%。

(3)地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)

主要分布于湯溪北部地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)、團結(jié)北部—波水西部地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)、滁口西北—白廊東部地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)、連坪南部—東坪地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)，面積425.84 km2，占全市面積的15.56%，區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點35處，占全市災(zāi)點總數(shù)的5.15%。

3.2 基于層次分析的綜合危險性指數(shù)法地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)

基于層次分析的綜合危險性指數(shù)法，根據(jù)表5所示分區(qū)標準對資興市的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)結(jié)果如下：

(1)極高易發(fā)區(qū)：主要分布于三都—程水—唐洞街道三鄉(xiāng)鎮(zhèn)交匯處、興寧中東部、黃草環(huán)東江湖水庫地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)，面積6.11km2，占全市面積的0.23%，區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點15處，占全市災(zāi)點總數(shù)的2.20%。

(2)高易發(fā)區(qū)：主要分布于環(huán)東江湖水庫—三都—州門司地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，面積717.87km2，占全市面積的26.54%，區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點283處，占全市災(zāi)點總數(shù)的41.62%。

(3)中易發(fā)區(qū)：七里西北—廖江西北—程水西北地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)、程水東北地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)興寧—七里—湯溪地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、東江街道辦—清江西部地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)、環(huán)東江湖—草黃—州門司地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，面積1539.81km2，占全市面積的56.92%，區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點355處，占全市災(zāi)點總數(shù)的52.21%。

(4)低易發(fā)區(qū)：團結(jié)北部—波水西部地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)、湯溪西北—東北部地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)滁口西北—白廊東部地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)、黃草西北—滁口東部地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)、連坪南部—龍溪東部—東坪地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)、黃草西北部地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)，面積441.39km2，占全市面積的16.32%，區(qū)內(nèi)有地質(zhì)災(zāi)害點27處，占全市災(zāi)點總數(shù)的3.97%。

表5 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)標準Tab.5 Susceptibility zoning standard of geological disasters of the research area

3.3 兩種方法易發(fā)分區(qū)評價結(jié)果對比

層次分析法與專家經(jīng)驗法所得分區(qū)結(jié)果大體上一致，與研究區(qū)實際情況比較符合，但也存在一定差異，層次分析法相對較優(yōu)越(見圖2、圖3)。層次分析法提高了評價因子“災(zāi)害點密度”的權(quán)值比重，更充分地考慮了歷史現(xiàn)狀對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的影響。層次分析法除了將易發(fā)區(qū)劃分為低、中、高易發(fā)區(qū)外，還指出了極高易發(fā)區(qū)?；趯＜医?jīng)驗的綜合易發(fā)指數(shù)法對于權(quán)重的確定完全是人為的，誤差偏大，而層次分析法確定權(quán)重是定性與定量的結(jié)合，將評價因子的重要程度進行兩兩比較得到判斷矩陣，獲得的各級因子的層次排序權(quán)值較為精確。層次分析法缺點是確定權(quán)重時，判斷矩陣由專家經(jīng)驗打分，受一定人為因素的干擾。

3.4 易發(fā)分區(qū)界線修正

由于多因子疊加計算結(jié)果常常會導(dǎo)致局部界線與區(qū)域地質(zhì)單元界線、地貌單元界線不一致，無論采用哪種方法所得的易發(fā)分區(qū)界線，均需要按地貌—地質(zhì)單元界線進行局部修正，以期分區(qū)結(jié)果更加符合實際情況。

4 結(jié)論

(1)由專家經(jīng)驗法和層次分析法易發(fā)分區(qū)評價結(jié)果可知，各等級易發(fā)分區(qū)趨勢上大體相似，但有細節(jié)上的區(qū)別。

(2)層次分析法提高了評價因子“災(zāi)害點密度”的權(quán)值比重，更充分地考慮了歷史地質(zhì)災(zāi)害對易發(fā)程度的影響。

圖2 專家經(jīng)驗法易發(fā)分區(qū)圖Fig.2 Susceptibility zoning map by expertise

圖3 層次分析法易發(fā)分區(qū)圖Fig.3 Susceptibility zoning map by AHP

(3)層次分析法除了將易發(fā)區(qū)劃分為低、中、高易發(fā)區(qū)外，還指出了極高易發(fā)的潛在區(qū)域，但所占面積百分比小。

(4)基于專家經(jīng)驗的綜合易發(fā)指數(shù)法對于權(quán)重的確定靠專家經(jīng)驗，其評價結(jié)果誤差偏大；而層次分析法確定權(quán)重是定性與定量的結(jié)合，結(jié)果較為合理。

(5)無論采用專家經(jīng)驗法還是層次分析法所獲得的易發(fā)分區(qū)界線，均需要按地貌—地質(zhì)單元界線進行局部修正。

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Zoning of Geological Hazard Susceptibility Based on GIS

Jin Fuxi1，He Hengwu1，Xu Zhi2
(1.School of Geosciences and Info-Physics；Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological E nvironmental Monitoring of the Ministry of Education，Central South University，Changsha，Hunan，410083，China 2.Jiangxi University of Technology，Nanchang，Jiangxi，330098，China)

This article evaluates the geological hazard susceptibility based on GIS with the methods of expertiseintegrated risk index and AHP-integrated risk index on the basis ofthe summarization of the distribution of landslides，collapses，mudslides and other geological disasters in Zixing，Hunan Province.The results from the two research methods are roughly consistent except some differences.The AHP improves the proportion of evaluation factors，and takes into full account the impact of historical and current conditions on the geological hazard susceptibility.It not only classifies the hazard-prone areas into low，medium and high-prone areas，but also points out the extremely high hazard-prone areas.The definition of proportion by expertise-integrated prone index method is subjective with deviation.The AHP’s determination of proportion combines qualitative and quantitative analyses，therefore，the result is more reliable.

GIS；geological disasters；experts index；AHP；zoning of hazard-prone susceptibility

P694

：A

：1673-8047(2015)04-0018-08

2015-09-06

金福喜(1965—)，男，副教授，博士，主要從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及災(zāi)害地質(zhì)教學(xué)、科研工作。