王萬(wàn)平

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018 )

0 引 言

隨著人類活動(dòng)規(guī)模和范圍的擴(kuò)大，滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)加劇趨勢(shì)，嚴(yán)重危害著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，影響著經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。為此，國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在“十三五”期間部署開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查。地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查內(nèi)容涉及地質(zhì)、地貌、氣象、水文、人類活動(dòng)等諸多領(lǐng)域，調(diào)查數(shù)據(jù)類型復(fù)雜，數(shù)據(jù)量極大。為了有效地存儲(chǔ)和管理這些海量數(shù)據(jù)，提高防災(zāi)減災(zāi)工作效率，利用地理信息系統(tǒng)(GIS)可以有效地解決這一問(wèn)題[1-5]。利用ArcGIS空間分析功能，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃和評(píng)價(jià)。極大地方便了地方政府相關(guān)部門防災(zāi)減災(zāi)工作，為專業(yè)技術(shù)人員提供了一個(gè)快捷有效的數(shù)據(jù)提取、分析評(píng)價(jià)平臺(tái)。易發(fā)程度區(qū)劃可以為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提供減災(zāi)防災(zāi)依據(jù)，保證經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)也可以宣傳地質(zhì)災(zāi)害知識(shí)，提高公眾的減災(zāi)防災(zāi)意識(shí)，有利于地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

1 評(píng)價(jià)方法

本文采用層次分析法確定各評(píng)價(jià)因子權(quán)重。層次分析法（analytical hierarchy process,AHP）的基本原理是將要評(píng)價(jià)系統(tǒng)的各種要素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在分解基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析的決策[6]。這種方法的特點(diǎn)是在對(duì)決策問(wèn)題的本質(zhì)、影響因素及內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息把決策者的決策思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)，多準(zhǔn)則或無(wú)結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問(wèn)題提供簡(jiǎn)單的決策手段。

1.1 層次分析法的基本步驟

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型

在深入分析實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)上，將有關(guān)的各因素按照不同的屬性自上而下分解成若干層次。同一層次的諸因素從屬于上一層或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊懀瑫r(shí)又支配下一層的因素或受下一層因素的作用。層次結(jié)構(gòu)通?？煞譃槟繕?biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

2）構(gòu)造判斷矩陣

從層次結(jié)構(gòu)模型的方案層開(kāi)始，對(duì)于從屬于（或影響）上一層的每個(gè)因素的同一層諸因素進(jìn)行兩兩比較。比較其對(duì)于準(zhǔn)則的重要程度，并按事前規(guī)定的標(biāo)度定量化，建立判斷矩陣。

3）計(jì)算權(quán)向量

對(duì)每一個(gè)成對(duì)比較矩陣，利用求和法計(jì)算最大特征根及對(duì)應(yīng)特征向量。

4）一致性檢驗(yàn)：AHP要求判斷矩陣具有大體的一致性，能夠使計(jì)算的結(jié)果基本上合理。對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算。

式中，CR為一致性比率。當(dāng)CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為矩陣具有滿意的一致性；而

式中，λmax為一致性矩陣的最大特征根，n為成對(duì)比較的因子的個(gè)數(shù)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

1.2 層次分析法計(jì)算權(quán)重

1.2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示，建立研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)模型圖，將災(zāi)害分布密度、坡度、坡型、坡高、巖土體類型、河流沖刷和人類工程活動(dòng)等7個(gè)因子作為方案層，分別歸屬于災(zāi)害發(fā)育因素、形成因素、誘發(fā)因素準(zhǔn)則層。

圖1 易發(fā)性評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchy model for evaluation of susceptibility

1.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

采用1～9標(biāo)度方法分別對(duì)準(zhǔn)則層和方案層的各個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較，賦以相應(yīng)分值，構(gòu)造判斷矩陣，其中，目標(biāo)層A對(duì)準(zhǔn)則層B判斷矩陣為：

準(zhǔn)則層B對(duì)方案層C的判斷矩陣為：

1.2.3 計(jì)算權(quán)向量及一致性檢驗(yàn)

根據(jù)層次分析法權(quán)向量計(jì)算公式，可以計(jì)算出矩陣A和B的λmax和歸一化的ω值：

λmax(A)=3，ω(A)=(0.567 9，0.333 9，0.098 2)，其一致性檢驗(yàn)結(jié)果CR＝0.021 3

λmax(B2)=5.013 3，ω(B2)=(0.313 0，0.098 8，0.0988，0.313 0，0.176 5)，其一致性檢驗(yàn)結(jié)果CR＝0.003。

方案層C對(duì)目標(biāo)層A的總排序權(quán)重計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣層次總排序結(jié)果表Tab.1 Judgment matrix hierarchy total sort results table

方案層C對(duì)目標(biāo)層A的一致性比率CR＝0.0243＜0.1，層次總排序結(jié)果具有較滿意的一致性。

2 基于GIS地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)單元選擇

應(yīng)用GIS評(píng)價(jià)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性時(shí)，產(chǎn)生了多種劃分模型單元的方法，總結(jié)起來(lái)主要有以下5種形式：格網(wǎng)單元、地域單元、均一條件單元、子流域單元、邊坡單元。其中，格網(wǎng)單元對(duì)應(yīng)于GIS中的柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是柵格GIS中常用的一種基本單元。將整個(gè)區(qū)域按預(yù)定的大小劃分為規(guī)則的多邊形作為基本的模型計(jì)算和繪圖單元。格網(wǎng)劃分完之后，將所要考慮的每一個(gè)因素（地質(zhì)、地形等）的賦值賦予每一個(gè)網(wǎng)格單元，這些值在單元中均勻分布。由于格網(wǎng)單元法在計(jì)算機(jī)中的實(shí)現(xiàn)十分快捷和方便，在評(píng)價(jià)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性時(shí)被廣泛采用[7-10]。本文亦采用格網(wǎng)單元法確定延長(zhǎng)縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)單元。

采用格網(wǎng)單元法時(shí)格網(wǎng)大小的確定十分重要，格網(wǎng)單元尺寸選取太大，則影響預(yù)測(cè)精度，選取太小，則造成計(jì)算量太大，所以，格網(wǎng)大小的選取應(yīng)依據(jù)以下原則：格網(wǎng)應(yīng)使單元精度能充分反映一定比例尺下地質(zhì)實(shí)體的空間分布及其屬性特性，滿足該比例尺下地質(zhì)體的實(shí)際精度；格網(wǎng)化時(shí)應(yīng)充分考慮計(jì)算機(jī)處理能力，在保證一定格網(wǎng)化精度的情況下，盡可能地保證計(jì)算機(jī)運(yùn)行的速度；格網(wǎng)化時(shí)應(yīng)綜合考慮各圖層的精度[11-13]。

根據(jù)以上選取原則，結(jié)合研究區(qū)已發(fā)生崩塌、滑坡災(zāi)害的規(guī)模，本文采用2 km×2 km的方格精度進(jìn)行格網(wǎng)劃分，將全區(qū)離散為670個(gè)單元網(wǎng)格，所依據(jù)的基礎(chǔ)圖件為1:50 000的DEM圖和工程地質(zhì)圖。然后將災(zāi)點(diǎn)密度、坡度指標(biāo)、坡高指標(biāo)、坡型指標(biāo)、巖土體類型指標(biāo)、河流沖刷指標(biāo)和人類工程活動(dòng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果柵格化，并進(jìn)行0～1之間線性歸一化。各個(gè)指標(biāo)歸一化圖如圖2～圖8所示。

圖2 災(zāi)點(diǎn)密度歸一化圖Fig.2 Normalized plots of disaster density

圖3 坡度歸一化圖Fig.3 Normalized slope diagram

圖4 坡型歸一化Fig.4 Slope normalization

圖5 坡型歸一化圖Fig.5 Normalized slope pattern

圖6 巖土體類型歸一化圖Fig.6 Normalized map of rock

圖7 河流沖刷歸一化圖Fig.7 Normalization of river erosion

圖8 人類工程活動(dòng)歸一化圖Fig.8 Normalized human engineering activity

2.2 基于GIS的空間疊置分析

2.2.1 運(yùn)算方法及過(guò)程

在評(píng)價(jià)指標(biāo)分析和重分類基礎(chǔ)上，可用下面的公式計(jì)算易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果：

式中,P為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果，xi為各評(píng)價(jià)因子的評(píng)價(jià)結(jié)果，ni為各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

這一過(guò)程可以運(yùn)用ArcGIS柵格計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)，將各指標(biāo)重分類圖按照層次分析法確定的權(quán)重(見(jiàn)表3)進(jìn)行疊加計(jì)算。可以得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評(píng)價(jià)結(jié)果圖，如圖9所示。

圖9 各因子指標(biāo)疊置分析計(jì)算結(jié)果圖Fig.9 Shows the overlay analysis results of each factor

2.2.2 易發(fā)程度等級(jí)劃分

合理確定易發(fā)程度分區(qū)界線值十分重要。本次評(píng)價(jià)采用ArcGIS中自然裂點(diǎn)法和當(dāng)?shù)刈匀粸?zāi)害歷年發(fā)生統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將各因子評(píng)價(jià)指標(biāo)疊加分析結(jié)果分為四級(jí)，分級(jí)結(jié)果如圖10所示。

圖10 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖Fig.10 Geographic hazard-prone zoning map for the study area

P＝0.392 460 470～0.985 501 528時(shí)，為高易發(fā)區(qū)；P＝0.234 572 915～0.392 460 470時(shí)，為中易發(fā)區(qū)；P＝0.134 449 100～0.234 572 915時(shí)，為低易發(fā)區(qū)；P＝0.003 517 957～0.134 449 100時(shí)，為不易發(fā)區(qū)。在定量計(jì)算劃分易發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素，得到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃圖，如圖11所示。

圖11 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃圖Fig.11 Zoning map of geological hazard prone areas in the study area

2.3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分區(qū)評(píng)價(jià)

在ArcGIS平臺(tái)劃分易發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素，編制出了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)，將研究區(qū)化分為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)。其中，高易發(fā)區(qū)面積167.18 km2，占全研究區(qū)面積的7.06%，滑坡、崩塌、不穩(wěn)定坡體點(diǎn)74處，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度0.44處/km2，包括黑家堡～郭旗高易發(fā)區(qū)(Ⅰ1)、七里村～縣區(qū)高易發(fā)區(qū)(Ⅰ2)、張家灘高易發(fā)區(qū)(Ⅰ3)、交口高易發(fā)區(qū)(Ⅰ4)、雷赤～南河溝高易發(fā)區(qū)(Ⅰ5)等5個(gè)亞區(qū)；中易發(fā)區(qū)面積533.04 km2，占研究區(qū)面積的22.51%，滑坡、崩塌、不穩(wěn)定坡體點(diǎn)100處，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度0.19處/km2，包括黑家堡～南河溝中易發(fā)區(qū)(Ⅱ1)、交口～劉家河中易發(fā)區(qū)(Ⅱ2)、安溝中易發(fā)區(qū)(Ⅱ3)、雷赤～南河溝中易發(fā)區(qū)(Ⅱ4)及安河中易發(fā)區(qū)(Ⅱ5)5個(gè)亞區(qū)；低易發(fā)區(qū)面積1 427.19 km2，占研究區(qū)面積的60.27%，滑坡、崩塌、不穩(wěn)定坡體點(diǎn)85處，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度0.06處/km2；不易發(fā)區(qū)面積240.59 km2，占研究區(qū)面積的10.16%，包括鄭莊～七里村～安溝非易發(fā)區(qū)(Ⅳ1)和羅子山～安河非易發(fā)區(qū)(Ⅳ2)，基本無(wú)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）在對(duì)研究區(qū)災(zāi)害現(xiàn)狀及形成條件、誘發(fā)因素分析的基礎(chǔ)上，選取災(zāi)點(diǎn)分布密度、斜坡坡度、斜坡坡型、斜坡坡高、河流沖刷、巖土體條件、人類活動(dòng)等7個(gè)因素作為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2）在利用層次分析法計(jì)算出各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，ArcGIS平臺(tái)下，將評(píng)價(jià)因子進(jìn)行量化，得到了各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化圖，根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，利用空間疊置分析功能將所有評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行疊置計(jì)算分析，然后采用ArcGIS中自然裂點(diǎn)法和當(dāng)?shù)刈匀粸?zāi)害歷年發(fā)生統(tǒng)計(jì)結(jié)果分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將計(jì)算結(jié)果分成四級(jí)，得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分級(jí)結(jié)果。

3）在易發(fā)區(qū)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素，編制出了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)，將研究區(qū)化分為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)。分級(jí)結(jié)果極大地方便了地方政府相關(guān)部門防災(zāi)減災(zāi)工作，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供了決策依據(jù)。