何 超， 曾 森， 劉漢湖

(1.成都理工大學 國土資源部地學空間信息技術(shù)重點實驗室，成都 610059；2.四川省國土資源廳信息中心，成都 610072)

0 引言

社會建設(shè)有序進行的同時，地質(zhì)災(zāi)害日益嚴重，易發(fā)性分析成為當今研究的熱點。易發(fā)性分析是地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評估的重要組成部分，在獲取災(zāi)害易發(fā)情況的基礎(chǔ)上，對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度進行劃分，充分了解其空間分布規(guī)律，可為當?shù)卣峁┓罏?zāi)減災(zāi)依據(jù)。目前已有多種方法可實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模糊綜合評價法、空間信息量模型、層次分析法及基于空間數(shù)據(jù)庫的空間分析方法等均廣泛應(yīng)用于各項災(zāi)害評估[1-4]。

參考國內(nèi)、外相關(guān)研究，空間信息量模型和AHP模型在災(zāi)害易發(fā)性分析中應(yīng)用相對成熟，杜軍等[5]基于信息量模型對汶川次生地質(zhì)災(zāi)害進行了危險性評價；杜春蘭等[6]采用層次分析法和空間信息量模型兩種方法進行渝北區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險度研究，并對其結(jié)果進行了對比分析；任玉輝等[7]研究了層次分析法在校園火災(zāi)危險性分析中的應(yīng)用。

綜合上述，考慮到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響因素復(fù)雜繁多的特點，筆者在評價指標的可獲取范圍內(nèi),盡可能全面地展開了基于AHP模型的萬源市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分析，并在查明萬源市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育空間分布特征的基礎(chǔ)上，提出合理的地質(zhì)災(zāi)害防治建議，以確保當?shù)鼐用袢松碡敭a(chǎn)安全，進一步維持社會經(jīng)濟穩(wěn)定。

1 研究區(qū)概況

萬源市位于四川東北邊緣，幅員面積4 065 km2(圖1)。地理范圍介于30°39′N ～32°20′N，107°28′E～108°31′E之間，位于大巴山腹心地帶，總體地勢東西向高低相間，為低中山、丘陵地貌，是中國南北氣候的分界線和嘉陵江、漢江的分水嶺。地處川、陜、渝三省、市共7個縣市交匯處，國道G210、G65線及省道S302縱橫貫穿全市，是進出川的主要通道和重要門戶。西南地區(qū)人類工程活動最為密集，其次為中部地區(qū)以及東北地區(qū)，區(qū)內(nèi)多為軟巖組、較軟巖組，使得萬源市多有地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生。

圖1 萬源市區(qū)域概況圖Fig.1 The regional overview of Wanyuan city

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源及指標選取

本次研究的數(shù)據(jù)包括：國家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1∶50 000地形圖和1∶200 000地質(zhì)圖、高分辨率對地觀測系統(tǒng)四川數(shù)據(jù)與應(yīng)用中心提供的高分一號衛(wèi)星遙感影像(空間分辨率為2 m)、中國科學院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站提供的ETM影像(空間分辨率為15 m)及2016年野外調(diào)查結(jié)合遙感解譯所得259處滑坡、崩塌、泥石流地質(zhì)災(zāi)害點。

遵循指標選取的科學性，結(jié)合研究區(qū)實際地理情況及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性影響因子，筆者選取斷層、巖土類型和地貌特征作為研究的地質(zhì)條件，高程、地形起伏、坡度、坡向和曲率作為地形因子，道路作為人類工程活動影響因子以及水系作為河流侵蝕影響因子。其中地質(zhì)條件相關(guān)因子的獲取參考了1∶200 000 地質(zhì)圖，根據(jù)ETM影像室內(nèi)解譯及野外驗證共同確定；利用1∶50 000地形圖生成DEM[8]，進而衍生出地形起伏、坡度等地形因子；道路及水系通過高分一號高分辨率遙感影像目視解譯獲得。

2.2 AHP模型確定權(quán)重

作為一種相對精準快捷的權(quán)重確定方法，層次分析法旨在利用較少的定量信息將思維過程數(shù)學化，定向分解各項研究指標至不同目標層次，將復(fù)雜問題系統(tǒng)化，為目標因子影響程度的劃分提供便捷的決策方法。

鄧雪等[9]著重研究了層次分析法確定權(quán)重的四種計算方法，包括幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法和最小二乘法。最終得出采用最小二乘法得出的結(jié)果偏差較大，其他三種方法效果較好。其中幾何平均法即數(shù)學中的方根法，其原理是對構(gòu)造矩陣逐行求幾何平均值，再將所得向量歸一化的過程；算術(shù)平均法也叫求和法，是先對構(gòu)造矩陣按列歸一化，然后相加求平均值；特征向量法是在上述方法的基礎(chǔ)上，對所得權(quán)重向量與構(gòu)造矩陣的乘積進行歸一化處理；最小二乘法則是用擬合方法確定權(quán)重向量，使殘差平方和為最小。綜合考慮以上研究成果，我們采用層次分析法中的幾何平均法。

2.2.1 構(gòu)造判斷矩陣

表1 指標相對重要性判斷規(guī)則

根據(jù)上述規(guī)則定義各指標之間相對重要性，構(gòu)造如下判斷矩陣A：

2.2.2 計算指標權(quán)重

計算判斷矩陣各行幾何平均值：

(1)

(2)

2.2.3 檢驗判斷矩陣一致性

構(gòu)造判斷矩陣過程中，由于對各項指標進行重要性對比時難以做到完全一致的度量，且主觀因素較強，判斷結(jié)果通常存在一定誤差，為提高權(quán)重確定可靠性，須對判斷矩陣進行一致性檢查[10]。

計算判斷矩陣最大特征值：

(3)

式中：λmax為判斷矩陣A的最大特征值；AW為判斷矩陣與各項指標權(quán)重的乘積。根據(jù)判斷矩陣RI值及一致性指標進行判斷矩陣一致性檢驗：

(4)

式中:CR為隨機一致性比率，CR<0.1時，則認為判斷矩陣具有一致性，表示其判斷結(jié)果誤差在可控制范圍內(nèi)，由其所得權(quán)重符合研究標準，否則需要重新構(gòu)造判斷矩陣；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，對于不同數(shù)量的指標有不同取值，9階以內(nèi)判斷矩陣RI值如表2所示。

表2 不同階數(shù)判斷矩陣RI值

2.3 綜合評價

通過上述模型即可得到各項指標權(quán)重(表3)，為降低各項指標量綱差異的影響，我們在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)實際地理特征，對地質(zhì)條件、地形因子相關(guān)指標及水系道路影響范圍進行了分級賦值實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化[11-13]，其值越大，則表明對地質(zhì)災(zāi)害影響越大。

表3 指標權(quán)重計算結(jié)果

在ArcGIS分析功能的支持下，利用各分層指標對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進行綜合分析，綜合評價模型如下：

Z=W1V1+W2V2+W3V3+…+WnVn

(5)

式中，Z為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度綜合指數(shù)，數(shù)值越大則易發(fā)性越高；Wn為第n項指標權(quán)重；Vn為第n項研究指標標準化取值。

3 結(jié)果分析

3.1 易發(fā)區(qū)分類定級

通過上述綜合評價模型對研究區(qū)各指標圖層進行加權(quán)疊加分析,可得到區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分布結(jié)果(圖2)，對其進行等級劃分，以凸顯易發(fā)性分布規(guī)律，從而有針對性的進行深入研究，制定科學防治計劃。當前最具代表性的數(shù)據(jù)分類定級方法主要為經(jīng)驗判定法及自然間斷點分級法，前者主要參考已有研究成果，受人為主觀影響較大。我們采用自然間斷點分級法實現(xiàn)研究區(qū)的易發(fā)性分級，該方法是在對具有相似像元值的柵格像元進行整合及分類的基礎(chǔ)上，最大化的凸顯各類別差異，是地質(zhì)災(zāi)害評價類研究最常用的分級方法[3-4,14-15]。

圖2 綜合分析結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of comprehensive analysis

圖3 萬源市地質(zhì)災(zāi)害點與易發(fā)區(qū)關(guān)系圖Fig.3 The relationship between the susceptible area and geological disaster point of Wanyuan

3.2 驗證分析

為確保分析結(jié)果的合理性和可靠性，筆者對萬源市2016年地質(zhì)災(zāi)害點與災(zāi)害易發(fā)區(qū)分級結(jié)果進行疊加分析，得到地質(zhì)災(zāi)害點與易發(fā)區(qū)關(guān)系圖(圖3)。從表4可以看出，隨著易發(fā)程度增加，研究區(qū)內(nèi)災(zāi)害點密度呈現(xiàn)出增長趨勢，其中低易發(fā)區(qū)內(nèi)無災(zāi)害點發(fā)育，密度最小，表示該區(qū)域極少有地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生；較低易發(fā)區(qū)所占面積較大，但其災(zāi)害點數(shù)量

表4 萬源市地質(zhì)災(zāi)害點與易發(fā)區(qū)關(guān)系表

僅占總量的7%，平均密度為0.018 6個/km2，可見該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較?。恢幸装l(fā)區(qū)內(nèi)災(zāi)害點數(shù)量明顯增多，區(qū)域面積有少量變化，對應(yīng)災(zāi)害點密度為0.049 8個/km2；災(zāi)害密度最大的區(qū)域為高易發(fā)區(qū)，平均0.168 7個/km2，其災(zāi)害點數(shù)量占總量的23%，區(qū)域面積僅占總面積的8.76%，是萬源市地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)；其次是較高易發(fā)區(qū)，災(zāi)害點密度為0.122 0個/km2，其易發(fā)程度僅次于高易發(fā)區(qū)。

綜上所述，綜合評價后的易發(fā)區(qū)分布規(guī)律符合萬源市2016年地質(zhì)災(zāi)害點的分布規(guī)律，AHP模型支持下的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分析可較準確地預(yù)測出研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，可為萬源市地質(zhì)災(zāi)害的深入研究以及具體防治規(guī)劃的制定提供有力條件。

3.3 評價分析

萬源市地質(zhì)災(zāi)害整體易發(fā)程度較高，約60%的區(qū)域處于中易發(fā)區(qū)以上，主要集中于西部及中部地區(qū)，呈現(xiàn)出自東向西依次遞增的趨勢。

1)低易發(fā)區(qū)及較低易發(fā)區(qū)主要位于研究區(qū)東北部及中部部分地區(qū)。該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較小，地形地質(zhì)條件相對穩(wěn)定，雖然海拔高，坡度大，地貌以低中山為主，北東-北西向斷層較密集，但其巖土類型主要為以灰?guī)r、白云巖、砂巖、鹽溶角礫巖為主的較硬巖組及由玄武巖、硅質(zhì)巖夾灰?guī)r、頁巖組成的硬巖組，水文稀疏，人類工程活動也相對較少。在受到地形條件及斷層構(gòu)造限制的同時，也在巖土類型和人類活動等有利條件下減小了地面下滑變形導(dǎo)致的滑坡、裂縫塌陷以及道路邊坡開挖導(dǎo)致的崩塌。

2)中易發(fā)區(qū)分散于整個研究區(qū)域，超過總面積的三分之一，其中東北部及中部地區(qū)分布最為稀疏。該區(qū)域具有海拔低，地形起伏較小，坡度較小的地形特點，低山地貌，巖土類型以較硬巖組及由淺紫色塊狀長石砂巖、灰綠色砂、礫巖、泥灰?guī)r夾灰?guī)r組成的較軟巖組為主，人類干擾相對增加。地形的優(yōu)勢作用及巖土類型與人類工程活動等的共同影響，使該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象維持在一個相對平衡的狀態(tài)。

3)較高易發(fā)區(qū)及高易發(fā)區(qū)，主要呈大斑塊狀分布于研究區(qū)西南部以及西北向條帶狀平行分布于中部地區(qū)，低山、丘陵地貌。較高的坡度和曲率以及密集的北東-北西向斷層為該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了有利條件；從巖土類型來看，較軟巖組及由鮮紅色泥巖夾粉砂巖組成的軟巖組決定了該區(qū)域巖體疏松的特點；此處水文密集，河流侵蝕嚴重，加之人類工程活動較多，道路修建、邊坡開挖、農(nóng)業(yè)耕種均加大了地質(zhì)災(zāi)害的形成幾率，使其成為災(zāi)害防治的重點區(qū)域。

4 結(jié)論與建議

考慮到對分析結(jié)果的準確性需求，針對萬源市實際地形地貌及地質(zhì)特點，選取了地形、地質(zhì)、人類工程活動及河流侵蝕相關(guān)的10個指標，采用目前使用相對成熟的AHP模型對萬源市進行了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分析，并通過自然間斷點法對易發(fā)區(qū)進行了分級，結(jié)果如下：

1)為驗證萬源市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分的可靠性，在GIS分析功能的支持下，對研究區(qū)2016年地質(zhì)災(zāi)害點與地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進行了疊加分析。結(jié)果表明，采用AHP模型與自然間斷點法，對萬源市進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分析及分級能較準確地預(yù)測出研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性。

2)從整體來看，萬源市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度較高，大部分區(qū)域處于中易發(fā)區(qū)以上，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育概率上呈現(xiàn)出自東向西依次遞增的趨勢。低易發(fā)區(qū)及較低易發(fā)區(qū)主要位于研究區(qū)東北部及中部部分地區(qū)，該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率較小，地形地質(zhì)條件相對穩(wěn)定；中易發(fā)區(qū)分散于整個研究區(qū)域，超過總面積的三分之一，該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象維持在一個相對平衡的狀態(tài)；較高易發(fā)區(qū)及高易發(fā)區(qū)主要呈大斑塊狀分布于研究區(qū)西南部以及西北向條帶狀平行分布于中部地區(qū)，該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育概率高，地形地質(zhì)條件不穩(wěn)定，人為干擾力度大，是災(zāi)害防治的重點區(qū)域。

3)為確保萬源市居民人身財產(chǎn)安全，對于地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，建議加強生態(tài)環(huán)境保護，盡量避免不合理的人類工程活動，從根本上降低地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻率；并依據(jù)研究區(qū)各現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害體的不同特點采取不同的防治措施，并制訂相應(yīng)的防災(zāi)規(guī)劃，以最大限度減輕或避免地質(zhì)災(zāi)害造成的損失和危害；詳細勘察區(qū)內(nèi)危害程度較大的地質(zhì)災(zāi)害體，了解其基本特征，為進一步開展地質(zhì)災(zāi)害工程治理提供科學依據(jù)。

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