劉紅耀 ，溫利華

（1.邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北 邯鄲 056001；2.邯鄲學(xué)院，河北 邯鄲 056001；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430070）

中國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，災(zāi)害發(fā)生面積廣，類型多樣，破壞性強(qiáng)，對人們生產(chǎn)生活影響較大，而且災(zāi)害頻發(fā)區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也受到了一定限制。21世紀(jì)以來，地質(zhì)災(zāi)害造成數(shù)百萬人失去生命，8億人的生產(chǎn)生活受到影響，每年自然災(zāi)害會吞噬人類財(cái)富的1/10。隨著社會的快速發(fā)展和科技水平的提高，人類的防災(zāi)抗災(zāi)能力不斷增強(qiáng)，但人類對自然的不合理改造和過度干預(yù)，導(dǎo)致全球范圍內(nèi)的自然災(zāi)害仍在加劇。目前國內(nèi)外對地質(zhì)災(zāi)害的分析多側(cè)重于工程分析、災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)分析及預(yù)測分析，多數(shù)研究采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型對孕災(zāi)因子進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)將各影響因子疊加進(jìn)行災(zāi)區(qū)危險(xiǎn)性的空間分析[1，2]。Budetta等[3]基于GIS的空間分析功能，對滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了空間預(yù)測。Li等[4]基于3S技術(shù)對丹江口庫區(qū)的自然災(zāi)害進(jìn)行了生態(tài)脆弱性評價(jià)。Tesfamariam等[5]利用地質(zhì)數(shù)據(jù)及數(shù)字地面高程模型DEM，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對自然災(zāi)害易損性進(jìn)行了空間劃分。我國的地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)工作起步較晚，進(jìn)入21世紀(jì)，中國科學(xué)院成都山地所與減災(zāi)中心相繼開始利用遙感與GIS技術(shù)開展地質(zhì)災(zāi)害的評價(jià)研究，3S技術(shù)在汶川地震時(shí)發(fā)揮了實(shí)時(shí)監(jiān)測、精準(zhǔn)定位的作用[6，7]。

太行山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地層巖類多樣，是我國地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為嚴(yán)重的地區(qū)。該區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害具有分布范圍廣、分散度高的特點(diǎn)，給當(dāng)?shù)卦斐傻呢?cái)產(chǎn)損失和社會影響巨大。以2016年7月19日的特大暴雨為背景，以太行山區(qū)典型縣涉縣為研究對象，利用3S技術(shù)與層次分析法相結(jié)合的方法，對太行山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害過程展開研究，從地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性和易損性2個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，構(gòu)建太行山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)模型及區(qū)劃圖，旨為保障山區(qū)人民群眾財(cái)產(chǎn)安全及地質(zhì)災(zāi)害信息預(yù)報(bào)提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

涉縣位于太行山東麓，河北省西南部，晉冀豫三省交界處，地理位置北緯 36°17′～36°55′、東經(jīng)113°26′～114°，面積 1 509 km2。涉縣是一個(gè)全山區(qū)縣，地勢自西北向東南緩慢傾斜，縣內(nèi)全境有太行山余脈貫穿；屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，一年中降水主要集中在7～9月，年平均降水量540.5 mm，洪澇災(zāi)害頻發(fā)。涉縣地震臺處于山西臺龍東南與華北斷拗過渡帶太行臺拱范圍內(nèi)，屬新華夏構(gòu)造體系。地質(zhì)構(gòu)造有2個(gè)斷裂帶，其中，長亭至土木河斷裂的斷層走向近似南北，傾角70°～85°，長約20 km，北段為硅旦系地層，中段為奧陶統(tǒng)和寒武統(tǒng)，南段兩盤是符山巖體；圣寺駝斷裂群位于符山巖體的北部，斷層面大部分向西傾斜，斷距不大。

涉縣轄17個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，有43萬人，交通條件便利，礦產(chǎn)資源豐富，經(jīng)濟(jì)效益可觀。近年來重點(diǎn)發(fā)展特色經(jīng)濟(jì)作物和紅色旅游產(chǎn)業(yè)，已發(fā)展成為中國核桃之鄉(xiāng)、中國花椒之鄉(xiāng)、全國休閑農(nóng)業(yè)與鄉(xiāng)村旅游示范縣、國家園林縣城，縣域經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力居河北省第13位。

1.2 數(shù)據(jù)及來源

（1） 土地利用數(shù)據(jù)和植被覆蓋數(shù)據(jù)：來源于中國科學(xué)院2015年TM遙感影像（分辨率30 m）；（2） 2010年1∶10萬河北省土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)：來源于邯鄲市自然資源規(guī)劃局；（3）DEM數(shù)據(jù)：通過1∶25萬DLG數(shù)據(jù)（來源于國家基礎(chǔ)地理信息中心）獲取，制作了高程度、坡度圖、坡向圖；（4）1∶100萬涉縣地貌數(shù)據(jù)：來源于中華人民共和國地貌圖集；（5）2000年水系數(shù)據(jù)（1∶25萬）：來源于www.bigemap.com；（6）涉縣及周邊縣氣象站點(diǎn)最大月降水量數(shù)據(jù)：來源于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所；（7） 社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：來源于2015年河北省經(jīng)濟(jì)年鑒[8]和2015年邯鄲市統(tǒng)計(jì)年鑒[9]。

2 研究方法

2.1 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性是指地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性及危害性，地質(zhì)活動(dòng)越劇烈，危險(xiǎn)系數(shù)就越高，災(zāi)害的影響就越大[10，11]。

2.1.1 評價(jià)方法 用于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的方法較多，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊數(shù)學(xué)綜合評判法、灰色系統(tǒng)理論等。本研究中，選用層次分析法[12，13]進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)。

2.1.1.1 基本原理。層次分析法于20世紀(jì)70年代中期由美國運(yùn)籌學(xué)專家薩蒂提出，可以量化定性問題，并已成功應(yīng)用于地質(zhì)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究。其基本原理是把復(fù)雜的系統(tǒng)分割成準(zhǔn)則、方案、目標(biāo)等層次，以數(shù)學(xué)運(yùn)算為手段，根據(jù)每個(gè)因素的相關(guān)性劃分等級，然后確定同一等級的2個(gè)要素之間的重要性。薩蒂提出了一個(gè)由整數(shù)1～9組成的比較尺度，其中，1表示比較的因素具有相同的重要性，9表示指定因素較其他因素重要得多。

2.1.1.2 基本步驟。

（1）創(chuàng)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型。解析各個(gè)因子之間的相互關(guān)系，將各因子依據(jù)性質(zhì)不同自上而下地劃分為若干層次，上層因子影響或控制著下層因子。層次結(jié)構(gòu)一般分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和措施層。

（2）構(gòu)造判斷矩陣。在層次結(jié)構(gòu)中，對相同等級或?qū)哟蔚脑u價(jià)指標(biāo)因子進(jìn)行兩兩之間的比較，根據(jù)評價(jià)尺度決定相互間的重要程度，并以此建立模糊判斷矩陣。一般采用1～9位標(biāo)度法確定判斷矩陣中各因子的數(shù)值。

（3）計(jì)算權(quán)向量。計(jì)算每個(gè)判斷矩陣的因子相對于各因子準(zhǔn)則相應(yīng)的重要性。用和法計(jì)算判斷矩陣中最突出特征值的特征向量，相同層的相對應(yīng)因子對于上層次的某因子通過歸一化后，進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)重排序。

（4）一致性檢驗(yàn)。為了避免其他因素對判斷矩陣的干擾，在實(shí)際中要求判斷矩陣應(yīng)滿足大體上的一致性，需開展一致性檢驗(yàn)。只有通過檢驗(yàn)，判斷矩陣在邏輯上是合理的，才能繼續(xù)對結(jié)果進(jìn)行分析。

檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性：

式中，CR為一致性比例；CI為一致性指標(biāo)；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR＜0.10時(shí)，說明判斷矩陣具有一致性，無需修改。

式中，λMAX為判斷矩陣的最大特征根；n為成對比較因子的個(gè)數(shù)。

2.1.2 評價(jià)指標(biāo)構(gòu)建 不同地質(zhì)環(huán)境條件引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害不同，適宜選擇的評價(jià)指標(biāo)也不一樣。本研究條件下，將對地形地貌、地質(zhì)條件、氣象水文3個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)評估分解為8個(gè)觀測指標(biāo)（圖1）。利用層次分析法獲得各指標(biāo)的權(quán)重，并參照《縣（市）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求》實(shí)施細(xì)則[14]，將各觀測指標(biāo)的危險(xiǎn)性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)劃定為低、中、中高、高4個(gè)級別 （表 1）。

地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性用危險(xiǎn)性指數(shù)來表示。危險(xiǎn)性指數(shù)越高，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的幾率越大。計(jì)算公式為：

式中，F(xiàn)為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)；Rj是第j項(xiàng)觀測指標(biāo)的權(quán)重值；Xj是第j項(xiàng)觀測指標(biāo)柵格化的像元值。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)

圖1 危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Risk evaluation index system

表1 危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Division standard of risk evaluation index

地質(zhì)災(zāi)害易損性是指受災(zāi)體遭受災(zāi)害破壞機(jī)會的多少與發(fā)生損毀的難易程度。不同模型對易損性的定義不同，易損性暗含了在現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)水平下人類防御地質(zhì)災(zāi)害的能力，主要受風(fēng)險(xiǎn)承擔(dān)能力、風(fēng)險(xiǎn)源性質(zhì)和限制能力等因素的綜合影響[10]。本研究中，對于涉縣地質(zhì)災(zāi)害的易損性評價(jià)主要涉及經(jīng)濟(jì)和人口2個(gè)方面。

2.2.1 地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟(jì)易損性 在土地利用類型經(jīng)濟(jì)價(jià)值評估的基礎(chǔ)上對涉縣地質(zhì)災(zāi)害的經(jīng)濟(jì)易損性進(jìn)行評價(jià)，主要考慮研究區(qū)內(nèi)地類的數(shù)量特征及空間分布、地類的產(chǎn)值（表2），包括林地、耕地、城鄉(xiāng)居民用地等土地類型的經(jīng)濟(jì)易損性[10]。

計(jì)算公式為：

式中，V（u）為受災(zāi)體財(cái)產(chǎn)的總價(jià)值；m為受災(zāi)體地類個(gè)數(shù)；E（d）i為第 i個(gè)地類的平均單價(jià)；F（s）i為第i個(gè)地類的實(shí)際面積。

將研究區(qū)內(nèi)受災(zāi)體財(cái)產(chǎn)總價(jià)值數(shù)據(jù)輸入ArcGIS軟件，由系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行分級，將地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟(jì)易損性劃分為低、中、中高、高4個(gè)級別。

表2 各土地類型的經(jīng)濟(jì)價(jià)值Table 2 The economic value of each land type

2.2.2 地質(zhì)災(zāi)害人口易損性 基于人口分布的易損性評價(jià)，是根據(jù)涉縣各個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人口密度分級，劃定人口易損性等級（表3），在ArcGIS軟件中利用屬性數(shù)據(jù)獲取地質(zhì)災(zāi)害人口易損性評價(jià)圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 涉縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)

涉縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估包含3個(gè)方面，共8個(gè)指標(biāo)。運(yùn)用層次分析法，通過對各指標(biāo)的成對比較構(gòu)建判斷矩陣，每個(gè)判斷矩陣的CR均＜0.1，因此判斷矩陣滿足一致性要求。在判斷矩陣的基礎(chǔ)上，計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重（表4）。

表3 人口易損性分級表Table 3 Population vulnerability classification

表4 危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 4 Hazard risk assessment index weight

根據(jù)涉縣地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際分布狀況，在ArcMap中利用柵格計(jì)算器對8個(gè)危險(xiǎn)性觀測指標(biāo)數(shù)據(jù)按照權(quán)重實(shí)行疊加分析，得到涉縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)區(qū)劃圖 （圖 2）。

3.2 涉縣地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)

運(yùn)用ArcGIS平臺的空間分析工具，在ArcMap中獲取研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的經(jīng)濟(jì)易損性評價(jià)圖（圖3）和人口易損性評價(jià)圖（圖4）；然后，按照等權(quán)疊加方法進(jìn)行運(yùn)算，根據(jù)疊加后的結(jié)果得到涉縣地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)圖（圖5）。

3.3 涉縣地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)

以地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和易損性評價(jià)結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)。計(jì)算公式為：

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性＝地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性×地質(zhì)災(zāi)害易損性

在ArcGIS中對地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和易損性數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格計(jì)算，獲得研究區(qū)風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)區(qū)劃圖（圖6）。

圖2 涉縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)區(qū)劃圖Fig.2 Regional map of risk assessment to geological hazard in Shexian County

圖3 涉縣地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)濟(jì)易損性評價(jià)圖Fig.3 Evaluation map of economic vulnerability to geological hazard in Shexian County

圖4 涉縣地質(zhì)災(zāi)害人口易損性評價(jià)圖Fig.4 Evaluation map of population vulnerability to geological hazard in Shexian County

圖5 涉縣地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)圖Fig.5 Evaluation map of vulnerability to geological hazard in Shexian County

圖6 涉縣地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)區(qū)劃圖Fig.6 Evaluation map of risk assessment to geological hazard in Shexian County

3.3.1 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū) 高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別占涉縣總面積的17%和22%，主要分布在西部河流沿線和中部鐵路、公路沿線一帶。河流沿線主要分布在偏城鎮(zhèn)、遼城鄉(xiāng)、索堡鎮(zhèn)、河南店鎮(zhèn)、固新鎮(zhèn)合漳鄉(xiāng)等。該區(qū)域地層主要為寒武系泥質(zhì)灰?guī)r和震旦系石英砂巖，斷裂分布較密，基巖損壞，巖層比較松散和破碎，容易風(fēng)化；集水面積大，地勢較陡，排水集中，容易引發(fā)泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。由于受地勢抬升作用和河谷地帶“喇嘛口效應(yīng)”的影響，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)降水集中、強(qiáng)度大，更易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

交通沿線主要分布在龍虎鄉(xiāng)至窯瓦村地帶。該區(qū)域出露地層依次為寒武系灰?guī)r、石炭系和二迭系煤系、三疊系砂層、第三系泥巖，區(qū)內(nèi)有較多斷裂，在地勢地貌方面有一定的差別，巖體解理裂隙發(fā)育，如遇工程施工，容易損壞周圍巖石原始應(yīng)力，易導(dǎo)致崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。該區(qū)域地形起伏較大，高程差大，降

水量較大且集中，容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。交通道路沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、建筑物密集、人口密度大，人類活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，抵御地質(zhì)災(zāi)害的能力較差，易損性較高，是涉縣防治地質(zhì)災(zāi)害任務(wù)最重的區(qū)域。

3.3.2 中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū) 中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別占涉縣總面積的40%和21%，主要位于東北部和東南部地區(qū)。從自然條件分析，該地區(qū)主要為燕山期正長斑巖和奧陶系白云巖，巖性較為堅(jiān)硬，地勢雖然高，但地形起伏度較小，高程差相對較小，植被覆蓋度較好。該區(qū)域主要分布在經(jīng)濟(jì)較落后、人口密度小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，受人類活動(dòng)干擾不明顯，工程實(shí)施項(xiàng)目也相對較少。從自然條件和人文條件分析，該區(qū)域受威脅人數(shù)和房屋受災(zāi)體較少，地質(zhì)災(zāi)害對人類生命和財(cái)產(chǎn)安全所造成的威脅程度相對較低。

4 結(jié)論

3S技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究，能夠高效率、高精度、定量化地實(shí)現(xiàn)自然要素的空間模擬與分析，對快速評價(jià)山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性有一定的現(xiàn)實(shí)意義。以河北省太行山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)涉縣為研究對象，基于GIS技術(shù)分析平臺，選取坡度、地層巖性、斷層、植被覆蓋、年降雨量、土地效益、人口密度等因子作為評價(jià)指標(biāo)，從地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和易損性2個(gè)方面對太行山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性等級進(jìn)行了區(qū)域劃分。結(jié)果表明，涉縣地質(zhì)災(zāi)害的中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在清漳河和邯長鐵路沿線地區(qū)，該區(qū)域受坡度大、降雨集中和巖層易碎以及人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)劇烈的影響，易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在東北部和東南部，該地區(qū)雖然地勢較高，但高程差較小，巖性以正長斑巖和奧陶系白云巖為主，巖性較為堅(jiān)硬，且區(qū)域內(nèi)大多為經(jīng)濟(jì)較落后、人口密度小的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，人類活動(dòng)干擾不明顯，地質(zhì)災(zāi)害對生命和財(cái)產(chǎn)安全所構(gòu)成的危害程度相對較輕。