張 明，王章瓊，白俊龍，李元松，王亞軍，張 兵

(1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073； 2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

0 引言

隨著“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的快速實施與推進(jìn)，我國加大了對西部地區(qū)高速公路建設(shè)的投入。“三高”地區(qū)(高寒、高海拔、高烈度)高速公路成為構(gòu)建“絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶的交通要道[1]。該區(qū)域地勢陡峻、風(fēng)化剝蝕強(qiáng)烈、溝谷發(fā)育、氣候惡劣、新構(gòu)造活躍、冰雪覆蓋面積較廣，故地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。有調(diào)查顯示，泥石流是高速公路沿線最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一[2-4]，給高速公路運(yùn)營帶來嚴(yán)重的威脅。因此，對“三高”地區(qū)高速公路泥石流進(jìn)行危險性評價尤為重要。

在泥石流危險性評價過程中，確定評價指標(biāo)是重要環(huán)節(jié)。選取泥石流評價指標(biāo)時，通常從地質(zhì)條件、地形條件、氣象水文條件三個方面考慮[5-7]。我國幅員遼闊，地質(zhì)、地形地貌、氣候具有多樣性、復(fù)雜性的特點(diǎn)。因此，開展泥石流危險性評價時，評價指標(biāo)應(yīng)體現(xiàn)出差異性。在地形起伏較大、降水偏多、海拔較高區(qū)域(如云貴高原)，評價指標(biāo)主要為巖性、坡度、降雨量、流域面積、植被、土地利用類型、地震[8-16]；在雨水充沛、構(gòu)造活躍的多山區(qū)域(如川滇山地)，評價指標(biāo)主要為坡度、流域面積、流域相對高差、流域切割密度、降雨量、主溝長度、土地利用類型[17-23]；在雨量分布不均勻、相對高差大、山地較多區(qū)域(如秦巴山地)，評價指標(biāo)主要為松散物源儲量、流域面積、主溝比降、泥砂補(bǔ)給段長度、降雨量、流域面積[24-28]；在海拔高、干旱、冰川侵蝕強(qiáng)烈區(qū)域(如天山山脈)，評價指標(biāo)主要為流域面積、主溝長度、流域相對高差、流域切割密度、松散物質(zhì)儲量、年降雨量[29-34]；在海拔較高、降雨較少、高山峽谷區(qū)域(如太行山脈)，坡度、構(gòu)造條件、植被、降雨量、溝床縱坡、降雨強(qiáng)度、流域相對高差、堆積物平均厚度[35-39]。綜上，國內(nèi)學(xué)者選取的評價指標(biāo)較為全面。然而，“三高”地區(qū)兼具高烈度、降雨少、季節(jié)性冰雪覆蓋面積廣等特點(diǎn)，上述評價體系并不適用于該區(qū)域。

鑒于此，本文針對“三高”地區(qū)區(qū)域特點(diǎn)，構(gòu)建泥石流危險性評價體系，以烏尉高速公路K53+000～K78+000段為例進(jìn)行泥石流危險性評價。

1 基于AHP法的泥石流危險性評價體系

本文采用AHP法確定影響因子權(quán)重，建立影響因子分級、賦值標(biāo)準(zhǔn)以及泥石流危險性分級標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建泥石流危險性評價體系。

1.1 影響因子權(quán)重

(1)AHP模型

本文以泥石流為目標(biāo)層，地質(zhì)條件、地形地貌、氣象水文、土地類型為準(zhǔn)則層，巖石風(fēng)化程度、到斷層距離、坡度、地表切割深度、坡向、季節(jié)性冰雪、水系分布、植被、人類工程活動為指標(biāo)層，建立“三高”地區(qū)泥石流的AHP模型(表1)。

表1 泥石流的AHP模型Table 1 AHP model of debris flow

(2)構(gòu)造判斷矩陣

本文以地質(zhì)條件、地形地貌、氣象水文、土地類型作為泥石流評價模型的第一層次指標(biāo)，以此構(gòu)建判斷矩陣A，以第一層次指標(biāo)所包含影響因子分別構(gòu)建判斷矩陣B1、B2、B3、B4(表2～表6)。

表2 第一層次指標(biāo)重要性判斷矩陣ATable 2 The importance judgment matrix of first level index A

表3 地質(zhì)條件類影響因子重要性判斷矩陣B1Table 3 The importance judgment matrix of Geological influence factors B1

表4 地形地貌類影響因子重要性判斷矩陣B2Table 4 The importance judgment matrix of topographic influence factors B2

表5 氣象水文類影響因子重要性判斷矩陣B3Table 5 The importance judgment matrix of meteorological and hydrological influence factors B3

表6 土地類型類影響因子重要性判斷矩陣B4Table 6 The importance judgment matrix of influence factors about land structure B4

(3)確定權(quán)重及一致性檢驗

計算各判斷矩陣對應(yīng)的最大特征根以及特征向量。其中λmax為判斷矩陣的最大特征根，W為λmax對應(yīng)的歸一化特征向量，其分量Wi為對應(yīng)評價指標(biāo)的相對權(quán)重值。引入CI值作為檢驗判斷矩陣是否滿足一致性。CI值的越小，其一致性越好，當(dāng)值為0時，其一致性最好；同時為了得到判斷矩陣的一致性程度，則需要引入RI(RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo))，計算出CR(CR為判斷矩陣隨機(jī)一致性比例)，當(dāng)CR<0.1時，則滿足一致性檢驗要求；否則則需重新取值計算，1階或2階矩陣，其λmax=n，CI、CR均為0，故具有較好的一致性，因此，不需要進(jìn)行一致性檢驗。

(1)

(2)

本文利用MATLAB得到判斷矩陣歸一化處理后的特征向量，其特征向量元素對應(yīng)各指標(biāo)的相對權(quán)重值，并利用公式(1)、(2)進(jìn)行一致性檢驗(表7)。

(4)確定組合權(quán)重

將各影響因子權(quán)重進(jìn)行組合，利用公式(3)得到第二層次影響因子相對于目標(biāo)層的總權(quán)重(表8)。其計算公式為：

Wi=Wai×Wbi

(3)

式中：Wi——第二層次影響因子相對于目標(biāo)層的權(quán)重，即組合權(quán)重；

Wai——第一層次指標(biāo)相對于目標(biāo)層的權(quán)重，即判斷矩陣A歸一化后的特征向量元素；

Wbi——第二層次影響因子相對于第一層次指標(biāo)的權(quán)重，即判斷矩陣B1、B2、B3、B4歸一化后的特征向量元素。

表7 各判斷矩陣一致性檢驗結(jié)果Table 7 The consistency test results of judgment matrix

表8 泥石流影響因子組合權(quán)重Table 8 The combination weight of influencing factors about debris flow

1.2 影響因子分級及賦值標(biāo)準(zhǔn)

首先根據(jù)各影響因子的特點(diǎn)，將巖石風(fēng)化程度、坡向劃分為4個等級(表9)，將到斷層距離、坡度、地表切割深度劃分為5個等級(表9)，將季節(jié)性冰雪、水系分布、植被、人類工程活動劃分為2個等級(表10)。通過查閱文獻(xiàn)，判斷影響因子各等級對泥石流發(fā)育的影響大小，并相應(yīng)的對影響因子各等級賦值，影響越大，賦值越大，賦值區(qū)間為[0-1]。

表9 泥石流影響因子分級及賦值標(biāo)準(zhǔn)(1)Table 9 The classification and evaluation criteria of influencing factors about debris flow(1)

表10 泥石流影響因子分級及賦值標(biāo)準(zhǔn)(2)Table 10 The classification and evaluation criteria of influencing factors about debris flow(2)

1.3 泥石流危險性等級

根據(jù)公式(4)對各影響因子進(jìn)行權(quán)重疊加，其結(jié)果用綜合值Kv表示。

(4)

式中：ai——影響因子相對權(quán)重值；

xi——影響因子等級賦值。

根據(jù)研究區(qū)各區(qū)域的綜合值Kv，將泥石流危險性劃分為4個等級，依次為高危險區(qū)、危險區(qū)、中等危險區(qū)、低危險區(qū)，不同危險等級對應(yīng)的綜合值取值范圍不同(表11)。

表11 泥石流危險性分級標(biāo)準(zhǔn)Table 11 The hazard classification criteria of debris flow

2 基于ArcGIS的泥石流危險性評價

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山山脈北部及中部，研究路線起點(diǎn)位于后峽西南方向，約2 km處，終點(diǎn)位于天山勝利隧道進(jìn)口處，里程樁號為K53+000～K78+000，共25 km。線路整體呈北東到南西向，沿烏魯木齊河分布。

該區(qū)域?qū)儆诘湫偷摹叭摺钡貐^(qū)，即高寒、高海拔、高烈度地區(qū)，主要為中山峽谷地貌，呈“V”形，地勢起伏大、溝谷發(fā)育，巖體主要為灰黑色、灰綠色、灰色硅質(zhì)巖和青灰色、灰色、灰白色灰?guī)r，坡體凹處有少量第四系覆蓋物，主要為崩坡積和少量殘積土。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂?，具有溫差大、寒暑變化劇烈、降水量少且分布不均、蒸發(fā)強(qiáng)烈、干燥多風(fēng)等特點(diǎn)，同時區(qū)內(nèi)季節(jié)性冰雪覆蓋面積較大。上述不良地質(zhì)條件為泥石流的發(fā)生埋下巨大隱患。

2.2 影響因子圖層

基于上述評價體系中的影響因子分級、賦值標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS建立各影響因子圖層，圖中不同顏色對應(yīng)不同賦值，賦值越大，表明影響因子該區(qū)間對泥石流發(fā)育的貢獻(xiàn)程度越大(圖1～圖9)。

圖1 巖石風(fēng)化程度Fig.1 Rock weathering degree

圖2 坡向Fig.2 Aspect

圖3 到斷層距離Fig.3 Distance to fault

圖7 水系分布Fig.7 River system

圖8 植被Fig.8 Vegetation

圖9 人類工程活動Fig.9 Human engineering activities

2.3 研究區(qū)泥石流危險性評價

在建立影響因子圖層的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的空間疊加功能，將各圖層進(jìn)行疊加，得到研究區(qū)危險性區(qū)劃圖(圖10)。圖10中以不同色相對泥石流危險性等級進(jìn)行表示，顏色最深的區(qū)域為泥石流高危險區(qū)，主要分布于研究區(qū)南部及中部偏北區(qū)域；危險區(qū)分布面積較廣，主要分布于高危險區(qū)；中等危險區(qū)主要沿深切溝壑分布；低危險區(qū)面積相對較少，主要分布于研究區(qū)北部的傾斜平原和西南部分。黃色的線表示在建的烏尉高速公路K53+000～K78+000段。由圖10可見，該高速公路路線避開了高危險性區(qū)，由此驗證了該公路選線的合理性及本文研究結(jié)果的科學(xué)性。對研究區(qū)危險性大小不同的區(qū)域面積進(jìn)行了統(tǒng)計，并繪制了泥石流各危險區(qū)面積占比的餅狀圖(圖11)，其中高危險區(qū)、危險區(qū)、中等危險區(qū)、低危險區(qū)分別占研究區(qū)總面積的20%、35%、30%、15%。

圖10 研究區(qū)泥石流危險性區(qū)劃圖Fig.10 Debris flow risk zoning map in the study area

圖11 泥石流各危險區(qū)面積占比Fig.11 The proportion of debris flow area in each dangerous area

3 結(jié)論

(1)采用AHP法得到泥石流影響因子權(quán)重，根據(jù)權(quán)重大小得到影響因子的重要性：季節(jié)性冰雪>坡度>到斷層距離>水系分布>植被>地表切割深度>巖石風(fēng)化程度>坡向>人類工程活動。

(2)研究區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆谖ｋU區(qū)和中等危險區(qū)，其中高危險區(qū)主要沿幾條深切溝谷分布。同時統(tǒng)計了危險性等級不同的區(qū)域面積，得出高危險區(qū)、危險區(qū)、中等危險區(qū)、低危險區(qū)的面積分別占20%、35%、30%、15%。