潘網(wǎng)生,李 鑫,張曉周,傅良同,姚 興

(1.黔南民族師范學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院,貴州 都勻 558000;2.長安大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安710054)

地質(zhì)災(zāi)害危險性評價是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的深化與拓展，是地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價的必要前提，也是地質(zhì)災(zāi)害防治和監(jiān)測的重要基礎(chǔ)和依托，其理論研究與實踐應(yīng)用為國民經(jīng)濟的安全運行提供了有力保障[1-2]。當(dāng)前，地質(zhì)災(zāi)害危險性評價模型眾多，如證據(jù)權(quán)重模型[3]、層次分析模型[4-5]、模糊數(shù)學(xué)模型[6]、信息量模型[7]、趨勢面模型[8]、邏輯回歸模型[9]、概率模型[10]等。其中，以模糊數(shù)學(xué)模型最為典型，其在地質(zhì)災(zāi)害危險性、風(fēng)險性和敏感性區(qū)劃與評價方面發(fā)揮了重要作用[11-13]。此外，模糊數(shù)學(xué)模型可以輕松實現(xiàn)與層次分析模型的嫁接與組合，發(fā)展為模糊層次模型(FAHP)[14]，可作為模糊理論的重要衍生和有益補充，對當(dāng)前的防災(zāi)、減災(zāi)工作產(chǎn)生了積極影響。然而，基于模糊數(shù)學(xué)的各類模型主要運用于區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害研究，很少涉及單體地質(zhì)災(zāi)害的評價研究工作。盡管有學(xué)者嘗試開展線性或帶狀區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害危險性評價[15-16]，但其研究思路并沒有脫離區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害危險性評價模式，評價指標(biāo)體系構(gòu)建也與區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害危險性評價無本質(zhì)差異。部分學(xué)者基于模糊層次法開展單體滑坡危險性評價，給出單體滑坡的危險概率，但沒有考慮評價指標(biāo)等級的空間差異，忽略了評價結(jié)果的空間區(qū)劃與表達[17-18]。部分學(xué)者雖考慮了評價結(jié)果的空間表達，但空間分析技術(shù)僅被用來處理評價指標(biāo)權(quán)重，并沒有完全參與基于模糊層析法的指標(biāo)隸屬度運算[19-20]。本文以貴州省平塘縣500 m口徑球面射電望遠鏡(FAST)臺址內(nèi)的光明頂單體坡體作為研究對象，擬開展基于GIS與模糊層次法相結(jié)合的單體滑坡危險性評價研究，并充分運用GIS理論與方法構(gòu)建有針對性的評價指標(biāo)體系，旨在對為FAST工程的滑坡災(zāi)害防治與監(jiān)測提供科學(xué)依據(jù)，并為邊坡穩(wěn)定性分析提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于貴州省黔南州平塘縣克度鎮(zhèn)金科村大窩凼的500 m口徑球面射電望遠鏡(FAST)臺址光明頂(見圖1)。該臺址處于云貴高原向江南丘陵過渡的斜坡地帶，海拔850～1 200 m，被基座相連的7座山峰環(huán)繞，為典型的喀斯特封閉峰叢洼地。臺址周圍山體陡峻，最大落差達350 m，其出露地層屬中三疊統(tǒng)壟頭組(T2l)，為中厚層灰?guī)r、白云巖及夾泥質(zhì)灰?guī)r，中度風(fēng)化，具有較強硬度，垂向節(jié)理和裂隙發(fā)育，危巖災(zāi)害隱患明顯。洼地底部及其斜坡地帶以堆積塊石、砂礫及黏土等結(jié)合體為主，厚度不均，且變化大，強度差，風(fēng)化嚴(yán)重。臺址中心被一南北走向，產(chǎn)狀270°∠60°，寬度約30 m的斷層破碎帶分割。其東側(cè)巖層產(chǎn)狀較緩(13°～120°∠5°～12°)，西側(cè)巖層產(chǎn)狀較陡(270°～320°∠18°～35°)[21]。該封閉洼地的大氣降水經(jīng)由人工開挖隧道排至臺址東側(cè)的水淹凼，洼地底部的植被因射電望遠鏡反射面的安置被完全清除，洼地圍峰內(nèi)側(cè)植被因危巖治理被部分清除。洼地內(nèi)人類工程活動劇烈，整個區(qū)域需承受約15 000 t的設(shè)備荷載。

圖1 光明頂坡體位置與立面特征

本文選取位于FAST臺址東北角的光明頂高陡邊坡作為研究對象(見圖1)。該坡體緊靠斷層破碎帶東側(cè)，巖層產(chǎn)狀13°∠8°，坡體巖塊中等風(fēng)化，強度較高，坡面節(jié)理和垂向裂隙發(fā)育，溶蝕溝槽明顯，危巖隱患突出。坡腳處有一條寬5 m的內(nèi)部檢修道路經(jīng)過，坡腳上方建設(shè)有1 H饋源塔，坡腳下方有望遠鏡圈梁穿過，并分布有7根支撐柱。該坡體距離望遠鏡反射鏡面最近距離僅20 m遠，坡面一旦發(fā)生滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，將會對射電望遠鏡的安全運行帶來極其嚴(yán)重的不良影響。

2 材料與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)來源

自FAST投入試運行后，以項目選址區(qū)為中心的5 km半徑范圍均屬無線電靜默區(qū)，任何電子設(shè)備不得進入該區(qū)域開展任何作業(yè)工作。因此，本文研究數(shù)據(jù)主要來源于有關(guān)數(shù)據(jù)庫、前人研究成果及作者現(xiàn)場勘察。其中，F(xiàn)AST衛(wèi)星影像圖片和地形地貌糾正數(shù)據(jù)(DEM、等高線)來源于Bigmap地圖下載器，經(jīng)與文獻[21-22]及實地勘察結(jié)果做對比驗證，證實該下載資料準(zhǔn)確可靠。FAST光明頂坡體立面影像照片、災(zāi)害現(xiàn)狀等有關(guān)數(shù)據(jù)分別來源于作者2018年11月30日和2019年1月10日的兩次現(xiàn)場勘察(FAST設(shè)備檢修期)。巖性巖組和地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)來源于中國區(qū)域地質(zhì)志/貴州志(2017版)[23]，災(zāi)害歷史、人類工程活動分布現(xiàn)狀等數(shù)據(jù)主要來源于貴州省環(huán)境監(jiān)測院陸治斌研究員所提供的相關(guān)資料。需要說明的是，本文FAST衛(wèi)星影像圖片和地形地貌之所以選擇2014年9月份數(shù)據(jù)，是因為此時FAST項目尚未完工，有利于突出研究對象(光明頂坡體)的整體形態(tài)和早期地貌特征(完工之后的光明頂坡體因生態(tài)恢復(fù)需要，對邊坡做了植筋披綠處理)。

2.2 研究方法

模糊數(shù)學(xué)理論(Fuzzy)與層次分析法(AHP)可參考文獻[24—25]。本文采用的模糊層次法(FAHP)正是基于模糊理論和層次分析法所延伸出的一種綜合評價方法。該方法求解步驟與一般層次分析法(AHP)基本一致，且模糊矩陣的一致性檢驗計算要相對簡單，檢驗標(biāo)準(zhǔn)更具科學(xué)性[14]。此外，由于GIS是一種在空間數(shù)據(jù)處理、空間分析及其表達方面具有強大功能的空間信息系統(tǒng)[26]，其在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價方面具有獨特優(yōu)勢，是地學(xué)信息模型構(gòu)建及其分析的重要工具。地質(zhì)災(zāi)害危險性評價所涉及的坡度、坡向、巖性、巖組、地質(zhì)構(gòu)造、水文、氣象及人類工程活動等空間數(shù)據(jù)的提取、空間插值、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及空間信息疊加等，GIS均能夠提供便捷的處理手段和完善的技術(shù)方案。因此，本文基于ArcGIS軟件實現(xiàn)模糊層次模型的構(gòu)建、模糊評判矩陣列向量的數(shù)據(jù)獲取及其最大隸屬度的計算、等級劃分和結(jié)果的輸出[12，15]。

2.2.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型 首先，針對單體滑坡地質(zhì)災(zāi)害危險性評價這一決策目標(biāo)，結(jié)合滑坡體所在區(qū)域特點，系統(tǒng)梳理該單體滑坡的所有影響元素(如災(zāi)變歷史、坡度、坡向、巖性、巖組、地質(zhì)構(gòu)造、水文、氣象及人類工程活動等)；其次，根據(jù)評價對象的災(zāi)變演化歷史、地質(zhì)地理現(xiàn)狀、可能的誘發(fā)元素等對上述元素進行類別劃分，構(gòu)建第二級指標(biāo)層；最后，根據(jù)各元素對二級指標(biāo)的歸屬關(guān)系，分別將其劃分到各二級指標(biāo)，從而構(gòu)建第三級指標(biāo)層[27]。

2.2.2 構(gòu)建模糊判斷矩陣 模糊判斷矩陣R=(rij)n×n是論域U={u1,u2,…un}上模糊關(guān)系的矩陣表示[14]，通常有互補型或互反型模糊矩陣兩種形式，本文采用互補型模糊矩陣描述模糊關(guān)系。其中，ui為論域中的元素，即研究對象；rij為模糊判斷矩陣的元素，rij數(shù)值大小是ui和uj相對于上一指標(biāo)層某元素重要性程度的標(biāo)度。當(dāng)rij>0.5時，若rij越大，說明ui相對于上一指標(biāo)層的某元素比uj更重要；反之當(dāng)rij<0.5時，若rij越小，說明uj相對于上一指標(biāo)層的某元素比ui更重要。因此，基于互補型模糊判斷矩陣的同層任意兩元素間的模糊關(guān)系可采用0.1～0.9的標(biāo)度給出[17]，具體含義詳見表1。

表1 模糊判斷矩陣元素rij標(biāo)度定義[17]

2.2.3 構(gòu)造互補型模糊判斷一致矩陣 根據(jù)文獻[14]，將互補型模糊判斷矩陣R=(rij)n×n做一致性轉(zhuǎn)換，須滿足以下3個基本條件：

因此，對互補型模糊判斷矩陣R=(rij)n×n逐行求和，記為ri，

(1)

則模糊判斷一致矩陣R*各元素為：

rij=(ri-rj)/2n+0.5

(2)

2.2.4 計算指標(biāo)權(quán)重和一致性檢驗 根據(jù)文獻[28]給出的互補型模糊判斷矩陣權(quán)重向量公式：

(3)

構(gòu)建互補型模糊判斷一致矩陣R*的權(quán)重向量

W=(w1,w2,…wn)T

構(gòu)建互補型模糊判斷一致矩陣R*的權(quán)重矩陣

w*=〔wi/(wi+wj)〕n×n

(4)

為使模糊矩陣一致性檢驗標(biāo)準(zhǔn)更具合理性和有效性，判斷矩陣R*與其權(quán)重矩陣W*相容指標(biāo)S(R*,W*)檢驗公式可參考文獻[28]:

(5)

當(dāng)S(R*,W*)≥0.8，稱R*，W*基本相容，R*是一致可接受的；當(dāng)S(R*,W*)=1，則稱R*,W*為完全相容，R*是完全一致性互補判斷矩陣[28]。

2.2.5 建立評價矩陣 設(shè)模糊評價的評語集為V={V1,V2,…,Vn}，其中，Vi為某分級指標(biāo)被劃分為第i等級的評語。本文根據(jù)專家建議對單體滑坡災(zāi)害的分級指標(biāo)逐一打分，構(gòu)建模糊評價矩陣P=(Pij)n×n，Pij即表示某分級指標(biāo)隸屬于評語集Vi{如無危險、低危險、中危險或高危險等}的程度大小。

3 結(jié)果與分析

3.1 評價模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計、評價指標(biāo)及其分級標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 評價模型結(jié)構(gòu)設(shè)計 本文以光明頂坡體實際資料為基礎(chǔ)，開展具有針對性的單體滑坡危險性評價應(yīng)用研究。擬構(gòu)建A，B，C3級指標(biāo)的層次模型結(jié)構(gòu)，A級指標(biāo)為單體滑坡危險性評價，B級指標(biāo)分別為地形地貌(B1)、巖性巖組(B2)、地質(zhì)構(gòu)造(B3)、人類工程活動(B4)及災(zāi)害歷史(B5)等5個基本因子，再分別由B級指標(biāo)進一步發(fā)展C級指標(biāo)(如C1,C2,…，Cn)。

3.1.2 評價指標(biāo)的選取與說明 地形地貌(B1)包含了重要的地形特征要素，如山頂點、山腳點、山脊線、山谷線、陡坎線、斷崖線、地形起伏度、坡度、坡向和坡型等，是判斷坡體危險性程度的重要指標(biāo)之一。本文選取坡度、坡型和坡向作為地形地貌(B1)的C級指標(biāo)，參與光明頂滑坡危險性評價研究，上述3項C級指標(biāo)數(shù)據(jù)可通過DEM(或TIN)獲得。巖性巖組(B2)主要包含坡體巖石軟硬程度(巖性)、巖層產(chǎn)狀(傾角、傾向)、巖組結(jié)構(gòu)等，對坡體穩(wěn)定性具有重要影響，是單體滑坡危險性評價的重要指標(biāo)之一。本文首先選取巖性、傾角、巖組結(jié)構(gòu)作為C級指標(biāo)。同時，考慮單體滑坡是否為順層滑坡，引入巖層傾角與坡度二者的關(guān)系作為C級指標(biāo)。地質(zhì)構(gòu)造(B3)對宏觀層面的區(qū)域地殼穩(wěn)定性研究意義重大，每一次地質(zhì)構(gòu)造事件所留下諸如褶皺、斷層(斷裂)、劈理、節(jié)理(裂隙)等構(gòu)造遺跡，對微觀層面的邊坡穩(wěn)定性分析也具有重要影響。根據(jù)對光明頂坡體實地勘察結(jié)果，本文選取斷層和節(jié)理裂隙作為地質(zhì)構(gòu)造(B3)的C級指標(biāo)。人類工程活動(B4)對地質(zhì)環(huán)境的影響日益明顯，如若處理不當(dāng)，會直接誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)光明頂坡體周邊人工設(shè)施、設(shè)備分布情況，本文選取景區(qū)道路、饋源塔和支撐柱等作為人類工程活動(B4)的C級指標(biāo)。災(zāi)害歷史(B5)記錄了災(zāi)害曾經(jīng)發(fā)生的時間和地點。歷史性地質(zhì)災(zāi)害是否仍具有威脅，往往取決于人類對其治理程度以及距離其遠近。因此，本文選取災(zāi)害治理和距離遠近作為災(zāi)害歷史(B5)的C級指標(biāo)，參與光明頂滑坡危險性評價。其中，關(guān)于災(zāi)害治理因子的定量化處理方法，即以災(zāi)害點治理工程所覆蓋的區(qū)域面積作為災(zāi)害治理所產(chǎn)生的積極影響和作用范圍參與滑坡危險性評價研究。關(guān)于B級指標(biāo)選取需要說明的是，F(xiàn)AST臺址區(qū)域無地表河水系，但分布有地下暗河，該臺址區(qū)域洼地底部標(biāo)高約840.9 m，地下暗河頂面標(biāo)高約787.15 m，該暗河最近的地表排出口位于研究區(qū)域東側(cè)的水淹凼，其最大淹沒深度標(biāo)高約772.5 m[21]，即該段暗河平均坡降約3.2%。根據(jù)喀斯特水系發(fā)展演化規(guī)律和過程[22]，并結(jié)合FAST所在區(qū)域降雨豐沛情況判斷，水系(地下暗河)對該區(qū)域喀斯特作用相對強烈，從而間接影響區(qū)域坡體穩(wěn)定性。但由于本文旨在探討單體滑坡危險性，該地下暗河具體位置尚不清楚，其對光明頂坡體的影響在空間分布上并無明顯差異，降雨因素也是如此。因此，針對光明頂滑坡危險性評價可不考慮水系和天氣這兩個指標(biāo)。

3.1.3 評價指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn) 本文將光明頂滑坡危險性程度劃分4級(無危險、低危險、中危險和高危險)，分別對各C級指標(biāo)按以上4級標(biāo)準(zhǔn)進行分級量化，結(jié)果詳見表2。

表2 滑坡危險性評價指標(biāo)體系及評價指標(biāo)分級

3.2 模糊矩陣構(gòu)建及計算處理

由公式(2)求得一級評價指標(biāo)(B)相對于評價目標(biāo)(A)的模糊判斷一致性矩陣R1*：

由公式(3)求得一級評價指標(biāo)(B)相對于評價目標(biāo)(A)的權(quán)重向量W1：

由公式(4)求得權(quán)重矩陣W1*：

表3 滑坡危險性評價二級指標(biāo)(C)權(quán)重及相容性系數(shù)

3.3 基于GIS的綜合評價

其次，根據(jù)表2的危險性等級劃分準(zhǔn)則，基于GIS的空間數(shù)據(jù)處理功能提取各二級(C)指標(biāo)分級信息。其中：坡度、坡型和坡向數(shù)據(jù)來源于DEM數(shù)據(jù)層；距斷層、節(jié)理裂隙、道路切坡、饋源塔基、支撐柱及災(zāi)害點的遠近均采取做緩沖區(qū)處理；小型災(zāi)害點主要有2處，一處做清除并加固處理，另一處做重點加固處理。各二級指標(biāo)(C)圖層處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 基于GIS的光明頂坡體滑坡危險性評價指標(biāo)圖層預(yù)處理

圖3 光明頂滑坡危險性評價分區(qū)

3.4 結(jié)果驗證與分析

基于GIS的模糊層次單體滑坡危險性評價結(jié)果與現(xiàn)場實際基本相符，特別是關(guān)于危巖體和高危險區(qū)，評價結(jié)果與實際情況吻合程度高。首先，結(jié)合現(xiàn)場勘察和有關(guān)資料驗證幾處危巖體，未治理前的光明頂危巖體主要有3處，第1處危巖體位于1 H饋源塔上方，除了兩塊呈Ⅴ形分布的條帶狀破碎巖體外，還存在一條較深的順坡巖溶凹槽，巖體節(jié)理發(fā)育，且具有較大勢能，雖經(jīng)重點加固處理，但仍有遭受破壞和發(fā)生滑動的可能，一旦發(fā)生滑坡，其危險性和風(fēng)險性都極大，屬于滑坡高危險區(qū)，該現(xiàn)狀與本文評價結(jié)果相吻合；第2處危巖體位于坡頂，被做清除和加固處理，因坡頂相對平坦，發(fā)生滑坡危險性的可能性較低，其危險性等級也較低，現(xiàn)場實際與本文評價結(jié)果相吻合，屬于滑坡低危險區(qū)；第3處危巖體位于光明頂西北坡面的中下部，沿水平方向呈長條帶狀分布，雖然較大，但由于經(jīng)過清除和加固處理，加之該坡面較陡，坡腳又相對平坦，距離射電望遠鏡的設(shè)施設(shè)備也相對較遠，因此即使發(fā)生錯動滑落，其危險性等級也相對較低，該現(xiàn)狀也與本文評價結(jié)果一致，即距離支撐柱較近的一端為滑坡中危險區(qū)，距離支撐柱較遠的另一端為滑坡低危險區(qū)。其次驗證本文評價結(jié)果中另一處滑坡高危險區(qū)，該區(qū)域位于斷層破碎帶上3個支撐柱附近，由于緊挨陡崖，其危險性一方面受制于斷層自身的不穩(wěn)定，另一方面則受制于上方陡崖的威脅，且該陡崖自身的穩(wěn)定性又受斷層控制，這一現(xiàn)狀與評價結(jié)果也相吻合。經(jīng)統(tǒng)計，光明頂高危險區(qū)約占研究區(qū)面積的4%，集中分布于一處危巖體和斷層破碎帶上。中危險區(qū)域約占研究區(qū)面積的20%，主要位于光明頂坡體的南側(cè)，沿南坡和斷層破碎帶分布。低危險區(qū)域約占研究區(qū)面積的33%，主要位于光明頂坡體的坡頂、西坡和東坡及斷層破碎帶東側(cè)的支撐柱附近，且環(huán)繞中危險區(qū)域分布。無危險區(qū)約占研究區(qū)面積的43%，主要位于光明頂北坡，該區(qū)域稍遠離斷層破碎帶，地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，且相對遠離射電望遠鏡設(shè)施設(shè)備，即使發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害，其危險性等級也極低。

4 結(jié)論與討論

4.1 討 論

(1) 單體滑坡危險性評價是單體滑坡風(fēng)險性評價的重要基礎(chǔ)，也是開展滑坡機理研究和坡體形變監(jiān)測的必要前提。盡管其評價指標(biāo)選取和體系構(gòu)建較區(qū)域危險性評價更具針對性和科學(xué)性，但不能取代單體滑坡的穩(wěn)定性分析，可以作為有益補充。

(2) 目前已有的相關(guān)研究成果中，無論是單體滑坡還是區(qū)域滑坡，也無論是滑坡危險性評價還是滑坡風(fēng)險性評價，在空間表達與模型的結(jié)合方面仍存在一定的缺陷，以致評價結(jié)果并不是評價模型的真實表達。因此，評價模型與空間表達技術(shù)(如GIS)的融合是必然途徑。伴隨科技發(fā)展與進步，當(dāng)前及今后深入開展該領(lǐng)域相關(guān)研究工作仍具有重要的現(xiàn)實意義，希望本研究成果可以為相關(guān)類似研究提供借鑒和參考。

4.2 結(jié) 論

(1) 開展基于GIS技術(shù)的模糊層次矩陣空間疊合運算實驗，并將其應(yīng)用于喀斯特單體滑坡危險性評價研究，其方法具有可操作性和可復(fù)制性，是GIS理論與方法在滑坡危險性評價和風(fēng)險性評價領(lǐng)域的一次有益探索，具有實踐創(chuàng)新價值。

(2) FAST光明頂坡體總體居于中危險和低危險水平，局部高危險，高危險區(qū)域主要位于1 H饋源塔基和斷層破碎帶區(qū)域的3個支撐柱附近。FAST精密設(shè)備的安全運行已然受到光明頂滑坡隱患的威脅，這一評價結(jié)果與實際情況基本相符，結(jié)果可靠，對光明頂滑坡及類似喀斯特滑坡高危險區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害防治和監(jiān)測具有指導(dǎo)意義。

致謝：感謝貴州省環(huán)境地質(zhì)監(jiān)測院陸治斌研究員給本文研究提供調(diào)查資料；感謝貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊尹桂林高級工程師對本文寫作提供的幫助。