王靖天

(青海煤炭地質(zhì)局，青海 西寧 810012)

城中區(qū)包括城南新區(qū)，位于西寧市中心，是西寧市的發(fā)源地，其東臨花園南、北街，相鄰于城東區(qū)，西面以南川河為界限，北沿湟水，與城北區(qū)隔河相望，南面直達(dá)湟中縣，整個(gè)研究區(qū)域總面積為151km2。西寧市城中區(qū)總體地勢(shì)從西北到東南逐漸降低，屬于大陸性高原半干旱氣候，平均海拔在2 261m左右[1,2]。研究區(qū)由冷龍嶺、達(dá)坂山、拉脊山、黃河南諸山脈包圍形成盆地，區(qū)內(nèi)溝谷較多，高低不一；城中區(qū)出露有元古界、古生界、中生界以及新生界地層，并且處于中生代斷陷盆地中部，盆地內(nèi)斷裂構(gòu)造和褶皺構(gòu)造活動(dòng)較弱，而新構(gòu)造活動(dòng)較為活躍，大部分是以大面積震蕩式的垂直升降運(yùn)動(dòng)為主，具有明顯的繼承性和間歇性；研究區(qū)域的地殼活動(dòng)較為穩(wěn)定，地震主要以中小型為主[3]。西寧市城中區(qū)內(nèi)降雨量較低，而蒸發(fā)量較高，溝谷河網(wǎng)較為密集，地形地貌復(fù)雜多變，人類工程活動(dòng)偏多，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)頻繁發(fā)生滑坡、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，為了保證研究區(qū)內(nèi)的工程建設(shè)活動(dòng)安全進(jìn)行，為給當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害治理防治提供參考依據(jù)，對(duì)西寧市城中區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)刻不容緩[4]。

西寧市城中區(qū)位于內(nèi)陸，其地質(zhì)災(zāi)害類型屬于陸地地質(zhì)災(zāi)害，主要是由外動(dòng)力地質(zhì)作用所引發(fā)，其中又包括自然地質(zhì)作用、人為地質(zhì)作用和自然與人為復(fù)合型的作用。西寧市屬于我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的重災(zāi)區(qū)，目前國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者已對(duì)地質(zhì)災(zāi)害治理與城市規(guī)劃等進(jìn)行了較多研究，陳飛[5]等人以江西省九江市修水縣為例，采用層次分析法對(duì)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；丁麗[6]等人利用層次分析法對(duì)登封市進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；張曉東[7]等人利用層次分析法對(duì)鹽池縣進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為鹽池縣地質(zhì)災(zāi)害的防治提供了一定的參考依據(jù)；王夏林[8]等人為了解決地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)過(guò)程中，評(píng)價(jià)定性指標(biāo)與定量指標(biāo)不確定、不相容的問(wèn)題，在前人的基礎(chǔ)上，對(duì)熵權(quán)法引入可拓理論，對(duì)漢陰縣的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了此方法的可行性；田云軍[9]將熵權(quán)法與可拓理論結(jié)合對(duì)水利工程的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究；寧娜[10]等人將熵權(quán)法與模糊評(píng)判法結(jié)合對(duì)單溝泥石流進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，結(jié)果更加真實(shí)可靠。在本次研究中，綜合考慮各種災(zāi)害因子，考察當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況權(quán)衡各評(píng)價(jià)方法的各自優(yōu)缺點(diǎn)，中和評(píng)價(jià)方法的主客觀性，采用熵權(quán)法與層次分析法耦合的方式，對(duì)西寧市城中區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，為能更加準(zhǔn)確合理的區(qū)劃出地質(zhì)災(zāi)害高、中、低、非危險(xiǎn)性區(qū)域，為城中區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害治理防治與人類工程建設(shè)提供參考。

1 西寧市城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃技術(shù)

1.1 組合賦權(quán)

在本次研究中采用對(duì)影響因子進(jìn)行主客觀權(quán)重組合賦權(quán)，基于前人的大量實(shí)踐工作表明，對(duì)一個(gè)工作進(jìn)行評(píng)價(jià)分析采用單獨(dú)的方法，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況有著較大的偏差，不能夠很好地解決各個(gè)影響因子之間的模糊性與矛盾性等，并且單獨(dú)的評(píng)價(jià)方法得到的權(quán)重往往是不夠全面的。而本文本著科學(xué)、準(zhǔn)確的原則，以主觀、客觀權(quán)重結(jié)合形成組合權(quán)重對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性因子賦權(quán)，可以避免各指標(biāo)之間的差異性，使得評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)一步貼切真實(shí)情況。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，熵權(quán)法與層次分析法相結(jié)合賦權(quán)的方法相比于單獨(dú)的評(píng)價(jià)方法更加準(zhǔn)確、更加科學(xué)。

1.1.1 主觀權(quán)重確定。在文中，主觀權(quán)重采用層次分析法來(lái)確定，它是由美國(guó)的運(yùn)籌學(xué)家Saaty提出的一種將評(píng)價(jià)對(duì)象分解為主次關(guān)系，按照一定的準(zhǔn)則分類成多層次結(jié)構(gòu)，建立層次結(jié)構(gòu)模型，按照標(biāo)度理論表，將因子進(jìn)行兩兩比較得出相對(duì)像重要性值，從而構(gòu)建出判斷矩陣[11]。

具體步驟如下：①根據(jù)勘查城中區(qū)的地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害分布情況以及發(fā)育特征、人類工程活動(dòng)分布狀況，選取出地質(zhì)因素B1：地層巖性、距斷層距離；地形因素B2：高程、坡度；誘發(fā)因素B3：距公路距離作為評(píng)價(jià)體系指標(biāo)。建立層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示[12]。

圖1 城中區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)層次模型

②分析標(biāo)度理論表含義：兩個(gè)因子具有同等的重要性用1表示，一個(gè)因子比另一個(gè)稍微重要用3表示，一個(gè)因子比另一個(gè)明顯重要用5表示，一個(gè)因子比另一個(gè)顯得極其重要用7表示，最后，若是一個(gè)因子相比于另一個(gè)因子顯得極端重要就用9表示，中間的2，4，6，8表示重要性介于上述重要性之間，倒數(shù)表示重要性相反。

③在第二步的基礎(chǔ)上，即可構(gòu)建出判斷矩陣，所構(gòu)造的判斷矩陣必須滿足：

(1)

式中：aij表示第i行與第j列因子重要性標(biāo)度值。

④利用求和法對(duì)所構(gòu)造的判斷矩陣求解，計(jì)算出判斷矩陣的最大特征值與相應(yīng)的特征向量，將求出的特征向量歸一化后即可得到該層影響因子相對(duì)于上一層準(zhǔn)則的權(quán)重值[13]。

⑤因客觀事物的復(fù)雜性以及對(duì)此問(wèn)題認(rèn)識(shí)的局限性可能會(huì)導(dǎo)致判斷過(guò)于片面，為保證以上所得的權(quán)重的合理性，需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性驗(yàn)證，過(guò)程如下所示：

通過(guò)公式：

(2)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根，n為判斷矩陣階數(shù)，CI表示判斷矩陣一致性指標(biāo)。

通過(guò)公式：

(3)

式中：當(dāng)CR<0.1時(shí)，則確定判斷矩陣具備良好的一致性；若CR>0.1,則需對(duì)判斷矩陣做出適當(dāng)調(diào)整直至滿足條件；RI表示判斷矩陣平均隨機(jī)的一致性指標(biāo)，其值參照表1確定。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

1.1.2 客觀權(quán)重確定。在文中，客觀權(quán)重采用熵權(quán)法來(lái)確定，熵權(quán)法是依據(jù)已構(gòu)成的判斷矩陣求解評(píng)價(jià)因子的熵值，通過(guò)熵值來(lái)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。熵權(quán)權(quán)重的大小直接關(guān)乎于評(píng)價(jià)對(duì)象，標(biāo)示著該因子對(duì)評(píng)價(jià)體系貢獻(xiàn)大小，可以只需矩陣中各指標(biāo)的實(shí)際值來(lái)確定，能夠消除層次分析法帶來(lái)的權(quán)重主觀化。

熵權(quán)法賦權(quán)過(guò)程如下所示：

將各指標(biāo)狀態(tài)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)k個(gè)評(píng)價(jià)因子X(jué)1，X2，…，Xk，其中Xi={x1，x2，…，xn}。則標(biāo)準(zhǔn)化后各指標(biāo)數(shù)據(jù)的值為Y1，Y2，…，Yk，再求出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵：

(4)

可得出各指標(biāo)的信息熵為E1，E2，…，Ek。從而可計(jì)算出各指標(biāo)的客觀權(quán)重：

(5)

1.1.3 組合權(quán)重確定。采用乘數(shù)歸一法將求取的主觀權(quán)重與客觀權(quán)重進(jìn)行耦合，獲得組合權(quán)重：

(6)

1.2 影響因子獲取

在文中，在地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)獲取西寧市城中區(qū)DEM圖，利用ArcGIS對(duì)城中區(qū)進(jìn)行地形信息提取，可獲得高程專題圖和坡度專題圖，分別如圖2、圖3所示。利用ArcGIS從西寧市1：50 000地貌及第四紀(jì)地質(zhì)圖與西寧市1：50 000工程地質(zhì)圖中分別獲取距斷層距離專題圖和地層巖性專題圖，如圖4、圖5所示。利用GoogleEarth矢量化出西寧市城北區(qū)的路網(wǎng)，導(dǎo)入ArcGIS中可計(jì)算出距公路距離專題圖，如圖6所示。

圖3 坡度專題

圖4 距斷層距離專題

圖5 地層巖性專題

圖6 距公路距離專題

1.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重計(jì)算

表3 B1-Ci判斷矩陣

表4 B2-Ci判斷矩陣

依據(jù)表2～表4可知5個(gè)因子的主觀權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)主觀權(quán)重

1.3.2 客觀權(quán)重計(jì)算。利用公式(4)和(5)，通過(guò)計(jì)算可得出各影響因子的客觀權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重

1.3.3 組合權(quán)重計(jì)算。通過(guò)公式(6)進(jìn)行計(jì)算，求得各指標(biāo)的綜合權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重

1.4 城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃

依據(jù)所建立的評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，對(duì)城中區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃[14]，通過(guò)ArcGIS的柵格計(jì)算工具將不同的因子專題圖進(jìn)行加權(quán)疊加分析，并將其重分類為高危險(xiǎn)性區(qū)、中危險(xiǎn)性區(qū)、低危險(xiǎn)性區(qū)和非危險(xiǎn)性區(qū)4類，再輸出結(jié)果。根據(jù)數(shù)據(jù)，可以得知西寧市城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為：

I=0.248C1+0.274C2+0.127C3+0.121C4+0.23C5

(7)

式中：I為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的危險(xiǎn)性綜合指數(shù)，Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的柵格圖層。

1.5 結(jié)果分析

如圖7所示，即為西寧市城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)圖[15]，通過(guò)與實(shí)際情況對(duì)比分析可知，非危險(xiǎn)性區(qū)域主要分布于寧貴高速周邊，由北到南的市區(qū)，北至七一路，南至清河村；低危險(xiǎn)性區(qū)主要分布于西塔高速以西，除享堂溝一帶以外，還有莫家溝、野牛溝、小平爾嶺以及王家山村一帶；高危險(xiǎn)性區(qū)主要位于小平爾嶺以東至喇家溝一帶；中危險(xiǎn)性區(qū)沿著高危險(xiǎn)性區(qū)周邊分布，外加享堂溝一帶。從圖8中可以看出，在西寧市城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)中，非危險(xiǎn)性區(qū)、低危險(xiǎn)性區(qū)、中危險(xiǎn)性區(qū)、高危險(xiǎn)性區(qū)分別占研究區(qū)總面積的38%、38%、13%和11%。

圖7 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)

圖8 危險(xiǎn)性等級(jí)面積百分比

2 結(jié)束語(yǔ)

遴選出影響西寧市城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用熵權(quán)法與層次分析法進(jìn)行耦合，通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性層次分析模型，建立判斷矩陣，獲取評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合權(quán)重，利用ArcGIS的空間分析功能，進(jìn)行疊加計(jì)算，最后獲取了西寧市城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害非危險(xiǎn)性區(qū)、低危險(xiǎn)性區(qū)、中危險(xiǎn)性區(qū)及高危險(xiǎn)性區(qū)的分布情況，分區(qū)結(jié)果良好地反映了城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的實(shí)際情況。

通過(guò)西寧市城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖可知，西寧市城中區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)面積中，非危險(xiǎn)性區(qū)與低危險(xiǎn)性區(qū)面積占比最大，為全研究區(qū)面積的38%，然后中低危險(xiǎn)性區(qū)域，占總面積的13%，高危險(xiǎn)性區(qū)域與中危險(xiǎn)性區(qū)面積占比差別不大，占城中區(qū)總面積的11%。本次研究成果對(duì)于西寧市城中區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治與工程活動(dòng)具有一定參考價(jià)值。