周 迎，易 武，黃曉虎，張 全，黃 耕，敖 亮

(1.湖北長江三峽滑坡國家野外科學(xué)觀測研究站，湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；3.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

危巖崩塌災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大，尤其是在人類工程活動頻繁的區(qū)域。眾多地質(zhì)學(xué)者從危巖體的失穩(wěn)模式、發(fā)育特征及形成機(jī)制進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)性評價研究。黃青能[1]以邊坡臨空面情況是否良好、是否有階段性地表徑流、坡度范圍、巖土體濕度、裂縫發(fā)育類型及程度、人類工程活動作為崩塌發(fā)育程度的評判標(biāo)準(zhǔn)。Baeza等[2]采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，對區(qū)域淺層降雨型滑坡開展了易發(fā)性評價。Zhou、Chen等[3- 4]把支持向量機(jī)中分類和預(yù)測方法應(yīng)用到滑坡災(zāi)害敏感性評價中。Yesilnacar等[5]在中等比例尺條件下對土耳其Hendek地區(qū)進(jìn)行了滑坡災(zāi)害易發(fā)性評價。劉洋等[6]利用ArcGIS平臺，采用AHP-信息量模型，對四川省通江縣進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價。王佳佳等[7]利用災(zāi)害地質(zhì)圖編繪專業(yè)監(jiān)測中崩塌滑坡預(yù)報(bào)模型和預(yù)報(bào)判據(jù)等資料，開發(fā)基于WEBGIS和四庫一體技術(shù)的滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

層次分析法(AHP)、信息量法的精確程度及適用性均有改進(jìn)的空間，網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)是AHP的延伸與擴(kuò)展[8]，ANP-信息量法將ANP網(wǎng)絡(luò)層次分析法和信息量法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來進(jìn)行易發(fā)性空間預(yù)測。吳靜涵等[9]以金寨抽水蓄能電站為例，建立了基于ISM-ANP的灰色聚類分析的地下洞室施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價模型，得出施工安全風(fēng)險(xiǎn)評價結(jié)果。祁英弟等[10]在傳統(tǒng)TOPSIS法的基礎(chǔ)上加入灰色關(guān)聯(lián)理論，構(gòu)建西北地區(qū)引水隧洞病害安全評價模型，通過應(yīng)用Super Decision軟件得出各隧洞段病害安全等級。本文基于ANP-信息量法，對湖北宜昌點(diǎn)軍區(qū)白堊系地層進(jìn)行易發(fā)性評價。

1 點(diǎn)軍區(qū)白堊系地層概況

點(diǎn)軍區(qū)位于宜昌城區(qū)長江南岸地帶，面積為532.18 km2，區(qū)內(nèi)白堊系地層面積為292.19 km2。研究區(qū)內(nèi)地形地貌為丘陵到平原的過渡帶，丘陵地貌在艾家鎮(zhèn)、橋邊鎮(zhèn)、聯(lián)棚鄉(xiāng)及點(diǎn)軍街道辦均存在，區(qū)內(nèi)高山主要集中在土城鄉(xiāng)一帶。研究區(qū)內(nèi)巖質(zhì)斜坡居多，斜坡坡面可見危巖發(fā)育，區(qū)內(nèi)巖體地層主要為：①白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組。巖性為紫紅色塊狀礫巖，局部夾粉砂巖及粉砂巖透鏡體，巖層厚為273 m；②白堊系下統(tǒng)五龍組。巖性為中～粗粒砂巖、粉砂巖、鈣質(zhì)細(xì)砂巖夾礫巖，巖層厚為1 866 m；③白堊系下統(tǒng)石門組。巖性為紫紅色塊狀礫巖，局部夾粉砂巖及粉砂巖透鏡體，巖層厚為100 m。崩塌地層巖性專題見圖1。根據(jù)危巖崩塌地層巖性專題圖劃分得出地層巖性單因子易發(fā)性分區(qū)情況，見表1。

圖1 崩塌地層巖性專題

表1 地層巖性單因子易發(fā)性分區(qū)情況

本研究源數(shù)據(jù)來源于91衛(wèi)圖影像圖及高程圖，經(jīng)過Globalmapper14處理后導(dǎo)入ArcMap10.4生成。源數(shù)據(jù)中DEM圖的分辨率為12.5 m，ArcGIS制圖比例為1∶2 500 000。

2 模型介紹

本文首先利用ANP法對研究對象進(jìn)行分析并構(gòu)建典型的分析模型，通過解超矩陣確定權(quán)重；得出權(quán)重值后與信息量方法得出來的信息量值疊加得出綜合信息量值，從而得出更加科學(xué)合理的易發(fā)性分區(qū)。

研究區(qū)白堊系地層主要的影響因素為坡度、坡向、層理傾角、地形相對高差、地層巖性、距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離、距道路距離、土地利用分類，其他因素由于資料有限不做考慮。危巖崩塌災(zāi)害易發(fā)性評價模型建立步驟如下：

(1)確定控制層中各因素的權(quán)重。由于坡度、坡向、層理傾角、地形相對高差、地層巖性、距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離、距道路距離、土地利用分類各個因素之間是相互獨(dú)立的，因此考慮采用直接優(yōu)勢度的原則，即給定一個準(zhǔn)則，確定其中任意2個因素對這個準(zhǔn)則的重要程度[10]。

(2)構(gòu)造判斷矩陣網(wǎng)絡(luò)。ANP-信息量法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。在總目標(biāo)下對網(wǎng)絡(luò)層的各個元素進(jìn)行比較，列出判斷矩陣，矩陣中的數(shù)據(jù)通過對決策者進(jìn)行調(diào)查問卷得到。

圖2 選取因子及結(jié)構(gòu)模型

在計(jì)算權(quán)重值前需要對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，歸一化特征向量為

(1)

(2)

(4)計(jì)算加權(quán)超矩陣并得出權(quán)重值。由于超矩陣中每個子塊都是歸一化的，但該矩陣并不是歸一化的[10]。因此，以A為準(zhǔn)則，按照各組元素對C層的重要性進(jìn)行比較，得到1個歸一化的排序向量Aj[10]，即

Aj=[a1j，…，aNj]T

(3)

式中，aij是B中元素對C的影響程度排序向量，根據(jù)排序向量的矩陣可以得出準(zhǔn)則下的超矩陣K[11]，即

(4)

式中，ω1N是網(wǎng)絡(luò)層一級指標(biāo)B中各因素的相對權(quán)重子矩陣[10]。將加權(quán)矩陣與超矩陣通過計(jì)算即可得到加權(quán)超矩陣W加權(quán)，對加權(quán)超矩陣進(jìn)行排序并計(jì)算權(quán)重即為ANP權(quán)重計(jì)算結(jié)果[10]。公式為

W加權(quán)=A×K

(5)

(5)信息量法確定信息量值。信息量計(jì)算公式如下

(6)

式中，q(xi，h)為評價因子xi對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害hi所貢獻(xiàn)的信息量；Mi為研究區(qū)內(nèi)已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域中含有評價因子xi的災(zāi)害數(shù)量；M為研究區(qū)內(nèi)已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)；Si為研究區(qū)內(nèi)含有評價因子xi的面積；S為研究區(qū)面積[12]。疊加每1個單元格里的信息量得出評價單元里的總信息量值Qi[12]。最后，將ANP法計(jì)算得出的W加權(quán)值與信息量得出來的綜合信息量值Qi進(jìn)行疊加，即可得出ANP-信息量法權(quán)重值。公式為

(7)

3 點(diǎn)軍區(qū)危巖崩塌災(zāi)害易發(fā)性評價

3.1 計(jì)算過程

確定影響因子指標(biāo)體系后，結(jié)合ANP-信息量法進(jìn)行分析。分析前，將影響指標(biāo)劃分為2級：一級指標(biāo)為模型建立的目標(biāo)，研究區(qū)內(nèi)危巖崩塌災(zāi)害的易發(fā)性程度；二級指標(biāo)為主要的影響因素。

本文結(jié)合權(quán)重計(jì)算公式，基于ArcGIS軟件得出各個影響因素的分級專題圖。以區(qū)內(nèi)22處崩塌災(zāi)害點(diǎn)為樣本點(diǎn)；經(jīng)過重分類并通過計(jì)算得出的權(quán)重值進(jìn)行疊加分析，即可得出易發(fā)性評價結(jié)果。

3.2 單因子評價

3.2.1 距道路距離

分級依據(jù)為公路上過往車輛對路面產(chǎn)生的動荷載，一定程度上會影響坡體穩(wěn)定性，越靠近道路，穩(wěn)定性受其影響越明顯。根據(jù)實(shí)際情況，以5 m為梯度進(jìn)行劃分，重分類后距道路距離C7劃分為：<5、5～10、10～15、>15 m。危巖崩塌距道路距離專題見圖3。不同區(qū)間取值分級占比見圖4。研究區(qū)內(nèi)危巖崩塌災(zāi)害樣本點(diǎn)距道路距離分區(qū)情況見表2。道路和居民區(qū)工程建設(shè)相當(dāng)于給坡體施加外部荷載，對地質(zhì)環(huán)境的破壞程度較大，易誘發(fā)和加劇地質(zhì)災(zāi)害[13]。分析可知，距離道路越近，緩沖區(qū)受到地質(zhì)災(zāi)害波及的可能性就越大。

圖3 崩塌距道路距離專題

圖4 距道路造距離分級占比

表2 距道路距離單因子易發(fā)性分區(qū)情況

3.2.2 地形相對高差

基于DEM數(shù)據(jù)并采用自然間斷法得出的地形相對高差專題見圖5。進(jìn)行重分類后，以最低點(diǎn)的高程為基準(zhǔn)線進(jìn)行計(jì)算得出地形相對高差C3劃分為：0～138、139～270、271～431、432～1 017 m。不同區(qū)間的地形相對高差分級占比見圖6。

圖5 地形相對高差專題

圖6 地形相對高差分級占比

由于地形相對高差的不同，風(fēng)化作用對地表改造的強(qiáng)弱也存在明顯差異，主要以生物風(fēng)化作用及化學(xué)風(fēng)化作用為主[13]。地形相對高差較大的區(qū)域植被發(fā)育，氣候潮濕，地表巖體吸收的太陽能輻射較少。地形相對高差單因子易發(fā)性分區(qū)情況如表3所示。

表3 地形相對高差單因子易發(fā)性分區(qū)情況

3.2.3 距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離

區(qū)域性斷裂帶和褶皺帶中巖體破碎，完整性差，地質(zhì)災(zāi)害往往密集發(fā)育[13]。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造如斷層、拉張裂縫等直接影響崩塌災(zāi)害的發(fā)育，越靠近區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造位置，穩(wěn)定性受其影響越明顯。距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離專題見圖7。根據(jù)實(shí)際情況，以1 km為梯度進(jìn)行劃分，距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離C6劃分為：<1、1 ～2、2～3、>3 km。距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離分級占比情況見圖8。

圖7 崩塌距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造專題

圖8 距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離分級占比

由于部分災(zāi)害點(diǎn)距緩沖區(qū)范圍較遠(yuǎn)，災(zāi)害發(fā)生的可能性較小。因此，在計(jì)算綜合信息量值時需要剔除大于3 km的樣本數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)整得出距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離的單因子分區(qū)情況，見表4。

表4 距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離單因子易發(fā)性分區(qū)情況

3.2.4 坡度

斜坡的陡傾程度會影響斜坡變形失穩(wěn)的模式[14]，坡度不同，穩(wěn)定性也不相同?；贒EM數(shù)據(jù)，采用自然間斷法得出坡度專題見圖9。進(jìn)行重分類后，坡度分級為坡度C1劃分為：0°～12°、13°～23°、24°～36°、37°～81°。坡度分級占比見圖10。分析可知，越靠近研究區(qū)域的西南方向，坡度越陡。研究區(qū)內(nèi)的危巖崩塌災(zāi)害樣本點(diǎn)的坡度分區(qū)情況見表5。

圖9 崩塌坡度專題

圖10 坡度分級占比

表5 坡度單因子易發(fā)性分區(qū)情況

3.2.5 坡向

太陽東升西落，坡向不同，坡面植被受到太陽光照及降雨量的程度也有一定的差異性，坡向差異對降雨、風(fēng)速及光照等影響風(fēng)化速率的因子均有影響[13]。采用DEM數(shù)據(jù)基于自然間斷法，得出坡向?qū)ｎ}見圖11。坡向C2劃分為：東北方向、東南方向、西北方向及西南方向。坡向分級占比見圖12。研究區(qū)內(nèi)的危巖崩塌災(zāi)害樣本點(diǎn)的坡向分區(qū)情況見表6。

表6 坡向單因子易發(fā)性分區(qū)情況

圖11 崩塌坡向?qū)ｎ}

圖12 坡向分布占比

3.2.6 土地利用分類

地表植被根系對松散土體具有穩(wěn)固作用，一般植被發(fā)育的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較少[13]。而植被發(fā)育

在節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體表面則會進(jìn)一步促進(jìn)根劈作用的發(fā)展，導(dǎo)致危巖體受到擠壓脫離母巖。根據(jù)土地利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分類結(jié)果，對研究范圍內(nèi)的土地進(jìn)行分類，C8劃分結(jié)果為：農(nóng)田及水域、林地、旱地及草地、建設(shè)用地。土地利用分類專題見圖13。土地利用分類情況見圖14。研究區(qū)內(nèi)土地利用分類分區(qū)情況見表7?？梢缘贸?，林地覆蓋范圍內(nèi)植物根劈作用明顯，農(nóng)田及水域次之，建設(shè)用地、旱地及

表7 土地利用分類單因子易發(fā)性分區(qū)情況

圖13 崩塌土地利用分類專題

圖14 土地利用分類

草地覆蓋區(qū)存在植物根劈作用的可能性較小。

3.2.7 層理傾角

水平層理與垂直層理對崩塌災(zāi)害造成的影響是不同的。張峰等[15]針對新疆準(zhǔn)東煤田露天礦的近水平層狀巖體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究近水平層理邊坡的變形機(jī)制，說明層理的傾角大小對災(zāi)害存在一定的影響。通過對研究區(qū)層理傾角分布情況進(jìn)行分析歸類，得出層理傾角專題，見圖15。通過現(xiàn)場調(diào)查及現(xiàn)有資料，對層理傾角C4劃分為：2°～5°、6°～7°、8°～9°、10°～22°。層理傾角占比見圖16。層理傾角單因子易發(fā)性分區(qū)情況見表8。

表8 層理傾角單因子易發(fā)性分區(qū)情況

圖15 研究區(qū)層理傾角專題

圖16 層理傾角分級占比

3.3 易發(fā)性評價結(jié)果

對坡度、坡向、層理傾角、地形相對高差、地層巖性、距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離、距道路距離、土地利用分類各個評價因子劃分等級，利用ArcGIS進(jìn)行疊加得出易發(fā)性分區(qū)圖。通過SPSS軟件對各評價指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，得出評價指標(biāo)之間沒有明顯相關(guān)性，符合評價要求。通過ArcGIS利用自然間斷法將易發(fā)性分為4個等級，獲取研究區(qū)的易發(fā)性分級圖，見圖17。利用ANP-信息量法計(jì)算出權(quán)重結(jié)果疊加后得出易發(fā)性等級劃分，見表9。

表9 易發(fā)性等級劃分

圖17 崩塌易發(fā)性評價分區(qū)

崩塌易發(fā)性評價分級占比見圖18。從圖18可以看出，本研究對點(diǎn)軍區(qū)白堊系地層的中、較低易發(fā)區(qū)的危巖崩塌災(zāi)害早期識別的精確程度較高。當(dāng)災(zāi)害點(diǎn)的不同標(biāo)準(zhǔn)均處于最不利狀態(tài)，災(zāi)害點(diǎn)受影響的程度就越大，權(quán)重取值也就越大。因此點(diǎn)軍區(qū)白堊系砂礫巖危巖崩塌災(zāi)害的易發(fā)性評價結(jié)果為：當(dāng)災(zāi)害點(diǎn)的坡向?yàn)闁|北方向或西北方向，坡度為13°～36°，層理傾角為8°～22°，土地利用類型為林地或建設(shè)用地，地形相對高差范圍為0～138 m，距道路距離小于5 m，距區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造距離小于1 km時，則該災(zāi)害點(diǎn)可能發(fā)生崩塌災(zāi)害，研究區(qū)內(nèi)符合該地質(zhì)條件特征的主要分布在點(diǎn)軍區(qū)的西北部—土城鄉(xiāng)，其次為橋邊鎮(zhèn)與點(diǎn)軍街道辦，該災(zāi)害點(diǎn)所在區(qū)域?yàn)橹幸装l(fā)區(qū)或較低易發(fā)區(qū)可能性較大。

圖18 崩塌易發(fā)性評價分級占比

4 結(jié) 語

本文通過主觀定性分析和客觀定量分析相結(jié)合，對湖北宜昌點(diǎn)軍區(qū)白堊系地層危巖崩塌災(zāi)害進(jìn)行早期識別?；贏NP-信息量法進(jìn)行易發(fā)性分析，結(jié)果基本與實(shí)際情況相符，方法合理可行，適用于研究區(qū)危巖崩塌災(zāi)害中低易發(fā)區(qū)的危巖崩塌災(zāi)害的早期識別，精確程度相對較高。

實(shí)際情況下，地質(zhì)災(zāi)害的影響因子不僅僅限于本文提到的幾種因素，后期應(yīng)在影響因子指標(biāo)上如節(jié)理裂隙的發(fā)育、災(zāi)害體分布的密集程度等方面進(jìn)行深入研究。