張鐘遠(yuǎn)，徐世光，2，李超，管曉琪，李微，鄧勝，鄭笑秋

(1.昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，昆明 650031；2.云南地礦工程勘察集團(tuán)公司，昆明 650041)

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，國(guó)外又稱為地質(zhì)災(zāi)害敏感性評(píng)價(jià)(Geological disaster susceptibility)，其意義在于研究一定區(qū)域內(nèi)多種地質(zhì)災(zāi)害影響因素綜合作用下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性[1]。常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型有:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(張?zhí)K平等，2003)[2]、概率指數(shù)模型(陳玉等，2013)[3]、模糊評(píng)判法(常青等，2014)[4]、Logistic回歸法(黃健敏等，2016)[5]、證據(jù)權(quán)法(郭長(zhǎng)寶等，2019)[6]、信息量法(陳立華等，2020)[7]、層次分析法(辛存林等，2020)[8]、確定性系數(shù)法(劉月等，2020)[9]，以及多種方法耦合模型(田春山等，2016)[10]等。

考慮到各個(gè)模型均有優(yōu)缺點(diǎn)，本文將信息量模型與層次分析法相結(jié)合，以綠春縣城區(qū)為例，選取地質(zhì)災(zāi)害影響因子，在信息量模型的基礎(chǔ)上運(yùn)用層次分析法賦權(quán)重，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為直觀合理，為地質(zhì)災(zāi)害防治與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)做出參考。

1 加權(quán)信息量模型

信息量模型屬于統(tǒng)計(jì)分析模型的一種，其物理意義明確、操作簡(jiǎn)單，在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。但是該模型未考慮各評(píng)價(jià)因子在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生過程中所起作用的大小，不能反映不同因子影響程度的差異。因此，為了更加科學(xué)合理的易發(fā)性評(píng)價(jià)應(yīng)考慮對(duì)各個(gè)影響因子賦予權(quán)重與信息量相乘后得到加權(quán)信息量。本文結(jié)合信息量法和層次分析法的優(yōu)點(diǎn)，采用加權(quán)信息量法評(píng)價(jià)其指標(biāo)，最終得到易發(fā)性的劃分結(jié)果，模型表述如下:

單個(gè)因子信息量計(jì)算公式：

式中，Ni為因子Xi特定類別xi內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)；N為研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)；Si為研究區(qū)域內(nèi)含有評(píng)價(jià)因子xi的單元面積；S為研究區(qū)域評(píng)價(jià)單元面積總數(shù)。

總的信息量計(jì)算公式：

式中，Ij為評(píng)價(jià)單元總的信息量。

加權(quán)信息量計(jì)算公式：

式中，Wi為評(píng)價(jià)因子權(quán)重。

2 研究區(qū)概況

綠春縣城區(qū)位于云南省南部，位于紅河州西南部的綠春縣大興鎮(zhèn)，東經(jīng)102.35°～102.45°，北緯22.97°～23.02°。綠春縣城受區(qū)域地質(zhì)、地形、氣候、地貌影響，城區(qū)地層風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體結(jié)構(gòu)多以軟質(zhì)巖體為主，形成了較為脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展、人口的不斷增加、地質(zhì)環(huán)境條件逐漸惡化導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。經(jīng)過野外調(diào)查與收集資料研究分析，縣城區(qū)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害類型主要為滑坡、泥石流，其中滑坡57個(gè)、泥石流9個(gè)，研究區(qū)地理位置及地質(zhì)災(zāi)害分布如圖1。

圖1 地理位置及地質(zhì)災(zāi)害分布

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過分析自然地質(zhì)環(huán)境特征和地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律與形成條件，選取地層巖性、高程、坡度、坡向、斷層、道路、河流7個(gè)影響因子進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。離散型因子有地層巖性，根據(jù)巖土體類型分類；連續(xù)型因子有高程、坡度、坡向、距斷裂距離、距道路距離和距河流距離，分級(jí)采用細(xì)化等間距的分級(jí)方式。各評(píng)價(jià)因子分級(jí)如圖2(a～g)所示。

(1) 地層巖性

研究區(qū)出露的地層巖性分別為第四系(Q)松散堆積層；三迭系上統(tǒng)一碗水組(T3y)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖； 高山寨組(T3g)泥巖； 志留系下統(tǒng)(S1)板巖；印支期巖漿巖(T3λπ)巖性主要為流紋巖。將地層巖性分為5個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)因子(圖2a)。災(zāi)點(diǎn)密度在第四系(Q)松散堆積層最高，達(dá)到了4.39個(gè)/km2，其面積占比5%，其次為志留系下統(tǒng)(S1)板巖，密度達(dá)到了2.17/km2，其面積占比32%(圖3a)。

圖2 評(píng)價(jià)因子分級(jí)與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系圖

(2) 高程

通過 ArcGIS 將高程分為4個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)間(圖2b)。地質(zhì)災(zāi)害在1 300～1 550 m、1 550～1 800 m區(qū)間發(fā)育密度最大，分別達(dá)到了1.46個(gè)/km2、2.25個(gè)/km2，其面積分別占比33%、40%(圖3b)。

(3) 坡度

利用DEM數(shù)據(jù)，通過 ArcGIS 表面分析坡度工具提取坡度，將坡度分為5個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)間(圖2c)。對(duì)于坡度而言，評(píng)價(jià)區(qū)最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的是20°～40°，尤其是20°～30°地質(zhì)災(zāi)害密度達(dá)到了1.88個(gè)/km2，其面積占比41%(圖3c)。

(4) 坡向

利用DEM數(shù)據(jù)，通過 ArcGIS 表面分析坡向工具提取坡向，將坡向分為9個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)間(圖2d)。在坡向?yàn)槟?、北時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度最大，分別達(dá)到了1.82個(gè)/km2、2.15個(gè)/km2，其面積占比分別為16%、17%(圖3d)。

圖3 評(píng)價(jià)因子分級(jí)面積占比與地質(zhì)災(zāi)害占比關(guān)系圖

(5) 斷層

研究區(qū)位于?？?黃草嶺斷裂，地處蒼山-哀牢山變質(zhì)地體，經(jīng)歷了長(zhǎng)期復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造演變，有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。通過 ArcGIS 鄰域分析提取得到研究區(qū)域的斷層緩沖區(qū)(圖2e)。地質(zhì)災(zāi)害在0～900 m區(qū)間發(fā)育密度最大，以300 m分界的3個(gè)區(qū)間地質(zhì)災(zāi)害密度分別達(dá)到了3.36個(gè)/km2、1.78個(gè)/km2、2.58個(gè)/km2，其面積分別占比16%、15%、14%(圖3e)。

(6) 河流

研究區(qū)位于規(guī)洞河、松東河流域，規(guī)洞河、松東河水面寬分別為8～16 m、10～25 m，受人類活動(dòng)影響較明顯，水土流失嚴(yán)重，極有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。通過 ArcGIS 鄰域分析提取得到研究區(qū)域的河流緩沖區(qū)(圖2f)。地質(zhì)災(zāi)害在0～250 m、250～500 m區(qū)間發(fā)育密度最大，分別達(dá)到了2.21個(gè)/km2、2.37個(gè)/km2，其面積分別占比30%、23%(圖3f)。

(7) 道路

通過 ArcGIS 鄰域分析提取得到研究區(qū)域的道路緩沖區(qū)(圖2g)。地質(zhì)災(zāi)害在0～200 m、200～400 m區(qū)間發(fā)育密度最大，分別達(dá)到了2.37個(gè)/km2、1.18個(gè)/km2，其面積分別占比43%、24%(圖3g)。

為保證預(yù)測(cè)因素能滿足信息量模型的要求，通過因素之間的相互獨(dú)立性驗(yàn)證和綜合分析研究區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀來剔除相關(guān)性較大的因素[12]。因此，為了分析初選因子的互相關(guān)系，利用 ArcGIS 波段集統(tǒng)計(jì)工具計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)矩陣(表1)。由表1和表2中可以看出各指標(biāo)都在低度相關(guān)范圍內(nèi)。

表1 圖層因素之間的相關(guān)系數(shù)矩陣

表2 相關(guān)性劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.2 權(quán)重確定

運(yùn)用層次分析法對(duì)7個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分析，建立評(píng)價(jià)模型層次結(jié)構(gòu)。根據(jù)各評(píng)價(jià)因子內(nèi)在關(guān)系，通過相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合綠春縣城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的實(shí)際情況，對(duì)各因子進(jìn)行兩兩比較建立判斷矩陣(表3)，計(jì)算得到各因子的權(quán)重值(表4)，一致性比例CR=0.006<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

表3 評(píng)價(jià)因子判斷矩陣及權(quán)重

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

研究區(qū)總面積為45.7 km2，運(yùn)用信息量計(jì)算公式得到各評(píng)價(jià)因子的信息量。根據(jù)層次分析法計(jì)算得到的評(píng)價(jià)因子權(quán)重，再計(jì)算加權(quán)信息量(見表4)。

表4 評(píng)價(jià)因子信息量及權(quán)重值

對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)，將計(jì)算得到的加權(quán)信息量值賦值給已分類的評(píng)價(jià)因子相應(yīng)的單元，然后利用 ArcGIS 對(duì)各評(píng)價(jià)因子的柵格進(jìn)行疊加計(jì)算，最終得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的綜合加權(quán)信息量圖層(圖4)，其加權(quán)信息量值域范圍為-1.02～0.78。使用自然間斷法將研究區(qū)加權(quán)信息量值劃分為地質(zhì)災(zāi)害極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)。

圖4 綠春縣城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)圖

研究區(qū)極高、高易發(fā)區(qū)主要分布在規(guī)洞河、松東河中部分水嶺地帶。地質(zhì)災(zāi)害極高、高、中、低易發(fā)性面積(占比)分別為：14.74 km2(32.24%)、12.31 km2(26.94%)、12.71 km2(27.82%)、5.94 km2(13%)；地質(zhì)災(zāi)害分布數(shù)量(占比)分別為：50個(gè)(75.76%)、12個(gè)(18.18%)、4個(gè)(6.06%)、0個(gè)(0%)；地質(zhì)災(zāi)害密度分別為3.39個(gè)/km2、0.97個(gè)/km2、0.31個(gè)/km2、0.00個(gè)/km2，如表5所示。

表5 不同易發(fā)性等級(jí)對(duì)應(yīng)的實(shí)際災(zāi)害

3.4 評(píng)價(jià)精度

ROC曲線簡(jiǎn)單、直觀，可準(zhǔn)確地反映所用分析方法特異性和敏感性的關(guān)系，具有很好的試驗(yàn)準(zhǔn)確性，因而廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)域評(píng)價(jià)[2]。ROC曲線下的面積 AUC 是檢驗(yàn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖質(zhì)量的良好指示器。若 AUC 為 0.5～1，說明該圖是有效可靠的[3]。由圖5可知，ROC曲線橫坐標(biāo)表示易發(fā)性由極高到極低其累計(jì)面積所占百分比，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)易發(fā)性分區(qū)的災(zāi)害點(diǎn)累計(jì)所占百分比，AUC 越大表明評(píng)價(jià)結(jié)果精度越高，綠春縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果的 AUC 值為0.772，即評(píng)價(jià)精度是77.2%。這說明信息量模型用于評(píng)價(jià)綠春縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃具有良好的準(zhǔn)確性。

圖5 ROC曲線與AUC值

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)層次分析法計(jì)算各因子權(quán)重大小，研究區(qū)評(píng)價(jià)因子中地層巖性、斷層、河流權(quán)重值較大，分別高達(dá)0.28、0.22、0.20，是地質(zhì)災(zāi)害的主控因子。其次為坡度、道路，坡向和高程相對(duì)來說所占權(quán)重較小。

(2) 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)表明，研究區(qū)極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)面積(占比)分別為14.74 km2(32.24%)、12.31 km2(26.94%)。從各評(píng)價(jià)因子提供的信息量來看，地層巖性為填土(Q)，坡向?yàn)楸?，坡度?0°～30°，高程為1 550～1 800 m，分別距斷層、河流、道路0～300 m、0～500 m、0～200 m的類型和范圍內(nèi)極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

(3) 運(yùn)用層次分析法和信息量法構(gòu)成加權(quán)信息量模型，通過ROC檢驗(yàn)AUC=0.772，極高、高易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量(占比)分別為：50個(gè)(75.76%)、12個(gè)(18.18%)，評(píng)價(jià)具有良好的準(zhǔn)確性并與研究區(qū)實(shí)際情況比較一致。