賀俊，李金錢，高沛，趙強(qiáng)

(1.陜西礦業(yè)開(kāi)發(fā)工貿(mào)有限公司，西安 710054；2.陜西地礦集團(tuán)有限公司，西安 710054)

1 前言

地質(zhì)災(zāi)害與人類生命財(cái)產(chǎn)安全息息相關(guān)，其發(fā)生受多種因素影響，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的演變過(guò)程。地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)是地質(zhì)災(zāi)害防治工作的基礎(chǔ)，自本世紀(jì)以來(lái)，全國(guó)相繼開(kāi)展了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)劃和詳細(xì)調(diào)查工作，但大多數(shù)都是以定性為主。當(dāng)前，生態(tài)文明思想對(duì)地質(zhì)工作賦予新的使命，至此，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇，正經(jīng)歷著從以定性為主、定量為輔的單點(diǎn)調(diào)查轉(zhuǎn)變到以定量為主、定性為輔的“隱患點(diǎn)+風(fēng)險(xiǎn)區(qū)”雙控階段。目前，地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)內(nèi)容主要包括易發(fā)性、危險(xiǎn)性、易損性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等，其中易發(fā)性評(píng)價(jià)是基礎(chǔ)性工作，對(duì)于其它評(píng)價(jià)內(nèi)容起著決定性作用；另一方面，易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性、高效性對(duì)于政府決策、國(guó)土空間規(guī)劃等具有指導(dǎo)意義。因而，開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)研究意義重大。

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是分析災(zāi)害體在多種致災(zāi)因素影響下發(fā)生的可能性。國(guó)內(nèi)于20世紀(jì)80年代相繼開(kāi)始研究，20世紀(jì)90年代以后，伴隨著數(shù)理統(tǒng)計(jì)、概率論及信息理論、模糊數(shù)學(xué)理論等學(xué)科不斷被引入地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)領(lǐng)域中，多種預(yù)測(cè)模型形成，并被廣泛應(yīng)用[1]，常見(jiàn)的定量評(píng)價(jià)方法主要包括邏輯回歸分析方法、證據(jù)權(quán)法、信息量法、確定性系數(shù)分析方法以及多種分析方法的耦合分析等[2-7]。賴波等[8]采用綜合指數(shù)法對(duì)珠海市進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)；賈麗娜等[9]采用基于矩估計(jì)理論的最優(yōu)組合賦權(quán)模型計(jì)算因子權(quán)重的方法對(duì)華池縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；趙毅斌等[10]采用邏輯回歸模型對(duì)贛南地區(qū)某重點(diǎn)城鎮(zhèn)進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)；王磊等采用層次分析-信息量法模型進(jìn)行了理縣滑坡地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[11]；羅路廣等通過(guò)確定性系數(shù)模型、邏輯回歸模型以及兩種模型耦合等方法，分別對(duì)九寨溝景區(qū)的滑坡進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)，認(rèn)為耦合模型評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理[12]。通過(guò)分析總結(jié)以上各種方法，綜合認(rèn)為加權(quán)信息量法思路清晰，建模簡(jiǎn)單，能夠客觀準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害防治工作能夠提供很好地科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部，地理坐標(biāo)介于107°59′～108°08′E和34°14′～34°20′N之間。全區(qū)地勢(shì)總體南低北高，高差約128.5 m，地形地貌較復(fù)雜，受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地貌單元以河谷階地和黃土臺(tái)塬為主。全區(qū)屬季風(fēng)型半濕潤(rùn)半干旱氣候，年際降水量分配不均，主要集中在7、8、9三個(gè)月，約占全年的51%；區(qū)內(nèi)南、北、東三面環(huán)河，地表水系發(fā)育；地層巖性主要為第四系中上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土和沖洪積物；斬坡修路、切坡建房等人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈；特殊的地質(zhì)環(huán)境條件，使得區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育。根據(jù)楊陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查[13]數(shù)據(jù)資料顯示，區(qū)內(nèi)共有地質(zhì)災(zāi)害36處(圖1)，呈近東西向帶狀分布，災(zāi)害類型均為崩塌，規(guī)模為小型。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖

2.2 數(shù)據(jù)源與預(yù)處理

研究區(qū)數(shù)據(jù)源來(lái)源主要包括1∶5萬(wàn)DLG數(shù)字劃線地形圖，包括等高線、道路、水系、地名等；1∶5萬(wàn)地形地質(zhì)圖，包括等高線、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)及基礎(chǔ)地理要素等；地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)、歷年降水量數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程模型(精度12.5 m)等。

為了便于開(kāi)展易發(fā)性評(píng)價(jià)，對(duì)原始數(shù)據(jù)做以下預(yù)處理：首先，將所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)文件格式轉(zhuǎn)換為.shp格式(數(shù)字高程模型除外)；其次，為了避免數(shù)據(jù)在不同坐標(biāo)系下偏移，將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一變換至Gauss_Kruger CGCS2000_GK_CM_111E；然后，用行政界線對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪(ARCGIS中用掩膜處理工具)整飾；最后進(jìn)行拓?fù)錂z查、重分類、柵格疊加、模糊處理等。

3 建立信息量模型

3.1 信息量模型簡(jiǎn)介

信息量法用在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中，通俗來(lái)講，就是分析地質(zhì)災(zāi)害在不同影響因子(如坡度，坡向，高差等)不同狀態(tài)下致使地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，其本質(zhì)是一個(gè)概率事件。信息量可按照式(1)[14]計(jì)算：

(1)

式中,I(Y,X1,X2,…,Xn)為X1,X2,…,Xn因素組合為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生提供的信息量；P(Y,X1,X2,…,Xn)為X1,X2,…,Xn因素組合下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率；P(Y)為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。

評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因素一般較多，一般用樣本頻率計(jì)算出每種因素不同狀態(tài)下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各評(píng)價(jià)單元的信息量，可按照式(2)[15]計(jì)算，同時(shí)考慮不同因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)率，輔以權(quán)重，通過(guò)加權(quán)的方式計(jì)算出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的加權(quán)信息量式(3)。

(2)

(3)

式中,S為評(píng)價(jià)單元總數(shù)；Si為因素Xi特定類別狀態(tài)下含有評(píng)價(jià)因素Xi的單元總數(shù)；N為評(píng)價(jià)單元中含有地質(zhì)災(zāi)害的單元總數(shù)；Ni為分布在因素Xi內(nèi)特定類別狀態(tài)下的災(zāi)害單元數(shù)；Wi為用層次分析法計(jì)算出的因素權(quán)重；I為加權(quán)信息量。

3.2 建立模型

3.2.1 評(píng)價(jià)流程

第一步，資料搜集，包括主控孕災(zāi)因素、誘發(fā)因素、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)等；第二步，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并進(jìn)行量化、分級(jí)；第三步，劃分評(píng)價(jià)單元，按照一定規(guī)格對(duì)研究區(qū)進(jìn)行剖分；第四步，權(quán)重計(jì)算，通過(guò)層次分析法構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算權(quán)重；第五步，信息量計(jì)算，按照公式(2)和公式(3)，計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的加權(quán)信息量；第六步，重分類(包括信息量重新賦值)，采用自然間斷點(diǎn)法，結(jié)合人工修正信息量，找出突變點(diǎn)，繪制地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)圖(圖2)。

圖2 評(píng)價(jià)流程示意圖

3.2.2 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

目前，評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐钟凶匀恍逼禄虻孛矄卧鸵?guī)則柵格單元。研究區(qū)斜坡類型單一、地貌類型簡(jiǎn)單，地質(zhì)災(zāi)害體以點(diǎn)狀為主，分布面積小，在這種情況下，特殊的斜坡單元或地貌單元已經(jīng)不能精確地反映二者之間的相關(guān)關(guān)系；柵格單元是將研究區(qū)按照一定的間距劃分成若干個(gè)規(guī)格網(wǎng)格，對(duì)于研究區(qū)這種小而散的地質(zhì)災(zāi)害體，能夠清楚地反映二者之間的相互關(guān)系，通過(guò)類比，本次評(píng)價(jià)選擇柵格單元。鑒于搜集到的數(shù)字高程模型的分辨率為12.5 m，故本次柵格大小確定為12.5 m×12.5 m。據(jù)此，將研究區(qū)劃分為808 135個(gè)柵格單元。

3.2.3 評(píng)價(jià)因子選取

地質(zhì)災(zāi)害是多種因素共同作用的結(jié)果，可能同時(shí)受到內(nèi)部與外部等多種因素的共同作用，但不同的地區(qū)受到各類因素的影響程度也不同，一個(gè)地區(qū)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不適用于其它地區(qū)，并且地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)因素相互交錯(cuò)，難以獨(dú)立分析，甚至難以量化考核。本次研究從地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征入手，通過(guò)分析主控孕災(zāi)地質(zhì)條件，選取坡度、坡向、高程、工程地質(zhì)巖組以及降雨等5項(xiàng)因素作為評(píng)價(jià)因子(圖3)。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系圖

(1) 坡度

坡度是地形地貌的表征特征之一。它通過(guò)影響巖土體的應(yīng)力分布、地表水的徑流、植被的發(fā)育等，間接地控制著地質(zhì)災(zāi)害體的穩(wěn)定性，是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要因素之一。本次坡度量化以研究區(qū)DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)ARCGIS軟件表面分析坡度功能來(lái)提取。根據(jù)提取的坡度特征值，利用ARCGIS重分類功能，將坡度劃分為5個(gè)級(jí)別：①0°～8°；②8°～15°；③15°～25°；④25°～35°；⑤>35°(圖4)。

圖4 坡度分級(jí)圖

(2) 高程

研究區(qū)海拔呈現(xiàn)西北高、東南低的特點(diǎn)，通過(guò)分析地質(zhì)災(zāi)害與高程的關(guān)系可知，地質(zhì)災(zāi)害分布高程多在470 m以下。根據(jù)區(qū)內(nèi)高程變化及地質(zhì)災(zāi)害分布特征，以1∶5萬(wàn)DLG數(shù)字劃線地形圖為基礎(chǔ)，利用ARCGIS空間分析中重分類工具，將高程劃分為4個(gè)級(jí)別：①<450 m；②450～470 m；③470～490 m；④>490 m(圖5)。

圖5高程分級(jí)圖

(3) 坡向

坡向因接受日照強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)、降水的不同，會(huì)導(dǎo)致坡面巖土體風(fēng)化程度、含水率、植被發(fā)育有所差異，一般來(lái)說(shuō)陽(yáng)坡面巖土體風(fēng)化程度高、含水率低，植被茂盛、覆蓋率高，反之則反。本次以DEM為數(shù)據(jù)源，利用ARCGIS表面分析和重分類功能，將坡向劃分為4個(gè)級(jí)別(圖7)：①45°～135°(東坡)；②135°～225°(南坡)；③225°～315°(西坡)；④315°～45°(北坡，315°～0°和0°～45°)。

圖6 巖性分級(jí)圖

(4) 巖性

巖性是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)。不同的巖土體其強(qiáng)度、應(yīng)力分布狀態(tài)、構(gòu)造發(fā)育程度變形機(jī)理不同，如巖體中的張應(yīng)力形成的裂隙，黃土地區(qū)的落水洞、柱狀裂隙等，這一現(xiàn)象在該地區(qū)表現(xiàn)較為明顯。根據(jù)區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)特性，將巖土體劃分為3類：①黃土；②黃土狀土；③砂土(圖6)，并通過(guò)ARCGIS空間分析中重分類工具賦值予以量化。

圖7 坡向分級(jí)圖

(5) 降雨

水是地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素之一。一般來(lái)說(shuō)，降水量越大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性越大。在搜集區(qū)內(nèi)和武功縣氣象站多年降水量資料的基礎(chǔ)上，采用克里格插值法生成多年均降水量等值線，并將其劃分為3個(gè)等級(jí)：①<580 mm；②580～590 mm；③>600 mm(圖8)。

圖8 降雨量分級(jí)圖

3.2.4 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

層次分析法(AHP)是一種多目標(biāo)評(píng)價(jià)決策的方法，它通過(guò)對(duì)指標(biāo)層各評(píng)價(jià)因子的兩兩比較，采用1～9標(biāo)度法[16-17]，通過(guò)兩兩對(duì)比打分，得到構(gòu)造判斷矩陣[18]，本次研究分別構(gòu)建易發(fā)性判斷矩陣A-B(表1)、誘發(fā)因子判斷矩陣B2-C(表2)和控制因子判斷矩陣B1-C(表3)。

表1 易發(fā)性判斷矩陣A-B

表2 誘發(fā)因子判斷矩陣B2-C

表3 控制因子判斷矩陣B1-C

運(yùn)用YAAHP軟件，計(jì)算判斷矩陣的最大特征根(λmax)和對(duì)應(yīng)的最大特征向量(表4)。

表4 判斷矩陣權(quán)重計(jì)算

根據(jù)表4計(jì)算的判斷矩陣權(quán)重，對(duì)B1、B2分別賦以各自權(quán)重，得到各因子權(quán)重(表5)。

表5 權(quán)重計(jì)算結(jié)果

3.2.5 信息量計(jì)算

通過(guò)ARCGIS空間分析中的提取分析——多值提取至點(diǎn)功能，統(tǒng)計(jì)出各單元的信息量Ni，結(jié)合EXCEL軟件按照式(2)和式(3)，統(tǒng)計(jì)出各單元的總信息量(表6)，在ARCGIS軟件中并進(jìn)行重分類、賦值(需對(duì)信息量擴(kuò)大10 000倍再賦值)。

表6 評(píng)價(jià)因素信息量

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

首先，采用ARCGIS空間分析功能，計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的信息量；然后，使用重分類工具進(jìn)行自然間斷點(diǎn)法人工修正，找出兩個(gè)突變點(diǎn)作為分區(qū)界線；最后，進(jìn)行柵格綜合、模糊邊界、圖形融合等處理，消除異小圖斑，最終將全區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)3個(gè)分區(qū)3個(gè)級(jí)別(圖9)，其中高易發(fā)區(qū)面積0.99 km2，占全區(qū)面積的0.74%，主要分布在區(qū)內(nèi)中部的新集村-陵?yáng)|村一帶的黃土臺(tái)塬和階地過(guò)渡區(qū)以及北部的小韋河沿岸；中易發(fā)區(qū)面積8.35 km2，占全區(qū)面積的6.29%，呈倒“U”字型分布在區(qū)內(nèi)中部和北部的小韋河沿岸；低易發(fā)區(qū)面積123.47 km2，占全區(qū)面積的92.97%，主要分布在南部的河谷階地和北部的臺(tái)塬區(qū)，地勢(shì)平坦，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育。

圖9 楊陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)圖

4.2 精度評(píng)價(jià)

(1) ROC特征曲線驗(yàn)證

在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)工作的精度驗(yàn)證中，經(jīng)常采用受試者工作特征曲線(ROC)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)(圖10)。特征曲線對(duì)于檢驗(yàn)樣本的貼合程度較為適用，當(dāng)高易發(fā)區(qū)域中的評(píng)價(jià)樣本占比較高時(shí)，說(shuō)明評(píng)價(jià)精度較好[19]。為了進(jìn)一步分析本次評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用ROC特征曲線進(jìn)行驗(yàn)證，在研究區(qū)域內(nèi)利用ARCGIS隨機(jī)生成點(diǎn)功能生成36處非地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，并與已有36處災(zāi)害點(diǎn)組成測(cè)試樣本數(shù)據(jù)，用SPSS軟件中因子分析功能生成ROC曲線，其AUC值為0.72>0.50，結(jié)果表明：評(píng)價(jià)精度較高，方法可行。

圖10 受試者工作特征曲線圖

(2) 擬合曲線法驗(yàn)證

不同易發(fā)分區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)與易發(fā)程度的擬合度也能反映評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般來(lái)說(shuō)，擬合度越高，分區(qū)結(jié)果越準(zhǔn)確。根據(jù)易發(fā)性分區(qū)結(jié)果，疊加統(tǒng)計(jì)出不同分區(qū)內(nèi)的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)，繪制地質(zhì)災(zāi)害占比與易發(fā)程度相關(guān)性曲線圖(圖11)。從圖11中可以看出，中高易發(fā)區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)占總數(shù)的92.31%，二者呈線性正相關(guān)關(guān)系，擬合度極高，達(dá)到了96.43%。由此說(shuō)明，本次易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果精度較高。

圖11 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占比與易發(fā)程度相關(guān)性圖

5 結(jié)論與展望

(1) 本文在搜集資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)總結(jié)分析楊陵區(qū)孕災(zāi)地質(zhì)條件，選擇坡度、高程、坡向、巖性、降雨等5個(gè)主控因子建立評(píng)價(jià)模型，采用ARCGIS軟件進(jìn)行因子量化、分級(jí)，結(jié)合層次分析法、構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算各因子權(quán)重和評(píng)價(jià)單元加權(quán)信息量。

(2) 利用ARCGIS重分類工具對(duì)信息量進(jìn)行自然間斷法人工修正，得到楊陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果：高易發(fā)區(qū)面積0.99 km2，占全區(qū)面積的0.74%；中易發(fā)區(qū)面積8.35 km2，占全區(qū)面積的6.29%；低易發(fā)區(qū)面積123.47 km2，占全區(qū)面積的92.97%。最后，采用ROC特征曲線和擬合曲線法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：評(píng)價(jià)結(jié)果精度較高，方法可行。

(3) 本文在信息量計(jì)算后，未進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，是否影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步商榷；另外，評(píng)價(jià)因子僅選擇了5個(gè)，斷裂、河流、地下水位、道路等尚未考慮，這些因子的引入，是否會(huì)提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精度？