周萬峰,梁斌,何洋飄

(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,四川綿陽 621010)

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)是整個(gè)地質(zhì)災(zāi)害評估體系中的重要內(nèi)容[1],易損性評價(jià)是指在統(tǒng)計(jì)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量,分析研究災(zāi)害分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,采用數(shù)學(xué)模型定量的評價(jià)各類型承災(zāi)體的抗災(zāi)能力,其損失值的大小與災(zāi)害的類型、強(qiáng)度以及承災(zāi)體固有特征實(shí)力關(guān)系密切[2-3]。區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易損性分析評價(jià)可以為當(dāng)?shù)卣贫ǚ罏?zāi)策略提供依據(jù),對增強(qiáng)當(dāng)?shù)厝嗣駷?zāi)害預(yù)防意識具有重要意義。

巴中市巴州區(qū)地處四川省巴中市東南部大巴山南麓與四川盆地的過渡地帶,地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布廣泛、危害大,對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大威脅,近年來受地震和極端強(qiáng)降雨影響,研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作形勢依然非常嚴(yán)峻。模糊綜合評價(jià)法通過運(yùn)用模糊系統(tǒng)的觀點(diǎn)及模糊集的理論與方法,評價(jià)結(jié)果具有雙重不確定性,具有從黑到灰再到白的一個(gè)過渡區(qū)間。這種評價(jià)方法在地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)中既能包容評價(jià)中的主觀思維,又能結(jié)合模糊系統(tǒng)方法,在易損性評價(jià)中具有一定的優(yōu)勢[4-5]。為此,本文使用模糊綜合評價(jià)法對巴州區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià),為巴州區(qū)提供了區(qū)域防災(zāi)、減災(zāi)預(yù)案以及工程的實(shí)施的科學(xué)依據(jù)。

1 自然地理及地質(zhì)災(zāi)害概況

1.1 自然地理概況

巴中市巴州區(qū)位于四川盆地東北部,大巴山南麓。地理坐標(biāo)界于東經(jīng)106°22′13″～107°06′00″,北緯31°30′07″～32°03′23″,東西長約72 km,南北長約28 km,總面積約1387.3 km2。北部為中低山區(qū),海拔900 m左右;中南部為廣大丘陵地區(qū),海拔350～600 m。巴州區(qū)交通發(fā)展迅猛,多條高速公路、國道和縣道分布其中,見圖1。轄區(qū)下轄25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),常住人口65.13萬人,人口密度約為500 人/km2。

圖1 巴州區(qū)自然地理交通概況圖Fig.1 Overview of physical geography and transportation in Bazhou district

1.2 地質(zhì)災(zāi)害概況

巴州區(qū)是四川省常年被地質(zhì)災(zāi)害威脅較為嚴(yán)重的地區(qū)之一,地質(zhì)災(zāi)害具有發(fā)生頻率高、類型較多、分布較廣以及發(fā)生時(shí)段集中等特點(diǎn)。近年來,隨著巴州區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,人類工程活動(dòng)加劇,加上該區(qū)域降雨量較大等因素的綜合影響,致使區(qū)域內(nèi)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),尤其是滑坡地質(zhì)災(zāi)害,給當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大破壞。

據(jù)巴州區(qū)歷年資料報(bào)告表明,巴州區(qū)現(xiàn)存地質(zhì)災(zāi)害主要為滑坡和崩塌,共330處,其中滑坡地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)310處,占93.9%,見圖2。滑坡災(zāi)害點(diǎn)中大型滑坡0處;中型滑坡12處,占總數(shù)的3.87%;小型滑坡298處,占總數(shù)的96.13%。此外,據(jù)統(tǒng)計(jì)滑坡在平梁鎮(zhèn)分布最多,共42處,占總數(shù)的13.55%;其次為曾口鎮(zhèn),共25處,占滑坡總數(shù)的8.06%;第三為化成鎮(zhèn),共23處,占滑坡總數(shù)的7.42%。

圖2 巴州區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.2 Distribution map of geological hazards in Bazhou district

2 地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)體系

據(jù)前人在易損性評價(jià)指標(biāo)因子分類的研究[6-11],易損性評價(jià)指標(biāo)可以綜合概括為社會、經(jīng)濟(jì)、資源三大類,每一類因素都具有正向或反向?qū)傩詠碛绊懸讚p性評價(jià)結(jié)果。其中社會因素主要體現(xiàn)為區(qū)域里內(nèi)人口數(shù)量、年齡分布、受教育程度及災(zāi)害預(yù)防意識等;經(jīng)濟(jì)因素可主要分為道路等級與面積,建筑數(shù)量、面積及結(jié)構(gòu)和當(dāng)?shù)鼐C合GDP數(shù)值等指標(biāo);資源因素可分為土地資源、礦產(chǎn)資源、水資源及當(dāng)?shù)匾恍┨赜匈Y源來表示。

根據(jù)巴州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律及承災(zāi)體所處的自然社會環(huán)境進(jìn)行評價(jià)指標(biāo)的選擇,以社會、資源、經(jīng)濟(jì)為準(zhǔn)則,選取人口、耕地、林地、道路和建筑5項(xiàng)評價(jià)指標(biāo),建立地質(zhì)災(zāi)害易損性指標(biāo)評價(jià)體系,見表1。

表1 巴州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)指標(biāo)體系及計(jì)算方法

3 巴州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)

3.1 評價(jià)方法

對于地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)系統(tǒng)來說,影響因子眾多,并且選取的評價(jià)因子之間的權(quán)重分配主觀上難做到合理,勢必會造成評價(jià)結(jié)果的不確定性,致使評判結(jié)果不理想。模糊綜合評價(jià)法是基于模糊數(shù)學(xué)理論,通過構(gòu)造模糊子集,把被評價(jià)單元的模糊指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)量化,利用模糊變換原理對地質(zhì)災(zāi)害易損性進(jìn)行模糊綜合評價(jià)[12-14],盡可能降低主觀因素的影響,提高評價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。

模糊綜合評價(jià)法的基本原理是將評價(jià)總目標(biāo)劃分為多個(gè)子目標(biāo),并構(gòu)建評價(jià)因子集S與評價(jià)集T,通過對因子集到評價(jià)集進(jìn)行模糊映射得到隸屬矩陣R,并計(jì)算每個(gè)因子集的權(quán)重W,最終對評價(jià)總目標(biāo)進(jìn)行模糊綜合運(yùn)算。模糊綜合評價(jià)模型為

B=W×R

(1)

式中:B為模糊綜合評判矩陣;W為各因子指標(biāo)所對應(yīng)權(quán)重;R為計(jì)算得到的評價(jià)因子隸屬矩陣。

3.2 評價(jià)單元選擇及劃分

易損性評價(jià)單元以行政單元與柵格單元為主要評價(jià)單元,行政單元具有簡便快捷、評價(jià)指標(biāo)易獲取、后期災(zāi)害預(yù)防統(tǒng)一管理及災(zāi)害易監(jiān)測等優(yōu)勢。實(shí)際上多數(shù)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)單位為評價(jià)單元,評價(jià)區(qū)域較大,評價(jià)等級缺乏一定的精確性,大多數(shù)評價(jià)結(jié)果的等級平均了鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心與周邊農(nóng)村區(qū)域,而農(nóng)村區(qū)域承災(zāi)體易損度并沒有達(dá)到其評價(jià)等級。柵格單元的劃分主要具有以矩陣形式排列,承災(zāi)體信息以離散化儲存,讀取使用簡潔使其成為目前評價(jià)單元?jiǎng)澐值闹饕椒╗15]。

本研究以巴州區(qū)為評價(jià)區(qū)域,綜合區(qū)域承災(zāi)體分布因素,并結(jié)合實(shí)際操作中的評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)信息,最終選擇500 m×500 m柵格單元作為基礎(chǔ)評價(jià)單元。在進(jìn)行單元格劃分時(shí),為保證評價(jià)因子數(shù)據(jù)計(jì)算的合理性,去掉因邊界問題使得單元格面積不足劃分單元格面積的4/5區(qū)域,即面積<0.2 km2的區(qū)域,經(jīng)整理后共5390個(gè)柵格單元。

3.3 評價(jià)因子集及數(shù)據(jù)柵格化處理

根據(jù)所收集到巴州區(qū)的數(shù)據(jù),以人口、道路、建筑、林地、耕地5個(gè)因子建立因子數(shù)據(jù)集。為使計(jì)算簡便,且易于構(gòu)建評價(jià)等級分級標(biāo)準(zhǔn),將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,采用數(shù)據(jù)歸一化處理,使其每個(gè)評價(jià)因子的作用指標(biāo)性質(zhì)一致[9, 16]。當(dāng)評價(jià)因子與易損性呈正相關(guān)時(shí),采用yi=y′i/y′max計(jì)算,其中:yi為數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù),y′i為實(shí)際收集到的原始數(shù)據(jù),y′max為每項(xiàng)因子中的最大值。

根據(jù)巴州區(qū)以往地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量及承災(zāi)體在災(zāi)后的損失程度將地質(zhì)災(zāi)害易損度分為4個(gè)等級,評價(jià)集T={極高易損性,高易損性,中易損性,低易損性}={Ⅰ級,Ⅱ級,Ⅲ級,Ⅳ級},并根據(jù)自然斷點(diǎn)法將歸一化后評價(jià)因子數(shù)據(jù)分為4類,進(jìn)行易損性等級劃分,見表2。

表2 巴州區(qū)易損性評價(jià)因子等級

根據(jù)巴州區(qū)易損性評價(jià)因子等級表,將歸一化后數(shù)據(jù)進(jìn)行映射變換為巴州區(qū)易損性評價(jià)等級圖,得到人口、建筑、道路、耕地、林地5項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)易損性等級圖,見圖3。

圖3 巴州區(qū)5項(xiàng)評價(jià)因子易損性等級圖Fig.3 Vulnerability level of five assessment factors in Bazhou district

3.4 確定評價(jià)因子權(quán)向量

在一個(gè)模糊綜合評判模型中,權(quán)向量指各因素在所歸屬上層次的因子集中所占的權(quán)數(shù)大小的集合[17],權(quán)向量中的元素決定了對應(yīng)因子在整個(gè)評價(jià)中的能影響結(jié)果的比例大小,本文采用層次分析法來進(jìn)行權(quán)向量計(jì)算。

通過層次分析法構(gòu)建判斷矩陣(表3)。

表3 層次判斷矩陣

為確保權(quán)向量的合理性,需進(jìn)行指標(biāo)一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)方法為

Rc=Ic/IR

(2)

Ic=(λmax-n)/(n-1)

(3)

式中:IR為隨機(jī)一致性指標(biāo),見表4;Rc為一致性比率。當(dāng)Rc<0.1時(shí),判斷矩陣一致程度在容許范圍內(nèi)。

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)IR數(shù)值

通過上式計(jì)算Ic=0.006 45,Rc=0.005 75<0.1,判斷矩陣在容許范圍內(nèi)。

3.5 確定隸屬函數(shù)

通過引入每一級的分級代表值來確定實(shí)測數(shù)據(jù)對各相鄰等級之間的隸屬度[12]。分級代表值是指對于某一等級來說最具代表性的數(shù)值,它是確定評價(jià)因子性狀數(shù)據(jù)的隸屬度的基礎(chǔ)。第Ⅰ級和第Ⅳ級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一般只有一個(gè)界限值,第Ⅰ級只有后界限值,而第Ⅳ級只有前界限值,所以第Ⅰ級和最后一級的分級代表值分別取后界限值和前界限值。中間等級區(qū)間具有前后界限值,取評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間前后界限值的平均值作為其分級代表值。

本文所用數(shù)據(jù)均為定量因素?cái)?shù)據(jù),采用降半梯形型分布函數(shù),建立一元線性隸屬函數(shù)來計(jì)算評價(jià)因素的隸屬度。

(4)

(7)

式中:i=1,2,3,4,5;j=1,2,3,4;yij表示第i個(gè)因子分別對應(yīng)于易損性Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級的評價(jià)等級,其中yi2、yi3的值取評價(jià)等級Ⅱ與Ⅲ區(qū)間的平均值;yi為第i個(gè)因子的評價(jià)特征數(shù)據(jù);rij=uj(yi)表示yi評價(jià)特征數(shù)據(jù)對于j的隸屬度。

通過計(jì)算得到rij,構(gòu)建評價(jià)集與因子集的隸屬矩陣R:

(8)

3.6 模糊變換綜合評價(jià)

通過評價(jià)因子隸屬矩陣R與各因子所對應(yīng)的權(quán)重W進(jìn)行模糊合成運(yùn)算,得出模糊綜合評判矩陣

(9)

根據(jù)最大隸屬度原則,選擇模糊評判矩陣中最大值作為模糊評價(jià)等級。

3.7 巴州區(qū)易損性評價(jià)區(qū)劃圖

通過隸屬函數(shù)計(jì)算出每個(gè)單元格的隸屬矩陣R,根據(jù)公式(1)得到模糊綜合評判矩陣B,最后以最大隸屬度原則得出每個(gè)單元格的評價(jià)等級,最終可以得出巴州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)區(qū)劃圖,見圖4。

圖4 巴州區(qū)易損性評價(jià)區(qū)劃圖Fig.4 Vulnerability assessment zoning map of Bazhou district

根據(jù)圖2、圖4結(jié)果可知:極高易損性區(qū)域共830個(gè),總面積約為207.5 km2,占比15.4%,主要分布在巴州區(qū)城鎮(zhèn)中心人口聚集、經(jīng)濟(jì)發(fā)展集中的區(qū)域,以東城街道、西城街道、宕梁街道等區(qū)域?yàn)橹?少部分以各鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)中心人口活躍的區(qū)域;高易損性區(qū)域共560個(gè),總面積約為140 km2,占比10.4%,以巴州區(qū)城鎮(zhèn)周圍城鄉(xiāng)結(jié)合部及各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間交通要道處和沿道路兩側(cè)人口居住處分布;中易損性區(qū)域共1671個(gè),總面積約為417.75 km2,占比31.0%,以各村人口居住區(qū)及耕地區(qū)域?yàn)橹?低易損性區(qū)域共2313個(gè),面積為578.25 km2,占比43.2%,主要以巴州區(qū)北部天馬山鎮(zhèn)、白廟鄉(xiāng)等山區(qū)林地為主,交通人口稀少,區(qū)域大部分承災(zāi)體價(jià)值較低。

綜上可知,極高易損性區(qū)域與高易損性區(qū)域占比26.0%,主要分布在城鎮(zhèn)人口集中區(qū)以及交通線路處。其中平梁鎮(zhèn)東部、江北街道西部災(zāi)害點(diǎn)密度大、數(shù)量多,并屬于極高易損性區(qū)域,在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害防治與工程防災(zāi)項(xiàng)目中應(yīng)列為重點(diǎn)區(qū)域;玉堂街道、興文街道與梁永鎮(zhèn)等區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)分布較高,易損性等級趨于中易損與高易損,應(yīng)列為地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)本文基于ArcGIS軟件,通過模糊綜合評價(jià)法對巴州區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià),采取500 m×500 m柵格單元對區(qū)域進(jìn)行評價(jià)單元?jiǎng)澐?通過層次分析法進(jìn)行評價(jià)因子權(quán)重劃分,最終得出四類評價(jià)等級的巴州區(qū)易損性評價(jià)區(qū)劃圖,為巴中市巴州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)以及巴州區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供了理論依據(jù)與參考。

(2)根據(jù)巴州區(qū)易損性區(qū)劃圖,極高易損性與高易損性區(qū)域所占比例為26.0%,所占比例較總體一般,但部分極高易損性區(qū)域與地質(zhì)災(zāi)害高密度區(qū)域相重疊,以平梁鎮(zhèn)東部、江北街道西部、棗林鎮(zhèn)南部為主,屬于防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)區(qū)域,高易損性與中易損性區(qū)域占比41.4%,主要處于巴州區(qū)中部奇章街道、曾口鎮(zhèn)、化成鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)社區(qū),區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)分布較稀疏,應(yīng)屬于災(zāi)害監(jiān)測區(qū)域。

(3)本文采取500 m×500 m柵格單元對其區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易損性評價(jià)區(qū)劃,其區(qū)劃結(jié)果較以鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)評價(jià)單元更為精確,且柵格評價(jià)單元與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布狀況易于聯(lián)系,從而等級區(qū)劃圖更能表明易損性的區(qū)域特點(diǎn)。