基于層次分析法與Arcgis的榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性與危險性分區(qū)評價

高帥，姬怡微，何意平，李成，寧建民，卞惠瑛

（陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，西安 710054）

榆陽區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，人類工程活動強烈，截止2014年9月，全區(qū)共發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害點103處，隱患點52處，威脅156戶969人，796間房（窯），公路2 130 m，潛在經(jīng)濟損失1 666萬元。為便于當(dāng)?shù)卣M(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害防治工作，急需對地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)和危險區(qū)進(jìn)行劃分。

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的劃定一直處于探索和改進(jìn)過程中，劃定的結(jié)果受到多種因素的影響，而且這些因素存在著不確定性、模糊性及各因素之間相互作用的復(fù)雜性［1]。層次分析法［2－6]原理簡單，有數(shù)學(xué)依據(jù)，是將復(fù)雜的地質(zhì)災(zāi)害問題層次化，根據(jù)問題和要達(dá)到的目標(biāo)，將問題分解為不同的組成因素，并按照各因素間的相互關(guān)聯(lián)以及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。本文在基于榆陽區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，選用層次分析法和Arcgis空間分析法對榆陽區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行劃定。并在易發(fā)區(qū)劃分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)劃分，取得了較好的效果。

1 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

榆陽區(qū)地處毛烏素沙漠東南緣與陜北黃土高原北緣交接地帶，以長城為界，西北部為風(fēng)沙草灘區(qū)，地勢開闊平坦，不具備發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的地貌條件；東南部為黃土丘陵溝壑區(qū)，梁峁起伏，溝壑縱橫，人類居住密集，有大量的居民削坡建房，坡腳開挖修建公路和礦業(yè)活動，破壞了原有斜坡的應(yīng)力平衡，在降雨等因素的作用下，極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，且災(zāi)害產(chǎn)生的危害也比較嚴(yán)重；中部地區(qū)煤礦開采，形成了大面積的采空區(qū)和地面塌陷區(qū)，給礦區(qū)及周邊居民生產(chǎn)生活環(huán)境帶來了較大影響；榆溪河在中部貫穿南北，在魚河鎮(zhèn)匯入無定河，形成較寬河谷階地，河谷切割不強烈，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性小，榆溪河和無定河支流河道，水流切割較深，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的幾率相對較大。截止2014年9月，全區(qū)共有災(zāi)害點103處，其中滑坡40處、崩塌46處、地面塌陷17處。

2 易發(fā)區(qū)分區(qū)評價

2.1 評價方法

在進(jìn)行榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分區(qū)時，依據(jù)災(zāi)害的發(fā)育特點，以地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性作為目標(biāo)層，災(zāi)點特征、形成條件和誘發(fā)條件構(gòu)成二級評價因子、進(jìn)而選取對榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性影響明顯9種因素作為三級評價因子，層次結(jié)構(gòu)見圖1。采用專家打分和Matlab軟件確定各因子的評價權(quán)重，在此基礎(chǔ)上，利用Arcgis空間分析軟件，將三級評價因子進(jìn)行量化和歸一化處理，利用柵格運算功能，將各評價因子按照層次分析法所確定的權(quán)重進(jìn)行疊加計算，得到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性定量計算成果柵格圖件，選取合適的分區(qū)界線值，將全區(qū)劃分為高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)和非易發(fā)區(qū)。

2.2 評價因子權(quán)重的確立

2.2.1 選取評價因子

結(jié)合榆陽區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害成因及分布特征，災(zāi)點特征選取災(zāi)害點密度作為評價因子，形成條件選取了斜坡坡高、坡度、坡形、地層巖性、河流水系，誘發(fā)因子選取了降雨量、修筑公路、煤礦開采3項指標(biāo)，共9項評價指標(biāo)。

圖1 榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)評價層次結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

邀請多位行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗豐富的專家分別對各評價因子相互間重要程度進(jìn)行評估打分，最后綜合多位專家的意見并結(jié)合野外調(diào)查成果，給定榆林市榆陽區(qū)評價指標(biāo)因子判斷矩陣。見表1。

表1 因子不一致程度判斷矩陣

2.2.3 確定各因子權(quán)重

用Matlab數(shù)值分析軟件求得判斷矩陣的最大特征根λmax為9.565 154，按照公式（1）計算一致性指標(biāo)CI＝0.070 6，平均隨機一致性指標(biāo)RI查表為1.49，按照公式（2）計算隨機一致性比率CR＝0.048 4＜0.1，表明矩陣中因子的不一致程度在允許范圍之內(nèi)。按照公式（3）計算災(zāi)害點密度、斜坡坡高、斜坡坡度、斜坡坡形、地層巖性、河流水系、降雨量、修筑公路、煤礦開采9項指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，見評價因子的權(quán)重系數(shù)見表2。

表2 各評價因子的權(quán)重系數(shù)

2.3 單因子評價量化

根據(jù)榆陽區(qū)1∶50 000地形圖數(shù)據(jù)，利用Arcgis空間分析軟件建立榆陽區(qū)原始地形DEM柵格圖形，柵格大小10 m×10 m，見圖2。在同一柵格單元進(jìn)行評價因子的提取和計算，實現(xiàn)歸一化處理，最終進(jìn)行同柵格單元的疊加分析。

圖2 榆陽區(qū)原始DEM圖

2.3.1 坡高指標(biāo)量化及歸一化處理

坡高對地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性影響較大，斜坡越高，發(fā)生崩塌、滑坡的可能性越大。采用水文分析模塊制作河流水系網(wǎng)，提取分水嶺面與反向分水嶺面，在此基礎(chǔ)上，提取山脊線和山谷線，最終利用柵格計算器求解全區(qū)坡高指標(biāo)，并根據(jù)公式（4）進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見圖3。

2.3.2 坡度指標(biāo)量化及歸一化處理

基于榆陽區(qū)原始DEM圖形，直接提取斜坡坡度，榆陽區(qū)現(xiàn)有的崩塌、滑坡發(fā)生的坡度范圍為30°～90°，小于30°沒有災(zāi)點，災(zāi)害點的數(shù)量是隨著坡度增加而增多。因此，做歸一化處理時，當(dāng)坡度小于30°時，指標(biāo)取0.1，其余各坡度指標(biāo)進(jìn)行內(nèi)插。按照上述方法，對坡度指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見圖4。

2.3.3 坡形指標(biāo)量化及歸一化處理

圖3 坡高歸一化圖

圖4 坡度歸一化圖

坡形指標(biāo)可以通過斜坡曲率進(jìn)行表達(dá)和量化，基于榆陽區(qū)原始DEM圖形，直接提取斜坡曲率。對于坡面曲率來說，小于0時，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能性小，曲率大于0時，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能性大，且曲率越大，斜坡坡體越不穩(wěn)定。因此，對坡形指標(biāo)的無量綱化可采用凹折線形無量綱化進(jìn)行歸一化處理，歸一化結(jié)果見圖5。

2.3.4 地層巖性指標(biāo)量化及歸一化處理

2.3.5 河流水系指標(biāo)量化及歸一化處理

圖5 全區(qū)坡形歸一化圖

圖6 地層巖性指標(biāo)歸一化圖

圖7 河流水系歸一化圖

圖8 降雨量歸一化圖

榆陽區(qū)水系較發(fā)育，在易發(fā)性分區(qū)中，重點考慮榆溪河及各級支流、海流兔河、硬地梁河、紅柳溝和東清水河及各級支流。將河流兩岸1 k m內(nèi)的范圍作為緩沖區(qū)，緩沖區(qū)內(nèi)指標(biāo)根據(jù)河流所處區(qū)域不同，賦予不同的權(quán)值，當(dāng)處于沙漠區(qū)，賦值0.5，處于災(zāi)害發(fā)育的黃土區(qū)時，賦值5，其間內(nèi)插，緩沖區(qū)外取0值。并采用直線型闕值法進(jìn)行歸一化處理，處理結(jié)果見圖7。

2.3.6 降雨量指標(biāo)量化及歸一化處理

根據(jù)榆陽區(qū)的多年平均降雨等值線圖，在arcgis空間分析模塊中利用樣條函數(shù)分析法進(jìn)行插值分析研究，并采用直線型闕值法進(jìn)行柵格歸一化，見公式（4），歸一化之后指標(biāo)分布見圖8。

2.3.7 修筑公路指標(biāo)量化及歸一化

在現(xiàn)有103處地質(zhì)災(zāi)害點中，因修路切坡形成的地質(zhì)災(zāi)害點有19處，因此，選用公路網(wǎng)線密度作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子，榆陽區(qū)西北邊沒有發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的條件，在分析時將該區(qū)路網(wǎng)權(quán)值賦0值，榆商高速、榆佳高速所在區(qū)域，地面寬闊，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害可能性較小，不列入指標(biāo)量化對象，只將通村公路作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度影響因子，并采用直線型闕值法進(jìn)行柵格歸一化，見公式（4），歸一化之后指標(biāo)分布見圖9。

2.3.8 煤礦開采指標(biāo)量化及歸一化

榆陽區(qū)賦存有豐富的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，常年的開采形成了大面積的采空區(qū)，進(jìn)而造成了大面積的地面塌陷區(qū)和地下水滲漏現(xiàn)象［7－9]，現(xiàn)有103處地質(zhì)災(zāi)害點中，采空區(qū)地面塌陷多達(dá)16處，在分析煤礦開采對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的影響時，結(jié)合煤礦開采方式，對不同區(qū)域、不同開采方式的煤礦塌陷影響指標(biāo)進(jìn)行了分類賦值，見表3，最終確定了煤礦采空塌陷指標(biāo)分布，見圖10。

2) 2017年8月21日15時，系統(tǒng)中W136號儀表連續(xù)出現(xiàn)傳感器/變送器通信失敗，變送器初始化，驅(qū)動超出量程，驅(qū)動增益低等4個關(guān)鍵報警信息。經(jīng)排查為核心處理器故障，成功避免交接雙方出現(xiàn)計量糾紛。

圖9 路網(wǎng)密度歸一化圖

圖10 煤礦開采強度歸一化

表3 各采煤方式分類賦值統(tǒng)計表

2.3.9 地質(zhì)災(zāi)害點密度指標(biāo)量化及歸一化

地質(zhì)災(zāi)害點密度是指單位面積內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點的數(shù)量，代表該區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度［10]。依據(jù)本次調(diào)查和核查的滑坡、崩塌、地面塌陷的數(shù)量，計算單元格內(nèi)災(zāi)害點的密度。災(zāi)害點密度越高說明此區(qū)域發(fā)生災(zāi)害概率越高，所以災(zāi)害點密度是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的正向指標(biāo)，根據(jù)這一原理采用直線型闕值法進(jìn)行柵格歸一化，見公式（4），歸一化之后指標(biāo)分布見圖11。

2.4 易發(fā)程度分區(qū)

圖11 地質(zhì)災(zāi)害點密度歸一化

利用柵格計算工具，按照公式（5）將各評價因子?xùn)鸥駳w一化單元與按照層次分析法所確定的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加計算，構(gòu)成榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)柵格圖。最后，采用GIS空間分析中的柵格重分類工具，按自然間距分類方法將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果圖分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和非易發(fā)區(qū)4類。見圖12。

式中，SI為綜合易發(fā)性指數(shù)，Wi為影響因子權(quán)重，具體取值見表3；IFi為影響因子歸一化值。

高易發(fā)區(qū)：分布在東南部黃土丘陵溝壑區(qū)的主要溝谷兩岸、東北部的煤礦采空區(qū)以及城區(qū)榆溪河、榆陽河兩岸。區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境脆弱，人類工程活動強烈，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，總面積259.73 k m2，占全區(qū)面積的3.68%。發(fā)育有地質(zhì)災(zāi)害點67處，占災(zāi)點總數(shù)的65.05%，其中滑坡35處，崩塌28處，地面塌陷4處，災(zāi)點密度0.26處／k m2。

中易發(fā)區(qū)：主要分布在東南部黃土梁峁中上部及中北部的煤礦開采區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境較差，人類工程活動強度大，地質(zhì)災(zāi)害點較發(fā)育?？偯娣e1 761.91 k m2，占全區(qū)總面積的24.98%。發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點32處，占災(zāi)害點總數(shù)的31.07%，其中滑坡5處，崩塌16處，地面塌陷11處。災(zāi)點密度0.018處／k m2。

低易發(fā)區(qū)：主要分布在東南部黃土梁峁溝壑區(qū)的梁峁頂部或溝谷的分水嶺處，地質(zhì)環(huán)境相對較好，梁峁頂部較平緩，退耕還林后，植被覆蓋率逐年增加，并且人類工程活動強度低，地質(zhì)災(zāi)害很少發(fā)育。總面積731.14 k m2，占全區(qū)總面積的10.37%。發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點4處，占災(zāi)害總數(shù)的3.88%，其中崩塌2處，地面塌陷2處。災(zāi)點密度為0.005處／k m2。

圖12 榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性計算結(jié)果圖

非易發(fā)區(qū)：主要包括西北部毛烏素沙漠和南部的無定河河谷階地、榆溪河河谷階地，地質(zhì)環(huán)境較好，加之沙漠區(qū)人煙稀少，人類工程活動弱，地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害點?？偯娣e4 300.22 k m2，占全區(qū)總面積的60.97%。

3 危險性分區(qū)評價

3.1 評價方法

地質(zhì)災(zāi)害危險性［1]是地質(zhì)災(zāi)害自然屬性之一，是指可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害且可能造成較多人員傷亡和經(jīng)濟損失嚴(yán)重的地區(qū)，核心要素是地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度和危害程度，分區(qū)以地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害隱患點險情等級為計算依據(jù)，圈定不同區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的危險程度。

因此，對于榆陽區(qū)危險性分區(qū)，在已經(jīng)得到的易發(fā)分區(qū)圖的基礎(chǔ)上，將調(diào)查區(qū)分隔成等面積的若干區(qū)域，并將各個區(qū)域根據(jù)調(diào)查所得災(zāi)害點險情進(jìn)行累加，最后將區(qū)域的險情與易發(fā)性按照表4進(jìn)行疊加，得出各個區(qū)域的危險性等級。

表4 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價標(biāo)準(zhǔn)

3.2 計算方法

危險性評價網(wǎng)格的剖分按4個方案進(jìn)行，單個網(wǎng)格面積分別?。?×1）k m2、（2×2）k m2、（4×4）k m2、（8×8）k m2兩種，將易發(fā)性和險情兩個評價指標(biāo)的量化值生成數(shù)字矩陣，利用EXCEL，計算每一個網(wǎng)格的所有評價指標(biāo)值，得到數(shù)字矩陣的計算結(jié)果，最后利用Auto CAD的圖形輸出功能，將計算結(jié)果可視化，計算結(jié)果見圖13。

圖13 地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)塊圖 8×8 k m2

3.3 危險性分區(qū)

綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖和危險性區(qū)塊圖，將榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性劃分為四級，即高危險區(qū)、中危險區(qū)、低危險區(qū)和極低危險區(qū)。

高危險區(qū)：主要分布在地層巖性復(fù)雜、人類工程活動強烈、地形地貌特征不利的桐條溝流域、徐家崖溝流域、榆溪河兩岸湖畔、榆陽河－城區(qū)一帶、榆佳縣道一帶?？偯娣e68.65 k m2，占全縣面積的0.97%，共有地質(zhì)災(zāi)害隱患點23處，其中滑坡9處，崩塌14處，災(zāi)害點密度0.34處／k m2。共威脅住戶123戶，人口848人，以及662間房屋或窯洞，公路610 m，威脅總財產(chǎn)1 333萬元。

中危險區(qū)：區(qū)內(nèi)人類工程活動較活躍，存在普遍的切坡建房和大面積的煤礦采空區(qū)，總面積1 702.79 k m2，占全區(qū)總面積的24%。發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害隱患點24處，其中滑坡13處，崩塌11處，險情等級均為小型。威脅住戶30戶，人口113人，121間房屋或窯洞，公路1 220 m，威脅財產(chǎn)255萬元。

低危險區(qū)：區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境相對較好，位于東南部黃土梁峁地區(qū)，人類工程活動較弱，地質(zhì)災(zāi)害相對較少，總面積981.34 k m2，占全區(qū)總面積的13.9%。共有地質(zhì)災(zāi)害隱患點5處，險情等級均為小型，威脅3戶，8人，3間房屋，公路300 m，威脅財產(chǎn)78萬元。

極低危險區(qū)：主要涉及西北部毛烏素沙漠和榆溪河河谷，面積4 300.22 k m2，占全區(qū)總面積的60.97%，無地質(zhì)災(zāi)害隱患點發(fā)育。

4 結(jié)論

（1）選取了影響榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的9個三級評價因子，利用Arcgis空間分析軟件對各因子進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析和歸一化，在此基礎(chǔ)之上，按照層次分析確定的各評價因子權(quán)值，通過柵格計算工具進(jìn)行了柵格疊加，最后，采用柵格重分類工具，按自然間距分類方法，劃定合適的分區(qū)界限值，將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果圖分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和非易發(fā)區(qū)，分區(qū)結(jié)果較好的反應(yīng)了榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的實際情況。

（2）在易發(fā)分區(qū)圖的基礎(chǔ)上，將調(diào)查區(qū)分隔成了（2×2）k m2、（8×8）k m2兩種評價單元，并將各個單元根據(jù)調(diào)查所得災(zāi)害點險情進(jìn)行累加，最后將區(qū)域的險情與易發(fā)性按照地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)規(guī)范進(jìn)行疊加計算，得出各個單元的危險性等級，在此基礎(chǔ)上利用Auto CAD的圖形輸出功能，將計算結(jié)果進(jìn)行了可視化，最后結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖和危險性區(qū)塊圖，將榆陽區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性劃分為高危險區(qū)、中危險區(qū)、低危險區(qū)和極低危險區(qū)，劃分結(jié)果能夠很好的匹配野外調(diào)查結(jié)果。

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