基于層次分析法的斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價研究

張文君，趙志芳

(1.云南大學(xué)遙感地質(zhì)研究中心，云南昆明 650091; 2.云南省遙感中心，云南昆明 650091)

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基于層次分析法的斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價研究

張文君，趙志芳*

(1.云南大學(xué)遙感地質(zhì)研究中心，云南昆明 650091; 2.云南省遙感中心，云南昆明 650091)

選取中越邊境元江-紅河地區(qū)作為研究區(qū)，在全面分析斜坡地質(zhì)災(zāi)害影響因子的基礎(chǔ)上，建立了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價體系；運用層次分析法(AHP)，確定了影響地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的評價因子及其權(quán)重，構(gòu)建了斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型；并進(jìn)行了模型應(yīng)用，按其斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度劃分為不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)4個等級。野外查證表明，該模型構(gòu)建能較好地刻畫研究區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度，模型構(gòu)建具有一定推廣應(yīng)用價值。

斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性；層次分析法；中越邊境元江-紅河地區(qū)

體積巨大的表層物質(zhì)在重力作用下沿斜坡向下運動，常常形成嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害[1]，給人們的生命財產(chǎn)安全來了影響。針對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性問題，國內(nèi)外許多學(xué)者開展了一系列研究。Lara等[2]在研究智利圣拉蒙峽谷地區(qū)工程地質(zhì)的基礎(chǔ)上，將其作為主控因素參與到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性分析中，成為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的一個良好范例。Ahmed[3]將遙感技術(shù)、GIS同層次分析法、加權(quán)線性組合及邏輯回歸相結(jié)合，建立了孟加拉國克斯巴扎市山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性模型，經(jīng)精度評價證明層次分析法和邏輯回歸模型具有較好的評價結(jié)果。Dou等[4]選取坡度、巖性等6個指標(biāo)，并采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對日本Osado島的滑坡進(jìn)行易發(fā)性評價，最終得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖。魏新平等[5]通過將地質(zhì)環(huán)境條件和現(xiàn)狀災(zāi)害調(diào)查相結(jié)合，提出地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合指數(shù)，并將該指數(shù)模型運用于甘肅省崇信縣，對縣內(nèi)已經(jīng)存在的或潛在的以及將來引發(fā)或加劇的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了易發(fā)性分區(qū)，最終將崇信縣劃分為高、中、低易發(fā)區(qū)。王哲等[6]將層次分析法與模糊數(shù)學(xué)綜合評價相結(jié)合，根據(jù)建立的隸屬度函數(shù)構(gòu)建模糊判斷矩陣，對綿陽市的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度進(jìn)行了模糊綜合評判，得到了4個等級的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)。

中越邊境的元江-紅河地區(qū)，因其氣候多云多雨、巖土體風(fēng)化較為嚴(yán)重，崩塌、滑坡、泥石流等斜坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，對區(qū)域合作發(fā)展帶來了影響。但受邊境條件限制，傳統(tǒng)地面調(diào)查難以實施，如何有效開展區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價成為較為緊迫的課題，定量化的斜坡地質(zhì)災(zāi)害評價模型有待盡快建立。鑒于此，筆者采用層次分析法(AHP)構(gòu)建了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型，并將模型應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的中越邊境元江-紅河地區(qū)，以期較好地實現(xiàn)客觀定量斜坡地質(zhì)災(zāi)害評價模型構(gòu)建，同時為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)源

以Landsat8遙感影像(景號：12844，時相：2014年4月13日)以及1∶50 000數(shù)字高程模型(DEM)(分辨率：20 m)為基本數(shù)據(jù)源，主要通過建立解譯標(biāo)志、GIS空間數(shù)據(jù)處理等方法，提取斜坡地質(zhì)災(zāi)害因子及影響斜坡地質(zhì)災(zāi)害因子信息。

1.2 研究方法

研究主要采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)，該方法由美國運籌學(xué)家Saaty提出。其基本步驟是：對于一個包括眾多因子而又難于完全量化評價的系統(tǒng)，根據(jù)各個影響因子之間的相互關(guān)系，建立遞階層次結(jié)構(gòu)；對系統(tǒng)中的各因子，根據(jù)其影響程度，建立定量化標(biāo)準(zhǔn)或評分機(jī)制；通過判斷矩陣經(jīng)一致性檢驗后，逐層得到各因子的評分，結(jié)合因子的權(quán)重，最終得到最高層次目標(biāo)的評價值。由于影響斜坡類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因素眾多，且具有一定的不確定性和模糊性，但各因素之間又具有明顯的相關(guān)性[7]。因此，在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性研究時，常常采用層次分析法(AHP)來解決此類多目標(biāo)復(fù)雜問題。

2 評價指標(biāo)體系的建立

2.1 評價因子的選擇

斜坡地質(zhì)災(zāi)害是地質(zhì)、地理環(huán)境與人文社會環(huán)境綜合作用的產(chǎn)物。影響斜坡地質(zhì)災(zāi)害的因素相當(dāng)復(fù)雜，總體上可分為地質(zhì)因素及非地質(zhì)因素兩類，前者是斜坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，后者則是斜坡地質(zhì)災(zāi)害的外動力因素或觸發(fā)條件。重力是斜坡地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在動力，坡度、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、植被發(fā)育、河流切割情況是影響斜坡失穩(wěn)的主要自然因素，而涉及坡腳開挖的道路修建等人類工程活動對斜坡的變形破壞起著重要的誘發(fā)作用[1]。綜上，結(jié)合研究區(qū)的自然地理以及地質(zhì)環(huán)境條件，同時考慮人為活動的影響，從孕災(zāi)條件和致災(zāi)因素兩方面建立地質(zhì)災(zāi)害指標(biāo)體系，遵循評價因子應(yīng)力求簡明性、代表性和可操作性的原則[8]，選取坡度、地形地貌、地層巖性、斷裂構(gòu)造、植被、水系以及人類工程活動作為影響斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的7個因子，構(gòu)建斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價體系(圖1)。同時結(jié)合研究區(qū)自然地理條件，反復(fù)試驗對比后構(gòu)建了斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度評價指標(biāo)中的分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

表1 斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子及等級劃分

2.2 評價因子分析

2.2.1斜坡坡度。斜坡地形的高差和坡度決定著由重力產(chǎn)生的下滑力的大小，從而也決定著斜坡地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害發(fā)生的可能性與規(guī)模。采用數(shù)字高程模型(DEM)，將坡度劃分為<10°的平臺、10°～15°的緩坡、15°～25°的中坡、>25°的陡坡4個級別[9]。根據(jù)統(tǒng)計不同坡度分類上的地質(zhì)災(zāi)害相對密度，將<10°的平臺、10°～15°的緩坡、>25°的陡坡、15°～25°的中坡分別賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。

2.2.2 地形地貌。研究區(qū)以構(gòu)造地貌為主，流水地貌較為發(fā)育，分布有巖溶地貌。構(gòu)造地貌主要分布于元江斷裂的西側(cè)，地勢由北西向南東逐漸降低，山頂狹窄，縱向多呈馬鞍形。流水地貌為受元江深大斷裂控制形成的構(gòu)造河谷，與元江深大斷裂平行排列，從北西向南東貫穿全區(qū)。結(jié)合遙感影像、坡度和地勢起伏度狀況，將研究區(qū)地形地貌按其成因形態(tài)類型分為河谷地貌、溶蝕山地和褶皺侵蝕山地3類，并分別賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級。

2.2.3 地層巖性。地質(zhì)體母巖及其風(fēng)化物是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的基礎(chǔ)條件，是致災(zāi)體的物質(zhì)來源[10]。不同的礦物成分及含量使得巖石的風(fēng)化程度不同，最終導(dǎo)致巖石的性質(zhì)結(jié)構(gòu)、力學(xué)強(qiáng)度、親水性、節(jié)理裂隙數(shù)量等性質(zhì)發(fā)生不同程度的變化。研究區(qū)巖石多為變質(zhì)巖和沉積巖，根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》[11]，將巖石的堅硬程度劃分為堅硬巖、較堅硬巖、軟巖、極軟巖。

2.2.4 斷裂構(gòu)造。斷裂構(gòu)造的性質(zhì)、破碎帶寬度、節(jié)理裂隙發(fā)育程度及其組合特征等均影響斜坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。地質(zhì)災(zāi)害及其隱患點基本沿斷裂帶走向呈條帶狀排列分布，而且在斷裂密集或交叉區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)[12]。研究區(qū)內(nèi)有巖石圈斷裂一條，為元江-紅河斷裂，一般斷裂兩條，為苦筍老寨-沙巴斷裂(F11)、牛塘寨-南溪鎮(zhèn)斷裂(F12)，均為NW向展布；有線性構(gòu)造多條。以500 m為間隔對斷裂構(gòu)造做4級緩沖區(qū)，結(jié)合隨距離斷裂構(gòu)造距離的增加、災(zāi)害發(fā)生的可能性降低，易發(fā)程度等級也隨之降低的特點，將上述斷裂構(gòu)造緩沖區(qū)賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。

2.2.5 植被。植被通過其水文效應(yīng)和力學(xué)錨固效應(yīng)影響巖土體的整體性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響各種地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生和發(fā)展[13]。植被覆蓋度是指在單位面積內(nèi)植被(包括葉、莖、枝)的垂直投影面積所占百分比，在水土流失、土壤水分蒸發(fā)、巖土體穩(wěn)定性中起著重要的作用。運用歸一化植被指數(shù)(NDVI)在遙感影像的基礎(chǔ)上，定量估算植被覆蓋度fC，在置信度為0.01的情況下得到研究區(qū)植被覆蓋度圖。結(jié)合研究區(qū)實際情況，通過柵格重分類劃分為4級，分別是極低植被覆蓋度(0≤fC<10%)；低植被覆蓋度(10%≤fC<30%)；中植被覆蓋度(30%≤fC<60%)；高植被覆蓋度(60%≤fC)。植被覆蓋度計算公式為：

fC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

式中，fC為植被覆蓋度；NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVImin為歸一化植被指數(shù)極小值；NDVImax為歸一化植被指數(shù)極大值。

2.2.6 水系。山地溝谷的發(fā)育為泥石流的形成提供了有利的空間場所和通道，同時河流的侵蝕作用也常常導(dǎo)致滑坡和崩塌的發(fā)生。故對1、2、3級河流以500 m間隔做4級緩沖區(qū)，分別賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。

2.2.7 人類工程?，F(xiàn)階段，越來越多的地質(zhì)災(zāi)害是由人類工程活動誘發(fā)產(chǎn)生的。道路的修建對邊坡坡腳的切層開挖是邊坡變形誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的重要原因，道路的開挖不僅為滑坡體的位移提供空間，而且挖方的隨意堆棄也為崩塌和泥石流的發(fā)育提供了豐富的物質(zhì)來源。因此，對1、2、3級道路以500 m隔做4級緩沖區(qū)，分別賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。

2.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

由于地質(zhì)災(zāi)害影響因素復(fù)雜，目前賦權(quán)方法還沒有形成完整的體系。運用層次分析法首先對評估因子之間的重要度進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣，采用1-9位標(biāo)度法[14]將各因素重要性的定性部分定量化，以提高權(quán)重判斷的準(zhǔn)確性；然后，計算判斷矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化特征向量，經(jīng)一致性檢驗，得到影響研究區(qū)的指標(biāo)因子權(quán)重(表1)。

3 模型應(yīng)用及驗證

研究區(qū)呈長方形，采用規(guī)則正方形格網(wǎng)單元劃分方法，以間距200 m×200 m劃分為形狀大小一致的單元格，共劃分52 116個網(wǎng)格。根據(jù)最大面積比對單元格將各個指標(biāo)等級賦值于單元格，通過字段計算器和柵格計算器得到各指標(biāo)因子的線性加權(quán)和，即為各單元格的易發(fā)性定量指標(biāo)。由于單元格多達(dá)52 116個，樣本已足夠大，為提高計算效率，采用反距離權(quán)重法(IDW)進(jìn)行空間插值，并根據(jù)經(jīng)驗公式設(shè)定柵格大小為33 m，經(jīng)矢量化后得到插值結(jié)果圖。依據(jù)輸出圖層的顯示結(jié)果，采用Natural Breaks(Jenks)法，將中越邊境元江-紅河地區(qū)劃分為不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)，面積分別為587.99、403.17、621.79、442.85 km2(圖2)。柵格單元大小計算公式為：

GS=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

式中，GS為柵格單元大?。籗為制圖比例尺分母。

3.1 高易發(fā)區(qū)

研究區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)面積為442.85 km2，占全區(qū)總面積的21.54%。主要分布于河口瑤族自治縣褶皺侵蝕山地的道路邊坡和越南老街附近的風(fēng)化破碎帶等地區(qū)，主要沿斷裂和道路呈條帶狀密集發(fā)育。該區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件較差，受深大斷裂——紅河斷裂帶的影響，加之道路修建時地基開挖，造成斜坡變形、軟弱構(gòu)造面暴露、形成的眾多臨空面和巖土破碎的挖方，為斜坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了豐富的物質(zhì)來源和發(fā)育空間。另外，研究區(qū)屬熱帶山地季風(fēng)雨林濕熱氣候，炎熱潮濕，暴雨頻發(fā)，雨水大量下滲，導(dǎo)致斜坡巖土體含水飽和，抗剪強(qiáng)度下降，極易發(fā)生滑坡和泥石流災(zāi)害。

3.2 中易發(fā)區(qū)

研究區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)面積為621.79 km2，其所占比例最高，為30.25%，主要分布于紅河斷裂東側(cè)瑤山巖群的碳酸鹽沉積和碎屑巖地區(qū)，以及哀牢山巖群的前陸盆地碎屑巖夾碳酸鹽的沉積地區(qū)，該區(qū)多為中低植被覆蓋度區(qū)，巖土體較不完整，水系發(fā)育程度高，有利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3.3 低易發(fā)區(qū)

研究區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)面積為403.17 km2，占全區(qū)總面積的19.61%，主要分布于山高坡陡以及距離道路、水系較遠(yuǎn)的地區(qū)。

3.4 不易發(fā)區(qū)

由于研究區(qū)多為中低山和河谷地貌，同時大部分地區(qū)植被覆蓋度高，不具備良好的孕災(zāi)條件，故斜坡地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)面積為587.99 km2，所占比例達(dá)28.60%，廣泛分布于人口密度稀少的林地。

經(jīng)野外驗證，驗證點1位于河口瑤族自治縣的海壩公路旁，該點的滑坡體巖性為片麻巖，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，完整性差，屬中低山地貌。經(jīng)初步調(diào)查，由于該點處巖石屬于強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎，土質(zhì)松軟，公路的開挖又形成臨空面，在脆弱地質(zhì)環(huán)境條件下，經(jīng)長時間降雨及局地強(qiáng)降雨，使得巖土體飽水，物質(zhì)容量增大，在重力作用下發(fā)生地質(zhì)蠕動而發(fā)生滑坡，嚴(yán)重阻塞了公路，直接造成了國家和人民的經(jīng)濟(jì)損失。驗證點2位于老龍?zhí)?新街公路旁，該點巖石節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化完全，坡耕嚴(yán)重，種植大量橡膠林，植被單一，并且該點附近發(fā)育有其他滑坡，形成小型的滑坡群。驗證點1和2均位于高易發(fā)區(qū)。

4 結(jié)論

建立了基于地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)條件和誘發(fā)因素的評價體系，運用AHP法確定因子權(quán)重，通過網(wǎng)格模型和空間插值進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，不僅簡便易行，而且綜合考慮了各因素的影響，使各因素都真實地參與評價，減少了人為因素的影響，經(jīng)實地驗證其劃分結(jié)果比較符合中越邊境元江斷裂研究區(qū)的實際情況，具有較好的科學(xué)性和可行性。

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Study on the Evaluation of Slope Geological Hazard Susceptibility Based on the Analytic Hierarchy Process

ZHANG Wen-jun, ZHAO Zhi-fang*

(1. Research Center for Remote Sensing in Geology, Yunnan University, Kunming, Yunnan 650091;2. Yunnan Province Center for Remote Sensing, Kunming, Yunnan 650091)

This thesis selected Yuanjiang-Red River as the study area, established the evaluation system of slope geological hazard susceptibility, determined the evaluation factors and the weight by the Analytic Hierarchy Process(AHP), and constructed the evaluation model of slope geological hazards susceptibility. And the study area is divided into high area,middle area,low area and safe area by the application of the model. Conclusions from field survey confirm that this model can describe the slope geological hazard susceptibility degree in study area well, which also has a certain value of application.

Slope geological hazard susceptibility; The Analytic Hierarchy Process; Yuanjiang-Red River region

張文君(1991-)，女，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：資源環(huán)境遙感及GIS。*通訊作者，教授，博士，從事遙感地質(zhì)研究。

2015-11-12

S 181

A

0517-6611(2015)35-101-04