基于GIS和AHP的安康市滑坡地質(zhì)災害危險性評估

張 偉，王建斌

(西北大學地質(zhì)學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069)

滑坡災害的發(fā)生具有量大面廣的特點。在區(qū)域斜坡穩(wěn)定性評價方法中出現(xiàn)了很多與GIS有關的嘗試，取得了一定的成果。人們開始把滑坡資料與地質(zhì)、地貌、巖性、構造、植被、降水等環(huán)境資料一起儲存在 GIS空間數(shù)據(jù)庫中，并應用GIS的空間分析功能對這些數(shù)據(jù)進行分析研究。GIS的空間分析功能可使人們把滑坡事件與周圍的地質(zhì)、地貌環(huán)境等資料綜合起來進行分析。單新建[1](1999)將遙感技術與 GIS技術相結合詳細分析了香港大嶼山滑坡與坡度、巖性、地貌等環(huán)境因子之間的聯(lián)系，對未來區(qū)域性滑坡穩(wěn)定性進行了預測，取得了很好的效果。唐川等[2](2001)采用綜合指標法編制了云南省地震誘發(fā)滑坡危險區(qū)域預測圖。王余慶[3]等(2001)也使用綜合指標法對巖土邊坡地震崩滑進行預測研究，綜合指標法的思路是對地震滑坡的影響因素按照影響力的大小分級賦值，綜合地考慮各個影響因素對地震滑坡的影響，可概括如公式:H=f(x)，x為地震滑坡的影響因素。王志旺[4]等(2006)采用邏輯回歸方法對長江三峽庫區(qū)秭歸 －巴東一帶滑坡災害進行了危險度分區(qū)定量評價。Jibson[5]等以1994年美國加利福尼亞的 Northridge地震(M=6.7)為例，對地震附近一個約30×26 km的區(qū)域，以 New mark法為基礎，通過計算區(qū)域內(nèi)各單元在地震作用下的New mark位移量，從而給出區(qū)域內(nèi)各個滑坡的失穩(wěn)概率，制作了數(shù)字化地震滑坡災害圖，該圖所顯示滑坡危險區(qū)域與事后滑坡情況吻合得非常好。

1 研究區(qū)概況

安康市地處陜西省最南部漢江河流盆地，東與旬陽縣為鄰，北與寧陜、鎮(zhèn)安縣相接，南連嵐皋、平利，西接漢陰、紫陽。安康市總面積約為23 391 km2，東西寬約200 km，南北長約240 km。

研究區(qū)北依秦嶺、南枕巴山，漢江、月河穿過區(qū)境，總的地勢特點是南北高，中間低，境內(nèi)最高點為小牛蹄嶺，高程651.5 m，最低點為漢江下游關廟變電所附近，高程232.1 m。地貌類型為山地、侵蝕堆積臺地、和河流階地三種形態(tài)類型，山地見于周邊，為低山，基巖多為千枚巖組成。臺地由洪積作用形成，地形高，呈臺狀，可分為一、二、三級。漢江及其支流月河、黃洋河、傅家河、冉家河等發(fā)育有河漫灘及一、二、三級階地，巴山弧形的分支斷裂貫穿研究區(qū)境內(nèi)，新構造運動十分活躍。區(qū)內(nèi)地層主要由下震旦統(tǒng)、寒武—奧陶系、志留系、泥盆系以及新生界新近系、第四系組成。巖土類型主要有砂礫石、砂、粉土、粘性土(包括粘土、粉質(zhì)粘土)、中—強膨脹土、弱膨脹土、人工填土(雜填土、素填土)。

2 研究方法

2.1 AHP方法評價模型

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱 AHP)，該方法是美國運籌學家匹茨堡大學教授 Saaty[6－8]于 20世紀 70年代初，提出的一種層次權重決策分析方法。它將復雜的研究目標分為若干個層次，每個層次由實際情況和可實現(xiàn)性選取評價因子，由因子間的重要性進行對比，構建相應的判斷矩陣，得到相應各評價因子優(yōu)先權重，最后由加權和的方法決定最終目標的最終權重。

2.2 滑坡危險性分析

2.2.1 因子的選取

滑坡等地質(zhì)災害是在一定的孕災環(huán)境、致災因子與承災環(huán)境相互作用下的產(chǎn)物。不利的巖性組合、地質(zhì)結構等地質(zhì)體內(nèi)部固有的因素對地質(zhì)災害的孕育發(fā)生起到主導作用，但暴雨、地震和人類工程活動等外部因素對滑坡、泥石流等地質(zhì)災害會起到誘發(fā)作用。

影響滑坡災害的因子很多，而各種影響因子對災害的貢獻率不同，但在眾多的因子之中，總會找出一種最佳組合，對滑坡的易發(fā)性進行定量化分析。在區(qū)域滑坡危險性評價時，一般基于地域差異性、分清主次及分清尺度等三個原則確定和選取評價指標，使評價指標能更好地適應區(qū)域滑坡危險性評價的需要。根據(jù)滑坡災害危險性評價指標選取的原則，結合研究區(qū)的實際情況和數(shù)據(jù)獲取來源情況，確定了研究區(qū)滑坡發(fā)生的主要影響因子:歷史災害因子、地形因子、地貌類型因子、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境因子，并對各個因子進行分析，最終擬用歷史災害點密度、坡度、坡向、高程、地貌、地質(zhì)巖性、斷裂構造、河流覆蓋等建立滑坡災害危險性評價指標體系。

2.2.2 評價因子的獲取與分級

研究區(qū)的數(shù)字高程灰度圖 DEM空間分辨率為30 m，數(shù)據(jù)獲取時間為2009年，數(shù)據(jù)類型為 IMG，投影坐標為 UTM/WGS84，由arcgis中 arctoolbox 3D analyst模塊提取高程等值線，創(chuàng)建tin，再轉(zhuǎn)化成相應的地形因子格柵圖。其它圖層根據(jù)實際野外踏勘和前人收集資料基于Analyst tools以100 m2為圓心500 m為半徑繪制滑坡災害密度圖，由1:25 000區(qū)域地質(zhì)圖提取其他因子格柵圖，各評價因子等級劃分指標內(nèi)容詳見表1。

表1 評價因子等級劃分表

圖1 各評價因子Arcgis柵格簡圖

2.2.3 評價因子判斷矩陣及權重計算

滑坡受上節(jié)所述多個影響因子的控制，各影響因子對滑坡災害的影響程度不同，為了更準確地評價研究區(qū)滑坡災害危險性，就有必要知道各影響因子的權重系數(shù)。專家在綜合評價多個因子的權重時會比較困難，但兩個因子之間重要性的比較會容易得多。層次分析法(AHP)就是按約定對兩兩因子之間進行比較并賦值，形成多因子的判斷矩陣矩陣[9]，計算出相應的規(guī)范化特征向量，即可獲得因子的權重系數(shù)。秦吉等對層次分析法的基本原理和計算方法進行了介紹[10]。

以下根據(jù)所述方法計算出研究區(qū)滑坡危險性評價各因子的權重。

一級判斷矩陣為

二級判斷矩陣

對矩陣A進行一致性檢驗，計算一致性指標CI:

判斷矩陣 A 最大特征值 λmax=4.1680.056，該矩陣 RI=0.82。CR=CI/RI=0.069 ＜ 0.10，所以判斷矩陣具有滿意的一致性。其所對應的最大特征向量進行歸一化處理為(0.12，0.31，0.19，0.38)，即為各一級因子權重。依次計算依次計算 B1、B2、B3的特征根及特征向量。得出第二層次指標相對于第一層次的權重值。計算過程與計算第一層次權重相同，由于篇幅原因，故省去。計算結果如下表2所示。

表2 評價因子權重劃分表

2.2.4 評估模型

采用災害評價過程中最常用的分層加權疊加的方法，即為對一級因子與二級因子權重做乘法確定各滑坡因子最終權重系數(shù)，最后對相應區(qū)塊兒內(nèi)各因子圖層進行疊加求和，確定評價模型為:

式中:F(u)為滑坡災害發(fā)生的危險度系數(shù)，E(d)i為 i個因子，W(s)i為i個因子的權重，i為選取的評價因子，n為評價因子的個數(shù)。按式2.2計算得出各個區(qū)塊兒相應的危險度系數(shù)。本文按照滑坡的規(guī)模、頻率分類等級標準，將危險性按危險度系數(shù)劃分為極度危險、高度危險、中度危險和輕度危險，見表3。

表3 研究區(qū)滑坡危險性等級劃分標準

2.2.5 評估結果

在Arcgis空間分析模塊的支持下應用arcgis格柵計算模塊執(zhí)行評價模型，將上述八個基本格柵圖層進行空間加權疊加分析，繪制出研究區(qū)滑坡危險性區(qū)劃圖，再將其與歷史發(fā)生的173處滑坡災害點相疊加進行對比分析，如圖2。

圖2 研究區(qū)滑坡災害危險性分區(qū)圖

由這一結果圖層分析看出，滑坡災害易發(fā)程度較高的區(qū)域主要分布在東部、東南部、南部地區(qū)，這部分區(qū)域地貌主要是以低山、丘陵為主，部分為不同地貌的分界處，地形起伏較大，其坡度大部分為陡坡和急坡，而且大部分土地都是未開發(fā)利用的土地。

研究區(qū)滑坡災害的孕育、發(fā)生和發(fā)展主要受地層巖性、相對高差、植被覆蓋系數(shù)，土地利用類型、溝谷密度及降雨等因素的控制。在空間分析技術的支持下，通過對滑坡主控因子和誘發(fā)因子的綜合描述和定量分析，最后繪制出安康市滑坡災害危險性評價圖。該分區(qū)與歷史滑坡災害點情況作對比，發(fā)現(xiàn)兩者的匹配程度較好，說明所選的評價因子基本上符合研究取得基本情況，由滑坡災害危險性評價圖，可以很直觀形象的看出研究區(qū)的滑坡災害危險性情況，為以后工程建設及的城市規(guī)劃提供總要的參考依據(jù)。

3 結語

地質(zhì)災害危險性評估目前還處在探索階段，在這方面的工作是一個較新的領域，我國在災害風險評估領域的研究時間不長，滑坡地質(zhì)災害風險性評估還未形成系統(tǒng)完善的理論和方法體系[11]。尤其是基于 GIS技術開展滑坡地質(zhì)災害評估工作起步較晚，并且還沒有成熟實用的滑坡地質(zhì)災害預測評估的 GIS系統(tǒng)。GIS技術在滑坡地質(zhì)災害評估中的應用己經(jīng)從多源數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)管理、數(shù)字化輸入和繪圖輸出，到DEM的使用、GIS結合滑坡災害評估模型的擴展分析、GIS虛擬現(xiàn)實技術的使用，都得到不斷的發(fā)展和廣泛的應用。GIS技術的應用，使滑坡區(qū)域危險性評價更準確、直觀反映出滑坡的活動現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，間接呈現(xiàn)出滑坡災害對人類生命安全和財產(chǎn)安全可能造成的損失程度，為指導抗災救災與減災決策提供重要的科學依據(jù)。

[1]單新建.基于環(huán)境因子 AI－GIS方法的天然滑坡危險性預測[J].地質(zhì)科技情報.2004，23(3):109 －112.

[2]唐川.GIS支持下的地震誘發(fā)滑坡危險區(qū)預測研究[J].地震研究.2001，24(1):73 －81.

[3]王余慶.預測巖土邊坡地震崩滑的綜合指標法研究[J].巖土工程學報.2001，23(3):311 －314.

[4]王志旺.基于GIS技術的區(qū)域滑坡分形特征分析與危險性評價[D].中國地質(zhì)大學.2010:53－79.

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[6]Saaty T L. There is no mathematical validity for using fuzzy number crunching in the analytic hierarchy process[J]. Journal of Systems Science and Systems Engineering，2006，15(4):457－464.

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[9]郭金玉.層次分析法的研究與應用[J].中國安全科學學報.2008，18(5):148 －153.

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[11]王禮先.關于荒溪分類[J].北京林學院學報.1982，3:31－39.