高麗琰,余江寬,張幼瑩,程 捷
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué),地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心,北京 100083)
地質(zhì)災(zāi)害是指在自然或人為因素的作用下形成的,對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)、環(huán)境造成破壞和損失的地質(zhì)作用(現(xiàn)象),如崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫等。據(jù)中國(guó)地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)發(fā)布的《全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)》統(tǒng)計(jì),2016年全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害9710起,其中滑坡7403起、崩塌1484起、泥石流584起、地面塌陷221起、地裂縫12起和地面沉降 6起,分別占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的 76.2%、15.3%、6.0%、2.3%、0.1%和 0.1%,災(zāi)害共造成370人死亡、35人失蹤、209人受傷,直接經(jīng)濟(jì)損失31.7億。
地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,威脅著人類生命財(cái)產(chǎn)的安全。為保證人們生命財(cái)產(chǎn)的安全,我們應(yīng)該對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行詳細(xì)的研究,利用科學(xué)的方法,制定相應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害防治對(duì)策,盡可能減小地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的危害。
地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的受控因素是十分復(fù)雜的,將研究區(qū)準(zhǔn)確合理地劃分地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)所選用的方法尤為重要。層次分析法在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中可以將問(wèn)題層次化,運(yùn)用廣泛,邏輯性強(qiáng),將各個(gè)評(píng)價(jià)因子的關(guān)系梳理清晰,并且還能夠很好地避開(kāi)人為主觀影響,最終達(dá)到研究目的。因此,本次研究采用層次分析法對(duì)寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)。
寧夏回族自治區(qū)東、西、北部與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤,東、南部與甘肅省、陜西省毗鄰。地理坐標(biāo)界于東經(jīng) 104°17'~107°39',北緯 35°14'~39°23'之間,南北長(zhǎng)約465km,東西寬45~250km,面積66400 km2。行政區(qū)劃為5市(銀川市、石嘴山市、吳忠市、固原市、中衛(wèi)市),11個(gè)縣,2個(gè)縣級(jí)市和9個(gè)縣級(jí)市轄區(qū)。寧夏地處西北內(nèi)陸,具有明顯的大陸性氣候。其特點(diǎn)為南寒北暖、南濕北干、冬寒漫長(zhǎng)、夏少酷暑、春秋短促、日照充足,蒸發(fā)強(qiáng)烈,干旱少雨,風(fēng)大沙多。氣溫年、日差較大,無(wú)霜期短,多發(fā)干旱、風(fēng)沙、冰雹、霜凍等災(zāi)害。
通過(guò)2016年遙感解譯、野外調(diào)查以及資料收集,整理取得了寧夏區(qū)22個(gè)縣(市)地質(zhì)災(zāi)害解譯、調(diào)查數(shù)據(jù),其中滑坡756個(gè)、泥石流394個(gè)、崩塌554個(gè)、地面塌陷20個(gè)、不穩(wěn)定斜坡955個(gè)(圖1)。
寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和不穩(wěn)定斜坡等。其中,滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡主要分布于南部山區(qū)的黃土丘陵區(qū)和賀蘭山北段礦區(qū),泥石流主要分布于丘陵山區(qū)及山前、丘陵與平原過(guò)渡地帶,地面塌陷分布于各個(gè)煤礦區(qū)。地質(zhì)災(zāi)害已嚴(yán)重影響到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全,對(duì)于當(dāng)?shù)厣踔廖覈?guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著不可估量的制約作用。
圖1 寧夏地質(zhì)災(zāi)害類型及百分比餅圖Fig.1 Pie chart of types and percentages of geological hazards in Ningxia region
層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡(jiǎn)稱AHP)是由美國(guó)匹茲堡大學(xué)教授A.L.Saaty于20世紀(jì)70年代提出的一種系統(tǒng)分析方法。他模仿人的決策思維過(guò)程,將問(wèn)題層次化,根據(jù)問(wèn)題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo),將問(wèn)題分解為不同的組成因素,按照因素間的相互關(guān)系及隸屬關(guān)系,將因素按不同層次聚類組合,形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型和綜合定性與定量相結(jié)合的分析方法[1]。
在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)中評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取非常重要,然而受到研究區(qū)各種客觀條件的限制不可能將所有影響地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的因素都評(píng)價(jià)出來(lái),這樣就需要從眾多的評(píng)價(jià)指標(biāo)中選取主要控制性的指標(biāo),從而忽略次要的影響性小的指標(biāo)[2]。
AHP要求的遞階層次結(jié)構(gòu)一般由以下三個(gè)層次組成:最高層、中間層、最底層。在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)研究中,最高層一般為評(píng)價(jià)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的評(píng)價(jià)體系,中間層一般為地質(zhì)災(zāi)害影響因子的類別,最底層一般為各個(gè)類別的具體指標(biāo)。
在研究區(qū)內(nèi),選取了歷史因素、自然地理因素、誘發(fā)因素三大類地質(zhì)災(zāi)害影響因子,其中歷史因素包括災(zāi)害點(diǎn)密度;自然地理因素包括坡度、坡型、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、水系、地貌;誘發(fā)因素包括降雨、人類活動(dòng)范圍、道路(圖2)。
為避免構(gòu)造判斷矩陣的片面性及人為的主觀影響,在評(píng)價(jià)中選定對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害熟悉的地質(zhì)專家組成專家組,通過(guò)專家評(píng)分對(duì)該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害及其背景因素和影響因素的相對(duì)重要性進(jìn)行分析和打分,并綜合構(gòu)造判斷矩陣,各層的因素對(duì)上一層的影響程度的評(píng)價(jià)方法,采用1~9標(biāo)度法(表1)對(duì)各因素進(jìn)行兩兩相互比較,得出構(gòu)造判斷矩陣[3]。
表1 判斷矩陣1~9標(biāo)度的含義Tab.1 Meaning of scale 1~9 in judgment matrix
基于構(gòu)造的判斷矩陣,計(jì)算出判斷矩陣的最大特征值λmax和對(duì)應(yīng)的特征向量,將特征向量歸一化處理后即為同一層次中各因子對(duì)于上一層次中的某個(gè)因子的權(quán)重w,計(jì)算單排序權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn),對(duì)每個(gè)比較矩陣計(jì)算最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量,利用一致性指標(biāo)(CI),隨機(jī)一致性指標(biāo)(RI)和一致性比率(CR)做一致性驗(yàn)證。
其中,一致性指標(biāo)(CI):
λmax為最大特征根,n為判斷矩陣的階數(shù)。隨機(jī)一致性指標(biāo)(RI)是由大量試驗(yàn)給出,RI的值可以按表2取值。
圖2 寧夏地質(zhì)災(zāi)害AHP層次模型示意圖Fig.2 Model of Analytic Hierarchy Process for geological hazards in Ningxia area
表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的數(shù)值Tab.2 Values of random consistent index RI
一致性比率(CR):
當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性,權(quán)重分配比較合理,反之,需要重新調(diào)整判斷矩陣,直到達(dá)到滿意的一致性。
本文使用excel計(jì)算最大特征值λmax、特征向量以及特征向量歸一化處理[4],各層次的判斷矩陣、權(quán)重及一致性檢驗(yàn)見(jiàn)下表(表3、表4、表5)。
表3 中間層(B)判斷矩陣,權(quán)重及一致性檢驗(yàn)Tab.3 Judgment matrix,weight value and consistency check for the interlayer(B)
表4 最底層(D)判斷矩陣,權(quán)重及一致性檢驗(yàn)Tab.4 Judgment matrix,weight value and consistency check for the bottom layer(D)
表5 最底層(E)判斷矩陣,權(quán)重及一致性檢驗(yàn)Tab.5 Judgment matrix,weight value and consistency check for the bottom layer(E)
計(jì)算最底層對(duì)最高層總排序的權(quán)向量,并做一致性檢驗(yàn),最終,寧夏地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值分配見(jiàn)表6。
表6 寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配表Tab.6 Weight values for the evaluation factor of geological hazards in Ningxia
寧夏的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)方法主要采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法[5],其計(jì)算公式為:
式中,F(xiàn)為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合指數(shù);Ni為各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化值;wi為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。
在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi),采用規(guī)則柵格單元[6]的方法進(jìn)行網(wǎng)格剖分,將評(píng)價(jià)區(qū)按照1.5×1.5(km)形式,將寧夏區(qū)劃分為229行,283列,共23702個(gè)柵格單元。
在評(píng)價(jià)區(qū)內(nèi)所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性值進(jìn)行0~1的歸一化處理,對(duì)于坡度、坡型等定量指標(biāo),利用ArcGIS的柵格計(jì)算功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的公式轉(zhuǎn)換;對(duì)于巖土類型、水系等定性指標(biāo),通過(guò)不同的屬性對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響程度的大小進(jìn)行分級(jí)賦值。
4.2.1 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度、坡度、坡型的指標(biāo)量化及歸一化
地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)代表著該地區(qū)歷史發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害情況,地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度越大,代表該區(qū)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的頻數(shù)越高,是地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)防治區(qū)。將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的所在位置與研究區(qū)融合并進(jìn)行密度分析,將密度值歸一化,形成寧夏區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度歸一化圖層,災(zāi)害點(diǎn)密度歸一化的數(shù)值越高,說(shuō)明地質(zhì)災(zāi)害分布越密集(圖3a)。
以寧夏地區(qū)1∶50000的Aster GDEM為數(shù)據(jù)源,提取坡度和坡型,利用ArcGIS的柵格計(jì)算功能將坡度與坡型的數(shù)值進(jìn)行歸一化處理。坡度和坡型是地形要素的重要指標(biāo),直接影響著斜坡穩(wěn)定性,對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育起到重要的作用,其中坡度越高,臨空面的有效值越小,就越易發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害;而坡型分為凹型坡、直線坡和凸型坡,其中凸型坡由于下部支撐力較小,易發(fā)生崩塌等地質(zhì)災(zāi)害;一般情況下,斜坡的坡度在20°~60°之間,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度較高,所以定義斜坡坡度為60°時(shí),取值為1,將斜坡坡度小于20°和斜坡坡度90°時(shí),取值為0,其他范圍按0~1進(jìn)行歸一化處理(圖3b)。坡型的計(jì)算是根據(jù)ArcGIS的曲率計(jì)算功能,將曲率最大值取值為1,曲率最小值取值為0,其余值按0~1進(jìn)行歸一化處理(圖3c)。
4.2.2 工程地質(zhì)巖組、地貌的指標(biāo)量化及歸一化
地層巖性是地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ),一般巖性結(jié)構(gòu)松散的巖組,如第四紀(jì)沉積物、泥巖、頁(yè)巖、千枚巖等或者巖體層間軟硬相間的巖組都容易發(fā)生滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,利用寧夏地區(qū)地層巖性的屬性,按照工程地質(zhì)巖組分類標(biāo)準(zhǔn),對(duì)其巖石的堅(jiān)硬程度進(jìn)行分類,按照分類的工程地質(zhì)巖組對(duì)地質(zhì)災(zāi)害貢獻(xiàn)的程度進(jìn)行賦值(松散體為0.9、堅(jiān)硬巖夾軟巖組為0.7、堅(jiān)硬巖組為0.2等),得出寧夏工程地質(zhì)巖組歸一化圖層(圖3d)。
寧夏地區(qū)地貌類型復(fù)雜且多樣,以山地、丘陵(紅巖丘陵、黃土丘陵)、臺(tái)地、平原和沙漠五種地貌類型為主。由于山地地勢(shì)陡峭,巖性復(fù)雜,以及黃土丘陵中的黃土疏松,垂直節(jié)理發(fā)育,具有濕陷性等特征,都容易發(fā)生崩滑流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)地貌類型發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性分別對(duì)其進(jìn)行賦值(山地為 0.8、丘陵為 0.9、沙漠為0.2、臺(tái)地為0.4、沙漠為0.2),得出寧夏地貌歸一化圖層(圖3e)。
4.2.3 地質(zhì)構(gòu)造、水系、人類活動(dòng)范圍、道路的指標(biāo)量化及歸一化
地質(zhì)構(gòu)造、水系、人類活動(dòng)范圍、道路為定性指標(biāo),地質(zhì)構(gòu)造主要選取了寧夏地區(qū)的主要斷層,水系主要選取寧夏地區(qū)的主流水系,人類活動(dòng)范圍主要以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位的居民地,道路主要選取省路級(jí)別以上的公路。一般認(rèn)為,距離該4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體位置越近,則發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大。其中,由于新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的構(gòu)造斷裂帶使地質(zhì)環(huán)境十分脆弱,是孕育地質(zhì)災(zāi)害的重要條件,離斷層的距離越近,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大;由于河流的侵蝕作用,對(duì)兩岸不斷沖刷、掏空,產(chǎn)生臨空面,發(fā)生崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大;人類修建公路、開(kāi)挖邊坡、開(kāi)采礦山等活動(dòng)使得斜坡上巖土體失去支撐,在其附近可能會(huì)導(dǎo)致崩塌、滑坡、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。因此,將4項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)以500m為單位進(jìn)行四級(jí)緩沖區(qū)分析,并由內(nèi)向外分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2,分別得出4項(xiàng)指標(biāo)的歸一化圖層(圖3f、圖3g、圖 3h、圖 3i)。
4.2.4 降雨的指標(biāo)量化及歸一化
降雨是產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害最活躍的自然誘發(fā)因素,短時(shí)內(nèi)的暴雨容易引發(fā)崩滑流,地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害,根據(jù)寧夏地區(qū)多年降雨量等值線進(jìn)行分區(qū),得到多年平均降雨量≤220、220~270、270~320、320~370、370~420、420~470、470~520、520~570、570~620、620~670(單位:mm),并分別以0.1的增量為它們賦值,得出降雨等值線的歸一化圖層(圖3j)。
按照公式(3)將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的柵格歸一化單元與按照層次分析所確定的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)疊加計(jì)算(式(4)),得出寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)結(jié)果。
F=地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度歸一化指數(shù)(C1)×0.5584+坡度歸一化指數(shù)(D1)×0.0247+坡型歸一化指數(shù)(D2)×0.0146+工程地質(zhì)巖組歸一化指數(shù)(D3)×0.0888+斷層歸一化指數(shù)(D4)×0.0712+水系歸一化指數(shù)(D5)×0.0539+地貌歸一化指數(shù)(D6)×0.0664+降雨歸一化指數(shù)(E1)×0.0658+人類活動(dòng)范圍歸一化指數(shù)(E2)×0.0199+道路歸一化指數(shù)(E3)×0.0362 (4)
圖3 寧夏地區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化圖Fig.3 The normalized graphs of evaluation factors in Ningxia region
在研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)結(jié)果中,最小指數(shù)為0.063,最大指數(shù)為0.821。按照自然間距的分類方法[6],劃定合適的分區(qū)界限值,將寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度劃分為三個(gè)等級(jí),即地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)(0.324~0.821)、地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)(0.188~0.324)和地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)(0.063~0.188)(表7),根據(jù)分區(qū)結(jié)果,最終得出寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖(圖4)。
表7 寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃評(píng)價(jià)分區(qū)表Tab.7 Partition of geological hazard susceptibility regionalization assessment in Ningxia region
圖4 寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.4 Division map of the geological hazards susceptibility in Ningxia region
地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)主要分布在寧夏南部,約占整個(gè)寧夏地區(qū)的6.89%,總面積約為4575km2,其中,西吉、固原、彭陽(yáng)、隆德、涇源等地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害尤為嚴(yán)重,經(jīng)濟(jì)發(fā)展遲緩,區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境脆弱,主要以黃土丘陵溝壑區(qū)為主,黃土滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害尤為發(fā)育,不穩(wěn)定斜坡大量存在。
地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū),約占整個(gè)寧夏地區(qū)的40.86%,總面積約為27131km2,主要分布有寧夏北部的賀蘭山附近,該地段在山麓附近泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育,并且,由于該地段礦產(chǎn)資源較豐富,人類活動(dòng)影響很大,煤礦采空區(qū)的地面塌陷也很發(fā)育;黃河流經(jīng)區(qū)域河岸坍塌較為嚴(yán)重;海原、同心、鹽池東南部,中寧、中衛(wèi)等地區(qū),地質(zhì)環(huán)境較差,人類工程活動(dòng)強(qiáng)度較大,滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害均較發(fā)育。
地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū),約占整個(gè)寧夏地區(qū)的52.25%,總面積約為34694km2,主要分布于銀川平原附近,該地段為湖積平原區(qū),環(huán)境優(yōu)美,素有“塞上江南”之稱,地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育;中衛(wèi)縣西北部的沙漠地帶,該地段雖存在風(fēng)沙危害,但基本無(wú)人居住,且通過(guò)生物工程治沙防沙,極大地改善了該區(qū)的自然生態(tài)環(huán)境;靈鹽臺(tái)地,該地段屬于緩坡丘陵地貌,地勢(shì)波狀起伏,溝谷寬淺,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育相對(duì)較少。
(1)在研究區(qū)內(nèi),選取了影響寧夏地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的10項(xiàng)具體評(píng)價(jià)指標(biāo),采用層次分析法,對(duì)該10項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算,利用GIS的空間分析方法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以及歸一化處理,將各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與其權(quán)重進(jìn)行疊加計(jì)算,最后,通過(guò)自然間距的分類方法劃定合適的分區(qū)界限值,將寧夏地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度分為地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū),分區(qū)結(jié)果能夠較客觀地反映實(shí)際情況。
(2)對(duì)寧夏地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)及區(qū)劃進(jìn)行研究,結(jié)果表明:高易發(fā)區(qū)占地面積約6.89%,總面積約為4575km2,主要分布于寧夏南部;地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū),約占整個(gè)寧夏地區(qū)的40.86%,總面積約為27131km2;地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū),約占整個(gè)寧夏地區(qū)的 52.25%,總面積約為34694km2。
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