基于層次分析法的茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

劉宇恒，鄧 輝，熊倩瑩

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都 610059)

基于層次分析法的茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

劉宇恒，鄧 輝，熊倩瑩

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，成都 610059)

茂縣是西南深切河谷地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的重災(zāi)縣之一，亦是對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行特征分析及易發(fā)性評價的良好試驗基地。在茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害詳查及遙感數(shù)據(jù)解譯的基礎(chǔ)上，選取高程、地形起伏度、坡形、坡度、地層巖性、水系因子及地質(zhì)構(gòu)造7個因素作為評價指標(biāo)，采用層次分析法對研究區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價與區(qū)劃。結(jié)果表明：地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)占地面積約46.1 km2，占10.02%，主要分布于研究區(qū)的岷江干流沿岸及其部分支流沿岸等；中易發(fā)區(qū)面積約149.59 km2，占32.52%；低易發(fā)區(qū)面積約205.25 km2，占44.62%；非易發(fā)區(qū)面積約59.06 km2，占12.84%。評價結(jié)果與野外調(diào)查基本吻合，可為茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害防治及土體規(guī)劃利用提供依據(jù)。

斜坡地質(zhì)災(zāi)害；易發(fā)性評價；四川茂縣；地理信息系統(tǒng)；層次分析法

1 研究背景

四川省茂汶羌族自治縣地處西南深切河谷地區(qū)，境內(nèi)自然地質(zhì)背景環(huán)境特殊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運動活躍，河谷強烈侵蝕切割，各種滑坡、崩塌等斜坡地質(zhì)災(zāi)害普遍發(fā)育。尤其在2008年5月12日汶川地震之后，斜坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生越來越多，茂縣人民的生命財產(chǎn)安全受到很大威脅。由此可知，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和評價工作，科學(xué)分析地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性，對茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防和減輕具有深遠(yuǎn)意義。

合理評價地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性十分重要，近年來許多專家學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究[1-8]，但在對評價地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的方法選擇上一直沒達(dá)成共識。由于層次分析法簡易、靈活且邏輯性和實用性較強，已是一套較為成熟的方法，因此，本文基于層次分析法，對茂縣區(qū)內(nèi)斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價。

2 研究區(qū)概況

茂汶羌族自治縣位于四川省西北部，是阿壩藏族羌族自治州下轄縣，地理坐標(biāo)在31°24′N─32°17′N， 102°56′E—104°10′E之間，南北寬約94.8 km，東西長約116.5 km，占地面積約3 885.6 km2。研究區(qū)遙感圖如圖1所示。

圖1 研究區(qū)遙感圖Fig.1 Remotely-sensed image of the research area

茂縣屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，多年年平均降水量為484.1 mm，容易出現(xiàn)冬干春旱的現(xiàn)象。縣境內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為繁雜，大部分屬于馬爾康地質(zhì)分區(qū)，其東南部的狹窄部分屬于龍門山地質(zhì)分區(qū)。區(qū)內(nèi)巖土體類型主要由夾沙灰、黑色頁巖、砂板巖及火成巖等組成。土壤主要為暗棕壤、褐土、棕壤。研究區(qū)地處龍門山地震地段，是中國地震頻繁的地區(qū)之一。岷江從北往南縱貫全縣，黑水河、赤不蘇河及松坪河分別在大、小兩河口與較場鄉(xiāng)匯進(jìn)岷江，土門河自西往東貫穿土門全區(qū)，匯進(jìn)涪江水系。這種奇特的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境與頻繁的內(nèi)外動力地質(zhì)條件，使得研究區(qū)內(nèi)深切河谷斜坡地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育，且災(zāi)害類型以滑坡、崩塌為主。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，斜坡地質(zhì)災(zāi)害總共147處，其中滑坡災(zāi)害有98處，約占總數(shù)的67%，其他為崩塌災(zāi)害，共有49處，約占總數(shù)的33%，分布統(tǒng)計見表1。

表1 茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害分布統(tǒng)計Table 1 Statistics of slope geo-hazard distribution in Maoxian county

3 茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

3.1 層次分析法簡介

層次分析法是一種把定性的問題進(jìn)行定量化分析的多重準(zhǔn)則決議方法，其特點是將一個復(fù)雜的問題分解成一系列有序?qū)哟蔚慕M成因素，再將專家的主觀經(jīng)驗與研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征基于一定客觀化的判別矩陣聯(lián)系起來，使用數(shù)學(xué)運算方式定量地描述各層中影響因子的相對重要程度，并賦予其對應(yīng)的權(quán)重值，最后根據(jù)全部影響因子相對總目標(biāo)的相對權(quán)重值進(jìn)行排序。

本文嘗試采用層次分析法來建立斜坡地質(zhì)災(zāi)害評價因子的遞階層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造兩兩評價因子比較的判斷矩陣，給予其相對應(yīng)的權(quán)重值且進(jìn)行一致性檢驗，再計算各層因素的組合權(quán)重[9]。

3.2 評價因子的選取

為突出研究區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素，結(jié)合前人的研究成果，根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境特征與斜坡地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律及形成條件，選取地形地貌(包括高程、地形起伏度、坡形及坡度)、地層巖性、水系因子及地質(zhì)構(gòu)造7個因素作為評價因子。

其中，在評價因子原始數(shù)據(jù)提取時，基于野外詳查，利用GIS軟件空間分析中的表面分析功能從DEM數(shù)據(jù)中提取出高程；利用ArcGIS軟件的鄰域分析功能，得到一定區(qū)域內(nèi)最低海拔與最高海拔的差值，作為中心柵格的地形起伏度；把剖面曲率值≤-0.5的歸為凹型坡，-0.5<剖面曲率值≤0.5的歸為直線型坡，剖面曲率值>0.5的歸為凸型坡；在GIS系統(tǒng)中利用緩沖分析工具，以河流為中心建立緩沖區(qū)，根據(jù)距離構(gòu)造斷裂帶的遠(yuǎn)近關(guān)系，以斷裂為中心創(chuàng)建緩沖區(qū)。

碳酸鹽礦物溶解過程中，生成游離態(tài)的Ca2+、Mg2+、CO2和H2O，消耗大部分礦物質(zhì)，且溶液中的Na+、H+隨溶液不斷滲入煤體中，置換出Ca2+、Mg2+，Na+、H+。由于煤樣中大部分碳酸鹽礦物發(fā)生溶解和吸附，溶液中離子不斷發(fā)生擴散、遷移等離子交換反應(yīng)，煤樣孔裂隙周圍不斷形成孔洞，使煤樣孔隙結(jié)構(gòu)改變，孔隙率增大，孔隙體積等于反應(yīng)運移溶質(zhì)體積。碳酸鹽礦物的溶解量與煤樣孔隙率之間的關(guān)系可以用以下公式表示：

3.3 層次分析法步驟

3.3.1 遞階層次結(jié)構(gòu)分析模型創(chuàng)建

創(chuàng)建遞階層次結(jié)構(gòu)是層次分析法的步驟中最重要的一步，必須要使同一層的各個單元附屬于其對應(yīng)的上一個層次的分類，且必須確定與之對應(yīng)的下一層次中的每一個單元[10]。將前文中所選取的7個影響因子分類并歸化，便可繪制斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的3層遞階層次結(jié)構(gòu)分析模型(如圖2)。其中A層為目標(biāo)層，B層為準(zhǔn)則層，C層則為措施層。

圖2 層次結(jié)構(gòu)分析模型Fig.2 Analytical hierarchy model

3.3.2 判斷矩陣構(gòu)造

在準(zhǔn)則A的支配下按照其從屬元素兩兩之間的相對重要程度對B1，B2，B3，…，Bn賦予其相對應(yīng)的權(quán)重值。本文采用1—9標(biāo)度法[10](如表2)，針對各層中的要素對上一層次目標(biāo)的相對重要性進(jìn)行兩兩比較(表3至表5)，進(jìn)而構(gòu)造判斷矩陣。

表2 判斷矩陣標(biāo)度(重要性指標(biāo))及其含義Table 2 Scales of judgment matrixes and their connotations

表3 A-B層判斷矩陣Table 3 Judgment matrixes in A-B level

表4 B1-C層判斷矩陣Table 4 Judgment matrixes in B1-C level

表5 B2-C層判斷矩陣Table 5 Judgment matrixes in B2-C level

3.3.3 基于判斷矩陣的被比較因素相對權(quán)重的計算

運用求和法對每個兩兩成對比所形成的判斷矩陣計算，從而可以得到與其相對應(yīng)的特征向量和最大特征根近似值λmax：

(1) 對兩兩相比較的矩陣A中的每一列向量進(jìn)行歸一化處理，得到

(1)

將矩陣進(jìn)行一致性檢驗，計算公式為

(2)

其中，

(3)

式中：CR為一致性比例，只有當(dāng)CR<0.1時，矩陣的一致性檢驗才算合格；n為兩兩比較的元素的個數(shù)；CI為一致性指標(biāo)；RI為隨機一致性指標(biāo)，其值由表6確定。

表6 隨機一致性指標(biāo)RI值Table 6 Numerical values of random consistent index RI

經(jīng)過計算，A-B層判斷矩陣的最大特征根近似值λmax=2，把最大特征向量歸一化得到B1，B2評價指標(biāo)的權(quán)重Wi，均為0.5。B1-C層判斷矩陣λmax=5.068 3，一致性指標(biāo)CI=0.017，隨機一致性指標(biāo)RI=1.12，則一致性比例CR=0.015 25<0.1，一致性檢驗合格，該矩陣具有較好的判斷一致性。把最大特征向量歸一化得到C1，C2，C3，C4，C5這5個影響因素的權(quán)重值Wi，分別為0.062 4，0.098 6，0.261 8，0.416 2，0.161 0。而B2-C層判斷矩陣的最大特征根為λmax=2，將最大特征向量歸一化得到C6，C7評價指標(biāo)的權(quán)重Wi，分別為0.142 9，0.857 1。

3.3.4 組合權(quán)重計算

若要獲取每一個層次中全部因素相對總目標(biāo)的相對權(quán)重值，則需要計算最下層對目標(biāo)的組合權(quán)向量，并根據(jù)公式做組合一致性檢驗，若檢驗通過，則可按照組合權(quán)向量表示的結(jié)果進(jìn)行決策，否則需要重新考慮模型或重新構(gòu)造那些一致性比率較大的成對比較陣[10]。將B1，B2層歸一化處理后的權(quán)重值在A層次下再次歸一化處理即可得到7項評價要素的權(quán)重總排序，如表7所示。

表7 組合權(quán)重結(jié)果Table 7 Result of combinatorial weights

3.3.5 層次分析法定量評分

地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評價可以根據(jù)7個影響因子的權(quán)重值和打分完成，在分析評價的過程中，將每一個因子根據(jù)一定的準(zhǔn)則進(jìn)行打分，再將每一個指標(biāo)因子的賦值與其相對應(yīng)的權(quán)重相乘就可以求出地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性值R，即

(4)

式中Bi為各評價因子的定量打分。

對指標(biāo)因素定量打分的準(zhǔn)則為將7個評價因素的權(quán)重值排序。將權(quán)重因子最小的因子開始賦值為1分，權(quán)重倒數(shù)第二小的因素賦值為2分，以此類推，依次從1到7分。按照每個因素的分級準(zhǔn)則，如果因子的測量值是最小的分級，就統(tǒng)一都賦值為1分，假如是屬于上一個分級，就按照它所在的7個因素中的排序位置加之其相應(yīng)的分值(比如，其權(quán)重值在7個因素中排在了第5位，它的評分值就賦予5分，如果測量值是屬于上一個分級，就在原來的基礎(chǔ)上加上5分)，之后向上按等差級數(shù)遞增[11]。但是，因為水系因子對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的敏感性最高，且離水系越近，地質(zhì)災(zāi)害越易發(fā)生，因此，水系因子的分?jǐn)?shù)從35分倒次打到1分。層次分析法定量評分結(jié)果見表8。

表8 層次分析法定量評分結(jié)果Table 8 Result of quantitative rating by AHP

為了更為簡單地進(jìn)行對比分析，將易發(fā)性指數(shù)歸一處理化，從而得到茂汶羌族自治縣幅區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價圖(圖3)。

圖3 層次分析法的易發(fā)性評價結(jié)果Fig.3 Result of susceptibility evaluation by AHP

3.4 斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

將層次分析法得出的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果運用等間距分級方法進(jìn)行分級，得到4個易發(fā)性評價等級：高易發(fā)區(qū)(易發(fā)性指數(shù)為(0.75,1.00])、中易發(fā)區(qū)(易發(fā)性指數(shù)為(0.50,0.75])、低易發(fā)區(qū)(易發(fā)性指數(shù)為(0.25,0.50])、非易發(fā)區(qū)(易發(fā)性指數(shù)為(0,0.25])。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合茂縣的自然地質(zhì)環(huán)境如地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖石類型、河流流域等，考慮環(huán)境保護(hù)及治理工作規(guī)劃，對上述4個易發(fā)性等級進(jìn)行輕微調(diào)整，去除異常點，得出茂縣區(qū)域斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度分區(qū)：高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、非易發(fā)區(qū)(見圖4)。

圖4 茂縣幅斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃Fig.4 Zoning of slope geo-hazard susceptibility in Maoxian County

由圖4可知，高易發(fā)區(qū)占地面積約46.1 km2，占研究區(qū)總占地面積的10.02%，主要分布于研究區(qū)的岷江干流沿岸及其部分支流沿岸等；中易發(fā)區(qū)面積約149.59 km2。占研究區(qū)總占地面積的32.52%,主要緊鄰地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)域分布；低易發(fā)區(qū)分布密度相對較低，面積約205.25 km2，占研究區(qū)總面積的44.62%；非易發(fā)區(qū)面積約59.06 km2，占研究區(qū)總面積的12.84%。

圖4斜坡地質(zhì)災(zāi)害主要集中分布在河流沿岸、人類活動強烈的地區(qū)，與現(xiàn)場調(diào)查成果擬合度較高，可見運用層次分析法對茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的結(jié)果較為理想。

4 結(jié) 論

(1) 本文基于層次分析法，建立以斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價指數(shù)為目標(biāo)層，以高程、地形起伏度、坡形、坡度、地層巖性、水系因子及地質(zhì)構(gòu)造7個因素作為指標(biāo)層的茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的層次分析模型，并確定了各基礎(chǔ)指標(biāo)層的因子對目標(biāo)層的權(quán)重。其中高程、地形起伏度、坡度、坡形、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水系因子所占權(quán)重分別為0.031 2，0.049 3，0.130 9，0.208 1，0.080 5，0.071 4，0.428 6。

(2) 對茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價及區(qū)劃表明，高易發(fā)性區(qū)占地面積約46.1 km2，占研究區(qū)總占地面積的10.02%，主要分布于研究區(qū)的岷江干流沿岸及其部分支流沿岸等；中易發(fā)區(qū)面積約149.59 km2，占研究區(qū)總占地面積的32.52%；低易發(fā)區(qū)面積約205.25 km2，占研究區(qū)總面積的44.62%；非易發(fā)區(qū)面積約59.06 km2，占研究區(qū)總面積的12.84%。

(3) 茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價及區(qū)劃成果與野外調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害隱患點分布基本切合，證明基于層次分析法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果是有效合理的，可為茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害防治及土體規(guī)劃利用提供依據(jù)。

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(編輯：劉運飛)

AHP-based Evaluation of Slope Geo-hazard Susceptibility ofMaoxian County, Sichuan, China

LIU Yu-heng, DENG Hui, XIONG Qian-ying

(State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

Maoxian county is located in the deep valley region of southwest China with severe slope geological hazards, hence is a good experimental base for characteristic research and susceptibility evaluation of geological disasters. In this research, Analytical Hierarchy Process (AHP) was adopted for the evaluation and zoning of geological disaster susceptibility in the study area based on geo-hazard investigation and remote sensing data interpretation. Seven indices inclusive of height, land relieve, slope shape, gradient, lithology, water, and geological structure were selected as evaluation indicators. Result show that the area of high susceptibility covers 46.1 km2, accounting for 10.02% and distributing mainly along mainstream Minjiang River and some tributaries; the area of medium susceptibility covers 149.59 km2, accounting for 32.52%; and area of low susceptibility is 205.25 km2, taking up 44.62%; and the stable area covers 59.06 km2, comprising 12. 84%．The results are consistent with field investigation results in general, and thus could be taken as basis for land use planning and slope geo-hazard prevention and reduction in Maoxian county.

slope geo-hazard; susceptibility evaluation; Maoxian county; GIS; AHP

2016-02-26；

2016-04-05

中國地質(zhì)調(diào)查局項目(12120113010500)

劉宇恒(1991-)，男，四川眉山人，碩士研究生，從事巖土工程及地質(zhì)災(zāi)害方面的研究，(電話)18121960708(電子信箱)348196128@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160155

2017,34(5):31-35

P694

A

1001-5485(2017)05-0031-05