基于地貌單元與灰關(guān)聯(lián)分析的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價

李得立，李小磊，羅德江，陳國東，袁名康

(1.成都理工大學(xué)管理科學(xué)學(xué)院，成都 610059；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081)

中央全面深化改革領(lǐng)導(dǎo)小組第三十五次會議通過了《關(guān)于建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警長效機(jī)制的若干意見》，強(qiáng)調(diào)“開展承載能力評價，規(guī)范空間開發(fā)秩序，合理控制開發(fā)強(qiáng)度，促進(jìn)人口、經(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境的空間均衡”[1]。地質(zhì)災(zāi)害評價作為地質(zhì)環(huán)境承載能力評價的主要內(nèi)容之一，其成果對于區(qū)域空間規(guī)劃的編制、社會經(jīng)濟(jì)空間布局的優(yōu)化具有重要意義。

目前地質(zhì)災(zāi)害評價的研究主要有3個方面：一是評價單元的劃分，主要有柵格單元、地形地貌單元和行政單元3種[2-5]，前者可利用GIS實(shí)現(xiàn)單元的快速剖分，但與地形地貌及地質(zhì)環(huán)境條件缺乏有機(jī)聯(lián)系[5]，地形地貌單元則可有效克服這一不足，行政單元則利于根據(jù)評價結(jié)果制訂相關(guān)措施，便于管理；二是評價指標(biāo)體系的構(gòu)建,不同的學(xué)者其評價目的不同，所構(gòu)建的評價指標(biāo)體系也不一致，但大都包含地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等指標(biāo)，部分研究還將人類工程活動、植被覆蓋率等納入指標(biāo)體系中[6-9]；三是評價方法的選取及新方法的引入，應(yīng)用較多的方法有層次分析法[2，6]、線性回歸模型[10-11]、模糊綜合評價模型[12]、信息量模型[13-14]等，這些方法模型適用性與特點(diǎn)各不相同，前兩種方法常用于確定地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價指標(biāo)體系的權(quán)重，后兩種方法則根據(jù)所構(gòu)建的評價指標(biāo)體系，提取指標(biāo)值，利用模型開展定量評價。

影響地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性的因素數(shù)量多且復(fù)雜，在進(jìn)行評價時要考慮所有的因素是不現(xiàn)實(shí)的，因此地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價指標(biāo)體系可以看成是一個“信息不完全”的系統(tǒng)?！靶畔⒉煌耆毕到y(tǒng)的解決方法主要有模糊數(shù)學(xué)和灰色系統(tǒng)[15]。利用模糊數(shù)學(xué)理論對地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性進(jìn)行評價時，關(guān)鍵問題不在于評價模型的構(gòu)建，而在于各評價指標(biāo)分級閾值的確定。各地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等千差萬別，要制定統(tǒng)一的適用于各地區(qū)的閾值是困難和不現(xiàn)實(shí)的?；谊P(guān)聯(lián)分析法則無須為各評價指標(biāo)確定分級標(biāo)準(zhǔn)，適用于信息不完全的復(fù)雜系統(tǒng)，其評價結(jié)果具有客觀性[16]。本文針對研究區(qū)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的特性，構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價的灰關(guān)聯(lián)分析模型并開展評價工作，為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價引入新的方法。

1 評價指標(biāo)與評價方法

1.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建與權(quán)值計算

地質(zhì)災(zāi)害危險性評價選取地形起伏度C1(m)、地貌類型C2、工程地質(zhì)巖組C3、活動斷裂距離C4 (m)、巖溶發(fā)育程度C5、地震動參數(shù)C6、年平均降雨量C7 (mm)、礦山分布密度C8(個/100km2)、土地利用程度C9、地震動峰值加速度C10(g)等10個指標(biāo)[17]。在這些指標(biāo)中，工程地質(zhì)巖組、巖溶發(fā)育程度、地貌類型、土地利用程度等為定性指標(biāo)，其定量化見表1。

表1 定性指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)

利用熵值法計算權(quán)值：設(shè)有m個地質(zhì)災(zāi)害危險性評價與n個評價單元所構(gòu)成的數(shù)據(jù)集為S={x1,x2,…,xn},xi∈Rm,i=1,2,n。

第一步：采用極差法對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理(式1)，得到極差化處理后的值yij。

(1)

第二步：利用比重法(式2)計算評價值pij。

(2)

第三步：計算第j個地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標(biāo)的輸出熵E和差異性系數(shù)G。

(3)

Gj=1-Ejj=1,2,…,n

(4)

第四步：計算各個地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標(biāo)的權(quán)重w=(w1,w2,…,wn)′(式5)。

(5)

1.2 評價方法

灰關(guān)聯(lián)分析法是灰色理論[18]應(yīng)用最廣泛的方法之一，它通過計算灰關(guān)聯(lián)度來實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性的評價，以參與評價的各地形地貌單元的指標(biāo)最優(yōu)值構(gòu)成一個虛擬的“風(fēng)險性最小”的評價單元，以其各指標(biāo)值作為參考數(shù)列，參與評價的各地形地貌單元的指標(biāo)值作為比較數(shù)列，計算各參與評價的各地形地貌單元與“風(fēng)險性最小”評價單元之間的關(guān)聯(lián)度，并根據(jù)關(guān)聯(lián)度的大小得出評價結(jié)論。具體做法是[16]：

(1) 根據(jù)評價目的，并結(jié)合相關(guān)研究成果構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價指標(biāo)體系，記為xi(i=1,2,…,m)。

(2) 提取地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價指標(biāo)體系中各評價指標(biāo)值，并以各指標(biāo)的“最優(yōu)值”構(gòu)成參考數(shù)列x*={x1*,x2*,…,xm*},xj*=maxxi(i=1,2,…,m)和比較數(shù)列xk(k=1,2,…,n)。

(3) 對原始指標(biāo)值作規(guī)范化處理，將各指標(biāo)值初值化為0～1之間的數(shù)，以消除不同量綱對指標(biāo)值的影響(式1)。記參考數(shù)列和比較數(shù)列構(gòu)造的矩陣G，規(guī)范化后的矩陣Y。

(4) 確定分辨系數(shù)0<ρ<1，計算各比較數(shù)列與參考數(shù)列中各點(diǎn)與點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)rki(式6)再以全部關(guān)聯(lián)系數(shù)構(gòu)成關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣R(式7)：

(6)

(7)

(5) 利用熵值法計算出權(quán)重w。

(6) 由關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣R和權(quán)值向量w求評價結(jié)果Z(式8)，再根據(jù)Z每一個分量值的大小對各評價單元地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性做出排序和等級劃分。

Z=Rw

(8)

2 評價方法、結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)概況

2.1.1 自然地理

樂山市位于四川中南部、四川盆地西南部、成都平原至川西南山地過渡帶。北連眉山市，東鄰自貢市，南接宜賓市和涼山彝族自治州，西界雅安市。介于東經(jīng)102°55′～104°00′、北緯28°25′～29°55′之間。南北長165 km，東西寬90～120 km，幅員面積12 723 km2。市境地勢呈西南高、東北低的傾斜狀，地貌以山地為主，丘陵次之，平原較少，分別占全市幅員面積的67%、21%、12%。海拔高程306～4 288 m。氣候?qū)偎疅峤M合優(yōu)越的中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，為我國內(nèi)地四川盆地西部特殊的“海洋性氣候島”的一部分。地層從前震旦系峨邊群到第四系全新統(tǒng)都有賦存。

2.1.2 地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀

受自然和人類工程活動的綜合作用，樂山市境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害種類發(fā)育較齊全、數(shù)量多，但分布不均，且具突發(fā)性及不可預(yù)見性。地質(zhì)災(zāi)害種類以滑坡、崩塌(危巖)為主，其次為潛在不穩(wěn)定斜坡、泥石流、地面塌陷(地面裂縫)。其中滑坡約占50%，崩塌約占30%，潛在不穩(wěn)定斜坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害約占20%。

2.2 評價單元

樂山市全境根據(jù)其地貌成因形態(tài)可分為三大類八亞類，即侵蝕構(gòu)造地形(高山、中山、低山)、構(gòu)造剝蝕地形(包括深切割丘陵、中切割丘陵、淺切割丘陵、)、侵蝕堆積地形(包括沖積扇平原、河流及階地等)。各類地貌亞類及單元(34個)分布面積見表2。

(1) 高山區(qū)(編號1-1、1-2)

主要分布于樂山市西側(cè)邊緣及西南角，分為2塊，面積444.19 km2。該地域地勢起伏大，多為山脊、山峰地帶，地理上為樂山市與雅安市、涼山州的分界地帶。山坡陡峭，一般大于50°，海拔在3 500～4 288 m之間，相對高差大于1 000 m。 行政隸屬金口河區(qū)、峨邊縣、馬邊縣。

(2) 中山區(qū)(編號2-1、2-2、2-3)

主要分布于樂山市西南部的大渡河南北兩側(cè)的峨眉山市、金口河區(qū)、沙灣區(qū)西部、峨邊縣、馬邊縣及沐川縣西南邊緣地帶，分為3塊，分布面積大，共計5 587.23 km2。該地域地勢起伏很大，河谷切割深，峽谷多為“V”形谷，谷坡陡峭，坡度40°～80°，海拔在1 000～3 500 m之間，相對高差大，1 000～2 500 m。

(3) 低山區(qū)(編號3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6)

主要分布于樂山市北部、東南部，可分為6塊，分布面積2 535.8 km2。該地域低山突起，地勢起伏較大，切割較深，可見“V”形谷或不對稱的“U”形谷，谷坡較陡，一般30°～45°，多為深溝窄谷低山地貌。海拔一般在520～950 m之間，相對高差大于200 m。

(4) 深切割丘陵(編號4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、4-7、4-8、4-9)

深切割丘陵區(qū)分布于研究區(qū)東北部及東部地區(qū)，且分為9塊，分布面積1 222.21 km2。海拔340～560 m，平均海拔415 m，相對高差100～160 m，谷寬小于100 m，丘陵多呈單斜狀，分水嶺單薄，橫向溝谷發(fā)育，呈“U”形或“V”形，以深丘窄谷地貌為主。

(5) 中切割丘陵(編號5-1、5-2、5-3、5-4、5-5)

分布在研究區(qū)東北部，分割為5塊，面積1 228.93 km2。多為圓頂丘，“U”型谷，谷底較開闊，丘坡較陡。高程400～500 m，切割深度50～60 m。

(6) 淺切割丘陵(編號6-1、6-2、6-3、6-4、6-5)

分布在研究區(qū)東北部，分割為5塊，面積648.01 km2。以臺狀和趾狀淺丘為主，具有圓丘、塔狀丘、脊?fàn)钋鸬榷喾N形態(tài)，丘頂圓緩常呈條帶形或串珠狀，溝谷開闊、平緩或者以殘丘零星點(diǎn)綴，形若平原。海拔在350～442 m之間，平均海拔383 m，相對高差30～50 m，谷寬大于100 m，以緩丘谷帶小壩地貌相結(jié)合。

(7) 沖積平原(壩)區(qū)(編號7-1、7-2、7-3)

主要分布在研究區(qū)東部的青衣江兩側(cè)，涉及峨眉山市和夾江縣，另外在馬邊縣縣城一帶見一平壩。3塊平原(壩)面積494.98 km2。

(8) 河流、階地、河漫(心)灘區(qū)(編號8-1)

主要為岷江、大渡河、青衣江及沿岸，面積為561.66 km2。大部由河水占據(jù)，河漫灘及心灘由現(xiàn)代沖洪積物(砂、卵石、礫石)構(gòu)成。

樂山市全域可根據(jù)地貌成因形態(tài)分為三大類八亞類，即侵蝕構(gòu)造地形(高山、中山、低山)、構(gòu)造剝蝕地形(包括深切割丘陵、中切割丘陵、淺切割丘陵)、侵蝕堆積地形(包括沖積扇平原、河流及階地等)。各類地貌亞類及單元(34個)分布面積見表2。

表2 樂山市地貌類型及地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點(diǎn)分布表

2.3 指標(biāo)值的提取與權(quán)值的確定

根據(jù)構(gòu)建的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價指標(biāo)體系，分別提取其指標(biāo)值，對其中的定性指標(biāo)按表1的規(guī)則進(jìn)行定量化處理。因評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的量綱、數(shù)量級是不同的，在進(jìn)行綜合評價之前采用公式(1)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，處理后的部分指標(biāo)項(xiàng)如表3所示。

表3 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價指標(biāo)數(shù)據(jù)

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價的指標(biāo)體系中各指標(biāo)重要性是不同的，合理確定權(quán)重是提高評價結(jié)果可靠性的關(guān)鍵點(diǎn)之一。利用熵值法計算出了各指標(biāo)的權(quán)重w=( 0.103 1,0.104 5,0.105 4,0.103 6,0.104 6,0.105 7,0.105 8,0.105 8,0.056 9,0.104 6)。

2.4 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

在對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計算出地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價的指標(biāo)體系中各指標(biāo)權(quán)值后，利用構(gòu)建的灰關(guān)聯(lián)分析方法對樂山市所劃分出單元進(jìn)行評價。首先確定參考數(shù)列，因構(gòu)建的指標(biāo)皆為負(fù)向指標(biāo)，故取表3中各列最小值作為最優(yōu)值,x*={25,25,45,25,25,45,65,65,0,25}。利用公式(6)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)并進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)評價(式8)，評價的結(jié)果及其各評價單元地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性排序如表4所示。從表4的評價結(jié)果看，灰關(guān)聯(lián)度在0.616 5～0.935 5之間，可劃分為高(III級：≤0.75)、中(II級：0.75

根據(jù)表4及圖1，高風(fēng)險性(Ⅲ級)區(qū)主要涉及中山區(qū)(2-1、2-2、2-3單元)、低山區(qū)(3-2、3-3單元)、深切丘陵區(qū)(4-1單元)、淺切丘陵區(qū)(6-1單元)等7個地貌單元；低風(fēng)險性(Ⅰ級)區(qū)涉及河谷區(qū)(7-1、7-2、7-3、8-1單元)等4個地貌單元；其余23個地貌單元均為中風(fēng)險性(Ⅱ級)。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價結(jié)果及分級圖

地貌編號評價結(jié)果排序地貌編號評價結(jié)果排序1-10.790684-70.86 11-20.790 674-80.757 922-10.729 7124-90.842 6272-20.710 845-10.799 5212-30.737 335-20.775233-10.774 455-30.803 3113-20.667 8265-40.834 4103-30.616 5165-50.842 8303-40.762 4136-10.743 2243-50.822 6196-20.792 3203-60.816 696-30.788 8144-10.679 4296-40.772 9254-20.756 766-50.825 3184-30.842 8157-10.869 2324-40.775227-20.865314-50.754 4177-30.909334-60.775 5288-10.935 534

3 結(jié)論與討論

(1) 針對地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價單元劃分問題，在對評價區(qū)地貌成因形態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，劃分出侵蝕構(gòu)造地形、構(gòu)造剝蝕地形、侵蝕堆積地形等三大類，高山、中山、低山、深切割丘陵、中切割丘陵、淺切割丘陵、沖積扇平原、河流及階地等八亞類共計34個單元。這種劃分方法既方便提取各評價指標(biāo)值，也利于有針對性的提出防治措施。

(2) 文中的評價指標(biāo)權(quán)值計算方法以及灰關(guān)聯(lián)分析法在樂山市資源環(huán)境承載力評價中進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并根據(jù)評價結(jié)果進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性的等級劃分。經(jīng)驗(yàn)證，使用該方法所得到的分區(qū)結(jié)果與實(shí)地調(diào)查結(jié)果吻合較好。

(3) 文中的地質(zhì)災(zāi)害主要是指崩塌、滑坡、泥石流等。事實(shí)上由于地質(zhì)災(zāi)害的多樣性以及影響因素的復(fù)雜性，使得要建立科學(xué)、實(shí)用的指標(biāo)體系還需要深入的研究；其次要加強(qiáng)方法的理論分析和適用性分析外，還應(yīng)加強(qiáng)多種方法評價結(jié)果不一致性問題的研究，以提高地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險性評價的可靠性。