基于TOPSIS模型的山區(qū)道路敏感性評(píng)價(jià)

趙鐵松，孫玉龍，王麗榮

(河北省氣象災(zāi)害防御中心，河北石家莊050021)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路交通運(yùn)輸業(yè)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，道路作為構(gòu)筑于自然環(huán)境中的工程結(jié)構(gòu)物，穿越不同的地形、地貌和地質(zhì)單元，改變了原有的自然地質(zhì)條件和山體原有的平衡狀態(tài)，在自然因素和人為因素的共同影響下，極易受到各種災(zāi)害的影響[1]。分布在山區(qū)的公路，因地理環(huán)境的復(fù)雜性更易受各種自然災(zāi)害影響，特別是暴雨極易誘發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害和水毀災(zāi)害，80%以上由泥石流、滑坡、山洪所造成[2]。因此，加強(qiáng)對(duì)山區(qū)道路脆弱性評(píng)價(jià)研究顯得尤為重要。

目前，很多學(xué)者在道路災(zāi)害種類、機(jī)理及防治對(duì)策方面做了大量研究。陳興等對(duì)我國(guó)山區(qū)道路遭受的地震、泥石流等自然災(zāi)害進(jìn)行分析[3]，李秀珍等對(duì)川藏線道路工程沿線滑坡崩塌災(zāi)害空間分布和潛在危害情況、危害方式進(jìn)行細(xì)致地歸納總結(jié)[4]，梁海波綜合分析了吉林省林區(qū)道路山洪災(zāi)害發(fā)生的主要原因，進(jìn)而提出防治措施[5]。這些研究成果為道路工程災(zāi)害預(yù)防和治理提供了科學(xué)參考。還有部分學(xué)者基于自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)形成理論，對(duì)道路的脆弱性或?yàn)?zāi)害易發(fā)程度進(jìn)行研究，姚裕春等分析了山區(qū)道路災(zāi)害形成及災(zāi)害系統(tǒng)構(gòu)成，提出了山區(qū)道路災(zāi)害的防治原理[6]，向靈芝等運(yùn)用災(zāi)害熵理論模型計(jì)算了汶川震后道路泥石流敏感性[7]，孫曉娟等利用遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)對(duì)延邊地區(qū)道路滑坡災(zāi)害易發(fā)程度進(jìn)行分析，為道路周邊滑坡災(zāi)害重點(diǎn)防范區(qū)的選定提供參考[8]。本文以河北省典型山區(qū)為例，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于TOPSIS模型評(píng)價(jià)山區(qū)道路敏感性。

1 研究區(qū)域及技術(shù)方法

1.1 研究區(qū)域概況

子牙河流域山區(qū)河北段處于太行山東側(cè)，地形復(fù)雜，地勢(shì)陡峭[9]，且為河北省暴雨中心[10]，容易形成山洪、地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)山區(qū)道路造成嚴(yán)重?fù)p壞，2016年7月19日～21日發(fā)生的“16·7”特大暴雨洪澇災(zāi)害中，道路損毀最嚴(yán)重位置即為這一區(qū)域。因此，本文選取子牙河流域山區(qū)河北段為典型區(qū)，開展山區(qū)道路敏感性評(píng)價(jià)研究。

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

道路和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)來源于河北省自然資源廳，高程數(shù)據(jù)來自于ASTER Global Digital Elevation Model第二版，歸一化植被指數(shù)利用美國(guó)地質(zhì)勘探局官網(wǎng)下載的2018年8月21日Landsat 8數(shù)據(jù)反演得到，土壤容重?cái)?shù)據(jù)由https://soilgrids.org/網(wǎng)站下載。

1.2.2 TOPSIS評(píng)價(jià)模型

TOPSIS評(píng)價(jià)模型是由Hwang和Yoon于1981年提出的基于系統(tǒng)工程中有限方案多目標(biāo)決策分析的一種常用方法，是通過計(jì)算目標(biāo)靠近或偏離正、負(fù)理想解的程度，能精確地反映各評(píng)價(jià)方案之間的差距[11]。因此本文采用TOPSIS模型來實(shí)現(xiàn)山區(qū)道路敏感性評(píng)價(jià)，主要步驟包括：形成決策矩陣，構(gòu)建加權(quán)決策矩陣，計(jì)算各方案與正理想解和負(fù)理想解間的距離，確定最優(yōu)方案四個(gè)步驟。

(1)形成決策矩陣

假設(shè)參與評(píng)估的多指標(biāo)決策問題的方案集為M=(M1,M2,…,Mm)，指標(biāo)集為D=(D1,D2,…,Dn)，方案Mi對(duì)指標(biāo)Dj的值記為xij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)，則形成的決策矩陣為：

(2)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣

將各指標(biāo)權(quán)重矩陣W與無量綱化矩陣V相乘，得到加權(quán)決策矩陣：

R=(rij)m×n∶rij=ωij·vij(i=1,2,…,m;j=i=1,2,…,n)

式中：ωij為各指標(biāo)的權(quán)重值，本文采用熵權(quán)法和變異系數(shù)法確定的綜合權(quán)重。

(3)計(jì)算各方案與正理想解和負(fù)理想解間的距離

本文采用歐式距離計(jì)算各方案與正理想解和負(fù)理想解間的距離：

式中：Sj+為正理想解，Sj-為負(fù)理想解。

(4)確定最優(yōu)方案

計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與理想值的貼近度，來確定最優(yōu)方案。

式中：ηi為各方案與正理想解的相對(duì)貼近度，ηi越大，表明山區(qū)道路敏感性越接近最高水平。

2 結(jié)果分析

2.1 指標(biāo)選取及計(jì)算

對(duì)于山區(qū)道路來講，孕災(zāi)環(huán)境敏感性需要主要考慮地形地貌、植被覆蓋、土壤類型、地質(zhì)環(huán)境等幾個(gè)方面，這些會(huì)影響降水落到地表之后的徑流的形成、坡面是否穩(wěn)定等，從而決定是否會(huì)發(fā)生山洪、泥石流、滑坡等造成道路阻塞、路基損壞等損害。

2.1.1 谷底平坦綜合指數(shù)

本研究引入谷底平坦綜合指數(shù)(mRVBF)，該指數(shù)能綜合一定區(qū)域坡度、高度的綜合特點(diǎn)描述其地形特征，該指數(shù)值越小，地形相對(duì)越不平坦，地形地貌敏感性越高。本文應(yīng)用SAGA-GIS軟件計(jì)算谷底平坦綜合指數(shù)，研究區(qū)西部地區(qū)谷底平坦綜合指數(shù)小，地形起伏明顯，道路的地形地貌敏感性高，東部地區(qū)谷底平坦綜合指數(shù)逐漸增大，道路的地形地貌敏感性降低。

2.1.2 歸一化植被指數(shù)

歸一化植被指數(shù)(NDVI)是最常用來表征地區(qū)植被覆蓋程度的指標(biāo)，本研究所用時(shí)次數(shù)據(jù)，云覆蓋小于5%，且處于植被覆蓋度較高時(shí)期，可以代表區(qū)域正常植被水平。研究區(qū)內(nèi)歸一化植被指數(shù)分布特征統(tǒng)計(jì)為：中等及以下植被覆蓋率(0

2.1.3 土壤緊實(shí)度指數(shù)

本文選取土壤容重來反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，為單位體積自然狀態(tài)下土壤(包括土壤空隙的體積)的干重。土壤容重越大，說明土壤空隙越少，降水下滲越微弱，道路周圍的土壤越穩(wěn)定，越不易發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。研究區(qū)土壤容重空間分布特征為西部土壤容重高，東部地區(qū)土壤容重低，說明西部地區(qū)土壤緊實(shí)度高，敏感性低。

2.1.4 地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)密度

距離地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)越近，道路越容易遭受滑坡、落石、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害影響。本研究針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的危害距離衰減理論，對(duì)距離地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)500 m～30 km分13段進(jìn)行緩沖區(qū)分析，離災(zāi)害點(diǎn)越遠(yuǎn)，該地區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率就越小，對(duì)道路可能帶來的影響越小。結(jié)果表明距離地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)2000 m以內(nèi)的道路長(zhǎng)度占比為39.38%，其中8.20%為500 m以內(nèi)的道路，在10 km以外的道路所占比例僅為6.68%，說明該地區(qū)修建的道路易遭受地質(zhì)災(zāi)害影響，敏感性高。

2.2 敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)上文中熵權(quán)法和變異系數(shù)法計(jì)算得到山區(qū)道路脆弱性各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，建立山區(qū)道路敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，熵權(quán)法計(jì)算四個(gè)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)分別為：0.179、0.464、0.215、0.142，變異系數(shù)法計(jì)算四個(gè)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)分別為：0.213、0.366、0.246、0.175，可以看出，兩種方法計(jì)算的各指標(biāo)權(quán)重總體趨勢(shì)相同，植被覆蓋指標(biāo)權(quán)重最大，地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)權(quán)重最小，本文采用二者平均的綜合權(quán)重作為山區(qū)道路敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，分別為：0.196、0.415、0.231、0.158。

2.3 敏感性評(píng)價(jià)

基于山區(qū)道路敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用TOPSIS評(píng)價(jià)模型計(jì)算研究區(qū)道路敏感性，利用等差法進(jìn)行等級(jí)劃分，繪制研究區(qū)道路敏感性空間分布圖，結(jié)果表明，研究區(qū)處于中等敏感性以上水平的道路占比為59.87%，高敏感性以上水平的道路占比為29.86%，各等級(jí)敏感性道路基本均勻分布于全區(qū)，相對(duì)地，平山縣境內(nèi)高等級(jí)敏感性道路占比高，低敏感性等級(jí)道路主要有井陘礦區(qū)、井陘、鹿泉和武安中部?jī)商幖袇^(qū)域。

3 結(jié)論

本文以子牙河流域山區(qū)河北段為研究區(qū)，選取了谷底平坦綜合指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、土壤容重和地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)密度4個(gè)能夠表征山區(qū)道路敏感性的指標(biāo)，采用熵權(quán)法、變異系數(shù)法計(jì)算各指標(biāo)的綜合權(quán)重系數(shù)，應(yīng)用TOPSIS評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)道路敏感性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：

(1)研究區(qū)谷底平坦指數(shù)呈現(xiàn)出西高東低趨勢(shì)，即西部地形敏感度高，東部地形敏感度低；歸一化植被指數(shù)總體偏低，說明研究區(qū)總體植被覆蓋相對(duì)較差；土壤容重西部高、東部低，西部地區(qū)土壤緊實(shí)度高，敏感性低；地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)密度大，研究區(qū)道路易遭受地質(zhì)災(zāi)害影響，敏感性高。

(2)采用熵權(quán)法和變異系數(shù)法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重總體趨勢(shì)相同，植被覆蓋指標(biāo)權(quán)重最大，地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)權(quán)重最小。

(3)研究區(qū)處于中等敏感性以上水平的道路占比為59.87%，高敏感性以上水平的道路占比為29.86%，說明研究區(qū)道路總體敏感性偏高，在出現(xiàn)強(qiáng)降水等致災(zāi)因子時(shí)，容易造成災(zāi)害損失。