基于加權(quán)證據(jù)權(quán)法的吳堡地質(zhì)災(zāi)害敏感性評價(jià)研究

王小浩，唐亞明，王佳運(yùn)，王 浩

（1.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054；2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；3.陜西路橋集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710075）

地質(zhì)災(zāi)害是指包括自然因素或者人為活動引發(fā)的危害人民生命和財(cái)產(chǎn)安全的山體崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、活動斷裂、地裂縫、地面沉降等與地質(zhì)作用有關(guān)的災(zāi)害[1]。地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析對地質(zhì)學(xué)者掌握地災(zāi)規(guī)律和地災(zāi)預(yù)測具有重要意義，自20 世紀(jì)60 年代以來，國內(nèi)外學(xué)者相繼研究提出了許多用于評價(jià)地質(zhì)災(zāi)害敏感性的數(shù)學(xué)模型。分析方法主要分為定量評價(jià)與定性評價(jià)，定量評價(jià)有基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的信息量法、確定性系數(shù)法、證據(jù)權(quán)重法、支持向量機(jī)法、模糊評判法、線性回歸分析法等；定性評價(jià)有基于非統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的專家打分法、層次分析法等[2～4]。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育概況

研究區(qū)位于晉陜黃土高原河曲- 韓城中部，幅員419 km2，中溫帶干旱氣候，晝夜溫差大、春季多風(fēng)沙、夏季多雨、冬季氣溫較低。黃河河道及支流溝壑出露砂泥巖互層為主，坡面出露亞黏土，破頂出露亞砂土，山西局部出露紅黏土。地質(zhì)災(zāi)害的分布情況受地形地勢影響明顯，主要地質(zhì)災(zāi)害為滑坡、崩塌，人工修筑沿黃公路對災(zāi)害發(fā)生影響較大，主要發(fā)育于沿黃公路及黃河支流溝道兩側(cè)（圖1），災(zāi)害點(diǎn)共158 個(gè)，總面積為3.69 km2，約占研究區(qū)總面積0.88%。

圖1 研究區(qū)地理位置及地質(zhì)災(zāi)害分布

沿黃公路災(zāi)害主要分為基巖危巖體與黃土斜坡體，危險(xiǎn)性較大，對沿黃公路過往車輛及人員安全造成威脅（圖2）。

圖2 研究區(qū)不同類型典型災(zāi)害照片

2 基于加權(quán)證據(jù)權(quán)法的地質(zhì)災(zāi)害敏感性評價(jià)

2.1 加權(quán)證據(jù)權(quán)法的基本理論

證據(jù)權(quán)法是一種基于貝葉斯準(zhǔn)則綜合各種證據(jù)層來預(yù)測事件發(fā)生概率的一種定量方法，近年來廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害敏感性評價(jià)，對于災(zāi)害預(yù)測，將已有災(zāi)害和各個(gè)證據(jù)因子圖層空間關(guān)聯(lián)分析，得到災(zāi)害點(diǎn)各個(gè)證據(jù)因子的分布情況，來求取各個(gè)證據(jù)層因子對災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)的大小。計(jì)算公式如下：

多個(gè)證據(jù)層時(shí)，假設(shè)各證據(jù)層間滿足條件獨(dú)立性假設(shè)，各個(gè)證據(jù)層疊加后發(fā)生災(zāi)害的條件概率為[10]：

層次分析法，簡稱AHP，首先構(gòu)建判斷矩陣，同層n 個(gè)因子相互運(yùn)用九分位比例標(biāo)度進(jìn)行重要性判斷，兩兩對比各因子相對重要程度；其次歸一化處理矩陣，通過計(jì)算矩陣特征值λ 與特征向量E，計(jì)算每個(gè)因子的權(quán)重Wi；最后對權(quán)重值進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算一致性檢驗(yàn)指標(biāo)，與判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 比較, 當(dāng)時(shí)，該判斷矩陣滿足一致性，計(jì)算權(quán)重值可靠。區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害敏感型指數(shù)

2.2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害敏感性分析

地理空間數(shù)據(jù)云下載DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)，分辨率為30 m×30 m，結(jié)合1∶50000 地質(zhì)圖，地形圖，野外調(diào)查158 個(gè)災(zāi)害點(diǎn)。研究區(qū)水土流失嚴(yán)重，沖蝕痕跡明顯，溝道發(fā)育，高差明顯，沿黃河人工修筑沿黃公路，砂泥巖互層出露，砂巖較堅(jiān)硬，泥巖風(fēng)化破碎嚴(yán)重，時(shí)有剝落，對兩側(cè)斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響較大，人工坡面開墾耕作活動，夏季集中強(qiáng)降雨等都易誘發(fā)災(zāi)害發(fā)生。綜上所述本文證據(jù)因子類型分為地形因子、自然因子、人為因子三類，地形因子有高程、坡度、坡向、粗糙度，自然因子包含河流、地質(zhì)，人為因子有道路、土地利用類型，對研究區(qū)敏感性分析，分別用式（1）、式（2）、式（3）計(jì)算，得到各因子各分級的證據(jù)權(quán)值見表1。

表1 因子量化分級與證據(jù)權(quán)計(jì)算結(jié)果

續(xù)表1

綜上證據(jù)權(quán)值對災(zāi)害敏感性進(jìn)行分類：Wfi＞2，最利于災(zāi)害發(fā)生，2＞W(wǎng)fi＞1，利于災(zāi)害發(fā)育，1＞W(wǎng)fi＞0.5，較利于災(zāi)害發(fā)育，Wfi＞0，對災(zāi)害發(fā)育有一定影響。研究區(qū)高程在598 m～732 m范圍內(nèi)利于災(zāi)害發(fā)育，高程較低區(qū)域人類工程活動劇烈，災(zāi)害易發(fā)；坡度在26°～58°范圍內(nèi)最利于災(zāi)害發(fā)育，坡度越大斜坡下滑力越大，災(zāi)害易發(fā)；坡向東北、西北向最利于災(zāi)害發(fā)育，北部季風(fēng)氣候影響，災(zāi)害易發(fā)；粗糙度1.198～1.919 范圍最利于災(zāi)害發(fā)育，粗糙度越大地表破碎程度越大，災(zāi)害易發(fā)；沿黃公路修筑切坡，砂泥巖互層出露，差異風(fēng)化，災(zāi)害易發(fā)，亞砂土自身穩(wěn)定性差，風(fēng)化嚴(yán)重，災(zāi)害易發(fā)；黃河河面寬度大于100 m，于100 m～200 m 范圍內(nèi)最利于災(zāi)害發(fā)育，河流侵蝕切坡，災(zāi)害易發(fā)；道路距離0 m～100 m利于災(zāi)害發(fā)育，人工切坡形成不穩(wěn)定斜坡，災(zāi)害易發(fā)；居民區(qū)最利于災(zāi)害發(fā)育，居民區(qū)人類工程活動劇烈，災(zāi)害易發(fā)。

將上述計(jì)算證據(jù)權(quán)值代替原始分級標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS 空間分析功能得到各因子評價(jià)分析結(jié)果，分別為高程、坡度、坡向、粗糙度、地層巖性、水系、道路、土地利用類型圖（圖3）。

圖3 各因子分析圖

3 敏感性評價(jià)

基于上述ArcGIS 對各因子評價(jià)分析結(jié)果，運(yùn)用層次分析法對各因子權(quán)重進(jìn)行計(jì)算（表2），ArcGIS 進(jìn)行疊加分析，得到研究區(qū)災(zāi)害敏感性分區(qū)圖（圖3i）。

利用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)災(zāi)害敏感性分為四類：高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)，基于災(zāi)害敏感性分區(qū)圖，統(tǒng)計(jì)每個(gè)易發(fā)區(qū)災(zāi)害點(diǎn)及柵格面積比見表3。

表2 各因子權(quán)重計(jì)算分析

基于上述災(zāi)害敏感性分區(qū)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行災(zāi)害敏感性評價(jià)，繪制ROC 曲線（圖4），ROC 曲線下面積為AUC，證據(jù)權(quán)法得到AUC 評價(jià)指標(biāo)值為0.821，評價(jià)結(jié)果具較高的精度和可靠性。

表3 柵格災(zāi)害敏感性統(tǒng)計(jì)表

圖4 研究區(qū)ROC 曲線

4 結(jié)論

本文基于野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，分析災(zāi)害發(fā)育規(guī)律，選取災(zāi)害影響因子，結(jié)合加權(quán)證據(jù)權(quán)法與ArcGIS 空間分析功能，對吳堡圖幅地質(zhì)災(zāi)害敏感性評價(jià)，得到以下結(jié)論：

1）證據(jù)權(quán)分析結(jié)果與野外調(diào)查情況基本一致，沿黃公路修筑、人類活動聚居、巖性、降雨、河流等都是災(zāi)害發(fā)育重要因素。

2）地災(zāi)敏感性評價(jià)過程，加權(quán)證據(jù)權(quán)法分層對各因子評價(jià)分析，一定程度避免因子賦權(quán)主觀性，并且考慮正負(fù)證據(jù)權(quán)值，結(jié)合ArcGIS 空間分析，結(jié)果較客觀；用ROC 曲線分析方法對結(jié)果精度進(jìn)行評價(jià)，具較高的精度和可靠性。

3）對研究區(qū)進(jìn)行災(zāi)害敏感性評價(jià)，對地質(zhì)學(xué)者掌握區(qū)內(nèi)地災(zāi)規(guī)律和地災(zāi)預(yù)測具有重要意義，對地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。