基于ArcGIS的“三高”地區(qū)高速公路泥石流危險性評價

張 明，王章瓊，白俊龍，李元松，王亞軍，張 兵

(1.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073； 2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430052)

0 引言

隨著“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略的快速實施與推進，我國加大了對西部地區(qū)高速公路建設(shè)的投入?！叭摺钡貐^(qū)(高寒、高海拔、高烈度)高速公路成為構(gòu)建“絲綢之路”經(jīng)濟帶的交通要道[1]。該區(qū)域地勢陡峻、風(fēng)化剝蝕強烈、溝谷發(fā)育、氣候惡劣、新構(gòu)造活躍、冰雪覆蓋面積較廣，故地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。有調(diào)查顯示，泥石流是高速公路沿線最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一[2-4]，給高速公路運營帶來嚴(yán)重的威脅。因此，對“三高”地區(qū)高速公路泥石流進行危險性評價尤為重要。

在泥石流危險性評價過程中，確定評價指標(biāo)是重要環(huán)節(jié)。選取泥石流評價指標(biāo)時，通常從地質(zhì)條件、地形條件、氣象水文條件三個方面考慮[5-7]。我國幅員遼闊，地質(zhì)、地形地貌、氣候具有多樣性、復(fù)雜性的特點。因此，開展泥石流危險性評價時，評價指標(biāo)應(yīng)體現(xiàn)出差異性。在地形起伏較大、降水偏多、海拔較高區(qū)域(如云貴高原)，評價指標(biāo)主要為巖性、坡度、降雨量、流域面積、植被、土地利用類型、地震[8-16]；在雨水充沛、構(gòu)造活躍的多山區(qū)域(如川滇山地)，評價指標(biāo)主要為坡度、流域面積、流域相對高差、流域切割密度、降雨量、主溝長度、土地利用類型[17-23]；在雨量分布不均勻、相對高差大、山地較多區(qū)域(如秦巴山地)，評價指標(biāo)主要為松散物源儲量、流域面積、主溝比降、泥砂補給段長度、降雨量、流域面積[24-28]；在海拔高、干旱、冰川侵蝕強烈區(qū)域(如天山山脈)，評價指標(biāo)主要為流域面積、主溝長度、流域相對高差、流域切割密度、松散物質(zhì)儲量、年降雨量[29-34]；在海拔較高、降雨較少、高山峽谷區(qū)域(如太行山脈)，坡度、構(gòu)造條件、植被、降雨量、溝床縱坡、降雨強度、流域相對高差、堆積物平均厚度[35-39]。綜上，國內(nèi)學(xué)者選取的評價指標(biāo)較為全面。然而，“三高”地區(qū)兼具高烈度、降雨少、季節(jié)性冰雪覆蓋面積廣等特點，上述評價體系并不適用于該區(qū)域。

鑒于此，本文針對“三高”地區(qū)區(qū)域特點，構(gòu)建泥石流危險性評價體系，以烏尉高速公路K53+000～K78+000段為例進行泥石流危險性評價。

1 基于AHP法的泥石流危險性評價體系

本文采用AHP法確定影響因子權(quán)重，建立影響因子分級、賦值標(biāo)準(zhǔn)以及泥石流危險性分級標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建泥石流危險性評價體系。

1.1 影響因子權(quán)重

(1)AHP模型

本文以泥石流為目標(biāo)層，地質(zhì)條件、地形地貌、氣象水文、土地類型為準(zhǔn)則層，巖石風(fēng)化程度、到斷層距離、坡度、地表切割深度、坡向、季節(jié)性冰雪、水系分布、植被、人類工程活動為指標(biāo)層，建立“三高”地區(qū)泥石流的AHP模型(表1)。

表1 泥石流的AHP模型Table 1 AHP model of debris flow

(2)構(gòu)造判斷矩陣

本文以地質(zhì)條件、地形地貌、氣象水文、土地類型作為泥石流評價模型的第一層次指標(biāo)，以此構(gòu)建判斷矩陣A，以第一層次指標(biāo)所包含影響因子分別構(gòu)建判斷矩陣B1、B2、B3、B4(表2～表6)。

表2 第一層次指標(biāo)重要性判斷矩陣ATable 2 The importance judgment matrix of first level index A

表3 地質(zhì)條件類影響因子重要性判斷矩陣B1Table 3 The importance judgment matrix of Geological influence factors B1

表4 地形地貌類影響因子重要性判斷矩陣B2Table 4 The importance judgment matrix of topographic influence factors B2

表5 氣象水文類影響因子重要性判斷矩陣B3Table 5 The importance judgment matrix of meteorological and hydrological influence factors B3

表6 土地類型類影響因子重要性判斷矩陣B4Table 6 The importance judgment matrix of influence factors about land structure B4

(3)確定權(quán)重及一致性檢驗

計算各判斷矩陣對應(yīng)的最大特征根以及特征向量。其中λmax為判斷矩陣的最大特征根，W為λmax對應(yīng)的歸一化特征向量，其分量Wi為對應(yīng)評價指標(biāo)的相對權(quán)重值。引入CI值作為檢驗判斷矩陣是否滿足一致性。CI值的越小，其一致性越好，當(dāng)值為0時，其一致性最好；同時為了得到判斷矩陣的一致性程度，則需要引入RI(RI為平均隨機一致性指標(biāo))，計算出CR(CR為判斷矩陣隨機一致性比例)，當(dāng)CR<0.1時，則滿足一致性檢驗要求；否則則需重新取值計算，1階或2階矩陣，其λmax=n，CI、CR均為0，故具有較好的一致性，因此，不需要進行一致性檢驗。

(1)

(2)

本文利用MATLAB得到判斷矩陣歸一化處理后的特征向量，其特征向量元素對應(yīng)各指標(biāo)的相對權(quán)重值，并利用公式(1)、(2)進行一致性檢驗(表7)。

(4)確定組合權(quán)重

將各影響因子權(quán)重進行組合，利用公式(3)得到第二層次影響因子相對于目標(biāo)層的總權(quán)重(表8)。其計算公式為：

Wi=Wai×Wbi

(3)

式中：Wi——第二層次影響因子相對于目標(biāo)層的權(quán)重，即組合權(quán)重；

Wai——第一層次指標(biāo)相對于目標(biāo)層的權(quán)重，即判斷矩陣A歸一化后的特征向量元素；

Wbi——第二層次影響因子相對于第一層次指標(biāo)的權(quán)重，即判斷矩陣B1、B2、B3、B4歸一化后的特征向量元素。

表7 各判斷矩陣一致性檢驗結(jié)果Table 7 The consistency test results of judgment matrix

表8 泥石流影響因子組合權(quán)重Table 8 The combination weight of influencing factors about debris flow

1.2 影響因子分級及賦值標(biāo)準(zhǔn)

首先根據(jù)各影響因子的特點，將巖石風(fēng)化程度、坡向劃分為4個等級(表9)，將到斷層距離、坡度、地表切割深度劃分為5個等級(表9)，將季節(jié)性冰雪、水系分布、植被、人類工程活動劃分為2個等級(表10)。通過查閱文獻，判斷影響因子各等級對泥石流發(fā)育的影響大小，并相應(yīng)的對影響因子各等級賦值，影響越大，賦值越大，賦值區(qū)間為[0-1]。

表9 泥石流影響因子分級及賦值標(biāo)準(zhǔn)(1)Table 9 The classification and evaluation criteria of influencing factors about debris flow(1)

表10 泥石流影響因子分級及賦值標(biāo)準(zhǔn)(2)Table 10 The classification and evaluation criteria of influencing factors about debris flow(2)

1.3 泥石流危險性等級

根據(jù)公式(4)對各影響因子進行權(quán)重疊加，其結(jié)果用綜合值Kv表示。

(4)

式中：ai——影響因子相對權(quán)重值；

xi——影響因子等級賦值。

根據(jù)研究區(qū)各區(qū)域的綜合值Kv，將泥石流危險性劃分為4個等級，依次為高危險區(qū)、危險區(qū)、中等危險區(qū)、低危險區(qū)，不同危險等級對應(yīng)的綜合值取值范圍不同(表11)。

表11 泥石流危險性分級標(biāo)準(zhǔn)Table 11 The hazard classification criteria of debris flow

2 基于ArcGIS的泥石流危險性評價

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于天山山脈北部及中部，研究路線起點位于后峽西南方向，約2 km處，終點位于天山勝利隧道進口處，里程樁號為K53+000～K78+000，共25 km。線路整體呈北東到南西向，沿烏魯木齊河分布。

該區(qū)域?qū)儆诘湫偷摹叭摺钡貐^(qū)，即高寒、高海拔、高烈度地區(qū)，主要為中山峽谷地貌，呈“V”形，地勢起伏大、溝谷發(fā)育，巖體主要為灰黑色、灰綠色、灰色硅質(zhì)巖和青灰色、灰色、灰白色灰?guī)r，坡體凹處有少量第四系覆蓋物，主要為崩坡積和少量殘積土。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶愿珊禋夂?，具有溫差大、寒暑變化劇烈、降水量少且分布不均、蒸發(fā)強烈、干燥多風(fēng)等特點，同時區(qū)內(nèi)季節(jié)性冰雪覆蓋面積較大。上述不良地質(zhì)條件為泥石流的發(fā)生埋下巨大隱患。

2.2 影響因子圖層

基于上述評價體系中的影響因子分級、賦值標(biāo)準(zhǔn)，利用ArcGIS建立各影響因子圖層，圖中不同顏色對應(yīng)不同賦值，賦值越大，表明影響因子該區(qū)間對泥石流發(fā)育的貢獻程度越大(圖1～圖9)。

圖1 巖石風(fēng)化程度Fig.1 Rock weathering degree

圖2 坡向Fig.2 Aspect

圖3 到斷層距離Fig.3 Distance to fault

圖7 水系分布Fig.7 River system

圖8 植被Fig.8 Vegetation

圖9 人類工程活動Fig.9 Human engineering activities

2.3 研究區(qū)泥石流危險性評價

在建立影響因子圖層的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的空間疊加功能，將各圖層進行疊加，得到研究區(qū)危險性區(qū)劃圖(圖10)。圖10中以不同色相對泥石流危險性等級進行表示，顏色最深的區(qū)域為泥石流高危險區(qū)，主要分布于研究區(qū)南部及中部偏北區(qū)域；危險區(qū)分布面積較廣，主要分布于高危險區(qū)；中等危險區(qū)主要沿深切溝壑分布；低危險區(qū)面積相對較少，主要分布于研究區(qū)北部的傾斜平原和西南部分。黃色的線表示在建的烏尉高速公路K53+000～K78+000段。由圖10可見，該高速公路路線避開了高危險性區(qū)，由此驗證了該公路選線的合理性及本文研究結(jié)果的科學(xué)性。對研究區(qū)危險性大小不同的區(qū)域面積進行了統(tǒng)計，并繪制了泥石流各危險區(qū)面積占比的餅狀圖(圖11)，其中高危險區(qū)、危險區(qū)、中等危險區(qū)、低危險區(qū)分別占研究區(qū)總面積的20%、35%、30%、15%。

圖10 研究區(qū)泥石流危險性區(qū)劃圖Fig.10 Debris flow risk zoning map in the study area

圖11 泥石流各危險區(qū)面積占比Fig.11 The proportion of debris flow area in each dangerous area

3 結(jié)論

(1)采用AHP法得到泥石流影響因子權(quán)重，根據(jù)權(quán)重大小得到影響因子的重要性：季節(jié)性冰雪>坡度>到斷層距離>水系分布>植被>地表切割深度>巖石風(fēng)化程度>坡向>人類工程活動。

(2)研究區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆谖ｋU區(qū)和中等危險區(qū)，其中高危險區(qū)主要沿幾條深切溝谷分布。同時統(tǒng)計了危險性等級不同的區(qū)域面積，得出高危險區(qū)、危險區(qū)、中等危險區(qū)、低危險區(qū)的面積分別占20%、35%、30%、15%。