基于GIS的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價
——以甘肅省會寧縣為例

董毅兵， 郁文， 張仲福

(甘肅工程地質(zhì)研究院，蘭州 730000)

0 引言

會寧縣地處甘肅省中部，屬隴西黃土高原的一部分，處于西海固地震帶的影響區(qū)，1920年海原大地震致使該區(qū)域山體十分破碎。水流長期切割作用使得區(qū)內(nèi)溝壑縱橫。境內(nèi)植被覆蓋較差，水土流失嚴重，地質(zhì)環(huán)境相對比較脆弱，人類工程活動相對強烈，地質(zhì)災(zāi)害是本區(qū)最突出的環(huán)境地質(zhì)問題。據(jù)統(tǒng)計，近100年來，會寧縣地質(zhì)災(zāi)害共造成398人死亡，共造成經(jīng)濟損失2 229.62萬元[1]。隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量和頻率顯著增高，因此，對會寧縣進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)很有必要。

目前，常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價方法主要包括層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、易發(fā)程度指數(shù)法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、信息量模型法、模糊綜合評判法和綜合危險性指數(shù)法等[2-8]。甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院在調(diào)查區(qū)做了較為系統(tǒng)的、富有成效的工作，研究了區(qū)內(nèi)自然條件和地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律，這些成果對于本次研究工作具有重要的參考價值[9-11]。但是，以往工作成果主要側(cè)重地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)因子研究，已經(jīng)不能滿足當(dāng)下會寧縣社會經(jīng)濟發(fā)展和新時期防災(zāi)減災(zāi)工作的需要。地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生和發(fā)展是環(huán)境和人類活動共同作用的動態(tài)過程，其對人類生活和城市發(fā)展具有深遠的影響。因此，應(yīng)綜合考慮環(huán)境和人類活動多方面的因素，準確合理地劃分出地質(zhì)災(zāi)害高、中、低易發(fā)區(qū)。本文綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育因子、基礎(chǔ)因子和誘發(fā)因子，利用GIS定量研究調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度，為制定會寧縣地質(zhì)災(zāi)害綜合防治措施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害概況

根據(jù)本次調(diào)查，會寧縣共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點102處。其中，泥石流7條，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的7%； 不穩(wěn)定斜坡38處，占總數(shù)的37%； 滑坡12處，占總數(shù)的12%； 崩塌16處，占總數(shù)的16%； 地裂縫29處，占總數(shù)的28%。以上地質(zhì)災(zāi)害類型在會寧縣28個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布(圖1)。

2 評價方法

李松等[12]利用層次分析法和GIS平臺對白龍江流域甘肅段開展了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，劃分為高、中、低、極低易發(fā)區(qū)； 金福喜等[13]基于GIS分別采用綜合危險指數(shù)法和層次分析法對資興市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度進行了分析評價，認為層次分析法結(jié)果更可靠； 高麗琰等[14]基于GIS和層次分析法開展了寧夏地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，認為高易發(fā)區(qū)主要分布于寧夏南部； 張公等[15]應(yīng)用GIS技術(shù)和層次分析法對修武縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行劃分，分區(qū)結(jié)果與野外調(diào)查結(jié)果較為一致； 于成龍[16]采用數(shù)學(xué)綜合評判的半定量方法，并應(yīng)用 GIS 技術(shù)對臨江市開展了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)評價，為臨江市地質(zhì)災(zāi)害的分區(qū)及分期防治、地質(zhì)環(huán)境資源的合理保護與開發(fā)利用提供了基礎(chǔ)依據(jù)。前人在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方面做了很多工作，驗證了GIS方法結(jié)合層次分析法的適用性和實用性，故本文采用GIS方法和層次分析法對位于隴西黃土高原的會寧縣進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價。具體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 研究思路流程

首先，進行影響因子的量化及歸一化處理，利用層次分析法確定各因子權(quán)重系數(shù)； 其次，構(gòu)建影響因子?xùn)鸥駡D層，利用GIS中的柵格工具對各統(tǒng)計單元進行影響因子加權(quán)疊加，構(gòu)建研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性柵格圖； 最后，綜合考慮各種影響因素，概化出會寧縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價圖。此方法充分利用野外詳細調(diào)查采集的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，綜合考慮與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的各類影響因子，兼顧準確性和實用性。

3 評價因子系統(tǒng)建立

3.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

分析問題所包含的各個因素之間的相互關(guān)系，通過屬性的不同將有關(guān)的各個因素自上而下地分解整理成若干層次，層次結(jié)構(gòu)整體分為3層，自上而下分別為目標層、準則層和措施層。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)主要是指容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的特定區(qū)域，考慮到這個原則，在確定評判因子時要參考具體工作區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的普遍性和代表性特點，最終所選取的評判因子需要能夠全面系統(tǒng)地反映區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特點和孕災(zāi)狀況。

本次會寧縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)以地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性為目標層，綜合考慮當(dāng)?shù)貙嶋H情況，選擇發(fā)育因子、基礎(chǔ)因子和誘發(fā)因子3方面為準則層，即二級評判因子，對二級評判因子進一步細分，考慮屬性和特點，選取了對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性影響較為顯著的14個因子構(gòu)成措施層，即三級評判因子，具體層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 評價因子結(jié)構(gòu)

3.2 評價指標的量化

3.2.1 發(fā)育因子(U1)

發(fā)育因子主要表達的內(nèi)容是工作區(qū)內(nèi)已有的地質(zhì)環(huán)境及人類活動交叉作用下地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)階段的發(fā)育程度，主要通過3方面體現(xiàn)，分別是地質(zhì)災(zāi)害的空間發(fā)生頻率、面積和體積模數(shù)分布比率。具體操作過程為應(yīng)用柵格數(shù)據(jù)處理方法對調(diào)查區(qū)進行網(wǎng)格化，按3 km×2.5 km的范圍劃分單元網(wǎng)格，將全區(qū)離散為36行、24列，共計864個單元網(wǎng)格，然后以單元格為單位計算各指標并進行歸一化變換。

3.2.1.1 地質(zhì)災(zāi)害頻率比(C1)

可以設(shè)第(i，j)單元內(nèi)災(zāi)害頻率為f(i，j)，該單元面積為S(i，j)，單元內(nèi)災(zāi)害的頻率密度為ρf(i，j)，整個研究區(qū)面積為S，災(zāi)害總數(shù)為f，總頻率密度為ρf，則第(i，j)單元格災(zāi)害頻率比為

Rf(i，j)=ρf(i，j)/ρf。

(1)

3.2.1.2 地質(zhì)災(zāi)害面積模數(shù)比(C2)

設(shè)第(i，j)單元內(nèi)災(zāi)害體分布面積為s(i，j)，單元面積為S(i，j)，單元內(nèi)災(zāi)害的面積模數(shù)為ρs(i，j)，整個研究區(qū)面積為S，災(zāi)害點總面積為s，總面積模數(shù)為ρs，則第(i，j)單元格災(zāi)害面積模數(shù)為

Rs(i，j)=ρs(i，j)/ρs。

(2)

3.2.1.3 地質(zhì)災(zāi)害體積模數(shù)比(C3)

設(shè)第(i，j)單元內(nèi)災(zāi)害點總體積為V(i，j)，單元面積為S(i，j)，單元內(nèi)災(zāi)害的體積模數(shù)為ρv(i，j)，整個研究區(qū)面積為S，災(zāi)害點總體積為V，總面積模數(shù)為ρv，則第(i，j)單元格災(zāi)害體積模數(shù)為

Rv(i，j)=ρv(i，j)/ρv。

(3)

3.2.2 基礎(chǔ)因子(U2)

基礎(chǔ)因子的作用主要是對工作區(qū)內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境背景進行評價，選取了坡度、坡形、溝壑密度、巖土體類型等8項對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育影響較大的因子并進行歸一化。

3.2.2.1 坡度(C4)

以工作區(qū)1∶5萬DEM數(shù)據(jù)提取坡度數(shù)據(jù)。根據(jù)前人研究和工作經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)工作區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌等災(zāi)害大量分布于20°～70°之間的斜坡(圖4)，而20°以下斜坡基本不發(fā)生滑坡、崩塌等災(zāi)害，考慮到這個分布特征，此次評價將70°以上斜坡的易發(fā)程度推定為1，20°以下易發(fā)程度推定為0，為了進一步的評價工作，將坡度數(shù)據(jù)進行0～1之間的線性歸一化。

圖4 會寧縣坡度

3.2.2.2 坡度變化率(C5)

坡度變化率是對地形基本因子中的坡度變化情況進行量化的指標。由于斜坡拉張應(yīng)力區(qū)的分布與斜坡坡度呈正相關(guān)關(guān)系，所以隨著斜坡坡度變化率增大，斜坡坡腳地帶形成的最大剪應(yīng)力也不斷增大，導(dǎo)致斜坡也就愈容易產(chǎn)生變形破壞。通過DEM對全區(qū)坡度變化率數(shù)據(jù)進行提取，再進行0～1之間歸一化處理。

3.2.2.3 坡形(C6)

坡形則主要通過地表的曲率進行描述和量化，其中直線形和凸型斜坡在曲率上的數(shù)值關(guān)系為曲率≥0，凹型坡和階梯型坡的曲率<0。因此，可通過ArcGIS平臺從DEM數(shù)據(jù)中提取分析調(diào)查區(qū)地表曲率信息，然后展開對斜坡坡形的歸一化。

3.2.2.4 切割深度(C7)

地形切割深度主要是指平均高程與最小高程之間的差值，它主要表征了地形的起伏程度和切割侵蝕強度，也同時從側(cè)面反映了溝谷的發(fā)育程度。相對于泥石流災(zāi)害而言，切割深度與溝床比降顯著相關(guān)，滑坡災(zāi)害同時也與坡高具直接聯(lián)系(圖5)。因此，綜合選取了切割深度指標對地形因素進行評價。

圖5 會寧縣高程

3.2.2.5 溝壑密度(C8)

溝壑密度主要表征了地形發(fā)育階段和地表抗蝕能力，其對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育有重要的影響作用。本次評價工作主要應(yīng)用ArcGIS平臺中的Hydrology工具集，基于工作區(qū)1∶5萬柵格DEM提取各流域單元的溝壑密度，然后將溝壑密度進行歸一化處理并轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)參與評價。

3.2.2.6 巖土體類型(C9)

根據(jù)評價區(qū)內(nèi)不同巖土體類型對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的影響程度分級進行賦值(表1)，之后開展柵格化和歸一化處理。

表1 會寧縣巖土體類型分級賦值一覽表

3.2.2.7 地質(zhì)構(gòu)造(C10)

地質(zhì)構(gòu)造對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育及分布也具有重要影響，考慮到區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動比較活躍，本次評價主要是以區(qū)內(nèi)第四紀以來發(fā)育的活動斷裂為基準線，向兩側(cè)以250 m間距各做三級緩沖區(qū)分析評價。

3.2.2.8 植被覆蓋率(C11)

利用會寧縣2013年2月ETM+遙感數(shù)據(jù)，選取近紅外波段4和可見光紅外波段3，進行計算求取植被覆蓋指數(shù)NDVI，然后將計算結(jié)果進行歸一化處理再參與評價。

3.2.3 誘發(fā)因子(U3)

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素主要分為3類，分別是降雨、地震及人類工程活動，然后進行歸一化。

3.2.3.1 降雨量(C12)

降雨是誘發(fā)因子中對地質(zhì)災(zāi)害影響最顯著的一個因素，尤其是短時間強降雨。本次評價共收集了會寧縣氣象局會師鎮(zhèn)、黨峴鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)、大溝鄉(xiāng)、漢岔鄉(xiāng)和劉寨鎮(zhèn)6個雨量監(jiān)測點的多年雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖6)。因此，根據(jù)全縣降水等值線及重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)降雨量數(shù)據(jù)參與易發(fā)性評價。

3.2.3.2 地震(C13)

工作評價區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動活躍，地震相對來說較為頻繁，而且區(qū)內(nèi)地震引發(fā)的崩塌、滑坡等災(zāi)害也有一定數(shù)量。因此，將地震活動也作為一項誘發(fā)評價因子進行考慮。本次評價主要通過會寧縣地震烈度Ⅶ、Ⅷ區(qū)劃成果進行賦值柵格計算。

圖6 會寧縣降雨等值線

3.2.3.3 人類工程活動(C14)

相比較降雨量和地震因子，人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境的影響特別復(fù)雜，對地質(zhì)環(huán)境改變強烈的主要為公路、鐵路等長距離工程的修建，因而本次評價將工作區(qū)內(nèi)的公路做為基準線，間隔250 m做緩沖區(qū)分析，分別向兩邊做3個緩沖區(qū)，進行柵格化和歸一化處理后參與評價。

3.3 構(gòu)造判斷矩陣

各因子權(quán)重的排序打分值采用通用的1～9標度方法(表2)，層次單排序的成果見表3—表6，經(jīng)檢驗表3—表6評價模型各層次均具有滿意的一致性。層次總排序的成果見表7。

表2 判斷矩陣標度

表3 準則層判斷矩陣

表4 發(fā)育因子判斷矩陣

表5 基礎(chǔ)因子判斷矩陣

表6 誘發(fā)因子判斷矩陣

表7 標度層次總排序結(jié)果判斷矩陣

4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度等級劃分

以上述評價指標分析和數(shù)據(jù)歸一化為參考，利用ArcGIS系統(tǒng)中的柵格運算功能，將通過層次分析法所確定的評價因子權(quán)重(表7)進行信息疊加計算，從而得到會寧縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性定量計算成果，區(qū)間為0.043 986～0.712 534，其值大小代表地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度，數(shù)值越大，易發(fā)程度越高。

經(jīng)進一步綜合分析研究，根據(jù)所得的易發(fā)性評價計算結(jié)果將會寧縣地質(zhì)災(zāi)害劃分為高易發(fā)、中易發(fā)和低易發(fā)區(qū)。根據(jù)自然間斷點分級法，取0.302 565和0.492 158這2個突變點作為臨界點，進行易發(fā)區(qū)域劃分(表8、圖7)。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)結(jié)果得到了評審專家的認可。

表8 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃評價分級

圖7 會寧縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)

Fig.7Geologicaldisastersusceptibilit nHuiningCounty

5 結(jié)論

(1)通過AHP和GIS平臺工具，以地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性為評價目標層，確定發(fā)育因子、基礎(chǔ)因子、誘發(fā)因子為要素層，選取主要影響和構(gòu)成要素層的14個基礎(chǔ)因子為指標層，建立了會寧縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分析評價模型，并進一步確定了各基礎(chǔ)指標層的因子對目標層的權(quán)重及排序。

(2)以會寧縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型為依據(jù)，對評價單元進行疊加、分析、計算、調(diào)試及修正，按易發(fā)程度將會寧縣地質(zhì)災(zāi)害區(qū)分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)，占比分別為12.93%、42.59%和44.48%。

(3)針對地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，要做好地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)控，對該區(qū)工程建設(shè)活動應(yīng)該進行規(guī)范管理。