基于AHP的寧都縣泥石流災(zāi)害評價(jià)

計(jì)江淮

(上饒市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，江西 上饒 334000)

泥石流是一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，其特點(diǎn)是爆發(fā)快、預(yù)測難、危改高。我國山區(qū)幅員遼闊，泥石流災(zāi)害爆炸頻發(fā)，經(jīng)常發(fā)生爆炸的泥石流不僅制約山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且威脅到人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，對地區(qū)的生態(tài)平衡產(chǎn)生巨大的影響。因此，對泥石流災(zāi)害區(qū)進(jìn)行泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，是預(yù)防泥石流產(chǎn)生，降低泥石流帶來損失的最佳方式。目前，國內(nèi)外對泥石流風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的研究已經(jīng)處于較為成熟的階段[1]。

1 研究區(qū)概況

寧都縣是江西省南部的一個(gè)地級縣，地理位置圖見圖1。東邊接壤臨廣縣、石城縣，南邊魚瑞金市、玉都縣相鄰，西由南至北總跨度為117.2km，形態(tài)較為狹窄，東至西部僅寬61km。整個(gè)縣城有河流594條，河網(wǎng)總長度2327km。寧都縣是地質(zhì)災(zāi)害較易產(chǎn)生的地區(qū)，歷史上多次受到地質(zhì)災(zāi)害的影響。在2002年6月，縣城突發(fā)大規(guī)模降雨。各個(gè)水文站監(jiān)測降雨量達(dá)到398.2mm。致使大量農(nóng)田受到災(zāi)害，累計(jì)1.87萬hm2。房屋被沖垮826間，中小型的水利工程設(shè)施被嚴(yán)重?fù)p害，直接經(jīng)濟(jì)損失接近一億元人民幣[2]。

圖1 寧都縣地理位置圖

2 數(shù)據(jù)來源及評價(jià)方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究取得研究區(qū)內(nèi)斷層距離數(shù)據(jù)、地質(zhì)巖石分布數(shù)據(jù)、高程DEM數(shù)據(jù)、坡度數(shù)據(jù)、人口密度、植被NDVI數(shù)據(jù)、土地利用類型、降水?dāng)?shù)據(jù)和歷史土壤分布等，以獲得相關(guān)的地形特征、地質(zhì)構(gòu)造、水文氣候和人為活動的各因素?cái)?shù)據(jù)。其中，利用寧都縣地區(qū)氣象局的觀測資料，通過計(jì)算年平均降水量分布資料，得到降水資料。從地貌圖中提取坡度和高程數(shù)據(jù)。從地質(zhì)構(gòu)造圖中獲得地貌和斷裂帶范圍數(shù)據(jù)。植被覆蓋NDVI值和土地利用類型來自于對研究區(qū)的遙感解譯。

2.2 研究方法

在泥石流風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)體系中，各變量的權(quán)重大小不同，其對最終綜合評價(jià)結(jié)果的影響程度就會不同。文章采用層次分析法(AHP)確定各類規(guī)定的因素，在指標(biāo)體系中的權(quán)重大小。層次分析法AHP方法在1970年代提出了定量和定性相結(jié)合的系統(tǒng)級決策分析方法，它強(qiáng)調(diào)了角色的思維來判斷決策的過程中，通過某些模型決策思維過程標(biāo)準(zhǔn)化[3]。適合兩個(gè)定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，根據(jù)從屬關(guān)系的因素分為上部和下部幾個(gè)層次的決策問題。具體步驟如下:

1)構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)體系，泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)的主要四個(gè)中間要素為地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、人文氣候和人類活動，其下具體劃分為斷裂帶、地層巖性、坡度、高程、降雨量、植被覆蓋、土地利用和人口密度這八個(gè)評價(jià)因子。具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 評價(jià)體系

2)構(gòu)造判斷分析矩陣；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型決定了各個(gè)指標(biāo)上下層之間的從屬關(guān)系。相同層級之間的元素，以相鄰的上一層級元素為準(zhǔn)，成對進(jìn)行比較[4]。

(1)

3)計(jì)算判斷矩陣的最大特征值與特征向量[5]。層次分析法的一個(gè)關(guān)鍵問題是確定判斷矩陣的最大特征值和相應(yīng)的特征向量。文章采用規(guī)范列平均法計(jì)算:

計(jì)算各列bij的歸一化:

(2)

求規(guī)范列的平均：

(3)

向量Wi是所求的特征向量。計(jì)算判斷矩陣B的最大特征值：

(4)

式中：(BW)i為向量BW中的第i個(gè)元素。結(jié)果如下：

4)一致性檢查。通過使用和乘積法，獲得每一個(gè)判斷矩陣的最大特征根入max和其對應(yīng)的特征向量W，正?；淖畲筇卣鞲鶎?yīng)的特征向量hmax,每個(gè)元素的相對重要性權(quán)重下一級相對于以前的水平可以獲得相應(yīng)的元素。然后，根據(jù)一致性比率CR，對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[6]。CR的計(jì)算公式如下:

(5)

(6)

5)分層排序和一致性檢查；相對重要性權(quán)重因素在同一水平相對于高層確定標(biāo)準(zhǔn)，所有因素的相對重要性權(quán)重在每個(gè)水平相對于最高水平可以在此基礎(chǔ)上，計(jì)算被稱為層次結(jié)構(gòu)的權(quán)重。

3 泥石流風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

3.1 權(quán)重結(jié)果

根據(jù)上述AHP的計(jì)算方法，建立兩個(gè)層次的判斷矩陣，并且求出其權(quán)重值，所得結(jié)果見表1。

表1 中間要素層權(quán)重計(jì)算

一致性比例CR: 0.0077；對"泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)"的權(quán)重：1.0000；λmax: 4.0206

由表1可知，在要素分類層面，一致性比例CR值為0.0077<1，說明評價(jià)效果較好。地形地貌對泥石流災(zāi)害的影響程度最高，權(quán)重為0.4786，排序?yàn)?。其次為人文氣候，權(quán)重為0.2166，排序?yàn)?。地質(zhì)構(gòu)造對泥石流災(zāi)害的影響最低，是一個(gè)長期積累的過程，評價(jià)權(quán)重為0.1083，排序?yàn)?。

一致性比例:0.0004;對"泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)"的權(quán)重：0.1083；λmax: 2.00

在地質(zhì)構(gòu)造的影響中，地層巖性權(quán)重占比較高，權(quán)重為0.75，一致性比例CR值為0.0004<1，評價(jià)效果較高。地層巖性對泥石流災(zāi)害的形成起到至關(guān)重要的作用。見表2。

表2 地質(zhì)構(gòu)造權(quán)重計(jì)算

一致性比例: 0.0007；對"泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)"的權(quán)重：0.4786；λmax: 2.0000

坡度主要控制坡面對泥石流形成時(shí)的物源匯集速度，在較為理想的坡度上，遇見強(qiáng)降雨，會快速匯集泥石流爆發(fā)所需要的固體松散物質(zhì)。坡度的權(quán)重排序遠(yuǎn)大于高程，為0.75，高程的權(quán)重排序?yàn)?.25。一致性比例CR值為0.0007<1，評價(jià)效果較好。見表3。

表3 地形地貌

一致性比例: 0.0019；對"泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)"的權(quán)重：0.2166；λmax: 2.0000

人文氣候的影響評價(jià)中，一致性比例CR值為0.0019<1，評價(jià)效果較好。植被覆蓋的權(quán)重值為0.6667，占比較高，說明植被覆蓋對泥石流災(zāi)害的產(chǎn)生影響較高。降雨條件是泥石流災(zāi)害區(qū)系統(tǒng)外部輸入的能量。它是泥石流啟動的必要條件。區(qū)域內(nèi)部良好的植被覆蓋能夠起到有效的降雨截留，保護(hù)下墊面產(chǎn)生土壤侵蝕，大量減少水流裹挾的固體松散物質(zhì)。見表4。

表4 人文氣候

一致性比例: 0.0000；對"泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)"的權(quán)重：0.1966；λmax: 2.0000

寧都縣人為活動對區(qū)域泥石流災(zāi)害的影響是較大的，人類活動通常會改變泥石流災(zāi)害區(qū)的自然條件，會促進(jìn)或抑制泥石流的產(chǎn)生。在評價(jià)中，一致性比例CR值為0<1，評價(jià)效果較高。土地利用的權(quán)重值為0.8，影響程度較高。見表5。

表5 人為活動

對寧都縣的所有評價(jià)結(jié)果進(jìn)行匯總分析可知，中間要素層中，地形地貌對泥石流災(zāi)害的產(chǎn)生起到最為重要的控制，占比較高。在分權(quán)重排序中，坡度>土地利用>植被覆蓋>高程>地層巖性>年降雨量>人口密度>斷裂帶。見圖2。

圖2 各評價(jià)因子權(quán)重總圖

在對個(gè)指標(biāo)進(jìn)行靈敏度分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，中間要素層方案進(jìn)行轉(zhuǎn)化的時(shí)候，排序結(jié)果發(fā)生變化，但效果變差。所以現(xiàn)有評價(jià)最為準(zhǔn)確。見圖3。

圖3 靈敏度分析

3.2 泥石流風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

根據(jù)上述研究分析得到的泥石流評價(jià)因子及各因子的權(quán)重系數(shù),通過加權(quán)計(jì)算，構(gòu)建出泥石流危險(xiǎn)性的評價(jià)模型，其計(jì)算公式為:

(7)

通過使用層次分析法計(jì)算出的各影響因子的指標(biāo)權(quán)重，通過上述加權(quán)運(yùn)算，得出每一個(gè)柵格的具體危險(xiǎn)程度評價(jià)值[7-8]。建立寧都縣泥石流的危險(xiǎn)性評價(jià)模型。對研究區(qū)內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化1-5處理，用1-5表示災(zāi)害產(chǎn)生的危險(xiǎn)程度。計(jì)算結(jié)果表明：研究區(qū)泥石流風(fēng)險(xiǎn)的最大值為4.93，最小值為0.13。計(jì)算結(jié)果的大小可以直接反映出泥石流災(zāi)害發(fā)生程度。計(jì)算結(jié)果越大，各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對泥石流產(chǎn)生的綜合影響程度越高，研究區(qū)內(nèi)產(chǎn)生泥石流的風(fēng)險(xiǎn)也越高。在當(dāng)前的研究中，尚沒有對泥石流風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的具體劃分方法，文章采用自然劃分法，對各個(gè)評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理，將該地區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)劃分為五個(gè)層次：極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(指標(biāo)4-5)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(指標(biāo)3-4)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(指標(biāo)2-3)、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(指標(biāo)1-2)、極低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(指標(biāo)0-1)。通過對危險(xiǎn)程度的劃分，采用ARCGIS10.4軟件對各個(gè)結(jié)果進(jìn)行疊加，最終得出寧都縣泥石流風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)圖。見圖4。

圖4 研究區(qū)泥石流危險(xiǎn)性分布

由此結(jié)果可以看出，極高危險(xiǎn)區(qū)出現(xiàn)在寧都縣東部及東北部，面積占比為23.4%。主要原因是該地區(qū)人口分布較低，植被覆蓋度較低，長期受到土壤侵蝕作用，為該區(qū)域提供大量的物質(zhì)來源。寧都縣中南部地區(qū)泥石流災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)較低，該區(qū)域主要為寧都縣縣城所在地，大量人類建筑及改造，降低了泥石流產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。寧都縣西部及西北部地區(qū)，泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為中級和中低級，該地區(qū)人煙稀少，山地縱橫交錯(cuò)，植被覆蓋茂盛。

4 結(jié) 論

文章利用AHP建立寧都縣泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)模型，使用ARCGIS軟件繪制出泥石流危險(xiǎn)性分布圖，對泥石流災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，得出影響該區(qū)域泥石流災(zāi)害產(chǎn)生的關(guān)鍵指標(biāo)因素。并對重要的影響因素進(jìn)行影響權(quán)重排序，得到坡度>土地利用>植被覆蓋>高程>地層巖性>年降雨量>人口密度>斷裂帶。寧都縣東部及東北部泥石流災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)最高，西部及西北部地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)最低。