基于斜坡單元與組合賦權(quán)法的東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

趙曉燕，談樹(shù)成，李永平

(1. 內(nèi)江師范學(xué)院 地理與資源科學(xué)學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000；2. 云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500)

地質(zhì)災(zāi)害是在自然因素、人文因素或者自然與人文因素共同作用下形成的對(duì)生態(tài)環(huán)境或人類生命財(cái)產(chǎn)造成破壞的地質(zhì)作用或現(xiàn)象. 滑坡、泥石流、崩塌地質(zhì)災(zāi)害具有破壞性、突發(fā)性和頻繁性的特征，其危險(xiǎn)性和影響程度僅次于地震，是對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響的自然災(zāi)害類別[1]. 開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究，可為地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù).

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中較為核心的兩個(gè)部分是評(píng)價(jià)尺度的選取和評(píng)價(jià)方法的確定，它們將決定評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性、準(zhǔn)確度和可行性. 目前，常用的評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐址椒ㄓ袞鸥駟卧猍2-4]、地域單元[5]、子流域單元[6]、均一條件單元[7]和斜坡單元等[8-9].其中，柵格單元因其劃分方法簡(jiǎn)單且易于計(jì)算備受學(xué)者們的喜愛(ài)，但是對(duì)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地形起伏較大的地區(qū)實(shí)用性不強(qiáng)且精度不高[10-11]；子流域單元適用于泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃，對(duì)滑坡、崩塌等不適用；均一條件單元沒(méi)有考慮不同區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境條件差異. 如何確定致災(zāi)因子的權(quán)重值，成為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題. 常見(jiàn)確定權(quán)重的方法有信息量法、層次分析法、熵權(quán)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、邏輯回歸模型等等，根據(jù)對(duì)原始數(shù)據(jù)處理方式的不同，大致可以分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類[12]. 主觀賦權(quán)法受人為因素影響較大，主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定權(quán)重值的大小，其評(píng)價(jià)結(jié)果具有較強(qiáng)的主觀隨意性；客觀賦權(quán)法以較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論作為決策依據(jù)，但易于過(guò)度依賴客觀數(shù)據(jù)，忽視了專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)權(quán)重確定的重要性，其評(píng)價(jià)結(jié)果往往不盡人意. 針對(duì)單一評(píng)價(jià)方法的缺點(diǎn)和不足，基于主客觀相結(jié)合的組合賦權(quán)法逐漸成為學(xué)者們的選擇. Long 等[13]、賈貴義等[14]、鄧越等[15]、周平華等[16]和談樹(shù)成等[17]采用層次分析法和信息量組合賦權(quán)法開(kāi)展了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，把定性和定量相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)其中的規(guī)律具有較強(qiáng)的數(shù)理理論依據(jù)，其評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際調(diào)查吻合度較高. 邢釗[18]、高立兵等[19]、葉瀟瀟等[20]和施龍青等[21]采用熵權(quán)法（信息熵）與層次分析法耦合賦權(quán)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，通過(guò)實(shí)地驗(yàn)證，其評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果相符合，實(shí)用性較高. Shi等[22]運(yùn)用信息熵計(jì)算砂巖厚度、沖洗液耗量、巖心采收率、斷層分形維數(shù)和褶皺分形維數(shù)5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，并用改進(jìn)的集對(duì)分析評(píng)價(jià)準(zhǔn)則確定地下水潛力等級(jí).Xu等[23]首先采用主成分分析方法進(jìn)行巖爆特征選擇，在計(jì)算出新的參數(shù)基礎(chǔ)上，采用信息熵確定巖爆預(yù)測(cè)因子的權(quán)重驗(yàn)證模型的正確性. 由此可見(jiàn)，信息熵確定權(quán)重的方法不僅運(yùn)用在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)領(lǐng)域，也可應(yīng)用在巖土工程和地下水探測(cè)領(lǐng)域.

本文在對(duì)東川區(qū)地質(zhì)地理環(huán)境調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，采用斜坡單元法進(jìn)行評(píng)價(jià)尺度的確定，運(yùn)用層次分析法和熵權(quán)法組合賦權(quán)開(kāi)展東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)結(jié)果與野外實(shí)地驗(yàn)證相吻合，可以為東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的防治與土地資源的規(guī)劃提供一定的借鑒和參考.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省東北部的小江流域，地處云貴高原北部邊緣地區(qū)，隸屬于云南省昆明市，地理范圍為102°47′～103°18′ E，25°57′～26°32′ N，總面積為1 858.79 km2. 區(qū)內(nèi)山高谷深、地勢(shì)險(xiǎn)峻，最高海拔4 344.1 m，最低海拔695 m，海拔相差3 649.1 m；受小江斷裂帶的影響，屬于強(qiáng)地震區(qū)，地表巖石破碎且穩(wěn)定性較差；屬亞熱帶季風(fēng)氣候，受地形和大氣環(huán)流的影響，垂直地帶明顯，年平均降水量約為1 000.5 mm，月最大降水量208.3 mm，日最大降水量153.3 mm，年蒸發(fā)量為1 856.4 mm. 其中雨季集中在5—9月，夏季多出現(xiàn)局地性單點(diǎn)暴雨，降水量充沛，侵蝕作用強(qiáng)烈，形成了深切的峽谷地貌. 研究區(qū)礦產(chǎn)資源種類多、分布廣且儲(chǔ)量豐富，尤其是銅礦和鐵礦，擁有兩千多年的銅礦開(kāi)采史，伐木煉銅、過(guò)度墾殖等人類活動(dòng)導(dǎo)致森林資源遭到毀滅性的破壞，植被覆蓋率低. 巖性涵蓋變質(zhì)巖、巖漿巖和沉積巖三大巖類，其中以第四系的洪積相分布最廣，主要分布在山間盆地和河谷區(qū). 由于區(qū)內(nèi)獨(dú)特的地質(zhì)地理環(huán)境以及人類活動(dòng)的長(zhǎng)期干預(yù)和破壞，致使東川區(qū)滑坡、泥石流和崩塌地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中尤以泥石流災(zāi)害最為嚴(yán)重.

2 斜坡單元?jiǎng)澐值脑砑皠澐纸Y(jié)果

地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)中較為重要的是研究“誰(shuí)”的安全性，即確定評(píng)價(jià)對(duì)象. 滑坡、泥石流和崩塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與地形、地質(zhì)、邊坡破壞力學(xué)機(jī)理與環(huán)境邊界有著密不可分的關(guān)系. 斜坡單元是基于溝谷面劃分的評(píng)價(jià)單元，對(duì)局部地區(qū)的地形地貌有良好的表現(xiàn)作用，同時(shí)對(duì)滑坡、泥石流、崩塌地質(zhì)災(zāi)害有較強(qiáng)的控制作用，故常作為地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)的基本單元[7].

斜坡單元是集水區(qū)的一部分，依據(jù)斜坡的自然特征，將山谷線與山脊線交匯所組成的坡面定為斜坡單元，運(yùn)用水文分析的方法確定山谷線（匯水線）和山脊線（分水線）. 本文運(yùn)用ArcGIS中的水文分析工具對(duì)東川區(qū)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行提取劃分出斜坡單元，在斜坡單元?jiǎng)澐謺r(shí)，需要遵循地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)盡量處于一個(gè)斜坡上（除泥石流災(zāi)害外）；劃分出的斜坡單元與實(shí)際的山體斜坡要吻合；斜坡單元的精度要滿足地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)需要的3個(gè)原則. 斜坡單元具體的劃分方法和流程如下：首先，進(jìn)行正反向洼地DEM填充，生成水流流向圖；其次，計(jì)算正反向水流的匯流累積量，設(shè)置一定的流量閾值，生成正反向河網(wǎng)圖和集水流域；最后，根據(jù)調(diào)查的地形實(shí)際情況對(duì)生成好的斜坡單元進(jìn)行人工檢視和修正，得到由匯水區(qū)和分水線組成的區(qū)域單元即為斜坡單元（圖1）.

圖1 東川區(qū)斜坡單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果Fig. 1 Division results of slope unit in Dongchuan District

3 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)及結(jié)果分析

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的選取通過(guò)對(duì)滑坡、泥石流和崩塌地質(zhì)災(zāi)害孕育環(huán)境和發(fā)生條件的分析，研究結(jié)合東川區(qū)野外實(shí)地調(diào)查的數(shù)據(jù)和資料，借鑒前人在東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究中指標(biāo)因子的選取以及影響東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生致災(zāi)因子的分析，本文選取坡度、高程、地層巖性、距斷層的距離、坡向、土地利用類型、距道路的距離、距河流水系的距離以及降水量9個(gè)因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo). 根據(jù)每個(gè)評(píng)價(jià)因子的特征以及對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)程度，參考眾多學(xué)者對(duì)指標(biāo)因子分級(jí)量化的方法，將研究區(qū)的9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了量化分級(jí)，其具體的分級(jí)情況如表1所示.

表1 東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)因子及分級(jí)Tab. 1 Classification of index factors for geological hazard evaluation in Dongchuan District

3.2 層次分析法的計(jì)算層次分析法是一種主觀賦權(quán)法，將與決策相關(guān)的元素分解為目標(biāo)層、要素層和因子層，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析. 根據(jù)各指標(biāo)因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要程度，運(yùn)用專家打分法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子不同分級(jí)的判別分值，構(gòu)造判斷矩陣，綜合確定各層次各因素之間的權(quán)重. 首先，將每個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值與對(duì)應(yīng)因子的判別分值求積，得到單個(gè)評(píng)價(jià)單元的權(quán)重值；其次，對(duì)所有評(píng)價(jià)單元權(quán)重值進(jìn)行疊加求和，得到該研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)值，具體的計(jì)算方法如下：

式中，Wj為層次分析法求得的各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值；θj為第j類評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Qj為第j類指標(biāo)的賦值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù).

本文運(yùn)用層次分析法構(gòu)建了影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的層次模型，構(gòu)建的判斷矩陣并進(jìn)行權(quán)重計(jì)算和一致性檢驗(yàn)，通過(guò)專家打分法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分級(jí)賦值，最后運(yùn)用公式（1）計(jì)算出每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重值，如表2所示.

3.3 熵權(quán)法的計(jì)算熵權(quán)法又稱信息熵，是一種客觀賦權(quán)法. 信息熵越大，信息的不確定性越大，其效用值越小，反之其效用值越大. 影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因素有很多，不同的影響因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)程度不同，運(yùn)用信息熵可以定量地衡量評(píng)價(jià)因子差異程度的大小，能夠反映各評(píng)價(jià)因子的效用價(jià)值，可用來(lái)計(jì)算評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值. 首先，構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣，矩陣由若干斜坡單元與每個(gè)斜坡單元的9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所構(gòu)成；其次，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，由于影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的評(píng)價(jià)指標(biāo)中，不同指標(biāo)分級(jí)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)大小不同，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較；最后，運(yùn)用公式（2）和公式（3）建立信息熵，運(yùn)用公式（4）計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，其權(quán)重值越大對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)率越大，越容易觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，反之越小. 本文運(yùn)用熵權(quán)法對(duì)東川區(qū)影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)展了評(píng)價(jià)，計(jì)算出各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)值. 見(jiàn)表2.

表2 層次分析法（AHP）、熵權(quán)法以及兩種方法耦合得到的權(quán)重值Tab. 2 The weight value obtained by analytic hierarchy process(AHP), entropy weight method and coupling the two methods

式中，Pi j表示評(píng)價(jià)指標(biāo)j在第i個(gè)樣本中出現(xiàn)的頻率，0＜Pi j＜1；rij表示第i個(gè)樣本的第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)量綱處理后的值；Vj表示j評(píng)價(jià)指標(biāo)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的綜合權(quán)重；Ej表示第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)，K為常量.

3.4 綜合權(quán)重值的計(jì)算通過(guò)將主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法得到的權(quán)重值進(jìn)行耦合，能夠避免單一評(píng)價(jià)方法的缺點(diǎn)和不足. 本文利用乘數(shù)歸一法（公式（5））將層次分析法和熵權(quán)法得到的權(quán)重值進(jìn)行耦合，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的綜合權(quán)重值（表2）.

式中，F(xiàn)總表示評(píng)價(jià)單元的綜合權(quán)重值，Wj表示層次分析法求得的各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值；Vj表示熵權(quán)法求得的各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值.

3.5 評(píng)價(jià)結(jié)果分析運(yùn)用ArcGIS中的自然斷點(diǎn)法對(duì)層次分析法與熵權(quán)法耦合得到的權(quán)重值進(jìn)行了重新分類，將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度分為極高危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)和低危險(xiǎn)區(qū)，得到東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖（圖2）. 綜合權(quán)重值越大，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性程度越高，發(fā)生滑坡、泥石流、崩塌地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大.

圖2 東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig. 2 The risk assessment result chart of geological hazard in Dongchuan District

基于以上研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)的科學(xué)性和適用性，本文將從區(qū)域綜合特性的體現(xiàn)、危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果與野外實(shí)際調(diào)查災(zāi)害點(diǎn)的吻合度進(jìn)行探討和分析.

（1）區(qū)域地理環(huán)境特征的體現(xiàn)情況. 東川區(qū)地理環(huán)境特征中地形地貌、巖性、河流水系等孕災(zāi)條件，可以反映在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)中. 因此，能否良好地從宏觀角度顧及到局部區(qū)域的地形特征是衡量地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)科學(xué)性的重要指標(biāo).本文將野外實(shí)際調(diào)查災(zāi)害點(diǎn)與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)以斜坡單元為尺度開(kāi)展的評(píng)價(jià)，能夠很好地表達(dá)局部地區(qū)的地形地貌特征，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的孕災(zāi)環(huán)境體現(xiàn)較為合理. 以圖3為例，從野外調(diào)查圖可以看出崩塌面清晰，巖石破碎且堆積在山谷，從區(qū)域綜合宏觀角度可以整體定為高危區(qū)域.

（2）東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)實(shí)際分布的吻合情況. 本文通過(guò)對(duì)東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)的面積和地質(zhì)災(zāi)害個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析災(zāi)害點(diǎn)在每個(gè)分區(qū)所占的比例進(jìn)一步衡量?jī)烧咧g的吻合度，如表3所示. 運(yùn)用層次分析法與熵權(quán)法耦合所得的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)中，高危險(xiǎn)區(qū)和極高危險(xiǎn)區(qū)的面積為907.344 km2，86.73%的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)落在了這2個(gè)區(qū)域. 可見(jiàn)，東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性分區(qū)與地質(zhì)災(zāi)害分布情況的吻合度較高，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性和科學(xué)性.

圖3 斜坡單元尺度下區(qū)域評(píng)價(jià)分析Fig. 3 Analysis of regional evaluation at the scale of slope unit

（3）東川區(qū)的高危險(xiǎn)區(qū)和極高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在中東部和北部，區(qū)域內(nèi)河流水系發(fā)達(dá)，地勢(shì)起伏較大，人類開(kāi)礦及修建道路活動(dòng)明顯，坡面植被稀少且?guī)r土體結(jié)構(gòu)松散，滑坡、泥石流、崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育且分布密集，危險(xiǎn)性較高.

表3 東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃統(tǒng)計(jì)Tab. 3 Statistics of geological hazard regionalization in Dongchuan District

4 結(jié)論

以東川區(qū)的崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害為研究對(duì)象，以斜坡單元為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)手段，采用層次分析法和熵權(quán)法相結(jié)合的組合賦權(quán)法開(kāi)展評(píng)價(jià)，從區(qū)域綜合特性的體現(xiàn)、危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果與野外實(shí)際調(diào)查災(zāi)害點(diǎn)的吻合情況進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論.

（1）以斜坡單元為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的基本單元，并將其作為研究尺度的評(píng)價(jià)單元，體現(xiàn)河流和溝谷發(fā)育階段對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的控制作用，能夠較好地反映區(qū)域中微觀的地貌特征，并綜合體現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境控制因素對(duì)災(zāi)害發(fā)育的影響作用，與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的危險(xiǎn)狀況相契合，使東川區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果更貼近于實(shí)際.

（2）將危險(xiǎn)性分區(qū)面積與災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)東川區(qū)評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)實(shí)際分布情況相吻合，分級(jí)層次明顯且危險(xiǎn)性等級(jí)分區(qū)的準(zhǔn)確性較高.

（3）東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要分布在中東部和北部地區(qū)，地質(zhì)環(huán)境脆弱，人類活動(dòng)明顯，危險(xiǎn)性較高.