基于信息量法模型與GIS的滑坡地質(zhì)災害風險性評價

王磊，常鳴，邢月龍

(1.中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心江蘇總隊，南京 211135；2.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

我國是崩滑地質(zhì)災害危害較為嚴重的國家，滑坡地質(zhì)災害的發(fā)生具有時間上突發(fā)性和空間發(fā)育規(guī)律性的特點[1]。為有效地預防滑坡地質(zhì)災害，需要首先弄清楚哪些區(qū)域易發(fā)生地質(zhì)災害，這需要從區(qū)域上進行地質(zhì)災害危險性評價。對區(qū)域的社會屬性進行深入了解，進行研究區(qū)的易損性研究。在危險性評價、易損性評價基礎(chǔ)上完成地質(zhì)災害風險評價，反應研究區(qū)地質(zhì)災害總體風險水平[2]。

理縣滑坡地質(zhì)災害數(shù)量多、規(guī)模大、分布廣，地震、降雨是誘發(fā)地質(zhì)災害的主因，其次是人類工程活動。理縣共有滑坡地質(zhì)災害95處,在空間上有相對集中展布于雜谷腦河及其支流兩側(cè)分布，尤其在317國道沿線，滑坡地質(zhì)災害發(fā)育嚴重威脅人類生命財產(chǎn)、公路、河道安全。本文以理縣為研究對象，對理縣進行滑坡地質(zhì)災害風險評價，編制地質(zhì)災害風險區(qū)劃圖，對理縣滑坡災害防治和城市建設(shè)規(guī)劃等具有重要意義[3]。

1 評價思路與方法

1.1 評價思路

地質(zhì)災害風險性與危險性和易損性有關(guān)，風險性(risk)=危險性(hazard)×易損性(vulnerability)，對理縣進行滑坡地質(zhì)災害風險評價思路如下(見圖1)：①在收集資料、野外調(diào)查、建立數(shù)據(jù)庫、滑坡特征分析、確定危險性評價因子，進行滑坡地質(zhì)災害危險性評價；②對研究區(qū)社會經(jīng)濟情況進行分析，確定易損性評價因子，進行易損性評價研究；③根據(jù)危險性和易損性評價結(jié)果，進行滑坡地質(zhì)災害風險性評價。

圖1 滑坡地質(zhì)災害風險性評價指標體系

1.2 評價方法

(1) 地質(zhì)災害危險性評價方法

常用來進行地質(zhì)災害危險性評價的方法有信息量分析模型[4]、專家打分法[5]、粗糙集理論[6]、層次分析法[7]、Logistic回歸分析、模糊數(shù)學法[8]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[9]等方法。由于進行滑坡地質(zhì)災害風險評價影響因子較多，不同影響因子間相互聯(lián)系、相互制約，通過對各常用評價方法進行比較，本文采用基于層次分析法-信息量法模型進行理縣滑坡地質(zhì)災害風險評價。

信息量法主要通過對研究區(qū)滑坡發(fā)育特征與影響滑坡發(fā)育的各因子進行統(tǒng)計分析，得到各因子信息量值，信息量值反映了各因子對滑坡發(fā)育的影響程度。層次分析法能夠?qū)碗s的定性決策問題系統(tǒng)化、簡明化、層次化，計算的各因子的權(quán)重較合理。利用ArcGIS軟件的空間分析功能對各評價因子進行疊加分析，獲得各評價單元的危險性值，對危險性進行等級劃分，完成滑坡地質(zhì)災害危險性區(qū)劃。

(2) 易損性評價方法

易損性是滑坡發(fā)生時可能造成的破壞、損失程度?；略斐傻膿p失包括人員傷亡、財產(chǎn)損失和自然環(huán)境的破壞等。首先選擇能較好反映理縣滑坡地質(zhì)災害易損性的評價因子，并將各評價因子進行量化處理。然后利用ArcGIS軟件空間分析功能完成各評價因子進行疊加分析，獲得各評價單元的易損性值，對易損性值進行等級劃分，完成理縣滑坡地質(zhì)災害易損性區(qū)劃。

2 滑坡災害危險性評價

2.1 評價因子的選取

通過分析理縣滑坡地質(zhì)災害發(fā)育特征及形成機理，理縣滑坡地質(zhì)災害危險性評價指標分為基本因素和誘發(fā)因素兩個層次，基本因素選擇了坡度、坡向、巖性、構(gòu)造、水系等5個評價因子，誘發(fā)因素選擇了3個評價因子：降雨、地震、人類活動。

2.2 評價單元的選取

地質(zhì)災害危險性主要可分為規(guī)則柵格單元、自然地貌單元、行政單元等三類評價單元。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)狀及各評價單元的特點，本文選擇規(guī)則的柵格單元作為評價單元。

湯國安等通過DEM實驗回歸分析得到了經(jīng)驗公式[10]：

Gs=7.49+6×10-4×S-2.0×10-6+

2.9×10-15×S2

式中，Gs為建議評價刪格單元大?。籗為評價工作比例尺分母。

由于研究區(qū)采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)比例尺為1∶5萬，算得建議柵格單元大小50 m，將研究區(qū)劃分為1 727 344個柵格單元。

2.3 各參評因子權(quán)重的確定

(1) 建立層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建需將相關(guān)的因子可分為3個層次:A為目的層(決策目標)，B為中間層(準則層),C為方案層[11]。因此設(shè)A為地質(zhì)災害危險性評價，其影響因素設(shè)為Bi(i=1，2，…m),其具體影響因子設(shè)為Ci(i=1，2，…n)。

(2) 構(gòu)造判斷矩陣、確定權(quán)重

通過比較各評價因子的影響程度，采用1～9標度法構(gòu)造判斷矩陣，計算權(quán)重。

經(jīng)Matlab軟件計算最大特征值λmax=2，λmax特征向量為(0.894 4，0.447 2)，歸一化處理后權(quán)重W為(0.666 7，0.333 3)。見表1。

表1 A-B之間構(gòu)建的判斷矩陣及B層各因子權(quán)重值

經(jīng)Matlab軟件計算最大特征值λmax=5.038 7，λmax特征向量為(-0.293 8，-0.109 3，-0.171 4，-0.510 2 ，-0.782 3)，歸一化處理后權(quán)重W為(0.157 4，0.058 6，0.091 8，0.273 3，0.419 0)。見表2。

運用Matlab軟件計算最大特征值λmax=3.009 2，λmax特征向量為(0.466 0，0.846 8，0.256 5)，歸一化處理后權(quán)重W為(0.297 0，0.539 6，0.163 4)。見表3。

表3 B2-C之間構(gòu)建判斷矩陣及各因子權(quán)重

(3) 判斷矩陣一致性檢驗

式中，CI為判斷矩陣的一致性指標；λmax為判斷矩陣的最大特征值；n為判斷矩陣的階數(shù)；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標；CR為判斷矩陣的隨機一致性比率。

經(jīng)驗算，3個判斷矩陣一致性均滿足要求。

(4) 計算C層各因子的組合權(quán)重

利用計算的B層各因子的權(quán)重，分別乘以C層各因子的權(quán)重，得到方案層C層的各因子的組合權(quán)重(表4)。

表4 C層各因子組合權(quán)重值

2.4 信息量值確定

信息量法模型進行滑坡地質(zhì)災害危險性評價，需要建立信息量模型。

(1) 首先計算各單獨因子xi對滑坡(H)貢獻的信息量 ：

式中,N為滑坡總數(shù);S為柵格評價單元總數(shù);Ni為評價因子xi各級別內(nèi)滑坡數(shù);Si為含有評價因子xi的單元數(shù)。

(2) 計算評價單元在n種評價因子組合下滑坡危險性的總信息量：

式中,Ii為評價單元總信息量值;n為評價因子數(shù)。

2.5 滑坡災害危險性區(qū)劃

信息量法確定各因子內(nèi)部各級別的信息量值，但未考慮不同因子間的重要性，因此使用層次分析法計算不同因子的權(quán)重。進而對各因子的信息量值進行修正，得到所有評價單元的信息權(quán)值(見表5)。

表5 地質(zhì)災害危險性評價指標信息量表

層次分析法與信息量法結(jié)合計算信息權(quán)值公式：

式中,Ii權(quán)為評價單元總信息權(quán)值;n為評價因子數(shù)。

利用ArcGIS軟件空間分析功能對各評價因子信息權(quán)值進行疊加得到研究區(qū)滑坡災害危險性區(qū)劃圖(圖2)，選擇幾何間距分級法進行危險性分區(qū)：極高危險區(qū)、高危險區(qū)、中危險區(qū)、低危險區(qū)。危險性區(qū)劃結(jié)果顯示極高危險區(qū)主要分布于雜谷腦河及其主要支流兩側(cè)，滑坡災害點最為發(fā)育，高、中、低危險區(qū)滑坡災害點分布較少。

圖2 研究區(qū)滑坡災害危險性評價區(qū)劃圖

3 滑坡災害易損性評價

易損性是地質(zhì)災害發(fā)生可能造成的破壞、損失程度，主要包括社會易損性、經(jīng)濟易損性和環(huán)境易損性，根據(jù)理縣自然、社會經(jīng)濟特點，結(jié)合理縣統(tǒng)計年鑒，選擇人口密度作為社會易損性評價因子，單位面積GDP作為經(jīng)濟易損性評價因子，土地利用現(xiàn)狀作為環(huán)境易損性評價因子。

3.1 易損性評價因子的量化

社會易損性：一個區(qū)域的人口密度越大，當?shù)刭|(zhì)災害發(fā)生，可能造成的人口傷亡顯然就越大，其社會易損性等級也就越高。對于理縣人口密度可以通過各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口和面積相除獲得。

經(jīng)濟易損性：一個區(qū)域單位面積GDP越大，當?shù)刭|(zhì)災害發(fā)生，可能造成的經(jīng)濟損失顯然就越大，其經(jīng)濟易損性等級也就越高。對于單位面積GDP可以通過各鄉(xiāng)鎮(zhèn)GDP和面積相除獲得。

環(huán)境易損性：在進行理縣滑坡地質(zhì)災害易損性評價時環(huán)境易損性主要考慮土地資源，參考中國國土資源經(jīng)濟研究院在《全國地質(zhì)災害風險區(qū)劃》中確定不同用地類型的土地折合成耕地的權(quán)重[12]，結(jié)合研究區(qū)土地現(xiàn)狀確定單位面積各土地利用類型價格。

3.2 易損性評價模型的選擇

易損性評價的難點在于人口易損性無法用貨幣衡量，2003年劉希林等在對泥石流風險評價研究時，總結(jié)出了人口與財產(chǎn)的易損性擬合的經(jīng)驗公式[13]，將易損性評價因子分為人口和財產(chǎn)，易損性定量表達為人口和財產(chǎn)平均值的平方根。

FV2=1-e(-0.003 5V2)

式中,V為易損性值；FV1為財產(chǎn)指標的轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值(0～1)；FV2為人口指標的轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值(0～1)；V1為財產(chǎn)指標(萬元)；V2為人口指標。

3.3 滑坡災害易損性區(qū)劃

易損性評價因子選取、量化及評價模型確定的基礎(chǔ)上，使用ArcGIS軟件空間分析中疊加分析功能得到研究區(qū)滑坡災害易損性性評價圖(圖3)，選擇幾何間距分級法進行易損性分區(qū)：極高易損區(qū)、高易損區(qū)、中易損區(qū)、低易損區(qū)。易損性區(qū)劃結(jié)果顯示極高易損區(qū)、高易損區(qū)分布于理縣縣城、甘堡鄉(xiāng)、薛城鎮(zhèn)、下孟鄉(xiāng)及桃坪鄉(xiāng)，人類活動強烈。

圖3 研究區(qū)滑坡災害易損性區(qū)劃圖

4 滑坡災害風險性評價

聯(lián)合國人道主義事務(wù)部提出的自然災害風險(risk)=危險(hazard)×易損性 (vulnerability)。本文基于此模型進行理縣滑坡災害風險性評價。

應用GIS技術(shù)，使用ArcGIS軟件中柵格計算器功能將滑坡災害危險性評價結(jié)果乘以易損性評價結(jié)果得到理縣滑坡災害風險性評價的柵格計算結(jié)果。選擇幾何間距分級法進行滑坡災害風險性分區(qū)：極高風險區(qū)、高風險區(qū)、中風險區(qū)、低風險區(qū)。

ArcGIS軟件具有較強的統(tǒng)計分析功能，對地質(zhì)災害風險性區(qū)劃結(jié)果進行了統(tǒng)計分析(表6)。

表6 研究區(qū)滑坡地質(zhì)災害風險性統(tǒng)計結(jié)果

滑坡地質(zhì)災害風險性評價結(jié)果顯示(圖4)：極高風險區(qū)主要分布于理縣縣城附近，該區(qū)滑坡地質(zhì)災害危險性和易損性均較高；高風險區(qū)主要分布于理縣東部及雜谷腦河兩側(cè)，區(qū)內(nèi)滑坡地質(zhì)災害危險性和易損性較極高風險區(qū)稍??；中、低風險區(qū)呈片狀分布于理縣西部，區(qū)內(nèi)滑坡地質(zhì)災害危險性和易損性均較低。

圖4 研究區(qū)滑坡災害風險性區(qū)劃圖

5 結(jié)論

根據(jù)滑坡地質(zhì)災害風險性評價體系，分別開展了研究區(qū)滑坡災害危險性評價和易損性評價。根據(jù)研究區(qū)特征，選擇了坡度、坡向、巖性、構(gòu)造、水系、降雨、地震、人類活動8個因子作為滑坡災害危險性評價指標，選擇了人口密度、單位面積GDP、土地利用現(xiàn)狀作為易損性評價指標。

采用信息量法模型和層次分析法進行地質(zhì)災害危險性評價其考慮了各因子的權(quán)重也考慮了各評級因子內(nèi)部各等級狀態(tài)的信息量值，使得對滑坡地質(zhì)災害危險性評價更加準確、科學。

使用ArcGIS強大的數(shù)據(jù)處理、空間分析、統(tǒng)計功能完成了研究區(qū)滑坡災害危險性、易損性、風險性評價和區(qū)劃，結(jié)果比較令人滿意。

根據(jù)理縣滑坡地質(zhì)災害風險性區(qū)劃，極高風險區(qū)占總面積的3.82%，主要分布于雜谷腦鎮(zhèn)、甘堡鄉(xiāng)、下孟鄉(xiāng)及桃坪鄉(xiāng)；高風險區(qū)占總面積的17.93%，理縣縣城以上呈帶狀展布于雜谷腦河兩側(cè)，在理縣縣城以下分布于下孟鄉(xiāng)、甘堡鄉(xiāng)、蒲溪鄉(xiāng)、薛城鎮(zhèn)、木卡鄉(xiāng)及桃坪鄉(xiāng)；中風險區(qū)占理縣總面積的38.92%，呈帶狀展布與高風險區(qū)兩側(cè)，在通化鄉(xiāng)、樸頭鄉(xiāng)、古爾溝鎮(zhèn)、夾壁鄉(xiāng)、米亞羅鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布較多；其余為滑坡地質(zhì)災害低風險區(qū)。