基于ArcGIS的西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

范吉新，趙啟飛，王靖天，王萬鑫，李衛(wèi)柯

(1.青海煤田地質(zhì)局，青海 西寧 810012；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

西寧市位于青藏高原的東北部，是青藏高原與黃土高原的過渡地帶，整個(gè)地形南高北低，南至祁連山支脈拉雞山，北達(dá)湟水河谷地，屬于典型的山間河谷型城市并且也是我國海拔最高的城市之一，由于其脆弱的地質(zhì)環(huán)境，使之成為我國受地質(zhì)災(zāi)害侵?jǐn)_最為嚴(yán)重的城市之一[1，2]。近年來，因人類工程活動(dòng)引發(fā)的生態(tài)環(huán)境惡化及地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，使其區(qū)域內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象分布廣泛，尤其是滑坡、地面塌陷、地震等突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育，對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣竦娜松戆踩?、?jīng)濟(jì)活動(dòng)等構(gòu)成極其惡劣的影響[3]，因此，為了西寧市地質(zhì)災(zāi)害的防治和工程建設(shè)，對(duì)西寧市城區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)刻不容緩[4]。

地質(zhì)災(zāi)害是由自然地質(zhì)作用和人為工程活動(dòng)造成的惡化地質(zhì)環(huán)境，使原有的地質(zhì)環(huán)境被破壞，平衡條件傾斜，導(dǎo)致地質(zhì)體發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象，它不僅屬于自然現(xiàn)象，還是社會(huì)經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象[5]。因此，在進(jìn)行評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性時(shí)，應(yīng)綜合考慮影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的各種指標(biāo)，并給這些指標(biāo)賦予合適的權(quán)重系數(shù)，以便準(zhǔn)確合理地區(qū)劃出地質(zhì)災(zāi)害低、中、高和極高危險(xiǎn)性區(qū)。目前，國內(nèi)張曉東等[6]利用層次分析法評(píng)估了鹽池縣地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性；李雄峰等[7]采用層次分析法和可拓理論分區(qū)評(píng)價(jià)了水土流失的嚴(yán)重程度；李林漢等[8]將層次分析法運(yùn)用于京津冀地區(qū)水資源承載能力評(píng)價(jià)；白建光等[9]將層次分析法與模糊綜合評(píng)判法結(jié)合分析了城市內(nèi)澇生態(tài)治理。

1 評(píng)價(jià)方法

為了提高地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，需要具體分析研究區(qū)的各種因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，選擇適宜的評(píng)價(jià)方法使得評(píng)價(jià)工作可行[10]。當(dāng)前，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)的方法眾多，結(jié)合西寧市城區(qū)的地質(zhì)環(huán)境背景以及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征等，在本次研究中采用層次分析法。此方法所需要的數(shù)據(jù)偏少，簡單快捷，是一種半定量的系統(tǒng)性分析方法，再綜合考慮遴選出的地質(zhì)災(zāi)害影響因子，保證了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。

層次分析法是由運(yùn)籌學(xué)家Thomas Saaty提出的一種簡單靈活地將定量和定性分析結(jié)合的層次權(quán)重決策分析方法，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，通過對(duì)研究區(qū)的總體把握，明確其基礎(chǔ)指標(biāo)，將復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為通過評(píng)價(jià)因子之間兩兩影響程度大小的比較，構(gòu)造合理的判斷矩陣，求出矩陣的最大特征根及其特征向量，然后對(duì)矩陣的一致性做出驗(yàn)證，最后將特征向量歸一化，便可得出每個(gè)評(píng)價(jià)因子相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值[11]。之后利用ArcGIS軟件構(gòu)建各個(gè)評(píng)價(jià)因子的柵格圖層，結(jié)合已獲取的權(quán)重系數(shù)，通過空間分析中的柵格工具，進(jìn)行多因子疊加分析，獲取西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)圖。

2 評(píng)價(jià)體系的建立

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則

地質(zhì)災(zāi)害的成因形形色色，是由眾多影響因素共同蘊(yùn)育所產(chǎn)生的結(jié)果。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的多樣性以及不確定性不僅表現(xiàn)在影響因素上，在不同的區(qū)域，各種影響因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)程度也有很大差別，同一種評(píng)價(jià)方法適用于一個(gè)區(qū)域但不一定能夠成功評(píng)價(jià)另一個(gè)區(qū)域。因此，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)選擇影響因子時(shí)，需要遵循5個(gè)原則：①評(píng)價(jià)因子的選取需要考慮獲取因子的難易程度，并且評(píng)價(jià)因子需具有代表性；②各影響因子之間要相互獨(dú)立，無關(guān)聯(lián)性，避免后期處理數(shù)據(jù)帶來不便；③不同的研究對(duì)象擁有不同的地質(zhì)背景，需要準(zhǔn)確選取占據(jù)主導(dǎo)地位的評(píng)價(jià)因子，提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確率；④評(píng)價(jià)因子的選取必須目的性明確，要求能夠充分的體現(xiàn)研究區(qū)域的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果；⑤結(jié)合研究區(qū)域的空間效應(yīng)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)將對(duì)評(píng)價(jià)體系產(chǎn)生重要影響[12]。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立原則

由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響因素以及誘發(fā)條件是十分廣泛的，將所有的情況都考察在內(nèi)無疑是不合理的，因此在構(gòu)建評(píng)價(jià)體系的同時(shí)需要遵循3個(gè)原則：①所建立的評(píng)價(jià)體系需要能夠全面綜合系統(tǒng)地反映出最接近研究區(qū)域的真實(shí)情況；②應(yīng)選擇對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)影響較大的因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，適當(dāng)去除一些間接因素，建立科學(xué)有效的評(píng)價(jià)體系；③由于不同評(píng)價(jià)區(qū)域的差異，有必要在充分考慮影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素的基礎(chǔ)上，對(duì)研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造和自然特征進(jìn)行分析[13]。

2.3 危險(xiǎn)性層次分析模型

依據(jù)層次分析法的基本原理，建立了如圖1所示的西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子層次分析模型。其中，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)作為目標(biāo)層A，而地質(zhì)因素和誘發(fā)因素分別作為準(zhǔn)則層B1和B2，指標(biāo)層C作為影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的因子，如坡度C1、坡向C2、高程C3等[14]。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子層次分析模型

2.4 評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定

采用層次分析法計(jì)算各危險(xiǎn)性因子的權(quán)重值，對(duì)照標(biāo)度理論表，將各因子兩兩對(duì)比，得出所有因子相對(duì)重要性指數(shù)，從而構(gòu)建判斷矩陣，標(biāo)度理論表如表1所示。

表1 判斷矩陣標(biāo)度理論

具體計(jì)算過程如下所示：

構(gòu)造判斷矩陣：A=(aij)m×n，aij>0，

(1)

式中：aij為第i行j列因子重要性標(biāo)度值。

歸一化處理判斷矩陣每一列元素：

(2)

處理后再按行相加：

(3)

對(duì)Wi進(jìn)行歸一化處理：

(4)

所得近似特征向量W=(w1，w2，…，wn)T，就是各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重[15]。

為了保證以上所得的權(quán)重系數(shù)的合理性，需對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性驗(yàn)證，過程如下所示：

(5)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根，n為判斷矩陣階數(shù)，CI表示判斷矩陣一致性指標(biāo)。

(6)

式中：當(dāng)CR<0.1時(shí)，則確定判斷矩陣具備良好的一致性，若CR>0.1，則需對(duì)判斷矩陣做出適當(dāng)調(diào)整直至滿足條件；RI表示判斷矩陣平均隨機(jī)的一致性指標(biāo)，其值由大量實(shí)驗(yàn)給出，取值如表2所示。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

Bi構(gòu)造準(zhǔn)則層判斷矩陣如表3所示，計(jì)算求出最大特征根λmax=2，一致性指標(biāo)CI=0，一致性比例CR=0<0.1，滿足要求。

表3 A-Bi判斷矩陣

B1-Ci構(gòu)造地質(zhì)因素判斷矩陣如表4所示，計(jì)算求出最大特征根λmax=7.365，一致性指標(biāo)CI=0.061，一致性比例CR=0.045<0.1，滿足要求。

表4 B1-Ci判斷矩陣

B2-Ci構(gòu)造誘發(fā)因素判斷矩陣如表5所示，計(jì)算求出最大特征根λmax=3.039，一致性指標(biāo)CI=0.02，一致性比例CR=0.037<0.1，滿足要求。

表5 B2-Ci判斷矩陣

由表3～表5可得知準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中各影響因子的權(quán)重系數(shù)，而以上所求僅為一層因子對(duì)應(yīng)于上一層因子的權(quán)重向量，要獲取指標(biāo)層各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于目標(biāo)層的排序權(quán)重，就需要進(jìn)行權(quán)重的合成計(jì)算[16]。方法如下所示：

(7)

式中：aj為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

求得CR=0.044<0.1，符合一致性原則，由此可知指標(biāo)層的10個(gè)影響因子所取的權(quán)重系數(shù)均滿足要求。在表6中列出了所有地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

由表6可知，地層巖性對(duì)西寧市城區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性貢獻(xiàn)度最高，然后坡度、距斷層距離、平面曲率、相對(duì)高差、距公路距離、剖面曲率、海拔高程、地下水類型依次降低，坡向的權(quán)重值最低。

2.5 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃

依據(jù)建立的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，來達(dá)到對(duì)研究區(qū)的危險(xiǎn)性區(qū)劃[17]，而西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型基于層次分析法的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)法，再通過ArcGIS 10.6的地圖代數(shù)工具，將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的柵格圖層進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，具體計(jì)算公式如下所示：

I=ΣWiCi

(8)

式中：I為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的危險(xiǎn)性綜合指數(shù)，Wi為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重值，Ci為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的柵格圖層。根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)，可以得知西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為：

I=0.176C1+0.022C2+0.032C3+0.078C4+0.133C5+0.049C6+0.26C7+0.026C8+0.065C9+0.159C10

(9)

3 基于ArcGIS的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

本次研究采用的原始DEM數(shù)字高程模型精度為30m。由于柵格數(shù)據(jù)的像元屬性能充分反映該單元的空間分布位置，且利用ArcGIS可對(duì)研究單元進(jìn)行全面管理，擁有計(jì)算簡捷、數(shù)據(jù)庫清晰、空間可視化、結(jié)果準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)[18]，因此將評(píng)價(jià)單元確定為柵格單元，大小為30m×30m。

3.1 海拔高程分區(qū)

利用ArcGIS 10.6將獲取的西寧市城區(qū)DEM原始數(shù)據(jù)處理成數(shù)字海拔高程模型。西寧市城區(qū)的地表海拔高程最高點(diǎn)為2 831m，最低點(diǎn)為2 118m，將地表高程按照(2118，2200)，(2200，2300)，(2300，2400)，(2400，2500)，(2500，2600)，(2600，2700)，(2700，2800)，(2800，2831)重分類為8個(gè)級(jí)別，得到的海拔高程單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖2所示。

圖2 海拔高程

3.2 地形相對(duì)高差分區(qū)

利用已獲取的DEM數(shù)據(jù)，通過ArcGIS 10.6中的焦點(diǎn)統(tǒng)計(jì)工具，生成西寧市城區(qū)的地形相對(duì)高差分布圖，可知其相對(duì)高差達(dá)到134 m。將其相對(duì)高差分布圖按照(0，20)，(20，50)，(50，90)，(90，134)重分類為4個(gè)類別，重分類之后的地形相對(duì)高差單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖3所示。

圖3 地形相對(duì)高差

3.3 地層巖性分區(qū)

利用ArcGIS 10.6從西寧市1∶50 000工程地質(zhì)圖中矢量化出西寧市城區(qū)的主要地質(zhì)巖土體類型，再依據(jù)工程地質(zhì)圖中巖土體的分區(qū)情況，將其主要的巖土體類型重分為巖漿巖巖組、變質(zhì)巖巖組、沉積巖巖組、卵礫類土、黏性土、雜填土及滑坡堆積物6類，轉(zhuǎn)為柵格圖層后，得到了西寧市城區(qū)地層巖性單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖4所示。

圖4 地層巖性

3.4 平面曲率分區(qū)

利用ArcGIS 10.6中表面分析的曲率工具，輸入原始DEM數(shù)據(jù)可獲取平面曲率分布圖，將其按照自然間斷法重分為(-6744086，-2040554)，(-2040554，-1283663)，(-1283663，-7430276)，(-7430276，-3105189)，(-3105189，1219898)，(1219898，5544986)，(5544986，1041071)，(1041071，1797961)，(1797961，7096193)9類，得到西寧市城區(qū)平面曲率單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖5所示。

圖5 平面曲率

3.5 剖面曲率分區(qū)

通過ArcGIS 10.6中的曲率工具，計(jì)算出剖面曲率分布圖，再利用重分類工具，遵循自然間斷法重分為(-1104781，-2788088)，(-2788088，-1643177)，(-1643177，-9071624)，(-9071624，-3347066)，(-3347066，1559698)，(1559698，6466461)，(6466461，1382661)，(1382661，2527572)，(2527572，9887718)9類，即可獲取西寧市城區(qū)剖面曲率單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖6所示。

圖6 剖面曲率

3.6 距公路距離分區(qū)

從Google Earth上矢量化出西寧市城區(qū)的路網(wǎng)，導(dǎo)入ArcGIS中獲取路網(wǎng)分布圖，運(yùn)用多環(huán)緩沖區(qū)工具進(jìn)行路網(wǎng)的緩沖區(qū)分析，將距公路距離按照(0，100)，(100，200)，(200，300)，(300，400)，>400分為5類，重分類之后的西寧市城區(qū)距公路距離單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖7所示。

圖7 距公路距離

3.7 坡度分區(qū)

使用西寧市城區(qū)DEM數(shù)字高程模型，通過ArcGIS 10.6中3D Analyst的坡度工具，生成坡度分布圖。研究區(qū)內(nèi)最大坡度達(dá)到60.9°，利用重分類中手動(dòng)分類方式將其分成(0，10)，(10，20)，(20，30)，(30，40)，(40，50)，(50，60)，(60，70)7類，得到西寧市城區(qū)坡度單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖8所示。

圖8 坡度

3.8 坡向分區(qū)

利用ArcGIS 10.6中的坡向工具，計(jì)算出研究區(qū)域的坡向單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖9所示。其中(-1)、(0，22.5)、(22.5，67.5)、(67.5，112.5)、(112.5，157.5)、(157.5，202.5)、(202.5，247.5)、(247.5，292.5)、(292.5，337.5)、(337.5，360)依次被區(qū)劃為平面、北面、東北面、東面、東南面、南面、西南面、西面、西北面、北面。

圖9 坡向

3.9 距斷裂構(gòu)造距離分區(qū)

通過ArcGIS 10.6，從西寧市1∶50 000地貌及第四紀(jì)地質(zhì)圖中矢量化提取出研究區(qū)域的主要斷裂構(gòu)造，使用多環(huán)緩沖區(qū)工具對(duì)斷裂構(gòu)造分布圖進(jìn)行緩沖區(qū)分析，將距斷裂構(gòu)造距離按照(0，300)，(300，600)，(600，900)，(900，1 200)，>1 200分為5類，生成的西寧市城區(qū)距斷裂構(gòu)造距離單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖10所示。

圖10 距斷裂構(gòu)造距離

3.10 地下水類型分區(qū)

利用ArcGIS 10.6從西寧市1∶50 000水文地質(zhì)圖中矢量化出研究區(qū)的主要地下水類型分布圖，參照水文地質(zhì)圖中的區(qū)劃情況，將其劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水、基巖裂隙水4類，通過工具轉(zhuǎn)為柵格圖層后，得到西寧市城區(qū)地下水類型單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖11所示。

圖11 地下水類型

4 西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果

通過ArcGIS 10.6中的空間疊加分析技術(shù)，將已獲取的10個(gè)評(píng)價(jià)因子的單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖結(jié)合其相對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)分析得出西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合分區(qū)評(píng)價(jià)圖，如圖12所示，由重分類中的自然間斷點(diǎn)分級(jí)法分類，將全研究區(qū)內(nèi)的所有柵格按照地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性劃分為4個(gè)等級(jí)：低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、極高危險(xiǎn)區(qū)[19]。自然間斷點(diǎn)分級(jí)方法是一種基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律的分類統(tǒng)計(jì)方法，它可以最大程度地區(qū)分類別，識(shí)別分類間隔，并將相似的值劃分為最適宜的組[20]。

依據(jù)圖12可得知，西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)中，低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)和極高危險(xiǎn)區(qū)的面積分別占西寧市城區(qū)總面積的43%、19%、21%和17%，其餅狀分布圖如圖13所示，其中，極高危險(xiǎn)性區(qū)主要位于西寧市城東區(qū)與城中區(qū)的八一路以南—曹家溝—小平兒嶺一帶，而高危險(xiǎn)性區(qū)與中危險(xiǎn)性區(qū)分布較為廣泛，并且分布在彼此周緣，主要位于西寧市城北區(qū)與城中區(qū)的下細(xì)溝村—泉爾灣村—沈家溝—海湖路以西區(qū)域，低危險(xiǎn)性區(qū)主要分布在西寧市城北區(qū)與城中區(qū)的平坦地帶，大部分都屬于市區(qū)范圍。

圖12 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)

圖13 危險(xiǎn)性等級(jí)面積百分比

5 結(jié)束語

筆者以西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害為研究對(duì)象，遴選了海拔高程、地形相對(duì)高差、地層巖性、距公路距離、距斷裂構(gòu)造距離、坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、地下水類型共10個(gè)評(píng)價(jià)因子，建立了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性層次分析模型，獲取了10個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)，構(gòu)建了西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型。通過ArcGIS 10.6的空間疊加分析技術(shù)，依據(jù)已建的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)字模型，將獲取的10個(gè)單因素分區(qū)評(píng)價(jià)圖進(jìn)行空間疊加處理，計(jì)算出了西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合分區(qū)評(píng)價(jià)圖。從此圖得知，西寧市城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害中低危險(xiǎn)性區(qū)域面積最大，占全研究區(qū)面積的43%，其次是高危險(xiǎn)性區(qū)，面積占全研究區(qū)面積的21%，然后是中危險(xiǎn)性區(qū)域，占西寧市城區(qū)面積的19%，極高危險(xiǎn)性區(qū)面積最小，占西寧市城區(qū)總面積的17%。本次研究成果對(duì)于西寧市城區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害防治與工程建設(shè)具有重要參考價(jià)值。