信息量模型引入AHP的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)
——以貴州省松桃縣為例

陸泌鋒，張 輝，謝配紅，2

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局106地質(zhì)大隊(duì)，貴州 遵義 563000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性研究可為地方各級政府有效開展自然災(zāi)害防治和應(yīng)急管理工作。目前隨著GIS技術(shù)的快速發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害在易發(fā)性、危險(xiǎn)性評價(jià)等方面變得更加有效。國外的NILSEN等人最早利用GIS技術(shù)對加利福尼亞的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了易發(fā)性評價(jià)(NILSEN，T，H，et al，1977)，國內(nèi)的劉希林(1988)率先在定性與定量結(jié)合分析的基礎(chǔ)上提出了多因子綜合評價(jià)模型對地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價(jià)。此后，國內(nèi)眾多學(xué)者借助GIS技術(shù)，利用各種理論和評價(jià)模型對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價(jià)(范強(qiáng) 等，2015；許沖，2012；孟祥瑞 等，2016；宋亞婭 等，2020)。目前常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性及危險(xiǎn)性評價(jià)模型包括：Logistic回歸法(黃健敏 等，2016)、證據(jù)權(quán)法(郭長寶 等，2019)、信息量法(陳立華 等，2020；張鐘遠(yuǎn) 等，2022；張?jiān)撇?等，2022)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(張?zhí)K平 等，2003)、層次分析法(辛存林 等，2020；張旭光 等，2012)、模糊評判法(常青 等，2014)、確定性系數(shù)法(劉月 等，2020)，概率指數(shù)模型(陳玉 等，2013)、以及多種方法耦合模型(田春山 等，2016)等。其中特別是信息量法、層次分析法等在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險(xiǎn)性評價(jià)中最為常見(譚真艷 等，2021)。

由于常規(guī)的信息量法在山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)中沒有考慮評價(jià)因子在評價(jià)體系中的重要程度及影響情況，導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性。因此針對信息量模型存在的不足，本文在信息量模型中引入層次分析模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)。對于地質(zhì)災(zāi)害以滑坡和崩塌為主的松桃縣，為了避免將一些地形平緩的區(qū)域尤其是縣城及周邊區(qū)域評價(jià)為中危險(xiǎn)及以上不合理結(jié)果，本文提出圈定平壩區(qū)的解決思路，可為相似區(qū)域的危險(xiǎn)性評價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)概況

松桃縣位于貴州省東北部，面積2 859.1 km2。境內(nèi)山多地少，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，地層巖性及其組合多樣，地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，屬貴州省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，如2020年7月8日發(fā)生的甘龍鎮(zhèn)石板村田堡組滑坡造成7人死亡，2016年6月11日發(fā)生的蓼皋街道稿坪村水電站崩塌造成2人死亡。

松桃縣發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害167處，其中滑坡135處、崩塌22處、泥石流9處、地面塌陷1處(圖1)?？梢钥闯?，松桃縣地質(zhì)災(zāi)害以滑坡為主，其次為崩塌，因此本文以157處滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害作為分析評價(jià)的樣本。

圖1 松桃縣地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.1 Geological hazard distribution map of Songtao county1—滑坡；2—崩塌；3—泥石流；4—地面塌陷

2 孕災(zāi)地質(zhì)條件分析

2.1 地層

以往研究人員常將工程地質(zhì)巖組作為孕災(zāi)條件之一，但通過統(tǒng)計(jì)分析，并不是所有的軟質(zhì)巖都易產(chǎn)生滑坡，也不是所有的硬質(zhì)巖都易產(chǎn)生崩塌，松桃縣地質(zhì)災(zāi)害具有很強(qiáng)的地層傾向性，因此用地層作為孕災(zāi)因子更具有針對性。

2.2 坡度

2.3 坡向

從圖2(c)中可以看出，松桃縣滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害隱患在南東及北西坡向上較為發(fā)育，與松桃縣北東-南西向的基本構(gòu)造格架一致，這是區(qū)域構(gòu)造作用的結(jié)果。

2.4 斜坡結(jié)構(gòu)

從圖2(d)中可以看出，松桃縣的滑坡災(zāi)害密度在順向坡中最大，其次為斜向坡和橫向坡，反向坡則是滑坡發(fā)育較少的斜坡結(jié)構(gòu)類型。順向坡尤其是傾角較緩的順向坡，其坡度一般不大，受巖土交界面或地層中軟弱夾層控制，易發(fā)生規(guī)模較大的巖土混合型滑坡。

崩塌災(zāi)害均為巖質(zhì)斜坡，在斜向坡及橫向坡中較為發(fā)育。

2.5 斷層距離

從圖2(e)中可以看出，斷層距離與地災(zāi)點(diǎn)密度總體呈反相關(guān)關(guān)系，說明距離斷層越遠(yuǎn)，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越低。斷層劣化了一定范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)，使巖體破碎易形成崩塌，并使巖體更容易受到后期風(fēng)化作用的影響，導(dǎo)致在斜坡表層形成了厚度較大的堆積體地貌，從而容易形成滑坡。

2.6 深切溝谷及河谷距離

從圖2(f)中可以看出，深切溝谷及河谷距離與地災(zāi)點(diǎn)密度尤其是崩塌地質(zhì)災(zāi)害反相關(guān)關(guān)系明顯。河流的快速下切形成了深切溝谷及河谷，使兩岸形成了陡坡甚至陡崖，陡崖易產(chǎn)生崩塌。陡坡使斜坡呈凸型，基巖出露，易產(chǎn)生土質(zhì)滑坡，若在順向坡中，且含有軟弱夾層時(shí)，易產(chǎn)生巖質(zhì)滑坡。

3 地質(zhì)災(zāi)害影響因素分析

3.1 降水

松桃縣地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)生在5—7月，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的83.8%。從圖2(g)中可以看，降水量與地災(zāi)點(diǎn)密度的關(guān)系在單日最大降水量大于104 mm時(shí)總體呈正相關(guān)，而在降水量小于104 mm時(shí)卻呈反相關(guān)。通過分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)異常的原因是由于降水量小于104 mm的地區(qū)主要位于松桃縣西北部，該區(qū)域極高和高孕災(zāi)地層極為發(fā)育，順斜坡分布廣泛，且人為切坡強(qiáng)烈，因此在降水量相對不大的條件下也容易誘發(fā)滑坡。

3.2 人類工程活動(dòng)

松桃縣人類工程活動(dòng)對滑坡地質(zhì)災(zāi)害影響較大，主要為公路切坡。從圖2(h)中可以看出，地災(zāi)點(diǎn)密度與公路距離呈反相關(guān)關(guān)系。公路切坡對滑坡地質(zhì)災(zāi)害的影響主要為揭露了軟弱夾層和基覆界面，前者易產(chǎn)生巖質(zhì)斜坡，后者易產(chǎn)生土質(zhì)滑坡。

2016年，山東省有6個(gè)果蔬區(qū)域公用品牌成功入選為第一批著名農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域公用品牌名單，膠州大白菜作為其中一個(gè)。2017年，11個(gè)區(qū)域公用品牌，如膠州大白菜被選為最受歡迎的農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域公用品牌。膠州大白菜協(xié)會(huì)繼續(xù)研發(fā)白菜品種、栽培技術(shù)和白菜深加工產(chǎn)品的創(chuàng)新和開發(fā)形成較強(qiáng)的市場競爭力。

圖2 孕災(zāi)因子分級面積占比與地質(zhì)災(zāi)害密度關(guān)系圖Fig.2 Relationship diagram between the area ratio of pregnancy disaster factor classification and the geological disaster density

4 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)

4.1 評價(jià)模型

信息量法是目前發(fā)展較為成熟的方法，信息量值越大，表明發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大，單個(gè)因子信息量值的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Ni為在因子Xi的特定類別xi中地質(zhì)災(zāi)害的個(gè)數(shù)；N為調(diào)查區(qū)災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)；Si為因子Xi的特定類別xi所占單元面積；S為調(diào)查區(qū)總面積。

但在上述信息量模型中，各評價(jià)因子的信息量值沒有考慮評價(jià)因子在評價(jià)體系中的重要程度及影響情況，因此本文在信息量模型中引入層次分析模型進(jìn)行評價(jià)，該方法即考慮了信息量值，又考慮了各因子的權(quán)重。加權(quán)信息量值的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：Wi為評價(jià)因子權(quán)重。

4.2 評價(jià)因子

危險(xiǎn)性評價(jià)因子由易發(fā)性評價(jià)因子和影響因子組成?；谇拔牡姆治?，易發(fā)性評價(jià)選取坡度、坡向、地層、斜坡結(jié)構(gòu)、斷層距離、深切溝谷及河谷距離等6個(gè)因子，滑坡災(zāi)害考慮降水和公路距離2個(gè)影響因子；松桃縣崩塌災(zāi)害基本不受人類工程活動(dòng)影響，因此不予考慮。各評價(jià)因子見圖3。

圖3 評價(jià)因子分級Fig.3 Evaluation factor classification

4.3 加權(quán)信息量值的確定

4.3.1 權(quán)重的確定

評價(jià)因子的權(quán)重采用層次分析法確定。借助層次分析法將所面臨的復(fù)雜問題分解為一個(gè)個(gè)獨(dú)立的層面，而后建立層次模型，各自獨(dú)立處理(圖4)。

圖4 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Hierarchy model

在已建立的層次結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，通過依次對評價(jià)因子進(jìn)行兩兩對比，結(jié)合松桃縣實(shí)際情況，確定各個(gè)因子的相對重要程度，根據(jù)1-9標(biāo)度法賦值，創(chuàng)建評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值，依次進(jìn)行排序，最終得到各因子的權(quán)重值，見表1。由于松桃縣的地質(zhì)災(zāi)害主要為滑坡和崩塌，各因子在滑坡和崩塌中的重要性不同，因此需分別計(jì)算權(quán)重。

表1 地質(zhì)災(zāi)害因子權(quán)重表Table 1 The weight table of geological disaster factor

續(xù)表

4.3.2 加權(quán)信息量值的確定

根據(jù)全縣滑坡和崩塌樣本數(shù)量的統(tǒng)計(jì)，按公式(1)和公式(2)分別計(jì)算出滑坡和崩塌易發(fā)性的加權(quán)信息量值，見表2、表3。

表2 滑坡危險(xiǎn)性加權(quán)信息量值計(jì)算表Table 2 Calculation table of landslide risk weighted information quantity

續(xù)表

表3 崩塌危險(xiǎn)性加權(quán)信息量值計(jì)算表Table 3 Calculation table of collapse risk weighted information quantity

4.4 危險(xiǎn)性評價(jià)及分區(qū)

在評價(jià)之前，首先確定平壩區(qū)，因?yàn)閷τ诘刭|(zhì)災(zāi)害主要為滑坡和崩塌的松桃縣而言，平壩區(qū)地形平緩，發(fā)生滑坡及崩塌的可能性較低，為了防止后續(xù)評價(jià)過程中將平壩區(qū)的危險(xiǎn)性評價(jià)為中危險(xiǎn)以上的不合理結(jié)果。本文將境內(nèi)大面積坡度小于8°的區(qū)域概化后作為平壩區(qū)(圖5)，并在評價(jià)過程中通過條件判別直接將該區(qū)域的危險(xiǎn)性評價(jià)為低危險(xiǎn)等級。

圖5 松桃縣平壩區(qū)分布圖Fig.5 Distribution map of Pingba area in Songtao county1—平壩區(qū)；2—非平壩區(qū)

平壩區(qū)確定后，利用GIS的空間分析功能，在每個(gè)評價(jià)單元中分別將滑坡和崩塌各評價(jià)因子的危險(xiǎn)性加權(quán)信息量值進(jìn)行相加，從而得到各個(gè)評價(jià)單元中滑坡和崩塌危險(xiǎn)性總信息量值，分別得到滑坡和崩塌的危險(xiǎn)性柵格圖，并按自然斷點(diǎn)法將滑坡和崩塌的危險(xiǎn)性劃分為極高、高、中、低四個(gè)等級，再將兩者按就高不就低的原則疊加，生成總地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性柵格圖，見圖6，最后將危險(xiǎn)性評價(jià)柵格圖基于相似性、相近性的原則概化，形成松桃縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖，見圖7。各區(qū)統(tǒng)計(jì)見表4。

圖6 松桃縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)柵格圖Fig.6 Grid diagram of geological hazard risk assessment in Songtao county1—極高危險(xiǎn)；2—高危險(xiǎn)；3—中危險(xiǎn)；4—低危險(xiǎn)

圖7 松桃縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.7 Geological hazard risk zoning map in Songtao county1—極高危險(xiǎn)；2—高危險(xiǎn)；3—中危險(xiǎn)；4—低危險(xiǎn)；5—地災(zāi)點(diǎn)

表4 松桃縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 4 Statistical table of geological hazard risk assessment results in Songtao county

4.5 評價(jià)結(jié)果驗(yàn)證

ROC曲線可對危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)。曲線之下與橫坐標(biāo)軸包圍的面積為AUS值，該值是衡量評價(jià)質(zhì)量的指示器，AUS值越接近于1，說明評價(jià)結(jié)果越準(zhǔn)確。由圖8可以看出，松桃縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的AUS值為0.803，即評價(jià)精度為80.3%，說明評價(jià)結(jié)果較好。

圖8 ROC曲線圖Fig.8 ROC curve

5 結(jié)論

(1)松桃縣地質(zhì)災(zāi)害受坡度、坡向、地層、斜坡結(jié)構(gòu)、斷層距離、深切溝谷及河谷距離、降水和人為切坡的影響較大，地質(zhì)災(zāi)害往往在上述因素綜合作用下產(chǎn)生。

(2)松桃縣地質(zhì)災(zāi)害的分布與危險(xiǎn)分區(qū)的相關(guān)性較好，通過ROC曲線驗(yàn)證，AUS為0.803，說明評價(jià)精度較高，評價(jià)方法合理。

(3)對于極高危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)，要盡量避免大規(guī)模城鎮(zhèn)和工程建設(shè)，尤其是要限制大規(guī)模的人為切坡，避免人為主動(dòng)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。