AHP-信息量法在古城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

范詩(shī)鈴，劉漢湖，李金豪

（成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川成都 610051）

地質(zhì)災(zāi)害作為一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，其發(fā)生具有高度的不確定性，一旦出現(xiàn)造成的危害往往不可估量. 為了最大限度地減少地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，需要了解和分析地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理、誘發(fā)因素、空間分布特征、發(fā)生規(guī)律等方面的情況，為后續(xù)減災(zāi)防災(zāi)工作打下基礎(chǔ). 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)作為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，是防治減災(zāi)工作部署與基礎(chǔ)建設(shè)的重要參考[1]. 目前國(guó)外學(xué)者在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面已作了廣泛的研究，評(píng)價(jià)方法多種多樣，主要有層次分析法[2]、主成分分析法[3]、確定系數(shù)法[4]、信息量法[5]等. 然而單一評(píng)價(jià)方法所得的評(píng)價(jià)結(jié)果精度通常較低，而多類評(píng)價(jià)方法之間的相互耦合能更準(zhǔn)確地對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行描述.程斌等[6]用確定系數(shù)模型與邏輯回歸模型進(jìn)行耦合，對(duì)赤水市進(jìn)行地災(zāi)易發(fā)性評(píng)價(jià)；陳慧敏等[7]以地理信息系統(tǒng)為平臺(tái)，用加權(quán)信息量法對(duì)茂縣地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)；周子涵等[8]用信息量模型等方法對(duì)紅河縣地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià).信息量建模方式是對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)的較佳方式之一，它可對(duì)地質(zhì)的具體狀況進(jìn)行全面分析，其具有較高的可信度和科學(xué)性，且處理方式較簡(jiǎn)便.

古城區(qū)是麗江市的政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科技、金融和信息中心，本文將層次分析法、信息量模型與GIS系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)古城區(qū)地理狀況和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行研究，以目視解譯和野外調(diào)查崩塌、滑坡、泥石流數(shù)據(jù)為分析要點(diǎn)，獲得地理環(huán)境因子、地質(zhì)環(huán)境因子、地質(zhì)災(zāi)害外部誘發(fā)因子等相關(guān)要素，然后對(duì)各要素中的單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（地理環(huán)境因子包括坡度、高程、NDVI、地形起伏度，地質(zhì)環(huán)境因子包括地層巖性、距斷層距離，地質(zhì)災(zāi)害外部誘發(fā)因子包括距道路距離、年均降雨量、距河流距離）展開分析，搭建地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)其地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).

1 研究區(qū)概況

古城區(qū)地理地貌如圖1 所示. 該地區(qū)銜接青藏高原南端與云貴高原，同時(shí)結(jié)合了藏滇地槽與揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)，因而其地貌與一般地貌有所不同，特點(diǎn)較為明顯，為橫斷山峽谷和滇西北高原[9]，境內(nèi)地形地貌錯(cuò)綜復(fù)雜. 該區(qū)為南亞季風(fēng)氣候，位于偏低緯度，氣候較為溫和，冬不過(guò)冷夏不過(guò)熱，雨量較大，存在干濕季節(jié)且較為明顯，因地形深切，具有明顯的垂直差異氣候特征. 古城區(qū)地層內(nèi)含古生界二疊系上統(tǒng)、中生界三疊系、新生界下第三系和第四系地層. 二疊系僅有上統(tǒng)出露，為一套基性海底火山噴出巖及淺?！訚赡嗵肯喑练e，主要集中分布于金沙江河谷兩岸；三疊系發(fā)育，分布廣泛，全區(qū)皆存在出露情況；新生界下第三系為一套紅色碎屑巖建造，主要分布于象山、龍興、羊見、忠義等地，呈南北條帶狀展布；第四系為一套湖相或河湖相沉積，主要分布于麗江盆地.

圖1 研究區(qū)示意圖

2 研究方法

2.1 評(píng)價(jià)因子

在不同的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)研究中，所選取的評(píng)價(jià)因子不盡相同. 選取的評(píng)價(jià)因子過(guò)少會(huì)導(dǎo)致結(jié)果側(cè)重于某類主導(dǎo)因子，而選取過(guò)多將使模型復(fù)雜化，最終導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，只有合理地選擇適合于研究區(qū)的評(píng)價(jià)因子才能有效保障地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性. 根據(jù)區(qū)域內(nèi)實(shí)際情況并參照中外較為普遍采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從地理環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境與外部致災(zāi)三方面，將坡度、高程、NDVI、地形起伏度、地層巖性、距斷層距離、距河流距離、距道路距離、年均降雨量九個(gè)影響較大且具有代表性的因子作為本文地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的指標(biāo).

（1）坡度：地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與坡度有著重要的關(guān)系，根據(jù)斜坡受力模式等內(nèi)容探究坡度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的作用，研究此項(xiàng)內(nèi)容時(shí)應(yīng)考慮到地質(zhì)體重力穩(wěn)定性、變形失穩(wěn)模式等相關(guān)內(nèi)容. 依據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況將坡度劃分為15° ～40°、40° ～45°、10° ～15°和45°～50°、＜10°和＞50°共4個(gè)級(jí)別（如圖2a）.

（2）高程：該項(xiàng)因素作用于土壤種類、山區(qū)水系發(fā)育狀況、生活者的生產(chǎn)活動(dòng)[10].以確定的區(qū)域作為研究對(duì)象，高程減小后容易干擾地表物質(zhì). 高程分類分別為1200 m ～1800 m、1800 m ～2400 m、2400 m ～3000 m、3000 m ～3600 m（如圖2b）.

（3）地形起伏度：在規(guī)定的某一片區(qū)域內(nèi)，地表高程差的最大值即為地形起伏度. 其內(nèi)容是基于坡度概念方面的拓展，主要對(duì)地形的特點(diǎn)進(jìn)行表現(xiàn)，在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)過(guò)程中，地形起伏度為一項(xiàng)地形內(nèi)容參與其中. 將研究區(qū)的地形起伏度分為以下級(jí)別：30 m ～60 m、20 m ～30 m 和60 m ～80 m、10 m ～20 m（如圖2c）.

（4）NDVI：松散的巖土體可借助植被根系實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固，植被根系龐大、植被覆蓋率較高有利于巖土體的完整性不受破壞，減弱風(fēng)化程度，降低因自然環(huán)境引發(fā)各類地質(zhì)災(zāi)害的幾率. 歸一化植被指數(shù)NDVI反映了植被生長(zhǎng)情況及空間密度分布. 根據(jù)研究區(qū)內(nèi)植被分布實(shí)際，將NDVI 劃分為4 個(gè)級(jí)別，分別是≤0.12、0.12 ～0.22、0.22 ～0.32、＞0.32（如圖2d）.

（5）地層巖性：該要素作為控制要素參與地質(zhì)災(zāi)害的形成過(guò)程[11].地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與地層結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常發(fā)生于軟弱巖性和軟硬相間的地層結(jié)構(gòu)中. 由于研究區(qū)域包括多種地層巖，將其劃分為較硬巖組區(qū)、較軟弱巖組區(qū)、軟弱巖組區(qū)、松散堆積區(qū)（如圖2e）.

（6）距斷層距離：指處于斷層結(jié)構(gòu)且正處于發(fā)育狀態(tài)，這種情況下巖體穩(wěn)定性較差，容易被破壞，而后引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[12]. 一般而言，特殊結(jié)構(gòu)、斷層發(fā)育部位容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害. 古城區(qū)內(nèi)約有60 條斷層，按照距斷層距離遠(yuǎn)近劃分為4 個(gè)分區(qū)，分別是≤500 m、500 m ～1000 m、1000 m ～1500 m、＞1500 m（如圖2f）.

（7）距道路距離：距離道路的遠(yuǎn)近表示著不同強(qiáng)度的人類工程活動(dòng)，不同程度的誘發(fā)程度各類地質(zhì)災(zāi)害. 依據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，按照距道路遠(yuǎn)近劃分為4 個(gè)級(jí)別≤1000 m、1000 m ～2000 m、2000 m ～3000 m、＞3000 m（如圖2g）.

（8）距河流距離：河流分布對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響表現(xiàn)在距河流的遠(yuǎn)近程度上，距河流越近，河流兩岸的掏蝕作用愈發(fā)明顯，地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性更大. 依據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況，按照距河流遠(yuǎn)近劃分為4 個(gè)級(jí)別≤500 m、500 m ～1000 m、1000 m ～1500 m、＞1500 m（如圖2h）.

（9）年均降雨量：降雨一方面加快了對(duì)坡面的沖刷侵蝕，另一方面增加了巖土的孔隙水壓力，從而加劇了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[13]. 選取了古城區(qū)2010-2019年多個(gè)氣象站點(diǎn)的年均降雨量進(jìn)行空間插值得到降雨量分布圖，并將其依照自然間斷法劃分為4 類（如圖2i）.

2.2 信息量法

信息量模型（Information Value Model）是在發(fā)生崩塌和滑坡災(zāi)害的基礎(chǔ)上計(jì)算誘發(fā)因素帶來(lái)的信息量值I，可定量分析以完成地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)生等級(jí)的研究[14]. 此種方式對(duì)地質(zhì)災(zāi)害受到變形破壞的主要影響因素進(jìn)行分析，獲取其信息量貢獻(xiàn)值大小，觀測(cè)各個(gè)因素與地質(zhì)災(zāi)害之間的相關(guān)程度，信息量值越小越不容易造成災(zāi)害.計(jì)算公式如下:

式中：Nij表示影響因子子類中災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)，N為災(zāi)害點(diǎn)總個(gè)數(shù)，Sij為影響因子子類柵格數(shù)，S是總柵格數(shù).

基于研究區(qū)內(nèi)各災(zāi)害點(diǎn)的空間分布情況，對(duì)9個(gè)評(píng)價(jià)因子分級(jí)分別按式（1）解得其對(duì)應(yīng)的信息量值，結(jié)果如表1所示.

表1 各評(píng)價(jià)因子信息量值計(jì)算結(jié)果

2.3 層次分析法

層次分析法（AHP）是一種定性的多目標(biāo)決策分析方法，能將行業(yè)專家的經(jīng)驗(yàn)判斷，廣泛應(yīng)用于易發(fā)性研究中.層次分析法包括3個(gè)步驟：一是構(gòu)建最高層決策(目標(biāo)層)，中間層(準(zhǔn)則層)及底層(方案層)的隸屬關(guān)系模型；二是建立相應(yīng)的判斷矩陣；三是計(jì)算各因子權(quán)重并檢驗(yàn)各因子的隨機(jī)一致性.

（1）建立系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)：根據(jù)古城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害具體表現(xiàn)和成因，結(jié)合研究區(qū)的相關(guān)情況后選擇合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，加之分析古城區(qū)的研究結(jié)果，分析研究區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的主要影響要素，例如自然環(huán)境、地質(zhì)要素等，研究的過(guò)程中搭建層次結(jié)構(gòu)模型[15]及具體因子（如圖3）.

（2）建立判斷矩陣：圖3構(gòu)建的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性層次分析法結(jié)構(gòu)模型可對(duì)因子進(jìn)行分析，對(duì)因子的隸屬性問題進(jìn)行準(zhǔn)確表現(xiàn). 依照1～9 標(biāo)度法等有關(guān)內(nèi)容，因子之間會(huì)存在層次方面的不同，對(duì)各個(gè)因子所涉及到的相對(duì)作用程度進(jìn)行分析，明確其權(quán)重后，搭建A-B層、B-C層判斷矩陣，見表2-表5.

表2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性判斷矩陣（A-B）

表3 地理環(huán)境因素判斷矩陣

表4 地質(zhì)環(huán)境因素判斷矩陣

表5 外部致災(zāi)因素判斷矩陣

圖3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)層次分析法結(jié)構(gòu)模型

(3) 相對(duì)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)：求得矩陣的最大特征值λmax，同時(shí)獲得相應(yīng)的特征向量，并根據(jù)式（2）、（3）驗(yàn)證判斷矩陣的一致性.

式中：CI是一致性指標(biāo)，其值越小則表明不一致程度越低；λmax為判斷矩陣的最大特征值，n為階數(shù).CR為一致性比率，RI是隨機(jī)一致性指標(biāo). 通過(guò)CR基于變量和指標(biāo)之間的比較而判斷模型的優(yōu)劣程度[16]，若CR＜0.1，可接受判斷矩陣的一致性.然后獲得準(zhǔn)則層對(duì)方案層(B-C)歸一化后的權(quán)重Wi，將其在目標(biāo)層(A)下再次歸一化后，獲取目標(biāo)層對(duì)方案層(A-C)的權(quán)重，具體數(shù)據(jù)內(nèi)容見表6、表7.

表6 判斷矩陣權(quán)重計(jì)算（A-C）

表7 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)權(quán)重

3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)區(qū)劃

3.1 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)區(qū)劃結(jié)果與分析

本文研究過(guò)程中使用GIS 軟件的空間分析、柵格計(jì)算功能，在確定評(píng)價(jià)因子所屬的分級(jí)后，利用信息量法求算出各分級(jí)單元信息量，利用層次分析法(AHP)獲得各評(píng)價(jià)因子權(quán)重，將兩者進(jìn)行耦合運(yùn)算，具體公式為：

式中：S為評(píng)價(jià)單元的綜合信息量值，Wi為層次分析法獲得的各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，Iij為第i個(gè)評(píng)價(jià)因子第j個(gè)類別的信息. 結(jié)果顯示，加權(quán)信息量值區(qū)間為-0.658 67 ～0.721 78. 以綜合加權(quán)信息量值的組間方差最大、組內(nèi)方差最小為聚類結(jié)束條件，采用自然斷點(diǎn)法將總信息量值劃分為4 個(gè)區(qū)間：-0.658 67～-0.268 89、-0.268 89 ～-0.063 18、-0.063 18 ～0.218 32、0.218 32 ～0.721 778，則研究區(qū)域所處區(qū)間表現(xiàn)出的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)劃分為低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)以及極高危險(xiǎn)區(qū). 為了獲取研究地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃，對(duì)其進(jìn)行重分類，得到結(jié)果如圖4所示.

3.2 區(qū)劃驗(yàn)證結(jié)果

將研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃圖和既有災(zāi)害點(diǎn)疊加，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到表8所示結(jié)果.

表8 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃統(tǒng)計(jì)

由表8 可知，73.68%的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布于高危險(xiǎn)區(qū)和極高危險(xiǎn)區(qū)，低危險(xiǎn)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)僅占4.45%. 通過(guò)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，低危險(xiǎn)區(qū)災(zāi)害點(diǎn)通常發(fā)育規(guī)模小，僅可能對(duì)山區(qū)公路造成潛在威脅. 隨著危險(xiǎn)性的提高，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度逐步增大. 研究區(qū)內(nèi)河流沿岸，尤其是金沙江沿岸，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較多，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度高. 由此可見，通過(guò)本文綜合的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害分布吻合.

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)資料分析、野外調(diào)查、遙感解譯等手段，基于GIS 技術(shù)總結(jié)古城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害空間分布規(guī)律，采用AHP-信息量法開展古城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

(1) 古城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要受到坡度、高程、地形起伏度、NDVI 等9 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，經(jīng)驗(yàn)證古城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃分析研究選取的評(píng)價(jià)因子合理可靠.

(2) 地質(zhì)災(zāi)害極高危險(xiǎn)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害高危險(xiǎn)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害低危險(xiǎn)區(qū)分別占全區(qū)的8.04%、28.54%、43.60%、20.82%，涉及面積分別為：88.10 km2、356.91 km2、545.33 km2、260.42 km2，與實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害分布吻合.