基于層次分析模型的寧國(guó)市降雨滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)

趙金彪，袁 康

(1.安徽瑞成土木工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司，安徽 合肥 230088； 2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

滑坡地質(zhì)災(zāi)害在世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生，并且分布廣泛[1]，危害程度較大[2]。廣泛定義為在自身重力或者外在因素如降雨、地震、人類(lèi)工程活動(dòng)等影響下山體發(fā)生的水平位移現(xiàn)象[3]。我國(guó)陸地面積遼闊，且位于環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，地質(zhì)地形復(fù)雜，因此地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，其中滑坡災(zāi)害占比最大。以2015年為例，全國(guó)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害8 224起，其中，滑坡就占據(jù)了5 616起，接近70%，造成的損失十分慘重[4]。我國(guó)的地質(zhì)災(zāi)害主要分布在江西、湖南、云南、安徽、浙江和四川等地，這些省份地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，降雨量大，臺(tái)風(fēng)暴雨頻繁，人類(lèi)工程活動(dòng)強(qiáng)烈，特殊的環(huán)境導(dǎo)致這些區(qū)域每年都發(fā)生大量的滑坡。

2019年8月9日～11日期間，受“利奇馬”臺(tái)風(fēng)影響，寧國(guó)區(qū)域普降暴雨，臺(tái)風(fēng)暴雨導(dǎo)致寧國(guó)區(qū)域大量房屋倒塌、農(nóng)作物減產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施被破壞、發(fā)生多處地質(zhì)災(zāi)害，造成人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失25.94億元[5-6]。此次臺(tái)風(fēng)降雨造成很多地區(qū)發(fā)生滑坡災(zāi)害，選取寧國(guó)市為研究區(qū)域進(jìn)行研究，填補(bǔ)當(dāng)?shù)嘏_(tái)風(fēng)暴雨滑坡易發(fā)性和危險(xiǎn)性研究的空缺。

以寧國(guó)市為研究區(qū)，對(duì)比臺(tái)風(fēng)來(lái)襲前后衛(wèi)星影像，解譯出臺(tái)風(fēng)暴雨期間發(fā)生的滑坡，建立寧國(guó)市滑坡數(shù)據(jù)庫(kù)。在此基礎(chǔ)上，分析各影響因子對(duì)滑坡的影響，得到滑坡的空間分布規(guī)律，用層次分析法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行滑坡易發(fā)性分區(qū)。主要內(nèi)容如下：1)解譯影像資料建立滑坡數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)臺(tái)風(fēng)暴雨前后的3 m分辨率的Planet衛(wèi)星影像，用人工目視解譯法在研究區(qū)內(nèi)獲取了414處滑坡。2)用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)結(jié)合ArcGIS軟件平臺(tái)做研究區(qū)的滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)并驗(yàn)證。根據(jù)易發(fā)性分區(qū)圖，將研究區(qū)分為：極高危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)、極低危險(xiǎn)區(qū)，分區(qū)結(jié)果與實(shí)際情況比較吻合。

1 研究區(qū)背景

研究區(qū)位于安徽省東南部，總面積為3 002.3 km2，位于東經(jīng)118°38′～119°17′，北緯30°43′～30°42′之間。研究區(qū)位于寧國(guó)市，地處皖南山地丘陵區(qū)域，地勢(shì)南高北低，東西兩側(cè)有較多山川，分別屬于天目山脈和黃山山脈，主要位于東南部和西南部；中北部屬于宣郎廣丘陵區(qū)域，主要分布著低山丘陵。除了主要的山地丘陵地貌外，還有中山地貌、低山地貌、臺(tái)地地貌、河谷平原地貌、山間盆地地貌等。地層屬揚(yáng)子地層，出露地層有志留系(S)、寒武系(∈)、奧陶系(O)、震旦系(Z)、三疊系(T)、侏羅系(J)、第四系(Qp)、泥盆系(D)、二疊系(P)、白堊系(K)、石炭系(C)、花崗斑巖(γπ)，其中志留系和寒武系出露最廣。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

寧國(guó)市降雨滑坡地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于基于Planet衛(wèi)星影像提取滑坡。基于降雨前后3 m分辨率的Planet衛(wèi)星影像，用人工目視解譯得到414處滑坡，建立客觀(guān)、詳細(xì)、真實(shí)的滑坡編目圖。在綜合考慮研究區(qū)地質(zhì)背景和查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，選取了高程、坡度、坡向、距斷層距離、地層巖性、距水系距離、距道路距離、NDVI、降雨量等9個(gè)因子。

2.2 方法

AHP模型是由T.L.Satty在20世紀(jì)70年代提出，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展應(yīng)用和改良，已經(jīng)十分適用于滑坡災(zāi)害評(píng)估。該方法的優(yōu)點(diǎn)明顯,思路簡(jiǎn)潔且計(jì)算簡(jiǎn)便，可以用很少的數(shù)據(jù)把問(wèn)題和影響因子的關(guān)系分析透徹。許多學(xué)者對(duì)層次分析法的原理和應(yīng)用展開(kāi)研究[7]，它可以很好的梳理影響因子之間以及影響因子和滑坡發(fā)生的關(guān)系。層次分析法的主要步驟如下：

1)選取影響因子，構(gòu)造判斷矩陣。

以表1的標(biāo)度方法判斷各影響因子在同一層次中的相對(duì)重要性，在此基礎(chǔ)上建立判斷矩陣A:

表1 AHP判斷矩陣的標(biāo)度方法

2)計(jì)算判斷矩陣的特征向量ω和最大特征值λmax。

構(gòu)建好判斷矩陣之后，需要計(jì)算矩陣最大特征值λmax和對(duì)應(yīng)的特征向量ω，該文用算術(shù)平均法(和積法)計(jì)算，主要步驟如下：

a.將判斷矩陣按列歸一化：

b.歸一化之后的矩陣，每一行的平均值即為特征向量ω，原判斷矩陣A乘以特征向量ω。歸一化之后的矩陣，加上一列特征向量ω和一列向量Aω，組成一個(gè)新的矩陣。判斷矩陣需滿(mǎn)足公式：

Aω=λmaxA。

c.計(jì)算最大特征值λmax。

在上述新矩陣的基礎(chǔ)上，利用公式計(jì)算最大特征值λmax：

3)一致性檢驗(yàn)。

在判斷因子重要性時(shí)要保證各判斷之間協(xié)調(diào)一致，保證結(jié)果精確，檢驗(yàn)公式如下：

其中，n為矩陣階數(shù)，當(dāng)n>2時(shí)，用CR表示隨機(jī)一致性比率：

CR=CI/RI。

RI是判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，如表2所示。

表2 判斷矩陣平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)CR<0.1時(shí)，即判斷矩陣具有較好的一致性，反之，則調(diào)整矩陣直至滿(mǎn)足要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 滑坡數(shù)量與面積

對(duì)比降雨前后影像，根據(jù)人工目視解譯方法解譯得到414處滑坡，滑坡總面積1.42 km2，其中最小的滑坡面積僅235 m2，最大的滑坡面積為49 826 m2?？傮w來(lái)說(shuō)，此次臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)的大多為小規(guī)模滑坡，面積較大的滑坡數(shù)量較少?；路植既鐖D1所示。

3.2 層次分析易發(fā)性評(píng)價(jià)

根據(jù)前人的經(jīng)驗(yàn)及可以收集到的資料[8]，本文采用9個(gè)影響因子：高程、坡度、坡向、距斷層距離、地層巖性、距水系距離、距道路距離、NDVI、降雨量。計(jì)算層次分析法用算術(shù)平均法(和積法)。

在A(yíng)rcGIS平臺(tái)上用各因子權(quán)重值乘以各自圖層疊加得到滑坡易發(fā)性指數(shù)圖，用自然斷點(diǎn)法(Jenks)將圖層分為5個(gè)區(qū)間：極低易發(fā)區(qū)(指數(shù)為1.308～2.215)，低易發(fā)區(qū)(指數(shù)為2.215～2.654)，中易發(fā)區(qū)(指數(shù)為2.654～3.092)，高易發(fā)區(qū)(指數(shù)為3.092～3.637)，極高易發(fā)區(qū)(指數(shù)為3.637～5.165)，滑坡易發(fā)性區(qū)劃圖如圖2所示。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果分析及檢驗(yàn)

利用AHP模型得到研究區(qū)易發(fā)性區(qū)劃圖，此模型通過(guò)了一致性檢驗(yàn)，表明權(quán)重值準(zhǔn)確，模型可以使用，對(duì)AHP得到的結(jié)果做合理性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果是否合理準(zhǔn)確。將易發(fā)性區(qū)劃圖重分類(lèi)計(jì)算各分區(qū)面積，統(tǒng)計(jì)各分區(qū)面積、滑坡數(shù)量、滑坡面積、滑坡點(diǎn)密度、滑坡面密度，結(jié)果如表3所示。

表3 AHP合理性檢驗(yàn)

從表3中可以看出，滑坡點(diǎn)密度和滑坡面密度隨著易發(fā)性增加而增加，符合合理性要求。

5 結(jié)論

1)基于降雨前后3 m分辨率的Planet衛(wèi)星影像，在3 002 km2范圍研究區(qū)解譯得到此次降雨事件導(dǎo)致的414處滑坡，建立了滑坡數(shù)據(jù)庫(kù)?；驴偯娣e1.42 km2，統(tǒng)計(jì)滑坡數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)有近一半的滑坡面積在2 000 m2以下，滑坡規(guī)模小且分布廣。

2)各易發(fā)等級(jí)分布狀況來(lái)看，研究區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)主要分布在區(qū)域東南、西北部，極低及低易發(fā)區(qū)主要分布在中部。層次分析模型評(píng)價(jià)的中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)面積占比為24.76%，18.79%，4.72%，包含了區(qū)域87.2%的滑坡災(zāi)害點(diǎn)。