基于加權信息量方法的汕頭市地質災害易發(fā)性評價

吳勇慶

(廣東省地質局第二地質大隊，廣東 汕頭 515021)

0 前言

地質災害易發(fā)性是指在一定的地質環(huán)境條件和人類工程活動影響條件下，地質災害發(fā)生的可能性的難易程度，也被稱為地質災害空間預測、地質災害敏感性等。地質災害易發(fā)性分區(qū)是根據(jù)地質災害形成發(fā)育的背景，并結合地質災害發(fā)育現(xiàn)狀調查預測評價結果，以定性、定量評價相結合予以確定，目的是闡明區(qū)域地質災害的分布規(guī)律，發(fā)育特征及危害，為地質災害防治提供科學基礎。

我國是一個地質災害頻發(fā)的國家，地震、滑坡、山崩、洪澇、泥石流等地質災害給中國人民帶來了不可估算的損失，制約著國民經濟的發(fā)展。地質災害對人類的生活帶來了嚴重的威脅，它可以中斷交通線、阻塞河道、掩埋村莊等，破壞性很強[1]。

因為地質災害的破壞性極大，地質災害的預測成為了研究熱點。地質災害易發(fā)性評價的理論基礎是工程地質類比法，縱觀其發(fā)展歷程，經歷了從定性—半定量—定量的過程[2]。定量方法是在進行定性分析的基礎上，建立預測對象的地質模型，通過合理假設或簡化，將復雜的研究對象抽象成可以求解的數(shù)學模型，進而選取合理參數(shù)，進行預測計算，獲得評價預測結果[2]。

信息量模型是地質災害易發(fā)性評價模型中應用得最為廣泛的數(shù)學模型之一，最早由趙鵬大等人從前蘇聯(lián)引入中國并應用于地質找礦[3]，后來，晏同珍、殷坤龍等將其應用于滑坡空間預測[4-5]。信息量模型理論比較成熟，它能與GIS技術很好的結合，逐漸成為了地質災害易發(fā)性評價的一種有效方法。

在國內，信息量模型在滑坡預測中得到廣泛應用，信息量模型理論已經非常成熟，早在1985年，晏同珍、殷坤龍等曾先后多次在陜南及長江三峽庫區(qū)探索了信息量方法在區(qū)域性滑坡災害空間預測分區(qū)中的應用，并與其他方法的研究成果進行了比較性研究。近年來，國內學者利用信息量模型做了大量滑坡空間預測工作[6-18]，例如：2003年，張桂榮，殷坤龍，劉傳正等運用信息量模型對陜西省旬陽地區(qū)斜坡穩(wěn)定性進行了空間定量預測。2004年，朱良峰、吳信才、殷坤龍等采用信息量模型對中國范圍內的滑坡災害進行危險性分析和區(qū)域社會經濟易損性分析，并在此基礎上進行最終的滑坡災害風險評估。2005年，石菊松、張永雙、董誠等采用基于GIS技術的信息量模型和敏感性評價方法，實現(xiàn)了巴東縣新城區(qū)滑坡災害危險性區(qū)劃。2006年，高克昌、崔鵬，趙純勇等結合GIS技術和信息量模型對重慶萬州滑坡災害進行了危險性評價。2009年，孟令超、盧曉倉、史晨曉等利用信息量模型對達曲庫區(qū)進行了滑坡危險性分析。2010年，盧曉倉，陳泰霖利用信息量模型對某工程庫區(qū)進行了危險性分析。2011年，牛全福，程維明，蘭恒星等基于信息量模型對玉樹地震次生地質災害進行了危險性評價。2011年，趙衡，宋二祥對信息量模型進行了改進和應用，建議引入因素分析評估和減少各因素間的相關性。

當前學者所應用的信息量模型為簡化的信息量模型，通過計算單因素信息量，在綜合疊加分析，很少考慮因素之間的權重關系，這可能對預測精度產生影響，本文中稱這種簡化的信息量模型為“理想信息量模型”。如果不單單計算各種因素組合對滑坡災害提供的信息量，而且，對于區(qū)域地質災害要素綜合研究“最佳權重組合”，而不是將各個地質災害因素設置為等權重，即為“加權信息量模型”。因此，本文以汕頭市為研究區(qū)，結合GIS技術和加權信息量模型，探討了研究區(qū)地質災害易發(fā)性的分布規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

本文選定的研究區(qū)為廣東整個汕頭市行政區(qū)域，轄6區(qū)1縣，分別為金平區(qū)、龍湖區(qū)、濠江區(qū)、澄海區(qū)、潮陽區(qū)、潮南區(qū)、南澳縣，總面積為2 164.64 km2；地理坐標為：東經116°14′26″～117°09′24″，北緯23°02′30″～23°38′54″。汕頭市位于廣東省東部，瀕臨南海，位于韓江三角洲南端，北接潮州，西鄰揭陽，東南瀕臨南海，與臺灣隔海相望，境內有韓江、榕江、練江三江入海，是中國大陸唯一擁有內海灣的城市，大陸海岸線長217.7 km，海島岸線長167.37 km，有大小島嶼82個。汕頭市全區(qū)總面積為2 164.64 km2，其中中心城區(qū)面積為419.71 km2，澄海區(qū)面積為372.77 km2，潮南區(qū)面積為593.80 km2，潮陽區(qū)面積為666.63 km2，南澳縣主島面積為111.73 km2。

汕頭市地處廣東省東部，瀕臨南海，屬于南亞熱帶季風氣候，受海洋性東南亞季風影響很大，且處于低緯度地區(qū)，太陽輻射強，日照天數(shù)多，平均氣溫高，夏季盛吹東南風，冬季為北風和偏北風。四季主要特點：春季陰雨天氣較多，夏季高溫濕熱，水汽含量大，常帶來大雨、暴雨，秋季常有雷雨、臺風雨，冬季寒冷，雨量稀少，霜凍期很短。

汕頭市地處海濱沖積平原之上，處在粵東的蓮花山脈到南海之間，境內地勢自西北向東南傾斜，整個地形自西北向東南依次是中低山—丘陵，臺地或階地—沖積平原或海積平原—海岸前沿的砂隴和海蝕崖—島嶼。東北部有蓮花山脈，西北是桑浦山，西南有大南山。東南部沿海沿江出口處為沖積平原或海積平原和海蝕地貌以及港灣和島嶼的分布。韓江、榕江、練江的中、下游流經市境，三江出口處成沖積平原，是粵東最大的平原。

根據(jù)區(qū)域地質資料，汕頭市出露地層為第四系，白堊系、侏羅系和三疊系。其中第四系為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)，白堊系為南山村組(K1n)，侏羅系包括上龍水組(J3sh)、熱水洞組-水底山組并層(J2-3r-sd)、銀瓶山組(T3J1y)，藍塘群(T3J1L)，三疊系為小坪組(T3x)。

汕頭市區(qū)在地貌單元上以河口沖洪積平原為主，其次為沿海丘陵地帶。沖洪積平原分布區(qū)地表發(fā)育了幾十米至厚度逾百米的第四系松散堆積層，其中的砂性土層分布連續(xù)性好、厚度較大，而且本地區(qū)降雨量豐富，為汕頭市區(qū)地下水的形成、儲存、運動提供了優(yōu)越的水文地質條件。根據(jù)工作區(qū)內地下水賦存條件，含水層水理性質和水力特征，本區(qū)地下水劃分類型為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。除此之外，基巖風化殼中發(fā)育有網狀裂隙水，多賦存于第四系覆蓋區(qū)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.2 地質災害加權信息量模型

當不考慮各影響因素的權重差別時，地質災害(Y)發(fā)生的不確定性是與Y的先驗概率成反比的，即對Y的不確定性可表示為先驗概率的倒數(shù)的某一函數(shù)。我們取這一函數(shù)為以2為底的對數(shù)函數(shù)，單位為比特(bit)，并把這樣定義的不確定性稱為地質災害(Y)的自信息量：

(1)

I(Y)代表兩種含義：(1)當?shù)刭|災害發(fā)生以前，表示地質災害發(fā)生的不確定性；(2)當?shù)刭|災害發(fā)生以后表示地質災害所含有的信息量。

當考慮各個因素的影響時，我們把條件概率稱為后驗概率P(Y∣x1x2…xn)，它是在各因素共同作用下而發(fā)生地質災害的概率。那么，各因素影響下，是否地質災害尚存在的不確定性應該是后驗概率倒數(shù)的函數(shù)。于是，已經消除的不確定性為：先驗的不確定性減去尚存的不確定性。這就是收信者獲得的信息量，定義為互信息量：

(2)

式(2)就是信息量的表達式。根據(jù)條件概率運算，式(2)可進一步寫成：

I(Y；x1x2…xn)=I(Y；x1)+Ix1I(Y；x2)+…+Ix1x2…xn-1(Y；xn)

(3)

式中：I(Y；x1x2…xn)表示因素組合x1x2…xn對地質災害所提供的信息量(bit)；P(Y∣x1x2…xn)表示組合條件下地質災害發(fā)生的概率；P(Y)表示地質災害災害發(fā)生的概率；

Ix1I(Y；x2)表示因素x1存在時，因素x2對地質災害災害提供的信息量(bit)。

式(3)中，x1x2…xn地質災害因素組合對地質災害災害所提供的信息量等于因素x1提供的信息量，地質災害加上因素x1確定后因素x2對地質災害災害提供的信息量，直至因素x1x2…xn-1確定后，xn對地質災害提供的信息量。如果采用面積比來計算信息量，對于柵格圖層，面積可用柵格單元數(shù)近似表示，式(3)則可表示為：

(4)

式中：S表示研究區(qū)的柵格單元總數(shù)；S0表示研究區(qū)內有x1x2…xn的柵格單元數(shù)；N表示地質災害區(qū)的柵格單元總數(shù)；N0表示地質災害區(qū)x1x2…xn組合的單元數(shù)。

由于導致地質災害災害的因素很多，相對應的因素組合也就十分多，樣本統(tǒng)計數(shù)量往往受到限制，故一般采用簡化的單因素信息量模型(“理想信息量模型”)分步計算每個地質災害因素的信息量，單因素xi的信息量公式為：

(5)

理想信息量模型式需要對各個因素的信息量綜合疊加，簡單的認為各因素之間是等權重的，將式(3)簡化為：

(6)

所以得到理想信息量模型的公式為：

(7)

式中：I(Y；xi)地質災害—地質災害單因素xi對地質災害災害所提供的信息量(bit)；I(Y；x1x2…xn)地質災害—地質災害研究區(qū)某單元信息量預測綜合值(bit)；S表示研究區(qū)的柵格單元總數(shù)；Si表示研究區(qū)含有因素xi的單元總數(shù)；N表示地質災害區(qū)的柵格單元總數(shù)；Ni表示地質災害區(qū)含有因素xi的單元總數(shù)。

通過柵格計算，可以得到每個柵格單元的總信息量值I，其值越大，則表明該單元所在區(qū)域發(fā)生地質災害災害的概率越大。

地質災害的形成受多種因素影響，信息量模型反映了一定地質環(huán)境下最易致災因素及地質災害其細分區(qū)間的組合；具體是通過特定評價單元內某種因素作用下地質災害發(fā)生頻率與區(qū)域地質災害地質災害發(fā)生頻率相比較實現(xiàn)的。但該統(tǒng)計分析只是反映了各影響因子在特定組合類別地質災害情況下災害發(fā)生的概率，未充分考慮各因子對地質災害發(fā)生貢獻的差異性。因此，本次采用地質災害層次分析法(AHP)加權的信息量評價模型，利用層次分析法賦予每個評價因子不同的權地質災害重，最后進行疊加，使結果更加準確合理。

表1 易發(fā)性評價因子選取分級表

3 研究內容及結果

3.1 評價因子選取

基于加權信息模型的計算方式及評價因子的建立原則，結合野外實地調查并對調查范圍地質災害影響因素進行分析，本次共選擇6個評價因子建立地質災害易發(fā)性評價因子體系，6個評價因子分別為坡度、坡向、地形起伏度、工程地質巖組、距構造距離和距道路距離，見表1。

3.2 單元格網劃分

地質災害發(fā)育的嚴重程度受到諸多因素的作用，在局部區(qū)域又表現(xiàn)出明顯的差異性和復雜性，因此，在對研究區(qū)進行易發(fā)性評價時首先考慮確定的就是評價單元的選取是評價體系建立的基礎。目前，國內外研究學者對評價單元的區(qū)劃方法概括起來大致有幾類：規(guī)則柵格單元、自然斜坡或地貌單元、行政單元等。本次汕頭市地質災害易發(fā)性評價選取規(guī)則柵格單元評價單元。依據(jù)經驗公式來確定所分柵格的大小，將柵格大小確定為10 m×10 m，采用柵格單元表達易發(fā)性評價結果，通過對柵格評價結果的分析，劃分易發(fā)性分區(qū)。

3.3 評價因子權重確定及信息量權值計算

根據(jù)層次分析法為每個評價因子賦權重值，參考本單位專家意見及野外調查結果，對各因子之間的相互重要性進行打分，構建各因子判斷矩陣。

表2 易發(fā)性評價因子體系權重層次分析法計算矩陣

采用方根法求出上述判斷矩陣的最大特征根λmax=6.227。根據(jù)一致性檢驗可得：CI=0.045，RI=1.260，CR=CI/RI=0.036<0.1，符合一致性，對其相應的特征向量歸一化處理，并結合研究區(qū)實際情況做出輕微調整，得到各評價因子權重分配(表3)。

表3 易發(fā)性評價因子權重分配表

通過使用ArcGIS軟件的分析功能，將每個評價因子按照分級要求進行重分類，并分別求得其不同類別的面積，然后將地質災害點及孕災地質條件點的空間分布與評價因子的不同級別進行疊加，分析每個級別中擁有的地質災害點及孕災地質條件點個數(shù)，得到相交后的計算結果，代入單一評價因子的信息量計算公式，求得不同評價因素各個層級對地質災害所產生的或所提供的信息量以及汕頭市地質災害各評價因子分級圖(見圖1～圖7)。

圖1 地質災害易發(fā)性評價因子信息量圖(坡度)

圖2 地質災害易發(fā)性評價因子信息量圖(坡形)

圖3 地質災害易發(fā)性評價因子信息量圖(地形起伏度)

圖4 地質災害易發(fā)性評價因子信息量圖(工程巖組)

圖5 地質災害易發(fā)性評價因子信息量圖(地質構造)

3.4 評價結果

采用GIS空間分析中柵格重分類工具，按照自然斷點分級法(表4)，找出4個突變點作為分區(qū)界限將地質災害易發(fā)性結果圖分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、非易發(fā)區(qū)4類。最后，在定量分區(qū)的基礎上，綜合考慮現(xiàn)有地質災害各區(qū)分布、環(huán)境地質災害條件及人類工程活動強度等各種因素，進行人工修正，得到最終的崩塌、滑坡地質災害易發(fā)性分區(qū)圖，詳見圖8。

圖6 地質災害易發(fā)性評價因子信息量圖(距道路距離)

圖7 地質災害易發(fā)性評價因子信息量圖(距水系距離)

表4 地質災害易發(fā)性分區(qū)分級范圍

圖8 汕頭市地質災害易發(fā)性分區(qū)圖

由圖8可知，汕頭市地質災害高、中易發(fā)區(qū)主要集中在西部、中部部分地區(qū)以及東部地區(qū)。其余大部分地區(qū)的地質災害的易發(fā)性以低易發(fā)區(qū)為主。對于中高易發(fā)區(qū)的崩滑流地質災害，建議采用工程治理、監(jiān)測預警的方式進行風險管控，以工程治理為主，監(jiān)測預警以專業(yè)監(jiān)測和群測群防相結合，專業(yè)監(jiān)測為主。對于低易發(fā)區(qū)，采取保護性方法，防災減災對策以群測群防為主。

4 結語

(1)本文以廣東省汕頭市為研究對象，選取坡度、坡向、地形起伏度、工程巖組、距道路距離、距水系距離等6種地質災害因素，基于加權信息量模型與GIS技術，探討了加權信息量模型在地質災害易發(fā)性評價中的應用。

(2)本研究結合汕頭市地質災害防治的實際情況，從地質災害防治適宜性和成本效益性角度出發(fā)，提出了軟硬兼施的地質災害風險減緩與措施建議，可為地方地質災害防治和防災減災政策的制定提供參考。