基于加權(quán)信息量方法的汕頭市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

吳勇慶

(廣東省地質(zhì)局第二地質(zhì)大隊(duì)，廣東 汕頭 515021)

0 前言

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性是指在一定的地質(zhì)環(huán)境條件和人類工程活動(dòng)影響條件下，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性的難易程度，也被稱為地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害敏感性等。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)是根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害形成發(fā)育的背景，并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀調(diào)查預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)結(jié)果，以定性、定量評(píng)價(jià)相結(jié)合予以確定，目的是闡明區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律，發(fā)育特征及危害，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)基礎(chǔ)。

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，地震、滑坡、山崩、洪澇、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害給中國(guó)人民帶來(lái)了不可估算的損失，制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。地質(zhì)災(zāi)害對(duì)人類的生活帶來(lái)了嚴(yán)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(qiáng)[1]。

因?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害的破壞性極大，地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)成為了研究熱點(diǎn)。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的理論基礎(chǔ)是工程地質(zhì)類比法，縱觀其發(fā)展歷程，經(jīng)歷了從定性—半定量—定量的過(guò)程[2]。定量方法是在進(jìn)行定性分析的基礎(chǔ)上，建立預(yù)測(cè)對(duì)象的地質(zhì)模型，通過(guò)合理假設(shè)或簡(jiǎn)化，將復(fù)雜的研究對(duì)象抽象成可以求解的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而選取合理參數(shù)，進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，獲得評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)結(jié)果[2]。

信息量模型是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型中應(yīng)用得最為廣泛的數(shù)學(xué)模型之一，最早由趙鵬大等人從前蘇聯(lián)引入中國(guó)并應(yīng)用于地質(zhì)找礦[3]，后來(lái)，晏同珍、殷坤龍等將其應(yīng)用于滑坡空間預(yù)測(cè)[4-5]。信息量模型理論比較成熟，它能與GIS技術(shù)很好的結(jié)合，逐漸成為了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的一種有效方法。

在國(guó)內(nèi)，信息量模型在滑坡預(yù)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用，信息量模型理論已經(jīng)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(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)探索了信息量方法在區(qū)域性滑坡災(zāi)害空間預(yù)測(cè)分區(qū)中的應(yīng)用，并與其他方法的研究成果進(jìn)行了比較性研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用信息量模型做了大量滑坡空間預(yù)測(cè)工作[6-18]，例如：2003年，張桂榮，殷坤龍，劉傳正等運(yùn)用信息量模型對(duì)陜西省旬陽(yáng)地區(qū)斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了空間定量預(yù)測(cè)。2004年，朱良峰、吳信才、殷坤龍等采用信息量模型對(duì)中國(guó)范圍內(nèi)的滑坡災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性分析和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性分析，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行最終的滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。2005年，石菊松、張永雙、董誠(chéng)等采用基于GIS技術(shù)的信息量模型和敏感性評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)了巴東縣新城區(qū)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃。2006年，高克昌、崔鵬，趙純勇等結(jié)合GIS技術(shù)和信息量模型對(duì)重慶萬(wàn)州滑坡災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。2009年，孟令超、盧曉倉(cāng)、史晨曉等利用信息量模型對(duì)達(dá)曲庫(kù)區(qū)進(jìn)行了滑坡危險(xiǎn)性分析。2010年，盧曉倉(cāng)，陳泰霖利用信息量模型對(duì)某工程庫(kù)區(qū)進(jìn)行了危險(xiǎn)性分析。2011年，牛全福，程維明，蘭恒星等基于信息量模型對(duì)玉樹(shù)地震次生地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。2011年，趙衡，宋二祥對(duì)信息量模型進(jìn)行了改進(jìn)和應(yīng)用，建議引入因素分析評(píng)估和減少各因素間的相關(guān)性。

當(dāng)前學(xué)者所應(yīng)用的信息量模型為簡(jiǎn)化的信息量模型，通過(guò)計(jì)算單因素信息量，在綜合疊加分析，很少考慮因素之間的權(quán)重關(guān)系，這可能對(duì)預(yù)測(cè)精度產(chǎn)生影響，本文中稱這種簡(jiǎn)化的信息量模型為“理想信息量模型”。如果不單單計(jì)算各種因素組合對(duì)滑坡災(zāi)害提供的信息量，而且，對(duì)于區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害要素綜合研究“最佳權(quán)重組合”，而不是將各個(gè)地質(zhì)災(zāi)害因素設(shè)置為等權(quán)重，即為“加權(quán)信息量模型”。因此，本文以汕頭市為研究區(qū)，結(jié)合GIS技術(shù)和加權(quán)信息量模型，探討了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)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(gè)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(yáng)區(qū)、潮南區(qū)、南澳縣，總面積為2 164.64 km2；地理坐標(biāo)為：東經(jīng)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(yáng)，東南瀕臨南海，與臺(tái)灣隔海相望，境內(nèi)有韓江、榕江、練江三江入海，是中國(guó)大陸唯一擁有內(nèi)海灣的城市，大陸海岸線長(zhǎng)217.7 km，海島岸線長(zhǎng)167.37 km，有大小島嶼82個(gè)。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(yáng)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(fēng)氣候，受海洋性東南亞季風(fēng)影響很大，且處于低緯度地區(qū)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照天數(shù)多，平均氣溫高，夏季盛吹東南風(fēng)，冬季為北風(fēng)和偏北風(fēng)。四季主要特點(diǎn)：春季陰雨天氣較多，夏季高溫濕熱，水汽含量大，常帶來(lái)大雨、暴雨，秋季常有雷雨、臺(tái)風(fēng)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(nèi)地勢(shì)自西北向東南傾斜，整個(gè)地形自西北向東南依次是中低山—丘陵，臺(tái)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(jīng)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(zhì)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(lán)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(chǔ)存、運(yùn)動(dòng)提供了優(yōu)越的水文地質(zhì)條件。根據(jù)工作區(qū)內(nèi)地下水賦存條件，含水層水理性質(zhì)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(fēng)化殼中發(fā)育有網(wǎng)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(lái)源

2.2 地質(zhì)災(zāi)害加權(quán)信息量模型

當(dāng)不考慮各影響因素的權(quán)重差別時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害(Y)發(fā)生的不確定性是與Y的先驗(yàn)概率成反比的，即對(duì)Y的不確定性可表示為先驗(yàn)概率的倒數(shù)的某一函數(shù)。我們?nèi)∵@一函數(shù)為以2為底的對(duì)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(zhì)災(zāi)害(Y)的自信息量：

(1)

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

當(dāng)考慮各個(gè)因素的影響時(shí)，我們把條件概率稱為后驗(yàn)概率P(Y∣x1x2…xn)，它是在各因素共同作用下而發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率。那么，各因素影響下，是否地質(zhì)災(zāi)害尚存在的不確定性應(yīng)該是后驗(yàn)概率倒數(shù)的函數(shù)。于是，已經(jīng)消除的不確定性為：先驗(yàn)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(dá)式。根據(jù)條件概率運(yùn)算，式(2)可進(jìn)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x(chóng)1x2…xn對(duì)地質(zhì)災(zāi)害所提供的信息量(bit)；P(Y∣x1x2…xn)表示組合條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率；P(Y)表示地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害發(fā)生的概率；

Ix1I(Y；x2)表示因素x1存在時(shí)，因素x2對(duì)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害提供的信息量(bit)。

式(3)中，x1x2…xn地質(zhì)災(zāi)害因素組合對(duì)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害所提供的信息量等于因素x1提供的信息量，地質(zhì)災(zāi)害加上因素x1確定后因素x2對(duì)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害提供的信息量，直至因素x1x2…xn-1確定后，xn對(duì)地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量。如果采用面積比來(lái)計(jì)算信息量，對(duì)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(nèi)有x1x2…xn的柵格單元數(shù)；N表示地質(zhì)災(zāi)害區(qū)的柵格單元總數(shù)；N0表示地質(zhì)災(zāi)害區(qū)x1x2…xn組合的單元數(shù)。

由于導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害的因素很多，相對(duì)應(yīng)的因素組合也就十分多，樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)量往往受到限制，故一般采用簡(jiǎn)化的單因素信息量模型(“理想信息量模型”)分步計(jì)算每個(gè)地質(zhì)災(zāi)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(duì)各個(gè)因素的信息量綜合疊加，簡(jiǎn)單的認(rèn)為各因素之間是等權(quán)重的，將式(3)簡(jiǎn)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(zhì)災(zāi)害—地質(zhì)災(zāi)害單因素xi對(duì)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)害所提供的信息量(bit)；I(Y；x1x2…xn)地質(zhì)災(zāi)害—地質(zhì)災(zāi)害研究區(qū)某單元信息量預(yù)測(cè)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(zhì)災(zāi)害區(qū)的柵格單元總數(shù)；Ni表示地質(zhì)災(zāi)害區(qū)含有因素xi的單元總數(shù)。

通過(guò)柵格計(jì)算，可以得到每個(gè)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(zhì)災(zāi)害災(zāi)害的概率越大。

地質(zhì)災(zāi)害的形成受多種因素影響，信息量模型反映了一定地質(zhì)環(huán)境下最易致災(zāi)因素及地質(zhì)災(zāi)害其細(xì)分區(qū)間的組合；具體是通過(guò)特定評(píng)價(jià)單元內(nèi)某種因素作用下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率相比較實(shí)現(xiàn)的。但該統(tǒng)計(jì)分析只是反映了各影響因子在特定組合類別地質(zhì)災(zāi)害情況下災(zāi)害發(fā)生的概率，未充分考慮各因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)的差異性。因此，本次采用地質(zhì)災(zāi)害層次分析法(AHP)加權(quán)的信息量評(píng)價(jià)模型，利用層次分析法賦予每個(gè)評(píng)價(jià)因子不同的權(quán)地質(zhì)災(zāi)害重，最后進(jìn)行疊加，使結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。

表1 易發(fā)性評(píng)價(jià)因子選取分級(jí)表

3 研究?jī)?nèi)容及結(jié)果

3.1 評(píng)價(jià)因子選取

基于加權(quán)信息模型的計(jì)算方式及評(píng)價(jià)因子的建立原則，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查并對(duì)調(diào)查范圍地質(zhì)災(zāi)害影響因素進(jìn)行分析，本次共選擇6個(gè)評(píng)價(jià)因子建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子體系，6個(gè)評(píng)價(jià)因子分別為坡度、坡向、地形起伏度、工程地質(zhì)巖組、距構(gòu)造距離和距道路距離，見(jiàn)表1。

3.2 單元格網(wǎng)劃分

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的嚴(yán)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(fù)雜性，因此，在對(duì)研究區(qū)進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)時(shí)首先考慮確定的就是評(píng)價(jià)單元的選取是評(píng)價(jià)體系建立的基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)評(píng)價(jià)單元的區(qū)劃方法概括起來(lái)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(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)選取規(guī)則柵格單元評(píng)價(jià)單元。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)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(dá)易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果，通過(guò)對(duì)柵格評(píng)價(jià)結(jié)果的分析，劃分易發(fā)性分區(qū)。

3.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定及信息量權(quán)值計(jì)算

根據(jù)層次分析法為每個(gè)評(píng)價(jià)因子賦權(quán)重值，參考本單位專家意見(jiàn)及野外調(diào)查結(jié)果，對(duì)各因子之間的相互重要性進(jìn)行打分，構(gòu)建各因子判斷矩陣。

表2 易發(fā)性評(píng)價(jià)因子體系權(quán)重層次分析法計(jì)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(yàn)可得：CI=0.045，RI=1.260，CR=CI/RI=0.036<0.1，符合一致性，對(duì)其相應(yīng)的特征向量歸一化處理，并結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況做出輕微調(diào)整，得到各評(píng)價(jià)因子權(quán)重分配(表3)。

表3 易發(fā)性評(píng)價(jià)因子權(quán)重分配表

通過(guò)使用ArcGIS軟件的分析功能，將每個(gè)評(píng)價(jià)因子按照分級(jí)要求進(jìn)行重分類，并分別求得其不同類別的面積，然后將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及孕災(zāi)地質(zhì)條件點(diǎn)的空間分布與評(píng)價(jià)因子的不同級(jí)別進(jìn)行疊加，分析每個(gè)級(jí)別中擁有的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及孕災(zāi)地質(zhì)條件點(diǎn)個(gè)數(shù)，得到相交后的計(jì)算結(jié)果，代入單一評(píng)價(jià)因子的信息量計(jì)算公式，求得不同評(píng)價(jià)因素各個(gè)層級(jí)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害所產(chǎn)生的或所提供的信息量以及汕頭市地質(zhì)災(zāi)害各評(píng)價(jià)因子分級(jí)圖(見(jiàn)圖1～圖7)。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子信息量圖(坡度)

圖2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子信息量圖(坡形)

圖3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子信息量圖(地形起伏度)

圖4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子信息量圖(工程巖組)

圖5 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子信息量圖(地質(zhì)構(gòu)造)

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

采用GIS空間分析中柵格重分類工具，按照自然斷點(diǎn)分級(jí)法(表4)，找出4個(gè)突變點(diǎn)作為分區(qū)界限將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)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(chǔ)上，綜合考慮現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害各區(qū)分布、環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害條件及人類工程活動(dòng)強(qiáng)度等各種因素，進(jìn)行人工修正，得到最終的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖，詳見(jiàn)圖8。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子信息量圖(距道路距離)

圖7 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子信息量圖(距水系距離)

表4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)分級(jí)范圍

圖8 汕頭市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖

由圖8可知，汕頭市地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性以低易發(fā)區(qū)為主。對(duì)于中高易發(fā)區(qū)的崩滑流地質(zhì)災(zāi)害，建議采用工程治理、監(jiān)測(cè)預(yù)警的方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管控，以工程治理為主，監(jiān)測(cè)預(yù)警以專業(yè)監(jiān)測(cè)和群測(cè)群防相結(jié)合，專業(yè)監(jiān)測(cè)為主。對(duì)于低易發(fā)區(qū)，采取保護(hù)性方法，防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策以群測(cè)群防為主。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文以廣東省汕頭市為研究對(duì)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(zhì)災(zāi)害因素，基于加權(quán)信息量模型與GIS技術(shù)，探討了加權(quán)信息量模型在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

(2)本研究結(jié)合汕頭市地質(zhì)災(zāi)害防治的實(shí)際情況，從地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)減緩與措施建議，可為地方地質(zhì)災(zāi)害防治和防災(zāi)減災(zāi)政策的制定提供參考。