基于斜坡單元下的AHP-信息量法在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中的應(yīng)用

孫翊翔，賈 俊，張茂省，武文英

1.長安大學(xué)，陜西 西安 710054；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價是指通過一定的分析方法，選取多種類型的評價因子，綜合分析這些因素對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)的大小，最終確定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能程度［1-3］，進(jìn)而對目標(biāo)區(qū)域?yàn)?zāi)害易發(fā)程度進(jìn)行相對化分區(qū)，對地質(zhì)災(zāi)害的防治和管理具有重要的意義［4］.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價模型從最初的定性評價模型［5］發(fā)展到定量物理力學(xué)評價模型［6］，再到目前的綜合概率統(tǒng)計(jì)模型不斷發(fā)展完善.定性分析方法有專家打分模型和層次分析模型，定量分析方法有邏輯回歸模型、模糊綜合評判模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、信息量模型等［7-8］.常用的評價類型有網(wǎng)格單元、子流域單元、斜坡單元等［9］.調(diào)查縣區(qū)周邊每個斜坡和溝谷，有助于從源頭上控制地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險［10］，斜坡是滑坡等災(zāi)害發(fā)生的基本地形地貌單元，以斜坡作為評價單元比網(wǎng)格單元更為合理與準(zhǔn)確［11-12］.運(yùn)用AHP-信息量模型評價方法定量疊加計(jì)算［13］，解決了單個模型的缺點(diǎn)，使評價結(jié)果更為客觀準(zhǔn)確［14］，最后通過數(shù)值劃分易發(fā)性等級［15］，并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮u價精度，在高山峽谷區(qū)域取得了較好的適用性成果.

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)背景

陜西省略陽縣地處秦嶺山區(qū)西段南坡，跨一級構(gòu)造單元昆侖秦嶺褶皺系，構(gòu)造極其復(fù)雜.區(qū)內(nèi)降水時間分布極不均勻，7—9月降水約占全年降水量的50%以上，受地形地貌影響，降雨量分布趨勢由北向南遞增.又因總體地貌呈高山峽谷特征，地質(zhì)環(huán)境脆弱，人類工程活動強(qiáng)烈，在地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降雨及人類工程活動等各種因素的共同作用下，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā).截至2021年6月，全區(qū)共確定地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及隱患點(diǎn)229處，其中滑坡186處、崩塌26處、泥石流12處、地面塌陷5處，造成巨大財產(chǎn)安全隱患.查明地質(zhì)環(huán)境條件并進(jìn)行易發(fā)性區(qū)劃，對略陽縣制定監(jiān)測方案和應(yīng)急預(yù)案，完善群測群防機(jī)制具有重要的意義.

1.2 災(zāi)害特征

本次研究范圍位于略陽縣城區(qū)內(nèi)，面積約161 km2，沿嘉陵江、八渡河、東渡河交匯的河谷地帶展布.居民區(qū)主要沿著公路、河流的兩岸分布.野外調(diào)查一共查明地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)151處（圖1），其中崩塌39處、滑坡112處.崩塌及滑坡主要分布在道路及村莊陡岸邊坡地帶，以及居民房前屋后邊坡處.滑坡類型以堆積層滑坡為主，沿河流兩岸及支溝斜坡成帶發(fā)育.

圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.1 Geological disaster distribution

2 評價方法

2.1 斜坡單元劃分

崩塌、滑坡等災(zāi)害是以地質(zhì)體整體為單位，傳統(tǒng)的柵格單元無法保證斜坡的整體性，也無法保證與地質(zhì)環(huán)境條件的緊密聯(lián)系，故本研究采用斜坡單元作為評價單元.劃分方法為“集水重疊法”，即基于DEM的地表水文分析，地形填洼后利用正反地形分別提取出山谷線和山脊線，再把生成的集水區(qū)域與反集水區(qū)域融合，經(jīng)過人工切割合并修正后即可得到斜坡單元.按此方法，將研究區(qū)域劃分為571個斜坡單元.

2.2 基于AHP的信息量法

AHP（層次分析法）是20世紀(jì)70年代中期Saaty提出的一種決策思維方法，把問題按照復(fù)雜程度及相關(guān)性分解為不同的層次和組成因素，將這些因素按支配關(guān)系分組形成有序的遞進(jìn)層次結(jié)構(gòu)，通過兩兩比較確定指標(biāo)的相對重要性，再綜合人的判斷以決定諸多因素的相對重要性.首先建立問題的遞增層次結(jié)構(gòu)，再通過構(gòu)建矩陣計(jì)算出比較元素的相對權(quán)重，檢驗(yàn)一致性后計(jì)算各層元素的組合權(quán)重.

式中，SI為地質(zhì)災(zāi)害綜合易發(fā)性指數(shù)，Wi為影響因素的權(quán)重，F(xiàn)i為影響因素的指數(shù).

但是僅憑AHP無法解決有較高定量要求的問題，因此引入?yún)菢淙侍岢牡刭|(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)分析評價與定量模型相結(jié)合的方法［16］，計(jì)算每個影響因素對斜坡破壞所提供的信息量值并作為定量指標(biāo)，再考慮層次分析法得到的各層元素的權(quán)重值，利用空間分析功能賦值到斜坡單元上，最終得到整個研究區(qū)的綜合信息量圖層.

式中，I（Y，x1，x2，…，xn）為各個因素對地質(zhì)災(zāi)害所提供量；P（Y，x1，x2，…，xn）為各個因素組合條件下災(zāi)害發(fā)生的概率.由此可以得出，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的總的信息量值為某個因素提供的信息量值、該因素確定后另一因素提供的信息量值、兩個因素確定后的下個因素的提供的信息量，直到所有因素確定后xn對災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)的信息量值的和.因此該模型充分考慮了各評價因素的綜合影響.

式中，N為研究區(qū)有地質(zhì)災(zāi)害分布的單元總數(shù)；S為研究區(qū)評價單元總數(shù)；Ni為分布在因素xi范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害單元數(shù)；Si為研究區(qū)內(nèi)含有評價因素xi的單元數(shù).由此得到某個因素xi對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生事件（H）貢獻(xiàn)的信息量，Ii即為各圖層各類別的信息量值.由此得到單因子圖層的信息量圖，再通過柵格疊加最終得到綜合信息量圖.

3 基于斜坡單元的評價指標(biāo)體系

3.1 評價因子選取

根據(jù)略陽縣所處地理位置與氣候條件，把致災(zāi)因素劃分為基本因素和誘發(fā)因素兩大類，基本因素包括地貌、巖土體結(jié)構(gòu)、坡度、地形起伏度、距斷層帶距離以及斜坡結(jié)構(gòu)；誘發(fā)因素包括距河流距離、距道路距離以及降雨量.

3.1.1 降雨量

降雨是誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害最主要的因素［17-18］，降雨量的大小、強(qiáng)度、持續(xù)時間均能影響地質(zhì)災(zāi)害的形成.根據(jù)略陽縣氣象站多年觀測資料，該地區(qū)全年降水量分布不均勻，夏秋兩季降雨量最多，平均年降雨量約826.2 mm.以5 mm為間隔，將略陽縣降雨量數(shù)據(jù)劃分為11類（圖2）.

圖2 年均降雨量分布圖Fig.2 Distribution map of annual mean rainfall

3.1.2 坡度

坡度是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要因素.斜坡坡度越大，臨空的危勢及斜坡內(nèi)應(yīng)力越大，發(fā)生災(zāi)害的概率也隨之增加.根據(jù)研究區(qū)災(zāi)害發(fā)育情況統(tǒng)計(jì)，以20°為間隔，將略陽縣坡度數(shù)據(jù)劃分為0°～20°、20°～40°、40°～60°、＞60°四類（圖3）.

圖3 坡度分區(qū)及災(zāi)害分布圖Fig.3 Gradient zoning and disaster distribution map

3.1.3 地貌類型

根據(jù)地貌成因、形態(tài)，將研究區(qū)地貌劃分為4個單元，分別為侵蝕-堆積河谷區(qū)、剝蝕低山區(qū)、剝蝕中山區(qū)、剝蝕高中山區(qū)，如圖4所示.研究區(qū)內(nèi)地勢地貌復(fù)雜，侵蝕切割強(qiáng)烈，地表水系發(fā)育，也為地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了相應(yīng)的地貌條件.

圖4 地貌單元及災(zāi)害分布圖Fig.4 Geomorphic units and disaster distribution map

3.1.4 地形起伏度

地形起伏度是一個區(qū)域內(nèi)最高點(diǎn)海拔與最低點(diǎn)海拔之間的差值，也是描述一個區(qū)域地形變化的宏觀性指標(biāo).根據(jù)略陽縣災(zāi)害分布與地形起伏度之間的關(guān)系，劃分起伏度為0～15 m、15～30 m、30～45 m、＞45 m四類，并統(tǒng)計(jì)災(zāi)害分布情況（圖5）.

圖5 地形起伏度分區(qū)及災(zāi)害分布圖Fig.5 Topographic relief zoning and disaster distribution map

3.1.5 距斷裂距離

略陽縣城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害密集分布于活動斷裂帶兩側(cè)地區(qū)，區(qū)內(nèi)發(fā)育多條較大斷裂.距斷裂帶越近，越易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，由此將距離斷裂帶距離劃分為0～50 m、50～100 m、100～150 m三類，并統(tǒng)計(jì)出各分區(qū)災(zāi)點(diǎn)分布情況（圖6）.

圖6 地質(zhì)構(gòu)造及災(zāi)害分布圖Fig.6 Geological structure and disaster distribution map

3.1.6 距河流距離

略陽縣居民區(qū)集中分布在嘉陵江、東渡河等河流兩岸，水是滑坡發(fā)生的主要誘發(fā)因素，河流的沖刷作用不斷侵蝕坡腳，易造成坡體整體失穩(wěn).根據(jù)災(zāi)害點(diǎn)分布情況，將距河流距離劃分為0～80 m、80～160 m、160～240 m、240～320 m、＞320 m五類（圖7）.

圖7 水系分布及災(zāi)害分布圖Fig.7 Water system and disaster distribution map

3.1.7 工程地質(zhì)巖組

根據(jù)略陽縣重點(diǎn)區(qū)域出露的巖性、巖層產(chǎn)狀、巖體整體性及強(qiáng)度特征，將研究區(qū)工程地質(zhì)巖組劃分為11類.滑坡、崩塌等災(zāi)害多分布在黃土砂礫石及碎屑巖區(qū)域（圖8）.

圖8 工程地質(zhì)巖組分區(qū)及災(zāi)害分布圖Fig.8 Engineering geological rock group zoning and disaster distribution map

3.1.8 斜坡結(jié)構(gòu)

斜坡結(jié)構(gòu)特征對于滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生起到至關(guān)重要的作用.根據(jù)野外測量數(shù)據(jù)，在分析坡向與巖組性質(zhì)的基礎(chǔ)上，將斜坡單元劃分為14類，并統(tǒng)計(jì)不同斜坡結(jié)構(gòu)災(zāi)害分布情況（圖9）.

圖9 斜坡結(jié)構(gòu)類型分區(qū)及災(zāi)害分布圖Fig.9 Slope structure type zoning and disaster distribution map

3.2 評價因子相關(guān)性分析

不同的評價因子對災(zāi)害發(fā)生的貢獻(xiàn)不同，不重要的評價因子可能會帶來誤差，使得評價模型的精度降低.為了避免多個因子權(quán)重疊加的情況，根據(jù)ArcGIS波段集統(tǒng)計(jì)工具，對選取的評價指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表1.評價因子中，道路距離因子與坡度因子的相關(guān)性為0.35389，道路距離因子與河流距離因子的相關(guān)性為0.3911，由此剔除道路指標(biāo).

表1 評價因子相關(guān)性指標(biāo)Table 1 Evaluation factor correlation indexes

3.3 層次分析法計(jì)算權(quán)重

構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型，將評價指標(biāo)體系分為基本因素和誘發(fā)因素.基本因素包括坡度、地形起伏度、巖土體類型、斜坡結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征和地貌類型；誘發(fā)因素分為降雨及水系影響.在確定各因子隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用標(biāo)度法構(gòu)建判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最終得到各因子權(quán)重.驗(yàn)算一致性指標(biāo)后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合得出矩陣的總層次組合權(quán)重（表2）.

表2 組合權(quán)重值Table 2 Combination weight values

3.4 信息量值計(jì)算結(jié)果

在GIS平臺下，運(yùn)用區(qū)域統(tǒng)計(jì)功能劃分各圖層各分區(qū)災(zāi)點(diǎn)個數(shù)，計(jì)算單層評價因子的信息量值，再乘以層次分析法計(jì)算獲得的圖層權(quán)重指標(biāo)，得到易發(fā)因子綜合信息量值（表3）.

表3 評價因子總信息量值Table 3 Total information values of evaluation factors

利用GIS重分類功能，將各信息量值賦給相應(yīng)的柵格圖層，并分區(qū)統(tǒng)計(jì)到斜坡單元上，將信息量值乘以層次分析法得到的圖層權(quán)重值，進(jìn)而綜合疊加，可得到總信息量值.考慮計(jì)算的精確性，選取唯一值作為該斜坡單元的值（圖10）.

圖10 以斜坡單元劃分的各評價因子信息量圖Fig.10 Evaluation factor information maps by slope unit

4 易發(fā)性評價結(jié)果

4.1 崩滑易發(fā)性主要控制條件分析

根據(jù)各評價因子權(quán)重可得，在評價要素中，斜坡結(jié)構(gòu)對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生貢獻(xiàn)的信息量最高，其中碎屑巖、碎石土復(fù)合型斜坡和碎屑巖順向、橫向斜坡的信息量值較為靠前，說明該類斜坡結(jié)構(gòu)地區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性大，其他類型斜坡結(jié)構(gòu)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性較??；其次是略陽縣居民區(qū)域集中分布于河流兩岸，距離河流的影響區(qū)越近，信息量值越大，體現(xiàn)出距離人類活動區(qū)域越近，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性越大這一基本規(guī)律，也體現(xiàn)出坡體穩(wěn)定性受人工開挖坡腳、切坡修路的影響較大；降雨量高的地區(qū)，其信息量值相對較高，說明在高山峽谷區(qū)域，降雨也是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害最主要的因素之一；地質(zhì)構(gòu)造作用明顯，沿斷裂兩側(cè)節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；就坡度和地形起伏度來說，坡度在60°以上、地形起伏度在45 m以上，信息量值越大，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大，但作用相對不明顯.

4.2 評價模型及精度

研究區(qū)綜合信息量疊加圖信息量值范圍為-0.159688264～＋1.17793107，利用自然斷點(diǎn)法重新分類后，可將略陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度劃分為4級：非易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū).對應(yīng)的信息量區(qū)間為-0.159688264～-0.062365215、-0.062365212～＋0.020747597、0.020747597～0.095728212、0.095728212～1.17793107.經(jīng)過平滑處理得到綜合分區(qū)結(jié)果圖（圖11）.

圖11 災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.11 Disaster susceptibility zoning map

由綜合分區(qū)結(jié)果圖可知，高易發(fā)區(qū)主要分布在略陽縣城西北側(cè)山區(qū)、西南側(cè)溝谷地區(qū)、印支-燕山第三期左行逆沖推覆構(gòu)造帶附近及嘉陵江溝谷沿線一帶人口密集地區(qū)，該地區(qū)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，人類活動強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)；中易發(fā)區(qū)主要分布在略陽縣東部逆沖推覆構(gòu)造帶附近及加里東-海西第一期剝離斷層帶沿線，地勢起伏較大，人類活動較為強(qiáng)烈，不合理削坡導(dǎo)致的崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育；低易發(fā)區(qū)主要分布在略陽縣城西南側(cè)山區(qū)，少量分布在縣城南側(cè)鄉(xiāng)村聚集地區(qū)，地勢較為平緩，人口分布較少，人類活動不強(qiáng)烈；非易發(fā)區(qū)主要分布在嘉陵江、東渡河、八渡河等水系覆蓋流域，河流面開闊平緩，無人口分布，不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害（表4）.

表4 斜坡單元評價結(jié)果表Table 4 Evaluation results of slope units

由評價結(jié)果可知，隨著易發(fā)性等級的升高，崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率也在隨之增高，有83.8%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生于高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū).采用歷史災(zāi)害點(diǎn)位于高-中易發(fā)區(qū)內(nèi)的比例表示精度，可得該模型精度為83.8%.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型精度，采用接收者操作特征曲線（receiver operating characteristic curve，ROC曲線）方法，將斜坡單元信息量值以及歷史發(fā)生災(zāi)害作為評判依據(jù)，歸一化數(shù)據(jù)后通過SPSS軟件ROC曲線分析功能繪圖，得到ROC曲線（圖12）.由此得到漸近顯著性系數(shù)P為0.00034，AUC值為0.793，介于0.7和0.9之間，證明具有較好的評價精度.

圖12 ROC曲線Fig.12 Receiver operating characteristic curve

5 結(jié)論

1）根據(jù)略陽縣研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特性，選取降雨量、坡度、地貌類型、工程地質(zhì)巖組、地形起伏度、斷裂影響區(qū)、水系影響區(qū)、斜坡結(jié)構(gòu)8個評價因子，采用基于AHP的信息量法，以斜坡為單元進(jìn)行易發(fā)性分區(qū)，經(jīng)過檢驗(yàn)具有較好的評價精度.

2）略陽縣地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有明顯的時空規(guī)律，在空間上主要分布在略陽縣水系區(qū)域以及東南部，時間上集中于7—9月.其原因一方面是受構(gòu)造運(yùn)動、巖體結(jié)構(gòu)和地質(zhì)環(huán)境脆弱的影響；另一方面受降雨分布的影響.

3）以斜坡結(jié)構(gòu)作為評價因子參與易發(fā)性評價中，充分考慮了不同類型斜坡特點(diǎn)與災(zāi)害發(fā)生的關(guān)系，使斜坡單元評價更具合理性和層次性，提高了模型的適用性.

4）水系沿岸地區(qū)是災(zāi)害高易發(fā)區(qū)域，也是居民聚集區(qū)域.受人類工程活動影響，不合理的邊坡開挖及建房修路導(dǎo)致災(zāi)害頻發(fā).在施工過程中應(yīng)盡量避免開挖坡腳，同時采用相應(yīng)的工程防治措施，提高地質(zhì)災(zāi)害的防治能力.