基于層次分析法的林芝地區(qū)滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性模糊綜合評價(jià)*

林琴 郭永剛 蘇立彬 渠士豪

（西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000）

滑坡是重要的地質(zhì)災(zāi)害之一，其影響程度僅次于地震，且滑坡具有的突發(fā)性特點(diǎn)與地震相似，多發(fā)生在山區(qū)。藏東南地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布，地質(zhì)災(zāi)害（圖1 所示）的類型有滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地面沉降、地裂縫和土地凍融，由于不同區(qū)域的地形地貌和地理位置的不同，地質(zhì)條件、水文條件和巖土特征差異較大，地質(zhì)災(zāi)害分布不均，研究區(qū)以泥石流、滑坡、崩塌災(zāi)害為主（表1 所示）；可以看出地質(zhì)災(zāi)害比例中滑坡災(zāi)害所占比例較高。要想有效地減輕滑坡對人口、經(jīng)濟(jì)、社會環(huán)境造成的影響，就要對滑坡災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理與規(guī)律深入分析，弄清楚哪些地方容易發(fā)生滑坡，哪些地方發(fā)生滑坡的幾率大?；魪堺惖热瞬捎媚：龜?shù)學(xué)中的模糊綜合判定方法建立了滑坡穩(wěn)定性評價(jià)模型，對各影響因子進(jìn)行等級標(biāo)準(zhǔn)分類并得出權(quán)重［1］；本文采用層次分析法(AHP)對研究區(qū)的滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，層次分析法由美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.saaty 于20 世紀(jì)70 年代提出，它是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域［2］。毛宇昆通過卡方檢驗(yàn)對所有可能的影響因子進(jìn)行分析計(jì)算，最后得出幾個(gè)適合研究區(qū)內(nèi)影響滑坡穩(wěn)定性的評價(jià)因子，使用隨機(jī)森林、LightGBM 等機(jī)器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建滑坡穩(wěn)定性評價(jià)模型并進(jìn)行模型融合，在此基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計(jì)了滑坡穩(wěn)定性評價(jià)系統(tǒng)［3］；盧崇明利用有限元分析軟件Midas/GTS，采用莫爾-庫侖模型及屈服準(zhǔn)則對坡體進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)穩(wěn)定性分析結(jié)果，結(jié)合滑坡工程的實(shí)際情況，利用模糊層次分析法對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)選研究，進(jìn)一步驗(yàn)證層次分析法優(yōu)選結(jié)果的可靠性［4］；李朋麗將平均坡度等6 個(gè)影響滑坡穩(wěn)定性的因素作為評價(jià)指標(biāo),建立滑坡數(shù)據(jù)庫，并利用MATLAB 對ANNs 進(jìn)行了設(shè)計(jì)、權(quán)值初始化,在此基礎(chǔ)上對滑坡穩(wěn)定性分析與預(yù)測模型進(jìn)行了訓(xùn)練。結(jié)果表明：樣本訓(xùn)練結(jié)果和實(shí)際情況基本吻合,證明該模型能夠符合工程實(shí)際［5］；胡安龍等人在論述SVM 交叉驗(yàn)證法粒子群優(yōu)化算法、GA等理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建滑坡穩(wěn)定性預(yù)測模型，結(jié)果表明: 遺傳算法優(yōu)化的支持向量機(jī)滑坡穩(wěn)定性預(yù)測模型效果明顯勝于粒子群優(yōu)化算法和交叉驗(yàn)證法優(yōu)化的預(yù)測模型［6］。本文基于層次分析法對林芝地區(qū)滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，層次分析法是一種有效的方法，但單純的層次分析法并不能完全反應(yīng)人類的思維方式?；趯哟畏治龇ǖ哪：C合判定可以使用設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)和替代方式做出更靈活、更高效和現(xiàn)實(shí)的決策。

圖1 西藏自治區(qū)地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模統(tǒng)計(jì)

表1 2019 年藏東南地質(zhì)災(zāi)害類

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏東南部和雅魯藏布江下游，26°52′N 到30°40′N，92°09′E 到98°47′E 之間，西部和西南部分別與拉薩、山南毗鄰，東部是昌都市，北部是那曲地區(qū)，南部與印度、緬甸兩國相接壤，海拔高差與地形起伏大，大多數(shù)地區(qū)海拔在3000 米左右。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活躍，內(nèi)外動力影響劇烈，氣候變化異常，滑坡發(fā)生頻繁。

2 基于GIS 的滑坡易發(fā)地區(qū)

2.1 數(shù)據(jù)來源

滑坡穩(wěn)定性所用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。

表2 數(shù)據(jù)目錄

2.2 指標(biāo)體系建立

本文結(jié)合研究區(qū)的地理環(huán)境和災(zāi)害特征，充分考慮所需資料能否獲取，研究尺度、精度和范圍的大小及要求等，再綜合大量已有研究成果和野外地質(zhì)的實(shí)質(zhì)調(diào)查結(jié)果，最終確定評價(jià)因子。

2.2.1 高程。研究區(qū)域高程，如圖2 所示，在GIS 中利用空間分析工具得出每個(gè)滑坡點(diǎn)的高程（圖3 所示），可知高程在1500～4500 之間，易發(fā)生滑坡災(zāi)害。隨著海拔持續(xù)地上升，到一定的臨界值時(shí)，氣溫越低，人口密度越小，人類活動強(qiáng)度越小，發(fā)生滑坡的可能性就越小。

圖2 林芝地區(qū)高程圖

圖3 林芝地區(qū)高程分布圖

2.2.2 坡度。在影響滑坡因素中，坡度所占的權(quán)重最高［7］。根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況，將坡度分為9 個(gè)等級（圖4 所示），再利用柵格轉(zhuǎn)面工具算出每個(gè)滑坡點(diǎn)的坡度（圖5 所示）。結(jié)果表明，當(dāng)山體的坡度在10 度到40 度之間時(shí)，山坡坡度大，山地陡峭，河流谷坡陡峻，形成深切的高山峽谷地貌，山體高陡臨空面發(fā)育，出現(xiàn)側(cè)向拉應(yīng)變，促進(jìn)卸荷裂隙發(fā)育和巖體內(nèi)部應(yīng)力的釋放，造成表層巖體結(jié)構(gòu)松弛，發(fā)生滑坡的概率最大。

圖4 林芝地區(qū)坡度分級圖

圖5 坡度分類及面積占比

2.2.3 道路。林芝地區(qū)地質(zhì)地貌獨(dú)特，其氣候特征為高原高寒氣候，土壤中的養(yǎng)分散布不均衡，邊坡的土質(zhì)極其疏松且不穩(wěn)定，再加上風(fēng)蝕和水蝕的外力作用，很容易發(fā)生水土流失現(xiàn)象，最終可能會造成公路坍塌和山體滑坡等結(jié)果［8］。利用ARCGIS 空間分析功能，對道路數(shù)據(jù)建立100 米為間隔的緩沖區(qū)(圖6 所示)，各滑坡點(diǎn)距道路距離見（圖7 所示），由表可知，距離道路越近，越容易發(fā)生滑坡災(zāi)害，一些修筑道路等人類工程活動加上不利天氣因素影響，很大概率會造成滑坡。

圖6 林芝地區(qū)主要道路圖

圖7 距道路距離與滑坡個(gè)數(shù)

2.2.4 水系。影響滑坡發(fā)育的條件中，水系是其中的一個(gè)重要因素，河流的沖刷和開挖會影響邊坡的穩(wěn)定性，發(fā)生滑坡的可能性也會增大［9］。林芝地區(qū)的河流主要由怒江、雅魯藏布江、尼洋曲等組成。本文在GIS 的平臺上，以100 米為間隔，生成9 個(gè)河流緩沖區(qū)（圖8 所示），在計(jì)算出距河流不同距離的面積與滑坡點(diǎn)距河流的位置（圖9 所示），由表可知，越靠近河流，河流侵蝕、水土流失、土壤軟化現(xiàn)象愈加明顯，越容易發(fā)生滑坡災(zāi)害。

圖8 林芝地區(qū)河流緩沖區(qū)

圖9 距河流距離與滑坡個(gè)數(shù)

2.2.5 斷裂帶。研究區(qū)域位于印度洋板塊和亞歐大陸板塊碰撞斷裂地帶，該地帶地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁。本文將研究區(qū)域的斷裂帶以100 米為距離生成緩沖區(qū)（圖10 所示）由生成的距斷裂帶面積與滑坡點(diǎn)信息（圖11 所示）可知，越靠近斷裂帶發(fā)生滑坡災(zāi)害的可能性越大。

圖10 林芝地區(qū)斷裂帶分布圖

圖11 距斷裂帶距離與滑坡個(gè)數(shù)

2.2.6 土地利用。通過遙感影像進(jìn)行目視解譯，生成不同土地利用類型（圖12 所示）的面積及各部分面積所占的比例（圖13 所示），由圖12 及圖13 中可以看出，林芝地區(qū)滑坡災(zāi)害大部分發(fā)生在林地，且林地面積幾乎占了總面積的一半。

圖12 林芝地區(qū)土地利用類型

圖13 土地利用類型及面積占比

2.2.7 地層巖性。林芝地區(qū)內(nèi)地層巖性極為混雜，從中生界及至元古界均有涉及。不同巖土體的化學(xué)物理性質(zhì)、堅(jiān)硬程度、抗風(fēng)化能力等性質(zhì)均不相同［10］。本文根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度將林芝地區(qū)的巖土體分成5種類型：堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬、較軟弱、軟弱和極軟弱（圖14 所示）；并將生成滑坡點(diǎn)個(gè)數(shù)與巖土體堅(jiān)硬程度圖（圖15 所示），結(jié)果表明：68%的滑坡發(fā)生在白堊統(tǒng)、二疊統(tǒng)、元古界中的板巖、砂巖、角閃片巖和片麻巖，18%的滑坡發(fā)生在白堊紀(jì)中的花崗巖、板巖，說明林芝地區(qū)的滑坡在片巖、砂巖、板巖等軟硬相間的巖層中穩(wěn)定性較低。

圖14 林芝地區(qū)地層巖性

圖15 滑坡災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)與巖土體堅(jiān)硬程度圖

3 評價(jià)方法及模型

3.1 層次分析法

層次分析法可用于多目標(biāo)優(yōu)化問題，通過給定每個(gè)因素的權(quán)重占比，將多對象問題轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢越鉀Q的單目標(biāo)規(guī)劃問題，用來解決一些方案選擇問題。層次分析法通過整理構(gòu)建系統(tǒng)各要素之間的關(guān)聯(lián)，建立上下層兩兩之間判斷矩陣，一致性通過之后填充權(quán)重矩陣得出結(jié)果。

3.1.1 構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型。通過收集到的滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)并分析林芝地區(qū)滑坡發(fā)育的結(jié)構(gòu)特性、地質(zhì)情況等因素，建立層次結(jié)構(gòu)模型（圖16 所示）。

圖16 林芝地區(qū)滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)

3.1.2 構(gòu)造判斷矩陣。對于已經(jīng)選定的評價(jià)指標(biāo)，通過專家評分法將影響因素與兩種比較的構(gòu)造矩陣模型進(jìn)行比較，生成判斷矩陣［11］（表3～6）。

表3 A-B 判斷矩陣

表4 B1-C 判斷矩陣

表5 B2-C 判斷矩陣

表6 B3-C 判斷矩陣

3.1.3 一致性檢驗(yàn)。對判斷矩陣進(jìn)行分析，并用公式（1）驗(yàn)證判斷矩陣的一致性。

式中：λ 為矩陣最大特征值；W 為各影響因子的權(quán)重值，也是特征向量；A 為影響因子矩陣；n 表示矩陣的階數(shù)；CI 表示一致性指標(biāo)；RI 表示平均隨機(jī)一致性指標(biāo)；CR 表示一致性比例。若CR ＜0.1，說明此矩陣的權(quán)重分布合理，否則需要重新對權(quán)重賦值調(diào)整矩陣。根據(jù)公式(1)得到A-B 矩陣對應(yīng)特征值為極值，為3.009，CI 值計(jì)算后為0.005，CR 值為0.009；B1-C矩陣對應(yīng)的特征值的極值為3.018，CI值為0.009，CR 值為0.016；B2-C 矩陣對應(yīng)的最大特征值為2，CI、RI、CR 值均為0；B3-C 矩陣對應(yīng)的最大特征值為3.054，CI 值通過計(jì)算后為0.027，CR 值為0.047；ABC 三層的CR 值均小于0.1，符合一致性檢驗(yàn)。用和積法按列歸一化之后得到各影響因子所占權(quán)重（表7 所示）。通過對影響因子權(quán)重的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)地區(qū)內(nèi)影響穩(wěn)定性最大的因素為坡度，之后水系分布、道路分布、斷裂帶分布、地層巖性分布、行政區(qū)劃圖、土地利用類型和DEM 圖的影響程度降低。

表7 A-C 層次總排序

3.2 模糊綜合評價(jià)滑坡穩(wěn)定性

3.2.1 模糊綜合判定。模糊綜合判定基于模糊數(shù)學(xué)理論，對實(shí)際的問題提供綜合評價(jià)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，進(jìn)而進(jìn)行綜合性評價(jià)的一種方法。近年來，模糊綜合判定方法逐漸被運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域中。本文將地質(zhì)因素、背景因素、環(huán)境因素中的8 個(gè)評價(jià)指標(biāo)，生成評價(jià)指標(biāo)I 低穩(wěn)定性、Ⅱ較低穩(wěn)定性、Ⅲ中穩(wěn)定區(qū)、Ⅳ較高穩(wěn)定區(qū)、Ⅴ高穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)（表8 所示）。

表8 評價(jià)指標(biāo)穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)

表8 （續(xù)）

3.2.2 穩(wěn)定性評價(jià)。對生成的滑坡根據(jù)公式（2）進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)，具體計(jì)算公式如下：

式中：A 為滑坡穩(wěn)定性評價(jià)的最終結(jié)果向量，W為上文中通過層次分析法得出的各影響因子的特征向量，A1至An為二級評價(jià)因子對一級的特征向量，R1至Rn為隸屬關(guān)系矩陣，“O”為模糊算子，本文采用加權(quán)平均型模糊算子。

4 滑坡穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果

將地質(zhì)因素、背景因素、環(huán)境因素中的8 個(gè)評價(jià)指標(biāo)，生成評價(jià)指標(biāo)穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)（表9 所示）后，對圖15 中的影響因子采用梯形隸屬度函數(shù)構(gòu)建評價(jià)因子的特征向量，得到影響因子的隸屬度結(jié)果（表10 所示），再利用層次分析法得出的各影響因子的特征向量與隸屬度矩陣進(jìn)行加權(quán)平均，并進(jìn)行歸一化，得出穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果為（0.105,0.5929,0.2866,0,0）［11］。在此基礎(chǔ)上，利用生成的權(quán)重比，采用柵格重分類工具，按照自然間距分類方法將滑坡穩(wěn)定性結(jié)果柵格圖分成低穩(wěn)定區(qū)、較低穩(wěn)定區(qū)、中穩(wěn)定區(qū)、較高穩(wěn)定區(qū)、高穩(wěn)定區(qū)5 個(gè)等級，得到林芝地區(qū)穩(wěn)定性分區(qū)圖（圖17 所示），圖層顏色越淺代表滑坡越不穩(wěn)定，每個(gè)滑坡點(diǎn)對應(yīng)的滑坡穩(wěn)定性等級（圖18 所示）。

表9 評價(jià)指標(biāo)穩(wěn)定性分級標(biāo)準(zhǔn)

表9 （續(xù)）

表10 影響因子隸屬度結(jié)果

圖17 滑坡穩(wěn)定性評價(jià)分區(qū)圖

圖18 滑坡穩(wěn)定性等級面積及滑坡點(diǎn)個(gè)數(shù)

結(jié)果表明：林芝地區(qū)的滑坡災(zāi)害易發(fā)生在1500～4500高程之間，坡度在20～40 之間，距道路、河流、斷裂帶200 米以內(nèi)的范圍，應(yīng)在此類地點(diǎn)采取監(jiān)控手段，預(yù)防更多滑坡災(zāi)害的發(fā)生。低穩(wěn)定區(qū)的面積為28887km2,占林芝地區(qū)總面積的25.2%，覆蓋易貢-索通-波朗段，朗縣西南部登木附近、察隅縣東南怒江附近及墨脫的絕大部分地區(qū)；較低穩(wěn)定區(qū)的面積為48336km2,占總面積的42.2%，涵蓋工布江達(dá)西部娘蒲，金達(dá)地區(qū)；中穩(wěn)定區(qū)、較高穩(wěn)定區(qū)、高穩(wěn)定區(qū)的面積一共37425km2,占總面積的32.6%，包括察隅縣北部的德拉，貢日嘎布曲附近及波密東北部康玉及東部松宗的大部分地區(qū)。再根據(jù)圖18 對滑坡點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，在Ⅱ區(qū)有67 個(gè)滑坡點(diǎn)，占滑坡總數(shù)的61.5%.結(jié)果表明：模糊綜合判定方法對林芝地區(qū)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)具有較高準(zhǔn)確性，對Ⅱ的隸屬度最大，滑坡類型屬于較低穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文在GIS 平臺上，利用高程、坡度、道路、河流、斷裂帶、土地利用類型、地層巖性和人類活動8個(gè)滑坡影響因子，采用基于層次分析法對林芝地區(qū)滑坡災(zāi)害穩(wěn)定性進(jìn)行模糊綜合評價(jià)，結(jié)果表明：

利用層次分析法構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型與判斷矩陣，一致性檢驗(yàn)后歸一化得到各影響因子所占權(quán)重，發(fā)現(xiàn)林芝地區(qū)影響穩(wěn)定性最大的因素為坡度，之后水系分布、道路分布、斷裂帶分布、地層巖性分布、行政區(qū)劃圖、土地利用類型、DEM圖的影響程度降低。

用層次分析法得出的特征向量與對坡度、距斷裂帶距離等8 個(gè)影響因子采用梯形隸屬度函數(shù)構(gòu)建隸屬度函數(shù)，進(jìn)行加權(quán)平均并進(jìn)行歸一化，得出穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果為（0.105,0.5929,0.2866,0,0）。

結(jié)果表明：模糊綜合判定方法對林芝地區(qū)滑坡穩(wěn)定性評價(jià)具有一定的準(zhǔn)確性，林芝地區(qū)滑坡類型為較低穩(wěn)定性。