基于頻率比與AHP模型的西藏東部地區(qū)滑坡易發(fā)性評價

鄒富寶,付 卓,樊風(fēng)雷,吳 華,4,郭治興

(1. 西藏大學(xué) 工學(xué)院,西藏 拉薩 850000; 2. 西藏大學(xué) 高原地表環(huán)境遙感監(jiān)測聯(lián)合實驗室,西藏 拉薩 850000;3. 華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院,廣東 廣州 510631; 4. 波密地質(zhì)災(zāi)害教育部野外科學(xué)觀測研究站,西藏 林芝 860000;5. 廣東省科學(xué)院生態(tài)環(huán)境與土壤研究所,廣東 廣州 510650)

0 引言

中國是亞洲乃至世界上滑坡災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一,受經(jīng)濟(jì)建設(shè)和自然因素的影響,我國滑坡呈逐年加重趨勢。目前,我國滑坡主要分布在西藏、云南、四川、重慶及甘肅等地區(qū)[1]。從2016年統(tǒng)計中可知,西藏、云南、四川、重慶及甘肅等地居民受地質(zhì)災(zāi)害影響財產(chǎn)和農(nóng)業(yè)損失最為嚴(yán)重[2]。西藏東部地區(qū)發(fā)育橫斷山斷裂帶、三江斷裂帶,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)?；略诘刭|(zhì)災(zāi)害中占主導(dǎo)地位,楊全忠[3]對西藏滑坡進(jìn)行了統(tǒng)計分析,得出了西藏東部地區(qū)的三江流域滑坡最發(fā)育,線密度達(dá)到了0.65處/km,雅魯藏布江中下游為0.34處/km,因此,對滑坡的研究尤為重要。

目前我國滑坡易發(fā)性評價的方法已經(jīng)成熟,并在滑坡易發(fā)性評價中取得豐碩成果,其評價方法主要有層次分析法、頻率比法、信息量法、邏輯回歸法、支持向量機(jī)法等。黃錦林等[4]、杜國梁等[5]、盛明強(qiáng)等[6]運用層次分析法、信息量法、邏輯回歸法、頻率比聯(lián)接法、支持向量機(jī)法對研究區(qū)滑坡進(jìn)行易發(fā)性評價,得到有利于對研究區(qū)滑坡發(fā)育的認(rèn)識;吳常潤等[7]、李文彥等[8]、楊強(qiáng)等[9]運用GIS技術(shù)、頻率比和信息量模型、多種組合模型等技術(shù)方法對研究區(qū)滑坡進(jìn)行易發(fā)性評價,并得到了較好的結(jié)果,可為研究區(qū)及類似區(qū)域的滑坡防治工作提供參考的意見;同時,隨著社會的發(fā)展,科學(xué)的進(jìn)步,地理信息空間分析功能也越來越成熟。地理信息空間分析功能不僅被廣泛應(yīng)用于滑坡危險性評價中,還被廣泛應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中。

西藏東部地區(qū)位于歐亞板塊與印度板塊碰撞帶附近,新構(gòu)造運動頻發(fā),地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,是我國滑坡、泥石流和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害最發(fā)育的地區(qū)之一。其中典型的滑坡有:2018年10月發(fā)生的昌都市江大縣波羅鄉(xiāng)柏格村特大山體滑坡,2000年4月發(fā)生的波密滑坡,以及松宗滑坡等。這些滑坡給西藏東部地區(qū)交通道路造成嚴(yán)重破壞,同時也嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)厝嗣竦娜松戆踩?。?007—2015年地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查的數(shù)據(jù)中顯示,西藏東部地區(qū)受滑坡災(zāi)害威脅人數(shù)達(dá)23 502人,威脅財產(chǎn)約37 851.95萬元,給當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)帶來嚴(yán)重影響,同時也嚴(yán)重影響了西藏東部地區(qū)的發(fā)展。

文中運用GIS空間分析技術(shù)對西藏東部地區(qū)進(jìn)行滑坡易發(fā)性評價研究,在確定地面高程、坡度、坡向、地層巖性、斷層、地震點、居民點、道路和水系為評價因子后建立GIS災(zāi)害數(shù)據(jù)庫,運用頻率比法分析各評價因子對西藏東部地區(qū)滑坡的影響大小,再運用層次分析法計算出9個評價因子的綜合權(quán)重,經(jīng)ArcGIS軟件疊加分析處理后,最終得到西藏東部地區(qū)滑坡易發(fā)性圖,并總結(jié)出滑坡的空間分布特征。可為當(dāng)?shù)剡M(jìn)行滑坡防治提供借鑒,有效降低滑坡帶來的生命和財產(chǎn)損失。

1 研究區(qū)域

西藏東部地區(qū)(93°36′E～99°8′E,27°33′N～32°34′N),主要是由昌都及林芝東部(察隅縣、墨脫縣、波密縣)地區(qū)組成(如圖1),面積22.6175萬 km2,人口85.26萬。該區(qū)域地處橫斷山脈和三江流域,地質(zhì)構(gòu)造和巖石組成復(fù)雜,河網(wǎng)密度較大,有金沙江、瀾滄江、怒江,雅魯藏布江等河流。研究區(qū)地處三江構(gòu)造帶中段,屬高山、中高山峽谷地貌,斷層、節(jié)理發(fā)育,滑坡等自然災(zāi)害頻發(fā)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig. 1 Geographical location map of the study area

2 研究方法

2.1 頻率比法

頻率比法是一種通過計算滑坡各評價因子在不同分級區(qū)間內(nèi)滑坡發(fā)生的概率,進(jìn)而確定各評價因子對滑坡的影響大小的研究方法[10-12],該方法已在滑坡易發(fā)性評價中被廣泛運用[13-15]。文中運用頻率比法對9個評價因子進(jìn)行分析,確定各影響因子對滑坡的影響大小。頻率比法計算公式為:

FRij=(Nij/N)/(Sij/S)

(1)

LSI=∑FRij

(2)

式中:i為評價因子;j為評價因子下的分級;FRij為第i個評價因子,第j個等級的頻率比;Nij為第i個評價因子, 第j個等級的滑坡數(shù);N為研究區(qū)的滑坡總數(shù);Sij為第i個評價因子, 第j個等級的柵格數(shù);S為研究區(qū)的總柵格數(shù);LSI為滑坡易發(fā)性評價指數(shù)。

2.2 層次分析法

層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是一種將定性與定量相結(jié)合解決多準(zhǔn)則問題的決策方法[16]。它是定量分析的一種簡便方法,是由美國運籌學(xué)家Saaty于1973年提出的,經(jīng)多年發(fā)展已成為一種較成熟的決策方法[17-19],該方法被廣泛運用到滑坡易發(fā)性評價、滑坡危險性評價、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價[20-22]。

層次分析法解決問題,可以分為4個步驟:

1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

對于西藏東部地區(qū)滑坡易發(fā)性程度劃分問題,可根據(jù)9個評價因子之間相互關(guān)系進(jìn)行組合,建立多層次結(jié)構(gòu)模型;多層次結(jié)構(gòu)模型主要分為3個層次,由高到低分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

2)構(gòu)建判斷矩陣

將9個評價因子分別進(jìn)行兩兩比較,并采用專家打分法給比較結(jié)果進(jìn)行打分,根據(jù)各評價因子重要性不同分別賦予不同分值,最終得到判斷矩陣A,A=(aij)n×n;在本次評價模型中,ai,aj為滑坡評價因子;aij為9個評價因子構(gòu)成的矩陣;n為矩陣階數(shù)。

3)一致性檢驗

為保證判斷矩陣得到的權(quán)重具有可靠性,須對其進(jìn)行一致性檢驗。檢驗公式為CR=CI/RI,CI=(λmax-n)/(n-1);CR為隨機(jī)一致性比率,RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(可查表得到),CI為一致性指標(biāo),λmax為判斷矩陣最大特征值,n為判斷矩陣階數(shù)。

4)計算各評價因子綜合權(quán)重

經(jīng)檢驗合格后,將各評價因子各層級進(jìn)行歸一化權(quán)重的乘積計算出綜合權(quán)重值(Wi),并制作出各評價因子綜合權(quán)重值排序表。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)來源

文中使用的滑坡點數(shù)據(jù)(包含經(jīng)緯度、威脅人口和威脅財產(chǎn))來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心,1∶25萬地質(zhì)圖來源于全國地質(zhì)資料信息網(wǎng),地層巖性數(shù)據(jù)來源于91衛(wèi)圖中的1∶250 萬地質(zhì)圖,地震點數(shù)據(jù)來源于中國地震臺網(wǎng)中心國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://data.earthquake.cn),水系、道路、居民點數(shù)據(jù)來源于測繪科學(xué)共享服務(wù)網(wǎng),2018年landsat8遙感影像數(shù)據(jù)和30 m分辨率DEM來源于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站。

3.2 評價因子選取

在選擇一種方法評價不良地質(zhì)的易發(fā)性時,選擇評價因子的決定過程必須是很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腫23]。結(jié)合研究區(qū)實際情況,選取的評價因子應(yīng)具有可獲取性、代表性、可依賴性的特點[24]。文中在對研究區(qū)的地質(zhì)背景和地形地貌特征分析后,基于以上原則從地形地貌、地質(zhì)條件、人類活動3個方面選取評價因子。在地形地貌上選取高程、坡度、坡向為評價因子,在地質(zhì)條件上,選取地層巖性、斷層、地震點為評價因子,在人類活動上選取居民點、道路、水系為評價因子。

3.3 建立評價體系

文中先運用頻率比法確定各評價因子對滑坡的影響程度,再根據(jù)滑坡易發(fā)性指數(shù)大小建立層次結(jié)構(gòu)模型。通過運用頻率比式(1)和式(2)計算得到9個評價因子滑坡易發(fā)性指數(shù)表(見表1)。

表1 滑坡易發(fā)性指數(shù)表Table 1 Landslide susceptibility index

因此,西藏東部地區(qū)各評價因子對滑坡的影響由大到小依次為:道路、地層巖性、高程、水系、居民點、坡度、坡向、斷層、地震點。

文中目標(biāo)層為滑坡易發(fā)性評價指標(biāo)體系,準(zhǔn)則層為高程、坡度、坡向、地層巖性、斷層、地震點、居民點、道路、水系,方案層為方案1。根據(jù)各評價因子對滑坡影響大小,構(gòu)建判斷矩陣(見表2)。通過對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗,將λmax=9.688 1,n=9,RI=1.46代入計算,得到CR=0.058 9<0.1;因此,該矩陣合理。進(jìn)一步計算出綜合權(quán)重值(Wi),并得到滑坡評價因子綜合權(quán)重值排序表(見表3)。

表2 各評價因子之間判斷矩陣Table 2 Judgment matrix between evaluation factors

表3 滑坡評價因子綜合權(quán)重值排序表Table 3 Ranking table of comprehensive weight values of landslide evaluation factors

在ArcGIS軟件中加載所有空間數(shù)據(jù),并將所有空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一到WGS_1984_UTM_zone_47N坐標(biāo)系中。文中采用自然間斷法將高程、坡度、坡向3個評價因子劃分為4個等級,采用緩沖分析法將斷層、地震點、居民點、道路、水系4個評價因子劃分為4個等級,地層巖性評價因子是按地層單位或巖性分為7個等級;對各評價因子值進(jìn)行重分類,統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為1～4的可比值。結(jié)合滑坡點在各個評價因子上的分布規(guī)律,將9個評價因子分級圖進(jìn)行重分類并各自進(jìn)行賦值(見表4)。

表4 滑坡評價因子分級表Table 4 Grading table of landslide evaluation factors

續(xù)表

在ArcGIS軟件中將重分類處理后的各個評價因子圖進(jìn)行疊加分析同時賦予相應(yīng)的綜合權(quán)重值,然后按相等間隔分類法,將疊加分析圖劃分為3個風(fēng)險等級:[1,2)之間為低易發(fā)區(qū);[2,3)之間為中易發(fā)區(qū);[3,4]之間為高易發(fā)區(qū),最后得到滑坡易發(fā)性評價圖。

4 結(jié)果分析

4.1 滑坡分布特征

1)滑坡空間分布特征

將西藏東部地區(qū)遙感影像、滑坡點疊加在一起,構(gòu)成滑坡點分布圖(如圖2(a))。在空間上,滑坡點具有帶狀分布特征。由東至西,滑坡主要分布在三江流域帶、察隅一帶、波密一帶、雅魯藏布江流域帶。在行政區(qū)域上,滑坡主要發(fā)生在墨脫縣、左貢縣、察雅縣、洛隆縣和丁青縣。將滑坡點進(jìn)行點密度分析,得到滑坡點密度分析圖(如圖2(b))。從圖2(b)中可知,在雅魯藏布江流域、通麥一帶、丁青縣城、察雅縣城等區(qū)域滑坡點密度較大。

圖2 滑坡點分布圖與滑坡點密度分析圖Fig. 2 Distribution of landslide points and density analysis of landslide points

2)滑坡受災(zāi)人數(shù)分布特征

由于地區(qū)人口數(shù)量分布不同,導(dǎo)致各地區(qū)人類活動對環(huán)境影響不同,進(jìn)而也導(dǎo)致滑坡發(fā)生程度也不同。因此,從受災(zāi)人數(shù)方面分析,能更好地反映滑坡的易發(fā)區(qū)域。從表5西藏東部地區(qū)威脅人數(shù)來分析,受災(zāi)人數(shù)最多的是丁青縣(3 881人),其次是墨脫縣(3 084人)、察雅縣(3 042人)、貢覺縣(2 561人)。

表5 西藏東部地區(qū)滑坡災(zāi)害影響Table 5 Impact of landslide disasters in eastern Tibet

4.2 評價因子分析

從滑坡評價因子分級表(表4)中分析可知:在高程方面,滑坡主要分布在高程為3 488～4 478 m的地區(qū)(如圖3(a));在坡度方面,滑坡主要分布在坡度為0°～42°內(nèi)(如圖3(b));在坡向方面,滑坡主要分布在南,西南,西3個坡向(如圖3(c));在地層巖性方面,滑坡主要分布在中生界區(qū)域內(nèi),其次在古生界范圍內(nèi)(如圖3(d));在斷層方面,滑坡主要分布在距斷層距離10 km范圍內(nèi)(如圖3(e));在地震點方面,滑坡主要分布在距地震點15 km范圍內(nèi)(如圖3(f));在居民點方面,滑坡主要分布在距居民點5 km范圍內(nèi)(如圖3(g));在道路和水系方面,滑坡主要分布在距道路、水系1 km范圍內(nèi)(如圖3(h)、(i));且表現(xiàn)出距斷層、地震點、居民點、道路、水系越近,越易發(fā)生滑坡的規(guī)律。

圖3 西藏東部地區(qū)滑坡評價因子分級圖Fig. 3 Classification of landslide evaluation factors in eastern Tibet

運用91衛(wèi)圖對西藏東部地區(qū)滑坡易發(fā)性評價圖進(jìn)行分析,可得到如下結(jié)果:1)從整體上看,西藏東部地區(qū)高易發(fā)區(qū)主要分布于西藏東部地區(qū)的道路沿線,中易發(fā)區(qū)主要分布于西藏東部地區(qū)的東北部和西南部,低風(fēng)險區(qū)主要分布于西藏東部地區(qū)的唐古拉山山脈一帶。2)從地域上看,西藏東部地區(qū)高易發(fā)區(qū)主要集中在三江流域帶、雅魯藏布江流域帶、波密一帶等區(qū)域,中易發(fā)區(qū)主要集中在江達(dá)縣、貢覺縣、芒康縣等區(qū)域,低風(fēng)險區(qū)主要集中在唐古拉山山脈一帶。3)從易發(fā)性上看,高易發(fā)區(qū)有431個滑坡點,中易發(fā)區(qū)有123個滑坡點,低易發(fā)區(qū)有7個滑坡點,分別占滑坡總數(shù)的76.83%、21.92%、1.25%;高易發(fā)區(qū)面積為49 848.97 km2,中易發(fā)區(qū)面積為103 704.24 km2,低易發(fā)區(qū)面積為72 624.79 km2,分別占總面積的22.04%,45.85%,32.11%(如圖4)。

圖4 西藏東部地區(qū)滑坡易發(fā)性評價圖Fig. 4 Assessment map of landslide vulnerability in eastern Tibet

5 結(jié)論

1)西藏東部地區(qū)滑坡具有帶狀分布特征,主要集中在三江流域帶、雅魯藏布江流域帶、波密一帶等區(qū)域分布。

2)各評價因子對西藏東部地區(qū)滑坡影響大小為:道路>地層>高程>水系>居民點>坡度>坡向>斷層>地震。

3)西藏東部地區(qū)高易發(fā)區(qū)主要分布在道路沿線,中易發(fā)區(qū)主要分布在西藏東部地區(qū)的東北部和西南部,低易發(fā)區(qū)主要分布在唐古拉山山脈一帶。

未來西藏東部地區(qū)應(yīng)重點關(guān)注西藏東部地區(qū)道路沿線,三江流域帶、雅魯藏布江流域帶、波密一帶的滑坡災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)防。