基于EW-AHP-SIM評價體系的崩塌災(zāi)害易發(fā)性評價

季鑫 楊曉飛 尚紹茜 張震

摘要：本文以易發(fā)性評價為基礎(chǔ)，從原生因素和誘發(fā)因素著手，構(gòu)建“10因素”指標(biāo)體系，通過比較目前多種評價模型，建立了EW-AHP-SIM崩塌評價體系，對西南某公路沿線6個隧道進出口進行了崩塌易發(fā)性評價。研究表明：熵權(quán)法（EW）、層次分析法（AHP）和綜合指數(shù)（SIM）耦合形式，彌補了熵權(quán)法采集數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和層次分析法的人為主觀性，科學(xué)合理地確定崩塌影響因子的權(quán)重。坡形S3、巖性S4、出露結(jié)構(gòu)面S5、距斷裂距離S6和人類活動S10綜合權(quán)重值相對較高，介于0.102～0.191間，為敏感因子，植被覆蓋率S8和年平均降雨量S7綜合權(quán)重值相對較低，為非敏感因子?；贓W-AHP-SIM評價體系，得到6個低風(fēng)險區(qū)、3個中風(fēng)險區(qū)、3個高風(fēng)險區(qū)，與研究區(qū)現(xiàn)場實際情況相一致，可為崩塌地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和危巖落石風(fēng)險評價提供參考價值。

關(guān)鍵詞：崩塌；易發(fā)性評價；熵權(quán)法；層次分析法；綜合指數(shù)法

中圖分類號：P641.8

文獻標(biāo)識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.006

引文格式：季鑫，楊曉飛，尚紹茜，等.基于EW-AHP-SIM評價體系的崩塌災(zāi)害易發(fā)性評價［J］.山東國土資源，2023，39（7）：33-38. JI Xin， YANG Xiaofei， SHANG Shaoqian， et al. Evaluation of Collapse Disaster Vulnerability Based on EW-AHP-SIM Evaluation System［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：33-38.

0 引言

危巖落石潛在危害巨大，其可能在震動、降雨等外在驅(qū)動條件影響下，轉(zhuǎn)變?yōu)楸浪刭|(zhì)災(zāi)害，對公路、鐵路、水利、房建等人民財產(chǎn)的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，由于崩塌地質(zhì)災(zāi)害影響因素眾多，當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件復(fù)雜，以及降雨、地震、風(fēng)暴、人工等外界因素的不確定性導(dǎo)致崩塌地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測困難重重。

目前，國內(nèi)外在崩塌地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方面使用方法分為定性評價和定量評價兩類［1］。定性方法主要以參數(shù)地圖法和野外地貌分析法為主［2］。定性方法評價出的結(jié)果有較高的主觀性，人為誤差較大，應(yīng)用前景較為有限。定量方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、模糊評判法、不確定性分析方法等。機器學(xué)習(xí)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型方法較為新穎，但其模型較為復(fù)雜，在實際應(yīng)用上還存在缺陷［3-5］。模糊評判法較為簡單，但其原則也存在一定的不足，尤其在確定權(quán)值時采用的專家打分法有相當(dāng)強的主觀性［6-8］。

確定崩塌災(zāi)害各主控因素的權(quán)重對于建立相應(yīng)的評價模型十分關(guān)鍵［11-15］。權(quán)值的計算方法有EW法、證權(quán)法、AHP法、ANN法、Logistic回歸法等［16-18］，均有其應(yīng)用缺陷。層次分析法因為人為打分，最后分析出的成果會有很大的主觀性。熵權(quán)法確定權(quán)重計算簡單，沒有主觀性，但是可能因為采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致評價結(jié)果會有一定的偏差［19-20］。為提高評價模型中權(quán)重準(zhǔn)確度，本文采用熵權(quán)法（EW）、層次分析法（AHP）和綜合指數(shù)（SIM）耦合形式來確定權(quán)重，可為崩塌地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測、防災(zāi)減災(zāi)提供簡單且科學(xué)的新方法和新思路。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為某一級公路，里程為K35～K78，全長43km，沿線設(shè)隧道6座，屬大黑山中段南坡，為龍門山主脈，溝谷深切，自南向北地勢由高趨低，為中低山區(qū)，海拔高度在千米以上，河谷深切，相對高差最高達800m。沿線常發(fā)育有典型的高陡巖質(zhì)邊坡（圖1a），邊坡受河流切割強烈，形成上緩下陡的地形。上部平緩處坡度為25°；下部山體陡峭，坡度達到60°～85°，高約20～100m。巖性主要發(fā)育有以安山玢巖和花崗巖為主的巖漿巖，以粉砂巖為主的沉積巖和以片麻巖為主的變質(zhì)巖。

危巖區(qū)巖體破碎，呈強風(fēng)化狀態(tài)，風(fēng)化和卸荷裂隙發(fā)育，部分危巖體在多組節(jié)理裂隙切割下三面臨空（圖1e），為崩塌、滾石提供了空間條件。坡面發(fā)育多條沖溝，形成有利的運移通道。研究區(qū)內(nèi)主要為亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，降雨量多集中在7—8月，平均月最大降雨量達160mm。研究區(qū)屬松潘-甘孜褶皺系和三江褶皺系（槽區(qū)），構(gòu)造發(fā)育強烈，線路穿越3個活動斷裂。在地震、暴雨等工況影響，導(dǎo)致大量漸進性的崩塌、滾石事件，公路路面、內(nèi)側(cè)擋墻和外側(cè)護欄都明顯可見落石沖擊留下的坑跡（圖1c），部分防護網(wǎng)現(xiàn)已經(jīng)被嚴(yán)重?fù)p毀（圖1d）。最近一次具有一定規(guī)模的崩塌發(fā)生于2020年3月，由于強暴雨導(dǎo)致研究區(qū)局部發(fā)生了崩塌事件（圖1b），沖毀了多條被動防護網(wǎng)（圖1c）。

本文選取熵權(quán)法、層次分析法及綜合指數(shù)法組成EW-AHP-SIM崩塌評價體系，充分運用熵權(quán)法的客觀性和層次分析法的主觀性，求出各評價指標(biāo)的主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，在此基礎(chǔ)上得出復(fù)合權(quán)重，然后與綜合指數(shù)法相結(jié)合，求出研究區(qū)崩塌評價體系。

第一步，將各個指標(biāo)的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。例如，給定了k個評價指標(biāo)，每個指標(biāo)有n個等級，假設(shè)對各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值為Y1，Y2，…，Yk，根據(jù)信息論中信息熵的定義，一組數(shù)據(jù)的信息熵：

Ej=-1lnn∑ni=1pijlnpij（1）

pij=Yij/∑ni=1Yi（2）

根據(jù)信息熵的計算公式，計算出各個指標(biāo)的信息熵為E1，E2，…，Ek，通過信息熵計算各指標(biāo)的權(quán)重：

Wi=1-Eik-∑Ei（i=1，2，…，k）（3）

第二步，對影響崩塌評價所考慮的因素進行層次劃分，建立層次結(jié)構(gòu)模型，分析得出評價因子后，確定相應(yīng)評價因子權(quán)重，通過對相關(guān)專家咨詢、現(xiàn)場實際情況、相關(guān)資料等方式，根據(jù)重要程度對評價因子進行打分，最后整體形成一個相對重要程度體系，通過AHP相應(yīng)算法，可得到出每個因子的權(quán)重，最后要通過一致性檢驗，當(dāng)隨機一致性比率CR＜0.1時，認(rèn)為層次分析排序的結(jié)果滿意，即權(quán)系數(shù)的分配是合理的。否則，需調(diào)整判斷矩陣的因子取值，重新計算。

第三步，通過乘法合成歸一法將熵權(quán)法和層次分析法計算的成果進行歸一化，最終整合得出評價指標(biāo)：

wj=（αj×βj）/∑mj=1（αjβj）（4）

式中：wj為第j個評價指標(biāo)的綜合權(quán)重；αj，βj分別為第j個評價指標(biāo)的主熵權(quán)法和層次分析法算出的權(quán)值。

第四步，將復(fù)合權(quán)重Sj帶入綜合指數(shù)法的數(shù)學(xué)公式中，求出崩塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生易發(fā)性指數(shù)，在明確評價指標(biāo)、指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)以及指標(biāo)復(fù)合權(quán)重的基礎(chǔ)上，將每個指標(biāo)的評分值與其對應(yīng)的復(fù)合權(quán)重相乘疊加，從而得到每一個評價單元的綜合指數(shù)W，數(shù)值越大崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性越高。

W=∑nj=1Sj×Xij（5）

式中：n為評價因子的個數(shù)；Sj為各評價因子的權(quán)重值；Xij為各評價因子經(jīng)過概化歸一后的結(jié)果。

3 指標(biāo)體系的建立

形成崩塌的影響因素眾多，通過對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的詳細(xì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)公路沿線主要受地形地貌、地層巖性、巖體結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造、降雨強度控制，其中，研究區(qū)內(nèi)巖石具有較強的抗風(fēng)化能力，容易在高陡的斜坡發(fā)育形成危巖，特別是軟巖和軟硬相間、巖層與臨空面的組合關(guān)系是影響區(qū)內(nèi)崩塌發(fā)展和發(fā)生的關(guān)鍵因素，且?guī)r體層面與2組共軛結(jié)構(gòu)面共同作用下切割形成鍥形體，在人工擾動和降雨入滲等外因作用下，有巖體的抗剪強度和黏聚力降低，獨立的楔形體從母巖中脫離形成危巖體，進而轉(zhuǎn)變?yōu)楸浪?/p>

本文在沿線崩塌調(diào)查和前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，依托自然間斷法對全區(qū)信息進行分級，而后統(tǒng)計并計算災(zāi)害點分布情況與要素控災(zāi)權(quán)重，其中：災(zāi)害占比=災(zāi)害點/總災(zāi)害點，要素占比=要素面積/總面積，控災(zāi)程度=災(zāi)害占比/要素占比。如“坡度”要素，利用GIS平臺獲取沿線坡度與崩塌災(zāi)害分布圖（圖2），進而計算“坡度”要素控災(zāi)權(quán)重（表1），尤其判定賦值標(biāo)準(zhǔn)為小于15°、15°～25°、＞25°。

按上述方法，共選取坡高、坡度、坡型、出露結(jié)構(gòu)面、巖性、距主控斷裂距離、年平均降雨量、植被覆蓋率、巖石風(fēng)化程度、人類活動強度10個主要因素，構(gòu)成崩塌評價指標(biāo)體系，各指標(biāo)等級及評分見表2。

4 崩塌災(zāi)害易發(fā)性評價

4.1 指標(biāo)權(quán)重的確定

采用乘法合成歸一法，將主觀、客觀權(quán)值進行耦合、確定綜合權(quán)值。確權(quán)EW法的基本原理是權(quán)值與指標(biāo)值的差異度呈正相關(guān)，是一種客觀的權(quán)值計算方法。將表2的調(diào)查數(shù)據(jù)帶入式（1）—式（5）中，可得出各評價因素的熵權(quán)法權(quán)重（表3）。

建立了評價崩塌易發(fā)性的層次結(jié)構(gòu)模型（圖3），按層次分析法將多種因子之間的比較，轉(zhuǎn)換為兩兩因子的比較。通過對相關(guān)專家咨詢，已有研究成果和資料的參閱，以及對崩塌滑坡分布規(guī)律的分析，比較兩兩因子相比的重要程度，對因子進行賦值，從而建立因子重要性的判斷矩陣，進而使用層次分析的算法，計算得出每個因子的權(quán)重，建立起多因子的崩塌滑坡易發(fā)性評價模型，計算后權(quán)重依次見表3。

4.2 結(jié)果分析與討論

10個評價指標(biāo)中，坡形S3、巖性S4、巖石風(fēng)化程度S9、人類活動S10屬于定性指標(biāo)；坡形S3、巖性S4、出露結(jié)構(gòu)面S5、距斷裂距離S6和人類活動S10綜合權(quán)重值相對較高，介于0.102～0.191間，為敏感因子，而植被覆蓋率S8和年平均降雨量S7綜合權(quán)重值相對較低，為非敏感因子。

該研究區(qū)的公路沿線穿越6個隧道，共12個隧道進出口，其崩塌對公路的建設(shè)和運營安全有著嚴(yán)重的威脅，本文根據(jù)評價因子，對每個隧道進出口進行調(diào)查，基于EW-AHP-SIM評價體系進行崩塌易發(fā)性評價，基于《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTGC20-2011）進行崩塌危險等級評價，其中規(guī)范法需根據(jù)崩塌發(fā)育程度、危害程度和誘發(fā)因素，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件，進行危險性現(xiàn)狀評估（表5）。

對比崩塌易發(fā)性評價結(jié)果和危巖落石危險等級評價結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者有極大關(guān)聯(lián)性，高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)與極高風(fēng)險/高風(fēng)險、中風(fēng)險、低風(fēng)險相對應(yīng)，說明基于EW-AHP-SIM評價體系的評價結(jié)果與研究區(qū)現(xiàn)場實際情況相一致，具有可行性和有效性，對崩塌地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和危巖落石風(fēng)險評價提供參考價值。

5 結(jié)論

（1）熵權(quán)法（EW）、層次分析法（AHP）和綜合指數(shù)（SIM）耦合形式，彌補了熵權(quán)法采集的數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確和層次分析法的人為主觀性等各自方法的缺陷，更加科學(xué)合理地確定崩塌影響因子的權(quán)重。

（2）由指標(biāo)權(quán)重的大小可以看出，坡形S3、巖性S4、出露結(jié)構(gòu)面S5、距斷裂距離S6和人類活動S10綜合權(quán)重值相對較高，分別介于0.102～0.191間，為敏感因子，而植被覆蓋率S8和年平均降雨量S7綜合權(quán)重值相對較低，為非敏感因子。

（3）基于EW-AHP-SIM評價體系，評價共得到6個低風(fēng)險區(qū)、3個中風(fēng)險區(qū)、3個高風(fēng)險區(qū)，與研究區(qū)現(xiàn)場實際情況相一致，可為崩塌地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測和危巖落石風(fēng)險評價提供參考價值。

參考文獻：

［1］ 陳洪凱，董平，唐紅梅.危巖崩塌災(zāi)害研究現(xiàn)狀與趨勢［J］.重慶師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，32（6）：53-60.

［2］ 劉傳正.崩塌滑坡災(zāi)害風(fēng)險識別方法初步研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2019，27（1）：88-97.

［3］ 樊芷吟，茍曉峰，秦明月，等.基于信息量模型與Logistic回歸模型耦合的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2018，26（2）：340-347.

［4］ 何虎軍，蘇生瑞，王孝健，等.基于未確知測度的崩塌危險性綜合評價模型研究及應(yīng)用［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，44（4）：1564-1570.

［5］ 李濼，王秀鳳，魏海東，等.崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治示范應(yīng)用：以濟南章丘北明村東崩塌點為例［J］.山東國土資源，2022，38（9）：50-55.

［6］ HUNGRO， EVANS S， HAZZARD J. Magnitude and frequency of rock falls and rock slides along the main transportation corridors of southwestern British Columbia［J］. Canadian Geotechnical Journal， 1999， 36（2）： 224-238.

［7］ 程鳳，焦玉國，周超，等.泰安市崩塌、滑坡、泥石流發(fā)育特征及防治對策淺析［J］.山東國土資源，2022，38（2）：47-51.

［8］ 劉思峰，蔡華，楊英杰，等.灰色關(guān)聯(lián)分析模型研究進展［J］.系統(tǒng)工程理論與實踐，2013，33（8）：2041-2046.

［9］ MARZORATI S， LUZI L， DE AMICIS M. Rock falls induced by earthquakes： a statistical approach ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering， 2002， 22（7）： 565-577.

［10］ 李明，王偉，張超.基于ArcGIS信息量模型的神農(nóng)溪流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃［J］.安全與環(huán)境工程，2013，20（2）：46-52.

［11］ 林報嘉，劉曉東，楊川，等.XGBoost機器學(xué)習(xí)模型與GIS技術(shù)結(jié)合的公路崩塌災(zāi)害易發(fā)性研究［J］.公路，2020，65（7）：20-26.

［12］ 蘇鳳環(huán)，崔鵬，張建強，等.蘆山地震重災(zāi)區(qū)崩塌滑坡易發(fā)性評價［J］.山地學(xué)報，2013，31（4）：502-509.

［13］ 吳少元.基于信息量模型的廈門市崩塌和滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價［J］.安全與環(huán)境工程，2019，26（3）：22-27.

［14］ WANG X， FRATTINI P， CROSTA G，等. Uncertainty assessment in quantitative rockfall risk assessment［J］. Landslides， 2014， 11（4）： 711-722.

［15］ 蘇寶成.泰安市地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀及易發(fā)程度分區(qū)評價［J］.山東國土資源，2021，37（10）：70-75.

［16］ CASCINI L， BONNARD C， COROMINAS J，等. Landslide hazard and risk zoning for urban planning and development［J］. Landslide Risk Management Taylor and Francis， London， 2005：199-235.

［17］ HUANG F， YIN K， HUANG J，等. Landslide susceptibility mapping based on self-organizing-map network and extreme learning machine［J］. Engineering Geology， 2017， 223：11-22.

［18］ QINGLI Z， RONGQIANG W， XINYU X，等. Characteristics and runout mechanism of super-large Xinmo rock avalanche-debris flow in Diexi， Sichuan province［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報， 2018， 26（1）： 193-206.

［19］ 潘國營，杜鵬卓，陳國勝.基于EW-FAHP的煤層底板承壓水突水危險評價［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2017，44（1）：131-136.

［20］ 劉宇恒，鄧輝，熊倩瑩.基于層次分析法的茂縣斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價［J］.長江科學(xué)院院報，2017，34（5）：31.

Evaluation of Collapse Disaster Vulnerability Based on EW-AHP-SIM Evaluation System

JI Xin1，YANG Xiaofei1，SHANG Shaoqian2，ZHANG Zhen2

（1.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute，Shandong Ji'nan 250013，China；2. Shandong Deep Foundation Engineering Survey Limited Corporation，Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract： In view of the imperfection of current collapse vulnerability evaluation system， based on the vulnerability evaluation， the "10 factors" index system has been constructed from the two aspects of primary factors and induced factors， and the EW-AHP-SIM collapse vulnerability evaluation system has been established by comparing current multiple evaluation models， and the collapse vulnerability evaluation has been conducted for 6 tunnel entrances and exits along a highway in the southwest. It is showed that the coupling form of entropy weight method （EW）， analytic hierarchy process （AHP） and comprehensive index （SIM） makes up for the inaccuracy of the data collected by entropy weight method and the artificial subjectivity of analytic hierarchy process， and other shortcomings of their respective methods， so as to determine the weight of collapse impact factors more scientifically and reasonably. It can be seen from the size of index weight that the comprehensive weight values of slope shape S3， lithology S4， exposed structural plane S5， distance from fault S6 and human activity S10 are relatively high， ranging from 0.093 to 0.271， which are sensitive factors， while the comprehensive weight values of slope height S1 and vegetation coverage S8 are relatively low， which are non-sensitive factors. Based on the EW-AHP-SIM evaluation system， 6 low risk areas， 3 medium risk areas and 3 high risk areas have been obtained， which are consistent with the actual situation of the study area. It can provide some references for the prediction of collapse geological hazards and risk assessment of dangerous rock and rockfall.

Key words： Collapse; vulnerability evaluation; entropy weight method; analytic hierarchy process; composite index method

收稿日期：2023-02-02；

修訂日期：2023-03-29；

編輯：曹麗麗

基金項目：黃河流域（聊城—濟南段）生態(tài)地質(zhì)調(diào)查評價（魯勘字〔2022〕18號）

作者簡介：季鑫（1982—），男，山東濟南人，高級工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail：522091403@qq.com

通訊作者：張震（1990—），男，山東泰安人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；E-mail：zzssq2023@126.com