探究基于層次分析法的礦區地質災害風險評估方法

楊致萍+董夢婷+蔡回煒

摘要：在礦區地質災害的風險評估中，采用層次分析法能夠使得分析評價過程更加簡潔和具有系統性，能夠全面的對產生地質災害的原因以及各個因素發生頻率及風險度進行定性、定量的分析評價，極大的提高了風險評估的準確度和科學性。

關鍵詞：層次分析法；礦區地質災害；風險評估；風險度

我國是一個采礦大國，且是一個發展中國家，正處在已開發和利用物質能源和能量能源為主要特征的工業化過程中。20世紀80年代后期以來，國民經濟持續穩定的高速增長需要消耗大量的礦產資源，進而導致大量的礦產開發。近年來，由于采礦引發的地質災害不斷發生。頻繁的地質災害給國家，礦區企業及附近居民造成了重大損失，嚴重制約了國民經濟和礦區企業的可持續發展。因此，提高對礦區地質災害的認識，加強對礦區地質災害的風險分析與評估已成為當前一項重要任務。

一、層次分析法

20世紀70年代由美國著名運籌學家薩蒂提出的層次分析法，指的是在將一個多目標決策對象看做一個系統的前提下，將該目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標（或準則、約束）的若干層次，通過定性指標模糊量化方法算出層次單排序（權數）和總排序，以作為目標（多指標）、多方案優化決策的系統方法。它的核心思想是將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則直至具體的備投方案的順序分解為不同的層次結構，然后得用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得每一層次的各元素對上一層次某元素的優先權重，最后再加權和的方法遞階歸并各備擇方案對總目標的最終權重，此最終權重最大者即為最優方案。

運用層次分析法對某系統進行分析的基本步驟為：

① 建立遞階層次結構

利用系統中某一特性的層次劃分，確定其各個不同的分析層次，一般某一層次內部具有相通性，即相互間屬于并列且相互獨立關系；相鄰層次間屬于包含與被包含關系（就分析對象特質而言），或者彼此相互關聯，具有導出關系。

② 構造成對比較陣

③ 計算權向量并做一致性檢驗

④ 計算組合權向量并做組合一致性檢驗

⑤ 構造判斷矩陣

二、層次分析法在地質災害風險評估中的應用

在利用層次分析法進行礦區地質災害風險評估中，首先要確定地質災害的目標并且按照其產生目標的原因進行分類和一致性檢驗，并通過對產生上一層次指標的各因素進行兩兩比較判斷，構造出判斷矩陣，對判斷矩陣進行計算結果導出層次單排序和一致性檢驗結果，從而確定各個因素的排序以及相應控制方案。

（一）某礦區地質災害風險評估

1.確定目標對象及評估因子，劃分層次模型

確定該目標為某礦區滑坡、崩塌、地裂縫等地質災害，該地產生地質災害的原因主要有地形地貌因子、巖性因子、構造因子、水文地質因子、采礦因子（包括地上地下采礦以及選礦、尾礦堆積、礦的運輸等活動）以及人類活動因子（不包括采礦活動及其相關如選礦、尾礦堆積等活動）等。由此劃分出其層次模型如圖1所示。

圖1某礦區地質災害層次模型

2.評估因子一致性檢驗

對建立起的矩陣進行一致性檢驗時，引入一致性指標概念，即

驗證CI=0，則判斷矩陣各評估因子完全一致；當CI<0時，判斷矩陣出現錯誤，需要對其進行調整，CI>0時，其不一致程度較大，且其值越大，不一致程度越大。由于各因子間的相互獨立性不敏感，矩陣不一致性控制在一定的范圍內依然是可以接受的。

3.評估因子的賦值

由于各個因子對地質災害的產生均具有貢獻，而某單個因子造成地質災害的狀況基本不存在，綜合該地區有地質災害詳細資料以來的參數，利用GIS技術統計計算各地質災害中各因子存在頻率及變化量對地質災害程度變化的影響，確定其各因子的地質災害貢獻度作為其敏感度，對各因子進行1～10賦值和分級。

4.評估因子權重輸出計算

在對各評估因子進行矩陣計算后，得出各因子對地質災害發生的貢獻度及其所占權重輸出結果如下所示。

表1某礦區地質災害危險性評價指標權重

地形地貌因子（0.25） 地形條件（2）

礦區面積（1）

巖性因子（0.13） 地層巖性（1）

構造因子（0.15） 距斷裂帶距離（1）

水文地質因子（0.06） 礦區地表水文條件（1）

礦區地底水文條件（1）

周邊水文條件（1）

采礦因子（0.42） 尾礦庫地形及尾礦堆積方式（3）

礦區采礦方式及范圍（2）

礦區采空區范圍（2）

人類活動因子（0.15） 交通運輸（1）

農田等（1）

（二）該礦區滑坡風險評估

確定該礦區滑坡風險因子分別為采礦活動、滑坡災害面密度、坡度、坡高、地層巖性等五個部分。

1.采礦活動

這里的采礦活動包括礦區采礦、選礦、尾礦處理等作業，如地表及地下采礦、巖體破碎、爆破、礦體運輸、選礦給排水、礦井提升、尾礦的堆積以及相應設施系統的配套設施、系統的施工、建設活動。

2.滑坡災害面密度

災害面密度的定性分析是根據災害點的空間分布情況統計每個區域的災害點面密度與滑坡危險性成正比。滑坡面密度的提取方法是以GIS為平臺將滑坡分布圖層轉化為柵格圖層 以10m×10m劃分單元網格。然后以每個網格為圓心 半徑500m逐個網格進行搜索。以圓內部滑坡面積與圓面積之比作為該網格的滑坡災害的面密度。

3.坡度

坡度是引發滑坡的重要因素之一，坡度過大由于其山體在采礦的條件下剪應力過大造成其坡腳處應力相對集中，使得滑坡現象多發；而且對于滑坡多發山體，其老滑坡的應力破壞使得山體的抗剪應力性減弱，更容易引發新的滑坡的產生。endprint

4.坡高

坡高是引發滑坡的基本因子之一，由于坡高的增加，使得山體坡腳處應力更加集中，特別在正應力剪應力疊加的基礎上由于采礦的影響發生應力錯動偏差，最終導致滑坡的產生。

5.地層巖性

地層巖性對滑坡活動的影響是一個比較復雜的因素，綜合考慮礦區地層巖性的各種因素，按照地層巖性對滑坡的影響程度，以GIS地貌單元為基礎，對不同地層巖性進行賦值，取值范圍為1～10。

滑坡各影響因子的分級標準如表2所示，按層次分析法的步驟首先以影響滑坡的5個因子為基礎建立層次分析法模型，建立判斷矩陣并驗證出判斷矩陣具有較好的一致性，對特征向量歸一化處理后，得到滑坡各因子的權重如表3所示。

表2 滑坡影響因子分級標準

滑坡影響因子 編號 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

采礦活動 C1 ≤0.10 0.100.25

災害面密度 C2 ≤0.20 0.200.6

坡度/（°） C3 ≤15 1540

坡高/m C4 ≤30 30150

地層巖性 C5 ≤2.50 2.50

表3滑坡危險性評價各因子判斷矩陣及權重

影響因子 C1 C2 C3 C4 C5 權重

C1 1 2 2 2 3 0.348

C2 1/2 1 3/2 3/2 2 0.218

C3 1/2 2/3 1 1 2 0.170

C4 1/2 2/3 1 1 3/2 0.161

C5 1/3 1/2 1/2 3/2 1 0.103

對以上進行的地質災害因子權重計算結果進行排序便可得出該礦區造成地質災害的各主要原因以及其分級重要度。因此在進行地質災害預防與控制時，需要對其進行重點的控制。此時，可以通過將各危險性因子權重結果導入GIS圖層中，利用土層疊加求取該礦區某具體網格內發生地質災害的可能性，從而對下一步的地質災害管理與控制提供一定的參考意見。

結語：

利用層次分析法進行礦區地質災害分析的優勢主要有系統性較強，能夠對造成地質災害的各個部分進行全面、詳細的分析，并得出各因子對災害發生的貢獻度即權重，由此確定地質災害風險控制的最佳方案。但其在各因子的賦值計算時往往依據經驗和相對頻率、貢獻度，無法保證定量分析結果的正確性，使得分析結果只能作為危險性排序的定性參考意見而不能對其進行定量的評估和控制；且該方法只能對已有的兩種或多種風險控制方案進行對比，不能直接導出新的控制方案，因此其在地質災害預防控制方面的應用存在一定的局限性，需要通過綜合GIS、計算機軟件、數字模擬等其他技術的發展應用對其進行進一步的改進與優化。

參考文獻

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楊致萍，女，1987-04-30，山西太谷縣，助理工程師，研究方向：水工環地質