基于層次分析法的斜坡地質災害易發性評價研究

張文君，趙志芳

(1.云南大學遙感地質研究中心，云南昆明 650091; 2.云南省遙感中心，云南昆明 650091)

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基于層次分析法的斜坡地質災害易發性評價研究

張文君，趙志芳*

(1.云南大學遙感地質研究中心，云南昆明 650091; 2.云南省遙感中心，云南昆明 650091)

選取中越邊境元江-紅河地區作為研究區，在全面分析斜坡地質災害影響因子的基礎上，建立了地質災害易發程度評價體系；運用層次分析法(AHP)，確定了影響地質災害易發程度的評價因子及其權重，構建了斜坡地質災害易發性評價模型；并進行了模型應用，按其斜坡地質災害易發性程度劃分為不易發區、低易發區、中易發區和高易發區4個等級。野外查證表明，該模型構建能較好地刻畫研究區斜坡地質災害易發性程度，模型構建具有一定推廣應用價值。

斜坡地質災害易發性；層次分析法；中越邊境元江-紅河地區

體積巨大的表層物質在重力作用下沿斜坡向下運動，常常形成嚴重的地質災害[1]，給人們的生命財產安全來了影響。針對地質災害易發性問題，國內外許多學者開展了一系列研究。Lara等[2]在研究智利圣拉蒙峽谷地區工程地質的基礎上，將其作為主控因素參與到研究區地質災害的易發性分析中，成為地質災害易發性評價的一個良好范例。Ahmed[3]將遙感技術、GIS同層次分析法、加權線性組合及邏輯回歸相結合，建立了孟加拉國克斯巴扎市山區地質災害易發性模型，經精度評價證明層次分析法和邏輯回歸模型具有較好的評價結果。Dou等[4]選取坡度、巖性等6個指標，并采用人工神經網絡的方法對日本Osado島的滑坡進行易發性評價，最終得到研究區地質災害易發性區劃圖。魏新平等[5]通過將地質環境條件和現狀災害調查相結合，提出地質災害易發性綜合指數，并將該指數模型運用于甘肅省崇信縣，對縣內已經存在的或潛在的以及將來引發或加劇的地質災害進行了易發性分區，最終將崇信縣劃分為高、中、低易發區。王哲等[6]將層次分析法與模糊數學綜合評價相結合，根據建立的隸屬度函數構建模糊判斷矩陣，對綿陽市的地質災害易發程度進行了模糊綜合評判，得到了4個等級的地質災害易發性分區。

中越邊境的元江-紅河地區，因其氣候多云多雨、巖土體風化較為嚴重，崩塌、滑坡、泥石流等斜坡地質災害頻發，對區域合作發展帶來了影響。但受邊境條件限制，傳統地面調查難以實施，如何有效開展區內的地質災害易發性評價成為較為緊迫的課題，定量化的斜坡地質災害評價模型有待盡快建立。鑒于此，筆者采用層次分析法(AHP)構建了地質災害易發性評價模型，并將模型應用于地質災害頻發的中越邊境元江-紅河地區，以期較好地實現客觀定量斜坡地質災害評價模型構建，同時為研究區地質災害防治提供科學依據。

1 研究方法

1.1 數據源

以Landsat8遙感影像(景號：12844，時相：2014年4月13日)以及1∶50 000數字高程模型(DEM)(分辨率：20 m)為基本數據源，主要通過建立解譯標志、GIS空間數據處理等方法，提取斜坡地質災害因子及影響斜坡地質災害因子信息。

1.2 研究方法

研究主要采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)，該方法由美國運籌學家Saaty提出。其基本步驟是：對于一個包括眾多因子而又難于完全量化評價的系統，根據各個影響因子之間的相互關系，建立遞階層次結構；對系統中的各因子，根據其影響程度，建立定量化標準或評分機制；通過判斷矩陣經一致性檢驗后，逐層得到各因子的評分，結合因子的權重，最終得到最高層次目標的評價值。由于影響斜坡類地質災害發生的因素眾多，且具有一定的不確定性和模糊性，但各因素之間又具有明顯的相關性[7]。因此，在進行地質災害易發性研究時，常常采用層次分析法(AHP)來解決此類多目標復雜問題。

2 評價指標體系的建立

2.1 評價因子的選擇

斜坡地質災害是地質、地理環境與人文社會環境綜合作用的產物。影響斜坡地質災害的因素相當復雜，總體上可分為地質因素及非地質因素兩類，前者是斜坡地質災害發生的物質基礎，后者則是斜坡地質災害的外動力因素或觸發條件。重力是斜坡地質災害的內在動力，坡度、地形地貌、地層巖性、地質構造、植被發育、河流切割情況是影響斜坡失穩的主要自然因素，而涉及坡腳開挖的道路修建等人類工程活動對斜坡的變形破壞起著重要的誘發作用[1]。綜上，結合研究區的自然地理以及地質環境條件，同時考慮人為活動的影響，從孕災條件和致災因素兩方面建立地質災害指標體系，遵循評價因子應力求簡明性、代表性和可操作性的原則[8]，選取坡度、地形地貌、地層巖性、斷裂構造、植被、水系以及人類工程活動作為影響斜坡地質災害易發性的7個因子，構建斜坡地質災害易發性評價體系(圖1)。同時結合研究區自然地理條件，反復試驗對比后構建了斜坡地質災害易發程度評價指標中的分級標準(表1)。

表1 斜坡地質災害易發性評價因子及等級劃分

2.2 評價因子分析

2.2.1斜坡坡度。斜坡地形的高差和坡度決定著由重力產生的下滑力的大小，從而也決定著斜坡地質災害災害發生的可能性與規模。采用數字高程模型(DEM)，將坡度劃分為<10°的平臺、10°～15°的緩坡、15°～25°的中坡、>25°的陡坡4個級別[9]。根據統計不同坡度分類上的地質災害相對密度，將<10°的平臺、10°～15°的緩坡、>25°的陡坡、15°～25°的中坡分別賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。

2.2.2 地形地貌。研究區以構造地貌為主，流水地貌較為發育，分布有巖溶地貌。構造地貌主要分布于元江斷裂的西側，地勢由北西向南東逐漸降低，山頂狹窄，縱向多呈馬鞍形。流水地貌為受元江深大斷裂控制形成的構造河谷，與元江深大斷裂平行排列，從北西向南東貫穿全區。結合遙感影像、坡度和地勢起伏度狀況，將研究區地形地貌按其成因形態類型分為河谷地貌、溶蝕山地和褶皺侵蝕山地3類，并分別賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級。

2.2.3 地層巖性。地質體母巖及其風化物是地質災害發生、發展的基礎條件，是致災體的物質來源[10]。不同的礦物成分及含量使得巖石的風化程度不同，最終導致巖石的性質結構、力學強度、親水性、節理裂隙數量等性質發生不同程度的變化。研究區巖石多為變質巖和沉積巖，根據《工程巖體分級標準》[11]，將巖石的堅硬程度劃分為堅硬巖、較堅硬巖、軟巖、極軟巖。

2.2.4 斷裂構造。斷裂構造的性質、破碎帶寬度、節理裂隙發育程度及其組合特征等均影響斜坡地質災害發育。地質災害及其隱患點基本沿斷裂帶走向呈條帶狀排列分布，而且在斷裂密集或交叉區域地質災害多發[12]。研究區內有巖石圈斷裂一條，為元江-紅河斷裂，一般斷裂兩條，為苦筍老寨-沙巴斷裂(F11)、牛塘寨-南溪鎮斷裂(F12)，均為NW向展布；有線性構造多條。以500 m為間隔對斷裂構造做4級緩沖區，結合隨距離斷裂構造距離的增加、災害發生的可能性降低，易發程度等級也隨之降低的特點，將上述斷裂構造緩沖區賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。

2.2.5 植被。植被通過其水文效應和力學錨固效應影響巖土體的整體性和穩定性，進而影響各種地質災害的產生和發展[13]。植被覆蓋度是指在單位面積內植被(包括葉、莖、枝)的垂直投影面積所占百分比，在水土流失、土壤水分蒸發、巖土體穩定性中起著重要的作用。運用歸一化植被指數(NDVI)在遙感影像的基礎上，定量估算植被覆蓋度fC，在置信度為0.01的情況下得到研究區植被覆蓋度圖。結合研究區實際情況，通過柵格重分類劃分為4級，分別是極低植被覆蓋度(0≤fC<10%)；低植被覆蓋度(10%≤fC<30%)；中植被覆蓋度(30%≤fC<60%)；高植被覆蓋度(60%≤fC)。植被覆蓋度計算公式為：

fC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

式中，fC為植被覆蓋度；NDVI為歸一化植被指數；NDVImin為歸一化植被指數極小值；NDVImax為歸一化植被指數極大值。

2.2.6 水系。山地溝谷的發育為泥石流的形成提供了有利的空間場所和通道，同時河流的侵蝕作用也常常導致滑坡和崩塌的發生。故對1、2、3級河流以500 m間隔做4級緩沖區，分別賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。

2.2.7 人類工程。現階段，越來越多的地質災害是由人類工程活動誘發產生的。道路的修建對邊坡坡腳的切層開挖是邊坡變形誘發地質災害的重要原因，道路的開挖不僅為滑坡體的位移提供空間，而且挖方的隨意堆棄也為崩塌和泥石流的發育提供了豐富的物質來源。因此，對1、2、3級道路以500 m隔做4級緩沖區，分別賦予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。

2.3 指標權重的確定

由于地質災害影響因素復雜，目前賦權方法還沒有形成完整的體系。運用層次分析法首先對評估因子之間的重要度進行兩兩比較，建立判斷矩陣，采用1-9位標度法[14]將各因素重要性的定性部分定量化，以提高權重判斷的準確性；然后，計算判斷矩陣的標準化特征向量，經一致性檢驗，得到影響研究區的指標因子權重(表1)。

3 模型應用及驗證

研究區呈長方形，采用規則正方形格網單元劃分方法，以間距200 m×200 m劃分為形狀大小一致的單元格，共劃分52 116個網格。根據最大面積比對單元格將各個指標等級賦值于單元格，通過字段計算器和柵格計算器得到各指標因子的線性加權和，即為各單元格的易發性定量指標。由于單元格多達52 116個，樣本已足夠大，為提高計算效率，采用反距離權重法(IDW)進行空間插值，并根據經驗公式設定柵格大小為33 m，經矢量化后得到插值結果圖。依據輸出圖層的顯示結果，采用Natural Breaks(Jenks)法，將中越邊境元江-紅河地區劃分為不易發區、低易發區、中易發區和高易發區，面積分別為587.99、403.17、621.79、442.85 km2(圖2)。柵格單元大小計算公式為：

GS=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

式中，GS為柵格單元大小；S為制圖比例尺分母。

3.1 高易發區

研究區斜坡地質災害高易發區面積為442.85 km2，占全區總面積的21.54%。主要分布于河口瑤族自治縣褶皺侵蝕山地的道路邊坡和越南老街附近的風化破碎帶等地區，主要沿斷裂和道路呈條帶狀密集發育。該區地質環境條件較差，受深大斷裂——紅河斷裂帶的影響，加之道路修建時地基開挖，造成斜坡變形、軟弱構造面暴露、形成的眾多臨空面和巖土破碎的挖方，為斜坡地質災害的發生提供了豐富的物質來源和發育空間。另外，研究區屬熱帶山地季風雨林濕熱氣候，炎熱潮濕，暴雨頻發，雨水大量下滲，導致斜坡巖土體含水飽和，抗剪強度下降，極易發生滑坡和泥石流災害。

3.2 中易發區

研究區斜坡地質災害中易發區面積為621.79 km2，其所占比例最高，為30.25%，主要分布于紅河斷裂東側瑤山巖群的碳酸鹽沉積和碎屑巖地區，以及哀牢山巖群的前陸盆地碎屑巖夾碳酸鹽的沉積地區，該區多為中低植被覆蓋度區，巖土體較不完整，水系發育程度高，有利于地質災害的發生。

3.3 低易發區

研究區斜坡地質災害低易發區面積為403.17 km2，占全區總面積的19.61%，主要分布于山高坡陡以及距離道路、水系較遠的地區。

3.4 不易發區

由于研究區多為中低山和河谷地貌，同時大部分地區植被覆蓋度高，不具備良好的孕災條件，故斜坡地質災害不易發區面積為587.99 km2，所占比例達28.60%，廣泛分布于人口密度稀少的林地。

經野外驗證，驗證點1位于河口瑤族自治縣的海壩公路旁，該點的滑坡體巖性為片麻巖，巖體風化嚴重，完整性差，屬中低山地貌。經初步調查，由于該點處巖石屬于強風化，巖體破碎，土質松軟，公路的開挖又形成臨空面，在脆弱地質環境條件下，經長時間降雨及局地強降雨，使得巖土體飽水，物質容量增大，在重力作用下發生地質蠕動而發生滑坡，嚴重阻塞了公路，直接造成了國家和人民的經濟損失。驗證點2位于老龍田-新街公路旁，該點巖石節理發育，風化完全，坡耕嚴重，種植大量橡膠林，植被單一，并且該點附近發育有其他滑坡，形成小型的滑坡群。驗證點1和2均位于高易發區。

4 結論

建立了基于地質災害孕災條件和誘發因素的評價體系，運用AHP法確定因子權重，通過網格模型和空間插值進行地質災害易發性評價，不僅簡便易行，而且綜合考慮了各因素的影響，使各因素都真實地參與評價，減少了人為因素的影響，經實地驗證其劃分結果比較符合中越邊境元江斷裂研究區的實際情況，具有較好的科學性和可行性。

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Study on the Evaluation of Slope Geological Hazard Susceptibility Based on the Analytic Hierarchy Process

ZHANG Wen-jun, ZHAO Zhi-fang*

(1. Research Center for Remote Sensing in Geology, Yunnan University, Kunming, Yunnan 650091;2. Yunnan Province Center for Remote Sensing, Kunming, Yunnan 650091)

This thesis selected Yuanjiang-Red River as the study area, established the evaluation system of slope geological hazard susceptibility, determined the evaluation factors and the weight by the Analytic Hierarchy Process(AHP), and constructed the evaluation model of slope geological hazards susceptibility. And the study area is divided into high area,middle area,low area and safe area by the application of the model. Conclusions from field survey confirm that this model can describe the slope geological hazard susceptibility degree in study area well, which also has a certain value of application.

Slope geological hazard susceptibility; The Analytic Hierarchy Process; Yuanjiang-Red River region

張文君(1991-)，女，河南信陽人，碩士研究生，研究方向：資源環境遙感及GIS。*通訊作者，教授，博士，從事遙感地質研究。

2015-11-12

S 181

A

0517-6611(2015)35-101-04