基于GIS與AHP模型的白龍江流域泥石流危險性評價

蒲濟林，蘇軍德，高立兵，刑　釗

(1.甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100； 2.蘭州大學 資源環境學院，甘肅 蘭州 730000)

基于GIS與AHP模型的白龍江流域泥石流危險性評價

蒲濟林1，蘇軍德1，高立兵1，刑釗2

(1.甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100； 2.蘭州大學 資源環境學院，甘肅 蘭州 730000)

[關鍵詞]泥石流；AHP模型；危險性評價；白龍江流域

[摘要]以白龍江流域甘肅省境內部分為研究區，在收集資料和野外勘查的基礎上，選取海拔、坡度、滑坡密度、地層巖性、距斷層距離、地震動峰值加速度、平均10 min降雨量、距水系距離、歸一化植被指數(NDVI)、土地利用類型作為泥石流危險性評價因子，對研究區內外動力環境因子進行了分析。在此基礎上，基于GIS技術和AHP模型建立了研究區泥石流危險性評價模型。評價結果表明，研究區內泥石流空間分布密度大、空間異質性明顯，危險性呈現從西北至東南等級遞增的趨勢，并據此進行了泥石流危險性分區。

泥石流是發生在山區的一種突發性地質災害現象，其發生、發展與山地的形成演化過程息息相關，是山地環境退化、地表結構惡化、生態平衡失調的產物[1]。泥石流的發生是多種因子綜合作用的結果，其影響因子的復雜性導致了各地泥石流的發生具有區域性的特點。因此，科學合理地防治泥石流災害要先對災害發生的可能性、危險性、危害范圍和程度有一個基本的認識和評價[2]。目前常用的地質災害危險性評價方法主要有AHP模型分析法、人工神經網絡法、信息量法、判別分析法等。其中，AHP模型分析法是由美國運籌學家T.L.Satty提出的一種目標決策方法[3]，經過多年的發展，在地質災害易發性評價中得到了廣泛的應用[4-8]。

白龍江流域位于甘肅南部，屬秦嶺西段，地處青藏高原、黃土高原和四川盆地的交接處，是我國泥石流最為頻發和嚴重的地區之一[9-10]，尤其是下游地區泥石流分布面積大、暴發頻率高，給當地群眾生命安全造成極大威脅，嚴重制約了經濟社會的發展。本研究以白龍江流域甘肅省境內部分為研究區域，運用GIS技術與AHP模型分析方法對研究區內泥石流災害進行易發性與危險性評價，并對泥石流易發性與安全性評價結果進行分區。

1研究區概況

研究區地理位置介于N32°36′～34°24′、E103°0′～105°30′，流域面積18 436 km2，地勢險峻，峰高坡陡，土薄石多，地震活躍，底層巖性復雜，降雨集中且多暴雨。區內泥石流分布密集，以黏性泥石流為主，有流域面積大于1 km2的泥石流溝206條，主要分布在舟曲縣以下沿白龍江褶皺帶的兩岸，總體分布趨勢是在中部和東部較為密集、東南和西北分布稀疏，尤其以白龍江中游沿大斷裂帶兩側發育集中，平均密度2～3條/km2，局部可達5～8條/km2。

2研究方法

在收集資料和野外勘查的基礎上，借鑒研究人員和專家意見，分別選取地形地貌因子(海拔、坡度、滑坡密度)、地質因子(地層巖性、距斷層距離、地震動峰值加速度)、水文氣象因子(平均10 min降雨量、距水系距離)、[植被因子歸一化植被指數(NDVI)]、土地利用因子(土地利用類型)5個方面的10個因子，基于GIS實現分層分析，建立研究區泥石流評價指標體系，采用AHP模型對各因子進行分析評價，建立泥石流危險性評估模型，實現研究區泥石流危險性與易發性區劃與評價。

3因子分析

3.1單因子評價

(1)海拔。海拔對泥石流分布的影響表現在不同海拔范圍有不同的植被類型和植被覆蓋率、地形坡度差異導致存在局部集水平臺和易于滑坡滑動的臨界面，以及人類活動強度差異等，更重要的是海拔與降雨量之間具有很好的相關性。研究區西北部海拔較高，地表多為基巖，并有苔原植被覆蓋，不容易產生松散碎屑物，泥石流發育較少，而白龍江干流及二級支流地區海拔相對較低，是泥石流的頻發和多發區。

(2)坡度。坡度的大小會對泥石流的運動速度、堆積作用和徑流產生較大影響，因此坡度的不同會影響泥石流發育。研究區坡面坡度較陡，邊坡不穩定，容易發生泥石流，尤其坡度大于35°的區域是泥石流發育活躍區，其泥石流分布面積占到整個流域泥石流分布面積的81.6%。

(3)滑坡密度。研究區滑坡密度與泥石流空間分布之間有很好的正相關關系(R2=0.90)。白龍江干流及二級支流的河谷是滑坡頻發地帶，同時也是泥石流分布的密集區，尤其滑坡密度大于0.06個/km2的區域泥石流災害高發，如舟曲、武都等地，其泥石流分布面積占到整個流域泥石流分布面積的71.67%。

(4)地層巖性。巖土體是泥石流運動的主要物質來源，不同類型的巖石具有不同的物理化學性質，風化程度也各不相同：未被風化的巖石堅硬且不易破裂，其分布區一般不會發生泥石流；在較易風化的巖石區，風化碎屑物的產生為泥石流的發生發展提供了物質條件，故泥石流多發。調查發現，研究區泥石流主要分布在千枚巖、板巖、薄灰層巖和粉砂巖、泥巖、薄層砂巖地區。這些地區巖石巖性比較脆弱，極易被風化產生松散堆積物。

(5)距斷層距離。斷層能夠使兩側巖石破碎，產生大量的碎屑物質，因此斷層兩側常常是泥石流發生的重要區域。研究區泥石流多集中在斷層兩側區域，尤其是在武都、舟曲的大部分地區，距離斷層越近，泥石流分布就越密集。

(6)地震動峰值加速度。地震是地球內部釋放能量的一種地質作用，地震的發生可以對周圍巖石產生極大的破壞，從而產生大量的松散物質，為泥石流的發生提供物質條件。據測算，研究區地震整體上表現出自東南向西北逐漸減小的趨勢：武都中部、文縣東北部的地震動峰值加速度最大，為0.30g；宕昌和舟曲地震動峰值加速度為0.20g；西北部地震動峰值加速度最小，為0.10g。因此，研究區東南部比西北部受地質災害影響更強烈，相應地區的巖石穩定性更差。

(7)平均10 min降雨量。降雨是泥石流的重要誘因。研究區降雨相對集中，主要發生在6—9月，尤其7—8月時有強降雨發生。觸發泥石流的，往往是短歷時的強降雨。據不完全統計，研究區內7—8月份泥石流發生次數占到全部泥石流發生次數的90%以上。通過對研究區泥石流溝空間分布和不同歷時降雨插值結果進行敏感性分析發現，平均10 min降雨量的空間分布特征和泥石流的空間分布特征最吻合，因此選定10 min平均降雨量作為評價因子。

(8)距水系距離。等級不同的水系對應的匯水面積和水流量不同。水系等級越高的干流對周圍巖石的侵蝕作用就越強，可能使沿岸邊坡的臨空面增加，引發泥石流。研究白龍江流域泥石流分布與距水系距離的關系發現，離水系越近的區域受到水系的侵蝕作用越強，泥石流的活動性也就越強。

(9)NDVI。植被具有保持水土、涵養水源的作用。一般來說，NDVI值越高，地表的風化作用越弱，巖石就越穩固；NDVI值越低，地表巖石的風化作用越強，越有利于泥石流的形成。調查發現，研究區泥石流主要集中在NDVI值較低的武都、舟曲和宕昌北部，NDVI值為0.3～0.5，其泥石流的分布面積占到整個流域面積的90.12%。

(10)土地利用類型。土地利用類型對泥石流發育具有一定的影響，但影響程度存在差異。例如：在武都北部、宕昌東北部及文縣北部地區，草地等植被覆蓋率較高的地區泥石流分布數量較少；舟曲境內和文縣白水江兩岸雖然多林地覆蓋，但受地形、巖性、降水等因素影響，植被防侵蝕作用較弱，因此是泥石流的頻發區；武都全境、文縣北部、宕昌東北部及南部、迭部西北部草地分布面積較廣，但因人類活動頻繁、破壞嚴重，所以泥石流發育較多。綜上，研究區泥石流主要集中在人類活動頻繁的區域，可見人類活動對泥石流發育具有顯著影響。

3.2各因子之間的線性回歸分析

若各因子之間存在明顯的線性關系，則會產生多重線性關系，從而對泥石流的易發性和危險性評價產生很大影響。為此，對上述10種因子進行了線性回歸分析。結果表明，各因子中海拔的VIF值最大，為3.323。根據經驗判斷方法，當VIF<10時，各因子之間的相關性很弱，而數值越小，其相關性也就越弱。這說明上述提取的10個因子之間并不存在共線性。

4基于AHP模型的泥石流易發性評價

4.1評價指標分級

為了方便對白龍江流域泥石流易發性進行評價，將泥石流危險性進行等級劃分。根據研究區的實際情況和專家經驗，采用5級評價體系評價泥石流易發性，即將各個因子分別劃分為5個等級(表1)，權重分別為5、4、3、2、1。

4.2泥石流危險性評價結果分析

為了更精確地評價研究區泥石流危險性，根據實際情況，借助GIS技術將研究區劃分為18 325個1 km×1 km的柵格單元，基于AHP模型計算出每個單元各項評價指標的權重值、等級賦值，經綜合疊加分析，獲得單元內泥石流危險性的綜合指數，計算公式[11]為

表1泥石流評價指標分級

因子權重12345距斷層距離(m)>1880012100～188006800～121002500～6800<2500坡度(°)<1515～3535～5050～60>60海拔(m)>33002710～33002155～27101565～2155<1565地震動峰值加速度0.10g0.15g0.20g0.25g0.30g滑坡密度(個/km2)<0.020.02～0.060.06～0.120.12～0.20>0.20平均10min降雨量(mm)<8.958.95～9.859.85～10.9010.90～13.35>13.35距水系距離(m)>42452830～42451760～2830785～1760<785NDVI>0.600.50～0.600.40～0.500.30～0.40<0.30地層巖性 奧陶系巖層和各種巖脈 石灰系巖層、薊縣系巖層、三疊系巖層 泥質粉砂巖、炭質千枚巖 薄層粉砂巖、泥砂質灰巖、炭質千枚巖 薄層灰巖、砂巖、鈣質千枚巖、砂質粘土巖土地利用類型未利用林地草地耕地居民用地

式中：Vj為第j個評價單元的泥石流危險性綜合指數；θi為第i類評價指標的權重；Qi為第i類評價指標賦值；n為評價指標數量。

經計算，研究區Vj值介于1.564 3～4.738 8。根據白龍江流域的具體情況，確定泥石流評價等級劃分標準(表2)，再運用AHP模型獲取研究區內的泥石流危險性評價結果(圖1)。從圖1可以看出，白龍江流域泥石流從西北至東南呈現危險等級遞增的趨勢，極度危險區和高度危險區主要分布在宕昌南部、武都北部、文縣中北部，以及舟曲東北側的白龍江干流沿岸；中度危險區主要分布在極度、高度危險區四周；輕度危險區分布比較分散，主要分布在文縣東北部、宕昌東北部及迭部西北部；微度危險區主要分布在研究區的西北部，在文縣西南部也有少量的分布。上述研究結果還表明，宕昌、武都、文縣和舟曲是白龍江流域泥石流的頻發區，其泥石流分布面積分別占整個流域泥石流分布面積的18.30%、22.87%、10.95%、44.65%，這與實際情況相吻合，證明本研究利用AHP模型進行的泥石流危險性評價結果科學合理。

表2　基于AHP模型的研究區泥石流危險性評價等級劃分

圖1　基于AHP模型的研究區泥石流危險等級分布

5結果與討論

以白龍江流域甘肅省境內部分為研究對象，選擇影響泥石流發育的主要因素，在地質調查和單因素分析的基礎上，利用GIS技術和AHP模型對各因素進行綜合分析，獲取了泥石流危險等級分布圖。分級結果表明，白龍江流域泥石流危險性從西北至東南呈現危險等級遞增的趨勢，極度危險區和高度危險區主要分布在宕昌南部、武都北部、文縣中北部、舟曲東北側的白龍江干流沿岸；中度危險區主要在極度和高度危險區四周分布；輕度危險區分布比較分散，主要分布在文縣東北部、宕昌東北部、迭部西北部；微度危險區則主要分布在研究區的西北部，在文縣西南部也有少量的分布。研究結果與實際情況吻合，這說明利用GIS技術和AHP模型能夠很好地預測泥石流的發生與發展，對未來白龍江流域泥石流災害防治具有參考價值。

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(責任編輯李楊楊)

[基金項目]甘肅省科技計劃資助項目(1304GKCC044)；甘肅省高等學校科研項目(2015B—198)

[中圖分類號]P642.2

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)05-0058-04

[作者簡介]蒲濟林(1963—)，男，甘肅金昌市人，副教授，碩士，主要從事自然地理學教學和地質遙感研究工作；通信作者蘇軍德(1986—)，男，甘肅金昌市人，助教，碩士，主要從事地理學方面的研究。

[收稿日期]2015-12-02