地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的系統(tǒng)分析模型簡(jiǎn)介與應(yīng)用

楊建成

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 福建 福州 350004）

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地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的系統(tǒng)分析模型簡(jiǎn)介與應(yīng)用

楊建成

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 福建 福州 350004）

摘要：對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害依易發(fā)性區(qū)劃，筆者從系統(tǒng)的視角出發(fā)，擬構(gòu)建一個(gè)易于理解、易于操作、量化相對(duì)較好的地質(zhì)災(zāi)害概念模型。模型的綜合分值選用了突出極值的內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算，最終用地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育面積密度進(jìn)行區(qū)劃效果評(píng)價(jià)。本篇文章以福建省霞浦縣的工作為例對(duì)該模型進(jìn)行應(yīng)用，通過(guò)對(duì)模型各因素評(píng)價(jià)打分，劃分出地質(zhì)災(zāi)害的4級(jí)分區(qū)，為霞浦縣地質(zhì)災(zāi)害防治提供依據(jù)。模型應(yīng)用過(guò)程直觀地展示了模型的評(píng)價(jià)效果受因素選用、因素權(quán)重影響較大，模型本身的結(jié)構(gòu)使其更適合于評(píng)價(jià)災(zāi)害點(diǎn)密度大，規(guī)模小的區(qū)域。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)災(zāi)害；災(zāi)害分區(qū)；GIS應(yīng)用；內(nèi)梅羅指數(shù)；概念模型；霞浦縣

0 引言

我國(guó)是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國(guó)，地質(zhì)災(zāi)害具有發(fā)生頻繁、分布廣泛的特點(diǎn)。開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性區(qū)劃工作，是一條適合我國(guó)國(guó)情的地質(zhì)災(zāi)害綜合防治措施。如同與防火勝于救火一樣，開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性區(qū)劃工作，其潛在的社會(huì)意義及經(jīng)濟(jì)意義將是十分巨大的。

目前我國(guó)開(kāi)展的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)化工作，其分區(qū)方法主要依據(jù)的是國(guó)土資源部頒發(fā)的《縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求實(shí)施細(xì)則》中規(guī)定的綜合危險(xiǎn)性指數(shù)法，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分后采用定性為主，定量為輔的原則進(jìn)行區(qū)劃分級(jí)。其他正在探索的方法較多，比如專家打分法，信息量法，灰色系統(tǒng)模型法等，以及基于專家打分、層次分析等基本思路延伸出的方法等，大部分研究方法以定量為主，都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適合應(yīng)用的區(qū)域地質(zhì)條件。筆者在參與福建省國(guó)家縣市級(jí)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查區(qū)劃工作中，從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)實(shí)際，部分的引用了其他方法中比較成熟的部分，并組合了可以突出極端因素權(quán)重的內(nèi)梅羅指數(shù)，構(gòu)建了一個(gè)易于理解，方便操作，量化的概念模型，將其稱為系統(tǒng)分析模型，并將該模型在福建省霞浦縣進(jìn)行應(yīng)用，為霞浦縣地質(zhì)災(zāi)害防治提供依據(jù)。筆者曾在已發(fā)表過(guò)的文章中介紹了該模型［1］，因此本文僅對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)要引用介紹，重點(diǎn)在于該模型的應(yīng)用過(guò)程，使讀者對(duì)其有比較直觀的理解。

1 模型介紹

針對(duì)大面積區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害，開(kāi)展易發(fā)性區(qū)劃工作，其實(shí)際意義如同防火勝于救火一樣，潛在的社會(huì)意義及經(jīng)濟(jì)意義是十分巨大的。筆者構(gòu)建了一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害概念模型，簡(jiǎn)要介紹如下。

由于地質(zhì)災(zāi)害是在巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、人類活動(dòng)、氣候、植被等多種因素組合作用下產(chǎn)生的，將各單因素進(jìn)行分區(qū)打分，稱為基層打分，做成圖層，然后將各圖層疊加，形成新的分區(qū)綜合圖，對(duì)新的分區(qū)依據(jù)不同的因素權(quán)重，進(jìn)行計(jì)算打分，即為最終的綜合分值，依據(jù)此分值進(jìn)行區(qū)劃（圖1）。各步驟可通過(guò)GIS軟件實(shí)現(xiàn)［2-6］。

1.1 基層打分

對(duì)于系統(tǒng)中某一因素（巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、人類活動(dòng)、氣候、植被等）i，不同狀態(tài)n的分值確定如下式（1）：

Nn———n狀態(tài)區(qū)內(nèi)的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)；

Sn———n狀態(tài)區(qū)域的面積；

Vn———n狀態(tài)的災(zāi)害點(diǎn)面積密度；

Tn———n狀態(tài)的分值。

為便于下一步的計(jì)算和比較，在算出分值后，將因素i內(nèi)各狀態(tài)的分值歸一化處理，得到歸一化分值T0。

圖1　圖層疊加示意圖Fig.1 Overlay schematic diagram

1.2 權(quán)重確定

對(duì)于各單因素（巖土類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、人類活動(dòng)、氣候、植被等）X影響權(quán)重的確定，采用層次分析法中的準(zhǔn)則層各要素權(quán)重的確定方法。每次取兩個(gè)因子xi和xj，以aij表示xi和xj對(duì)綜合區(qū)劃結(jié)果Z的影響大小之比，此值由參與者據(jù)經(jīng)驗(yàn)討論賦值，全部比較結(jié)果用矩陣A=（aij）n*n表示，稱A為成對(duì)比較判斷矩陣。計(jì)算其最大特征值λmax，并對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如通過(guò)檢驗(yàn)，則采信。對(duì)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)的步驟如下：

（1） 計(jì)算一致性指標(biāo)CI：

（2） 對(duì)n=1，2，……9，查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，如下表所示：

表1　平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

（3） 計(jì)算一致性比例CR∶ CR= CI/RI

當(dāng)CR＜0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的［6-8］。

1.3 綜合分值計(jì)算

采用內(nèi)梅羅指數(shù)計(jì)算各分區(qū)的綜合分值，對(duì)于區(qū)內(nèi)疊加成圖后的每個(gè)子區(qū)包括i個(gè)因素，其綜合分值按下式計(jì)算 ：

Voi為第i個(gè)因素實(shí)際賦值Tn'（或歸一化分值T0）與該因素權(quán)重Wi的乘積：Voi= Tn' Wi 。在計(jì)算出綜合分值V后，分值大小代表了危險(xiǎn)程度高低，可據(jù)此進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)。

2 模型應(yīng)用

福建省霞浦縣處于我國(guó)海岸線的中部，福建省東北部，東南直臨東海，西北接山嶺重丘區(qū)，縣境東西寬約60公里，南北長(zhǎng)約70公里，陸地面積1489.6平方公里。年平均氣溫16～19℃，春多雨水，夏多臺(tái)風(fēng)，受海洋氣候影響，季風(fēng)特點(diǎn)明顯。災(zāi)害性天氣以夏季的臺(tái)風(fēng)、暴雨為主。轄區(qū)地勢(shì)自西北向東南大致呈三級(jí)階梯狀下降。最高一級(jí)為西北部的柏洋鄉(xiāng)和水門鄉(xiāng)，峰巒聳峙地勢(shì)最高，區(qū)內(nèi)分布太姥山的一部分，平均海拔在700m左右，千米以上山峰集中在這里，最高峰目海尖海拔1192.4米。轄區(qū)中部的鹽田鄉(xiāng)、崇儒鄉(xiāng)、 三沙鎮(zhèn)、沙江鎮(zhèn)部分，地勢(shì)比上一區(qū)有明顯的下降，它是由大片的丘陵和零星的低山組成，海拔高度在300～500m之間，是轄區(qū)地勢(shì)的第二級(jí)。最低的一級(jí)的東南沿海，海拔在250m以下，主要為丘陵、平原，成條帶狀沿海岸線展布。轄區(qū)北部的太姥山脈，走向北東，與地質(zhì)構(gòu)造線方向一致，另有五條山嶺與太姥山交織，走向由南東—西北到南北，形如爪。南部的山嶺走向由近東西向到北東—西南向，與海岸線基本平行。霞浦縣海岸線基本為北北東—南南西方向，與主要地質(zhì)構(gòu)造線方向一致。區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造體系由一系列走向北北東、北東向的斷裂帶組成，規(guī)模相對(duì)較大，主要有福鼎秦嶼—霞浦水門斷裂帶；霞浦柏洋—福安松羅斷裂帶以及長(zhǎng)春大京大斷裂。斷裂帶成為影響災(zāi)害體發(fā)育的主要構(gòu)造形式，它在區(qū)域整體上控制了災(zāi)害點(diǎn)的分布。

福建省霞浦縣的地質(zhì)災(zāi)害多表現(xiàn)為規(guī)模小，密度大的特征，致災(zāi)多發(fā)生于臺(tái)風(fēng)暴雨期間。對(duì)霞浦縣的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃，筆者據(jù)實(shí)際情況采用了地形地貌，人類活動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造，巖土類型四種代表性的因素。

運(yùn)用GIS技術(shù)，據(jù)式（1）各因素的分區(qū)圖及統(tǒng)計(jì)如下：

最終計(jì)算結(jié)果，最大特征值λmax= 4.002，

2.1 地形地貌分區(qū)，如表2及圖2

表2　地形地貌分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

2.2 巖土體類型分區(qū)，如表3及圖3

表3　巖土體類型分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

2.3 地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)，如表4及圖4

表4　地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

2.4 人類活動(dòng)分區(qū)，如表5及圖5

表5　人類活動(dòng)分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

圖2　地形地貌分區(qū)圖Fig.2 Terrain and geomorphology zoning map

圖3　巖土體類型分區(qū)圖Fig.3 Rock and soil type zoning map

權(quán)向量w =（ 0.291 0.345 0.215 0.149）。

對(duì)于n=4，隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0.90，一致性指標(biāo)CI=（λmax-n）/（n-1），一致性比率CR=CI/RI=（4.002-4）/（4-1）/0.90=0.90*0.00 2/3=0.0006＜0.10。

圖4　地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)圖Fig.4 Geological structural zoning map

圖5　人類活動(dòng)分區(qū)圖Fig.5 Human activity zoning map

圖6　地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖Fig.6 Geological hazard pronezoning map

表6　對(duì)于各因素權(quán)重的確定［6-8］，計(jì)算采用如下的判斷矩陣

通過(guò)一致性檢驗(yàn)，判斷矩陣可以接受。由此確定的地形地貌、人類活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體類型四種要素的權(quán)重W1、W2、W3、W4分別為0.291、 0.345、0.215、0.149。

2.5 綜合分值計(jì)算

運(yùn)用GIS，根據(jù)式（2）計(jì)算，各分區(qū)的分值從0.372到1.483。將區(qū)內(nèi)各分區(qū)按區(qū)數(shù)等分原則依據(jù)內(nèi)梅羅指數(shù)分值劃分成：地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，大于1.331，用紅色表示；地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，1.331～1.044，用棕色表示；地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)，1.044～0.799，用黃色表示；地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)，小于0.799，用青色表示。分區(qū)結(jié)果如圖6所示。

可以看出，地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)主要分布于人口密集的縣城周邊地區(qū)，以及三沙大部分地區(qū)，崇儒、鹽田的東部，這部分地區(qū)人口密集，人類活動(dòng)較強(qiáng)，地形地貌上具有一定的坡度，巖土體類型以侵入巖為主，位置上多處于海上臺(tái)風(fēng)暴雨登陸的前緣。

中易發(fā)區(qū)主要分布于本區(qū)域的中部地區(qū)，以及東沖半島的下滸、長(zhǎng)春等鎮(zhèn)和縣城地區(qū)，本區(qū)縣城以及東沖半島部分人口較多，以火山巖為主；其他部分則以侵入巖為主，地貌上除縣城外，地勢(shì)起伏較大，位置上多出于易受臺(tái)風(fēng)暴雨影響區(qū)。

低易發(fā)區(qū)則主要分布在高、中易發(fā)區(qū)的周圍， 以柏洋南部、崇儒、鹽田大部分地區(qū)及水門、溪南中部為主。不易發(fā)區(qū)則主要分布于海拔較高，但地勢(shì)起伏不大，人口較少的柏洋東部、水門北部、三沙西部，以及沙江中部、鹽田的大部分地區(qū)。

對(duì)災(zāi)害點(diǎn)按區(qū)劃結(jié)果進(jìn)行分狀態(tài)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如下表7所示?？梢?jiàn)，災(zāi)害點(diǎn)面積密度隨易發(fā)程度的增加而增加。從此點(diǎn)來(lái)看，分區(qū)結(jié)果較理想。

表7　災(zāi)害點(diǎn)分區(qū)統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論與討論

（1）從系統(tǒng)輸入與輸出的相應(yīng)性角度來(lái)看，輸入系統(tǒng)模型的信息從研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)得到，而依據(jù)輸出的信息即最終的計(jì)算結(jié)果所作的區(qū)劃，比較好的反映了災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀，從此角度考察，模型具有一定的可靠性。

（2）本文所選的權(quán)重矩陣計(jì)算出各要素的權(quán)重，從最終區(qū)劃結(jié)果看，基本上反映了各基本要素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的不同影響比重，或者可以理解為與內(nèi)梅羅指數(shù)結(jié)合應(yīng)用效果好。筆者還同時(shí)采用了相同權(quán)重計(jì)算，后者效果明顯不理想，篇幅所限將在后續(xù)文章中詳述討論。

（3）利用地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的區(qū)劃結(jié)果統(tǒng)計(jì)得到的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)面積密度，高易發(fā)區(qū)比低易發(fā)區(qū)大，顯示所作的地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)結(jié)果比較好的反映了災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀。再者，目前業(yè)內(nèi)各種基于地質(zhì)類比原則的區(qū)劃方法，都是基于已發(fā)生的災(zāi)害進(jìn)行分析，從而得到一個(gè)模擬模型，所以模型一般對(duì)現(xiàn)狀災(zāi)害的反映較好，但對(duì)于將來(lái)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)反映效果如何，尚需要?dú)v史和實(shí)際的進(jìn)一步驗(yàn)證。

（4）模型各因素參數(shù)實(shí)際賦值時(shí)并未完全和歸一化分值成比例，是基于以下幾點(diǎn)考慮：a、計(jì)算歸一化分值在此是為了量化體現(xiàn)各狀態(tài)的差異性。實(shí)際賦值采用了災(zāi)害點(diǎn)面積密度代表某因素該狀態(tài)的危險(xiǎn)性的基礎(chǔ)上，同時(shí)充分考慮各不同狀態(tài)危險(xiǎn)程度的先后順序及大小差異，然后進(jìn)行賦值；b、為了應(yīng)用方便而選用的四種因素有一定的局限，肯定無(wú)法涵蓋影響災(zāi)害點(diǎn)的全部因素；c、筆者還同時(shí)采用了歸一化分值進(jìn)行區(qū)劃，效果不如實(shí)際賦值理想，對(duì)災(zāi)害發(fā)育程度的反映與實(shí)際情況差距較大，而用實(shí)際賦值計(jì)算的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，則反映較好；d、參考?xì)w一化分值后進(jìn)行的實(shí)際賦值，在一定程度上體現(xiàn)了專家打分因素的影響，對(duì)模型僅采用四種因素導(dǎo)致的以偏概全有所校正。

（5）目前各種基于地質(zhì)類比原則的區(qū)劃方法，據(jù)其應(yīng)用條件不同，對(duì)于不同特點(diǎn)的區(qū)域有一定的適用性，對(duì)其致災(zāi)特點(diǎn)不同的區(qū)域，需要根據(jù)致災(zāi)特點(diǎn)選用計(jì)算因素，并依據(jù)合適的因素權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，才能得到相對(duì)適合的結(jié)果。本模型更適合于災(zāi)害點(diǎn)發(fā)育分布較密集，而規(guī)模相近的區(qū)域，有其一定的應(yīng)用局限性，這也是該模型不足之處。

（6）此模型的區(qū)劃思路不僅僅適用于地質(zhì)災(zāi)害，也可調(diào)整計(jì)算因素及參數(shù)后應(yīng)用于同樣需要區(qū)劃定性的其他工程。例如：區(qū)劃農(nóng)業(yè)作物病害易發(fā)區(qū)，區(qū)劃高速公路等線性工程地災(zāi)點(diǎn)易發(fā)段落等。在不同類型的工程項(xiàng)目中，可根據(jù)工程特點(diǎn)選取不同的計(jì)算因素，但最后綜合計(jì)算中，需用內(nèi)梅羅指數(shù)以突出其關(guān)鍵因素的影響，以體現(xiàn)水桶理論中短板的控制性影響。

參考資料：

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INTRODUCE & APPLICATION OF SYS-ANALYSIS MODEL ON ASSESSMENT OF GEOLOGICAL HAZARDS

YANG Jian-cheng
（Fujian Communication Planning&Design Institute，Geotechnical Engineering Department Fujian Fuzhou 350004）

Abstract：For geo-hazard prone zoning，from the perspective of the system， geo-hazard conception model be bulit which it is apt to be caught， to be applied， to be quantified。The comprehensive score of the model is calculated by Neemelo index of the outstanding extreme value。The divided conclusion will be got on area density of geo-hazard. This paper takes the work of Xiapu County in Fujian Province as an example to make use of the model. Through the evaluation of the model， the 4 grade division of Geohazard is divided， which provides the basis for the prevention and control of geo-hazard in Xiapu county. Evaluation results of the model is greatly affected by Factor selection and Factor weight，which is intuitive display in the model application process. The structure of the model makes it more suitable for the evaluation of the area of density and small scale geo-hazard.

Key words：Geo-hazard；Hazard area-dividing；GIS applying；Nemerow index；Concept model Fujian XIAPU

中圖分類號(hào)：P315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.008

文章編號(hào)：1674-8565（2016）02-0046-06

收稿日期：2015-12-20

修訂日期：2016-04-25

作者簡(jiǎn)介：楊建成（1977-），男，山東省威海市人，高級(jí)工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事巖土勘察工作。