基于GIS和模糊綜合評判法的重慶涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

王 駿 李東林 覃 偉

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基于GIS和模糊綜合評判法的重慶涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

王 駿1李東林2覃 偉2

（1.重慶市地勘局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，重慶 400700）（2.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 400037)

針對傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃存在的問題，利用模糊綜合評判法，構(gòu)建模糊集合，建立多級模糊綜合評判模型．選取6個因子作為區(qū)劃指標(biāo)，通過指標(biāo)等級賦值及隸屬函數(shù)的構(gòu)造，闡明了地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度定量計算依據(jù)；利用地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)疊加分析工具，獲得地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖．經(jīng)過對比分析，基于模糊綜合評判法的易發(fā)性分區(qū)更符合客觀實際．

重慶涪陵區(qū)；模糊綜合評判法；地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

在近十年的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃工作才剛起步，在易發(fā)單元、易發(fā)性級別的確定以及評價方法等方面還有待進一步的理論研究和探討．誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的因素眾多，單體地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評價結(jié)果與實際情況未能完全吻合，對于區(qū)域多災(zāi)種而言，易發(fā)性分區(qū)評價則更加困難．區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價應(yīng)采用合理、科學(xué)的技術(shù)手段，其結(jié)果才能為地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)．目前，對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的研究主要有：層次分析法、信息量法、Logistic回歸模型、模糊數(shù)學(xué)評價法、GIS技術(shù)等．由于地質(zhì)災(zāi)害的評價因素存在大量的不確定性，這類亦此亦彼的自然現(xiàn)象就是模糊數(shù)學(xué)所研究的對象，并且易發(fā)性評價具有多因素多層次的特點，本文采用多級模糊綜合評判并結(jié)合Arcgis對重慶涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行分區(qū)評價．

1 研究區(qū)概況

重慶涪陵區(qū)地處四川盆地和盆邊山地過渡地帶，境內(nèi)地勢起伏較大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜．隨著涪陵區(qū)人口不斷增加，經(jīng)濟快速發(fā)展，人類活動使斜坡巖土體的自然平衡受到破壞而失穩(wěn)，誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害造成巨大經(jīng)濟損失，近年來已呈現(xiàn)出災(zāi)害頻率逐年升高的趨勢[1]．

1.1 地質(zhì)背景

涪陵區(qū)境內(nèi)出露地層均為沉積巖類，主要為寒武系－侏羅系，缺失第三系地層，巖性為碳酸鹽、碎屑巖和碎屑巖．地層總體上從東、東南往西、西北由老到新，第四系及侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3P）到二迭系下統(tǒng)茅口組（P1m）地層均有出露．區(qū)內(nèi)第四系地層零星分布，主要分布在沿江兩岸、河谷階地及斜坡中、下部，為沖洪積層及坡積、殘坡積層；基巖地層中，侏羅系地層分布最廣，地層巖性以泥巖、砂巖、頁巖為主；其次為三疊系灰?guī)r和石英砂巖，二疊系地層僅在東南邊緣武陵山區(qū)有局部出露，地層以巖屑砂巖、灰?guī)r為主，次為泥巖、頁巖．

涪陵區(qū)大地構(gòu)造單元屬揚子準(zhǔn)地臺四川臺坳川東南褶皺東墊江坳褶帶．屬川東褶皺帶的地質(zhì)構(gòu)造主要分布于長江以北地區(qū)，多呈隔檔式褶皺雁行排列，斷裂一般分布于靠背斜軸部．屬川黔南北構(gòu)造帶的地質(zhì)構(gòu)造主要分布于長江以南地區(qū)，含兩個方向的褶皺，多為短軸狀構(gòu)造，斷層多沿背斜軸部分布．

圖1 涪陵區(qū)地理概況圖

1.2 地質(zhì)災(zāi)害特征

涪陵區(qū)地貌基本以山地和丘陵為主，境內(nèi)地勢起伏較大，總體東南高而西北低，層狀地層發(fā)育，山地面積廣大．在地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降雨和人類工程活動的影響下，地質(zhì)災(zāi)害十分發(fā)育，類型以滑坡為主，其次為崩塌（危巖），不穩(wěn)定斜坡，泥石流及地面塌陷．根據(jù)2012年地質(zhì)災(zāi)害排查結(jié)果，涪陵區(qū)統(tǒng)計有各類地質(zhì)災(zāi)害共561處（見表1），其中滑坡509處，占90.7％；危巖崩塌38處，占6.8％；不穩(wěn)定斜坡12處，占2.1％；泥石流1處，占0.2％；地面塌陷1處，占0.2％．

表1 地質(zhì)災(zāi)害類型統(tǒng)計表

2 研究方法

2.1 多級模糊綜合評判

模糊綜合評判法是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關(guān)的各個因素，對其所作的綜合評價．解決復(fù)雜問題時，由于影響因素較多，各因素之間又有層次之分，應(yīng)該考慮將評價因素集合按照其內(nèi)在的特性分為幾類，分別對每一類作綜合評判，最后將“類”進行更高層次的評判[2]20-45．步驟如下：

（1）劃分因素集將因素集合分為級，即={1,2,…,U}，式中：i={u1,u2,…,u}，=1,2,…，，即U中含有k個因素，，并且滿足以下條件：

（2）初級評判：對每個U={u1，u2,…，u}中的個因素，按初始模型作模糊評判．設(shè)U的因素重要程度模糊子集為，U的個因素的總的評價矩陣為R，于是得到：

（3）二級評判：設(shè)={1，2,…，U}的因素重要程度模糊子集為，且=(1,2,…,N)，則總的評價矩陣，

在確定評判結(jié)果時，根據(jù)最大隸屬度原則，B向量中哪個分量值最大，評判結(jié)果就對應(yīng)該分量相應(yīng)的含義．

2.2 確定隸屬函數(shù)

根據(jù)模糊集理論，各參評因子的實際值對各級地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的隸屬程度用隸屬度()來刻畫（隸屬度越大，隸屬資格越高），隸屬度用隸屬函數(shù)表示，確定隸屬函數(shù)的方法很多，例如：專家直接打分法、二元對比排序法、待定系數(shù)法等．本文采用線性隸屬函數(shù)確定評價因子隸屬度，計算公式如下：

式中：為各評價指標(biāo)賦值，C為標(biāo)準(zhǔn)等級賦值，1()、2()、3()、4()分別為評判集中地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度隸屬度．

2.3 評價指標(biāo)選取

通過對涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及分布規(guī)律的認(rèn)識，分析其地質(zhì)災(zāi)害形成條件，選取地形坡度、地層巖性、距斷層距離、年平均降雨量、人類工程活動以及地質(zhì)災(zāi)害點分布密度，共6個因子作為涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)（圖2），采用多級模糊綜合評判理論，建立涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型，其中，一級評判指標(biāo)由地形坡度、地層巖性等因子組成，二級評判指標(biāo)由基本因素、誘發(fā)因素、災(zāi)害地質(zhì)因素組成．根據(jù)規(guī)范確定評判集={不易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)}．

評價因子集合={地形坡度、地層巖性、距斷層距離、年平均降雨量、人類工程活動、災(zāi)害點密度}

2.4 指標(biāo)量化處理

按地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、不易發(fā)區(qū)．由于評價因子中包含不同類型、不同單位的數(shù)據(jù)，為便于運算，將各指標(biāo)劃分為四個等級，分別表示不同的易發(fā)程度（見表2）．

表2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)

2.5 確定指標(biāo)權(quán)重

層次分析法（AHP）將復(fù)雜的問題條理化、系統(tǒng)化，根據(jù)具體問題將其分解為各組成因素，并按各因素間的相互關(guān)系分為不同層次，形成一個多層次的結(jié)構(gòu)體系[3]18-33．將AHP方法與模糊數(shù)學(xué)理論相結(jié)合，可清晰反映所研究問題的層次關(guān)系結(jié)構(gòu)，并建立評判矩陣，用求解矩陣最大特征值及其特征向量的方法得到各評價因子的相對權(quán)重，最后通過計算指標(biāo)層對于目標(biāo)層的相對權(quán)重值，得到各指標(biāo)權(quán)重．

2.6 GIS上的模型實現(xiàn)

GIS有著強大的信息存儲及處理能力，應(yīng)用GIS信息技術(shù)整合各類數(shù)據(jù)，需分別獲取各評價指標(biāo)信息圖層，可根據(jù)區(qū)域DEM數(shù)據(jù)提取坡度因子信息；以區(qū)域地形地質(zhì)圖及構(gòu)造綱要圖為底圖，矢量化得到地層巖性數(shù)據(jù)、斷層分布數(shù)據(jù)；根據(jù)區(qū)內(nèi)氣象水文資料，結(jié)合克里金插值法，擬合出年平均降雨量分布圖；再由區(qū)域近年來大型建設(shè)項目規(guī)劃資料，繪制人類工程活動影響圖；最后，通過地質(zhì)災(zāi)害排查工作，將區(qū)內(nèi)所有地災(zāi)點投影到GIS上，利用點密度工具得到地質(zhì)災(zāi)害點密度分布圖．

獲得的評價因子圖均為柵格格式，采用間接計算方法，將評價因子圖轉(zhuǎn)換為矢量圖，利用Arcgis軟件的疊加分析功能，獲得所有評判列向量，篩選出最大隸屬度，標(biāo)以易發(fā)性等級代號，得到地災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖，從而實現(xiàn)GIS平臺上的模糊數(shù)學(xué)模型運算．

3 涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

3.1 確定指標(biāo)權(quán)重

本文采用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，建立判斷矩陣反映指標(biāo)之間的數(shù)量關(guān)系，用最大特征根計算一致性指標(biāo)，為平均隨機一致性指標(biāo)，可查表得出．為一致性比例，/，當(dāng)階數(shù)≤2時，矩陣總有一致性；當(dāng)階數(shù)>2時，需計算值，當(dāng)<0.1時，認(rèn)為該判斷矩陣具有一致性，否則應(yīng)對判斷矩陣進行適當(dāng)修正．

表3 一級評判矩陣（A-B） 表4 二級評判矩陣（B1-C） 表5 二級評判矩陣（B2-C）

由表3可以得出，3.0，=0，=0.580，=0<0.10，滿足一致性檢驗；由表4可以得出，=3.018，=0.009，RI=0.580，=0.016<0.10，滿足一致性檢驗；由表5可以得出，=2，=0，=0，=0<0.1，滿足一致性檢驗．由于參評要素B3中只包含一個評價指標(biāo)，所以災(zāi)害點密度C6的權(quán)重值是1，λ=1.0，=0，=0，=0<0.1，滿足一致性檢驗．利用表3-5從高到低逐層總排序（），結(jié)果見表6．然后通過咨詢專家，并結(jié)合其經(jīng)驗對計算結(jié)果進行適當(dāng)調(diào)整，得到該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價指標(biāo)權(quán)重（見表7）．

表6 層次組合總排序 表7 評價指標(biāo)權(quán)重

3.2 模糊綜合評判計算

本文采用二級模糊綜合評判法，計算主要分兩步進行，首先進行一級模糊綜合評判，該評判是在最底層（指標(biāo)層）與中間層（準(zhǔn)則層）之間進行，通過確定各指標(biāo)隸屬于評判集中相應(yīng)等級的程度，獲得一級評判矩陣，結(jié)合矩陣運算，得到評判向量，再將所有評判向量組成二級評判矩陣，重復(fù)上次矩陣運算，得到評判向量，由最大隸屬度原則，確定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度．

以涪陵區(qū)00003號單元格為例，說明其計算步驟，該單元格所在地地形較陡，坡度約為40°；地層巖性主要以侏羅系中、下統(tǒng)自流井組粉砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖為主，單斜地層，斷層及褶皺不發(fā)育；年平均降雨量約為1 150mm，單元格地處山區(qū)，人類工程活動較少，但有一處不穩(wěn)定斜坡．根據(jù)評價指標(biāo)賦值標(biāo)準(zhǔn)（見表2），將其量化為=（3,3,2,3,2,2.5）．

中的2.5表示單元格中有一災(zāi)害點，但災(zāi)害點恰好落在格子邊線上，這種介于兩賦值標(biāo)準(zhǔn)之間的狀態(tài)以±0.5作為過度．

（1）計算隸屬度 在參評因子中選取災(zāi)害點密度2.5計算，對照分級標(biāo)準(zhǔn)，其值超過Ⅱ級標(biāo)準(zhǔn)，小于Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)，故對Ⅰ、Ⅳ無隸屬關(guān)系，即1()=0、4()=0，Ⅱ、Ⅲ級的隸屬度計算如下：

(3j)/(3j2j)=0.5；(2j)/(3j2j)=0.5

用矩陣表示1()、2()、3()、4()計算出的隸屬度，()=（0,0.5,0.5,0），用同樣的方法可算得其余5個指標(biāo)對應(yīng)的評判行向量．

（2）一級模糊評判 根據(jù)指標(biāo)體系中的層次關(guān)系，將算得的6個評判行向量組合成3個矩陣，代入指標(biāo)權(quán)重向量并行計算，選取加權(quán)平均模型，即(×,+)，計算過程如下：

災(zāi)害地質(zhì)因素：3=[0 0.5 0.5 0]

（3）二級模糊評判 將一級模糊評判結(jié)果組合為最終評判矩陣，再次重復(fù)矩陣乘法運算得到最終的評判行向量，計算過程如下：

根據(jù)二級評判行向量，00003號單元格屬于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等級的隸屬度為0，0.163，0.389，0，按最大隸屬度原則，可判斷單元格所處地為地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)．

3.3 易發(fā)性區(qū)劃及對比分析

3.3.1 易發(fā)性區(qū)劃

為使評價結(jié)果更加精確，本文將涪陵區(qū)劃分為10 825個0.5×0.5的單元格，隨著單元格數(shù)目的增加，計算量也相應(yīng)增大．通過上述方法獲得涪陵區(qū)各評價指標(biāo)圖層（圖3～圖8）以及涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖（圖9）．

3.3.2 對比分析

圖7 人類工程活動圖 圖8 地災(zāi)點密度圖 圖9 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖 圖10 傳統(tǒng)方法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖

將本次方法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)與傳統(tǒng)方法對比分析，傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)（圖10）多根據(jù)災(zāi)點分布情況，人為將災(zāi)害密集區(qū)圈定為高易發(fā)區(qū)，將災(zāi)害稀疏區(qū)圈定為低易發(fā)區(qū)，且分區(qū)界線的勾勒過分追求平順、光滑，分區(qū)工作側(cè)重于圖幅的美觀，此類分區(qū)帶有強烈主觀色彩．本文采用GIS結(jié)合模糊數(shù)學(xué)的方法，將研究區(qū)劃分為足夠多的小單元格，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論及GIS運算平臺，以定量計算為主，定性分析為輔，實現(xiàn)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)（圖9），其分區(qū)結(jié)果更為合理、客觀．

以圖10中的Ⅲ-3區(qū)域與圖9中相對應(yīng)的區(qū)域作比較，傳統(tǒng)分區(qū)方法將此區(qū)劃分為地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)，而根據(jù)區(qū)內(nèi)地形、地質(zhì)條件及地質(zhì)災(zāi)害排查工作獲得的資料，該區(qū)分布于涪陵中部馬武及白濤一帶，東鄰烏江左岸，地形地貌以山地斜坡及河谷岸坡為主，巖層分布較廣，從侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組到三疊系下統(tǒng)嘉陵江組均有分布，巖性以泥巖、砂巖、頁巖和石灰?guī)r為主，其中三疊系中統(tǒng)雷口坡組一帶，巖體較破碎，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育．本文采用的方法在馬武及白濤一帶劃分出條帶狀的地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，分區(qū)結(jié)果與實際情況較吻合．

再以圖10中的Ⅲ-4區(qū)域與圖9中相對應(yīng)的區(qū)域作比較，區(qū)內(nèi)白濤鎮(zhèn)一帶，西鄰烏江右岸，地形地貌以山地斜坡及河谷岸坡為主，地形坡度較大．第四系坡殘積層分布較廣，坡腳及溝底較厚，局部達5.0m，多發(fā)育土質(zhì)滑坡，已查明59處，基巖以泥巖、砂巖、頁巖和石灰?guī)r為主，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育．本文采用的方法在白濤鎮(zhèn)一帶劃分出了塊狀分布的地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，分區(qū)結(jié)果與實際情況較吻合．

4 結(jié)論與討論

（1）重慶市涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，依據(jù)涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害排查工作資料，分析了區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及影響因素；在GIS平臺上，結(jié)合模糊綜合評判法，得到涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖，將本次分區(qū)結(jié)果與傳統(tǒng)分區(qū)結(jié)果對比分析，表明基于模糊綜合評判法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃結(jié)果與實際情況更吻合．

（2）本文基于GIS平臺對涪陵區(qū)各類信息數(shù)據(jù)進行采集、存儲、運算、分析，形成完整的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性空間數(shù)據(jù)庫，為評價區(qū)域的數(shù)據(jù)提供科學(xué)的管理．利用GIS信息平臺，自動生成方格網(wǎng)，將各指標(biāo)圖層疊加分析，再借助excel軟件的矩陣計算功能可完成信息平臺上的模糊綜合評判計算．

（3）GIS技術(shù)與模糊綜合評判法的結(jié)合可高效進行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃，雖然模糊綜合評判法的計算過程比較客觀，但在確定指標(biāo)權(quán)重時，人為主觀性難以避免，這給分區(qū)結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來了影響；在確定單元格尺寸方面，往往不能無限趨小，若簡易劃分或隨意劃分單元格，其評價結(jié)果的粗糙性更加明顯．因此，區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的方法和理論還需不斷改進，其精確性有待進一步探討．

[1] 李東林，王駿，張偉.重慶涪陵區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征與發(fā)生規(guī)律分析[J].重慶三峽學(xué)院學(xué)報，2012（3）：84-89.

[2] 楊綸標(biāo)，高英儀.模糊數(shù)學(xué)原理及應(yīng)用（第2版）[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001.

[3] 許樹柏.層次分析法原理[M].天津：天津大學(xué)出版社，1988.

（責(zé)任編輯：于開紅）

Geo-hazard Susceptibility Zoning Based on GIS and Fuzzy Comprehensive Evaluation Method in Chongqing Fuling District

WANG Jun1LI Donglin2QIN Wei2

The purpose of this study is to apply fuzzy comprehensive evaluation mothod to analyze the division of geo-hazard susceptibility, and then to set up multi-level fuzzy comprehensive evaluation model with 6 factors as geo-hazard criteria. By assigning index level and constructing the membership functions, it clarifies the quantitative calculation foundation of geological hazard susceptibility. Then Geographic Information System (GIS) worked as a research platform to realize the superposition of different data and finally to obtain the zoning map of geological hazard susceptibility. Compared with the traditional zoning method, geological hazard susceptibility zoning based on GIS and fuzzy comprehensive evaluation method is more appropriate for the objective reality.

Chongqing Fuling District; Fuzzy Comprehensive Evaluation Method; Geo-hazard Susceptibility

P694

A

1009-8135（2016）03-0081-06

2016-02-11

王 駿（1990-），男，四川自貢人，碩士，主要研究地質(zhì)災(zāi)害評價與防治．

重慶市教委科技項目資助（編號：KJ1403205）階段性成果