基于GIS的京藏高速公路京張段沿線地質災害危險性評價

李煥彬，張春山，申俊峰，孟華君，張向營

(1.中國地質大學〈北京〉地球科學與資源學院，北京100083；2.中國地質科學院地質力學研究所，北京100081）

京藏高速公路(G6)東起北京西至拉薩，在北京至張家口段（京張段），公路跨越平原、丘陵、山區3種地貌，公路沿線地質災害較發育，災害類型以滑坡、崩塌（危巖體）、泥石流為主。其中，昌平—八達嶺段是地質災害最嚴重的地區，嚴重影響了局地交通安全和國家經濟大動脈的運轉。因此，進行京藏高速公路京張段沿線地質災害危險性評價，對社會經濟的發展和提升公路減災決策水平具有重要的現實意義。

1 區域環境地質背景

研究區在區域大地構造單元上屬于華北地臺，其中次一級構造單元為內蒙古隆起和山西斷隆。從東至西地貌類型為中山、盆地，地形西北高東南低，年均降雨量在400～800mm之間。地質災害類型主要為崩塌、滑坡和泥石流，主要分布在八達嶺鎮、土木鎮周圍。發育崩塌、滑坡40處，泥石流15處，災害體規模絕大多數為較小到中等。在研究區域內，新生界、中生界、古生界、元古界及太古界地層均有出露，在長期的地質演化過程中，該區形成了東西、北東和北西向3組主要活動斷裂帶在空間上交叉的構造格局。

2 評價方法及評價過程

層次分析法是目前應用最廣泛的地質災害危險評價方法[1-3]，該方法是目前求取地質災害影響因子權重的較好方法,但該方法卻無法有效地反映評價結果的空間分布格局,存在一定的不足，而GIS技術具有較強的空間分析能力,恰好可以解決上述不足。因此，本文采用層次分析法和GIS技術相結合，以京藏高速公路京張段沿線地質災害為研究對象，沿公路兩側分別擴展15km作為研究區范圍，對公路沿線地質災害危險性進行評價。

2.1 評價因子選取

基于對京藏高速公路京張段野外調研，結合資料收集、整理和分析，篩選出公路沿線地質災害點密度（x1）、工程巖組（x2）、年均降雨量（x3）、斜坡坡度（x4）、斜坡高差（x5）、斷裂（x6）、地震動峰值加速度（x7）、公路（x8）、河流（x9）、植被類型（x10）等10個地質災害危險性評價因子。

2.2 評價因子權重系數確定

本文擬采用層次分析法確定地質災害危險性評價因子的權重，進而構建判斷矩陣。為了量化各評價因子的權重，評價因子之間需形成一個兩兩對比的矩陣，利用1～9標度表示評價因子之間的影響強弱（表1）。通過相關工程的實際情況，確定各判別因子之間的相對重要性并賦與相應的分值，最后得到所需的判斷矩陣U（表2）。

評價因子權重確定方法如下：

表1 1～9標度的意義表

表2 判斷矩陣U

第一步：計算判斷矩陣每一行因子的乘積Mi，即則當i=1時，×x19×x110=302400。同理，可計算其他9個因子的判斷矩陣乘積。

第二步：計算Mi的N次方根，同理，可計算出其他9個因子的N次方根。

第三步：進行歸一化處理，確定權重ai，即同理可得其他9個因子歸一化處理后的數據。于是得到，a=[a1,a2,a3,…,a10]T=[0.252,0.204,0.157,0.118,0.084,0.064,0.045,0.034,0.025,0.018]T，式中a為所求的特征向量，即各因子對應的權重值。

第 四 步 ：計 算 最 大 特 征 值λmax，即λmax=

以上得到的權重分配是否合理，還需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，即：CR=CI/RI，式中CR為判斷矩陣的隨機一致性比率,CI為判斷矩陣的一般一致性指標，CI=(λmax-n)/(n-1)，RI為平均隨機一致性指標(表3)，可查表求取。當判斷矩陣U的CR＜0.1時或λmax=n,CI=0時，認為具有滿意的一致性，即認為判斷矩陣的一致性可以接受。對于該計算過程，CI=(10.589-10)/（10-1）=0.065，由于矩陣為10階，則RI=1.49，于是得到CR=0.044＜0.1，表明權重計算結果合理。最后得到地質災害危險性評價因子權重如表3所示。

2.3 評價因子分級賦值

根據京藏高速公路的具體實際情況,結合專家經驗法，對地質災害危險性評價因子進行分級賦值。將10類因子分成5級，每一等級賦的最高值為10，最低值為1。賦值越高表示該等級對京藏高速公路地質災害危險性的貢獻率越大。具體分級賦值見表4。

2.4 評價模型的建立

公路沿線地質災害危險性主要采用綜合指數來表示。公路地質災害危險性綜合指數是公路地質災害危險性分區的量化指標，據此進行分級、分區評價[4-5]。公路地質災害危險性綜合指數計算公式為：

式中：D——地質災害危險性綜合指數；

ai——因子權重；

xi——因子賦值。

根據前面各因子的權重系數和分級賦值，京藏高速公路京張段地質災害危險性評價數學模型為：

3 地質災害危險性綜合分區

3.1 建立單因子圖層

利用ArcGis平臺的緩沖區分析功能，計算柵格單元大小為100m×100m，基于表5對各影響因子的影響范圍進行劃分，進而建立了相應的10個地質災害危險性評價單因子圖層。

表3 平均隨機一致性指標和評價因子權重表

3.2 京藏高速公路京張段地質災害危險性綜合分區

在ArcGis平臺利用所建立的京藏高速公路地質災害危險性評價模型對地質災害危險性評價單因子圖層進行疊加運算,得出地質災害危險性綜合指數。地質災害危險性綜合指數越大,公路地質災害危險度越高。利用統計學的自然斷點法，對疊加運算結果進行重分類，把京藏高速公路地質災害危險性劃分為5個等級，即極高危險區、高危險區、中危險區、低危險區、極低危險區，劃分的級別標準見表5，京藏高速公路京張段地質災害危險性分區見圖1。

3.3 評價結果分析

表4 地質災害危險性評價因子分級及賦值表

通過對研究區內地質災害危險性分區進行統計分析得出，區內地質災害危險度局部較高，大部地區為中低危險區（表5）。從結果分析可以看出，地質災害點的分布與危險性分區具有很好的相關性，說明本次危險性分區能夠比較客觀反映區內地質災害危險度的分布情況，分區結果比較理想。

3.3.1 地質災害極高危險區

主要分布于八達嶺鎮、南口村北部，零星分布于土木鎮北部和新保安鎮北部。分布面積325km2，占總面積6.46%。地質災害類型主要為崩塌（危巖體）、滑坡、泥石流，發育崩滑體17處、泥石流6處，占災害點總數41.8%，主要分布于八達嶺鎮周圍。該區地形切割強烈，高差大于130m，坡度一般大于35°，巖體較破碎，構造復雜，有北西向和北東向活動斷裂穿越，具備發生地質災害的良好條件。在降雨、人類活動等條件下，特別容易發生地質災害。威脅對象主要為G6高速公路、國道G110、鐵路京包線和游客。

表5 各危險度等級區劃分標準和災害點的數目統計表

3.3.2 地質災害高危險區

主要分布于南口村南部、昌平區北部和八達嶺鎮周圍，北沙城鄉西北、新保安鎮北、土木鎮北、小南辛堡鎮南等帶零星分布。分布面積649km2，占總面積12.9%。地質災害主要類型為崩塌（危巖體）、滑坡、泥石流，發育崩滑體12處、泥石流5處，占災害點總數30.9%，主要分布在八達嶺鎮周圍、土木鎮北邊、小南辛堡鎮南邊。該區地形切割較強烈，高差主要為85～130m，坡度一般為25°～35°，巖體較破碎，新保安鎮北邊發育多條斷裂，為北西、北東向的活動斷裂和北東向的一般斷裂；容易發生地質災害。主要威脅對象是G6高速公路、國道G110、鐵路京包線、G7高速公路。

3.3.3 地質災害中危險區

主要分布于康莊鎮、沙河鎮，部分分布于土木鎮，小南辛堡鎮南、沙城鎮北、新壩房村西北等零星分布。分布面積1162km2，占總面積23.1%。主要地質災害類型為崩塌、泥石流，發育崩塌8處、泥石流2處，占災害點總數18.2%，主要分布于土木鎮東邊。該區地貌主要為山麓地帶，高差主要為50～85m，坡度一般為15°～25°，在沙河鎮、土木鎮附近有活動斷裂分布，巖性主要為沖洪積物，地質災害的發生受河流、人類工程活動影響較大，發生地質災害的可能性一般。主要威脅對象為G6高速公路、居民和農田。

3.3.4 地質災害低危險區

主要分布于東花園鎮、小南辛堡鎮、西八里鎮、宣化區、嶺子鎮、北沙城鄉等。分布面積2357km2，占總面積46.9%。發育崩滑體3處、泥石流1處，占災害點總數7.3%。該區地貌為盆地，高差主要為20～50m，坡度較緩，一般為5°～15°，巖性為沖積物。地質災害的發生主要受人類工程活動、河流等控制。發生地質災害的可能性低，威脅對象主要是G6高速公路、官廳水庫、居民和農田。

表6 G6京張段地質災害危險程度分段

3.3.5 地質災害極低危險區

主要分布在安家堡鄉北、孔家莊東北、沙嶺子鎮東、顧家營鎮東和安家堡鄉、姚家房鎮、沙嶺子鎮等南邊10km外。分布面積531km2，占總面積10.6%。發育泥石流1處，占災害點總數1.8%。該區地貌為盆地、平原，高差為0～20m，坡度極緩，一般為0°～5°，無斷裂通過，人類工程活動、河流等影響較小，不具備發生地質災害的條件。目前，基本無地質災害發生。將來發生地質災害的可能性極低，威脅對象主要是G6高速公路、居民和農田。

根據地質災害危險性評價結果，把京藏高速公路京張段地質災害危險程度分為9段，具體分段見表6。

4 結論與建議

（1）本文選取了10個公路沿線地質災害危險性評價因子，運用層次分析法確定了各評價因子的權重。

（2）依據危險性評價結果將京藏高速公路京張段地質災害危險程度分為9段。極高危險性1段，長16.99km；高危險性3段，長33.31km；中危險性2段，長21.50km；低危險性2段，長30.39km；低—極低危險性1段，長98.17km。

（3）評價成果為京藏高速公路京張段地質災害防治與安全運營提供基礎依據和地質支撐。建議公路管理部門重點對極高危險區和高危險區加強災害監測、預警和防治工作，防患于未然，將災害的威脅和損失降到最低水平，確保高速公路的暢通和安全運營。