太行山區地質災害風險性評價
——以河北省涉縣為例

劉紅耀 ，溫利華

（1.邯鄲市農業科學院，河北 邯鄲 056001；2.邯鄲學院，河北 邯鄲 056001；3.華中農業大學資源與環境學院，湖北 武漢 430070）

中國是一個地質災害多發的國家，災害發生面積廣，類型多樣，破壞性強，對人們生產生活影響較大，而且災害頻發區的經濟發展也受到了一定限制。21世紀以來，地質災害造成數百萬人失去生命，8億人的生產生活受到影響，每年自然災害會吞噬人類財富的1/10。隨著社會的快速發展和科技水平的提高，人類的防災抗災能力不斷增強，但人類對自然的不合理改造和過度干預，導致全球范圍內的自然災害仍在加劇。目前國內外對地質災害的分析多側重于工程分析、災害危險性評價分析及預測分析，多數研究采用數學統計模型對孕災因子進行權重計算，應用地理信息系統（GIS）技術將各影響因子疊加進行災區危險性的空間分析[1，2]。Budetta等[3]基于GIS的空間分析功能，對滑坡地質災害進行了空間預測。Li等[4]基于3S技術對丹江口庫區的自然災害進行了生態脆弱性評價。Tesfamariam等[5]利用地質數據及數字地面高程模型DEM，采用人工神經網絡的方法對自然災害易損性進行了空間劃分。我國的地質災害評價工作起步較晚，進入21世紀，中國科學院成都山地所與減災中心相繼開始利用遙感與GIS技術開展地質災害的評價研究，3S技術在汶川地震時發揮了實時監測、精準定位的作用[6，7]。

太行山區地質構造復雜，地層巖類多樣，是我國地質災害發生較為嚴重的地區。該區域的地質災害具有分布范圍廣、分散度高的特點，給當地造成的財產損失和社會影響巨大。以2016年7月19日的特大暴雨為背景，以太行山區典型縣涉縣為研究對象，利用3S技術與層次分析法相結合的方法，對太行山區地質災害過程展開研究，從地質災害的危險性和易損性2個方面進行綜合分析，構建太行山區地質災害風險性評價模型及區劃圖，旨為保障山區人民群眾財產安全及地質災害信息預報提供技術支持。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

涉縣位于太行山東麓，河北省西南部，晉冀豫三省交界處，地理位置北緯 36°17′～36°55′、東經113°26′～114°，面積 1 509 km2。涉縣是一個全山區縣，地勢自西北向東南緩慢傾斜，縣內全境有太行山余脈貫穿；屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，一年中降水主要集中在7～9月，年平均降水量540.5 mm，洪澇災害頻發。涉縣地震臺處于山西臺龍東南與華北斷拗過渡帶太行臺拱范圍內，屬新華夏構造體系。地質構造有2個斷裂帶，其中，長亭至土木河斷裂的斷層走向近似南北，傾角70°～85°，長約20 km，北段為硅旦系地層，中段為奧陶統和寒武統，南段兩盤是符山巖體；圣寺駝斷裂群位于符山巖體的北部，斷層面大部分向西傾斜，斷距不大。

涉縣轄17個鄉鎮，有43萬人，交通條件便利，礦產資源豐富，經濟效益可觀。近年來重點發展特色經濟作物和紅色旅游產業，已發展成為中國核桃之鄉、中國花椒之鄉、全國休閑農業與鄉村旅游示范縣、國家園林縣城，縣域經濟綜合實力居河北省第13位。

1.2 數據及來源

（1） 土地利用數據和植被覆蓋數據：來源于中國科學院2015年TM遙感影像（分辨率30 m）；（2） 2010年1∶10萬河北省土地利用現狀數據：來源于邯鄲市自然資源規劃局；（3）DEM數據：通過1∶25萬DLG數據（來源于國家基礎地理信息中心）獲取，制作了高程度、坡度圖、坡向圖；（4）1∶100萬涉縣地貌數據：來源于中華人民共和國地貌圖集；（5）2000年水系數據（1∶25萬）：來源于www.bigemap.com；（6）涉縣及周邊縣氣象站點最大月降水量數據：來源于中國科學院遙感與數字地球研究所；（7） 社會經濟數據：來源于2015年河北省經濟年鑒[8]和2015年邯鄲市統計年鑒[9]。

2 研究方法

2.1 地質災害危險性評價

地質災害危險性是指地質災害發生的可能性及危害性，地質活動越劇烈，危險系數就越高，災害的影響就越大[10，11]。

2.1.1 評價方法 用于地質災害危險性評價的方法較多，如神經網絡方法、模糊數學綜合評判法、灰色系統理論等。本研究中，選用層次分析法[12，13]進行地質災害評價。

2.1.1.1 基本原理。層次分析法于20世紀70年代中期由美國運籌學專家薩蒂提出，可以量化定性問題，并已成功應用于地質自然災害風險研究。其基本原理是把復雜的系統分割成準則、方案、目標等層次，以數學運算為手段，根據每個因素的相關性劃分等級，然后確定同一等級的2個要素之間的重要性。薩蒂提出了一個由整數1～9組成的比較尺度，其中，1表示比較的因素具有相同的重要性，9表示指定因素較其他因素重要得多。

2.1.1.2 基本步驟。

（1）創建遞階層次結構模型。解析各個因子之間的相互關系，將各因子依據性質不同自上而下地劃分為若干層次，上層因子影響或控制著下層因子。層次結構一般分為目標層、準則層和措施層。

（2）構造判斷矩陣。在層次結構中，對相同等級或層次的評價指標因子進行兩兩之間的比較，根據評價尺度決定相互間的重要程度，并以此建立模糊判斷矩陣。一般采用1～9位標度法確定判斷矩陣中各因子的數值。

（3）計算權向量。計算每個判斷矩陣的因子相對于各因子準則相應的重要性。用和法計算判斷矩陣中最突出特征值的特征向量，相同層的相對應因子對于上層次的某因子通過歸一化后，進行相應的權重排序。

（4）一致性檢驗。為了避免其他因素對判斷矩陣的干擾，在實際中要求判斷矩陣應滿足大體上的一致性，需開展一致性檢驗。只有通過檢驗，判斷矩陣在邏輯上是合理的，才能繼續對結果進行分析。

檢驗判斷矩陣的一致性：

式中，CR為一致性比例；CI為一致性指標；RI為隨機一致性指標。當CR＜0.10時，說明判斷矩陣具有一致性，無需修改。

式中，λMAX為判斷矩陣的最大特征根；n為成對比較因子的個數。

2.1.2 評價指標構建 不同地質環境條件引發的地質災害不同，適宜選擇的評價指標也不一樣。本研究條件下，將對地形地貌、地質條件、氣象水文3個方面的風險評估分解為8個觀測指標（圖1）。利用層次分析法獲得各指標的權重，并參照《縣（市）地質災害調查與區劃基本要求》實施細則[14]，將各觀測指標的危險性評價標準劃定為低、中、中高、高4個級別 （表 1）。

地質災害的危險性用危險性指數來表示。危險性指數越高，發生地質災害的幾率越大。計算公式為：

式中，F為地質災害危險性指數；Rj是第j項觀測指標的權重值；Xj是第j項觀測指標柵格化的像元值。

2.2 地質災害易損性評價

圖1 危險性評價指標體系Fig.1 Risk evaluation index system

表1 危險性評價指標劃分標準Table 1 Division standard of risk evaluation index

地質災害易損性是指受災體遭受災害破壞機會的多少與發生損毀的難易程度。不同模型對易損性的定義不同，易損性暗含了在現有經濟水平下人類防御地質災害的能力，主要受風險承擔能力、風險源性質和限制能力等因素的綜合影響[10]。本研究中，對于涉縣地質災害的易損性評價主要涉及經濟和人口2個方面。

2.2.1 地質災害經濟易損性 在土地利用類型經濟價值評估的基礎上對涉縣地質災害的經濟易損性進行評價，主要考慮研究區內地類的數量特征及空間分布、地類的產值（表2），包括林地、耕地、城鄉居民用地等土地類型的經濟易損性[10]。

計算公式為：

式中，V（u）為受災體財產的總價值；m為受災體地類個數；E（d）i為第 i個地類的平均單價；F（s）i為第i個地類的實際面積。

將研究區內受災體財產總價值數據輸入ArcGIS軟件，由系統自動進行分級，將地質災害經濟易損性劃分為低、中、中高、高4個級別。

表2 各土地類型的經濟價值Table 2 The economic value of each land type

2.2.2 地質災害人口易損性 基于人口分布的易損性評價，是根據涉縣各個鄉鎮的人口密度分級，劃定人口易損性等級（表3），在ArcGIS軟件中利用屬性數據獲取地質災害人口易損性評價圖。

3 結果與分析

3.1 涉縣地質災害危險性評價

涉縣地質災害危險性評估包含3個方面，共8個指標。運用層次分析法，通過對各指標的成對比較構建判斷矩陣，每個判斷矩陣的CR均＜0.1，因此判斷矩陣滿足一致性要求。在判斷矩陣的基礎上，計算每個指標的權重（表4）。

表3 人口易損性分級表Table 3 Population vulnerability classification

表4 危險性評價指標權重Table 4 Hazard risk assessment index weight

根據涉縣地質災害的實際分布狀況，在ArcMap中利用柵格計算器對8個危險性觀測指標數據按照權重實行疊加分析，得到涉縣地質災害危險性評價區劃圖 （圖 2）。

3.2 涉縣地質災害易損性評價

運用ArcGIS平臺的空間分析工具，在ArcMap中獲取研究區地質災害的經濟易損性評價圖（圖3）和人口易損性評價圖（圖4）；然后，按照等權疊加方法進行運算，根據疊加后的結果得到涉縣地質災害易損性評價圖（圖5）。

3.3 涉縣地質災害風險性評價

以地質災害危險性和易損性評價結果為基礎進行風險性評價。計算公式為：

地質災害風險性＝地質災害危險性×地質災害易損性

在ArcGIS中對地質災害危險性和易損性數據進行柵格計算，獲得研究區風險性評價區劃圖（圖6）。

圖2 涉縣地質災害危險性評價區劃圖Fig.2 Regional map of risk assessment to geological hazard in Shexian County

圖3 涉縣地質災害經濟易損性評價圖Fig.3 Evaluation map of economic vulnerability to geological hazard in Shexian County

圖4 涉縣地質災害人口易損性評價圖Fig.4 Evaluation map of population vulnerability to geological hazard in Shexian County

圖5 涉縣地質災害易損性評價圖Fig.5 Evaluation map of vulnerability to geological hazard in Shexian County

圖6 涉縣地質災害風險性評價區劃圖Fig.6 Evaluation map of risk assessment to geological hazard in Shexian County

3.3.1 高風險區和中高風險區 高風險區、中高風險區分別占涉縣總面積的17%和22%，主要分布在西部河流沿線和中部鐵路、公路沿線一帶。河流沿線主要分布在偏城鎮、遼城鄉、索堡鎮、河南店鎮、固新鎮合漳鄉等。該區域地層主要為寒武系泥質灰巖和震旦系石英砂巖，斷裂分布較密，基巖損壞，巖層比較松散和破碎，容易風化；集水面積大，地勢較陡，排水集中，容易引發泥石流、滑坡等地質災害。由于受地勢抬升作用和河谷地帶“喇嘛口效應”的影響，高風險區降水集中、強度大，更易引發地質災害。

交通沿線主要分布在龍虎鄉至窯瓦村地帶。該區域出露地層依次為寒武系灰巖、石炭系和二迭系煤系、三疊系砂層、第三系泥巖，區內有較多斷裂，在地勢地貌方面有一定的差別，巖體解理裂隙發育，如遇工程施工，容易損壞周圍巖石原始應力，易導致崩塌等地質災害。該區域地形起伏較大，高程差大，降

水量較大且集中，容易引發地質災害。交通道路沿線經濟發達、建筑物密集、人口密度大，人類活動干擾強烈，抵御地質災害的能力較差，易損性較高，是涉縣防治地質災害任務最重的區域。

3.3.2 中風險區和低風險區 中風險區、低風險區分別占涉縣總面積的40%和21%，主要位于東北部和東南部地區。從自然條件分析，該地區主要為燕山期正長斑巖和奧陶系白云巖，巖性較為堅硬，地勢雖然高，但地形起伏度較小，高程差相對較小，植被覆蓋度較好。該區域主要分布在經濟較落后、人口密度小的鄉鎮，受人類活動干擾不明顯，工程實施項目也相對較少。從自然條件和人文條件分析，該區域受威脅人數和房屋受災體較少，地質災害對人類生命和財產安全所造成的威脅程度相對較低。

4 結論

3S技術應用于地質災害風險評價研究，能夠高效率、高精度、定量化地實現自然要素的空間模擬與分析，對快速評價山區地質災害風險性有一定的現實意義。以河北省太行山區地質災害多發區涉縣為研究對象，基于GIS技術分析平臺，選取坡度、地層巖性、斷層、植被覆蓋、年降雨量、土地效益、人口密度等因子作為評價指標，從地質災害危險性和易損性2個方面對太行山區地質災害風險性等級進行了區域劃分。結果表明，涉縣地質災害的中、高風險區主要分布在清漳河和邯長鐵路沿線地區，該區域受坡度大、降雨集中和巖層易碎以及人類經濟活動劇烈的影響，易引發地質災害；中、低風險區主要分布在東北部和東南部，該地區雖然地勢較高，但高程差較小，巖性以正長斑巖和奧陶系白云巖為主，巖性較為堅硬，且區域內大多為經濟較落后、人口密度小的鄉鎮，人類活動干擾不明顯，地質災害對生命和財產安全所構成的危害程度相對較輕。