基于TOPSIS模型的山區道路敏感性評價

趙鐵松，孫玉龍，王麗榮

(河北省氣象災害防御中心，河北石家莊050021)

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發展，道路交通運輸業得到了長足發展，道路作為構筑于自然環境中的工程結構物，穿越不同的地形、地貌和地質單元，改變了原有的自然地質條件和山體原有的平衡狀態，在自然因素和人為因素的共同影響下，極易受到各種災害的影響[1]。分布在山區的公路，因地理環境的復雜性更易受各種自然災害影響，特別是暴雨極易誘發各種地質災害和水毀災害，80%以上由泥石流、滑坡、山洪所造成[2]。因此，加強對山區道路脆弱性評價研究顯得尤為重要。

目前，很多學者在道路災害種類、機理及防治對策方面做了大量研究。陳興等對我國山區道路遭受的地震、泥石流等自然災害進行分析[3]，李秀珍等對川藏線道路工程沿線滑坡崩塌災害空間分布和潛在危害情況、危害方式進行細致地歸納總結[4]，梁海波綜合分析了吉林省林區道路山洪災害發生的主要原因，進而提出防治措施[5]。這些研究成果為道路工程災害預防和治理提供了科學參考。還有部分學者基于自然災害風險形成理論，對道路的脆弱性或災害易發程度進行研究，姚裕春等分析了山區道路災害形成及災害系統構成，提出了山區道路災害的防治原理[6]，向靈芝等運用災害熵理論模型計算了汶川震后道路泥石流敏感性[7]，孫曉娟等利用遙感和地理信息系統技術對延邊地區道路滑坡災害易發程度進行分析，為道路周邊滑坡災害重點防范區的選定提供參考[8]。本文以河北省典型山區為例，選取評價指標體系，基于TOPSIS模型評價山區道路敏感性。

1 研究區域及技術方法

1.1 研究區域概況

子牙河流域山區河北段處于太行山東側，地形復雜，地勢陡峭[9]，且為河北省暴雨中心[10]，容易形成山洪、地質災害，對山區道路造成嚴重損壞，2016年7月19日～21日發生的“16·7”特大暴雨洪澇災害中，道路損毀最嚴重位置即為這一區域。因此，本文選取子牙河流域山區河北段為典型區，開展山區道路敏感性評價研究。

1.2 數據來源及研究方法

1.2.1 數據來源

道路和地質災害隱患點數據來源于河北省自然資源廳，高程數據來自于ASTER Global Digital Elevation Model第二版，歸一化植被指數利用美國地質勘探局官網下載的2018年8月21日Landsat 8數據反演得到，土壤容重數據由https://soilgrids.org/網站下載。

1.2.2 TOPSIS評價模型

TOPSIS評價模型是由Hwang和Yoon于1981年提出的基于系統工程中有限方案多目標決策分析的一種常用方法，是通過計算目標靠近或偏離正、負理想解的程度，能精確地反映各評價方案之間的差距[11]。因此本文采用TOPSIS模型來實現山區道路敏感性評價，主要步驟包括：形成決策矩陣，構建加權決策矩陣，計算各方案與正理想解和負理想解間的距離，確定最優方案四個步驟。

(1)形成決策矩陣

假設參與評估的多指標決策問題的方案集為M=(M1,M2,…,Mm)，指標集為D=(D1,D2,…,Dn)，方案Mi對指標Dj的值記為xij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)，則形成的決策矩陣為：

(2)構建加權決策矩陣

將各指標權重矩陣W與無量綱化矩陣V相乘，得到加權決策矩陣：

R=(rij)m×n∶rij=ωij·vij(i=1,2,…,m;j=i=1,2,…,n)

式中：ωij為各指標的權重值，本文采用熵權法和變異系數法確定的綜合權重。

(3)計算各方案與正理想解和負理想解間的距離

本文采用歐式距離計算各方案與正理想解和負理想解間的距離：

式中：Sj+為正理想解，Sj-為負理想解。

(4)確定最優方案

計算評價對象與理想值的貼近度，來確定最優方案。

式中：ηi為各方案與正理想解的相對貼近度，ηi越大，表明山區道路敏感性越接近最高水平。

2 結果分析

2.1 指標選取及計算

對于山區道路來講，孕災環境敏感性需要主要考慮地形地貌、植被覆蓋、土壤類型、地質環境等幾個方面，這些會影響降水落到地表之后的徑流的形成、坡面是否穩定等，從而決定是否會發生山洪、泥石流、滑坡等造成道路阻塞、路基損壞等損害。

2.1.1 谷底平坦綜合指數

本研究引入谷底平坦綜合指數(mRVBF)，該指數能綜合一定區域坡度、高度的綜合特點描述其地形特征，該指數值越小，地形相對越不平坦，地形地貌敏感性越高。本文應用SAGA-GIS軟件計算谷底平坦綜合指數，研究區西部地區谷底平坦綜合指數小，地形起伏明顯，道路的地形地貌敏感性高，東部地區谷底平坦綜合指數逐漸增大，道路的地形地貌敏感性降低。

2.1.2 歸一化植被指數

歸一化植被指數(NDVI)是最常用來表征地區植被覆蓋程度的指標，本研究所用時次數據，云覆蓋小于5%，且處于植被覆蓋度較高時期，可以代表區域正常植被水平。研究區內歸一化植被指數分布特征統計為：中等及以下植被覆蓋率(0

2.1.3 土壤緊實度指數

本文選取土壤容重來反映土壤結構、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，為單位體積自然狀態下土壤(包括土壤空隙的體積)的干重。土壤容重越大，說明土壤空隙越少，降水下滲越微弱，道路周圍的土壤越穩定，越不易發生崩塌、滑坡等地質災害。研究區土壤容重空間分布特征為西部土壤容重高，東部地區土壤容重低，說明西部地區土壤緊實度高，敏感性低。

2.1.4 地質災害隱患點密度

距離地質災害隱患點越近，道路越容易遭受滑坡、落石、泥石流等地質災害影響。本研究針對地質災害的危害距離衰減理論，對距離地質災害點500 m～30 km分13段進行緩沖區分析，離災害點越遠，該地區發生地質災害的概率就越小，對道路可能帶來的影響越小。結果表明距離地質災害隱患點2000 m以內的道路長度占比為39.38%，其中8.20%為500 m以內的道路，在10 km以外的道路所占比例僅為6.68%，說明該地區修建的道路易遭受地質災害影響，敏感性高。

2.2 敏感性評價指標體系構建

根據上文中熵權法和變異系數法計算得到山區道路脆弱性各指標權重系數，建立山區道路敏感性評價指標體系，熵權法計算四個指標權重系數分別為：0.179、0.464、0.215、0.142，變異系數法計算四個指標權重系數分別為：0.213、0.366、0.246、0.175，可以看出，兩種方法計算的各指標權重總體趨勢相同，植被覆蓋指標權重最大，地質環境指標權重最小，本文采用二者平均的綜合權重作為山區道路敏感性評價指標體系中各指標的權重系數，分別為：0.196、0.415、0.231、0.158。

2.3 敏感性評價

基于山區道路敏感性評價指標體系，采用TOPSIS評價模型計算研究區道路敏感性，利用等差法進行等級劃分，繪制研究區道路敏感性空間分布圖，結果表明，研究區處于中等敏感性以上水平的道路占比為59.87%，高敏感性以上水平的道路占比為29.86%，各等級敏感性道路基本均勻分布于全區，相對地，平山縣境內高等級敏感性道路占比高，低敏感性等級道路主要有井陘礦區、井陘、鹿泉和武安中部兩處集中區域。

3 結論

本文以子牙河流域山區河北段為研究區，選取了谷底平坦綜合指數、歸一化植被指數、土壤容重和地質災害隱患點密度4個能夠表征山區道路敏感性的指標，采用熵權法、變異系數法計算各指標的綜合權重系數，應用TOPSIS評價模型對研究區道路敏感性進行分析。結果表明：

(1)研究區谷底平坦指數呈現出西高東低趨勢，即西部地形敏感度高，東部地形敏感度低；歸一化植被指數總體偏低，說明研究區總體植被覆蓋相對較差；土壤容重西部高、東部低，西部地區土壤緊實度高，敏感性低；地質災害隱患點密度大，研究區道路易遭受地質災害影響，敏感性高。

(2)采用熵權法和變異系數法計算各指標權重總體趨勢相同，植被覆蓋指標權重最大，地質環境指標權重最小。

(3)研究區處于中等敏感性以上水平的道路占比為59.87%，高敏感性以上水平的道路占比為29.86%，說明研究區道路總體敏感性偏高，在出現強降水等致災因子時，容易造成災害損失。