基于AHP和GIS的貴州省開陽縣滑坡危險性評價

李子安，覃乙根

LI Zi-ana,QIN Yi-genb

貴州大學 a.自然資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災害重點實驗室 b.資源與環(huán)境工程學院,貴州 貴陽 550025

Guizhou University,Guiyang 550025,China

0 引言

滑坡一直是我國最常見的地質(zhì)災害類型，在各類地質(zhì)災害中，滑坡造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡居于首位。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年因為滑坡遭受的經(jīng)濟損失多達30～50億元，滑坡災害具有分布范圍廣、發(fā)生頻率高、破壞程度強及災害損失重等特點[1]。在近幾年來，貴州地區(qū)一直是我國遭受滑坡災害最嚴重的地區(qū)之一，給貴州人民的生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，并帶來了很大的安全隱患。

滑坡危險性評價基于地理、地質(zhì)及滑坡記錄等多種數(shù)據(jù)，通過分析確定研究區(qū)域各個點位發(fā)生滑坡的危險性概率，并最終識別出滑坡易發(fā)區(qū)的范圍[2]。滑坡危險性評價主要包括定性、定量以及定性和定量相結(jié)合這3種方法，其中常用的定性評價方法有層次分析法、模糊綜合評價法、灰色模型法等。層次分析法主要是對定性問題進行定量分析的較為簡便和實用的方法，目前在各類問題分析中都具有較高的使用率，近幾年國內(nèi)已有多名學者采用此方法進行評價研究[3-7]。

通過筆者所在的團隊對開陽縣地質(zhì)災害隱患進行的專業(yè)排查，確定目前開陽縣共有地質(zhì)災害隱患點141處，其中滑坡97處，占地質(zhì)災害隱患點總數(shù)的69%。論文以開陽縣滑坡災害為研究對象，根據(jù)開陽縣滑坡災害發(fā)生的情況和程度，選擇層次分析法，對開陽縣的全部滑坡災害點進行統(tǒng)計分析，綜合考慮選取多項因子，建立滑坡災害危險性評價體系，從而為當?shù)氐牡刭|(zhì)災害防治工作提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

開陽地處黔中腹地，隸屬省會貴陽，總面積為2 026 km2，轄8鎮(zhèn)8鄉(xiāng)2社區(qū)，總?cè)丝?5萬人。南距貴陽45 km，北距遵義110 km，距貴陽龍洞堡機場43 km。通過對開陽縣全境地質(zhì)災害隱患的專業(yè)排查得知，目前開陽縣共有滑坡97處，其中大型11處，中型44處，小型42處，以中型和小型滑坡為主，其空間位置分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)滑坡分布圖Fig.1 Landslide distribution in the study area

2 評價指標體系建立

2.1 評價單元的確定

區(qū)域性的滑坡災害危險性評價首先需要選擇合適的評價單元，在選取評價單元時，用研究區(qū)1∶1萬地形圖通過ArcGIS的三維分析功能獲得研究區(qū)DEM，精度為10 m×10 m，最終選取此10 m×10 m DEM的柵格單元將評價區(qū)域的所有指標圖層柵格化。

2.2 評價因子的選取與分析

在滑坡危險性評價工作中，不同的地區(qū)要結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況考慮不同的影響因素進行選取，論文根據(jù)開陽縣滑坡發(fā)育情況，通過引起滑坡的多種影響因子的分析，選出12個主要評價指標，并綜合滑坡地質(zhì)災害在各種因素下的分布統(tǒng)計情況以及現(xiàn)場實地踏勘對研究區(qū)的整體了解，對各個影響因子進行等級劃分，從而建立滑坡災害危險性評價指標體系，如表1所示。通過在ArcGIS軟件中的多種分析功能生成的各個評價指標分級分布圖如圖2所示。

其中在對坡度的分析中，通過分析滑坡災害點在不同坡度區(qū)域內(nèi)的分布，并且結(jié)合實際情況，綜合分析得出開陽縣在坡度25°～45°之間滑坡占比最多，表明坡度25°～45°的地形最易誘發(fā)滑坡，其次為15°～25°及>45°，再次為8°～15°，最不易誘發(fā)的為坡度<8°的滑坡；工程巖組方面，一般來說，結(jié)構(gòu)松軟、易變形、抗剪強度和抗風化能力較低的巖土類型易發(fā)生滑坡災害，軟弱地層不但表現(xiàn)出工程特性差的特點，影響斜坡穩(wěn)定性，最重要的是還在于它常常作為控制性滑面直接降低斜坡穩(wěn)定性，當軟弱地層較厚并平緩出露于坡底形成軟弱基座時，將控制斜坡的變形破壞模式，最終結(jié)合開陽縣實際情況，分為松散巖類、軟質(zhì)巖類、軟硬相間巖類和硬質(zhì)巖類四種；斜坡結(jié)構(gòu)方面，結(jié)合統(tǒng)計情況和實際進行分級指標量化，分為順向坡、斜向坡、逆向坡、橫向坡四類；道路方面，在人類工程活動中，道路開挖是對滑坡災害發(fā)育影響比較大的一種，利用ArcGIS的空間分析功能對開陽縣主要道路進行緩沖區(qū)分析，按照距離d以200 m、400 m、600 m為間隔將研究區(qū)劃分為4個級別；采礦方面，開陽縣礦產(chǎn)資源豐富，許多地區(qū)采礦活動非常頻繁，對滑坡災害的發(fā)育具有重大的影響，尤以金中地區(qū)為甚，按照開陽縣各地的采礦程度分為采礦活動強烈地區(qū)、采礦活動中等地區(qū)、采礦活動較弱地區(qū)和無采礦活動地區(qū)四類；高程方面，通過在ArcGIS中生成的開陽縣高程分布圖，分析災害點在不同高程區(qū)域內(nèi)的分布，并且考慮實際情況，綜合考慮將高程按<800 m、800 m～1 100 m、1 100 m～1 400 m及>1400 m四檔重分類；降雨方面，根據(jù)開陽縣各地的降雨情況，將年降水量的大小分為<950 mm、950 mm～1 100 mm、1 100 mm～1 250 mm、>1 250 mm四個級別，并將開陽縣劃分為四種區(qū)域；坡向方面，通過對開陽縣全部滑坡災害點的統(tǒng)計分析，得出了已發(fā)生滑坡在九個坡向中的分布數(shù)據(jù)，從而得出了地質(zhì)災害在不同坡向中的發(fā)生可能性大小，除了平面方向外，其他八個坡向按照概率從大到小排序分為四組，從而對坡向?qū)崿F(xiàn)等級劃分；地質(zhì)構(gòu)造方面，研究區(qū)內(nèi)斷裂和節(jié)理密集，利用ArcGIS對研究區(qū)內(nèi)斷層進行緩沖區(qū)分析，按照距斷層距離d以200 m、400 m、600 m為間隔將研究區(qū)劃分為4個級別；水系方面，研究區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，呈樹枝狀，利用ArcGIS對研究區(qū)的水系進行緩沖區(qū)分析，按照距離d以200 m、400 m、600 m為間隔將研究區(qū)劃分為4個級別；地貌方面，按地貌成因可將開陽縣劃分為侵蝕地貌和溶蝕地貌兩種類型，其中溶蝕地貌按地貌形態(tài)組合類型又可分為峰叢溝谷與緩丘溝谷、峰叢谷地與峰叢槽谷及峰叢洼地三種類型，按照以往經(jīng)驗和本次地質(zhì)災害調(diào)查實際結(jié)果進行綜合分析，對這四種地貌類型按對地質(zhì)災害發(fā)生影響大小進行重分類；坡型方面，按照開陽縣各地的坡型情況分為凹型坡、直線型、凸型坡三類，選取坡型分布作為評價因子，結(jié)合統(tǒng)計情況和實際進行分級指標量化。

表1 開陽縣滑坡危險性評價指標體系

a-坡度分級圖；b-工程巖組分布圖；c-斜坡結(jié)構(gòu)分布圖；d-道路緩沖區(qū)分布圖；e-采礦程度分布圖；f-高程分布圖；g-年降雨量分級圖；h-坡向分級圖；i-斷層緩沖區(qū)分布圖；j-河流緩沖區(qū)分布圖；k-地貌分布圖；l-坡型分布圖圖2 研究區(qū)滑坡危險性評價指標分級分布圖Fig.2 Grading distribution map of landslide risk assessment indicators in the study area

2.3 評價方法與流程

2.3.1 層次分析法

層次分析法即AHP法，是基于專家知識通過估計每兩個影響因子之間的關系來確定所有影響因子兩兩比較關系判別矩陣，從而決定各個影響因子比重的一種多因素分析、多指標分級的評價方法[4]。針對開陽縣滑坡災害發(fā)育特點與分布規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料，在進行危險性評價時選定了層次分析法。運用層次分析法建模，大體上可按下面步驟進行：建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)造判斷矩陣；計算權(quán)向量；一致性檢驗。

經(jīng)過對開陽縣滑坡發(fā)生的影響因子的綜合分析后，確立了開陽縣滑坡危險性評價指標體系，分為主要因素及誘發(fā)因素兩類，從而建立危險性評價層次結(jié)構(gòu)模型(見表2)。

表2 開陽縣滑坡危險性評價層次結(jié)構(gòu)模型

在建立了遞階層次類型的結(jié)構(gòu)后，自上而下的各元素之間產(chǎn)生的隸屬相對關系就得以確定。在遞階層次結(jié)構(gòu)中，將同個層次各個元素與從屬于上層次各個元素進行兩兩比較來得出其重要類型的程度，然后通過事先規(guī)定好的標度進行定性的量化，構(gòu)建矩陣類型的形式，即判斷矩陣[8]。

確定各層次的判斷矩陣：構(gòu)造第1層次的判斷矩陣P1(A-B)(表3所示)，并按照同樣方法構(gòu)造第2層次判斷矩陣P2(B1-C)、P3(B2-C)。

表3 P1(A-B)判斷矩陣

隨后計算權(quán)向量，首先計算判斷矩陣P每一行元素的乘積Mi，之后計算Mi的n次方根Wi(幾階矩陣求幾次方根),最后依公式(1)對向量W=(W1,W2,…，Wn)作歸一化處理，則W=(W1,W2,…，Wn)即為所求特征向量W。

(1)

之后進行一致性檢驗，首先用公式(2)計算判斷矩陣P的最大特征根λmax：

(2)

然后用公式(3)計算一致性指標CI，若CI= 0，則表示該判斷矩陣具有完全的一致性，而如果CI值越大，該判斷矩陣的一致性就越差，一般要求CI小于0.1。

(3)

之后用公式(4)計算一致性比例CR，一般要求CR的值小于0.1，若該值小于0.1則表示該判別矩陣具有滿意的一致性并能通過一致性檢驗，否則需要對判別矩陣進行修正。

2.3.2 危險性模型構(gòu)建

在完成層次分析法的上述步驟后，便可以計算各元素對目標層的合成權(quán)重，它是指每一個判斷矩陣各因素針對目標層的相對權(quán)重的合成，這一權(quán)重的計算采用從上而下的方法,逐層合成[9]。論文針對研究區(qū)域計算出的合成權(quán)重及其總排序如表4所示。

表4 評價指標合成權(quán)重及次序

2.3.3 危險性評價結(jié)果

在評價單元劃分和各評價單元內(nèi)賦值的基礎上，對各個評價因子進行柵格疊加，從而完成危險性評價。對危險性評價結(jié)果劃分為不同等級的危險性區(qū)間，形成可應用的危險性評價成果。根據(jù)開陽縣滑坡災害危險性的各類評價因子的疊加結(jié)果，進行危險性區(qū)劃，共分為四個危險性等級區(qū)域：高危險區(qū)、中危險區(qū)、低危險區(qū)和極低危險區(qū)，如圖3所示。

圖3 滑坡危險性分級圖

從滑坡危險性分級圖中可讀出，高危險區(qū)主要分區(qū)在金中鎮(zhèn)—雙流鎮(zhèn)磷礦礦區(qū)、南江鄉(xiāng)毛家院—禾豐鄉(xiāng)香火巖和烏江—清水江流域這三個區(qū)域，總面積526.53 km2，占全縣總面積的25.9%，滑坡災害比例為72.16%，滑坡災害密度為13.29處/km2，開陽縣其他大部分區(qū)域都是中、低和極低危險區(qū)，占全縣總面積的74.1%。

3 結(jié) 語

論文通過分析開陽縣的地質(zhì)環(huán)境，總結(jié)滑坡災害的分布規(guī)律，選取了一些影響滑坡災害發(fā)生的因子，并通過層次分析法與GIS平臺，進行了開陽縣滑坡災害危險性評價，從而得到了以下幾點認識:

(1)在較大區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)災害評價工作中，結(jié)合研究區(qū)域河流、采礦等多方面的實際情況，通過層次分析法選取多項影響因子，建立評價體系，生成評價結(jié)果，可以更加全面的考慮到整個區(qū)域的各種情況。

(2)論文所得評價結(jié)果中，高危險區(qū)域占全縣總面積的25.9%，但其中滑坡數(shù)量所占比為72.16%，從而說明研究區(qū)滑坡分布非常密集，危險程度較高，符合實際情況。

(3)在各項評價因子中，合成權(quán)重排在前三名的分別是降雨、工程巖組和斜坡結(jié)構(gòu)，比較符合研究區(qū)誘發(fā)滑坡的實際情況。