基于層次分析法的地質災害易發性評價應用
——以日照市為例

丁文潔，張蕾，別鳳華，馮春玲，劉同偉

(1.山東省第八地質礦產勘查院，山東地礦局有色金屬礦找礦與資源評價重點實驗室，山東 日照 276800；2.蒙陰縣自然資源和規劃局，山東 蒙陰 276200)

0 引言

近年來，隨著城市化和工業化進程的不斷推進，地質災害制約了日照市經濟和社會的發展，威脅人類生命財產安全。每年全市地質災害造成的經濟損失多達1.5億元左右[1]。本文采用層次分析法，對日照市地質災害危險性進行定量化評價和分區，開展地質災害易發性評價，定期對高風險區開展隱患排查和監測預警，能極大減少各類事故災難。

1 研究區概況

1.1 地形地貌

研究區位于山東省東南部，東臨黃海，南與江蘇省毗鄰，西與臨沂市相鄰，北與青島市、濰坊市接壤。南北長約82km，東西寬約90km，陸域總面積為5353km2。最高點為五蓮縣境內的馬耳山，海拔為+707.6m，最低點為東港區東海峪村，海拔+1m～+1.5m。

日照市低山、丘陵、平原相間分布。崩滑流地質災害主要發育在低山地貌區和丘陵地貌區，分布在研究區的中部以及西北部地區。地裂縫及采空塌陷多發育在山間平原地貌區，大多分布在研究區西部地區和東部沿海地帶。

1.2 氣象水文

研究區位于暖溫帶濕潤季風大陸性氣候區，四季分明，多年平均氣溫12.8℃，極端最高氣溫41.4℃(2002年7月15日)，極端最低氣溫-14.5℃(1958年1月16日)；多年平均最高氣溫16.6℃，多年平均最低氣溫9.6℃。

日照市多年(1966—2015)平均降水量839.5mm，年最大降水量1426.2mm(1964年)，年最小降水量504.1mm(1955年)。降水主要集中在6—9月份，占全年總降水量的72%。

研究區地表水體較發育，較大河流18條，總長461.4km，流域面積5222.7km2。日照無天然湖泊，共有水庫594座，總庫容13億m3。

日照市降雨季節分布不均，降水多集中在夏季6—9月份，7—8月份降雨量最為突出。降雨空間分布不均，降雨由東南沿海向西北內陸減少，一定程度上影響了研究區地質災害的分布規律。

1.3 地層

研究區隸屬華北地層大區，晉冀魯豫地層區，橫跨魯東地層分區和魯西地層分區2個分區，地層發育較為齊全。太古宇、元古宇、古生界、中生界及新生界均有不同程度的分布，中生代地層發育較為完整、齊全，出露面積占42%。太古代的古老變質巖在莒縣西部、西北部地區零星分布；古元古代的變質巖出露在五蓮縣城北部區域，在市區中、南部有零星分布；中元古代主要呈條帶狀展布在莒縣西部、西北部一帶；古生代地層主要分布在莒縣北部，成帶狀沿沂沭斷裂帶展布；中生代地層分布十分廣泛，除了東部及東南部沿海遍布其余轄域，主要分布在膠萊盆地和沂沭斷裂帶內；南部平原地區、諸河系階地、濱海洼地為第四紀全新統及零星更新統覆蓋。

1.4 構造

研究區位于華北板塊和揚子板塊結合帶的東部，地跨華北板塊和蘇魯造山帶2個Ⅰ級大地構造單元，分別屬于魯西隆起區、膠遼隆起區和膠南-威海隆起區3個Ⅱ級大地構造單元[2]。地震烈度為Ⅶ～Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.10～0.20g。研究區地質構造較為復雜。晚更新世以來活動斷裂主要集中在沂沭斷裂帶內，沿安丘-莒縣斷裂和昌邑-大店斷裂分布。安丘-莒縣斷裂在區內出露規模為72.6km2，走向NNE，傾向SEE，傾角50°～70°；昌邑-大店斷裂在區內出露規模為72.5km2，走向NNE，傾向NWW，傾角70°～85°。

1.5 巖漿巖

日照市境內形成了較大規模的侵入巖體，主要分布在膠南隆起區內日照巖漿巖帶上。巖石類型從超基性—基性—中性—酸性皆有，以中酸性巖為主，形成時代有太古宙、元古宙及中新生代，以元古宙及中生代侵入巖最發育。

1.6 人類活動

研究區內人類工程活動主要為礦產資源開采、線性工程和民用建筑開挖等。礦產資源開采包括露天開采及地下開采，露天開采易引發崩塌地質災害，地下開采能引發采空塌陷及伴生地裂縫災害，這種人類活動主要集中在礦產資源分布區。線性工程主要是公路施工過程中不合理的開挖、削坡等，可能引發崩塌、滑坡地質災害。在山區或者山前平原地帶修建民用建筑，人為造成坡體穩定性破壞，如遇不合理的開挖、堆砌等活動，可能引發崩塌、滑坡等地質災害[3]。

2 地質災害發育特征和分布

日照市加大地質災害排查和治理力度，截至2017年底，已治理或正在治理的地質災害點14處，其中崩塌11處，滑坡3處；存在責任主體的災害點8處，其中崩塌4處，滑坡4處；原調查(2011年)中不正確的災害點為泥石流1處；處于生產礦山內、責任主體明確并且山體已開采完畢、隱患已消除的災害點為崩塌1處。目前，日照市地質災害點(隱患點)90處，其中崩塌55處，占地質災害總數的61%；地裂縫19處，占比21%；泥石流8處，占比9%；采空塌陷4處，占比4%；滑坡4處，占比5%。災害點(隱患點)多以小型為主，其中小型地質災害89處，占地質災害總數的98.89%，大型地質災害1處，占比1.11%(表1)。

表1 地質災害點(隱患點)分級統計

日照市災害點(隱患點)分布不均勻，研究區內崩塌滑坡泥石流多在山區發育，如五蓮縣中部、南部山區；莒縣南部、東部山區；東港區西部山區；嵐山區中部山區。地裂縫地質災害主要分布于昌邑-大店斷裂帶五蓮縣附近。采空塌陷主要是由于人類工程活動，如礦產資源的開采(圖1)。

1—降雨量等值線圖；2—低山；3—丘陵；4—山間平原；5—微傾斜低平原；6—斷裂；7—崩塌；8—滑坡；9—地裂縫；10—泥石流；11—塌陷圖1 日照市地質災害現狀分布圖

3 層次分析法及地質災害易發性評價

3.1 層次分析法基本原理

目前對區域地質災害易發性評價的方法較多[4]，本文采用層次分析法對研究區的地質災害易發性進行評價分析。層次分析法(簡稱AHP)是一種多目標評價決策的方法，基本原理是:根據問題的性質和要達到的總目標，按照因素間的相互關聯、影響以及隸屬關系，將因素按不同層次聚集組合，將評價系統的各種要素分解成目標層、準則層、方案層等層次,形成一個多層次的分析結構模型[5-7]，在此基礎上進行定性和定量分析[8]。通過對指標層各評價因子的兩兩比較，采用1～9標度法[9]構造判斷矩陣[10]，綜合確定各評價因子之間的權重[11]。這種方法的優點是系統性、實用性和簡潔性(表2)。

3.2 選取評價因子

地質災害易發性評價受多種條件因素的影響和制約，依據調查現狀以及研究區地質環境條件、地質災害成因及分布特征，選取地貌、構造、地層、巖漿巖、降水量和人類工程活動強度6種評價因子進行日照市地質災害易發性評價。

表2 1～9標度的含義

(1)地貌。地形地貌是地質災害發育的主要影響條件，研究區內中低山丘陵區面積占63.97%，由于其地勢相對較高、落差較大、溝谷發育、切割深度大，是崩塌、滑坡、泥石流突發性地質災害多發區(圖2)。可以看出，日照市崩滑流地質災害數量空間差異性顯著，主要分布于低山、丘陵地貌單元中。研究區內平原地貌區面積約占36.03%，由于脹縮土及斷裂的存在，地裂縫發育(圖3)。

圖2 地貌與崩滑流地質災害關系

圖3 地貌與塌陷、地裂縫地質災害關系

(2)構造。區域地質構造與地質災害形成發育程度密切相關[12-13]。研究區內地質構造引發的地質災害主要有地裂縫和崩塌。其中，地裂縫呈條帶狀分布于昌邑-大店斷裂帶附近，大約有19處。崩塌主要位于莒縣東莞有的1處NNW向隆起帶內，附近陡坡及陡崖地貌較為多見，相對高差大，使巖石完整性遭到破壞，易形成崩塌隱患。

(3)地層。不同類型地層地質災害的種類、機率和形成規模不同。研究區地質災害主要分布在中生代白堊紀萊陽群、青山群、大盛群和第四紀的地層中，在大盛群、青山群和萊陽群中，日照市災害數量和災害密度呈現分布正相關(圖4)。

圖4 地層與地質災害關系

(4)巖漿巖。地質災害的發生與巖漿巖有內在聯系。日照市地質災害主要分布在白堊紀、三疊紀和南華紀的侵入巖中，研究區地質災害集中分布在白堊紀嶗山序列、埠柳序列，南華紀鐵山序列中；在大店序列、埠柳序列、柳林莊序列和鐵山序列中，災害數量與災害密度呈現正相關(圖5)。

圖5 巖漿巖與地質災害關系

(5)降水量。地質災害的發生與降水強度大小和年內分配均勻程度息息相關。降水產生的地表徑流在進入地下的運移和轉化過程中對巖土體的穩定性有一定程度的影響。由于降水滲入地下巖土層，會使各種構造面強度降低，凝聚力減少[14-15]，崩滑流地質災害在暴雨發育區或者年平均降雨量高區較發育，主要分布在平均降水量大于800mm的區域，分布差異性顯著，災害數量和災害密度呈現正相關分布(圖6)。

圖6 降水量與崩滑流地質災害關系

(6)人類工程活動強度與地質災害。地質災害的形成、分布、發展過程和危害程度取決于水文氣象、地形地貌、地質構造、工程地質條件、水文地質條件及人類工程活動。人類工程活動主要是礦產資源開采、工程建筑開挖等。露天開采易引發崩塌地質災害，地下開采能引發采空塌陷及伴生地裂縫災害，不合理的開挖可能引發崩塌、滑坡等地質災害。

3.3 建立層次結構模型

將地質災害易發性評價、考慮的因素及指標因子分為3個層次[16-18]，構建層次結構模型(圖7)。其中，最高層及目標層，即地質災害易發性評價(U)，這是該次工作的總目標。準則層是(Ui)包括地形地貌、地質、氣候和人類工程活動因素；指標層(Uij)為地貌、構造、地層、巖漿巖、降水量和人類工程活動強度。

圖7 日照市地質災害AHP層次模型示意圖

3.4 構造判斷矩陣

依據層次結構模型，基于6個地質災害危險性評價因子，在考慮實地情況基礎上，采用層次分析方法，對評價因子及其類型分別進行判斷矩陣構建、權重計算以及一致性檢驗。判斷矩陣的結果可以通過隨機一致性比率來衡量，它是判斷矩陣的一致性與平均隨機一致性的綜合指標，計算公式為：

CI=(λmax-N)/(N-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中:CI—判斷矩陣一致性指標;λmax—最大特征值;N為判斷矩陣的階數;RI—判斷矩陣的平均隨機一致性指標(表3)[19]。當CR<0.1時，則認為判斷矩陣一致性較好。

表3 層次分析法的平均隨機一致性指標RI

本文采用Excel計算最大特征值λmax、特征向量以及特征向量歸一化處理[20]。判斷矩陣計算結果顯示，6個因子及其類型經一致性檢驗后，CR=CI/RT=0.037<0.1，表明各判斷矩陣具有較好的一致性且通過一致性檢驗，各評價因子及因子類型判斷矩陣、權重、CR如表4所示。

表4 評價因子AHP判斷矩陣、權重、CR及λmax

4 易發性分區

根據各單元的地形地貌、地質、氣候以及人類工程活動等條件，利用MapGIS空間分析功能對評價范圍進行了網格剖分。用加權疊加計算層次分析法確定的權重，劃定地質災害易發區。即：高易發區、中易發區、低易發區(圖8)。

1—崩塌；2—滑坡；3—泥石流；4—塌陷；5—地裂縫；6—高易發區；7—中易發區；8—低易發區圖8 日照市地質災害易發區劃分

高易發區分布于五蓮縣于里、汪湖兩鎮，莒縣北部東莞鎮、南部中樓鎮、東部嶠山鎮，東港區三莊鎮西北，分布較零散。面積約為113.64km2，約占全市面積的2.15%，共分布有29處地質災害點，約占總數量的32.22%。其中發育地裂縫18處，崩塌8處，滑坡1處，泥石流2處。

中易發區主要分布于東港區三莊鎮大部、南湖鎮北部，五蓮縣石場鄉西南部和北部、洪凝鎮東部和西南部，松柏鎮、街頭鎮西部和東北部，戶部鄉西部以及嵐山區虎山鎮等地區，面積約為702.51km2，約占全市面積的13.32%，共分布有33處地質災害點，約占總數量的36.67%。其中發育地裂縫1處，崩塌24處，滑坡3處，泥石流4處，采空塌陷1處。

除去地質災害高易發區和中易發區以外的其他區域為低易發區，面積4368.80km2，約占全市面積的84.53%，地質災害點28處，其中崩塌23處，采空塌陷3處，泥石流2處，易發程度均較低。

5 結論

(1)對研究區范圍內的地質災害易發性進行了分區評價，根據地質災害危險程度，將研究區劃分為3個等級：地質災害高易發區、地質災害中易發區和地質災害低易發區。

(2)研究區地質災害易發性評價結果表明，地質災害重點分布于沂沭斷裂帶的昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂通過的區域和低山、丘陵地貌區以及礦產資源開采引發的采空塌陷等地，此區域需重點防治。

(3)本文在深入分析研究區域地質災害背景和成災機理的基礎上，選取地貌、構造、地層、巖漿巖、降水量及人類工程活動強度6個地質災害危險性評價影響因子，采用層次分析法，將地質災害易發性評價過程層次化、定量化，從一個新的角度對日照市地質災害危險性進行定量化評價和分區，分區結果較客觀地反映實際情況。