AHP-信息量法在古城區(qū)地質(zhì)災害危險性評價中的應用

范詩鈴，劉漢湖，李金豪

（成都理工大學地球科學學院，四川成都 610051）

地質(zhì)災害作為一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，其發(fā)生具有高度的不確定性，一旦出現(xiàn)造成的危害往往不可估量. 為了最大限度地減少地質(zhì)災害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失，需要了解和分析地質(zhì)災害的發(fā)生機理、誘發(fā)因素、空間分布特征、發(fā)生規(guī)律等方面的情況，為后續(xù)減災防災工作打下基礎. 地質(zhì)災害危險性評價作為地質(zhì)災害風險性評價的基礎，是防治減災工作部署與基礎建設的重要參考[1]. 目前國外學者在地質(zhì)災害危險性評價方面已作了廣泛的研究，評價方法多種多樣，主要有層次分析法[2]、主成分分析法[3]、確定系數(shù)法[4]、信息量法[5]等. 然而單一評價方法所得的評價結果精度通常較低，而多類評價方法之間的相互耦合能更準確地對評價結果進行描述.程斌等[6]用確定系數(shù)模型與邏輯回歸模型進行耦合，對赤水市進行地災易發(fā)性評價；陳慧敏等[7]以地理信息系統(tǒng)為平臺，用加權信息量法對茂縣地區(qū)進行地質(zhì)災害易發(fā)性評價；周子涵等[8]用信息量模型等方法對紅河縣地質(zhì)災害危險性進行相應的評價.信息量建模方式是對地質(zhì)環(huán)境進行預測的較佳方式之一，它可對地質(zhì)的具體狀況進行全面分析，其具有較高的可信度和科學性，且處理方式較簡便.

古城區(qū)是麗江市的政治、經(jīng)濟、文化、科技、金融和信息中心，本文將層次分析法、信息量模型與GIS系統(tǒng)相結合，對古城區(qū)地理狀況和地質(zhì)災害危險性進行研究，以目視解譯和野外調(diào)查崩塌、滑坡、泥石流數(shù)據(jù)為分析要點，獲得地理環(huán)境因子、地質(zhì)環(huán)境因子、地質(zhì)災害外部誘發(fā)因子等相關要素，然后對各要素中的單個評價指標（地理環(huán)境因子包括坡度、高程、NDVI、地形起伏度，地質(zhì)環(huán)境因子包括地層巖性、距斷層距離，地質(zhì)災害外部誘發(fā)因子包括距道路距離、年均降雨量、距河流距離）展開分析，搭建地質(zhì)災害危險評價指標體系，對其地質(zhì)災害危險性進行綜合評價.

1 研究區(qū)概況

古城區(qū)地理地貌如圖1 所示. 該地區(qū)銜接青藏高原南端與云貴高原，同時結合了藏滇地槽與揚子準地臺，因而其地貌與一般地貌有所不同，特點較為明顯，為橫斷山峽谷和滇西北高原[9]，境內(nèi)地形地貌錯綜復雜. 該區(qū)為南亞季風氣候，位于偏低緯度，氣候較為溫和，冬不過冷夏不過熱，雨量較大，存在干濕季節(jié)且較為明顯，因地形深切，具有明顯的垂直差異氣候特征. 古城區(qū)地層內(nèi)含古生界二疊系上統(tǒng)、中生界三疊系、新生界下第三系和第四系地層. 二疊系僅有上統(tǒng)出露，為一套基性海底火山噴出巖及淺海—沼澤泥炭相沉積，主要集中分布于金沙江河谷兩岸；三疊系發(fā)育，分布廣泛，全區(qū)皆存在出露情況；新生界下第三系為一套紅色碎屑巖建造，主要分布于象山、龍興、羊見、忠義等地，呈南北條帶狀展布；第四系為一套湖相或河湖相沉積，主要分布于麗江盆地.

圖1 研究區(qū)示意圖

2 研究方法

2.1 評價因子

在不同的區(qū)域地質(zhì)災害的評價研究中，所選取的評價因子不盡相同. 選取的評價因子過少會導致結果側重于某類主導因子，而選取過多將使模型復雜化，最終導致評價結果不夠準確，只有合理地選擇適合于研究區(qū)的評價因子才能有效保障地質(zhì)災害危險性評價結果的準確性. 根據(jù)區(qū)域內(nèi)實際情況并參照中外較為普遍采用的評價指標，從地理環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境與外部致災三方面，將坡度、高程、NDVI、地形起伏度、地層巖性、距斷層距離、距河流距離、距道路距離、年均降雨量九個影響較大且具有代表性的因子作為本文地質(zhì)災害危險性評價的指標.

（1）坡度：地質(zhì)災害的發(fā)生與坡度有著重要的關系，根據(jù)斜坡受力模式等內(nèi)容探究坡度對地質(zhì)災害的作用，研究此項內(nèi)容時應考慮到地質(zhì)體重力穩(wěn)定性、變形失穩(wěn)模式等相關內(nèi)容. 依據(jù)研究區(qū)的實際情況將坡度劃分為15° ～40°、40° ～45°、10° ～15°和45°～50°、＜10°和＞50°共4個級別（如圖2a）.

（2）高程：該項因素作用于土壤種類、山區(qū)水系發(fā)育狀況、生活者的生產(chǎn)活動[10].以確定的區(qū)域作為研究對象，高程減小后容易干擾地表物質(zhì). 高程分類分別為1200 m ～1800 m、1800 m ～2400 m、2400 m ～3000 m、3000 m ～3600 m（如圖2b）.

（3）地形起伏度：在規(guī)定的某一片區(qū)域內(nèi)，地表高程差的最大值即為地形起伏度. 其內(nèi)容是基于坡度概念方面的拓展，主要對地形的特點進行表現(xiàn)，在地質(zhì)災害評價過程中，地形起伏度為一項地形內(nèi)容參與其中. 將研究區(qū)的地形起伏度分為以下級別：30 m ～60 m、20 m ～30 m 和60 m ～80 m、10 m ～20 m（如圖2c）.

（4）NDVI：松散的巖土體可借助植被根系實現(xiàn)穩(wěn)固，植被根系龐大、植被覆蓋率較高有利于巖土體的完整性不受破壞，減弱風化程度，降低因自然環(huán)境引發(fā)各類地質(zhì)災害的幾率. 歸一化植被指數(shù)NDVI反映了植被生長情況及空間密度分布. 根據(jù)研究區(qū)內(nèi)植被分布實際，將NDVI 劃分為4 個級別，分別是≤0.12、0.12 ～0.22、0.22 ～0.32、＞0.32（如圖2d）.

（5）地層巖性：該要素作為控制要素參與地質(zhì)災害的形成過程[11].地質(zhì)災害的發(fā)生與地層結構有關，通常發(fā)生于軟弱巖性和軟硬相間的地層結構中. 由于研究區(qū)域包括多種地層巖，將其劃分為較硬巖組區(qū)、較軟弱巖組區(qū)、軟弱巖組區(qū)、松散堆積區(qū)（如圖2e）.

（6）距斷層距離：指處于斷層結構且正處于發(fā)育狀態(tài)，這種情況下巖體穩(wěn)定性較差，容易被破壞，而后引發(fā)地質(zhì)災害[12]. 一般而言，特殊結構、斷層發(fā)育部位容易發(fā)生地質(zhì)災害. 古城區(qū)內(nèi)約有60 條斷層，按照距斷層距離遠近劃分為4 個分區(qū)，分別是≤500 m、500 m ～1000 m、1000 m ～1500 m、＞1500 m（如圖2f）.

（7）距道路距離：距離道路的遠近表示著不同強度的人類工程活動，不同程度的誘發(fā)程度各類地質(zhì)災害. 依據(jù)研究區(qū)的實際情況，按照距道路遠近劃分為4 個級別≤1000 m、1000 m ～2000 m、2000 m ～3000 m、＞3000 m（如圖2g）.

（8）距河流距離：河流分布對地質(zhì)災害的影響表現(xiàn)在距河流的遠近程度上，距河流越近，河流兩岸的掏蝕作用愈發(fā)明顯，地質(zhì)災害危險性更大. 依據(jù)研究區(qū)的實際情況，按照距河流遠近劃分為4 個級別≤500 m、500 m ～1000 m、1000 m ～1500 m、＞1500 m（如圖2h）.

（9）年均降雨量：降雨一方面加快了對坡面的沖刷侵蝕，另一方面增加了巖土的孔隙水壓力，從而加劇了地質(zhì)災害的發(fā)生[13]. 選取了古城區(qū)2010-2019年多個氣象站點的年均降雨量進行空間插值得到降雨量分布圖，并將其依照自然間斷法劃分為4 類（如圖2i）.

2.2 信息量法

信息量模型（Information Value Model）是在發(fā)生崩塌和滑坡災害的基礎上計算誘發(fā)因素帶來的信息量值I，可定量分析以完成地質(zhì)災害易發(fā)生等級的研究[14]. 此種方式對地質(zhì)災害受到變形破壞的主要影響因素進行分析，獲取其信息量貢獻值大小，觀測各個因素與地質(zhì)災害之間的相關程度，信息量值越小越不容易造成災害.計算公式如下:

式中：Nij表示影響因子子類中災害點個數(shù)，N為災害點總個數(shù)，Sij為影響因子子類柵格數(shù)，S是總柵格數(shù).

基于研究區(qū)內(nèi)各災害點的空間分布情況，對9個評價因子分級分別按式（1）解得其對應的信息量值，結果如表1所示.

表1 各評價因子信息量值計算結果

2.3 層次分析法

層次分析法（AHP）是一種定性的多目標決策分析方法，能將行業(yè)專家的經(jīng)驗判斷，廣泛應用于易發(fā)性研究中.層次分析法包括3個步驟：一是構建最高層決策(目標層)，中間層(準則層)及底層(方案層)的隸屬關系模型；二是建立相應的判斷矩陣；三是計算各因子權重并檢驗各因子的隨機一致性.

（1）建立系統(tǒng)層次結構：根據(jù)古城區(qū)地質(zhì)災害具體表現(xiàn)和成因，結合研究區(qū)的相關情況后選擇合理的評價指標，加之分析古城區(qū)的研究結果，分析研究區(qū)發(fā)生地質(zhì)災害的主要影響要素，例如自然環(huán)境、地質(zhì)要素等，研究的過程中搭建層次結構模型[15]及具體因子（如圖3）.

（2）建立判斷矩陣：圖3構建的地質(zhì)災害危險性層次分析法結構模型可對因子進行分析，對因子的隸屬性問題進行準確表現(xiàn). 依照1～9 標度法等有關內(nèi)容，因子之間會存在層次方面的不同，對各個因子所涉及到的相對作用程度進行分析，明確其權重后，搭建A-B層、B-C層判斷矩陣，見表2-表5.

表2 地質(zhì)災害危險性判斷矩陣（A-B）

表3 地理環(huán)境因素判斷矩陣

表4 地質(zhì)環(huán)境因素判斷矩陣

表5 外部致災因素判斷矩陣

圖3 地質(zhì)災害危險性評價層次分析法結構模型

(3) 相對權重及一致性檢驗：求得矩陣的最大特征值λmax，同時獲得相應的特征向量，并根據(jù)式（2）、（3）驗證判斷矩陣的一致性.

式中：CI是一致性指標，其值越小則表明不一致程度越低；λmax為判斷矩陣的最大特征值，n為階數(shù).CR為一致性比率，RI是隨機一致性指標. 通過CR基于變量和指標之間的比較而判斷模型的優(yōu)劣程度[16]，若CR＜0.1，可接受判斷矩陣的一致性.然后獲得準則層對方案層(B-C)歸一化后的權重Wi，將其在目標層(A)下再次歸一化后，獲取目標層對方案層(A-C)的權重，具體數(shù)據(jù)內(nèi)容見表6、表7.

表6 判斷矩陣權重計算（A-C）

表7 地質(zhì)災害危險性評價權重

3 地質(zhì)災害危險性評價區(qū)劃

3.1 危險性評價區(qū)劃結果與分析

本文研究過程中使用GIS 軟件的空間分析、柵格計算功能，在確定評價因子所屬的分級后，利用信息量法求算出各分級單元信息量，利用層次分析法(AHP)獲得各評價因子權重，將兩者進行耦合運算，具體公式為：

式中：S為評價單元的綜合信息量值，Wi為層次分析法獲得的各評價因子的權重，Iij為第i個評價因子第j個類別的信息. 結果顯示，加權信息量值區(qū)間為-0.658 67 ～0.721 78. 以綜合加權信息量值的組間方差最大、組內(nèi)方差最小為聚類結束條件，采用自然斷點法將總信息量值劃分為4 個區(qū)間：-0.658 67～-0.268 89、-0.268 89 ～-0.063 18、-0.063 18 ～0.218 32、0.218 32 ～0.721 778，則研究區(qū)域所處區(qū)間表現(xiàn)出的地質(zhì)災害危險性等級劃分為低危險區(qū)、中危險區(qū)、高危險區(qū)以及極高危險區(qū). 為了獲取研究地區(qū)地質(zhì)災害危險等級區(qū)劃，對其進行重分類，得到結果如圖4所示.

3.2 區(qū)劃驗證結果

將研究區(qū)地質(zhì)災害危險性等級區(qū)劃圖和既有災害點疊加，進行統(tǒng)計分析，得到表8所示結果.

表8 研究區(qū)地質(zhì)災害危險性等級區(qū)劃統(tǒng)計

由表8 可知，73.68%的地質(zhì)災害點分布于高危險區(qū)和極高危險區(qū)，低危險區(qū)地質(zhì)災害點僅占4.45%. 通過實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，低危險區(qū)災害點通常發(fā)育規(guī)模小，僅可能對山區(qū)公路造成潛在威脅. 隨著危險性的提高，地質(zhì)災害點密度逐步增大. 研究區(qū)內(nèi)河流沿岸，尤其是金沙江沿岸，地質(zhì)災害發(fā)育較多，地質(zhì)災害點密度高. 由此可見，通過本文綜合的地質(zhì)災害危險性等級區(qū)劃評價結果與實際地質(zhì)災害分布吻合.

4 結語

本文通過資料分析、野外調(diào)查、遙感解譯等手段，基于GIS 技術總結古城區(qū)地質(zhì)災害空間分布規(guī)律，采用AHP-信息量法開展古城區(qū)地質(zhì)災害危險性等級區(qū)劃評價，得出以下結論：

(1) 古城區(qū)地質(zhì)災害主要受到坡度、高程、地形起伏度、NDVI 等9 個評價指標的影響，經(jīng)驗證古城區(qū)地質(zhì)災害危險性等級區(qū)劃分析研究選取的評價因子合理可靠.

(2) 地質(zhì)災害極高危險區(qū)、地質(zhì)災害高危險區(qū)、地質(zhì)災害中風險區(qū)、地質(zhì)災害低危險區(qū)分別占全區(qū)的8.04%、28.54%、43.60%、20.82%，涉及面積分別為：88.10 km2、356.91 km2、545.33 km2、260.42 km2，與實際地質(zhì)災害分布吻合.