基于加權信息量模型的多要素地質災害易發性評價

摘? ? 要：本文對福州市晉安區的地質災害易發性進行研究，根據研究區地質條件和地質災害的形成機制和制災機理，確定高程、坡度、坡向、地質構造、巖土體類型、降雨、地表水系、植被密度8個影響地質災害易發性的環境因素。構建信息量模型計算8個因素的信息量，采用層次分析法對8個因素的信息量進行賦權，最后使用ArcGIS軟件依據權重疊加指標，實現研究區易發性可視化、數據化。依據計算結果，對研究區易發性進行評價，其成果可為制定福州市晉安區的地質災害防治方案提供依據。

關鍵詞：地質災害；層次分析法；信息量；易發性;晉安；福州

中圖分類號： P694? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1672-5603（2023）01-85-10

Multi-elements Geological Hazard Vulnerability Evaluation?Based on Weighted Information Quantity Model

—A Case Study of Jin'an District， Fuzhou City

Zhuang Shuyu

（Fujian Institute of Geological Survey， Fuzhou Fujian 350013）

Abstract： This paper studies the vulnerability of geological hazards in Jin'an district， Fuzhou city. According to the geological conditions and the formation mechanism and disaster mechanism of geological hazards in the area，eight environmental factors affecting the vulnerability of geological hazards， including elevation， slope， slope direction， geological structure， geotechnical type， rainfall， surface water system and vegetation density are determined. The information quantity model is used to calculate the information quantity of the eight factors， and the information quantity of the eight factors was assigned with weights by using the hierarchical analysis method， and finally， ArcGIS software is used to superimpose the indexes according to the weights to visualize and data the vulnerability of the study area. According to the calculation results， the vulnerabitity of the study area is evaluated， and the results can provide a basis for determining the geohazard prevention and control plan in Ji'nan district， Fuzhou city.

Keywords：geological hazards;hierarchical analysis method;information quantity;vulnerability;Ji'nan district， Fuzhou city

0 引言

我國地質災害頻發，據不完全統計，在地質災害防治“十二五”規劃期間，發生地質災害64521次[1]。地質災害的發生摧毀近災點的道路、房屋，給人民群眾的生命、財產帶來巨大損失。然而，地質災害的形成受諸多因素影響，且其發生具有突然性[2]。因此，對地質災害進行評價，可以更好地防災減災。

地質災害易發性研究是展開地質災害評價分析工作的基礎。易發性評價主要是根據地質災害的成災機理及發育特征，分析其孕災地質條件，選取合適的評價因子和評價方法進行易發性評價[3]。常見的評價因子的主要有高程、坡度、坡向、構造、巖性、降雨等[4-5]。而評價方法分為推理模型、統計模型和確定性模型[6]，前兩種模型適用性廣，結果偏差大，適用于大區域范圍評價。而確定性模型需要對評價因子的數據進行定量化分析，精度高，適用于小區域范圍評價。隨著計算機技術的發展，評價因子的定量化分析日益簡單快捷，確定性模型得到廣泛應用，常見的確定性模型有灰色系統理論[7]、模糊評判法[8]、層次分析法[9]、神經網絡法[10]、信息量法[11]等。

目前的易發性評價分析方法眾多，具有廣泛的適用性，但方法上存在些許不足。灰色系統理論基于已發災害點進行預測，極其依賴歷史數據，對潛在災害區預測準確性低[12]。神經網絡法分析結構繁瑣，分析參數選取困難，分析過程算法收斂速度緩慢[13]。層次分析法依賴專家意見，人為主觀性強[14]。信息量法不能反映各評價因子對地質災害影響程度的差異[15]。因此，迫切需要一種新的方法解決這一困境。

本文以福州市城區1：5萬地質災害風險調查評價為數據來源，根據晉安區地質災害的發育特征，選取多個評價因子，從多因素角度，運用層次分析法對因素的信息量進行賦權，以彌補信息量模型的不足，對晉安區地質災害進行易發性評價。

1 研究方法

加權信息量模型是一種定性-定量相結合的新方法。信息量模型是通過計算特定評價單元內某種因素作用下地質災害發生頻率與區域地質災害發生頻率相比較實現的，然而地質災害的形成受多種因素影響，信息量模型未考慮評價指標在評價體系中各因素的貢獻度差異。因此，使用層次分析法來建立目標的層次評價模型，進行評價指標的權重分析，為信息量值進行指標權重賦權，使評價結果更加合理可靠。

1.1 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，其根據實現目標的必要條件來建立層次結構模型[16-18]。層次結構模型一般包括目標層、準則層和因素層。目標層是建立的層次結構模型要完成目標，準則層則是實現目標需要的必要條件，而因素層則是實現準則層的必要條件，其結構見圖1。

構建完層次結構模型，就要建立判斷矩陣。判斷矩陣的形式如圖2。判斷矩陣[A]中的[ui]為層次結構中的準則層，[aij]為準則間的重要性標度，其取值參照1～9重要性標度法（表1）。若[aij]大于1，則表示[ai]比[aj]的重要性大；對應著[aj]與[ai]間的重要性標度則為1/[aij]。

完成判斷矩陣[A]的構建后就要進行一致性檢驗，一致性檢驗的步驟是先計算判斷矩陣的最大特征根λ[max]和對應的特征向量[W]。計算得到最大特征根λ[max]后，可以使用一致性指標[CR]來判斷，[CR=CI/RI]，其中[CI=λmax-n/n-1]，[RI]的取值參照表2。如果[CR<0.10]，則判斷矩陣一致性通過，反之，則要更改重要性標度[aij]，直至通過。

最大特征根的計算方法有冪法、方根法、和法，本文使用的是方根法。根據公式1對判斷矩陣的行進行累積，得到累積向量[M=M1，M2…Mn]。隨后對累積向量[M]開n根，并進行歸一化，即可得到特征向量[W=W1，W2…Wn]。而最大特征根λ[max]的計算則依據公式1-4。

以上內容介紹的是準則層相對目標層的權重[ a]，或者是因素層相對準則層的權重[ b]，而因素層相對目標層的權重[c=a×b]。

1.2 信息量模型

信息量模型是根據現有的地質災害統計結果，分析不同孕災地質條件（評價因子）下地質災害發生次數，并將其轉化為反映地質災害易發性的信息量值，信息量值越大，孕災貢獻越大[17]。信息量值計算公式如下：

式中，[Ii]為某孕災地質條件的信息量；[Ni]為發生在某孕災地質條件（評價因子）的地質災害分布單元面積；[N]為區域內地質災害分布單元總面積；[Si]為某孕災地質條件（評價因子）的總面積；[S]為區域總面積。

1.3 層次分析—信息量法

層次分析法計算得到的是不同孕災地質條件（評價因子）相對“目標層”的權重向量[W=W1，W2…Wn]，信息量法計算得到的是每個權重向量對應的信息量[Ii]，而目標層的總信息量則需要依據不同孕災地質條件（評價因子）權重，根據權重對信息量值進行賦權，即可計算總的信息量。總信息量計算公式如下：

2 工程實例及評級研究

2.1 地質災害發育現狀

晉安區位于福州市北郊，區內屬于中低山地貌，地勢總體上西北高、東南低。區內最高海拔位于旗山，高度為1 129.3 m，最低海拔為日溪、桂湖等處的山間盆地，高度在100 m左右。晉安區區域垂直海拔高度在1 000 m左右，地勢較平緩，大部分地區坡度在20°～40°，局部區域的溝谷較陡峻，坡度可達50°以上。晉安區氣候類型屬于典型的亞熱帶季風氣候，具有明顯雨熱同期特點，每年的7～9月，月平均氣溫在33～37℃，月均降雨量在150 mm左右。此外，晉安區受臺風影響較大，每年臺風直接登陸市境在2次以上，日極端降雨量在300 mm左右。這種異常天氣極帶來的極端降雨量，易造成地質災害。

晉安區地層以晚侏羅系南園組和早白堊系小溪組、石帽山群地層為主，局部出露白堊系二長花崗巖。晚侏羅系南園組為酸性、中酸性火山碎屑巖，早白堊系小溪組和石帽山群皆為一套陸相沉積—火山噴發巖系。白堊系二長花崗巖屬于侵入巖類型。研究區構造屬于浙閩粵火山巖帶之閩東火山活動亞帶，發育的斷裂帶較多，主要以近南北、北東東、北西向為主，其中較為著名的是福州—永泰構造帶，該構造帶至今仍在活動，致使區域地殼出現差異隆升，誘發多次地震災害。該構造帶的活動使得區域內河流切割嚴重、階地發育、溫泉群生以及斜坡巖土體結構破碎。

區域內復雜的構造運動，以及極端的氣候條件，使得地勢較平緩的晉安區地質災害頻發。通過收集資料和現場工程地質勘察，發現研究區內現有已發地質災害點45個，高陡邊坡473個，其中崩塌為14處，滑坡為30處，泥石流1處。區內崩塌以巖土質崩塌為主，破壞模式以滑移式為主。滑坡以土質滑坡為主，破壞模式以牽引式為主。區內地質災害誘發因素以人類活動為主，發生時間集中在雨季，可見降雨對地質災害發生存在較大影響。

2.2評價因子

評價因子及其權重的計算是進行地質災害風險評價的基礎，但在進行評價因子和權重的計算時，需要考慮區域地質環境和地質災害的誘發因素。本文根據晉安區地質災害成災機理及發育特征，對區域地質災害與孕災地質條件進行分析，確定地質災害風險評價的指標[19]。

2.2.1 地形地貌

地形地貌條件是地質災害形成的基本條件，研究區屬于中低山地貌，海拔范圍在0 ～? 1 130? m，坡度在20° ～ 40°。

從海拔高度上來看，高程500 ～ 1 130 m的范圍內地質災害點有19處；高程250 ～ 500 m范圍內地質災害點有13處；高程100 ～ 500 m范圍內地質災害點有1處；而高程0 ～ 100 m范圍內地質災害點有12處。其中高程低于100 m區域是人類活動密集區，地質災害較多；高程在500 ～ 1 130 m范圍屬于中低山地貌，人類活動對斜坡坡體影響較大，在一定程度上誘導了地質災害的發生（圖3）。因此，認為高程對晉安區地質災害分布具有控制作用，選取其為評價因子。為了量化分級，將高程劃分為“＜100 m、100～250 m、250～500 m、500～800 m、＞800 m”5個等級。

坡度是崩滑災害發生的前提條件，斜坡拉張應力區的分布與斜坡坡度呈正相關聯系，坡度越大坡腳地帶形成的最大剪應力越大，坡體穩定性越差。據統計，坡度在0～15°的地質災害點有7處；坡度在15～25°的地質災害點有16處；坡度在25～35°的地質災害點有19處；坡度在35～45°的地質災害點有3處。從結果上，研究區地質災害多集中在15～35°之間，而非高坡度區域，這是因為坡度>35°時殘坡積物難于保存，發生災害也相應較低，可見地質災害的發生與坡度密切相關（圖4）。因此，認為坡度對晉安區地質災害分布具有控制作用，選取其為評價因子。為了量化分級，根據地形坡度劃分為“＜15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°和＞45°”5個等級。

坡向對于地質災害的影響主要體現在坡向不同，斜坡巖土體風化程度不同，地下水水位不同。一般向陽坡的日照時間更長，蒸發量大，風化程度高，對地質災害的發生起到一定的影響作用。據統計，坡向北（337.5°～22.5°）、北東（22.5°～67.5°）、東（67.5°～112.5°）、南（157.5°～202.5°）、南西（202.5°～247.5°）、西（247.5°～292.5°）、北西（292.5°～337.5°）的地質災害點均較少，只有南東（112.5°～157.5°）最多，為10個。這也說明在晉安區，坡向對地質災害分布有一定影響，但不是主要影響因素，也選取其為評價因子。為了量化分級，根據坡向劃分為“北（337.5°～22.5°）、北東（22.5°～67.5°）、東（67.5°～112.5°）、南（157.5°～202.5°）、南西（202.5°～247.5°）、西（247.5°～292.5°）、北西（292.5°～337.5°）”8個等級。

2.2.2 地質條件

地質構造對地質災害具有重要的控制作用，構造的發育情況影響著災害發生的概率。地質構造對地質災害的影響主要體現在，構造運動會破壞巖土體結構和穩定性，為地質災害提供物源。構造運動形成的破裂面是很好的水運移通道，起到增加下滑力減少抗滑力的作用。因此，選取地質構造作為對晉安區地質災害易發性評價的影響因子。為了量化分級，將地質災害點距離構造線的距離劃分為“0 ～ 500 m、500 m ～ 1 000 m、1 000 m ～ 1 500 m、1 500 m ～ 2 000 m、2 000 m ～ 2 500 m、>2 500 m”6個等級。

研究區的巖土體類型主要有五種，分別是堅硬塊狀侵入巖巖組、較堅硬塊狀火山巖巖組、砂土和碎石土、粘性土、淤泥質土。這些巖土體的力學強度不同，天然工況下穩定性差異較大，而地質災害的發生概率與巖土體強度密切相關。由于砂土和碎石土、粘性土、淤泥質土的力學性質相差不大，這里將其劃分為松散土體。據統計，發生在堅硬塊狀侵入巖巖組的地質災害有8處，較堅硬塊狀火山巖巖組25處，松散土體22處。這是因為研究區地質災害多發生在中部山前坡地和北部山區，該部分巖土體類型為堅硬較堅硬塊狀火山巖巖組（圖5）。因此，認為巖土體類型對晉安區地質災害分布具有控制作用，選取其為評價因子。為了量化分級，將巖土體類型劃分為“侵入巖、火山巖和松散土體”3個等級。

2.2.3 自然條件

降雨是催生各類地質災害的重要誘發因素，這點是國內外普遍認可的。晉安區季風氣候明顯，降雨集中，加上臺風帶來的極端降雨條件，極易誘發地質災害。根據調查資料及災害點訪問，區域內地質災害發生時間集中在5～9月份，特別是每年5、6月份，雨季發生頻率最高，該時間段為濕熱氣候條件，暴雨集中，地質災害發生時間與降雨分配、強度正相關，地質災害發生次數總體隨月平均降雨量的升高而增多。而到了8～9月的臺風季，極端降雨量大，晉安區普遍產生滑坡、泥石流災害。由于降雨對地質災害具有明顯的控制作用，故選用其為評價因子。為了量化分級，將年降雨量分為“＜ 900 mm、900 mm ～ 1 000 mm、1 000 mm ～ 1 000 mm、1 100 mm ～ 1 200 mm、> 1 200 mm”5個等級。

水對地質災害有分布具有重要影響。對于地表水，其下滲作用會使坡體巖土體軟化、崩解現象，減小抗滑力，也是泥石流災害發生的物質組成以及水力條件。對于地下水的作用主要有以下幾個方面：（1）地下水會增大巖土體的容重，增大下滑力；地下水也會改變巖土體的力學性質，使其抗剪強度降低。（2）地下水的靜水壓力也存在許多不利影響，如裂隙中地下水的靜水壓力會產浮托力，降低有效正應力和摩擦阻力；靜水壓力也會轉化為下滑力。由于地表水、地下水的流速與流量與距離地表水系遠近密切相關，故選用距離地表水系的遠近作為評價因子。為了量化分級，將距離地表水系分為“＜300 m、300 m ～ 600 m、600 m ～ 900 m、>900 m”4個等級。

植被樹冠、枯落層可以消耗雨強、雨能，截留降雨，降低地下水流速、流量。植被根系的固土固沙作用可以減小雨水侵蝕能力，削減泥石流物源。總的來說，植被可以調節區域徑流，削減洪峰，改造局部地區水文循環；植被的固土固沙可以防止土體侵蝕，減少地質災害發生。研究區植被類型主要為灌木和林木，植被種類、覆蓋程度與發生地質災害發生概率密切相關，裸露區發生地質災害可能性最大，草本次之，灌木再次，林木最次。因此，選用植被密度作為評價因子。為了量化分級，將植被密度劃分為“裸露區、草本、灌木和林木”4個等級。

2.3信息量分級賦權

2.3.1評價層次結構模型

在前文對晉安區地質災害的孕災地質條件進行分析的基礎上，建立晉安區的易發性層次結構模型（圖6）。模型的目標層（U層）為晉安區地質災害易發性評價，一級指標為準則層，準則層有3個，分別為地形地貌（U1）、地質條件（U2）、自然條件（U3）。因素層有8個，分別為高程（U11）、坡度（U12）、坡向（U13）、地質構造（U21）、巖土體類型（U22）、降雨（U31）、地表水系（U32）、植被密度（U33）。

2.3.2構建判別矩陣及層次總排序

評委專家依據晉安區地質災害成災機理及發育特征，確定評價準則和評價因素的主次關系，參照1-9標度法對8個因素的孕災能力強弱進行打分，建立判斷矩陣，進行指標權重計算和一致性檢驗。計算結果見表3-表6。

2.3.3 信息量計算與分級賦值

在信息量的計算中需要對單一評價因子進行量化分級，層次分析法中有8個評價因子，量化分級為40個子級別，分級結果見表7。量化分級后需要計算信息量，本文使用ArcGIS軟件繪制8個評價因子的基礎圖件，并用25 m× 25 m均布柵格單元來劃分基礎圖件，通過公式5算評價指標的信息量，計算結果見表7和圖7。

根據計算結果，高程在500 ～ 800 m這個范圍，信息量最大，為0.243 6；坡度在25° ～ 35°這個地形區間內地災隱患點分布較多，信息量最大，為0.536 3；坡向在南東（112.5° ～ 157.5°）范圍內地質災害隱患點較多，信息量達到0.583 1；巖土體類型為較堅硬塊狀火山巖巖組的信息量較高，為0.536 3，松散土體的信息量最小，為-0.796 2；距離地質構造500 m以內信息量較大，為0.471 1；距離水系0～300 m范圍內，信息量最大，為0.073 1；裸地分布災點個數最多，信息量最大，為0.270 5；降雨量在>1 200 mm，信息量最大，為0.483 9。

計算40個子級別的信息值后，根據層次分析法的指標權重對子級別信息值進行最終信息量計算，這里的計算過程參照公式6，計算結果見表7。

2.3.4 ArcGIS加權疊加及量化分析

研究區有著完整的圖件屬性庫，使用ArcGIS軟件對各評價指標信息量圖按權重進行疊加分析。疊加后可以得到研究區的總信息量范圍，其范圍為-0.380 1～0.327 2。根據總信息量的定義，總信息量[I]越大（>0），發生地質災害可能性越大；總信息量[I]越小（<0），發生地質災害可能性越低。根據總信息量的性質以及研究區地質災害發育特征，按照最大隸屬原則，將研究區地質災害易發性劃分為3個分區，-0.380 1～0（非易發），0～0.143 2（低易發），0.143 2～0.327 2（中易發）。在成圖方面，把同一隸屬度的柵格單元劃分為同一級，對于零星的小斑塊，使用濾波算子進行過濾，得到晉安區地質災害易發性分區圖（圖8），統計結果見表8。

2.4 評價結果

晉安區全區地質災害易發性分區分為3個，分別是非易發區、低易發區和中易發區。

中易發區面積為62.31km2，占區內總面積的11.28%，主要分布在壽山鄉、宦溪鎮、日溪鄉和新店鎮北部；低易發區面積為292.69 km2，占區內總面積的52.99%，主要分布在北部山區坡度平坦地區；非易發區面積為197.39 km2，占區內總面積的35.73%，主要分布在新店鎮南部、岳峰鎮和鼓山鎮南西部；區內無高、極高易發區。

3 結論

（1）加權信息量模型是層次分析法和信息量模型的結合，二者優勢互補，使區域地質災害易發性評價更加準確合理。

（2）根據晉安區地質災害成災機理及發育特征，結合自然地理、地質特征，選取與地質災害密切相關的高程、坡度、坡向、地質構造、巖土體類型、降雨、地表水系、植被密度8個因素作為晉安區地質災害易發性評價因子。

（3）依據總信息量計算結果，將研究區晉安區易發分區分為中易發區、低易發區、非易發區3個分區，中易發區的面積為62.31 km2；低易發區的面積為292.69 km2；不易發區的面積為197.39 km2。

參考文獻/References

[1] 國土資源部.全國地質災害防治“十三五”規劃[EB/OL].http：//g.mnr.gov.cn/201701/t20170123_1430399.html.2016-12-28/2022-11-01.

[2] 王運興，梁收運.突發性地質災害研究現狀[J].世界科技研究與發展，2012，34（01）： 84-88.

[3] 吳樹仁，石菊松，張春山，等.地質災害風險評估技術指南初論[J].地質通報，2009，28（08）：995-1005.

[4] 田春山，劉希林，汪佳.基于CF和Logistic回歸模型的廣東省地質災害易發性評價[J].水文地質工程地質，2016，43（06）：154-161+170.

[5] 王哲，易發成.基于層次分析法的綿陽市地質災害易發性評價[J].水文地質工程地質，2007（03）：93-98.

[6] 劉儀. 基于GIS和目標層次分析法的地質災害評價研究[D].安徽理工大學，2017.

[7] 褚桂棠，夏建平.灰色系統理論在地質災害研究中的應用[J].地質學刊，1993（03）：196-200.

[8] 魏永明，謝又予，伍永秋. 關聯度分析法和模糊綜合評判法在泥石流溝谷危險度劃分中的應用——以北京市北部山區懷柔、密云兩縣為例[J].自然災害學報，1998（02）：112-120.

[9] 張業成，張春山，張梁.中國地質災害系統層次分析與綜合災度計算[J].中國地質科學院院報，1993（Z01）：139-154.

[10] 許強，黃潤秋，施繼承.斜坡穩定性空間預測的神經網絡方法[J].中國地質災害與防治學報，1994（02）：17-22.

[11] 阮沈勇，黃潤秋.基于GIS的信息量法模型在地質災害危險性區劃中的應用[J].成都理工學院學報，2001（01）：89-92.

[12] 謝靜峰，譚飛，焦玉勇，等.基于因子分析的GA-ELM模型巖溶地面塌陷預測[J].工程地質學報，2021，29（02）：536-544.

[13] Ding H H， Wu Q， Zhao D K， et al. 2019. Risk assessment of karst collapse using an integrated fuzzy analytic hierarchy process and grey relational analysis model［J］．Geomechanics and Engineering，18（05）：515－525.

[14] 張吉軍.模糊層次分析法（FAHP）[J].模糊系統與數學.2020（02）：80-88.

[15] 孫冉，王成都，夏哲兵，等.基于AHP-信息量法的費縣地質災害風險評價[J].環境科學與技術，2015，38（S01）：430-435.

[16] 鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識，2012，42（07）：93-100.

[17] 劉洋，唐川，馮毅.基于AHP-信息量法的地質災害危險性評價[J].地球與環境，2013，41（02）：173-179.

[18] 肖秋明，劉昕嬈.基于PSO-SVM的山區營運高速公路邊坡防治費用預測[J].長沙理工大學學報（自然科學版），2022，19（02）：120-128.

[19] 段煉，王璨.張家界城市核心區域——南莊坪組團地質災害風險評價[J].國土資源導刊，2022，19（03）：21-28.

收稿日期：2022-09-16;? ? ? ? ? ? ? ? 改回日期：2022-11-14。

*基金項目：福建省自然資源廳自然災害防治體系建設項目“福州市1∶5萬地質災害調查與風險評價”（編號：20200329）。

*第一作者簡介：莊樹裕（1979—），男，博士研究生，高級工程師；主要從事水文地質工程地質方面的研究；

E-mail：fulin36966@163.com。