基于層次分析法的登封市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

丁麗，李再興，李學(xué)問(wèn)，張瑞香

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪地理信息院，鄭州　450006)

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基于層次分析法的登封市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

丁麗，李再興，李學(xué)問(wèn)，張瑞香

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪地理信息院，鄭州450006)

摘要：文章針對(duì)登封市地質(zhì)環(huán)境條件、發(fā)育特征等特性，選取了災(zāi)害點(diǎn)密度、巖土體類型、斷裂發(fā)育程度、地貌類型、坡度、降雨量、人類工程活動(dòng)等7個(gè)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子，通過(guò)層次分析法確定評(píng)價(jià)因子權(quán)重，并采用專家系統(tǒng)法賦值，建立了該市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。通過(guò)劃分評(píng)價(jià)單元及利用危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，基于Arcgis空間分析功能將該市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分為低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)。研究成果對(duì)相似地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的劃分也提供了一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：層次分析法；地質(zhì)災(zāi)害；危險(xiǎn)性分區(qū)；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

地質(zhì)災(zāi)害是自然和人為因素導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境或地質(zhì)體發(fā)生變化，也給人類和社會(huì)造成危害的災(zāi)害事件，如滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地面沉降等，其主要體現(xiàn)在對(duì)居民點(diǎn)、交通、水利水電工程、礦山等造成的危害。目前被用于區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法已有多種，在對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的方法的選擇上一直困擾著廣大地質(zhì)工作者。隨著數(shù)理知識(shí)在各學(xué)科中的應(yīng)用，相互穿插，特別是GIS與數(shù)學(xué)模型結(jié)合的評(píng)價(jià)方法，使得地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)有了得心應(yīng)手的方法，當(dāng)影響因素多、分布復(fù)雜時(shí)，層次分析理論使地質(zhì)災(zāi)害理論評(píng)價(jià)更加清晰化、層次化、定量化，且較為成熟，在大區(qū)域以及其他領(lǐng)域中的應(yīng)用也尤為方便、簡(jiǎn)捷[1]。

文中結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害信息，擬在查明登封市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育概況及其類型的基礎(chǔ)上，闡明登封市地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征、分布規(guī)律，分析登封市地質(zhì)災(zāi)害的形成條件，運(yùn)用GIS、層次分析法實(shí)現(xiàn)登封市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

1登封市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育概況

登封市位于河南省中西部，穎河上游，北與鞏義、偃師相連，東與新密市相接，南鄰汝州、禹州，西與伊川接壤。區(qū)內(nèi)東西長(zhǎng)55 km，南北寬36 km。登封市交通便利，境內(nèi)有鄭少高速公路、少洛高速公路、207國(guó)道、237省道等。鄉(xiāng)村公路已基本網(wǎng)絡(luò)化，交通十分方便。

登封市地處嵩山地區(qū)，地勢(shì)南部和北部高，中部低緩，境內(nèi)主要以低山、構(gòu)造剝蝕丘陵為主。巖性以石英巖、石英砂巖、灰?guī)r為主，第四系零星分布在境內(nèi)近山前地帶、山區(qū)較大溝谷以及穎河河谷，隨著人類工程活動(dòng)的增加及降雨的陣法性影響，使該市地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生。據(jù)走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該市地災(zāi)類型有滑坡、崩塌、地面塌陷和泥石流4類共計(jì)289處，其中滑坡74處，占總數(shù)的25.61 %；崩塌169處，占總數(shù)的58.47%；地面塌陷37處，占總數(shù)的12.80%；泥石流9處，占總數(shù)的3.11%(圖1)。

圖1登封市地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)餅狀圖

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口增長(zhǎng)，在城鎮(zhèn)建設(shè)、交通及旅游景區(qū)建設(shè)，特別是礦業(yè)開(kāi)發(fā)、群眾削坡建窯建房等工程活動(dòng)中，誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害事件呈上升趨勢(shì)，因此，對(duì)區(qū)內(nèi)的災(zāi)害治理要求十分迫切。同時(shí)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)對(duì)其地質(zhì)災(zāi)害的防治工作也具有重要指導(dǎo)意義。目前，層次分析法是地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)中應(yīng)用最為廣泛的方法之一[2]。

2評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)過(guò)程

層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授于20世紀(jì)70年代初提出的。該方法是一種定性與定量分析的多目標(biāo)決策分析方法，能夠?qū)Q策者的經(jīng)驗(yàn)判斷給予量化，廣泛應(yīng)用于目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)情況下的分析與決策[4]。其主要思想是首先按照指標(biāo)間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系，將因子依不同層次聚集組合，形成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型；其次根據(jù)對(duì)礦山客觀現(xiàn)象的主觀判斷，就每一層因子的相對(duì)重要性給予量化描述；最后，利用數(shù)學(xué)方法，確定每一層次全部因子相對(duì)重要次序的數(shù)值[3]。

2.1評(píng)價(jià)因子分析與量化

2.1.1評(píng)價(jià)因子選取

登封市地質(zhì)災(zāi)害主要以滑坡和崩塌為主，影響其危險(xiǎn)性的因子有很多，根據(jù)形成的地質(zhì)環(huán)境條件、發(fā)育特征等方面分析，最后篩選出災(zāi)害點(diǎn)密度(x1)、巖土體類型(x2)、斷裂發(fā)育程度(x3)、地貌類型(x4)、坡度(x5)、降雨量(x6)、人類工程活動(dòng)(x7)等7個(gè)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子。

2.1.2構(gòu)造判斷矩陣

為了量化各判別因子的權(quán)重，判別因子之間需形成一個(gè)兩兩對(duì)比的矩陣，采用Saaty T.L提出的1～9比較標(biāo)度法(表1)來(lái)表示因子之間的影響強(qiáng)弱。通過(guò)相關(guān)工程的實(shí)際情況，確定各判別因子之間的相對(duì)重要性并賦與相應(yīng)的分值，最后得到所需的判斷矩陣(表2)。

2.1.3評(píng)價(jià)因子權(quán)重系數(shù)確定

采用層次分析法來(lái)確定本市地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

可分4個(gè)步驟：

表1　1～9標(biāo)度的意義表

表2　判斷矩陣U

第4步： 一致性檢驗(yàn)針對(duì)階數(shù)大于2階的矩陣，只有當(dāng)隨機(jī)一致性比值CR≤0.1時(shí)判讀矩陣才具有一致性。隨機(jī)一致性比值的計(jì)算公式如下：

其中，公式中λmax為矩陣最大特征值；n為矩陣階數(shù)；R.I為平均一致性指標(biāo)(根據(jù)階數(shù)n查表3可得)。當(dāng)CR<0.1，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，表明權(quán)重(表4)計(jì)算合理。

2.1.4評(píng)價(jià)因子分級(jí)賦值

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子的分級(jí)賦值是根據(jù)本市實(shí)際情況，依據(jù)專家系統(tǒng)法收集調(diào)查獲取的，賦值越高，表示該等級(jí)對(duì)本市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的貢獻(xiàn)率越大[4]。具體分級(jí)賦值見(jiàn)表5。

2.2評(píng)價(jià)的模型建立

登封市的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法主要采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)方法[5]，由綜合評(píng)價(jià)指數(shù)計(jì)算獲取，其計(jì)算公式為：

式中,W為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合指數(shù)；ai為因子權(quán)重；Fi為因子的賦值。

因此，可得出本區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型為：

W=0.19F1+0.18F2+0.12F3+0.13F4+0.12F5+0.11F6+0.15F7

表3　平均一致性指標(biāo)RI[5]

表4　評(píng)價(jià)因子權(quán)重值表

表5　地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)因子賦值表

3登封市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性綜合分區(qū)

3.1評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

斜坡單元是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的基本單元，并且在各類控制或影響因素中，河流和溝谷的發(fā)育階段對(duì)滑坡、崩塌的形成具有明顯的控制作用，且登封市的地質(zhì)災(zāi)害類型以崩塌、滑坡為主，因此本文采用基于幼年期溝谷劃分的斜坡單元作為評(píng)價(jià)單元，可以與地質(zhì)環(huán)境條件緊密聯(lián)系，綜合體現(xiàn)各類控制或影響因素的作用，使評(píng)價(jià)結(jié)果更貼近于實(shí)際[6]。本文借助GIS水文分析工具從1∶50 000的地形數(shù)據(jù)中提取劃分斜坡單元，根據(jù)登封市1∶50 000地形圖生成DEM，將幼年期溝谷中的三級(jí)支流坳溝、沖溝劃分為1 667個(gè)單元。

3.2危險(xiǎn)性綜合分區(qū)

在前述評(píng)價(jià)因子和評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐值幕A(chǔ)上，將各因子區(qū)特征屬性添加到單元網(wǎng)格中，使區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格帶有所有因子的特征屬性；利用Arcgis的統(tǒng)計(jì)和分析功能，提取每個(gè)評(píng)價(jià)單元的各項(xiàng)指標(biāo)值，對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行屬性疊加，利用公式(1)計(jì)算各評(píng)價(jià)單元的危險(xiǎn)性指標(biāo)值，根據(jù)指標(biāo)值突變點(diǎn)將區(qū)域劃分為低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)3個(gè)等級(jí)(圖2)。在定量分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查，進(jìn)一步勾繪出危險(xiǎn)程度分區(qū)圖(圖3、表6)。

圖2登封市評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐謭D

圖3　地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)圖

危險(xiǎn)性分區(qū)區(qū)亞區(qū)分布位置面積/km2分布特征高危險(xiǎn)區(qū)ⅢⅢ1君召鄉(xiāng)-石道鄉(xiāng)-大金店鎮(zhèn)-嵩陽(yáng)辦-少林辦-唐莊鄉(xiāng)(Ⅲ1)亞區(qū)149.49區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)38處,其中滑坡10處,泥石流8處,不穩(wěn)定斜坡12處,崩塌8處;該區(qū)域景區(qū)建設(shè)活動(dòng)強(qiáng)烈,流動(dòng)人口密度較大,分布有少林寺、初祖庵、塔林、少室闕、嵩陽(yáng)書(shū)院、會(huì)善寺等文物建筑單體和建筑群,人類工程活動(dòng)較強(qiáng)烈,景區(qū)建設(shè)、修路切坡等工程活動(dòng)較多,極易發(fā)生災(zāi)害,危害嚴(yán)重,潛在地質(zhì)災(zāi)害也發(fā)育,對(duì)古建筑群危害大Ⅲ2送表鄉(xiāng)-白坪鄉(xiāng)-徐莊鎮(zhèn)亞區(qū)224.99區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)84處,其中地面塌陷10處,滑坡18處,不穩(wěn)定斜坡11處,崩塌45處;該區(qū)人口密集,經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快;經(jīng)濟(jì)主要以礦業(yè)開(kāi)采為主,煤礦企業(yè)約有二十幾家,石料開(kāi)采隨處可見(jiàn),地貌景觀破壞強(qiáng)烈,因煤礦開(kāi)采形成的采空區(qū)逐年增大,形成采空區(qū)面積較大,地面出現(xiàn)塌陷,房屋出現(xiàn)裂縫,影響居民生活;G207兩側(cè)經(jīng)?？梢?jiàn)小型崩塌Ⅲ3告城鎮(zhèn)-大冶鎮(zhèn)-宣化鎮(zhèn)亞區(qū)130.37區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)41處,其中地面塌陷13處,滑坡7處,不穩(wěn)定斜坡4處,崩塌17處;該區(qū)分布有觀星臺(tái)古建筑,人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈,永登高速、臨白鐵路、省道237由此通過(guò),區(qū)內(nèi)大冶鎮(zhèn)、告城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)以礦業(yè)開(kāi)采為主,地質(zhì)地貌景觀破壞嚴(yán)重,地面塌陷、崩塌、滑坡較為發(fā)育,地質(zhì)災(zāi)害如果發(fā)生影響嚴(yán)重,影響居民生活、道路交通,同時(shí)這些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生直接或間接威脅著古建筑群的安全中危險(xiǎn)區(qū)ⅡⅡ1穎陽(yáng)鎮(zhèn)-君召鄉(xiāng)亞區(qū)140.29區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)9處,其中地面塌陷3處,滑坡2處,不穩(wěn)定斜坡1處,崩塌3處;該區(qū)域涉及地貌單元主要為低山、剝蝕丘陵區(qū)。黃土覆蓋丘陵區(qū)人口密集、公路和鐵路等人類活動(dòng)強(qiáng)烈,地表為Qp3黃土狀粉土、黃土狀粉質(zhì)粘土,下伏基巖,基巖風(fēng)化強(qiáng)烈,穩(wěn)定性較差,在外力作用下易于形成滑坡,如果發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,危害較大,危險(xiǎn)性較高;低山區(qū)上覆黃土狀粉質(zhì)粘土較薄,下伏基巖出露較淺,基巖產(chǎn)狀與坡體傾向一致,在外力作用下易于發(fā)生滑坡,但人口較少,危害性雖高,但危害較?、?唐莊鄉(xiāng)-盧店鎮(zhèn)-大冶鎮(zhèn)亞區(qū)152.52區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)39處,其中地面塌陷4處,滑坡12處,不穩(wěn)定斜坡3處,崩塌19處;該區(qū)人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈,鄭盧高速、237省道由此通過(guò),居民主要沿路而居,人口密集,地質(zhì)地貌景觀破壞嚴(yán)重,崩塌、滑坡較為發(fā)育,地質(zhì)災(zāi)害如果發(fā)生影響較嚴(yán)重,影響居民生活、道路交通低危險(xiǎn)區(qū)ⅠⅠ1君召鄉(xiāng)、石道鄉(xiāng)、大金店鎮(zhèn)、東華鎮(zhèn)、中岳辦、告城鎮(zhèn)420.38區(qū)內(nèi)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)78處,其中地面塌陷7處,滑坡14處,不穩(wěn)定斜坡11處,崩塌43處;中西部地勢(shì)相對(duì)平坦,起伏較小,地表為黃土覆蓋,人口密度大,交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá),鄭盧高速由此通過(guò),局部有切坡建房修路造成邊坡失穩(wěn),該區(qū)分布有中岳廟、啟母闕、太室闕古建筑群,如發(fā)生災(zāi)害對(duì)古建筑群發(fā)生威脅;北部山區(qū)氣候濕潤(rùn),植被覆蓋率較高,大部分基巖出露,主要以農(nóng)田耕作為主,人類工程活動(dòng)微弱,但人口稀少,居住分散,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生造成的危害較小

4結(jié)論

(1) 層次分析法對(duì)影響登封市危險(xiǎn)性的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行定量化分析，同時(shí)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，調(diào)整了評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并重新分配了指標(biāo)權(quán)重[2]，然后將數(shù)據(jù)代入典型災(zāi)害評(píng)價(jià)模型，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符。研究表明，基于層次分析法所建立的評(píng)價(jià)模型能較好地應(yīng)用于登封市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，該評(píng)價(jià)方法是實(shí)用和有效的。

(2) 從地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模上看，南北中低山區(qū)、東部采礦區(qū)以及中部沖溝兩側(cè)地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模較大，以滑坡、崩塌、地面塌陷為主，這些地質(zhì)災(zāi)害給當(dāng)?shù)鼐用裨斐芍苯咏?jīng)濟(jì)損失約27 011萬(wàn)元。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅猛發(fā)展，人類工程活動(dòng)不斷增強(qiáng)，無(wú)論是在深度上還是在廣度上都將日益加劇，對(duì)自然環(huán)境的破壞也相應(yīng)日趨嚴(yán)重，從而誘發(fā)許多危害極嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。

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AHP-BASED ASSESSMENT OF GEOLOGICAL HAZARDS RISK IN DENGFENG CITY

DING Li,LI Zai-xing,LI Xue-wen,ZHANG Rui-xiang

(Mapping and Geoinformation of Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Zhengzhou450006,China)

Abstract:On the basis of the geological environment and development characteristics in a county,seven indicators for evaluating the geological disaster fatalness around the county,density,rock soil mass type,fault developmental degree,geomorphic type,gradient,rainfall and engineering activities are selected.Using the analysis hierarchy process to ascertain the weight of index,and adopting the export system to mark for the indicators,and then,the eveluation model for the geological disaster fatalness along the city is put forward.At last,the area is divided into three risk regions:the most risk region,the medium risk region,and low risk region based on Arcgis spatial analysis,and the results of the study provide some certain referential significance for similar areas.

Key words：AHP;geological disaster;division of disaster fatalness;evaluation of geological disaster fatalness

文章編號(hào)：1006-4362(2016)02-0092-05

收稿日期：2015-12-15改回日期：2016-02-23

基金項(xiàng)目：河南省2013年度1∶5萬(wàn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目(執(zhí)行項(xiàng)目編號(hào)：19)

中圖分類號(hào)：X43;X141

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：丁麗(1984-)，女，甘肅白銀人，漢族，碩士，河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局測(cè)繪地理信息院工程師，從事環(huán)境地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害防治方面的研究。E-mail:83381975@qq.com