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(xué) a.自然資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室 b.資源與環(huán)境工程學(xué)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(zāi)害類型，在各類地質(zhì)災(zāi)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(dá)30～50億元，滑坡災(zāi)害具有分布范圍廣、發(fā)生頻率高、破壞程度強及災(zāi)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(zāi)害最嚴(yán)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]?；挛ｋU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(jìn)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(xué)者采用此方法進(jìn)行評價研究[3-7]。

通過筆者所在的團隊對開陽縣地質(zhì)災(zāi)害隱患進(jìn)行的專業(yè)排查，確定目前開陽縣共有地質(zhì)災(zāi)害隱患點141處，其中滑坡97處，占地質(zhì)災(zāi)害隱患點總數(shù)的69%。論文以開陽縣滑坡災(zāi)害為研究對象，根據(jù)開陽縣滑坡災(zāi)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(zāi)害點進(jìn)行統(tǒng)計分析，綜合考慮選取多項因子，建立滑坡災(zāi)害危險性評價體系，從而為當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)災(zāi)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(zāi)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(biāo)體系建立

2.1 評價單元的確定

區(qū)域性的滑坡災(zāi)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(biāo)圖層?xùn)鸥窕?/p>

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(dāng)?shù)氐膶嶋H情況考慮不同的影響因素進(jìn)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(biāo)，并綜合滑坡地質(zhì)災(zāi)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(jìn)行等級劃分，從而建立滑坡災(zāi)害危險性評價指標(biāo)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(biāo)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(zāi)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(fēng)化能力較低的巖土類型易發(fā)生滑坡災(zāi)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(dāng)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(jìn)行分級指標(biāo)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(zāi)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(jìn)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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(zāi)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(jìn)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(jìn)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(zāi)害調(diào)查實際結(jié)果進(jìn)行綜合分析，對這四種地貌類型按對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生影響大小進(jìn)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(jìn)行分級指標(biāo)量化。

表1 開陽縣滑坡危險性評價指標(biāo)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(biāo)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(guān)系來確定所有影響因子兩兩比較關(guān)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(biāo)分級的評價方法[4]。針對開陽縣滑坡災(zāi)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(jìn)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(jìn)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(biāo)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(guān)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(jìn)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(biāo)度進(jìn)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(jìn)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(biāo)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(jìn)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(biāo)層的合成權(quán)重，它是指每一個判斷矩陣各因素針對目標(biāo)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(biāo)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(chǔ)上，對各個評價因子進(jìn)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(yīng)用的危險性評價成果。根據(jù)開陽縣滑坡災(zāi)害危險性的各類評價因子的疊加結(jié)果，進(jìn)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(zāi)害比例為72.16%，滑坡災(zāi)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(zāi)害的分布規(guī)律，選取了一些影響滑坡災(zāi)害發(fā)生的因子，并通過層次分析法與GIS平臺，進(jìn)行了開陽縣滑坡災(zāi)害危險性評價，從而得到了以下幾點認(rèn)識:

(1)在較大區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)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。