基于層次分析法的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價應(yīng)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(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東地礦局有色金屬礦找礦與資源評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 日照 276800；2.蒙陰縣自然資源和規(guī)劃局，山東 蒙陰 276200)

0 引言

近年來，隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，地質(zhì)災(zāi)害制約了日照市經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全。每年全市地質(zhì)災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)1.5億元左右[1]。本文采用層次分析法，對日照市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行定量化評價和分區(qū)，開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價，定期對高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)開展隱患排查和監(jiān)測預(yù)警，能極大減少各類事故災(zāi)難。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)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(diǎn)為五蓮縣境內(nèi)的馬耳山，海拔為+707.6m，最低點(diǎn)為東港區(qū)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(zhì)災(zāi)害主要發(fā)育在低山地貌區(qū)和丘陵地貌區(qū)，分布在研究區(qū)的中部以及西北部地區(qū)。地裂縫及采空塌陷多發(fā)育在山間平原地貌區(qū)，大多分布在研究區(qū)西部地區(qū)和東部沿海地帶。

1.2 氣象水文

研究區(qū)位于暖溫帶濕潤季風(fēng)大陸性氣候區(qū)，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(qū)地表水體較發(fā)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(jié)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(nèi)陸減少，一定程度上影響了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律。

1.3 地層

研究區(qū)隸屬華北地層大區(qū)，晉冀魯豫地層區(qū)，橫跨魯東地層分區(qū)和魯西地層分區(qū)2個分區(qū)，地層發(fā)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(fā)育較為完整、齊全，出露面積占42%。太古代的古老變質(zhì)巖在莒縣西部、西北部地區(qū)零星分布；古元古代的變質(zhì)巖出露在五蓮縣城北部區(qū)域，在市區(qū)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(nèi)；南部平原地區(qū)、諸河系階地、濱海洼地為第四紀(jì)全新統(tǒng)及零星更新統(tǒng)覆蓋。

1.4 構(gòu)造

研究區(qū)位于華北板塊和揚(yáng)子板塊結(jié)合帶的東部，地跨華北板塊和蘇魯造山帶2個Ⅰ級大地構(gòu)造單元，分別屬于魯西隆起區(qū)、膠遼隆起區(qū)和膠南-威海隆起區(qū)3個Ⅱ級大地構(gòu)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(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。晚更新世以來活動斷裂主要集中在沂沭斷裂帶內(nèi)，沿安丘-莒縣斷裂和昌邑-大店斷裂分布。安丘-莒縣斷裂在區(qū)內(nèi)出露規(guī)模為72.6km2，走向NNE，傾向SEE，傾角50°～70°；昌邑-大店斷裂在區(qū)內(nèi)出露規(guī)模為72.5km2，走向NNE，傾向NWW，傾角70°～85°。

1.5 巖漿巖

日照市境內(nèi)形成了較大規(guī)模的侵入巖體，主要分布在膠南隆起區(qū)內(nèi)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(fā)育。

1.6 人類活動

研究區(qū)內(nèi)人類工程活動主要為礦產(chǎn)資源開采、線性工程和民用建筑開挖等。礦產(chǎn)資源開采包括露天開采及地下開采，露天開采易引發(fā)崩塌地質(zhì)災(zāi)害，地下開采能引發(fā)采空塌陷及伴生地裂縫災(zāi)害，這種人類活動主要集中在礦產(chǎn)資源分布區(qū)。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(fā)崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。在山區(qū)或者山前平原地帶修建民用建筑，人為造成坡體穩(wěn)定性破壞，如遇不合理的開挖、堆砌等活動，可能引發(fā)崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[3]。

2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征和分布

日照市加大地質(zhì)災(zāi)害排查和治理力度，截至2017年底，已治理或正在治理的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)14處，其中崩塌11處，滑坡3處；存在責(zé)任主體的災(zāi)害點(diǎn)8處，其中崩塌4處，滑坡4處；原調(diào)查(2011年)中不正確的災(zāi)害點(diǎn)為泥石流1處；處于生產(chǎn)礦山內(nèi)、責(zé)任主體明確并且山體已開采完畢、隱患已消除的災(zāi)害點(diǎn)為崩塌1處。目前，日照市地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(隱患點(diǎn))90處，其中崩塌55處，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)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(zāi)害點(diǎn)(隱患點(diǎn))多以小型為主，其中小型地質(zhì)災(zāi)害89處，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的98.89%，大型地質(zhì)災(zāi)害1處，占比1.11%(表1)。

表1 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(隱患點(diǎn))分級統(tǒng)計(jì)

日照市災(zāi)害點(diǎn)(隱患點(diǎn))分布不均勻，研究區(qū)內(nèi)崩塌滑坡泥石流多在山區(qū)發(fā)育，如五蓮縣中部、南部山區(qū)；莒縣南部、東部山區(qū)；東港區(qū)西部山區(qū)；嵐山區(qū)中部山區(qū)。地裂縫地質(zhì)災(zāi)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(chǎn)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(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀分布圖

3 層次分析法及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

3.1 層次分析法基本原理

目前對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價的方法較多[4]，本文采用層次分析法對研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價分析。層次分析法(簡稱AHP)是一種多目標(biāo)評價決策的方法，基本原理是:根據(jù)問題的性質(zhì)和要達(dá)到的總目標(biāo)，按照因素間的相互關(guān)聯(lián)、影響以及隸屬關(guān)系，將因素按不同層次聚集組合，將評價系統(tǒng)的各種要素分解成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層等層次,形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型[5-7]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性和定量分析[8]。通過對指標(biāo)層各評價因子的兩兩比較，采用1～9標(biāo)度法[9]構(gòu)造判斷矩陣[10]，綜合確定各評價因子之間的權(quán)重[11]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)性、實(shí)用性和簡潔性(表2)。

3.2 選取評價因子

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價受多種條件因素的影響和制約，依據(jù)調(diào)查現(xiàn)狀以及研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害成因及分布特征，選取地貌、構(gòu)造、地層、巖漿巖、降水量和人類工程活動強(qiáng)度6種評價因子進(jìn)行日照市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價。

表2 1～9標(biāo)度的含義

(1)地貌。地形地貌是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要影響條件，研究區(qū)內(nèi)中低山丘陵區(qū)面積占63.97%，由于其地勢相對較高、落差較大、溝谷發(fā)育、切割深度大，是崩塌、滑坡、泥石流突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)(圖2)。可以看出，日照市崩滑流地質(zhì)災(zāi)害數(shù)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(qū)內(nèi)平原地貌區(qū)面積約占36.03%，由于脹縮土及斷裂的存在，地裂縫發(fā)育(圖3)。

圖2 地貌與崩滑流地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系

圖3 地貌與塌陷、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系

(2)構(gòu)造。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與地質(zhì)災(zāi)害形成發(fā)育程度密切相關(guān)[12-13]。研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)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(nèi)，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(zhì)災(zāi)害的種類、機(jī)率和形成規(guī)模不同。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要分布在中生代白堊紀(jì)萊陽群、青山群、大盛群和第四紀(jì)的地層中，在大盛群、青山群和萊陽群中，日照市災(zāi)害數(shù)量和災(zāi)害密度呈現(xiàn)分布正相關(guān)(圖4)。

圖4 地層與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系

(4)巖漿巖。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與巖漿巖有內(nèi)在聯(lián)系。日照市地質(zhì)災(zāi)害主要分布在白堊紀(jì)、三疊紀(jì)和南華紀(jì)的侵入巖中，研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害集中分布在白堊紀(jì)嶗山序列、埠柳序列，南華紀(jì)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(zāi)害數(shù)量與災(zāi)害密度呈現(xiàn)正相關(guān)(圖5)。

圖5 巖漿巖與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系

(5)降水量。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降水強(qiáng)度大小和年內(nèi)分配均勻程度息息相關(guān)。降水產(chǎn)生的地表徑流在進(jìn)入地下的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化過程中對巖土體的穩(wěn)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(gòu)造面強(qiáng)度降低，凝聚力減少[14-15]，崩滑流地質(zhì)災(zāi)害在暴雨發(fā)育區(qū)或者年平均降雨量高區(qū)較發(fā)育，主要分布在平均降水量大于800mm的區(qū)域，分布差異性顯著，災(zāi)害數(shù)量和災(zāi)害密度呈現(xiàn)正相關(guān)分布(圖6)。

圖6 降水量與崩滑流地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系

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

3.3 建立層次結(jié)構(gòu)模型

將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價、考慮的因素及指標(biāo)因子分為3個層次[16-18]，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型(圖7)。其中，最高層及目標(biāo)層，即地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價(U)，這是該次工作的總目標(biāo)。準(zhǔn)則層是(Ui)包括地形地貌、地質(zhì)、氣候和人類工程活動因素；指標(biāo)層(Uij)為地貌、構(gòu)造、地層、巖漿巖、降水量和人類工程活動強(qiáng)度。

圖7 日照市地質(zhì)災(zāi)害AHP層次模型示意圖

3.4 構(gòu)造判斷矩陣

依據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型，基于6個地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價因子，在考慮實(shí)地情況基礎(chǔ)上，采用層次分析方法，對評價因子及其類型分別進(jìn)行判斷矩陣構(gòu)建、權(quán)重計(jì)算以及一致性檢驗(yàn)。判斷矩陣的結(jié)果可以通過隨機(jī)一致性比率來衡量，它是判斷矩陣的一致性與平均隨機(jī)一致性的綜合指標(biāo)，計(jì)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(biāo);λmax—最大特征值;N為判斷矩陣的階數(shù);RI—判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(表3)[19]。當(dāng)CR<0.1時，則認(rèn)為判斷矩陣一致性較好。

表3 層次分析法的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

本文采用Excel計(jì)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(jì)算結(jié)果顯示，6個因子及其類型經(jīng)一致性檢驗(yàn)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(yàn)，各評價因子及因子類型判斷矩陣、權(quán)重、CR如表4所示。

表4 評價因子AHP判斷矩陣、權(quán)重、CR及λmax

4 易發(fā)性分區(qū)

根據(jù)各單元的地形地貌、地質(zhì)、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(jìn)行了網(wǎng)格剖分。用加權(quán)疊加計(jì)算層次分析法確定的權(quán)重，劃定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。即：高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)(圖8)。

1—崩塌；2—滑坡；3—泥石流；4—塌陷；5—地裂縫；6—高易發(fā)區(qū)；7—中易發(fā)區(qū)；8—低易發(fā)區(qū)圖8 日照市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分

高易發(fā)區(qū)分布于五蓮縣于里、汪湖兩鎮(zhèn)，莒縣北部東莞鎮(zhèn)、南部中樓鎮(zhèn)、東部嶠山鎮(zhèn)，東港區(qū)三莊鎮(zhèn)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(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，約占總數(shù)量的32.22%。其中發(fā)育地裂縫18處，崩塌8處，滑坡1處，泥石流2處。

中易發(fā)區(qū)主要分布于東港區(qū)三莊鎮(zhèn)大部、南湖鎮(zhèn)北部，五蓮縣石場鄉(xiāng)西南部和北部、洪凝鎮(zhèn)東部和西南部，松柏鎮(zhèn)、街頭鎮(zhèn)西部和東北部，戶部鄉(xiāng)西部以及嵐山區(qū)虎山鎮(zhèn)等地區(qū)，面積約為702.51km2，約占全市面積的13.32%，共分布有33處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，約占總數(shù)量的36.67%。其中發(fā)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(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)以外的其他區(qū)域?yàn)榈鸵装l(fā)區(qū)，面積4368.80km2，約占全市面積的84.53%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)28處，其中崩塌23處，采空塌陷3處，泥石流2處，易發(fā)程度均較低。

5 結(jié)論

(1)對研究區(qū)范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了分區(qū)評價，根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度，將研究區(qū)劃分為3個等級：地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)和地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)。

(2)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果表明，地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)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(qū)域和低山、丘陵地貌區(qū)以及礦產(chǎn)資源開采引發(fā)的采空塌陷等地，此區(qū)域需重點(diǎn)防治。

(3)本文在深入分析研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害背景和成災(zāi)機(jī)理的基礎(chǔ)上，選取地貌、構(gòu)造、地層、巖漿巖、降水量及人類工程活動強(qiáng)度6個地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價影響因子，采用層次分析法，將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價過程層次化、定量化，從一個新的角度對日照市地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行定量化評價和分區(qū)，分區(qū)結(jié)果較客觀地反映實(shí)際情況。