北京市門頭溝區(qū)地質災害危險性評價研究

冉淑紅，趙 越

（北京市地質研究所，北京 100120）

0 引言

隨著首都經濟結構和城市功能定位的戰(zhàn)略性調整，門頭溝區(qū)被定為“生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)”。但長期以來，門頭溝作為北京重要的能源基地，一直以煤炭、沙石和石灰等資源開采業(yè)為主導產業(yè)，區(qū)域內生態(tài)環(huán)境受到破壞，門頭溝區(qū)地質構造和巖性組合又較為復雜，降水時空分布不均勻，導致地質災害頻發(fā)，是北京地質災害較為發(fā)育的地區(qū)。區(qū)內地質災害的種類多、分布廣，且每年都有發(fā)生。本文以門頭溝區(qū)為研究對象，采用“層次分析綜合指數法”，對該區(qū)存在的崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡、泥石流、地面塌陷5種災害分別建立評價指標，進行易發(fā)性綜合評價，開展易發(fā)程度分區(qū)研究，為政府做好防災減災工作提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

門頭溝區(qū)位于北京西部，面積1455km2，98.5%為山區(qū)，區(qū)內海拔1000m以上的山峰有160多座，地勢西北高，東南低；有13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)，常住人口約29.4萬；屬中緯度大陸性季風氣候，是暖溫帶與中溫帶、半干旱與半濕潤的過渡地帶，平均氣溫東部平原11.7℃；年平均降水量約576.02mm，降水主要集中在7、8、9月份，占年降水量的70%～80%。

區(qū)內交通發(fā)達，共有干線公路8條，其中109國道橫貫東西，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有柏油路相通，自然村之間有大車路相連；地貌類型屬山地地貌,平原地貌僅限永定河階地及漫灘；地層出露較全，從中元古界薊縣系起，大多數時代地層均有出露，尤以中生界侏羅系最為發(fā)育；褶皺構造發(fā)育，是北京地區(qū)中生代向斜構造相對集中的地區(qū)，北東向褶皺規(guī)模最大；斷裂以北東向、北北東向為主，大斷裂有沿河城斷裂，一般斷裂有張家莊斷裂、大地—四臺子斷裂等；巖體組有噴出巖巖性組、侵入巖巖性組、碳酸鹽巖性組、碎屑巖巖性組4類，土體主要分為卵、礫類土和粘性土；東部平原地區(qū)以第四系孔隙水為主，西部山區(qū)為巖溶裂隙水、碎屑巖裂隙水、火山巖裂隙水。

區(qū)內人類工程活動主要有礦山開采和工程建設，礦山開采造成了巖石祼露，形成陡峭的巖質邊坡，易導致崩塌等地質災害的發(fā)生，目前區(qū)內國有煤礦已基本關閉；工程建設主要有景區(qū)內村莊房屋翻建、景區(qū)服務設施及景點的開發(fā)建設等，這些工程建設經常進行土石方開挖和削坡施工，破壞了原有的地形、地貌及植被，坡體穩(wěn)定性大大降低，易形成不穩(wěn)定斜坡，誘發(fā)崩塌災害。

截至2014年3月，全區(qū)已發(fā)現地質災害隱患共644處，其中崩塌473處，不穩(wěn)定斜坡81處，滑坡3處，泥石流42處，地面塌陷45處。涉及區(qū)內99個行政村、13處旅游景區(qū)、5所學校及多條主要道路，威脅村民2241戶，5668人。災害隱患點對經濟、社會的可持續(xù)發(fā)展構成了潛在的威脅。門頭溝區(qū)災害發(fā)育，災種全，開展地質災害易發(fā)程度分區(qū)研究，從區(qū)域上預測、預防地質災害，對做好減災防災工作，保護國家人民的生命財產安全，維護首都形象，實現北京市總體戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃具有重要意義。

2 研究方法與評價原則

（1）研究方法

本文主要采用“層次分析綜合指數法”，該方法是先將各類地質災害易發(fā)程度評價因子的屬性量化，再利用層次分析法計算評價因子權重，將能表明評價因子屬性和權重的計算單元網格通過模型計算出易發(fā)程度指數，通過得出的易發(fā)程度指數計算值，進行累積頻度統計，劃定不同易發(fā)分區(qū)的界限并劃定易發(fā)區(qū)范圍。考慮到門頭溝區(qū)各災種評價因子的特點，本次研究將崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡作為斜坡類災害進行易發(fā)程度評價，泥石流和地面塌陷災害單獨進行易發(fā)程度評價，將各類地質災害易發(fā)程度評價結果進行疊加分析后，得出門頭溝區(qū)地質災害綜合易發(fā)區(qū)結果。

（2）評價原則

本次研究以定性評價為主，定量評價為輔，對不同災種選用不同的評價因子及權重進行評價，同一區(qū)域不同災種的地質災害易發(fā)程度不同時，按照就高不就低的原則。

3 地質災害易發(fā)程度分區(qū)評價

3.1 數學模型

各災種易發(fā)程度指數模型如下：

式中：Z為易發(fā)程度評價指數，Xi為各評價因子的量化值，iR 為各評價因子的權重。

3.2 計算單元劃分

結合門頭溝區(qū)地質災害的特點，運用柵格數據處理方法對研究區(qū)進行剖分，每個單元面積為500m×500m，將門頭溝區(qū)1455km2的行政區(qū)域剖分成6096個單元網格。

3.3 評價指標的選取及量化

影響地質災害發(fā)育分布的因素很多，不同地質災害類型的影響因素也各不相同，根據分區(qū)評價原則，選擇巖土體類型、地質構造、地形坡度、植被覆蓋率、降水量、人類工程活動及地質災害發(fā)育密度等7個因素作為斜坡類災害及泥石流災害易發(fā)程度的評價因子；選擇采空區(qū)發(fā)育程度、煤礦開采強度、含煤地層條件、降水量及地面塌陷災害發(fā)育密度等5個因素作為地面塌陷災害易發(fā)程度的評價因子。這些因子分別對各類地質災害發(fā)育起主導作用，在較大程度上控制了災害的分布、發(fā)育特征。將這些因子按照一定的標準量化，進行分級賦值，為地質災害易發(fā)程度指數運算提供數據（表1）。

表1 評價指標及賦值

3.4 評價指標權重的確定

指標權重的確定采用層次分析法，基本過程為：首先將復雜問題分解成遞階層次結構，然后將下一層次的各因素相對于上一層次的各因素請有經驗的專家進行兩兩比較判斷，構造判斷矩陣，通過對判斷矩陣的計算，進行層次單排序和一致性檢驗，最后進行層次總排序，得到各因素的組合權重，并通過排序結果分析和解決問題。

（1）建立遞階層次結構

本評價指標分為兩個層次，第一層為目標層，即地質災害易發(fā)程度。第二層為方案層，不同災種方案層的評價因子也各不相同，斜坡類災害和泥石流災害第二層有7個因子（圖1），地面塌陷災害第二層有5個因子（圖2）。

圖1 斜坡類、泥石流災害易發(fā)程度分區(qū)評價指標體系

圖2 地面塌陷災害易發(fā)程度分區(qū)評價指標體系

（2）構造判斷矩陣

對于遞階層次結構中各層上的元素可以依次相對于與之有關的上一層元素，進行兩兩比較，從而建立一系列的判斷矩陣。判斷矩陣A＝(aij)n×n具有下述性質：

其中，aij(i，j＝1，2，…，n)代表元素xi與xj相對于其上一層元素重要性的比例標度。判斷矩陣的值反映了人們對各因素相對重要性的認識，一般采用1～9比例標度對重要性程度賦值。標度及其含義如表2所示。

表2 判斷矩陣標度及含義

指標重要性的比較通過讓有經驗的多名專家進行打分獲得，通過計算各專家打分平均值，得出打分結果如下（表3、4、5）：

通過表3～5,分別得到斜坡類災害的判斷矩陣：

表3 斜坡類災害評價指標重要性比較表

表4 泥石流災害評價指標重要性比較表

表5 地面塌陷災害評價指標重要性比較表

泥石流災害的判斷矩陣：地面塌陷災害的判斷矩陣：

（3）計算各災種評價因子權重并進行一致性檢驗

設斜坡類災害判斷矩陣1A 的最大特征根為λmax，其相應的特征向量為W，則1A W=λmaxW，經解算判斷矩陣1A 的最大特征根λmax為7。由于客觀事物的復雜性以及人們對事物認識的模糊性和多樣性，所給出的判斷矩陣不可能完全保持一致，有必要進行一致性檢驗，計算一致性指標CI。計算公式為：

其中，n為判斷矩陣階數。若隨機一致性比率CR＝CI/RI＜0.10，則判斷矩陣具有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣的元素取值。隨機一致性指標RI取值見表6。

表6 隨機一致性指標RI取值表

R=CI/RI=0/1.32=0<0.10，所以判斷矩陣具有滿意的一致性。λmax所對應的特征向量W經歸一化后，得出斜坡類災害評價因子的權重向量分別為（0.2，0.1，0.1，0.1，0.2，0.05，0.25），對應的評價因子為地形坡度、巖土體類型、地質構造、降水量、人類工程活動、植被覆蓋度、災害密度。

同理，依次計算A2，A3的特征根及特征向量。

各災種評價因子權重計算結果見表7、8、9。

表7 斜坡類災害易發(fā)程度劃分評價因子及權重一覽表

表8 泥石流災害易發(fā)程度劃分評價因子及權重一覽表

表9 地面塌陷災害易發(fā)程度劃分評價因子及權重一覽表

3.5 地質災害易發(fā)區(qū)劃分

（1）單災種地質災害易發(fā)程度分區(qū)

依據地質災害評價原則及評價方法，參考表10進行單災種地質災害易發(fā)程度分區(qū)，劃定單類地質災害高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)，并采用定性的方法對評價結果進行修正。本次研究將平原區(qū)定為不易發(fā)區(qū)。

表10 地質災害易發(fā)區(qū)劃分依據

根據計算結果，分別劃分了斜坡類災害（崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡）、泥石流、采空塌陷高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、不易發(fā)區(qū)。

（2）地質災害易發(fā)程度綜合分區(qū)

根據斜坡類地質災害、泥石流災害及地面塌陷災害易發(fā)程度分區(qū)結果，參考“就高不就低”原則對各類地質災害易發(fā)程度分區(qū)結果進行疊加分析，得出門頭溝區(qū)地質災害綜合易發(fā)程度分區(qū)結果。見圖1。

圖1 門頭溝區(qū)地質災害易發(fā)程度綜合分區(qū)圖

4 結論

（1）通過專家打分，兩兩比較影響因子對災害地質危險的影響程度，采用矩陣計算各個評價因子權重，結果表明地形坡度和人類工程活動等因子對斜坡類災害影響較大，地形坡度、巖土體類型和降水量等因子對泥石流災害影響較大，采空區(qū)發(fā)育程度對地面塌陷災害影響較大。

（2）本次工作將門頭溝區(qū)劃分為地質災害高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)及不易區(qū)4種級別。其中高易發(fā)區(qū)3個，總面積約237.2km2，占門頭溝全區(qū)面積的16.3%，災害點數量共計229處，主要分布在軍莊鎮(zhèn)西北、龍泉鎮(zhèn)、王平鎮(zhèn)南部、潭柘鎮(zhèn)北部、大臺街道、齋堂鎮(zhèn)西南及東南、清水鎮(zhèn)東南；中易發(fā)區(qū)5個，總面積約519.2km2，占門頭溝全區(qū)面積的35.7%，災害點數量共計366處，各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布；低易發(fā)區(qū)5個，總面積約672.1km2，占門頭溝全區(qū)面積的46.2%，災害點數量共計49處，各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布；不易發(fā)區(qū)1個，面積約26.4km2，占全區(qū)總面積的1.8%，分布在永定鎮(zhèn)東部。

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