基于GIS和層次分析法的清原縣地質災害易發性評價

朱 霞，張 戈,3，顏秉英，張旭升

1.遼寧師范大學，遼寧 大連 116029；2.遼寧省水文地質工程地質勘察院，遼寧 大連 116037；3.黑龍江科技大學，黑龍江 哈爾濱 150001

地質災害是在自然或人為因素影響下，區域發生一系列對人類生活環境造成破壞、對社會經濟產生阻礙、對生命構成威脅甚至死亡的災害性地質現象[1-2]。根據全國地質災害通報(2018)顯示，2018 年全國共發生地質災害 2 966起，其中1 631起為滑坡、858起為崩塌、339起為泥石流，分別占地質災害總數的55.0%、28.9%、11.4%，可見這三種地質災害不容小覷。眾多學者從不同方面對地質災害進行研究，主要從敏感性評價[3-4]、易發性評價[5]、危險性評價[6-7]、影響因子評價[8-9]等方面進行研究分析，取得成果頗豐。他們統計分析不同因子的空間分布規律，大多采用聚類分析、最大似然法、邏輯回歸、判別分析、層次分析法、支持向量機及其它物理方法對地質災害進行易發性評價[10-13]。Bathrellos[14]利用層次分析法及GIS 通過不確定性進行分析，生成滑坡、洪水、地震的危險性評價圖，這對城市的發展至關重要；余豐華等[15]對浙江沿海突發性地質災害的9大影響因子進行敏感性計算，應用主成分分析法對區域地質災害進行脆弱性分級和易發區區劃。王佳佳等[16]以三峽庫區萬州區為例，基于GIS和信息量法評價了滑坡災害易發性，為縣域滑坡災害的研究提供了借鑒。王哲等[17]主要研究了層次分析法應用在地質災害易發性評價的詳細過程，并將該方法實用于綿陽市，最終驗證該方法與實際易發性分析基本符合，具有準確性及可行性，這為層次分析法評價地質災害易發區提供了實例依據。通過建立地質災害易發性區劃的機制可以區劃出恰當的地質災害發生區域，以便了解區域地質災害發生的可能性大小并有效及時地進行指導和避災。

有資料記載以來清原縣共發生地質災害101處，主要地質災害類型有崩塌、滑坡、泥石流，大多以較小規模發生。目前地質災害研究大多以市為區域界線，這在一定程度上忽視了縣域地質災害詳細評價，基于野外實際地質調查，選取一定的災害點和影響因子對清原縣主要地質災害進行易發性評價及分區，以期為當地人民規避地質災害危險提供借鑒。

1 研究區概況

清原縣位于遼寧東北部，隸屬于撫順市，地理位置在東經124°20′06″～125°28′58″，北緯41°47′52″～42°28′25″之間，總面積3 932.96 km2，轄9個鎮、5個鄉(圖1)，188個行政村，總人口約34余萬人。清原縣地處中溫帶濕潤區，屬半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，氣候溫和，雨熱同季，日照充足，寒冷期長，溫差大，年均氣溫5.3℃，降雨多集中在6—9月(汛期)，平均降雨量484.82 mm，占年降雨量的64.3%。主要地貌為低山丘陵，北、西、南三面為群山峻嶺，中東部為渾河谷地，大致可劃分為：侵蝕隆起中低山、侵蝕隆起低山、侵蝕低山丘陵、玄武巖熔巖臺地及山間沖洪積谷地。出露地層主要有太古宙鞍山群變質上殼巖景家溝巖組、石棚子巖組、紅透山巖組、通什村巖組；下元古界、中元古界長城系、薊縣系；中生界侏羅系、白堊系，新生界古近系、新近系及第四系地層[18]。水系主要有渾河水系、包含柴河和清河的遼河水系、柳河所在的松花江水系，全區大小河流共計103條，主要用于灌溉農田。清原縣森林廣布，覆蓋率高，林地占植被面積總量的71%，已發現野生中藥材560余種，具有珍貴的藥用價值。

圖1 研究區地理位置示意圖

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

主要依托遼寧省水文地質工程地質勘察院關于清原縣地質災害詳細調查項目，災害點數據來源于清原縣地質災害詳細調查項目的實際考察，利用GPS工具對災害點進行精確的經緯度及海拔定位。DEM數據為30 m分辨率的柵格數據，來源于地理空間數據(http://www.gscloud.cn/)SRTM數據集，通過GIS提取出坡度、地形起伏度及水系3個因子；年均降水數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)，在GIS中對獲得的離散降水量數據進行克里金插值分析，得出該地區多年平均降雨量柵格數據；斷裂帶和地層巖性數據來源于遼寧省水文地質工程地質勘察院提供的1∶5萬地質災害詳細調查區域工程地質條件圖；其他數據包括行政區劃圖，道路交通分布圖等;資料搜集來源于2013年至2018年地質災害巡查工作報告，清原縣志等。

2.2 評價單元和因子選取

目前，常用評價單元有柵格單元、斜坡單元、地貌單元、地形單元、行政單元等[23]，不同的評價單元與不同的比例尺和數據精度的滑坡災害評價相匹配。清原縣面積較小，選擇與它相匹配的柵格單元作為地質災害空間預測的評價單元，優勢在于方便獲取和處理各類影響因素的數據，并且對于較大量空間數據的疊加運算時速度較快。

地質災害的發生主要取決于內在因素和外在因素的共同作用；內在因素是指地質災害能不能發生的控制性因素，主要包括地質構造、地層巖性及地形地貌等；外在因素是指地質災害會不會發生的具有誘發性的因素，主要包括地震、降水及人類工程活動等[24]。在資料搜集數據和實際考察成果的基礎上，利用GIS分析研究區地形地貌、水文地質等控制性因素和降水、地震及人類工程活動等誘發性因素，建立該研究區域滑坡災害易發性評價指標體系。基于資料搜集所得數據及實地勘察結果，對已有歷史資料進行仔細分析，最終選取坡度、地形起伏度、地質構造、巖體類型、距河流距離、土地利用類型、年均降水量、人類工程活動8個影響因子。

(1)坡度指標

坡度是地質災害發生的主要因素之一，地質災害極易在重力因素誘導下發生，它與巖性、土層、氣候和水文等條件密切相關。坡度在一定條件下代表著斜坡的穩定性，隨著坡度的增加，山坡剪切力增大，發生滑坡的概率也隨之增大；但并不是坡度越高，滑坡的概率就越大，實際上滑坡的發生在一定的坡度范圍內[19]。基于DEM數據利用GIS提取坡度信息，將其劃分為0～15°、15～25°、25～35°、>35°(圖2a)。

(2)地形起伏度指標

地形起伏度是指研究區最大高程與最小高程之差。基于DEM數據，運用GIS中的領域統計工具分別得出最大和最小高程值，繼而在柵格計算器中做差得出該研究區的地形起伏度，自然斷點法將其劃分為0～44 m、44～74 m、74～101 m、101～132 m、132～268 m(圖2b)。

(3)地質構造指標

研究區地質構造背景復雜，郯廬斷裂北延之一的巖石圈斷裂渾河斷裂呈NE向貫穿全區，成為不同構造單元的分界線。主要劃分為清河斷裂、渾河斷裂和平嶺后斷裂構造系列。距構造距離遠近不同，不同區域受到的影響必然不同，將距地質構造距離劃分為<1 000 m、1 000～2 000 m、>2 000 m(圖2c)。

(4)巖體類型指標

巖性和硬度直接影響巖石的抗風化能力、強度、應力分布等參數。此外，因不同巖石及組合結構間的差異，導致地質災害發生的類型及發育特征有所不同。該研究區地質構造復雜，地質作用強烈，依據巖石的成因類型、結構構造、礦物成分及其堅硬程度等因素，將區內巖體劃分為5種類型：堅硬塊狀變質花崗巖巖組、堅硬較堅硬大理巖—片巖巖組、較堅硬層狀陸源碎屑巖—火山碎屑巖巖組、堅硬層狀玄武巖巖組、松散巖類(圖2d)。

(5)河流距離指標

水系分布是地質災害發生的較隱蔽因素，地下水和地表水對地質災害發生的影響方式和程度是不同的；地下水對地質災害的影響主要表現在土質斜坡遇水軟化現象，地表水主要表現為河流對斜坡基底的沖刷和掏蝕作用，斜坡的形狀和結構遭到破壞，為崩塌、滑坡等地質災害提供了良好的臨空條件。由于地下水對地質災害的影響機制復雜且地下水倉儲條件難以準確偵查，當前研究我們只考慮地表水對地質災害發生的影響[20-22]。采用GIS中的距離分析對研究區的河流水系進行緩沖區分析，劃分為<200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m(圖2e)。

(6)土地利用類型指標

不同的土地利用方式對地質災害的影響是不同的。一般來說，植被覆蓋率低的地區比植被覆蓋率高的地區更易發生地質災害。基于LocaSpaceViewe軟件從google地球下載清原縣分辨率為30 m×30 m的遙感影像數據為數據源，借助MapGIS軟件獲得研究區土地利用方式，主要包括耕地(旱地和水田)、林地(園林、各種林地)、草地、水體、建設用地(居民建筑、廠房建筑)5類(圖2f)。

(7)降水指標

降水是地質災害發生的重要誘發因素之一，研究區滑坡發生的月份集中在6-9月，災害發育數量在80%以上，8月為降水量最多的時期，往往也是滑坡和泥石流災害的多發期；在降水的作用下，處于極限平衡狀態的巖石的摩擦力和內聚力減小，極易引發滑坡災害的發生。根據清原縣實際年均降水量將劃分為701～736 mm、736～758 mm、758～780 mm、780～801 mm(圖2g)。

(8)人類工程活動指標

將距道路距離選取為主要的人類工程，一般在道路施工之前會進行地質勘探，對道路沿線的敏感性、易發性等進行評價，所以道路修建會盡量遠離地質災害多發地帶，但修建道路的施工過程中破壞了地質穩定性會引發較多地質災害。依據實際調查將距離道路距離劃分為<200 m、200～400 m、4 00～600 m、600～800 m(圖2h)。

圖2 影響因子與災害點分布示意圖

2.3 研究方法

采用定量分析與定性分析相結合的方法——層次分析法，對已有的歷史災害資料進行分析，參考前人研究數據及成果等綜合得出地質災害參評指標的分級和賦值標準。層次分析法(AHP)是美國著名運籌學家T.L.Saaty于20世紀70年代初提出的一種定性分析與定量分析相結合的綜合決策方法，也是一種層次權重決策分析方法[17]。它的優點是將定性與定量分析結合起來，邏輯性較強，對數據的要求較低，計算簡潔明了，發展較成熟，適用于大比例尺、小范圍內且地貌和地質條件較簡單地區，清原縣較適合用該方法進行研究分析。

2.3.1 評價指標的量化及模型的建立

對清原縣主要地質災害易發性評價模型中各個評價指標進行量化，根據專家分析判斷及前人研究結果，參評指標值越小，地質災害易發性越低[23]，將定性指標的分級標準量化賦值見表 1。

構建易發性層次結構模型，目標層為地質災害易發性評價，準則層為基礎因子(X1)和誘發因子(X2)，方案層為選取的8個影響因子，如圖3所示。

圖3 易發性層次結構模型示意圖

表1 評價指標量化標準

在利用AHP進行易發性評價之前，首先要建立指標集合:

(1)一級指標集U

U= {X1，X2}

(1)

(2)二級指標集 Y

Y(X1) = {Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6}

(2)

Y(X2) = {Y7，Y8}

(3)

依據構建的層次結構模型計算各指標的權重，步驟如下：

(1)計算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi:

(4)

(2)對向量Wi進行歸一化處理：

(5)

(3)計算判斷矩陣的最大特征根λmax:

(6)

其中(AW)i表示向量AW的第i個要素。

(4)一致性檢驗：

(7)

(8)

其中CI為判斷矩陣一致性指標；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標。CR表示隨機一致性比率，當CR<0.1時，表示判斷矩陣具有滿意的一致性。為了保證矩陣具有滿意的一致性，需要定義RI值，如表2所示。

表2 判斷矩陣平均隨機一致性指標值

2.3.2 評價指標權重

根據圖2所構建的層次結構模型，構建判斷矩陣，進行一致性檢驗，分別得出影響因素判斷矩陣及權重、基礎因子判斷矩陣及權重(表3)和誘發因子判斷矩陣及權重(表4)。自上而下的將單排序權重進行合成層次總排序，如圖4所示。

表3 X1判斷矩陣及權重

表4 X2判斷矩陣及權重

圖4 研究區易發性評價指標權重示意圖

3 結果與討論

3.1 評價因子分析

通過上述對評價因子的權重分析結果顯示，選取的8個影響因子對清原縣主要地質災害影響的順序為地質構造、距河流距離、年均降水量、土地利用類型、人類工程活動、坡度、巖體類型、地形起伏度，具體分析如下：

(1)坡度和地形起伏度對研究區地質災害的影響較小，主要是因為該區域海拔低，高差不大，不穩定斜坡較少，不易發生地質災害；經研究發現坡度在25°～45°、地形起伏度在100～250 m之間的區域地質災害點最多。

(2)位于研究區中部的渾河斷裂是該區域最大的斷裂帶，渾河斷裂帶附近的災害點最多，占全縣災害點的57%，位于西南敖家堡鄉—大蘇河鄉一帶的平嶺后斷裂構造附近地質災害點次之，占全縣的38%，位于清原縣北部的清河斷裂帶僅占5%。研究區災害點分布最多的是堅硬塊狀變質花崗巖巖體類型，約占區域面積的78%，因局部受構造影響形成碎裂結構，多呈帶狀沿溝谷分布，抗壓強度降低。

(3)研究區水系發達，河流眾多，地質災害較多發生在距河流200 m以內范圍，在清河、柴河、渾河、柳河、富爾江等河流都有災害點分布，地質災害的發育與水系密切相關。該區域土地利用類型主要有耕地、林地、草地、水體、建筑用地，分別占總面積的24%、52%、1%、3%、20%，地質災害多發生在林地與其它土地利用類型的交界處，植被覆蓋率差，地表多裸露，存在切坡現象，這一系列原因導致地質災害多發。

(4)71%的災害點處于清原縣年降水量780～801 mm的區域，在降水的作用下，處于極限平衡狀態的巖石的摩擦力和內聚力減小，極易引發滑坡災害的發生。降水與滑坡災害的發生有密切的關系。清原縣域公路沿線是地質災害發生的主要區域，人類工程活動強烈，道路沿線原有植被遭到破壞，巖土裸露，開挖坡腳加劇了斜坡的不穩定性。

3.2 易發性評價

利用GIS的空間分析和柵格計算功能，將各因子權重分別賦予對應指標的柵格圖層，再通過柵格計算，將賦值了數值的各柵格與對應的權重相乘[19]；通過GIS中的自然差距法將評價因子疊加，再進行重分類和歸一化最終生成綜合信息量值圖層，評價模型為：

(9)

其中S為評價單元的綜合信息量值，Wi為各評價因子權重，Iij為第i個評價因子第j個類別的信息。

在上述區劃方法的基礎上，利用GIS中的空間疊加功能和因子加權疊加，得出研究區地質災害的易發性分類結果(圖5)。

圖5 清原縣地質災害易發性柵格分區圖

(1)高易發區面積為956.77 km2，占全區的24.33%；主要分布在渾河北岸、小孤家水庫至紅透山鎮、清原—大蘇河—平嶺后及西南部的下大堡—暖泉子—敖家堡；該區域共有38個地質災害隱患點，其中24處為崩塌隱患點、11處為泥石流隱患點及3處滑坡隱患點。

(2)中等易發區面積925.35 km2，占全縣面積的23.53%；主要分布在王家堡—樹基溝一帶、和慶—勝利—灣甸子鎮及南口前—阿爾當；該區域共有3個地質災害隱患點，包含2處崩塌和1處泥石流隱患點。

(3)低易發區面積2 050.84 km2，占全縣面積的52.15%；主要分布在北部和東部的柴河、清河、柳河流域，該區域共有7處崩塌地質災害隱患點，潛在危害較大。

(4)從行政區劃來看，清原縣高易發區主要在紅透山鎮大部分、南口前鎮南部、北三家鎮中部偏南、清原鎮中南部、大蘇河鎮西部、敖家堡鄉南部；中易發區主要分布在灣甸子鎮及高易發區周圍地區；低易發區主要分布位于清原縣北部的草市鎮、英額門鎮、夏家堡鎮、大孤家鎮、土口子鄉、南山城鎮和枸乃甸鄉等地。

4 結論

選取8個主要影響因子，運用層次分析法(AHP)在GIS制圖的基礎上對清原縣地質災害進行易發性評價區劃，最終得出清原縣地質災害易發性評價如下:

(1)選取坡度、地形起伏度、地質構造、巖體類型、距河流距離、土地利用類型、年均降水量和人類工程活動8個影響因子對清原縣進行易發性評價。通過專家評分構建判斷矩陣，最終評價得出影響因子對清原縣主要地質災害單個影響因子的排序為地質構造、距河流距離、年均降水量、土地利用類型、人類工程活動、坡度、巖體類型、地形起伏度。

(2)清原縣主要地質災害主要發生在坡度25°～45°之間、地形起伏度在100～250 m之間、斷裂帶沿線1 000 m以內、堅硬塊狀變質花崗巖區域 、距離河流越小于200 m以內、林地和其它土地利用類型的交界處、年均降水量在780～801 mm的區域、道路距離200 m以內的人類活動區域。

(3)地質構造、河流距離、道路距離與地質災害易發性呈負相關，即距離越近越容易誘發地質災害；坡度、地形起伏度、土地利用類型3個評價因子并未明顯表現出與地質災害易發性的正相關或負相關，而是在特定范圍發生；巖體類型、年均降水量與地質災害易發性表現出明顯的正相關，即巖體性質越堅硬和年均降水量越多，越易引發地質災害。

(4)全縣以低易發區為主，主要高易發、中易發區分布在渾河上游中低山丘陵區，低易發區分布于柴河、清河、柳河流域。從行政區劃看，南部鄉鎮較北部災害易發性更高，未來南部地區是地質災害防御的重點。