基于AHP的寧都縣泥石流災害評價

計江淮

(上饒市水利水電工程建設監理中心，江西 上饒 334000)

泥石流是一種突發性地質災害，其特點是爆發快、預測難、危改高。我國山區幅員遼闊，泥石流災害爆炸頻發，經常發生爆炸的泥石流不僅制約山區經濟發展，而且威脅到人民群眾的生命財產安全，對地區的生態平衡產生巨大的影響。因此，對泥石流災害區進行泥石流災害風險評價，是預防泥石流產生，降低泥石流帶來損失的最佳方式。目前，國內外對泥石流風險評價的研究已經處于較為成熟的階段[1]。

1 研究區概況

寧都縣是江西省南部的一個地級縣，地理位置圖見圖1。東邊接壤臨廣縣、石城縣，南邊魚瑞金市、玉都縣相鄰，西由南至北總跨度為117.2km，形態較為狹窄，東至西部僅寬61km。整個縣城有河流594條，河網總長度2327km。寧都縣是地質災害較易產生的地區，歷史上多次受到地質災害的影響。在2002年6月，縣城突發大規模降雨。各個水文站監測降雨量達到398.2mm。致使大量農田受到災害，累計1.87萬hm2。房屋被沖垮826間，中小型的水利工程設施被嚴重損害，直接經濟損失接近一億元人民幣[2]。

圖1 寧都縣地理位置圖

2 數據來源及評價方法

2.1 數據來源

本次研究取得研究區內斷層距離數據、地質巖石分布數據、高程DEM數據、坡度數據、人口密度、植被NDVI數據、土地利用類型、降水數據和歷史土壤分布等，以獲得相關的地形特征、地質構造、水文氣候和人為活動的各因素數據。其中，利用寧都縣地區氣象局的觀測資料，通過計算年平均降水量分布資料，得到降水資料。從地貌圖中提取坡度和高程數據。從地質構造圖中獲得地貌和斷裂帶范圍數據。植被覆蓋NDVI值和土地利用類型來自于對研究區的遙感解譯。

2.2 研究方法

在泥石流風險評價指標體系中，各變量的權重大小不同，其對最終綜合評價結果的影響程度就會不同。文章采用層次分析法(AHP)確定各類規定的因素，在指標體系中的權重大小。層次分析法AHP方法在1970年代提出了定量和定性相結合的系統級決策分析方法，它強調了角色的思維來判斷決策的過程中，通過某些模型決策思維過程標準化[3]。適合兩個定量指標和定性指標，根據從屬關系的因素分為上部和下部幾個層次的決策問題。具體步驟如下:

1)構建評價指標體系，泥石流危險性評價的主要四個中間要素為地質構造、地形地貌、人文氣候和人類活動，其下具體劃分為斷裂帶、地層巖性、坡度、高程、降雨量、植被覆蓋、土地利用和人口密度這八個評價因子。具體結構見圖2。

圖2 評價體系

2)構造判斷分析矩陣；系統結構模型決定了各個指標上下層之間的從屬關系。相同層級之間的元素，以相鄰的上一層級元素為準，成對進行比較[4]。

(1)

3)計算判斷矩陣的最大特征值與特征向量[5]。層次分析法的一個關鍵問題是確定判斷矩陣的最大特征值和相應的特征向量。文章采用規范列平均法計算:

計算各列bij的歸一化:

(2)

求規范列的平均：

(3)

向量Wi是所求的特征向量。計算判斷矩陣B的最大特征值：

(4)

式中：(BW)i為向量BW中的第i個元素。結果如下：

4)一致性檢查。通過使用和乘積法，獲得每一個判斷矩陣的最大特征根入max和其對應的特征向量W，正常化的最大特征根對應的特征向量hmax,每個元素的相對重要性權重下一級相對于以前的水平可以獲得相應的元素。然后，根據一致性比率CR，對判斷矩陣進行一致性檢驗[6]。CR的計算公式如下:

(5)

(6)

5)分層排序和一致性檢查；相對重要性權重因素在同一水平相對于高層確定標準，所有因素的相對重要性權重在每個水平相對于最高水平可以在此基礎上，計算被稱為層次結構的權重。

3 泥石流風險評價

3.1 權重結果

根據上述AHP的計算方法，建立兩個層次的判斷矩陣，并且求出其權重值，所得結果見表1。

表1 中間要素層權重計算

一致性比例CR: 0.0077；對"泥石流危險性評價"的權重：1.0000；λmax: 4.0206

由表1可知，在要素分類層面，一致性比例CR值為0.0077<1，說明評價效果較好。地形地貌對泥石流災害的影響程度最高，權重為0.4786，排序為1。其次為人文氣候，權重為0.2166，排序為2。地質構造對泥石流災害的影響最低，是一個長期積累的過程，評價權重為0.1083，排序為4。

一致性比例:0.0004;對"泥石流危險性評價"的權重：0.1083；λmax: 2.00

在地質構造的影響中，地層巖性權重占比較高，權重為0.75，一致性比例CR值為0.0004<1，評價效果較高。地層巖性對泥石流災害的形成起到至關重要的作用。見表2。

表2 地質構造權重計算

一致性比例: 0.0007；對"泥石流危險性評價"的權重：0.4786；λmax: 2.0000

坡度主要控制坡面對泥石流形成時的物源匯集速度，在較為理想的坡度上，遇見強降雨，會快速匯集泥石流爆發所需要的固體松散物質。坡度的權重排序遠大于高程，為0.75，高程的權重排序為0.25。一致性比例CR值為0.0007<1，評價效果較好。見表3。

表3 地形地貌

一致性比例: 0.0019；對"泥石流危險性評價"的權重：0.2166；λmax: 2.0000

人文氣候的影響評價中，一致性比例CR值為0.0019<1，評價效果較好。植被覆蓋的權重值為0.6667，占比較高，說明植被覆蓋對泥石流災害的產生影響較高。降雨條件是泥石流災害區系統外部輸入的能量。它是泥石流啟動的必要條件。區域內部良好的植被覆蓋能夠起到有效的降雨截留，保護下墊面產生土壤侵蝕，大量減少水流裹挾的固體松散物質。見表4。

表4 人文氣候

一致性比例: 0.0000；對"泥石流危險性評價"的權重：0.1966；λmax: 2.0000

寧都縣人為活動對區域泥石流災害的影響是較大的，人類活動通常會改變泥石流災害區的自然條件，會促進或抑制泥石流的產生。在評價中，一致性比例CR值為0<1，評價效果較高。土地利用的權重值為0.8，影響程度較高。見表5。

表5 人為活動

對寧都縣的所有評價結果進行匯總分析可知，中間要素層中，地形地貌對泥石流災害的產生起到最為重要的控制，占比較高。在分權重排序中，坡度>土地利用>植被覆蓋>高程>地層巖性>年降雨量>人口密度>斷裂帶。見圖2。

圖2 各評價因子權重總圖

在對個指標進行靈敏度分析時發現，中間要素層方案進行轉化的時候，排序結果發生變化，但效果變差。所以現有評價最為準確。見圖3。

圖3 靈敏度分析

3.2 泥石流風險評價

根據上述研究分析得到的泥石流評價因子及各因子的權重系數,通過加權計算，構建出泥石流危險性的評價模型，其計算公式為:

(7)

通過使用層次分析法計算出的各影響因子的指標權重，通過上述加權運算，得出每一個柵格的具體危險程度評價值[7-8]。建立寧都縣泥石流的危險性評價模型。對研究區內的數值進行標準化1-5處理，用1-5表示災害產生的危險程度。計算結果表明：研究區泥石流風險的最大值為4.93，最小值為0.13。計算結果的大小可以直接反映出泥石流災害發生程度。計算結果越大，各個評價指標對泥石流產生的綜合影響程度越高，研究區內產生泥石流的風險也越高。在當前的研究中，尚沒有對泥石流風險評價的具體劃分方法，文章采用自然劃分法，對各個評價指標的數據進行量化處理，將該地區的風險劃分為五個層次：極高風險區(指標4-5)、高風險區(指標3-4)、中風險區(指標2-3)、低風險區(指標1-2)、極低風險區(指標0-1)。通過對危險程度的劃分，采用ARCGIS10.4軟件對各個結果進行疊加，最終得出寧都縣泥石流風險評價圖。見圖4。

圖4 研究區泥石流危險性分布

由此結果可以看出，極高危險區出現在寧都縣東部及東北部，面積占比為23.4%。主要原因是該地區人口分布較低，植被覆蓋度較低，長期受到土壤侵蝕作用，為該區域提供大量的物質來源。寧都縣中南部地區泥石流災害發生的風險較低，該區域主要為寧都縣縣城所在地，大量人類建筑及改造，降低了泥石流產生的風險。寧都縣西部及西北部地區，泥石流災害風險為中級和中低級，該地區人煙稀少，山地縱橫交錯，植被覆蓋茂盛。

4 結 論

文章利用AHP建立寧都縣泥石流危險性評價模型，使用ARCGIS軟件繪制出泥石流危險性分布圖，對泥石流災害發生的風險進行評價，得出影響該區域泥石流災害產生的關鍵指標因素。并對重要的影響因素進行影響權重排序，得到坡度>土地利用>植被覆蓋>高程>地層巖性>年降雨量>人口密度>斷裂帶。寧都縣東部及東北部泥石流災害的風險最高，西部及西北部地區風險最低。