基于熵權法—層次分析法耦合賦權的西寧市城中區地質災害危險性評價

王靖天

(青海煤炭地質局，青海 西寧 810012)

城中區包括城南新區，位于西寧市中心，是西寧市的發源地，其東臨花園南、北街，相鄰于城東區，西面以南川河為界限，北沿湟水，與城北區隔河相望，南面直達湟中縣，整個研究區域總面積為151km2。西寧市城中區總體地勢從西北到東南逐漸降低，屬于大陸性高原半干旱氣候，平均海拔在2 261m左右[1,2]。研究區由冷龍嶺、達坂山、拉脊山、黃河南諸山脈包圍形成盆地，區內溝谷較多，高低不一；城中區出露有元古界、古生界、中生界以及新生界地層，并且處于中生代斷陷盆地中部，盆地內斷裂構造和褶皺構造活動較弱，而新構造活動較為活躍，大部分是以大面積震蕩式的垂直升降運動為主，具有明顯的繼承性和間歇性；研究區域的地殼活動較為穩定，地震主要以中小型為主[3]。西寧市城中區內降雨量較低，而蒸發量較高，溝谷河網較為密集，地形地貌復雜多變，人類工程活動偏多，導致區內頻繁發生滑坡、泥石流、地面塌陷等地質災害，為了保證研究區內的工程建設活動安全進行，為給當地地質災害治理防治提供參考依據，對西寧市城中區進行地質災害危險性分區評價刻不容緩[4]。

西寧市城中區位于內陸，其地質災害類型屬于陸地地質災害，主要是由外動力地質作用所引發，其中又包括自然地質作用、人為地質作用和自然與人為復合型的作用。西寧市屬于我國地質災害頻發的重災區，目前國內眾多學者已對地質災害治理與城市規劃等進行了較多研究，陳飛[5]等人以江西省九江市修水縣為例，采用層次分析法對當地進行了地質災害危險性評價；丁麗[6]等人利用層次分析法對登封市進行了地質災害危險性評價；張曉東[7]等人利用層次分析法對鹽池縣進行了地質災害危險性評價，評價結果為鹽池縣地質災害的防治提供了一定的參考依據；王夏林[8]等人為了解決地質災害評價過程中，評價定性指標與定量指標不確定、不相容的問題，在前人的基礎上，對熵權法引入可拓理論，對漢陰縣的地質災害進行了危險性評價，驗證了此方法的可行性；田云軍[9]將熵權法與可拓理論結合對水利工程的地質災害進行了危險性評價研究；寧娜[10]等人將熵權法與模糊評判法結合對單溝泥石流進行了危險性評價，結果更加真實可靠。在本次研究中，綜合考慮各種災害因子，考察當地地質災害發育情況權衡各評價方法的各自優缺點，中和評價方法的主客觀性，采用熵權法與層次分析法耦合的方式，對西寧市城中區的地質災害進行危險性評價，為能更加準確合理的區劃出地質災害高、中、低、非危險性區域，為城中區的地質災害治理防治與人類工程建設提供參考。

1 西寧市城中區地質災害危險性區劃技術

1.1 組合賦權

在本次研究中采用對影響因子進行主客觀權重組合賦權，基于前人的大量實踐工作表明，對一個工作進行評價分析采用單獨的方法，經常會導致評價結果與實際情況有著較大的偏差，不能夠很好地解決各個影響因子之間的模糊性與矛盾性等，并且單獨的評價方法得到的權重往往是不夠全面的。而本文本著科學、準確的原則，以主觀、客觀權重結合形成組合權重對地質災害危險性因子賦權，可以避免各指標之間的差異性，使得評價結果進一步貼切真實情況。評價結果表明，熵權法與層次分析法相結合賦權的方法相比于單獨的評價方法更加準確、更加科學。

1.1.1 主觀權重確定。在文中，主觀權重采用層次分析法來確定，它是由美國的運籌學家Saaty提出的一種將評價對象分解為主次關系，按照一定的準則分類成多層次結構，建立層次結構模型，按照標度理論表，將因子進行兩兩比較得出相對像重要性值，從而構建出判斷矩陣[11]。

具體步驟如下：①根據勘查城中區的地質條件、地質災害分布情況以及發育特征、人類工程活動分布狀況，選取出地質因素B1：地層巖性、距斷層距離；地形因素B2：高程、坡度；誘發因素B3：距公路距離作為評價體系指標。建立層次結構模型，如圖1所示[12]。

圖1 城中區評價指標層次模型

②分析標度理論表含義：兩個因子具有同等的重要性用1表示，一個因子比另一個稍微重要用3表示，一個因子比另一個明顯重要用5表示，一個因子比另一個顯得極其重要用7表示，最后，若是一個因子相比于另一個因子顯得極端重要就用9表示，中間的2，4，6，8表示重要性介于上述重要性之間，倒數表示重要性相反。

③在第二步的基礎上，即可構建出判斷矩陣，所構造的判斷矩陣必須滿足：

(1)

式中：aij表示第i行與第j列因子重要性標度值。

④利用求和法對所構造的判斷矩陣求解，計算出判斷矩陣的最大特征值與相應的特征向量，將求出的特征向量歸一化后即可得到該層影響因子相對于上一層準則的權重值[13]。

⑤因客觀事物的復雜性以及對此問題認識的局限性可能會導致判斷過于片面，為保證以上所得的權重的合理性，需對判斷矩陣進行一致性驗證，過程如下所示：

通過公式：

(2)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征根，n為判斷矩陣階數，CI表示判斷矩陣一致性指標。

通過公式：

(3)

式中：當CR<0.1時，則確定判斷矩陣具備良好的一致性；若CR>0.1,則需對判斷矩陣做出適當調整直至滿足條件；RI表示判斷矩陣平均隨機的一致性指標，其值參照表1確定。

表1 平均隨機一致性指標RI

1.1.2 客觀權重確定。在文中，客觀權重采用熵權法來確定，熵權法是依據已構成的判斷矩陣求解評價因子的熵值，通過熵值來計算評價指標的權重。熵權權重的大小直接關乎于評價對象，標示著該因子對評價體系貢獻大小，可以只需矩陣中各指標的實際值來確定，能夠消除層次分析法帶來的權重主觀化。

熵權法賦權過程如下所示：

將各指標狀態值進行標準化處理。對k個評價因子X1，X2，…，Xk，其中Xi={x1，x2，…，xn}。則標準化后各指標數據的值為Y1，Y2，…，Yk，再求出各個評價指標的信息熵：

(4)

可得出各指標的信息熵為E1，E2，…，Ek。從而可計算出各指標的客觀權重：

(5)

1.1.3 組合權重確定。采用乘數歸一法將求取的主觀權重與客觀權重進行耦合，獲得組合權重：

(6)

1.2 影響因子獲取

在文中，在地理空間數據云平臺獲取西寧市城中區DEM圖，利用ArcGIS對城中區進行地形信息提取，可獲得高程專題圖和坡度專題圖，分別如圖2、圖3所示。利用ArcGIS從西寧市1：50 000地貌及第四紀地質圖與西寧市1：50 000工程地質圖中分別獲取距斷層距離專題圖和地層巖性專題圖，如圖4、圖5所示。利用GoogleEarth矢量化出西寧市城北區的路網，導入ArcGIS中可計算出距公路距離專題圖，如圖6所示。

圖3 坡度專題

圖4 距斷層距離專題

圖5 地層巖性專題

圖6 距公路距離專題

1.3 評價因子權重計算

表3 B1-Ci判斷矩陣

表4 B2-Ci判斷矩陣

依據表2～表4可知5個因子的主觀權重，結果見表5。

表5 評價指標主觀權重

1.3.2 客觀權重計算。利用公式(4)和(5)，通過計算可得出各影響因子的客觀權重，結果見表6。

表6 評價指標客觀權重

1.3.3 組合權重計算。通過公式(6)進行計算，求得各指標的綜合權重，結果見表7。

表7 評價指標綜合權重

1.4 城中區地質災害危險性區劃

依據所建立的評價數學模型，對城中區進行地質災害危險性區劃[14]，通過ArcGIS的柵格計算工具將不同的因子專題圖進行加權疊加分析，并將其重分類為高危險性區、中危險性區、低危險性區和非危險性區4類，再輸出結果。根據數據，可以得知西寧市城中區地質災害危險性評價數學模型為：

I=0.248C1+0.274C2+0.127C3+0.121C4+0.23C5

(7)

式中：I為第i個評價因子的危險性綜合指數，Ci為第i個評價因子的柵格圖層。

1.5 結果分析

如圖7所示，即為西寧市城中區地質災害危險性分區評價圖[15]，通過與實際情況對比分析可知，非危險性區域主要分布于寧貴高速周邊，由北到南的市區，北至七一路，南至清河村；低危險性區主要分布于西塔高速以西，除享堂溝一帶以外，還有莫家溝、野牛溝、小平爾嶺以及王家山村一帶；高危險性區主要位于小平爾嶺以東至喇家溝一帶；中危險性區沿著高危險性區周邊分布，外加享堂溝一帶。從圖8中可以看出，在西寧市城中區地質災害危險性分區中，非危險性區、低危險性區、中危險性區、高危險性區分別占研究區總面積的38%、38%、13%和11%。

圖7 地質災害危險性分區

圖8 危險性等級面積百分比

2 結束語

遴選出影響西寧市城中區地質災害發生的5個評價指標，利用熵權法與層次分析法進行耦合，通過地質災害危險性層次分析模型，建立判斷矩陣，獲取評價指標的綜合權重，利用ArcGIS的空間分析功能，進行疊加計算，最后獲取了西寧市城中區地質災害非危險性區、低危險性區、中危險性區及高危險性區的分布情況，分區結果良好地反映了城中區地質災害危險性的實際情況。

通過西寧市城中區地質災害危險性分區圖可知，西寧市城中區地質災害危險性分區面積中，非危險性區與低危險性區面積占比最大，為全研究區面積的38%，然后中低危險性區域，占總面積的13%，高危險性區域與中危險性區面積占比差別不大，占城中區總面積的11%。本次研究成果對于西寧市城中區的地質災害防治與工程活動具有一定參考價值。