基于層次分析法的永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

李 萍, 葉 輝, 談樹成

(1.云南大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500; 2.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院, 昆明 650500)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，人類工程活動對于整體生態(tài)環(huán)境的破壞日趨強烈，進(jìn)而引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害活動愈發(fā)頻繁，對地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)、自然環(huán)境以及人類生命財產(chǎn)安全造成了極大的破壞且構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[1]。利用3S(RS，GIS，GPS)技術(shù)及時、準(zhǔn)確、高效地對區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行調(diào)查評價與防治，不僅能夠減少各方面的損失而且對于推動當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)活動也有很大的促進(jìn)作用[2]。目前關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的方法主要分為定性評價和定量評價兩種，定性評價主要側(cè)重于對不同地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行分類型研究分析和災(zāi)害成災(zāi)理論方法上的研究，常常采用德爾菲法以及與地理密切相關(guān)的一些分析方法[3-6]；伴隨著計算機技術(shù)以及3S技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的數(shù)學(xué)模型以及大量的定量評價的方法被運用到地質(zhì)災(zāi)害的危險性與易發(fā)性評價中，如杜曉晨等[7]選用多因子綜合評價法與信息量模型選取了不同方面的評價因子對涼山州德昌縣的滑坡危險性進(jìn)行了分級與評價；王雷等8]結(jié)合GIS技術(shù)分別選取8個與地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)的指標(biāo)因子結(jié)合信息量模型對安徽省池州市地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進(jìn)行了易發(fā)性評價與分級；趙冬梅等[9]基于GIS空間分析方法，采用最大熵模型選取與滑坡易發(fā)性最為相關(guān)的15種評價指標(biāo)對哈尼梯田核心區(qū)的滑坡易發(fā)性進(jìn)行了評價，并選用ROC-AUC應(yīng)試工作者特征曲線對評價結(jié)果進(jìn)行了精度驗證；李益敏等[10]在GIS技術(shù)平臺支持下從地質(zhì)、地理、氣候以及人類工程活動4個方面選取與斜坡地質(zhì)災(zāi)害敏感性密切相關(guān)的評價指標(biāo)因子采用確定性系數(shù)與敏感性指數(shù)對怒江州的斜坡地質(zhì)災(zāi)害敏感性進(jìn)行了評價與分析；吳常潤等[11]選用GIS技術(shù)首先對華寧縣的滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查并建立了災(zāi)害數(shù)據(jù)庫，然后選取了與滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性密切相關(guān)的評價因子并利用統(tǒng)計指數(shù)的方法分別計算了各個因子的權(quán)重，對華寧縣的滑坡災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評價與分析；魏江波等[12]將傳統(tǒng)的確定性系數(shù)法與AHP層次分析法進(jìn)行結(jié)合提出一種新的加權(quán)確定性系數(shù)法對陜西省渭南市澄城縣的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評價。雖然大量的學(xué)者分別選用了不同的模型與方法對不同地區(qū)不同類型的地質(zhì)災(zāi)害分別進(jìn)行了評價與研究，但是由于地質(zhì)災(zāi)害空間分布上的差異性，其誘發(fā)因素與機制均存在著不同的差異，因此針對不同地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性需要分別建立不同的評價指標(biāo)體系單獨進(jìn)行評價與分析[13]。本文以云南省臨滄市永德縣為研究區(qū)，在現(xiàn)有研究文獻(xiàn)基礎(chǔ)上結(jié)合遙感科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)等學(xué)科理論依據(jù)，以3S技術(shù)為支撐，結(jié)合永德縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)資料，在此基礎(chǔ)上建立科學(xué)可操作的評價指標(biāo)體系對其進(jìn)行評價與分析，為永德縣的地質(zhì)災(zāi)害防治預(yù)防等工作提供強有力的支撐與全新的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

永德縣隸屬于臨滄市，位于全市的西北方向，地理坐標(biāo)范圍為東經(jīng)99°05′—99°50′，北緯23°45′—24°27′，國土總面積3 208 km2，東西最遠(yuǎn)距離為71.5 km，南北最長距離為75.8 km[14]。東與云縣交界，西與鎮(zhèn)康、龍陵、施甸縣接壤，南與耿馬縣隔河相望，北與昌寧、鳳慶縣毗鄰。境內(nèi)交通主要以公路為主，縣城所在地德黨鎮(zhèn)距省會昆明787 km，距市政府所在地臨滄226 km，與鄰國緬甸的果敢雖有鎮(zhèn)康縣相隔，也僅相距108 km，縣內(nèi)各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))及90%以上的村莊均通公路，但村道雨季行車?yán)щy，總體交通尚屬方便。根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計顯示，永德縣域范圍內(nèi)共計發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害188處，其中崩塌9處，滑坡120處，泥石流25條，斜坡34處；災(zāi)害等級為中型的滑坡共計4處，其余所有災(zāi)害等級均為小型。

1.2 數(shù)據(jù)來源

開展本研究所用到的數(shù)據(jù)主要包括地質(zhì)數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)三大類，地質(zhì)數(shù)據(jù)均來自于全國地質(zhì)資料館，地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用像元大小為30 m的空間柵格數(shù)據(jù)，國民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)均利用ArcGIS軟件的空間分析、插值分析等工具轉(zhuǎn)換為30 m的柵格數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的統(tǒng)計分析，詳細(xì)數(shù)據(jù)來源見表1。

表1 研究區(qū)基本數(shù)據(jù)

2 研究方法

2.1 指標(biāo)因子的選取

地質(zhì)災(zāi)害的危險性是在多種因素的作用與影響下發(fā)生的[15]，是各種地質(zhì)環(huán)境因素相互影響以及不等量共同作用影響的結(jié)果。影響地質(zhì)災(zāi)害的形成與發(fā)展主要包括其控制作用的內(nèi)在因素和起誘發(fā)破壞作用的外在因素兩方面，內(nèi)因主要包括地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造以及巖土體結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)等條件，外在因素主要包括植被覆蓋、生態(tài)環(huán)境、降雨、河流水系以及人類工程活動等因素。通過綜合研究區(qū)域地質(zhì)地理概況、地質(zhì)災(zāi)害的種類、規(guī)模、災(zāi)險情特征以及前人的研究成果，擬從地理環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、人類工程活動3個方面選取15個要素作為指標(biāo)因子對永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行評價與分析。

2.2 權(quán)重的計算

AHP層次分析法對于解決受多因素影響的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性具有較強的適用性和可操作性，且方法簡便，能夠較好地表現(xiàn)各個因素以及其之間的相互關(guān)聯(lián)程度[16]。其主要的核心部分就是將整個問題進(jìn)行分解，將地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性作為目標(biāo)層，然后繼續(xù)將目標(biāo)層進(jìn)行分解為準(zhǔn)則層和要素層[17]，對同一準(zhǔn)則層下的各個要素結(jié)合專家咨詢法以及相關(guān)文獻(xiàn)采用1—9標(biāo)度法分別進(jìn)行兩兩對比并構(gòu)建判斷矩陣，計算出各要素層與準(zhǔn)則層的權(quán)重[18]，最后對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗。若CR≤0.1，則說明判斷矩陣的一致性良好，通過檢驗；若CR>0.1，則說明檢驗不通過，需要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整之后再次進(jìn)行權(quán)重計算和一致性檢驗，直至通過檢驗為止[19]，各評價指標(biāo)因子的權(quán)重見表2。

表2 永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子分級與權(quán)重系數(shù)

計算判別矩陣的最大特征值：

(1)

計算判別矩陣的一致性檢驗指標(biāo)：

(2)

隨機一致性比率CR計算：

(3)

式中：λmax代表最大特征值;n代表判斷矩陣的階數(shù);CI代表判斷矩陣的一致性檢驗指標(biāo);CR代表隨機一致性比率。

3 結(jié)果與分析

3.1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性單因子評價

永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價從地理環(huán)境指數(shù)、地質(zhì)環(huán)境指數(shù)以及人類工程活動3個方面累計選取與地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)的坡度、坡向、地形起伏度、土地利用、植被覆蓋度指數(shù)、降雨量、距水系距離、距斷層距離、地質(zhì)災(zāi)害密度、地層巖性、地貌類型、距道路距離、居民點密度、人均耕地面積14個指標(biāo)因子。因為各個指標(biāo)因子分別的來源不同，其原始的量綱有所差別，在此結(jié)合前人研究成果、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價規(guī)范、GIS自然間斷點法以及相關(guān)地方標(biāo)準(zhǔn)對每個指標(biāo)因子進(jìn)行統(tǒng)一的歸一化處理，統(tǒng)一分為3個等級，分別代表低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)，詳細(xì)結(jié)果見圖1。

圖1 單指標(biāo)因子評價

不同的地形對于地表物質(zhì)的匯集以及流水的沖蝕程度都會有一定的影響，坡度對于地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性有著很強的影響作用，直接影響各類斜坡以及邊坡的穩(wěn)定程度，同時影響著各地質(zhì)災(zāi)害點的不同力學(xué)分布特征；坡向的不同所能夠接受光照的強度存在較大的差異，長時間的日照對地表物質(zhì)的松散程度以及土壤干濕度有著較強的影響，日照強烈的區(qū)域地表物質(zhì)較為松散，土壤水分蒸發(fā)較快，經(jīng)過雨水沖蝕后容易流失，為泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害提供了物質(zhì)來源；研究區(qū)處于高山峽谷地貌，地表切割較為強烈，相對高差大，是劃分地形地貌的重要參考依據(jù)，對于地質(zhì)災(zāi)害的形成也有著極為強烈的影響；人均耕地面積、土地利用類型以及利用程度等對于地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性影響差異較為明顯，近年來對于大量林地的破壞導(dǎo)致了水土流失、洪澇以及旱澇等各種自然災(zāi)害，研究區(qū)域內(nèi)人口基數(shù)較大，對于耕地的需求不斷擴張致使大量的林木被砍伐，因此導(dǎo)致的水土流失以及滑坡災(zāi)害常有發(fā)生；降雨量、距水系距離等因素對于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有著決定性的作用，長時間流水對地表物質(zhì)的沖蝕、侵蝕作用導(dǎo)致大量的土壤流失以及沼澤化等，對于山體、巖體的沖蝕更容易導(dǎo)致滑坡、崩塌以及不穩(wěn)定斜坡等災(zāi)害的發(fā)生；植被覆蓋度指數(shù)最主要的是反映一個地區(qū)植被發(fā)育程度的因子，植被發(fā)育狀況越好的區(qū)域植被覆蓋度指數(shù)越高，植被生長力及其生長狀況越好，越不容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，反之相反；距離斷層、道路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等要素的距離不同，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度也有一定的影響，斷層以及人類工程活動同時會導(dǎo)致大量的水土物質(zhì)流失以及地表結(jié)構(gòu)的破壞，加之受到其他因素的二次影響，距離斷層、道路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)越近的區(qū)域越容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害；地層巖性不同其物質(zhì)組成與力學(xué)性質(zhì)均存在較大的差異，在泥巖、板巖、頁巖、砂礫巖、黏土層等物質(zhì)較為松散的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率越高，相對于較為堅硬的石英砂巖、白云巖、凝灰?guī)r、輝綠巖、花崗巖、蛇紋巖區(qū)域，其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生幾率相對較低；地質(zhì)災(zāi)害密度反映的是一定區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的分布程度，地質(zhì)災(zāi)害密度較大的區(qū)域由于地表結(jié)構(gòu)遭到破壞、力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等因素的影響更加容易形成二次災(zāi)害，密度較小的區(qū)域相對穩(wěn)定。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價

由于地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性來源于多個因素的影響與控制，采用線性加權(quán)求和函數(shù)結(jié)合ArcGIS的柵格計算功能，首先將地質(zhì)環(huán)境指數(shù)、地理環(huán)境指數(shù)與人類工程活動3個要素層各個指標(biāo)因子的柵格圖層分別乘以各自的權(quán)重得到要素層評價結(jié)果，最后將要素層乘以各自的權(quán)重進(jìn)行疊加，便得到了永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的評價結(jié)果(圖2)。最后將結(jié)果圖層采用自然間斷點法進(jìn)行分級，易發(fā)性越高的地區(qū)分值越大，越低的地區(qū)分值越小。此類方法較為便捷且易于操作，所采用的數(shù)據(jù)能夠很有效的獲取到，評價結(jié)果具有較強的科學(xué)性和客觀性。公式如下：

圖2 永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價結(jié)果

式中：Pi表示永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的評價值；Xi表示各指標(biāo)層的權(quán)重；Yi表示指標(biāo)層的評價指標(biāo)因子；n為因子項數(shù)。

根據(jù)永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果得知，永德縣地質(zhì)災(zāi)害總體呈現(xiàn)為中易發(fā)狀態(tài)，主要分布于小勐統(tǒng)鎮(zhèn)、永康鎮(zhèn)、崇崗鄉(xiāng)、大雪山鄉(xiāng)、德黨鎮(zhèn)、亞練鄉(xiāng)，其面積分別依次為283.646 7 km2，214.180 2 km2，169.633 8 km2，143.562 6 km2，116.430 3 km2，109.836 9 km2；高易發(fā)區(qū)域主要分布在永德縣的德黨鎮(zhèn)、永康鎮(zhèn)、崇崗鄉(xiāng)和勐板鄉(xiāng)，其面積分別依次為224.364 6 km2，147.410 1 km2，111.262 5 km2，101.711 7 km2；其主要原因為這些鄉(xiāng)鎮(zhèn)近年來經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，大量建設(shè)項目新建以及人口快速增長對于耕地的需求不斷增加，大量的開墾荒地致使水土流失，進(jìn)而引發(fā)大量地質(zhì)災(zāi)害。其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)域面積見圖3。

圖3 永德縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)域面積統(tǒng)計

高易發(fā)區(qū)域內(nèi)主要出露泥巖、砂巖、板巖等質(zhì)地較為松軟、節(jié)理裂隙較為發(fā)育的巖類，其在遭受到流水侵蝕、風(fēng)力剝蝕以及地質(zhì)構(gòu)造運動的作用影響下，結(jié)構(gòu)破碎，易于風(fēng)化，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了物質(zhì)來源。此外，伴隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)步伐的不斷加快，大量的交通、水利等基礎(chǔ)建設(shè)項目不斷新增，礦產(chǎn)資源的需求量以及開發(fā)力度不斷加大，人類工程活動形式漸趨多樣、規(guī)模逐漸擴大等多方面的因素，在可以預(yù)見的較長時間內(nèi)，永德縣縣境內(nèi)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的活動水平將保持持續(xù)上升的態(tài)勢。因此相關(guān)職能部門在今后的地質(zhì)災(zāi)害防治工作中應(yīng)將重心放在預(yù)防上，在各類工程建設(shè)項目的審批環(huán)節(jié)就應(yīng)當(dāng)考慮其對于自然生態(tài)環(huán)境的影響，權(quán)衡利弊，輔以治理，減少災(zāi)害發(fā)生幾率。

3.3 精度驗證

在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性與危險性評價工作的精度驗證中，經(jīng)常采用成功率曲線和受試者工作特征曲線來進(jìn)行檢驗。成功率曲線對于檢驗評價模型對于樣本的貼合程度較為適用，當(dāng)高易發(fā)區(qū)域中的評價樣本占比較高時，說明評價精度較好；ROC曲線則對于檢驗評價模型和正、負(fù)評價樣本的預(yù)測能力和可分性較為適用[20-22]。在研究區(qū)域內(nèi)分別隨機選取140處地質(zhì)災(zāi)害點與非災(zāi)害點，分別單獨采用成功率曲線和受試者工作特征曲線對永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價結(jié)果進(jìn)行檢驗。成功率曲線檢驗結(jié)果的AUC值為0.79，ROC曲線的AUC值為0.87(圖4)，一般當(dāng)AUC>0.5時，其AUC值越接近1說明評價結(jié)果精度越高，當(dāng)AUC值介于0.7～0.9時，說明結(jié)果較為準(zhǔn)確。上述檢驗結(jié)果表明，采用層次分析法對永德縣進(jìn)行的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價不僅具有方法簡便易操作、評價指標(biāo)因子數(shù)據(jù)能夠較為簡單的獲取等優(yōu)點，而且評價結(jié)果精度較高，方法可行。

圖4 評價結(jié)果精度檢驗曲線

4 結(jié) 論

(1) 在全面分析永德縣區(qū)域位置、地理環(huán)境、地質(zhì)概況以及地質(zhì)災(zāi)害空間分布特征等情況下，分別從地理環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、人類工程活動3個方面選取14個指標(biāo)因子構(gòu)建了永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)體系，并運用層次分析法分別計算了各指標(biāo)因子與要素層的權(quán)重，結(jié)合GIS的空間分析功能對永德縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評價與分析。

(2) 永德縣地質(zhì)災(zāi)害總體呈現(xiàn)為中易發(fā)狀態(tài)，中易發(fā)區(qū)域面積為1 386.01 km2，占全縣面積的44.09%，主要分布于小勐統(tǒng)鎮(zhèn)、永康鎮(zhèn)、崇崗鄉(xiāng)、大雪山鄉(xiāng)、德黨鎮(zhèn)、亞練鄉(xiāng)；高易發(fā)區(qū)域面積為852.51 km2，占全縣面積的27.13%，主要分布在永德縣的德黨鎮(zhèn)、永康鎮(zhèn)、崇崗鄉(xiāng)和勐板鄉(xiāng)。

(3) 永德縣地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)域內(nèi)出露的泥巖、砂巖、板巖等質(zhì)地較為松軟、節(jié)理裂隙較為發(fā)育的巖類在遭受到流水侵蝕、風(fēng)力剝蝕以及地質(zhì)構(gòu)造運動等各種內(nèi)外應(yīng)力的作用影響下風(fēng)化破碎，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了物質(zhì)來源。