基于層次分析法的永德縣地質災害易發(fā)性評價

李 萍, 葉 輝, 談樹成

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

隨著社會經濟的不斷快速發(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，進而引發(fā)的地質災害活動愈發(fā)頻繁，對地區(qū)經濟發(fā)展建設、自然環(huán)境以及人類生命財產安全造成了極大的破壞且構成了嚴重的威脅[1]。利用3S(RS，GIS，GPS)技術及時、準確、高效地對區(qū)域內的地質災害進行調查評價與防治，不僅能夠減少各方面的損失而且對于推動當地的經濟建設活動也有很大的促進作用[2]。目前關于地質災害危險性評價的方法主要分為定性評價和定量評價兩種，定性評價主要側重于對不同地質災害進行分類型研究分析和災害成災理論方法上的研究，常常采用德爾菲法以及與地理密切相關的一些分析方法[3-6]；伴隨著計算機技術以及3S技術的不斷發(fā)展，越來越多的數學模型以及大量的定量評價的方法被運用到地質災害的危險性與易發(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行了分級與評價；王雷等8]結合GIS技術分別選取8個與地質災害密切相關的指標因子結合信息量模型對安徽省池州市地質災害的易發(fā)性進行了易發(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)性最為相關的15種評價指標對哈尼梯田核心區(qū)的滑坡易發(fā)性進行了評價，并選用ROC-AUC應試工作者特征曲線對評價結果進行了精度驗證；李益敏等[10]在GIS技術平臺支持下從地質、地理、氣候以及人類工程活動4個方面選取與斜坡地質災害敏感性密切相關的評價指標因子采用確定性系數與敏感性指數對怒江州的斜坡地質災害敏感性進行了評價與分析；吳常潤等[11]選用GIS技術首先對華寧縣的滑坡地質災害進行了詳細調查并建立了災害數據庫，然后選取了與滑坡地質災害易發(fā)性密切相關的評價因子并利用統(tǒng)計指數的方法分別計算了各個因子的權重，對華寧縣的滑坡災害易發(fā)性進行了評價與分析；魏江波等[12]將傳統(tǒng)的確定性系數法與AHP層次分析法進行結合提出一種新的加權確定性系數法對陜西省渭南市澄城縣的地質災害易發(fā)性進行了評價。雖然大量的學者分別選用了不同的模型與方法對不同地區(qū)不同類型的地質災害分別進行了評價與研究，但是由于地質災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)地質災害易發(fā)性需要分別建立不同的評價指標體系單獨進行評價與分析[13]。本文以云南省臨滄市永德縣為研究區(qū)，在現(xiàn)有研究文獻基礎上結合遙感科學、地質學、地理學等學科理論依據，以3S技術為支撐，結合永德縣地質災害詳細調查數據資料，在此基礎上建立科學可操作的評價指標體系對其進行評價與分析，為永德縣的地質災害防治預防等工作提供強有力的支撐與全新的基礎地質資料。

1 研究區(qū)概況與數據來源

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，地理坐標范圍為東經99°05′—99°50′，北緯23°45′—24°27′，國土總面積3 208 km2，東西最遠距離為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，縣內各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))及90%以上的村莊均通公路，但村道雨季行車困難，總體交通尚屬方便。根據中國地質調查局地質災害詳細調查數據資料統(tǒng)計顯示，永德縣域范圍內共計發(fā)生地質災害188處，其中崩塌9處，滑坡120處，泥石流25條，斜坡34處；災害等級為中型的滑坡共計4處，其余所有災害等級均為小型。

1.2 數據來源

開展本研究所用到的數據主要包括地質數據、地理數據以及統(tǒng)計數據三大類，地質數據均來自于全國地質資料館，地理數據統(tǒng)一采用像元大小為30 m的空間柵格數據，國民經濟統(tǒng)計數據均利用ArcGIS軟件的空間分析、插值分析等工具轉換為30 m的柵格數據，便于后續(xù)的統(tǒng)計分析，詳細數據來源見表1。

表1 研究區(qū)基本數據

2 研究方法

2.1 指標因子的選取

地質災害的危險性是在多種因素的作用與影響下發(fā)生的[15]，是各種地質環(huán)境因素相互影響以及不等量共同作用影響的結果。影響地質災害的形成與發(fā)展主要包括其控制作用的內在因素和起誘發(fā)破壞作用的外在因素兩方面，內因主要包括地形地貌、地層巖性、地質構造以及巖土體結構特征、水文地質等條件，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)域地質地理概況、地質災害的種類、規(guī)模、災險情特征以及前人的研究成果，擬從地理環(huán)境、地質環(huán)境、人類工程活動3個方面選取15個要素作為指標因子對永德縣地質災害易發(fā)性進行評價與分析。

2.2 權重的計算

AHP層次分析法對于解決受多因素影響的地質災害易發(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聯(lián)程度[16]。其主要的核心部分就是將整個問題進行分解，將地質災害的易發(fā)性作為目標層，然后繼續(xù)將目標層進行分解為準則層和要素層[17]，對同一準則層下的各個要素結合專家咨詢法以及相關文獻采用1—9標度法分別進行兩兩對比并構建判斷矩陣，計算出各要素層與準則層的權重[18]，最后對判斷矩陣進行一致性檢驗。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，需要對判斷矩陣進行調整之后再次進行權重計算和一致性檢驗，直至通過檢驗為止[19]，各評價指標因子的權重見表2。

表2 永德縣地質災害易發(fā)性評價因子分級與權重系數

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：

(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;CI代表判斷矩陣的一致性檢驗指標;CR代表隨機一致性比率。

3 結果與分析

3.1 地質災害易發(fā)性單因子評價

永德縣地質災害易發(fā)性評價從地理環(huán)境指數、地質環(huán)境指數以及人類工程活動3個方面累計選取與地質災害密切相關的坡度、坡向、地形起伏度、土地利用、植被覆蓋度指數、降雨量、距水系距離、距斷層距離、地質災害密度、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個指標因子。因為各個指標因子分別的來源不同，其原始的量綱有所差別，在此結合前人研究成果、地質災害易發(fā)性評價規(guī)范、GIS自然間斷點法以及相關地方標準對每個指標因子進行統(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)，詳細結果見圖1。

圖1 單指標因子評價

不同的地形對于地表物質的匯集以及流水的沖蝕程度都會有一定的影響，坡度對于地質災害的易發(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，同時影響著各地質災害點的不同力學分布特征；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)域地表物質較為松散，土壤水分蒸發(fā)較快，經過雨水沖蝕后容易流失，為泥石流、滑坡等地質災害提供了物質來源；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，對于地質災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災害的易發(fā)性影響差異較為明顯，近年來對于大量林地的破壞導致了水土流失、洪澇以及旱澇等各種自然災害，研究區(qū)域內人口基數較大，對于耕地的需求不斷擴張致使大量的林木被砍伐，因此導致的水土流失以及滑坡災害常有發(fā)生；降雨量、距水系距離等因素對于地質災害的發(fā)生有著決定性的作用，長時間流水對地表物質的沖蝕、侵蝕作用導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致滑坡、崩塌以及不穩(wěn)定斜坡等災害的發(fā)生；植被覆蓋度指數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)域植被覆蓋度指數越高，植被生長力及其生長狀況越好，越不容易發(fā)生地質災害，反之相反；距離斷層、道路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等要素的距離不同，地質災害的發(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致大量的水土物質流失以及地表結構的破壞，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)生地質災害；地層巖性不同其物質組成與力學性質均存在較大的差異，在泥巖、板巖、頁巖、砂礫巖、黏土層等物質較為松散的區(qū)域地質災害發(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，其地質災害發(fā)生幾率相對較低；地質災害密度反映的是一定區(qū)域范圍內地質災害數量的分布程度，地質災害密度較大的區(qū)域由于地表結構遭到破壞、力學性質不穩(wěn)定等因素的影響更加容易形成二次災害，密度較小的區(qū)域相對穩(wěn)定。

3.2 地質災害易發(fā)性綜合評價

由于地質災害的易發(fā)性來源于多個因素的影響與控制，采用線性加權求和函數結合ArcGIS的柵格計算功能，首先將地質環(huán)境指數、地理環(huán)境指數與人類工程活動3個要素層各個指標因子的柵格圖層分別乘以各自的權重得到要素層評價結果，最后將要素層乘以各自的權重進行疊加，便得到了永德縣地質災害易發(fā)性的評價結果(圖2)。最后將結果圖層采用自然間斷點法進行分級，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，所采用的數據能夠很有效的獲取到，評價結果具有較強的科學性和客觀性。公式如下：

圖2 永德縣地質災害易發(fā)性綜合評價結果

式中：Pi表示永德縣地質災害易發(fā)性的評價值；Xi表示各指標層的權重；Yi表示指標層的評價指標因子；n為因子項數。

根據永德縣地質災害易發(fā)性評價結果得知，永德縣地質災害總體呈現(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)近年來經濟發(fā)展迅速，大量建設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，進而引發(fā)大量地質災害。其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)地質災害易發(fā)性區(qū)域面積見圖3。

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

高易發(fā)區(qū)域內主要出露泥巖、砂巖、板巖等質地較為松軟、節(jié)理裂隙較為發(fā)育的巖類，其在遭受到流水侵蝕、風力剝蝕以及地質構造運動的作用影響下，結構破碎，易于風化，為地質災害的發(fā)育提供了物質來源。此外，伴隨著城鎮(zhèn)化建設步伐的不斷加快，大量的交通、水利等基礎建設項目不斷新增，礦產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，在可以預見的較長時間內，永德縣縣境內滑坡、泥石流等地質災害的活動水平將保持持續(xù)上升的態(tài)勢。因此相關職能部門在今后的地質災害防治工作中應將重心放在預防上，在各類工程建設項目的審批環(huán)節(jié)就應當考慮其對于自然生態(tài)環(huán)境的影響，權衡利弊，輔以治理，減少災害發(fā)生幾率。

3.3 精度驗證

在地質災害易發(fā)性與危險性評價工作的精度驗證中，經常采用成功率曲線和受試者工作特征曲線來進行檢驗。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、負評價樣本的預測能力和可分性較為適用[20-22]。在研究區(qū)域內分別隨機選取140處地質災害點與非災害點，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災害易發(fā)性評價結果進行檢驗。成功率曲線檢驗結果的AUC值為0.79，ROC曲線的AUC值為0.87(圖4)，一般當AUC>0.5時，其AUC值越接近1說明評價結果精度越高，當AUC值介于0.7～0.9時，說明結果較為準確。上述檢驗結果表明，采用層次分析法對永德縣進行的地質災害易發(fā)性評價不僅具有方法簡便易操作、評價指標因子數據能夠較為簡單的獲取等優(yōu)點，而且評價結果精度較高，方法可行。

圖4 評價結果精度檢驗曲線

4 結 論

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

(2) 永德縣地質災害總體呈現(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) 永德縣地質災害高易發(fā)區(qū)域內出露的泥巖、砂巖、板巖等質地較為松軟、節(jié)理裂隙較為發(fā)育的巖類在遭受到流水侵蝕、風力剝蝕以及地質構造運動等各種內外應力的作用影響下風化破碎，為地質災害的發(fā)育提供了物質來源。