基于EW-AHP-SIM評價體系的崩塌災害易發性評價

季鑫 楊曉飛 尚紹茜 張震

摘要：本文以易發性評價為基礎，從原生因素和誘發因素著手，構建“10因素”指標體系，通過比較目前多種評價模型，建立了EW-AHP-SIM崩塌評價體系，對西南某公路沿線6個隧道進出口進行了崩塌易發性評價。研究表明：熵權法（EW）、層次分析法（AHP）和綜合指數（SIM）耦合形式，彌補了熵權法采集數據的不準確和層次分析法的人為主觀性，科學合理地確定崩塌影響因子的權重。坡形S3、巖性S4、出露結構面S5、距斷裂距離S6和人類活動S10綜合權重值相對較高，介于0.102～0.191間，為敏感因子，植被覆蓋率S8和年平均降雨量S7綜合權重值相對較低，為非敏感因子。基于EW-AHP-SIM評價體系，得到6個低風險區、3個中風險區、3個高風險區，與研究區現場實際情況相一致，可為崩塌地質災害的預測和危巖落石風險評價提供參考價值。

關鍵詞：崩塌；易發性評價；熵權法；層次分析法；綜合指數法

中圖分類號：P641.8

文獻標識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.1672-6979.2023.07.006

引文格式：季鑫，楊曉飛，尚紹茜，等.基于EW-AHP-SIM評價體系的崩塌災害易發性評價［J］.山東國土資源，2023，39（7）：33-38. JI Xin， YANG Xiaofei， SHANG Shaoqian， et al. Evaluation of Collapse Disaster Vulnerability Based on EW-AHP-SIM Evaluation System［J］.Shandong Land and Resources，2023，39（7）：33-38.

0 引言

危巖落石潛在危害巨大，其可能在震動、降雨等外在驅動條件影響下，轉變為崩塌地質災害，對公路、鐵路、水利、房建等人民財產的安全產生嚴重威脅，由于崩塌地質災害影響因素眾多，當地的地質條件復雜，以及降雨、地震、風暴、人工等外界因素的不確定性導致崩塌地質災害預測困難重重。

目前，國內外在崩塌地質災害易發性評價方面使用方法分為定性評價和定量評價兩類［1］。定性方法主要以參數地圖法和野外地貌分析法為主［2］。定性方法評價出的結果有較高的主觀性，人為誤差較大，應用前景較為有限。定量方法有神經網絡分析法、模糊評判法、不確定性分析方法等。機器學習模型、神經網絡模型方法較為新穎，但其模型較為復雜，在實際應用上還存在缺陷［3-5］。模糊評判法較為簡單，但其原則也存在一定的不足，尤其在確定權值時采用的專家打分法有相當強的主觀性［6-8］。

確定崩塌災害各主控因素的權重對于建立相應的評價模型十分關鍵［11-15］。權值的計算方法有EW法、證權法、AHP法、ANN法、Logistic回歸法等［16-18］，均有其應用缺陷。層次分析法因為人為打分，最后分析出的成果會有很大的主觀性。熵權法確定權重計算簡單，沒有主觀性，但是可能因為采集的數據不準確，導致評價結果會有一定的偏差［19-20］。為提高評價模型中權重準確度，本文采用熵權法（EW）、層次分析法（AHP）和綜合指數（SIM）耦合形式來確定權重，可為崩塌地質災害的預測、防災減災提供簡單且科學的新方法和新思路。

1 研究區概況

研究區為某一級公路，里程為K35～K78，全長43km，沿線設隧道6座，屬大黑山中段南坡，為龍門山主脈，溝谷深切，自南向北地勢由高趨低，為中低山區，海拔高度在千米以上，河谷深切，相對高差最高達800m。沿線常發育有典型的高陡巖質邊坡（圖1a），邊坡受河流切割強烈，形成上緩下陡的地形。上部平緩處坡度為25°；下部山體陡峭，坡度達到60°～85°，高約20～100m。巖性主要發育有以安山玢巖和花崗巖為主的巖漿巖，以粉砂巖為主的沉積巖和以片麻巖為主的變質巖。

危巖區巖體破碎，呈強風化狀態，風化和卸荷裂隙發育，部分危巖體在多組節理裂隙切割下三面臨空（圖1e），為崩塌、滾石提供了空間條件。坡面發育多條沖溝，形成有利的運移通道。研究區內主要為亞熱帶季風氣候，雨量充沛，降雨量多集中在7—8月，平均月最大降雨量達160mm。研究區屬松潘-甘孜褶皺系和三江褶皺系（槽區），構造發育強烈，線路穿越3個活動斷裂。在地震、暴雨等工況影響，導致大量漸進性的崩塌、滾石事件，公路路面、內側擋墻和外側護欄都明顯可見落石沖擊留下的坑跡（圖1c），部分防護網現已經被嚴重損毀（圖1d）。最近一次具有一定規模的崩塌發生于2020年3月，由于強暴雨導致研究區局部發生了崩塌事件（圖1b），沖毀了多條被動防護網（圖1c）。

本文選取熵權法、層次分析法及綜合指數法組成EW-AHP-SIM崩塌評價體系，充分運用熵權法的客觀性和層次分析法的主觀性，求出各評價指標的主觀權重和客觀權重，在此基礎上得出復合權重，然后與綜合指數法相結合，求出研究區崩塌評價體系。

第一步，將各個指標的數據進行標準化處理。例如，給定了k個評價指標，每個指標有n個等級，假設對各指標數據標準化后的值為Y1，Y2，…，Yk，根據信息論中信息熵的定義，一組數據的信息熵：

Ej=-1lnn∑ni=1pijlnpij（1）

pij=Yij/∑ni=1Yi（2）

根據信息熵的計算公式，計算出各個指標的信息熵為E1，E2，…，Ek，通過信息熵計算各指標的權重：

Wi=1-Eik-∑Ei（i=1，2，…，k）（3）

第二步，對影響崩塌評價所考慮的因素進行層次劃分，建立層次結構模型，分析得出評價因子后，確定相應評價因子權重，通過對相關專家咨詢、現場實際情況、相關資料等方式，根據重要程度對評價因子進行打分，最后整體形成一個相對重要程度體系，通過AHP相應算法，可得到出每個因子的權重，最后要通過一致性檢驗，當隨機一致性比率CR＜0.1時，認為層次分析排序的結果滿意，即權系數的分配是合理的。否則，需調整判斷矩陣的因子取值，重新計算。

第三步，通過乘法合成歸一法將熵權法和層次分析法計算的成果進行歸一化，最終整合得出評價指標：

wj=（αj×βj）/∑mj=1（αjβj）（4）

式中：wj為第j個評價指標的綜合權重；αj，βj分別為第j個評價指標的主熵權法和層次分析法算出的權值。

第四步，將復合權重Sj帶入綜合指數法的數學公式中，求出崩塌地質災害的發生易發性指數，在明確評價指標、指標分級標準以及指標復合權重的基礎上，將每個指標的評分值與其對應的復合權重相乘疊加，從而得到每一個評價單元的綜合指數W，數值越大崩塌地質災害發生的可能性越高。

W=∑nj=1Sj×Xij（5）

式中：n為評價因子的個數；Sj為各評價因子的權重值；Xij為各評價因子經過概化歸一后的結果。

3 指標體系的建立

形成崩塌的影響因素眾多，通過對研究區地質災害的詳細調查，發現研究區公路沿線主要受地形地貌、地層巖性、巖體結構、斷裂構造、降雨強度控制，其中，研究區內巖石具有較強的抗風化能力，容易在高陡的斜坡發育形成危巖，特別是軟巖和軟硬相間、巖層與臨空面的組合關系是影響區內崩塌發展和發生的關鍵因素，且巖體層面與2組共軛結構面共同作用下切割形成鍥形體，在人工擾動和降雨入滲等外因作用下，有巖體的抗剪強度和黏聚力降低，獨立的楔形體從母巖中脫離形成危巖體，進而轉變為崩塌。

本文在沿線崩塌調查和前人經驗的基礎上，依托自然間斷法對全區信息進行分級，而后統計并計算災害點分布情況與要素控災權重，其中：災害占比=災害點/總災害點，要素占比=要素面積/總面積，控災程度=災害占比/要素占比。如“坡度”要素，利用GIS平臺獲取沿線坡度與崩塌災害分布圖（圖2），進而計算“坡度”要素控災權重（表1），尤其判定賦值標準為小于15°、15°～25°、＞25°。

按上述方法，共選取坡高、坡度、坡型、出露結構面、巖性、距主控斷裂距離、年平均降雨量、植被覆蓋率、巖石風化程度、人類活動強度10個主要因素，構成崩塌評價指標體系，各指標等級及評分見表2。

4 崩塌災害易發性評價

4.1 指標權重的確定

采用乘法合成歸一法，將主觀、客觀權值進行耦合、確定綜合權值。確權EW法的基本原理是權值與指標值的差異度呈正相關，是一種客觀的權值計算方法。將表2的調查數據帶入式（1）—式（5）中，可得出各評價因素的熵權法權重（表3）。

建立了評價崩塌易發性的層次結構模型（圖3），按層次分析法將多種因子之間的比較，轉換為兩兩因子的比較。通過對相關專家咨詢，已有研究成果和資料的參閱，以及對崩塌滑坡分布規律的分析，比較兩兩因子相比的重要程度，對因子進行賦值，從而建立因子重要性的判斷矩陣，進而使用層次分析的算法，計算得出每個因子的權重，建立起多因子的崩塌滑坡易發性評價模型，計算后權重依次見表3。

4.2 結果分析與討論

10個評價指標中，坡形S3、巖性S4、巖石風化程度S9、人類活動S10屬于定性指標；坡形S3、巖性S4、出露結構面S5、距斷裂距離S6和人類活動S10綜合權重值相對較高，介于0.102～0.191間，為敏感因子，而植被覆蓋率S8和年平均降雨量S7綜合權重值相對較低，為非敏感因子。

該研究區的公路沿線穿越6個隧道，共12個隧道進出口，其崩塌對公路的建設和運營安全有著嚴重的威脅，本文根據評價因子，對每個隧道進出口進行調查，基于EW-AHP-SIM評價體系進行崩塌易發性評價，基于《公路工程地質勘察規范》（JTGC20-2011）進行崩塌危險等級評價，其中規范法需根據崩塌發育程度、危害程度和誘發因素，結合地質環境條件，進行危險性現狀評估（表5）。

對比崩塌易發性評價結果和危巖落石危險等級評價結果，發現兩者有極大關聯性，高易發、中易發、低易發與極高風險/高風險、中風險、低風險相對應，說明基于EW-AHP-SIM評價體系的評價結果與研究區現場實際情況相一致，具有可行性和有效性，對崩塌地質災害的預測和危巖落石風險評價提供參考價值。

5 結論

（1）熵權法（EW）、層次分析法（AHP）和綜合指數（SIM）耦合形式，彌補了熵權法采集的數據的不準確和層次分析法的人為主觀性等各自方法的缺陷，更加科學合理地確定崩塌影響因子的權重。

（2）由指標權重的大小可以看出，坡形S3、巖性S4、出露結構面S5、距斷裂距離S6和人類活動S10綜合權重值相對較高，分別介于0.102～0.191間，為敏感因子，而植被覆蓋率S8和年平均降雨量S7綜合權重值相對較低，為非敏感因子。

（3）基于EW-AHP-SIM評價體系，評價共得到6個低風險區、3個中風險區、3個高風險區，與研究區現場實際情況相一致，可為崩塌地質災害的預測和危巖落石風險評價提供參考價值。

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Evaluation of Collapse Disaster Vulnerability Based on EW-AHP-SIM Evaluation System

JI Xin1，YANG Xiaofei1，SHANG Shaoqian2，ZHANG Zhen2

（1.Shandong Geophysical and Geochemical Exploration Institute，Shandong Ji'nan 250013，China；2. Shandong Deep Foundation Engineering Survey Limited Corporation，Shandong Ji'nan 250013， China）

Abstract： In view of the imperfection of current collapse vulnerability evaluation system， based on the vulnerability evaluation， the "10 factors" index system has been constructed from the two aspects of primary factors and induced factors， and the EW-AHP-SIM collapse vulnerability evaluation system has been established by comparing current multiple evaluation models， and the collapse vulnerability evaluation has been conducted for 6 tunnel entrances and exits along a highway in the southwest. It is showed that the coupling form of entropy weight method （EW）， analytic hierarchy process （AHP） and comprehensive index （SIM） makes up for the inaccuracy of the data collected by entropy weight method and the artificial subjectivity of analytic hierarchy process， and other shortcomings of their respective methods， so as to determine the weight of collapse impact factors more scientifically and reasonably. It can be seen from the size of index weight that the comprehensive weight values of slope shape S3， lithology S4， exposed structural plane S5， distance from fault S6 and human activity S10 are relatively high， ranging from 0.093 to 0.271， which are sensitive factors， while the comprehensive weight values of slope height S1 and vegetation coverage S8 are relatively low， which are non-sensitive factors. Based on the EW-AHP-SIM evaluation system， 6 low risk areas， 3 medium risk areas and 3 high risk areas have been obtained， which are consistent with the actual situation of the study area. It can provide some references for the prediction of collapse geological hazards and risk assessment of dangerous rock and rockfall.

Key words： Collapse; vulnerability evaluation; entropy weight method; analytic hierarchy process; composite index method

收稿日期：2023-02-02；

修訂日期：2023-03-29；

編輯：曹麗麗

基金項目：黃河流域（聊城—濟南段）生態地質調查評價（魯勘字〔2022〕18號）

作者簡介：季鑫（1982—），男，山東濟南人，高級工程師，主要從事水工環地質工作；E-mail：522091403@qq.com

通訊作者：張震（1990—），男，山東泰安人，工程師，主要從事水工環地質工作；E-mail：zzssq2023@126.com