基于斜坡單元下的AHP-信息量法在地質災害易發性評價中的應用

孫翊翔，賈 俊，張茂省，武文英

1.長安大學，陜西 西安 710054；2.中國地質調查局 西安地質調查中心，陜西 西安 710054

0 引言

地質災害易發性評價是指通過一定的分析方法，選取多種類型的評價因子，綜合分析這些因素對地質災害發生貢獻的大小，最終確定地質災害發生的可能程度［1-3］，進而對目標區域災害易發程度進行相對化分區，對地質災害的防治和管理具有重要的意義［4］.地質災害風險評價模型從最初的定性評價模型［5］發展到定量物理力學評價模型［6］，再到目前的綜合概率統計模型不斷發展完善.定性分析方法有專家打分模型和層次分析模型，定量分析方法有邏輯回歸模型、模糊綜合評判模型、人工神經網絡模型、信息量模型等［7-8］.常用的評價類型有網格單元、子流域單元、斜坡單元等［9］.調查縣區周邊每個斜坡和溝谷，有助于從源頭上控制地質災害風險［10］，斜坡是滑坡等災害發生的基本地形地貌單元，以斜坡作為評價單元比網格單元更為合理與準確［11-12］.運用AHP-信息量模型評價方法定量疊加計算［13］，解決了單個模型的缺點，使評價結果更為客觀準確［14］，最后通過數值劃分易發性等級［15］，并檢驗模型評價精度，在高山峽谷區域取得了較好的適用性成果.

1 研究區概況

1.1 地質背景

陜西省略陽縣地處秦嶺山區西段南坡，跨一級構造單元昆侖秦嶺褶皺系，構造極其復雜.區內降水時間分布極不均勻，7—9月降水約占全年降水量的50%以上，受地形地貌影響，降雨量分布趨勢由北向南遞增.又因總體地貌呈高山峽谷特征，地質環境脆弱，人類工程活動強烈，在地形地貌、地層巖性、地質構造、降雨及人類工程活動等各種因素的共同作用下，地質災害頻發.截至2021年6月，全區共確定地質災害點及隱患點229處，其中滑坡186處、崩塌26處、泥石流12處、地面塌陷5處，造成巨大財產安全隱患.查明地質環境條件并進行易發性區劃，對略陽縣制定監測方案和應急預案，完善群測群防機制具有重要的意義.

1.2 災害特征

本次研究范圍位于略陽縣城區內，面積約161 km2，沿嘉陵江、八渡河、東渡河交匯的河谷地帶展布.居民區主要沿著公路、河流的兩岸分布.野外調查一共查明地質災害隱患點151處（圖1），其中崩塌39處、滑坡112處.崩塌及滑坡主要分布在道路及村莊陡岸邊坡地帶，以及居民房前屋后邊坡處.滑坡類型以堆積層滑坡為主，沿河流兩岸及支溝斜坡成帶發育.

圖1 研究區地質災害分布圖Fig.1 Geological disaster distribution

2 評價方法

2.1 斜坡單元劃分

崩塌、滑坡等災害是以地質體整體為單位，傳統的柵格單元無法保證斜坡的整體性，也無法保證與地質環境條件的緊密聯系，故本研究采用斜坡單元作為評價單元.劃分方法為“集水重疊法”，即基于DEM的地表水文分析，地形填洼后利用正反地形分別提取出山谷線和山脊線，再把生成的集水區域與反集水區域融合，經過人工切割合并修正后即可得到斜坡單元.按此方法，將研究區域劃分為571個斜坡單元.

2.2 基于AHP的信息量法

AHP（層次分析法）是20世紀70年代中期Saaty提出的一種決策思維方法，把問題按照復雜程度及相關性分解為不同的層次和組成因素，將這些因素按支配關系分組形成有序的遞進層次結構，通過兩兩比較確定指標的相對重要性，再綜合人的判斷以決定諸多因素的相對重要性.首先建立問題的遞增層次結構，再通過構建矩陣計算出比較元素的相對權重，檢驗一致性后計算各層元素的組合權重.

式中，SI為地質災害綜合易發性指數，Wi為影響因素的權重，Fi為影響因素的指數.

但是僅憑AHP無法解決有較高定量要求的問題，因此引入吳樹仁提倡的地質災害統計分析評價與定量模型相結合的方法［16］，計算每個影響因素對斜坡破壞所提供的信息量值并作為定量指標，再考慮層次分析法得到的各層元素的權重值，利用空間分析功能賦值到斜坡單元上，最終得到整個研究區的綜合信息量圖層.

式中，I（Y，x1，x2，…，xn）為各個因素對地質災害所提供量；P（Y，x1，x2，…，xn）為各個因素組合條件下災害發生的概率.由此可以得出，地質災害發生的總的信息量值為某個因素提供的信息量值、該因素確定后另一因素提供的信息量值、兩個因素確定后的下個因素的提供的信息量，直到所有因素確定后xn對災害發生貢獻的信息量值的和.因此該模型充分考慮了各評價因素的綜合影響.

式中，N為研究區有地質災害分布的單元總數；S為研究區評價單元總數；Ni為分布在因素xi范圍內的地質災害單元數；Si為研究區內含有評價因素xi的單元數.由此得到某個因素xi對地質災害發生事件（H）貢獻的信息量，Ii即為各圖層各類別的信息量值.由此得到單因子圖層的信息量圖，再通過柵格疊加最終得到綜合信息量圖.

3 基于斜坡單元的評價指標體系

3.1 評價因子選取

根據略陽縣所處地理位置與氣候條件，把致災因素劃分為基本因素和誘發因素兩大類，基本因素包括地貌、巖土體結構、坡度、地形起伏度、距斷層帶距離以及斜坡結構；誘發因素包括距河流距離、距道路距離以及降雨量.

3.1.1 降雨量

降雨是誘發滑坡等地質災害最主要的因素［17-18］，降雨量的大小、強度、持續時間均能影響地質災害的形成.根據略陽縣氣象站多年觀測資料，該地區全年降水量分布不均勻，夏秋兩季降雨量最多，平均年降雨量約826.2 mm.以5 mm為間隔，將略陽縣降雨量數據劃分為11類（圖2）.

圖2 年均降雨量分布圖Fig.2 Distribution map of annual mean rainfall

3.1.2 坡度

坡度是引發地質災害發生的重要因素.斜坡坡度越大，臨空的危勢及斜坡內應力越大，發生災害的概率也隨之增加.根據研究區災害發育情況統計，以20°為間隔，將略陽縣坡度數據劃分為0°～20°、20°～40°、40°～60°、＞60°四類（圖3）.

圖3 坡度分區及災害分布圖Fig.3 Gradient zoning and disaster distribution map

3.1.3 地貌類型

根據地貌成因、形態，將研究區地貌劃分為4個單元，分別為侵蝕-堆積河谷區、剝蝕低山區、剝蝕中山區、剝蝕高中山區，如圖4所示.研究區內地勢地貌復雜，侵蝕切割強烈，地表水系發育，也為地質災害的形成提供了相應的地貌條件.

圖4 地貌單元及災害分布圖Fig.4 Geomorphic units and disaster distribution map

3.1.4 地形起伏度

地形起伏度是一個區域內最高點海拔與最低點海拔之間的差值，也是描述一個區域地形變化的宏觀性指標.根據略陽縣災害分布與地形起伏度之間的關系，劃分起伏度為0～15 m、15～30 m、30～45 m、＞45 m四類，并統計災害分布情況（圖5）.

圖5 地形起伏度分區及災害分布圖Fig.5 Topographic relief zoning and disaster distribution map

3.1.5 距斷裂距離

略陽縣城區地質災害密集分布于活動斷裂帶兩側地區，區內發育多條較大斷裂.距斷裂帶越近，越易發生地質災害，由此將距離斷裂帶距離劃分為0～50 m、50～100 m、100～150 m三類，并統計出各分區災點分布情況（圖6）.

圖6 地質構造及災害分布圖Fig.6 Geological structure and disaster distribution map

3.1.6 距河流距離

略陽縣居民區集中分布在嘉陵江、東渡河等河流兩岸，水是滑坡發生的主要誘發因素，河流的沖刷作用不斷侵蝕坡腳，易造成坡體整體失穩.根據災害點分布情況，將距河流距離劃分為0～80 m、80～160 m、160～240 m、240～320 m、＞320 m五類（圖7）.

圖7 水系分布及災害分布圖Fig.7 Water system and disaster distribution map

3.1.7 工程地質巖組

根據略陽縣重點區域出露的巖性、巖層產狀、巖體整體性及強度特征，將研究區工程地質巖組劃分為11類.滑坡、崩塌等災害多分布在黃土砂礫石及碎屑巖區域（圖8）.

圖8 工程地質巖組分區及災害分布圖Fig.8 Engineering geological rock group zoning and disaster distribution map

3.1.8 斜坡結構

斜坡結構特征對于滑坡、崩塌等地質災害的發生起到至關重要的作用.根據野外測量數據，在分析坡向與巖組性質的基礎上，將斜坡單元劃分為14類，并統計不同斜坡結構災害分布情況（圖9）.

圖9 斜坡結構類型分區及災害分布圖Fig.9 Slope structure type zoning and disaster distribution map

3.2 評價因子相關性分析

不同的評價因子對災害發生的貢獻不同，不重要的評價因子可能會帶來誤差，使得評價模型的精度降低.為了避免多個因子權重疊加的情況，根據ArcGIS波段集統計工具，對選取的評價指標進行相關性檢驗，檢驗結果如表1.評價因子中，道路距離因子與坡度因子的相關性為0.35389，道路距離因子與河流距離因子的相關性為0.3911，由此剔除道路指標.

表1 評價因子相關性指標Table 1 Evaluation factor correlation indexes

3.3 層次分析法計算權重

構建地質災害易發性評價模型，將評價指標體系分為基本因素和誘發因素.基本因素包括坡度、地形起伏度、巖土體類型、斜坡結構、構造特征和地貌類型；誘發因素分為降雨及水系影響.在確定各因子隸屬關系的基礎上，采用標度法構建判斷矩陣，并進行一致性檢驗，最終得到各因子權重.驗算一致性指標后根據計算結果，綜合得出矩陣的總層次組合權重（表2）.

表2 組合權重值Table 2 Combination weight values

3.4 信息量值計算結果

在GIS平臺下，運用區域統計功能劃分各圖層各分區災點個數，計算單層評價因子的信息量值，再乘以層次分析法計算獲得的圖層權重指標，得到易發因子綜合信息量值（表3）.

表3 評價因子總信息量值Table 3 Total information values of evaluation factors

利用GIS重分類功能，將各信息量值賦給相應的柵格圖層，并分區統計到斜坡單元上，將信息量值乘以層次分析法得到的圖層權重值，進而綜合疊加，可得到總信息量值.考慮計算的精確性，選取唯一值作為該斜坡單元的值（圖10）.

圖10 以斜坡單元劃分的各評價因子信息量圖Fig.10 Evaluation factor information maps by slope unit

4 易發性評價結果

4.1 崩滑易發性主要控制條件分析

根據各評價因子權重可得，在評價要素中，斜坡結構對地質災害發生貢獻的信息量最高，其中碎屑巖、碎石土復合型斜坡和碎屑巖順向、橫向斜坡的信息量值較為靠前，說明該類斜坡結構地區發生地質災害的可能性大，其他類型斜坡結構發生地質災害的可能性較??；其次是略陽縣居民區域集中分布于河流兩岸，距離河流的影響區越近，信息量值越大，體現出距離人類活動區域越近，地質災害發生的可能性越大這一基本規律，也體現出坡體穩定性受人工開挖坡腳、切坡修路的影響較大；降雨量高的地區，其信息量值相對較高，說明在高山峽谷區域，降雨也是誘發地質災害最主要的因素之一；地質構造作用明顯，沿斷裂兩側節理裂隙發育，易發生地質災害；就坡度和地形起伏度來說，坡度在60°以上、地形起伏度在45 m以上，信息量值越大，發生地質災害的可能性越大，但作用相對不明顯.

4.2 評價模型及精度

研究區綜合信息量疊加圖信息量值范圍為-0.159688264～＋1.17793107，利用自然斷點法重新分類后，可將略陽縣地質災害易發程度劃分為4級：非易發區、低易發區、中易發區和高易發區.對應的信息量區間為-0.159688264～-0.062365215、-0.062365212～＋0.020747597、0.020747597～0.095728212、0.095728212～1.17793107.經過平滑處理得到綜合分區結果圖（圖11）.

圖11 災害易發性分區圖Fig.11 Disaster susceptibility zoning map

由綜合分區結果圖可知，高易發區主要分布在略陽縣城西北側山區、西南側溝谷地區、印支-燕山第三期左行逆沖推覆構造帶附近及嘉陵江溝谷沿線一帶人口密集地區，該地區構造活動強烈，人類活動強烈，地質災害高發；中易發區主要分布在略陽縣東部逆沖推覆構造帶附近及加里東-海西第一期剝離斷層帶沿線，地勢起伏較大，人類活動較為強烈，不合理削坡導致的崩塌、滑坡地質災害發育；低易發區主要分布在略陽縣城西南側山區，少量分布在縣城南側鄉村聚集地區，地勢較為平緩，人口分布較少，人類活動不強烈；非易發區主要分布在嘉陵江、東渡河、八渡河等水系覆蓋流域，河流面開闊平緩，無人口分布，不易發生地質災害（表4）.

表4 斜坡單元評價結果表Table 4 Evaluation results of slope units

由評價結果可知，隨著易發性等級的升高，崩塌、滑坡等地質災害發生的概率也在隨之增高，有83.8%的地質災害發生于高易發區和中易發區.采用歷史災害點位于高-中易發區內的比例表示精度，可得該模型精度為83.8%.

為了進一步驗證模型精度，采用接收者操作特征曲線（receiver operating characteristic curve，ROC曲線）方法，將斜坡單元信息量值以及歷史發生災害作為評判依據，歸一化數據后通過SPSS軟件ROC曲線分析功能繪圖，得到ROC曲線（圖12）.由此得到漸近顯著性系數P為0.00034，AUC值為0.793，介于0.7和0.9之間，證明具有較好的評價精度.

圖12 ROC曲線Fig.12 Receiver operating characteristic curve

5 結論

1）根據略陽縣研究區地質災害特性，選取降雨量、坡度、地貌類型、工程地質巖組、地形起伏度、斷裂影響區、水系影響區、斜坡結構8個評價因子，采用基于AHP的信息量法，以斜坡為單元進行易發性分區，經過檢驗具有較好的評價精度.

2）略陽縣地質災害的發生具有明顯的時空規律，在空間上主要分布在略陽縣水系區域以及東南部，時間上集中于7—9月.其原因一方面是受構造運動、巖體結構和地質環境脆弱的影響；另一方面受降雨分布的影響.

3）以斜坡結構作為評價因子參與易發性評價中，充分考慮了不同類型斜坡特點與災害發生的關系，使斜坡單元評價更具合理性和層次性，提高了模型的適用性.

4）水系沿岸地區是災害高易發區域，也是居民聚集區域.受人類工程活動影響，不合理的邊坡開挖及建房修路導致災害頻發.在施工過程中應盡量避免開挖坡腳，同時采用相應的工程防治措施，提高地質災害的防治能力.