基于AHP 和GIS 的舟曲地質災害易發性評價

賈麗娜，陳世昌

（甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室，甘肅省地質環境監測院，甘肅 蘭州 730050）

舟曲縣山大溝深、巖體破碎、構造發育、軟巖遍布、暴雨和地震頻發、多發，地質災害十分發育，是全國滑坡、泥石流強烈發育區之一（汪美華等，2023），被列為長江上游水土保持重點治理縣。從2010 年開始舟曲縣相續發生了“8.8”特大山洪泥石流、南峪江頂崖滑坡、東山牙豁口滑坡和2021 年的立節北山、果耶磨里滑坡，災害的發生造成了巨大經濟財產損失和人員傷亡，同時也為防災減災工作帶來一定挑戰。因此，舟曲縣地質災害防治工作備受重視，地質災害調查評價、監測預警等綜合防治體系愈加完善（劉傳正等，2020），避險搬遷有序進行。易發性評價作為地質災害調查評價的基礎工作（吳樹仁等，2009），可為城鎮規劃發展以及工程建設提供決策參考。

關于地質災害易發性的研究，關注點多在評價方法。自20 世紀60 年代起，評價方法由單一的數學統計法和機器學習模型（Ayalew et al.，2005；許沖等，2009；張俊等，2016；方然可等，2021；趙東亮等，2021；張林梵等，2022；孟曉捷等，2022；賈俊等，2023），逐漸發展到多方法結合（Capparelli et al.，2011；許英姿等，2016；賈麗娜等，2018；張玘愷等，2020；羅路廣等，2021a；王高峰等，2021；張文居等，2022），不同方法各有千秋，快速、精準地建立模型在實際工作中更為實用。在評價因子選取方面，往往忽略孕災地質條件分析，過分依賴個人經驗，導致有的評價因子缺乏針對性和代表性（羅路廣等，2021b）。

鑒于此，筆者依托2020～2021 年實施完成的《舟曲縣1∶50 000 地質災害風險調查評價》項目（陳世昌等，2021），利用最新的地質災害調查數據，研究區域內孕災地質條件和地質災害發育的相關性，選取合適的評價因子，運用層次分析法，進行舟曲縣地質災害易發性評價，為地方政府防災減災提供可靠的參考依據。

1 孕災地質條件分析

孕災地質條件包括多種基礎地質要素，是研究地質災害形成的關鍵，也是易發性制圖的根基（樂琪浪等，2015；王高峰等，2016，2017）。

1.1 地形地貌與地質災害

地形地貌分為宏觀和微觀，共同構成地質災害形成的重要條件。宏觀地貌例如山區、河谷，受構造運動影響，形成過程漫長且不易改變；微觀地貌例如坡高、坡度，除自然形成外，還明顯受人類工程活動影響，其變化往往會引發不同規模的地質災害。

1.1.1 宏觀地形地貌與地質災害的關系

研究區位于西秦嶺中高山區，山峻谷深，溝壑縱橫，侵蝕切割強烈，宏觀上分為侵蝕構造山地和侵蝕堆積河谷平原。地質災害隱患點多集中在侵蝕構造山地。

在侵蝕構造山區，遭受侵蝕、強風化作用的基巖構成中山、高山主體，表層覆蓋較厚松散的殘坡積層，局部裸露基巖節理裂隙發育，巖石極為破碎，在自然狀態下較易發生滑坡、崩塌等地質災害，雨季暴雨時可為泥石流災害提供充足的物源（熊德清等，2021）。

1.1.2 微觀地形地貌與地質災害的關系

（1）對滑坡、崩塌的影響

坡形直接影響崩滑災害的形成（孫萍萍等，2019）。凸形、直線形、階梯形和凹形是區內坡形的主要類型。對研究區172 處斜坡類災害的統計分析表明，崩塌災害發生于應力集中程度高的凸形和直線形正向類型斜坡?；轮饕l生于凹形和凸形斜坡，占總滑坡數量的63.6%。部分滑坡群分布于高陡坡體的第一斜坡帶，坡腳處多無巖土體支撐，坡形多呈直線形或凸形；受構造、地下水影響發生過多次滑動的大滑坡多分布在山體坡腳較緩斜坡上，天然坡度20°左右，斜坡形態一般呈凹形（表1）。

表1 崩塌、滑坡對應坡形統計表Tab.1 Slope shape statistics corresponding to collapse and landslide

坡度影響斜坡的應力大小與分布。利用DEM 提取坡度，統計不同坡度區間的災害數量。統計結果如下：崩塌所在斜坡坡度為40°～85°，多分布在60°以上的陡崖；滑坡所在斜坡坡度為15°～60°，多分布于25°～45°之間的陡坡地段（表2）。

表2 不同坡度區間崩塌滑坡發生概率統計表Tab.2 Statistics of collapse and landslide occurrence in different slope gradient intervals

坡高控制斜坡的應力大小。低邊坡受人類工程活動影響強烈，多發生削坡建房、建廠等，較大臨空面易發育崩塌；高邊坡（主要指100～400 m 之間）的影響因素較多，易發生滑坡。根據統計結果，坡高0～100 m 區間內，崩塌發生的次數及比率最高，數量有19 處，占崩塌總數59.4%；滑坡發生比率較高的區間是50～400 m，共95 處，占滑坡總數的67.8%（表3）。

表3 不同坡高區間崩塌滑坡發生概率統計表Tab.3 Statistics of collapse and landslide occurrence in different slope height intervals

（2）對泥石流的影響

影響泥石流的地形地貌主要包括主溝縱坡、溝坡坡度、流域面積和相對高差，其控制著泥石流的形成（白永健等，2014a）。

主溝縱坡為泥石流的形成提供動力。對區內124 條泥石流溝谷的主溝縱坡進行統計（表4）發現，平均主溝縱坡為10%～50% 的溝谷占總數的75.8%，說明在此區間的溝床比降對泥石流的形成和運動最為有利；主溝縱坡＞10%的占總數的89.5%，這與舟曲縣山大谷深的地形地貌有關。

表4 泥石流主溝縱坡統計表Tab.4 Statistics of longitudinal slope of main gully of debris flow

溝坡坡度影響松散物質堆積量和降雨匯集速度。據統計，泥石流在26°～45°之間最為發育，共計100 條，占總數的80.6%；高易發和中易發泥石流的數量分別為2 條和90 條，分別占各自類型總數的100%和84.1%（表5）。

表5 泥石流山坡坡度統計表Tab.5 Statistics of debris flow in different slope ranges

流域面積小利于泥石流的形成。對區內124 條泥石流進行統計，10 km2以下的有90 條，占總數的72.6%。此區間內，易發性中、高泥石流分別為76 條和2 條，均占到各自類別數量的70%以上（表6）。

表6 泥石流流域面積統計表Tab.6 Statistics of debris flow in different watershed areas

相對高差為泥石流的形成提供動能和勢能。94條泥石流發育于500～2 000 m 的相對高差，占總量的75.8%，反映了舟曲縣地形起伏較大的特征（表7）。

表7 泥石流相對高差統計表Tab.7 Statistics of debris flow in different relative elevation ranges

1.2 地質構造與地質災害

地質構造通過對地形地貌、地層巖性、斷裂褶皺和地震分布的控制，影響著地質災害的發育程度與分布規律（白永健等，2014b）。

（1）構造控制地質災害的總體分布

區域性總體抬升的新構造運動是控制區內地質災害發育的重要因素。研究區發育的崩滑災害受控于西秦嶺褶皺帶，尤其是白龍江斷裂褶皺帶，構造線呈NW～SE 向展布，經多期強烈的構造運動，地質構造十分發育，利于地質災害的形成。

（2）斷裂對崩塌、滑坡的控制

斷裂對崩滑災害具有控制性，常造成巖體破碎、地下水活動異常等（彭建兵，2006；張永雙等，2016）。

舟曲縣滑坡呈帶狀集中分布于斷裂帶兩側附近，以坪定-化馬斷裂帶為典型。沿該斷裂帶的北坪定鄉—東山鄉25km 長的范圍內發育有多處較大規?；?，形成一個鎖兒頭-泄流坡-中牌滑坡密集帶。

崩塌分布也明顯受斷裂控制，特別是三眼峪溝、羅家峪溝、峪子溝等幾條較大支溝的中下游區斷裂與溝谷岸坡交匯位置基巖、碎石土崩塌較為發育。白龍江南岸山區硬質巖區發育的斷裂帶與溝谷陡崖交互地帶也是基巖崩塌密集分布的地帶。

1.3 工程地質巖組與地質災害

工程地質巖組是崩滑流形成的“地基”式組成，控制地質災害發育（黃潤秋等，2008）。

（1）對泥石流的控制

研究區泥石流分為兩種類型：泥石流和水石流，與地層分布息息相關。泥石流發育區多為志留系、泥盆系板巖、千枚巖以及石炭系灰巖，受構造運動影響，巖體構造裂隙發育，風化較強，力學性質一般。水石流發育區多集中于中生界硬質巖，地層巖性及巖土體結構對斜坡的穩定較為有利，滑坡、崩塌等重力堆積物不發育，山坡、溝道中堆積的松散固體物質相對較少，受固體物質補給量的限制，災害以山洪為主，局部發育水石流溝。

研究區易發泥石流的地層主要有古生界千枚巖、板巖等變質巖，此類地層巖體本身較為破碎，加之風化作用，使得表面堆積有較厚松散物質，為泥石流的形成提供固體物質儲備。棱角狀碎屑使其具有較強裹攜能力，易侵蝕溝床，促進泥石流的發育。

（2）對滑坡、崩塌的控制

區內易發生滑坡的地層有：第四系黃土、碎石土堆積層和中～古生界千枚巖、板巖等。黃土的特殊物理力學性質為滑坡的發育提供了基本條件，疏松、不穩定的結構，決定了其內聚力較低。碎石土堆積層土石混雜，結構松散，底部與基巖的接觸面傾向坡外，內部分布有傾向坡外且較連續的由千枚巖等變質巖風化巖屑構成的細粒土透鏡體夾層，抗剪能力差，且相對隔水，千枚巖、板巖、片巖等軟弱巖層的存在，使得這些巖土質斜坡的穩定性大為降低。

區內易發生崩塌的地層有：第四系黃土，志留系、泥盆系千枚巖、板巖，二疊系、三疊系灰巖和其他硬質基巖。值得一提的是，其它硬質基巖形成較早，發育節理裂隙，在降雨、特別是地震作用下，易發生崩塌。區內西南部較大溝谷中常見以落石的形式崩落于溝谷之中，溝谷鄉間公路兩側也有發育。

1.4 生態環境與地質災害

生態環境主要指地表植被，它能通過地表保護、控制徑流等間接影響地質災害的發育。

（1）對滑坡的影響

地表缺乏植被保護，會加速表層風化，降雨迅速流入孔隙裂縫中，下滲至坡體軟弱面，易形成滑坡。

（2）對泥石流的影響

植被葉片的蒸騰作用可消耗一定的降雨，同時根莖、落葉等能夠吸收部分地表降雨，調節地面雨水的徑流量以及徑流速度，從而降低雨水裹攜松散物質的動能，對泥石流的形成具有抑制作用。

2 地質災害易發性評價

2.1 數據源

數據源主要包括（表8）：①地質災害隱患點的數據來自2021 年開展的舟曲縣1∶50 000 地質災害風險調查評價項目。②DEM 數據為30 m×30 m 分辨率的公開數據源，用于提取坡度、坡型、切割深度、溝壑密度等地形地貌參數。③1∶50 000 孕災地質條件圖（圖1），用于提取巖土體類型、地質構造等信息。④2019 年4 月的ETM+遙感數據，用于計算植被指數NDVI。

表8 數據來源一覽表Tab.8 List of data sources

根據調查成果，舟曲縣共確定地質災害隱患點299 處，其中泥石流124 處，占總數41.5%，滑坡140 處，占總數46.8%，崩塌32 處，占總數10.7%，地面塌陷3 處，占總數1%（圖2）。

圖2 舟曲縣地質災害分布圖Fig.2 Map of geological hazard distribution in Zhouqu County

研究區地質災害易發性評價采用層次分析法，依據評價因子的內在關系，建立層次結構模型，并逐個評判各因子之間的重要程度，建立判斷矩陣，最終確定所有因子的權重。

2.2 指標體系

地質災害易發性是地質災害發育現狀的具體表現，同時需要考慮孕災地質環境背景的復雜性。因此，本研究評價指標體系構建如下：地質災害易發性→發育因子、孕災地質條件因子→11 個具體的評價指標（圖3）。

圖3 地質災害易發性評價指標體系Fig.3 Evaluation index system of geohazards susceptibility

2.3 評價模型

地質災害易發性評價采用線性組合，根據評價指標體系，建立11 個評價因子的量化數據庫，消除量綱進行歸一化處理，確定其權重，運用GIS 的柵格計算器工具，疊加處理，具體評價模型為：

式中：Y為易發性指數；w1、w2…wn為各評價因子；x1、x2…xn為各評價因子對應的權重。

2.4 評價指標量化

（1）發育因子

發育因子主要考慮地質災害發育程度，與其分布和數量有關，還得考慮災害的規模大小?；跍蚀_性與可操作性，地質災害數量、面積與體積資料詳實，可作為發育因子的評價指標。將全域劃分為2.5 km×2.5 km的網格，以小網格為基準進行計算（圖4）。

圖4 地質災害發育因子歸一化圖Fig.4 Normalized map of geohazards development factors

地質災害頻率比（C1）：設某單元格為（m，n），其面積為S（m，n），單元內發育災害數量為q（m，n），單元內的災害頻率密度為：

全域總面積S，總災害數量Q，頻率比為：

則：第（m，n）單元格災害頻率比為：

同理，地質災害面積模數比（C2）與地質災害體積模數比（C3）不再贅述。

（2）孕災地質條件因子

根據孕災地質條件分析結果，共選取了地形地貌數據、巖土體類型數據等八個對地質災害發育影響較大的因子，進行歸一化處理（圖5），量化信息見表9。

圖5 地質災害孕災因子歸一化圖Fig.5 Normalized map of geohazards -pregnant factors

表9 孕災地質條件因子量化一覽表Tab.9 Quantitative list of disaster-pregnant geological conditions

2.5 易發性分區

獲得基礎評價因子的歸一化圖層后，按照AHP模型，運用GIS 進行疊加計算，運用自然間斷法將疊加結果分為極高易發區、高易發區、中易發區、低易發區等4 類，對應的面積分別為68.98 km2（占總面積的2.29%）、390.9 km2（占總面積的12.97%）、1 166.21 km2（占總面積的38.70%）、1 387.76 km2（占總面積的46.05%）（表10，圖6）。

圖6 舟曲縣地質災害易發性分區圖Fig.6 Division of geohazards susceptibility in Zhouqu County

表10 地質災害易發性統計表Tab.10 Statistics of geohazards susceptibility

根據分區結果，地質災害極高易發區主要分布在縣域北部白龍江流域（曲瓦-巴藏-立節-憨班-峰迭-舟曲縣城-南峪-大川-兩河口）以及石門溝流域，高易發區域主要分布在拱壩河流域中下游和博峪河流域舟曲段中部區域，中易發區呈條帶狀貫穿了舟曲縣中部和北部部分區域，低易發區位于舟曲縣東北邊緣與宕昌接壤地帶以及西南邊緣與文縣、四川省九寨溝縣接壤地帶。

為驗證易發性分區的可靠性，對落入各分區的災害點進行統計，并計算頻率比（災害點數量占比/易發面積占比），由計算結果可知，極高易發區和高易發區雖然面積只占全縣面積的15.26%，但區內災害點占比達73.58%，頻率比也與易發性等級相呼應。

3 結論

（1）地形地貌是舟曲縣地質災害發生的先決條件。易發生滑坡的微地貌為：坡形為凹形或凸形，坡度范圍為15°～60°，多分布于25°～45°的陡坡地段，坡高為50～400 m 區間內；易發生崩塌的微地貌為：坡形為直線形，坡度范圍為40°～85°，多分布在60°以上的陡崖，坡高0～100 m 區間內；易發生泥石流的微地貌：溝谷平均主溝縱坡為10%～50%，山坡坡度優勢區間為26°～45°，流域面積為0～10 km2。

（2）舟曲縣地質災害受地質構造控制明顯。其中滑坡、崩塌、泥石流等地質災害隱患點主要分布于坪定—化馬斷裂帶等幾大斷裂構造帶內及其次級斷層的兩側附近。

（3）工程地質巖組是滑坡、崩塌、泥石流等地質災害發生、發展的重要內因和物質基礎。志留系、泥盆系等古生界地層出露區是泥石流災害最易發的地區，易滑地層有黃土、碎石土堆積層、千枚巖、板巖等地層，易崩地層有第四系黃土、志留系、泥盆系千枚巖、板巖，二疊系、三疊系灰巖和其他硬質基巖。

（4）根據孕災地質條件分析，舟曲縣地質災害易發性評價指標分為發育因子和孕災地質條件因子，其中發育因子包括地質災害頻率比、地質災害面積模數比、地質災害體積模數比，孕災地質條件因子包括坡度、坡度變化率、坡形、切割深度、溝壑密度、巖土體類型、地質構造、植被指數，建立AHP 評價模型，確定各因子權重，綜合評價舟曲縣地質災害易發性。

（5）舟曲縣地質災害易發性評價結果分為極高易發區、高易發區、中易發區、低易發區，對應的面積分別為68.98 km2（占總面積的2.29%）、390.9 km2（占總面積的12.97%）、1 166.21 km2（占總面積的38.70%）、1 387.76 km2（占總面積的46.05%）。地質災害極高易發區主要分布在縣域北部白龍江流域以及石門溝流域，高易發區域主要分布在拱壩河流域中下游和博峪河流域舟曲段中部區域。應用頻率比法進行不同分區內災害點數量統計，結果與易發性等級相呼應，驗證了本研究易發性分區的可靠性。