張 羽，尹明玉，魏美璇，李 娜，喬天罡，楊清福

(1.吉林省地震局，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061)

基于GIS的吉林省預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃研究

張 羽1，尹明玉2，魏美璇1，李 娜1，喬天罡1，楊清福1

(1.吉林省地震局，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130061)

運(yùn)用層次分析法(AHP)分析了影響吉林省地震滑坡災(zāi)害的地震動(dòng)峰值加速度、地質(zhì)、地貌、坡度、植被覆蓋率、降水量6類影響因子，計(jì)算了各影響因子的權(quán)重系數(shù)，使用ARCGIS10地理信息平臺(tái)進(jìn)行了地震滑坡預(yù)測(cè)指數(shù)運(yùn)算，繪制了12—2月、9—11月、3—5月、6—8月4個(gè)時(shí)間區(qū)間的預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃圖.結(jié)果表明：吉林市東南部、通化市東部、長(zhǎng)白山天池火山區(qū)、延吉市周邊為地震滑坡災(zāi)害的高發(fā)區(qū)域，特別是在6—8月間，降水雨可達(dá)600 mm，發(fā)生嚴(yán)重滑坡災(zāi)害區(qū)域的面積可達(dá)到1 463 km2；平原地區(qū)全年基本都不易發(fā)生地震滑坡災(zāi)害.

地震滑坡；層次分析法；地理信息系統(tǒng)；ARCGIS10

地震滑坡是常見的自然災(zāi)害，是由地震引起的滑坡體沿緩傾面剪切移動(dòng)的失穩(wěn)現(xiàn)象.[1]以往地震事件的研究表明，幾乎發(fā)生在山區(qū)的所有中、強(qiáng)地震事件都可以誘發(fā)不同規(guī)模的滑坡災(zāi)害.[2]地震誘發(fā)滑坡災(zāi)害造成的損失非常大，如2008年5月12日發(fā)生的汶川M 8.0級(jí)地震誘發(fā)的滑坡災(zāi)害損失占到總損失的三成.[3]吉林省近年來(lái)地震活動(dòng)比較活躍，特別是2013年底發(fā)生的M 5.8級(jí)地震震群事件，是近40年來(lái)發(fā)生的最大的地震災(zāi)害，東部山區(qū)雨季降水量較多，更容易誘發(fā)地震滑坡災(zāi)害.在地震活躍的背景下，發(fā)生地震滑坡災(zāi)害的概率更高，而吉林省目前仍未有地圖化的預(yù)測(cè)地震滑坡的研究成果，亟待解決.本文編制了吉林省預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃圖，以精確的地理信息成果解釋了災(zāi)害的分布特征，從而提高了政府與相關(guān)部門對(duì)地震災(zāi)害事件的應(yīng)對(duì)能力，進(jìn)一步減少災(zāi)害損失，研究成果將填補(bǔ)該技術(shù)領(lǐng)域的空白.

目前國(guó)內(nèi)進(jìn)行的地震滑坡研究多采用統(tǒng)計(jì)方法，以地震烈度作為影響因素，人為劃分和分類的計(jì)算結(jié)果非常主觀.因此，本文將影響地震滑坡災(zāi)害的因素分為外部因素、內(nèi)部因素、時(shí)間因素，綜合詮釋災(zāi)害影響因素的構(gòu)成.其中，外部因素指地震力作用，研究地震動(dòng)峰值加速度分布特征；內(nèi)部因素是固有因素，指研究區(qū)地質(zhì)、地貌、坡度、植被覆蓋率的分布情況；時(shí)間因素是不同時(shí)間的差異，研究各時(shí)間區(qū)間內(nèi)降水量的差異.為保證研究成果的客觀性，本文使用層次分析法(AHP)進(jìn)行影響因素的劃分和權(quán)重系數(shù)計(jì)算，將地震滑坡災(zāi)害的各個(gè)影像因素處理為可量化的影響因子[4]，科學(xué)客觀地計(jì)算6類影響因子權(quán)重關(guān)系[5]，減少人為的主觀判斷偏差，科學(xué)地獲得結(jié)果.使用ARCGIS10地理信息平臺(tái)繪制研究成果[6]，以通用的GeoTIFF格式存儲(chǔ)，研究結(jié)果可以直接移植到任何一個(gè)地理信息平臺(tái)，以基礎(chǔ)底圖或者基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)的形式，推廣應(yīng)用到政府災(zāi)害應(yīng)對(duì)部門、科研院所、大專院校等多個(gè)領(lǐng)域，更為全面地提高應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力.

1 影響地震滑坡的主要因素

1.1 地震動(dòng)峰值加速度

地震是產(chǎn)生滑坡的動(dòng)力作用，是造成地震災(zāi)害損失的主要因素.地震動(dòng)峰值加速度是地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的加速度，是確定烈度的依據(jù)和反映地震災(zāi)害強(qiáng)度的指標(biāo)，也是影響滑坡災(zāi)害的重要因子.我國(guó)現(xiàn)用地震動(dòng)區(qū)劃成果有50年大震63%、中震10%和小震2%三種超越概率 的區(qū)劃數(shù)據(jù)[7]，依據(jù)吉林省地震構(gòu)造背景，本文選用中國(guó)地震局第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃50年超越概率10%的成果作為影響因子.由圖1可見，吉林省西北部平原地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值最高，尤其是松原地區(qū)可達(dá)0.20g，2013年底松原市前郭縣發(fā)生的M 5.8級(jí)地震都在該區(qū)域內(nèi)，是地震造成滑坡災(zāi)害的高發(fā)區(qū)域.

圖1 地震動(dòng)峰值加速度分布圖

圖2 吉林省地貌特征分布圖

1.2 地質(zhì)環(huán)境背景

地層和巖體的性質(zhì)、時(shí)代、成因都是滑坡災(zāi)害區(qū)劃的重要影響因子.吉林省西部多為平原與盆地，主要以第四系地層為主，包括全新統(tǒng)，上、中、下更新統(tǒng)，上、下第三系，白堊紀(jì)及以前的老地層.東部多為山區(qū)，主要以侵入巖為主，包括喜山期、燕山期、印支期、華力西期、加里東期侵入巖.長(zhǎng)白山火山區(qū)和中部密山-敦化斷裂帶主要以噴出巖為主，包括全新統(tǒng)，晚、中、早更新世，晚、早第三紀(jì)玄武巖；全新統(tǒng)，中更新統(tǒng)粗面巖.復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境背景決定了吉林省極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害[8]，近年來(lái)地震活動(dòng)頻繁，加劇了滑坡災(zāi)害的發(fā)生.

1.3 地貌

吉林省地貌特征復(fù)雜，各區(qū)域差別較大，是地震滑坡災(zāi)害發(fā)生的潛在因素.根據(jù)地貌差異性可將吉林省由東向西分為4個(gè)特征區(qū)域(見表1、圖2).第一，東部長(zhǎng)白山區(qū)，面積71 000 km2，占全省面積的38%，海拔多在1 000 m以上，相對(duì)高差大于500 m，包括以花崗巖構(gòu)成為主的延邊中低起伏山、復(fù)雜巖性構(gòu)成的老嶺-龍崗中低起伏山，由第四紀(jì)噴出巖組成的長(zhǎng)白山天池火山大起伏中山.第二，中部低海拔丘陵區(qū)，面積41 000 km2，占全省面積的22%，海拔500～1 000 m，相對(duì)高差不超過200 m，多為表層風(fēng)化的花崗巖低海拔丘陵及碎屑巖臺(tái)地.第三，松遼高平原區(qū)，面積28 000 km2，占全省面積的15%，海拔200 m左右，相對(duì)高差不超過50 m，包括高臺(tái)地、波狀臺(tái)地與河谷平原.第四，西部松遼低平原區(qū)，面積47 000 km2，占全省面積的25%，海拔普遍低于200 m，相對(duì)高差多為10 m左右，由沖積、湖積平原組成.

表1 吉林省地貌特征分區(qū)表

1.4 坡度

吉林省西部平原區(qū)坡度變化較小，東部山區(qū)坡度變化較大，隨著坡度的增加造成滑動(dòng)面的坡體結(jié)構(gòu)面傾角增大，導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性下降，從而增大地震滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率.[9]本文使用的坡度數(shù)據(jù)為中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供的坡度格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，空間分辨率30 m，取值為角度，原始數(shù)據(jù)來(lái)源于SRTM高程數(shù)據(jù).研究中使用ARCGIS10平臺(tái)對(duì)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(reclassify)，按不同坡度角度值分成6個(gè)區(qū)間(見圖3)，將雙精度值的數(shù)據(jù)重分類為可量化的整型值影響因子.

圖3 吉林省坡度重分類分布圖

圖4 吉林省植被覆蓋率分布圖

1.5 植被覆蓋率

植被覆蓋率與降雨量相互作用直接影響滑坡災(zāi)害的發(fā)生概率[10].降雨量較低時(shí)，由于植被對(duì)降水的截流作用，植被覆蓋率高、生物量高的區(qū)域，滑坡災(zāi)害發(fā)生概率較低；降雨量較高時(shí)，由于植被對(duì)滑坡體的重力作用，植被覆蓋率高、生物量高的區(qū)域，滑坡災(zāi)害的發(fā)生概率加大.本文研究使用的植被覆蓋率數(shù)據(jù)為中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所提供的植被覆蓋格網(wǎng)數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)基于MODIS的NDVI產(chǎn)品獲取，取值為0～100%的植被覆蓋程度百分?jǐn)?shù)(見圖4).

1.6 降水量

降水量影響地表濕度，濕度增加使地表強(qiáng)度下降，增大地震破壞的易損性；大量降水造成的河流與洪水侵蝕作用，致使斜坡和岸坡的地震穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致滑坡災(zāi)害的概率增高.[11]本文使用的降水量數(shù)據(jù)為吉林省全年每個(gè)月平均降水量格網(wǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)吉林省本地化季節(jié)與降水特點(diǎn)，將12個(gè)月份分為4個(gè)時(shí)間區(qū)間進(jìn)行研究，分別為12—2月、3—5月、6—8月、9—11月.由圖5可見，12—2月期間降水量最少，6—8月期間降水量最多，局部地區(qū)最高降水量可達(dá)600 mm以上.由于每個(gè)時(shí)間區(qū)間降水量差異較大，為滿足格網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示要求，使用等間距方法分割降水量區(qū)間，使用ARCGIS10平臺(tái)繪制降水量(mm)分布圖(見圖5).

2 地震滑坡系數(shù)提取與重分類

2.1 使用AHP方法進(jìn)行權(quán)重系數(shù)計(jì)算

預(yù)測(cè)地震滑坡系數(shù)受到6個(gè)影響因子的制約，為了更為客觀地評(píng)價(jià)各影響因子的權(quán)重關(guān)系，科學(xué)計(jì)算地震滑坡系數(shù)，本文研究使用層次分析法(AHP)進(jìn)行權(quán)重系數(shù)計(jì)算.通過該方法對(duì)6個(gè)影響因子進(jìn)行兩兩比較，比值為1說(shuō)明兩個(gè)因子同樣重要，比值為3說(shuō)明前者比后者稍微重要，比值為5說(shuō)明前者比后者明顯重要，比值為7說(shuō)明前者比后者十分重要[12]，遵循該原則建立的6階矩陣如表2所示.

表2 預(yù)測(cè)地震滑坡影響因子判斷矩陣

2.2 計(jì)算判斷矩陣最大特征根λmax

(1)

運(yùn)用合積法求出判斷矩陣最大特征根λmax值，由式(2)可得λmax值為6.298.

(2)

2.3 判斷矩陣一致性校驗(yàn)

隨機(jī)一致性比率RC可以判斷矩陣的一致性，當(dāng)RC<0.10，IC>0時(shí)，判斷矩陣具有可接受的一致性.RC為判斷矩陣一致性指標(biāo)IC與n階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR的比值.IR為6階，可直接取參考值1.24，通過式(3)可得到IC值為0.059 6，RC值為0.048.結(jié)果表明RC<0.10，IC>0，說(shuō)明判斷矩陣通過一致性校驗(yàn)，具有良好的一致性[12].

(3)

2.4 影響因子的分類與賦值

6類影響因子其取值和單位都不同，因此對(duì)各影響因子根據(jù)取值區(qū)間進(jìn)行分類并賦值[13]，進(jìn)行重定義分類處理，結(jié)果如表3所示.地震動(dòng)參數(shù)因子根據(jù)峰值加速度值分為5個(gè)區(qū)間并賦值；地質(zhì)因子根據(jù)地層和巖體的時(shí)代分為3個(gè)區(qū)間并賦值；地貌因子根據(jù)地貌特征分為5個(gè)區(qū)間并賦值；坡度因子根據(jù)坡度分為6個(gè)區(qū)間并賦值；植被覆蓋率因子根據(jù)覆蓋率百分比分成5個(gè)區(qū)間并賦值；降水量因子根據(jù)研究區(qū)間降水量分為6個(gè)區(qū)間并賦值.賦值值域?yàn)?～6，將每個(gè)影響因子的原始值重定義后分類到這些區(qū)間內(nèi)，作為分類值進(jìn)行預(yù)測(cè)地震滑坡指數(shù)的計(jì)算.

表3 影響因子的分類與賦值

3 繪制預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃圖

3.1 計(jì)算預(yù)測(cè)地震滑坡指數(shù)

使用地理信息軟件ArcGIS10作為研究環(huán)境，根據(jù)影響因子的分類與賦值結(jié)果，對(duì)地震動(dòng)、地質(zhì)、地貌、坡度、植被、降水量6個(gè)數(shù)字柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(reclass)，生成重分類數(shù)字柵格數(shù)據(jù)，每個(gè)柵格單元的值域?yàn)?～6.

根據(jù)特征向量的近似值Wi，可得地震動(dòng)、地質(zhì)、地貌、坡度、植被、降水量權(quán)重系數(shù)分別為0.437，0.065，0.161，0.161，0.088，0.088.每個(gè)柵格單元的預(yù)測(cè)地震滑坡指數(shù)=地震動(dòng)重分類值×0.437+地質(zhì)重分類值×0.065+地貌重分類值×0.161+坡度重分類值×0.161+植被重分類值×0.088+降水量重分類值×0.088.由于降水量季度性差別較大，本文研究選取12—2月、3—5月、6—8月、9—11月4個(gè)區(qū)間分別計(jì)算每個(gè)柵格單元的預(yù)測(cè)地震滑坡指數(shù).使用ARCGIS10平臺(tái)的柵格計(jì)算工具(raster calculator)，可依次計(jì)算4個(gè)區(qū)間的預(yù)測(cè)地震滑坡指數(shù)，生成預(yù)測(cè)地震滑坡指數(shù)數(shù)字柵格數(shù)據(jù).

3.2 繪制預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃圖

將預(yù)測(cè)地震滑坡指數(shù)數(shù)字柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格重分類(reclass)處理，分類區(qū)間如表4所示，將預(yù)測(cè)地震滑坡等級(jí)分成不滑坡、不易滑坡、較易滑坡、容易滑坡、極易滑坡、嚴(yán)重滑坡6個(gè)等級(jí).使用ARCGIS10平臺(tái)將處理結(jié)果繪制成4個(gè)時(shí)間區(qū)間的預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃圖，使用UTM投影、WGS1984地理坐標(biāo)系、GeoTiFF格式存儲(chǔ)原始預(yù)測(cè)地震滑坡等級(jí)數(shù)據(jù)，配置適當(dāng)?shù)谋壤吆蛨D例信息.

表4 預(yù)測(cè)地震滑坡指數(shù)等級(jí)劃分表

圖6 預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃圖

3.3 預(yù)測(cè)地震滑坡影響范圍統(tǒng)計(jì)

使用ARCGIS10平臺(tái)柵格統(tǒng)計(jì)工具進(jìn)行4個(gè)時(shí)間區(qū)間的預(yù)測(cè)地震滑坡影響范圍統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果如表5所示.使用Microsoft Excel繪制6個(gè)滑坡等級(jí)范圍的折線圖(見圖7)，其中橫坐標(biāo)為滑坡等級(jí)，縱坐標(biāo)為范圍的倍數(shù)關(guān)系.統(tǒng)計(jì)結(jié)果直觀顯示了地震滑坡災(zāi)害的高發(fā)時(shí)段和災(zāi)害范圍.

表5 預(yù)測(cè)地震滑坡影響范圍統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

圖7 預(yù)測(cè)地震滑坡范圍對(duì)比折線圖

本文運(yùn)用AHP方法，借助GIS技術(shù)，選取6類影響因子首次繪制了吉林省預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃圖，揭示了造成地震滑坡的外部因素、內(nèi)部因素、時(shí)間因素之間的關(guān)系.地震動(dòng)峰值加速度因子是外部因素，其權(quán)重系數(shù)最高，影響值可達(dá)到0.437.但吉林省發(fā)生地震最為頻繁的松原地區(qū)地處平原，地表坡度與降水量影響值較低，研究結(jié)果表明并不是發(fā)生地震滑坡災(zāi)害的重災(zāi)區(qū).降水量是時(shí)間因素，其權(quán)重系數(shù)較低，但4個(gè)研究區(qū)間降水量異較大，6—8月區(qū)間內(nèi)最大值是12—2月區(qū)間內(nèi)最大值的20多倍(見圖5)，降水量值高且地表坡度值高的東部山區(qū)是發(fā)生地震滑坡災(zāi)害的重災(zāi)區(qū).

預(yù)測(cè)地震滑坡區(qū)劃圖表明，吉林省東部山區(qū)是發(fā)生地震滑坡災(zāi)害的嚴(yán)重區(qū)域(見圖6)，特別是6—8月降雨量最多的時(shí)期，在吉林市南部，通化市、白山市東南部，長(zhǎng)白山天池火山區(qū)，延吉市周邊地區(qū)有許多發(fā)生嚴(yán)重滑坡災(zāi)害的區(qū)域，面積可達(dá)到1 463 km2，應(yīng)引起相關(guān)部門的注意，進(jìn)行適度的災(zāi)害避讓.從4個(gè)研究區(qū)間上看，全省預(yù)測(cè)地震滑坡災(zāi)害發(fā)生可能性由低至高分別是12—2月、9—11月、3—5月、6—8月，對(duì)季節(jié)性施工的特定行業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義.吉林省平原地區(qū)廣闊，全年基本都不易發(fā)生地震滑坡災(zāi)害，相關(guān)部門可合理制訂災(zāi)害應(yīng)對(duì)方案，優(yōu)化資源配置.

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(責(zé)任編輯：方 林)

Study on earthquake-induced landslide regionalization based on GIS system in Jilin Province

ZHANG Yu1，YIN Ming-yu2，WEI Mei-xuan1，LI Na1，QIAO Tian-gang1，YANG Qing-fu1

(1.Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130117，China；2.China Water Northeastern Investigation，Design and Research Co.，Ltd，Changchun 130061，China)

In this paper，6 factors which had effect on earthquake-induced landslide disaster in Jilin Province were analyzed including peak ground acceleration，geology，landform，slope，vegetation coverage and precipitation，the weight of each influence factor coefficient was calculated by using AHP，the index of earthquake-induced landslide to predict was operated by using ARCGIS10 Geographic Information System，the zoning map of earthquake-induced landslide to predicted which included four time intervals，such as December—February，September—November，March—May and June—August was drawed.The results showed that some areas such as the southeastern of Jilin City，the east of Tonghua City，Changbaishan Tianchi volcano，the surrounding region of Yanji City are high-risk areas of earthquake-induced landslide disaster，especially in June—August precipitation could reach 600 mm，the aera of serious earthquake-induced landslide disaster could reach 1 463 km2，however，earthquake-induced landslide disaster occurred difficulty in plain area throughout the year.

earthquake-induced landslide；AHP；geographic information system;ARCGIS10

1000-1832(2015)04-0143-07

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2015.04.030

2015-05-06

地震行業(yè)科研專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(201208005)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20082122，20130204052SF，20140623010TC)；吉林省地震局合同制科研課題.

張羽(1980─)，男，碩士，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)研發(fā)、地震災(zāi)害評(píng)估研究.

P 315.5 [學(xué)科代碼] 170·2060

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