于書媛，陳靚

(安徽省地震局，合肥　230031)

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運用GIS分析安徽省六安市地震次生地質災害危險性

于書媛，陳靚

(安徽省地震局，合肥230031)

摘要：將層次分析方法運用到地震次生災害評價中，結合GIS技術，運用多源數(shù)據(jù)，以潛在地震次生地質災害為例，選取災害發(fā)育的主要控制性影響因素，包括致災因素、誘災因素、歷史因素，建立地震次生地質災害評價指標體系，并建立五級評分值標準。在此基礎上利用GIS方法對基礎資料進行處理和分析，通過統(tǒng)計、疊加、合并、分類等空間分析方法，得到地震次生災害危險性等級評價結果。結果表明：六安地區(qū)的地震次生地質災害危險性總體呈現(xiàn)從南到北遞減的階梯型分布特征。其中，較高的地區(qū)主要集中在金寨、霍山和舒城縣的侵蝕中低山和剝蝕丘陵地區(qū)，且以活動斷裂分布中心向兩側遞減。

關鍵詞：地震次生災害；層次分析；GIS；六安；評價因子

地震次生災害是指由于地震引起的山體崩塌，形成滑坡、泥石流、水災等對生命、財產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅的因地震引起的災害。其發(fā)生原因主要有地層巖性、地質構造、地形坡度、水文等因素[1-2]。一般震級大于5級、烈度超過6級的地震可能引發(fā)不同程度的地質災害，震級和烈度越高，次生地質災害越嚴重。

1970年以來安徽省8次M4.5以上地震，其中有3次發(fā)生在六安地區(qū)，分別是1973年3月11日霍山4.8級和4.9級、1973年3月12日霍山4.5級。地震造成了較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，同時誘發(fā)了較為嚴重的地震次生地質災害[3-4]。

國內外研究學者在地震次生地質災害分析和評價方面，開展了大量深入的研究。大量研究學者認為運用數(shù)學方法、GIS技術手段，結合地震背景下誘發(fā)次生地質災害的因子，可得到具有一定可信度的區(qū)劃圖[5-9]。黃庭等[10]運用遙感和GIS相結合方法對北川縣地震次生地質災害的空間分布規(guī)律及影響因素做相關性研究。胡勝等[11]采用層次分析法，選取各級評價指標，通過構建判斷矩陣、層次單排序和一致性檢驗，確定權重，進行綜合評價，得到陜西省地震次生地質災害危險性等級區(qū)劃圖。張立海等[12]利用歷史危險性指數(shù)和潛在危險性指數(shù)建立評價模型，以地(市、區(qū)、盟)為單元，進行危險性評價。

本文結合六安地區(qū)地質災害的分布、類型的基礎上，分析地質災害形成的條件、地質環(huán)境、地層巖性、地形地貌、降水及水文特征等因素，結合現(xiàn)場調查的基礎上，利用GIS軟件對基礎地質資料進行數(shù)字化，通過統(tǒng)計、疊加、合并、分類等空間分析，運用層次分析評價預測法，建立誘發(fā)研究區(qū)地震次生地質災害的空間預測模型，利用數(shù)值量化指標對地震引起的地質災害進行預測分析，為境內次生災害危險性分區(qū)防治和群測群防，建立防震減災和政府決策提供指導意義。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

本文六安地區(qū)位于安徽省西部，地處大別山東南麓，江淮之間，地跨東經(jīng)115°20′～117°14′，北緯31°01′～32°40′。全市轄5個縣，以及省級六安經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)和葉集改革發(fā)展試驗區(qū)，圖1所示。六安位于大別山北坡面向淮北平原的斜面上，地勢由西南向東北呈梯形傾斜，形成大別山北坡山地、江淮丘陵和沿淮平原三大地貌單元，大體分山地、丘陵、崗地和平原4個類型。其中，主要山脈均屬大別山脈及其支脈，其分為兩段：一是西南段，歷史上稱為皖山；二是東段，歷史上稱霍山，也稱淮陽山脈。境內河流與湖泊相間，分屬淮河和長江水系。氣候屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年均降水量1 097 mm,年均氣溫15.6℃。市轄舒城、霍山、金寨、霍邱、壽縣五縣及金安、裕安、葉集試驗區(qū)三區(qū)，國土總面積17 976 km2，占全省總面積的12.9%?？側丝?60.02萬人。

圖1　六安市地理區(qū)位圖

2研究方法與評價模型

地震次生地質災害是一類非常嚴重的地震次生災害，它的發(fā)生屬于復雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)。本文對其評價指標的確定依據(jù)對研究區(qū)范圍內已知斷裂沿線選點的地貌、構造、剖面的實地考察和覆蓋研究區(qū)斷裂的遙感影像水系、地貌、斷層解譯圖及特征分析反映的地質地貌現(xiàn)象，通過深入分析研究區(qū)易發(fā)的地質災害類型、分布、發(fā)育規(guī)律及演化趨勢，確定針對研究區(qū)的主要控制性指標，進而分門別類的形成具有層次性的評價指標體系。

地震次生地質災害是由致災因子(易形成次生災害的環(huán)境)、誘發(fā)因子(存在誘發(fā)次生災害的因素)和歷史因子(歷史地質災害分布)三者相互聯(lián)系、相互作用的一個復雜系統(tǒng)。本論文從研究區(qū)整體角度出發(fā)，將次生災害的危險性評價分為基本因素評價、誘發(fā)因素評價和歷史因素評價三個部分。其評價主要從災害形成的自然因素出發(fā)，考慮致災因素和誘災環(huán)境。地震次生地質災害的形成受多種自然因素影響，六安境內地質環(huán)境復雜、地形起伏較大、水系分布密集，因此，致災因素主要考慮下墊面(如地面高程、地形坡度、地層巖性、水系、距斷層距離)。六安市分布多條活動斷裂，且全年降雨豐富，因此將地震烈度、降雨量作為誘發(fā)次生災害的重要因子。歷史因素評價主要以2014年劃定的42個地震次生地質災害重點防范區(qū)為依據(jù)。

本文針對研究區(qū)主要地質災害發(fā)生類別，將與地震次生災害發(fā)育有關的自然地理與地質環(huán)境條件基本因素、誘發(fā)因素、歷史因素地質災害歷史因素作為一級評價指標。對一級評價指標進行指標分類確定子因子，作為二級評價指標，建立層次結構模型。

3地震次生地質災害危險性評價

3.1致災因子

(1) 坡度

坡度是地形地貌的重要描述參數(shù)之一，與地質災害發(fā)生關系密切[13-14]。通常情況下，相對海拔高程越大、坡度越陡、切割越劇烈，地震次生地質災害越容易發(fā)生。根據(jù)收集的DEM數(shù)據(jù)，利用ArcMap中的Spatial Analyst模塊獲取坡度信息，依據(jù)六安市主要地質災害發(fā)生類型及《2014年六安市地質災害防治方案》指出的次生地質災害重點危險區(qū)綜合分析，得到該地區(qū)地質災害發(fā)生于坡度關系，如表1所示。本文依據(jù)表1，將得到的地形影響因子圖分為4級：一級(小于14°)、二級(15°～25°)、三級(25°～30°)、四級(30°～70°)(圖2)。

表1　六安地區(qū)地質災害發(fā)生與坡度關系統(tǒng)計

圖2　坡度影響因子圖

(2) 高程

六安位于大別山北坡面向淮北平原的斜面上，西南高，東北低，由南向北呈階梯狀分布，大體分山地、丘陵、崗地和平原4個類型。其地形高程的變化對形成地震次生災害構成影響。本文對高程影響因子分布圖的提取是利用DEM按照30×30進行柵格化得到六安地區(qū)數(shù)字高程模型，并進行高度分類得到如圖3所示的高程圖。

圖3　高程影響因子圖

(3) 水系

水系的分布是誘發(fā)地震次生地質災害發(fā)生的重要因素之一。根據(jù)湖泊、河流的影響范圍，建立緩沖區(qū)。本文綜合考慮河流的級別、湖泊的特點，確定不同緩沖區(qū)的寬度。本研究首先利用ArcGIS的Buffer功能將不同的水系建立不同級別的矢量緩沖區(qū)。再根據(jù)距河流越近、災害危險性越高的原則，確定緩沖區(qū)對誘發(fā)災害發(fā)生的影響度，據(jù)此得到六安市水系的影響因子圖(圖4)。

圖4　水系影響因子圖

(4) 斷裂

地震次生災害受斷裂構造的影響主要表現(xiàn)在構造的性質、規(guī)模和發(fā)育密度[15]。斷層的分布是地震次生災害發(fā)生的重要原因之一。根據(jù)地震次生災害沿斷裂構造的分布受離斷裂的距離遠近程度影響，建立斷裂緩沖區(qū)。本文運用ArcGIS的Overlay功能，綜合分析六安地區(qū)1970年后有地震儀器記錄的全省M≥1.5和M≥4.0地震的空間分布，并運用Buffer功能分析6條斷裂單位長度下對應的地震個數(shù)，確定其活動性。再根據(jù)距離斷裂越近，斷裂活動性越強，次生災害危險性越高的原則，確定不同斷裂對應的影響范圍。如表2所示，參數(shù)N1=n1/L，N2=n2/L表示單位斷裂長度下對應的地震個數(shù)。最后，得到六安地區(qū)斷裂影響因子圖(圖5)。

表2　斷裂活動強度對應的緩沖區(qū)寬度

圖5　斷裂影響因子圖

(5) 巖性

六安地區(qū)自南向北跨武當淮陽隆起、北秦嶺褶皺帶和華北斷坳3個Ⅱ級構造單元，進一步劃分，則為大別山復背斜、佛子嶺復向斜、合肥六安凹陷等次級構造單元。其南部主要為中低山及丘陵，北部分布著廣大平原。巖性主要為各種變質巖，如片麻巖、石英片巖、輝閃巖等，其次為巖漿巖，沉積巖較少。地質年代跨度大，最老為晚太古代，最新為第四紀，且古老地層因多期巖漿作用較為混亂，以統(tǒng)稱為主。本文依據(jù)地質年代越長變質程度越高，巖性越堅硬的特點，劃分出研究區(qū)巖性軟硬度4個等級，分別為堅硬巖、中等堅硬巖、軟弱巖、松散體，如圖6所示。

圖6　巖性影響因子圖

3.2誘災因子

(1) 降水

本文選取霍邱、壽縣、金寨、六安市、霍山、舒城5a(2010～2014年)降水量資料，數(shù)據(jù)來自安徽省氣象局霍邱站、壽縣站、金寨站、六安站、霍山站、舒城站氣象資料，其站臺號分別為58214、58215、58306、58311、58314、58316。2010～2015年年際量降水懸殊較大。六安地區(qū)5 a降水量總體呈現(xiàn)北部地區(qū)霍邱、壽縣降水量較少，南部地區(qū)霍山縣、金寨縣、六安市、舒城縣降水量總體較多。綜合其中，最大年降水量為六安市1 630.6 mm(2010年)，其次為霍山縣1 609.0 mm(2010年)。本文依據(jù)降雨是次生地質災害的誘發(fā)因素，建立各個縣年均降水量圖層，得到六安地區(qū)的降水影響因子圖(圖7)。

圖7　降水量指標因子圖

(2) 地震烈度

據(jù)統(tǒng)計分析，地震次生地質災害與地震烈度的大致關系是：地震烈度在Ⅵ度到Ⅶ度之間，地震次生地質災害普遍發(fā)生；當烈度大于Ⅶ，地震次生地質災害活動強烈，不但數(shù)量多，而且規(guī)模大。本文依據(jù)《中國地震烈度區(qū)劃圖》繪制烈度圈，如圖8所示，六安地區(qū)處在Ⅵ度、Ⅶ度烈度區(qū)。

圖8　地震烈度影響因子圖

(3) 經(jīng)濟水平和人口數(shù)量

誘發(fā)次生災害的因素還需考慮人類本身在內的物質文化環(huán)境，由于區(qū)域開發(fā)程度不同，經(jīng)濟水平存在差異，同樣的地震所造成的次生災害的程度也不盡一致。因此，本文考慮研究區(qū)內的社會經(jīng)濟差異和資料的可取性，選取細化到2014年六安市各縣的人口密度、人均可支配收入作為誘災因素?；贏rcGIS平臺得到2個評價指標的空間分布圖。其中，人口數(shù)據(jù)來源于安徽省統(tǒng)計局，運用ArcGIS的spatial analyst中的插值模塊對人口密度點數(shù)據(jù)進行插值，得到每個像元的人口密度數(shù)據(jù)，并運用重分類模塊對柵格數(shù)據(jù)進行分類，得到如圖9所示的六安市人口密度公里格網(wǎng)，并依照同樣方法得到該地區(qū)年人均收入公里格網(wǎng)圖，如圖10所示。

圖9　人口公里格網(wǎng)圖

圖10　經(jīng)濟公里格網(wǎng)圖

3.3歷史因子

六安市屬于安徽省地震高發(fā)區(qū)和地質災害多發(fā)區(qū)。本文依據(jù)六安市2013年以來共發(fā)生的27處地質災害點和13處地質災害重點防范區(qū)段作為預測地震次生災害危險性分析的歷史因子。運用ArcGIS的密度分析工具，通過離散點數(shù)據(jù)進行內插，得到研究區(qū)范圍內的歷史地質災害分布密度圖(圖11)。

圖11　歷史地質災害密度圖

3.4權重值及評分值

綜合安徽省六安地區(qū)實際情況，分析數(shù)據(jù)的有效性和可行性，從致災因素、誘發(fā)因素、歷史因素三個方面選取評價指標，建立該地區(qū)地震次生地質災害危險性評價的指標體系，得到地震次生地質災害危險性分布圖，其綜合評價運用如下公式：

A(地震次生地質災害評價)=A1(致災因子)×A2(誘發(fā)因子)×A3(歷史因子)

(1)

從層次結構模型的指標X1,X2,…,Xn，對屬于同一層(分類指標)的因子層(具體評價指標)兩兩比較。比較其對于判別層(分類指標)的重要程度，并按事前規(guī)定的標度bij定量化，建立判斷矩陣中使用的標度的含義，如表3所示。

假定有一同階正向量A，使得存在XA=λmaxAλmax，則λmax為矩陣的最大特征值，A為對應的λmax的特征向量。通過求解特征方程得出A，分量對應評價指標X1,X2,…,Xn的權值，采用求和法來計算特征向量的近似解，具體計算方法如下：

將矩陣按列歸一化，使列之和為1

按行求和

歸一化

求最大特征值

由于客觀事物的復雜性，構造的判斷矩陣不一定具有一致性，因此還需要進行一致性和隨機性檢驗，檢驗公式為

C·R=C·I/R·I

式中，C·I為一致性指標；λmax為最大特征根；n為矩陣階數(shù)；R·I為平均隨機一致性比率。

表3　判斷矩陣元素的標度方法

依據(jù)研究區(qū)已存在地質災害發(fā)育的基本條件和誘發(fā)因素實際情況分析，已有地質災害基本因素較之誘發(fā)因素更為重要。再加上部分基本因素包含了歷史因素的生成條件(如地層巖性、坡度)等，將基本因素設定比歷史因素稍微重要?；谏鲜龇治?，建立評價指標判斷矩陣。對判斷矩陣采用求和法得出近似特征值λmax和歸一化的權重Wi，并進行一致性檢驗。通過檢驗，各判斷矩陣一致性滿足：C·R≤0.1，說明判斷矩陣有很好的一致性，判斷合理。為了進一步明確二級評價指標的內部影響權重，把每個一指標分成4級，采用德爾菲法，按其危險性程度高低進行評分量化，其值越高，表明危險性程度越高(安全1分、低度危險4分、中度危險6分、高度危險10分)。

根據(jù)研究區(qū)歷史地質災害發(fā)育的基本條件和誘發(fā)因素的實際情況分析得出，已有地質災害因素(歷史因子)較誘發(fā)因素明顯重要。另一方面，部分基本因素中的致災因子包含了歷史因子發(fā)生的地質條件(如巖性、坡度)等，可以考慮基本因素比歷史因子稍微重要?；谏鲜鲈?，建立如表4所示的評價指標判斷矩陣。

為進一步明確二級評價指標的內部影響權重，把每一個指標分為4級，采用德爾菲法，按其危險性程度高低進行評分量化，其值越高，表明危險性程度越高(安全1分、低度危險4分、中度危險6分、高度危險10分)。最后，對判斷矩陣采用求和法得出近似特征值λmax和歸一化的權重Wi，并進行一致性檢驗。表4為二級評價指標內部影響量具體評分值。

表4　地震次生地質災害分類指標體系權重值

3.5地震次生地質災害預測模型

確定的地震次生地質災害危險性評價計算公式為

式中，Pn為次生地質災害的危險性評價值；WAn為一級評價指標權重；Bin，Cjn，Dkn分別為對應的評價指標體系中的致災因子、誘災因子和歷史因子對應的二級評價指標危險性賦值；wiB，wjC，wkD分別為致災因子、誘災因子、歷史因子所對應的二級評價指標權重。地震次生地質災害評分標準如表5所示。

表5　地震次生地質災害評分標準

本文通過ArcGIS將評價指標因子圖進行柵格數(shù)據(jù)轉換，然后重分類數(shù)據(jù)集到評分值等級范圍，再按照評價指標體系賦予權重值，最后疊加各因子數(shù)據(jù)創(chuàng)建顯示地震次生地質災害危險性等級分布圖(圖12)。

由評價結果可知，地震次生地質災害危險性比較大的區(qū)域集中在金寨縣、霍山縣以及舒城縣東南地區(qū)，這三個地區(qū)均位于大別山北麓，地形高程和坡度變化較大，雨水充沛，是主要河流、水庫、湖泊分布的區(qū)域，且活動斷裂分布，發(fā)生次生災害的危險性較高，其中以金寨縣、霍山縣和舒城縣境內“霍山震情窗”包含的三條斷裂經(jīng)過的南部山區(qū)以及西淠河、史河、漫水河、杭埠河中下游干流地區(qū)的地震次生災害風險等級最高；三縣中北部地區(qū)經(jīng)過斷裂較少、地勢平坦、降水少，但是巖性軟弱，因此地震次生災害危險性次之；六安地區(qū)北部的霍邱、壽縣和六安市雖然人口密集、經(jīng)濟較發(fā)達、水系分布密集，但是斷裂活動性較弱，地勢平坦，降水較少，故地震次生災害危險性等級最低。

圖12　六安地震次生地質災害危險性分布圖

4結論與討論

(1) 本文依據(jù)地震次生災害學理論，從次生災害的致災因子、誘災因子、歷史因子所包含的自然屬性和社會經(jīng)濟屬性出發(fā)，綜合考慮引發(fā)地震次生地質災害的多種因素，以六安市行政區(qū)邊界為研究單位，將傳統(tǒng)的地震次生災害研究方法與現(xiàn)代GIS技術手段相結合，運用層次分析理論構建災害分類指標體系和預測模型，結合GIS空間分析方法，通過疊加各因子，分析得到研究區(qū)的地震次生地質災害綜合危險性評價結果。

(2) 六安市地震次生地質災害危險性評價結果表明，危險性等級高的地區(qū)主要分布在六安地區(qū)南部的地質構造的分區(qū)上，由于地殼升降運動，斷裂活動性強，地貌特征多為侵蝕中低山和剝蝕丘陵地區(qū)。同時，由于南部地區(qū)雨量豐沛，雨季情況下對剖面的侵蝕強烈，使得震后的滑坡、崩塌及泥石流等次生災害廣泛發(fā)育，因此總體上比中北部的平原地區(qū)危險性大。從最終的地震次生地質災害危險性評價來看，危險性最高區(qū)主要集中在西南、東南的山區(qū)，較高區(qū)集中在中南地區(qū)，較低區(qū)主要集中在中北部地區(qū)。

由于地震次生地質災害的復雜性，影響因子眾多，不僅涉及地質、氣象、水文、地理等自然要素，經(jīng)濟水平、人口密度等社會要素，還要與當?shù)氐卣鹆叶?、地震活動?guī)律、危險源、地震小區(qū)化等因素有較大關系。本文在研究過程中，針對六安地區(qū)地質災害的特點，選取了合適的評價指標，由于資料有限和一些因素無法定量化等原因，完全定量化地評價地震次生地質災害危險性還需要進一步的研究完善。

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STUDY ON DANGER OF SEISMIC SECONDARY GEOLOGY DISASTER IN LIU’AN CITY OF ANHUI PROVINCE BASED ON GIS

YU Shu-yuan，CHEN Liang

(Earthquake Administration of Anhui Province,Hefei230031，China)

Abstract:In this paper，the analytic hierarchy process is applied to the evaluation of seismic secondary disasters，combined with GIS technology, use of multi-source data, for a case of potential earthquake secondary geological disasters,selected main control factors of hazards including induced causingdisaster factors，inducing factors and historical factors, establish the evaluation index system of seismic secondary disasters and establish five grades standard value. In this basis， the basic data are processed and analyzed by using GIS method, and the results of risk assessment of secondary disaster are obtained by the methods of statistics，superposition，consolidation and classification. The results showed that the risk of secondary geological hazards in the Lu’an area was generally characterized by the stepwise decreasing from the south to the north. Among them,，the higher areas are mainly concentrated in Jinzhai, Mount Holyoke and Shucheng County in the erosion of low hills and erosion hilly areas, and to the active fault distribution center to both sides.

Key words：secondary disaster of earthquake； level analysis； GIS； Liu’an； evaluation factor

作者簡介：于書媛(1984-)，女，碩士研究生，工程師，主要從事地震、遙感地質與GIS應用研究工作。E-mail：819718728@qq.com

中圖分類號：P315；P315.2

文獻標識碼：A

基金項目：安徽省地震科研基金青年項目(20150402)；安徽省地震局合同制項目(201511)

收稿日期：2015-08-20改回日期：2015-10-21

文章編號：1006-4362(2016)01-0074-08