蘇越

(廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊，湛江 524049)

GIS下基于FAHP的廣東省信宜市地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)評價

蘇越

(廣東省地質(zhì)局第四地質(zhì)大隊，湛江 524049)

信宜市作為廣東省地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū),研究其主要誘發(fā)因素及對危險性進(jìn)行分區(qū)，從而為該市進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害防治工作提供技術(shù)依據(jù)。本文應(yīng)用GIS技術(shù)結(jié)合模糊層次分析法(FAHP)對災(zāi)害進(jìn)行分析評價，目的是希望該方法可以排除決策者個人存在的片面性從而給出對地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)評價的定量評價方法。

地質(zhì)災(zāi)害危險性；GIS；模糊層次分析法；分區(qū)評價

廣東省信宜市地質(zhì)災(zāi)害具有以下主要特點：一是丘陵山區(qū)巖石風(fēng)化土層厚度大，山體滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率較高，造成人員傷亡和財產(chǎn)損失；二是極端天氣增多，在局部強降雨的作用下，引發(fā)大規(guī)模群發(fā)性山體崩塌、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，人員傷亡和財產(chǎn)損失較嚴(yán)重；三是因工程建設(shè)等人為活動導(dǎo)致山體崩塌、滑坡和地面塌陷的地質(zhì)災(zāi)害呈上升趨勢，并造成一定人員傷亡和較大的經(jīng)濟損失；四是山體崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害具有隱蔽性，突發(fā)性強，危害嚴(yán)重，防范難度更加凸顯，防災(zāi)任務(wù)更加艱巨。

隨著GIS(地理信息系統(tǒng))技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價中越來越廣泛地應(yīng)用，提取區(qū)域降雨、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、人類工程活動等一系列空間信息，在ArcGIS平臺中對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合FAHP(模糊層次分析法)為評價指標(biāo)的選取和權(quán)重分析提供依據(jù)。本文就地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地的信宜市進(jìn)行數(shù)據(jù)收集及調(diào)查，利用ArcGIS平臺建立地理數(shù)據(jù)庫，對該市地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)進(jìn)行評價。

1 評價區(qū)概況

1.1 氣象水文

廣東省信宜市(以下簡稱評價區(qū))位于南亞熱帶暖濕氣候區(qū)，冬暖夏熱，無霜期長，降雨充沛。根據(jù)該市氣象局歷年統(tǒng)計資料，每年2～9月為雨季，年平均降雨天數(shù)達(dá)170 d，每年7～9月時有6～8級臺風(fēng)暴雨襲擊，年降雨量為1 025～2 809 mm，多年平均降雨量為1 762.7mm，極端日最大降雨量為427 mm。全年平均氣溫為19℃，冬季最低氣溫可達(dá)零下3～6℃，夏季最高氣溫可達(dá)40℃；無霜期205～347 d，風(fēng)向多為東南和東北方向，夏季受臺風(fēng)影響，最大風(fēng)速可達(dá)14 m/s。評價區(qū)內(nèi)河流主干道縱穿南北，屬珠江水系，為季節(jié)性河流，流量受降雨影響變化明顯。

1.2 植被與巖性

評價區(qū)植被覆蓋率達(dá)70%以上，常見有杉木、松木、竹及其他灌木等。區(qū)內(nèi)土壤主要為赤紅壤、潴育性水稻土、近代母巖風(fēng)化物和近代洪積沖積等類型。赤紅壤由花崗巖、砂頁巖、變質(zhì)巖等多種不同母巖發(fā)育而成，土體有機質(zhì)和氮的含量隨植被覆蓋和耕作利用程度的不同而有明顯差異，磷的含量較低[1]。區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)類型主要為：Ⅰ：松散多層土體；Ⅱ：層狀較軟變質(zhì)巖組；Ⅲ：層狀軟紅層巖組；Ⅳ：層狀較硬碎屑巖組；Ⅴ：塊狀較硬-堅硬侵入巖組。

2 評價指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)

本文應(yīng)用FAHP分析法對地質(zhì)災(zāi)害評價方法進(jìn)行合理化分類，將評價目標(biāo)分解為不同的子類，并按樹狀細(xì)分至第三層，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。保證每個平行要素之間的獨立性。

這些層次可以分為3類：

(1) 目標(biāo)層：該層只有一個元素，它是分析問題的預(yù)定目標(biāo)。

(2) 主準(zhǔn)則層：該層包含了為實現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)。

(3) 次準(zhǔn)則層：該層包括了為實現(xiàn)目標(biāo)的各種底層決策方案等。

在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中，以信宜市的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合指數(shù)為目標(biāo)層，選取降雨、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、人類工程活動為主準(zhǔn)則層，選取降雨量、降雨頻率、層理狀況、節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)類型、巖層產(chǎn)狀、與斷層距離、巖性組構(gòu)、風(fēng)化層厚度、坡度、坡向、起伏度、斜坡類型、植被覆蓋率、切坡加載、工業(yè)開發(fā)、農(nóng)業(yè)開發(fā)作為次準(zhǔn)則層，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價指標(biāo)體系

3 建立評價模型

指標(biāo)體系的確定具有很大的主觀隨意性，為排除傳統(tǒng)的層次分析法帶來的主觀影響，同時在實際工程應(yīng)用中，更加傾向于專家咨詢的經(jīng)驗判斷法。故本次評價權(quán)數(shù)的確定采用評委投票表決法(簡化了的Delphi法)。它的過程是每個評委通過定性分析，給以定量的回答，領(lǐng)導(dǎo)小組對回答進(jìn)行統(tǒng)計處理。在數(shù)據(jù)處理時，一般用算術(shù)平均值代表評委們的集中意見，其計算公式為：

式中,n為評委的數(shù)量；m為評價指標(biāo)總數(shù)；aj為第i個指標(biāo)的權(quán)數(shù)平均值；aji為第i個評委給第j個指標(biāo)權(quán)數(shù)的打分值。

歸一化后公式如下：

最后得出的結(jié)果代表評委們集體的意見，所確定的權(quán)數(shù)能正確反映各項指標(biāo)的重要程度，保證評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。T.L.Saaty[2]采用1～9標(biāo)度，各級標(biāo)度重要性如表1所示。

表1 判斷矩陣標(biāo)度

3.1 FAHP模糊層次分析法

建立層次分析模型后，對各層元素中進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造出比較判斷矩陣，這些判斷通過引入合適的標(biāo)度用數(shù)值表示出來。本次評價的判斷矩陣取如下形式[3]：

其中,rij表示從因素ui著眼，該評判對象能被評為vi的隸屬度(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價模型

上面設(shè)計的指標(biāo)體系是一個二級三層結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系。這些評價指標(biāo)大多帶有模糊性，因此，根據(jù)Fuzzy理論，把次準(zhǔn)則層對主準(zhǔn)則層的評判看成第一級評判，把主準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的評判看成第二級評判，從而構(gòu)成一個二級三層模糊綜合評價模型[4]。

步驟如下：

(1) 設(shè)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因素集U={U1,U2,U3,U4,U5}，將因素集按屬性將其細(xì)分成m個子評價因素集Ui={Ui1,Ui2,Ui3,Ui4,Ui5,i=1,2,3,4,5;j=1,2,…,t(t變動)。

(2) 進(jìn)行一級評判：對每一個子評價因素分別作出綜合評判。

①評語集：用V={高，較高，中，較低，低}，共5個檔次。

②權(quán)重指標(biāo)集：讓若干資深專家各自對評價指標(biāo)體系中各項指標(biāo)給出相對標(biāo)度，并計算出相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重。然后對專家們的權(quán)重值進(jìn)行加總，求平均，確定各項評價指標(biāo)的最終權(quán)重。用Ai=(ai1,ai2,…，aij)表示。

③模糊評價矩陣：把地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價子因素集Ui到評價集V看成是一個模糊映射，可以確定模糊評價矩陣Ri。

式中，rijk=dijk/d,dijk為評價子因素集Ui中第ij項目評價指標(biāo)被作出評語集中第k種評價Vk的專家人數(shù)，d為參加評價的總專家數(shù)。專家評價表如表2所示。

表2 某專家對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指標(biāo)模糊評判

項目：________ 專家姓名：________ 評判日期：________

子因素高較高中較低低坡度U11√坡向U12√起伏度U13√斜坡類型U14√

注：請在空格內(nèi)打√。

3.3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價模型的應(yīng)用

(1) 請若干資深專家確定各指標(biāo)權(quán)重。

(2) 確定評語集V={高，較高，中，較低，低}。

(3) 按上述評語集對U1～U5中各項指標(biāo)進(jìn)行評判，得出如下模糊評判矩陣，并進(jìn)行第一級綜合評價。

(4) 對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行第二級評價，得出結(jié)論。

歸一化后，按最大隸屬度原則得：

所以評價結(jié)果對評語集中的V3的隸屬度最大。

根據(jù)隸屬度最大原則，該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價為V3=中。

4 評價指標(biāo)評述與GIS賦值分析

根據(jù)第2章中的指標(biāo)體系，在ArcGIS中建立各指標(biāo)的特征要素指數(shù)劃分，確定GIS評價法則，其地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價數(shù)學(xué)模型為：

式中，B為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價指數(shù)；aj為權(quán)重；Nj為指數(shù)。

按照專家評分表，先對單要素進(jìn)行易發(fā)性評價，并在單要素易發(fā)性評價的基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評價，結(jié)合ArcGIS的疊加分析得出評價結(jié)果。

將工作區(qū)進(jìn)行剖分，每一個網(wǎng)格單元作為模型評價的一個運算單元，并將數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)按照規(guī)則進(jìn)行網(wǎng)格化處理；再采用圖形疊加的模型評價方式將參與評價的各個因子的值分配到不同的網(wǎng)格單元上，利用AHP模型計算出各因子的權(quán)值。將各個因子進(jìn)行圖形疊加，得出地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指數(shù)；最后將疊加后的網(wǎng)格數(shù)據(jù)化生成新的圖形，并形成最終評價結(jié)果[5](圖2)。

圖2 信宜市災(zāi)點分布

對疊加后的柵格進(jìn)行重分類，進(jìn)而按照評價指數(shù)B對易發(fā)性分區(qū)進(jìn)行劃分。

由于篇幅所限，現(xiàn)僅選取災(zāi)點密度、坡度、地層巖性、降雨強度進(jìn)行評述，其他因子的分析方法可以類比。

4.1 災(zāi)點密度

本文收集了該市內(nèi)近5 a已發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害記錄，得到崩塌滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)點的分布數(shù)據(jù)(圖2)，利用ArcGIS對災(zāi)點進(jìn)行密度分析及聚類分析，得到該市的災(zāi)點密度圖(圖3)，將災(zāi)點密度數(shù)據(jù)(個/km2)按0～0.5，0.5～1.0，1.0～1.5，1.5～2.0，2.0～2.5，2.5以上(單位/個)進(jìn)行劃分并按0～1范圍均勻線性賦值。

圖3 信宜市災(zāi)點密度

4.2 坡度

通常情況下，坡度越大，荷載在下滑方向上分量越大，邊坡失穩(wěn)的可能性越大。本文基于該市DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS表面分析功能得到該市的坡度柵格數(shù)據(jù)(圖4)。在ArcGIS中將災(zāi)點作為掩膜提取得到每一個災(zāi)點所對應(yīng)的坡度值，對得到的信息進(jìn)行統(tǒng)計得到災(zāi)點與坡度的關(guān)系(圖5)。由統(tǒng)計結(jié)果可見，災(zāi)點主要集中于30°～60°之間，其數(shù)量占到了全部災(zāi)點數(shù)量的92%，災(zāi)點密度在30°以后迅速升高，并且在40°～50°之間到達(dá)頂峰。地質(zhì)災(zāi)害隨著坡度增加而增加，而在超過60°的邊坡中大多為穩(wěn)定性巖質(zhì)邊坡，依照評價結(jié)果，利用各坡度范圍內(nèi)災(zāi)點密度的相對高低來表征坡度對災(zāi)害發(fā)生影響程度的大小，將坡度數(shù)據(jù)按0～2、2～10、10～20、20～35、30～50、50以上(單位/°)進(jìn)行劃分并按0～1范圍均勻線性賦值。

圖4 信宜市坡度

圖5 信宜市災(zāi)點坡度分布

4.3 地層巖性

地層巖性是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育和分布的重要內(nèi)在因素之一。依照該市內(nèi)出露基巖的硬度將基巖按照堅硬侵入巖組、較硬碎屑巖組、軟紅層組、較軟變質(zhì)巖組、松散層土體進(jìn)行分類(圖6)。統(tǒng)計災(zāi)點所處位置的巖性可以發(fā)現(xiàn)災(zāi)害多分布在松散層土體、軟弱變質(zhì)巖組及軟紅層組山區(qū)，其數(shù)目占總數(shù)的60%以上，而在較硬/堅硬巖組中由于坡度降雨等因素亦有所分布。地層巖性的賦值依照上述5種巖組由軟至硬按0～1范圍均勻線性賦值。

圖6 信宜市地層巖性

4.4 降雨強度

降雨是觸發(fā)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的重要因素。該市屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，高溫多雨為其主要氣候特征。由于地處廣東省西南，瀕臨南海，面向東南亞，背靠大西南，南面地形相對平坦開闊，而北部的云開大山地勢突然抬高數(shù)百米，臺風(fēng)帶來的溫暖潮濕氣流受大山阻隔往往造成地形雨。所以該市雨量較充沛，常常發(fā)生暴雨，年降雨量較大且多集中在夏季，其中7～9月份3個月的降雨量占全年的絕大部分(圖7)。在每年雨季，大量且集中的降雨使得雨水滲入巖土體，使巖土體的含水量增大，致使斜坡下滑力增加、滑動面的抗剪強度降低，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性提高，所以降雨對于崩塌滑坡泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生有激發(fā)作用，在其他條件相同的情況下，降雨量越大越容易引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。將該市年降雨量按1 000～1 400、1 400～1 800、1 800～2 200、2 200～2 600、2 600以上(單位/mm)進(jìn)行劃分并按0～1分為均勻線性賦值。

圖7 信宜市年降水量

5 評價結(jié)果

在ArcGIS中對各指標(biāo)圖層按第4章賦值條件進(jìn)行疊加分析，即可得到該市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的評價結(jié)果。將所得結(jié)果的柵格圖層按照自然間斷點法進(jìn)行易發(fā)性分區(qū)，劃分為低、較低、中、較高、高5類，得到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖(圖8)。易發(fā)性分區(qū)表如表2。

表2 信宜市高易發(fā)性分區(qū)表

圖8 信宜市易發(fā)性分區(qū)

6 結(jié)論及建議

本文應(yīng)用了模糊層次分析法為ArcGIS的疊加分析提供權(quán)重分析依據(jù)，希望在地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)評價時能以區(qū)別于傳統(tǒng)的定性分析而建立一種排除決策者個人可能存在的片面性的定量評價方法。

根據(jù)評價結(jié)果，發(fā)現(xiàn)災(zāi)點發(fā)育分布程度總體隨降雨量和降雨頻率增加而上升；隨結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌的復(fù)雜程度而上升；隨人類工程活動的加劇而上升。從地質(zhì)災(zāi)害時空分布看，地質(zhì)環(huán)境條件是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的基礎(chǔ)，地形地貌和巖性是決定地質(zhì)災(zāi)害分布的主導(dǎo)因素，強降雨及暴雨氣候和人類工程活動是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要誘發(fā)因素。從已發(fā)地質(zhì)災(zāi)害分布的時空特征來看，在地貌上，大多分布在該市的低山、丘陵臺地區(qū)，主要發(fā)生在地形切割強烈、坡角陡峻的斜坡地帶。多發(fā)生于坡度30°～60°斜坡帶；從巖性上，多分布在較軟變質(zhì)巖組、較硬碎屑巖組、堅硬侵入巖組山區(qū)；從人類工程活動誘發(fā)崩塌和滑坡看，多發(fā)育于北部和中部及東南部低山、丘陵區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害還多發(fā)生在居民削坡建房及道路交通形成的人工邊坡地段。在時間上，崩塌和滑坡多集中發(fā)生在每年4～9月，主要受汛期強降雨誘發(fā)作用的影響，而人為工程活動則加劇了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

[1] 程鑒基,鄧錫新,梁華賢,等.茂名市地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃-規(guī)劃文本(2008～2020)[R].廣東省茂名市:茂名市國土資源局,2008.20-22.

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[4] 侯敏,賈韶輝,郭兆成.基于RS與GIS的層次分析法在滑坡危險性評價中的應(yīng)用——以四川宣漢天臺鄉(xiāng)滑坡為例[J].現(xiàn)代地質(zhì),2006,20(4):669-670.

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GIS-BASED SUSCEPTIBILITY ASSESSMENT OF GEOLOGICAL HAZARDS BY FAHP ANALYSIS IN XINYI CITY GUANGDONG PROVINCE

SU Yue

(Guangdong Geological Bureau of The Fourth Geological Brigade, Guangdong Province, Zhanjiang 524049,China)

Xinyi City is a geological disaster-prone area in Guangdong Province, to study its main predisposing factors and to divide the risk, so as to provide technical support for the geological disaster prevention and control work. In this paper, GIS is used to analyze the disaster with Fuzzy Analytic Hierarchy Process (FAHP). The purpose is to find out the one-sidedness of the decision-maker's personal existence and give a quantitative evaluation method for the geological hazard assessment.

geological hazard; GIS; Fuzzy Analytic Hierarchy Process; susceptibility assessment

1006-4362(2017)02-0032-08

2017-01-06 改回日期： 2017-03-16

X43;X141

A

蘇越(1988- )，男，廣東信宜人，本科學(xué)歷，助理工程師，主要從事環(huán)境影響評價，水文地質(zhì)，工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)方面研究。 E-mail：advanced7@163.com