李玉文， 袁 穎， 李琛曦， 杜國(guó)梁， 劉 超

(1. 河北地質(zhì)大學(xué)城市地質(zhì)與工程學(xué)院， 河北 石家莊 050031； 2. 河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院， 河北 石家莊 050031)

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害是自然作用或者人為因素作用，如崩塌、滑坡、泥石流及地面塌陷等地質(zhì)現(xiàn)象，導(dǎo)致人民的生命保障、財(cái)產(chǎn)安全或者生態(tài)環(huán)境安全受到嚴(yán)重?fù)p害的地質(zhì)事件[1]。地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生不但會(huì)讓當(dāng)?shù)厝嗣裆?cái)產(chǎn)處于巨大的危險(xiǎn)之中，而且會(huì)嚴(yán)重破壞其周圍的基礎(chǔ)設(shè)施及生態(tài)環(huán)境，阻礙當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。淶水縣緊鄰北京房山區(qū)，縣內(nèi)旅游資源豐富如野三坡景區(qū)等，安全的自然環(huán)境對(duì)于各景點(diǎn)、個(gè)人和政府極其重要。不論是從個(gè)人、社會(huì)還是從政府角度出發(fā)，科學(xué)合理地預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，減輕甚至防止地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失，維護(hù)和諧社會(huì)，都有著重要的意義。對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行評(píng)價(jià)研究都十分必要，同時(shí)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)也對(duì)后續(xù)危險(xiǎn)性、風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)有著極其重要的前置作用。因此本文以地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)為研究?jī)?nèi)容進(jìn)行展開(kāi)研究論述。

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是指在各影響因子及其孕災(zāi)環(huán)境綜合基礎(chǔ)上，分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率大小[3]。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的方法種類繁多，許沖等[4-6]分析了選取的各個(gè)因子與滑坡災(zāi)害分布對(duì)應(yīng)關(guān)系，使用層次分析法進(jìn)行權(quán)重分析，得出易發(fā)程度區(qū)劃； 薛凱喜等[7]通過(guò)模糊聚類分析構(gòu)建了地質(zhì)災(zāi)害損失程度模型，進(jìn)行了全國(guó)近年地質(zhì)災(zāi)害損失程度的劃分； 伍仁杰等[8]通過(guò)灰色聚類法對(duì)所選取的各個(gè)孕災(zāi)因子進(jìn)行計(jì)算，對(duì)研究區(qū)公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境等級(jí)進(jìn)行劃分； 楊強(qiáng)等[9]分別使用信息量法、證據(jù)權(quán)法等多種方法與邏輯回歸結(jié)合構(gòu)造模型對(duì)研究區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行劃分； Biswajeet P等[10]使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析各個(gè)影響因子，得到滑坡災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)。其中信息量法是地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)中非常流行的一種統(tǒng)計(jì)研究方法，可以以定量的方法處理地質(zhì)災(zāi)害自然條件評(píng)價(jià)問(wèn)題，具有操作簡(jiǎn)單、適用性廣和客觀性強(qiáng)的特點(diǎn)。同時(shí)針對(duì)信息量難以確定因子權(quán)重的缺點(diǎn)，本文采用層次分析法來(lái)確定各因子權(quán)重，建立加權(quán)信息量模型對(duì)淶水縣進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)。

圖 1 淶水縣位置及災(zāi)點(diǎn)分布圖Fig.1 Location and distribution of disaster points in Laishui county

表 1 災(zāi)害點(diǎn)類型統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of disaster point types

1 研究區(qū)概況

淶水縣東南部為平原地區(qū)，多為第四紀(jì)以來(lái)堆積而成的黃土層，中部為丘陵地區(qū)，西北部為低山區(qū)，整體呈現(xiàn)西北高東南低的地勢(shì)，海拔大致為25～2000m。

研究區(qū)位于新華夏構(gòu)造體系的第二沉降帶和太行山隆起帶交界處，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有紫荊關(guān)斷裂巖漿帶和易縣斷裂構(gòu)造帶，以及西山復(fù)向斜和馬安波背斜構(gòu)造。研究區(qū)域內(nèi)歷史上未曾有5級(jí)以上地震，是地震活動(dòng)穩(wěn)定地區(qū)。

淶水縣在降雨的時(shí)間及空間分布不均，年均降雨量在545～651mm，平原區(qū)最少，中部丘陵地區(qū)最大，降雨多集中于6—9月，期間降雨量占到全年的80%以上。

截至2020年11月，淶水縣有崩塌、滑坡、泥石流和地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)87個(gè)(表 1)，這些災(zāi)害點(diǎn)的存在使2623人處于危險(xiǎn)之中，并且威脅的財(cái)產(chǎn)金額為9267.1萬(wàn)。地質(zhì)災(zāi)害在空間分布上也不均勻，主要分布在中北部山區(qū)丘陵地帶，其中三坡鎮(zhèn)、婁村滿族鄉(xiāng)和宋各莊鄉(xiāng)災(zāi)害點(diǎn)密度較大(圖 1)。

2 評(píng)價(jià)模型及評(píng)價(jià)因子的選取

2.1 評(píng)價(jià)模型建立

(1)層次分析法

將研究對(duì)象看成一個(gè)各個(gè)因素相互作用的系統(tǒng)，并且具有需要的數(shù)據(jù)量不是太過(guò)龐大的優(yōu)點(diǎn)[11]，同時(shí)還將定性方法和定量方法巧妙地結(jié)合起來(lái)，便于理解，獲得的結(jié)果也簡(jiǎn)單明了，適用于處理數(shù)據(jù)缺乏及因子較多的問(wèn)題。

表 2 各因子判斷矩陣及權(quán)重Tab.2 Judgment matrix and weight of each factor

根據(jù)淶水縣地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)今的發(fā)育特征，將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性作為此評(píng)價(jià)分析的目標(biāo)層，選取相應(yīng)影響因素作為評(píng)價(jià)因子，運(yùn)用專家打分法建立判斷矩陣和相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析軟件計(jì)算各個(gè)因子的權(quán)重。

(2)信息量法

信息量法在地質(zhì)找礦方面應(yīng)用較多，其觀點(diǎn)認(rèn)為地質(zhì)災(zāi)害是否發(fā)生和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)過(guò)程中獲取的信息數(shù)量和質(zhì)量相關(guān)，可以用信息量預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，即信息量越大，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大[12-14]。由于可以根據(jù)發(fā)生過(guò)的地質(zhì)災(zāi)害的密度可以預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性，并且是定量分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，結(jié)果十分客觀，因此在地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)研究方面也非常適用[15]。其表達(dá)式為：

(1)

其中：I(xi，Z) 表示第i個(gè)x因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害(Z)發(fā)生提供的信息量；Ni表示xi因子下研究區(qū)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量；Si表示研究區(qū)中因子xi所在單元的面積；N表示研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)總個(gè)數(shù)；S表示研究區(qū)的總面積。

(3)加權(quán)信息量法

本文采用定性評(píng)價(jià)和定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)，即將層次分析法及信息量法進(jìn)行結(jié)合。首先信息量法求得各個(gè)因子中不同類別的信息量值，然后用層次分析法得到各個(gè)因子的權(quán)重，再依據(jù)各個(gè)因子的權(quán)重對(duì)其信息量值進(jìn)行修正，進(jìn)而得到加權(quán)信息量值，即其發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果。其表達(dá)式為：

(2)

式中：I表示研究區(qū)內(nèi)某個(gè)柵格單元的加權(quán)信息量；Wi表示層次分析法中求得第i個(gè)因子的權(quán)重；Ii表示第i個(gè)因子某個(gè)類別未進(jìn)行權(quán)重修正的信息量值；Ni，Si，N，S含義與上述信息量法中含義類似。

該方法在一定程度上克服了層次分析法定量分析少和定性分析多的缺點(diǎn)，保留了信息量模型物理意義清楚、容易實(shí)現(xiàn)、綜合分析多種信息的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在獲得信息量值時(shí)依照實(shí)際發(fā)生情況進(jìn)行了修正，因此使得地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)更為合理。

注：#NUM!表示該分類為最小的信息量值； 在加權(quán)信息量值中修正為加權(quán)信息量值最小值。

2.2 評(píng)價(jià)因子的選擇及權(quán)重計(jì)算

綜合河北省淶水縣的自然環(huán)境地質(zhì)特征及地質(zhì)部門在此地的相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害研究，謹(jǐn)慎考慮其資料的收集難度，研究過(guò)程可實(shí)現(xiàn)程度、研究區(qū)域范圍及其尺度的大小等客觀因素的前提下，篩選出高程、坡度、坡向、地形起伏度、構(gòu)造、水系、地貌、巖性及植被覆蓋度等9個(gè)評(píng)價(jià)因子。

使用層次分析法對(duì)選定的9個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分析，參考前人研究及相關(guān)專家對(duì)各因子進(jìn)行評(píng)分排序，建立評(píng)價(jià)模型因子序列。根據(jù)各因子間的相互關(guān)系以及淶水縣實(shí)際地質(zhì)情況，依據(jù)各因子影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要程度，分為9個(gè)標(biāo)度，建立判斷矩陣，確定各因子權(quán)重(表 2)以及進(jìn)行一致性檢驗(yàn)計(jì)算。最終得到一致性指標(biāo)CI值為0.0502，一致性比例CR值為0.0337，該值小于0.1，層次排序結(jié)果滿足一致性檢驗(yàn)。

先使用信息量法計(jì)算得到各個(gè)因子的信息量值，通過(guò)層次分析法求得各因子權(quán)重對(duì)所選因子的信息量值進(jìn)行修正，所得加權(quán)信息量值代表了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性的大小[16](表 3)。圖 2為各因子與災(zāi)害點(diǎn)分布圖。

(1)高程

根據(jù)所收集到的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)資料顯示，河北省淶水縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的高程大多集中在1000m以下。其中，高程在250～500m范圍的地災(zāi)數(shù)量占總數(shù)的25.29%，高程在500～750m的地災(zāi)數(shù)量占總數(shù)的26.44%，高程在750～1000m的地災(zāi)數(shù)量占總數(shù)的25.29%。這3個(gè)范圍的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量占總數(shù)量的75%以上，因此可以看出地質(zhì)災(zāi)害與高程分布的關(guān)系非常緊密(圖 2a)。

(2)坡度

坡度對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生也有著十分重要的影響，隨著坡度的遞增，會(huì)直接影響到地表徑流的方式及下滲，山體重力在內(nèi)的剪切力也會(huì)增大，滑坡、崩塌發(fā)生的概率隨之增長(zhǎng)，又為泥石流提供了物源。將坡度分為5組： 0°～5°， 5°～15°， 15°～30°， 30°～45°，>45°(圖 2b)。

(3)坡向

坡向主要是由于陽(yáng)光照射量，影響到局部地區(qū)的小氣候及水熱比等因素。導(dǎo)致陽(yáng)面植被生長(zhǎng)較好，并且更容易發(fā)生巖體的風(fēng)化剝蝕，已發(fā)生崩塌等災(zāi)害； 陰面地表裸露面積較大。結(jié)合淶水縣地形地貌，將坡向分為8組，分別是337.5°～22.5°， 22.5°～67.5°， 67.5°～112.5°， 112.5°～157.5°， 157.5°～202.5°， 202.5°～247.5°， 247.5°～292.5°， 292.°5～337.5°(圖 2c)。

(4)地形起伏度

(5)構(gòu)造

淶水縣斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，主要是西山復(fù)向斜和馬安波背斜，集中在縣域北部。地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)會(huì)直接破壞巖體的完整性，造成巖層破碎，會(huì)促進(jìn)風(fēng)化作用進(jìn)行，影響邊坡的穩(wěn)定性，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了有利條件。沿構(gòu)造線做緩沖區(qū)，劃分為6個(gè)等級(jí)：<500m， 500～1000m， 1000～1500m， 1500～2000m， 2000～2500，>2500m。和斷裂構(gòu)造的距離越近，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量越多，其信息量越大(圖 2e)。

(6)水系

圖 2 因子分析圖Fig.2 Evaluation factor analysis diagrams

研究區(qū)內(nèi)的河流屬于海河流域，主要有南拒馬河、拒馬河以及累子河，區(qū)內(nèi)主要中型水庫(kù)有2座，小型水庫(kù)有8座。河流及水庫(kù)的侵蝕作用，會(huì)導(dǎo)致斜坡底部巖體受到?jīng)_刷，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有一定程度的促進(jìn)作用，巖土體下部距離水體較近，也會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生危險(xiǎn)的概率大大增加(圖 2f)。

(7)地貌

淶水縣西靠太行山，總體來(lái)看西北部山區(qū)地勢(shì)較高，中部丘陵次之，東南平原海拔最低。其中西北部中低山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量為77處，占總災(zāi)害數(shù)量的88.5%。可以看出地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)生在中低山區(qū)及丘陵地區(qū)，尋其原因多為此類地區(qū)有較大的坡度及高差，導(dǎo)致坡體不穩(wěn)定而更易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害(圖 2g)。

(8)巖性

巖層特性是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，出露的地層巖性直接關(guān)系到地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。研究區(qū)內(nèi)主要地層出露為太古界變質(zhì)巖，寒武系、奧陶系灰?guī)r，侏羅系砂巖，中上元古界白云巖，石炭系泥巖，寒武系、侏羅系頁(yè)巖和第四系土層，部分區(qū)域分布有巖漿巖。按照巖層軟硬程度，巖性特征的不同及其分布情況，將區(qū)域內(nèi)巖性分為4種：硬巖，較硬巖，軟巖和第四系土層(如圖 2h)。

(9)植被覆蓋度(NDVI)

植被對(duì)于巖土體穩(wěn)定性有一定的影響，植被的保持水土能力有利于巖土坡體保持穩(wěn)定。氣候、地貌特征、所處高程、土體類型及人類活動(dòng)的不同，都會(huì)影響植被的生長(zhǎng)情況，因此NDVI和地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在一定的相關(guān)性，本文將植被覆蓋度分為5級(jí)：<0、0～0.15、0.15～0.30、0.30～0.45、>0.45(圖 2i)。

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

將已經(jīng)進(jìn)行類別劃分的評(píng)價(jià)因子圖層依照加權(quán)信息量法求得的加權(quán)信息量值分別賦值重分類，即可得到各個(gè)評(píng)價(jià)因子的加權(quán)信息量柵格圖層。使用ArcGIS軟件的空間分析功能，對(duì)上述因子的加權(quán)信息量柵格圖層直接疊加，依據(jù)自然斷點(diǎn)法進(jìn)行等級(jí)劃分，再根據(jù)目前已經(jīng)發(fā)生過(guò)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的野外調(diào)查結(jié)果及分布規(guī)律，對(duì)相應(yīng)分級(jí)值適當(dāng)微調(diào)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)該研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分，即：低易發(fā)區(qū)面積321.59km2、中易發(fā)區(qū)面積1125.35km2、高易發(fā)區(qū)面積214.67km2(圖 3、表 4)。

圖 3 淶水縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級(jí)區(qū)劃圖Fig.3 Zoning map of the susceptibility level of geological disasters in Laishui county

表 4 易發(fā)性區(qū)劃統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistics of susceptibility zoning

3.2 精度評(píng)價(jià)

ROC曲線也就是受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve)，過(guò)去常用于醫(yī)學(xué)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估中，能夠較為簡(jiǎn)單明了地展示出使用方法的特異性與敏感性的關(guān)系，近年來(lái)在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中也逐漸受到重視，將ROC曲線應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)以進(jìn)行結(jié)果精度驗(yàn)證。通常情況下，ROC曲線線下面積(AUC)可以用來(lái)判斷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)精度是否達(dá)標(biāo)[17-18]。若AUC<0.5時(shí)說(shuō)明結(jié)果精度不足，當(dāng)AUC處于0.5～1時(shí)，越靠近0.5則說(shuō)明結(jié)果精度較差，越靠近1則說(shuō)明結(jié)果精度越好。

本研究將易發(fā)性面積累計(jì)百分比作為橫軸，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量百分比作為縱軸，畫出ROC曲線并計(jì)算得到ROC曲線線下面積(AUC值)為74.74%，即說(shuō)明本次評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性為74.74%，也表示該評(píng)價(jià)方法的模型可以用于本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)(圖 4)。

圖 4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)區(qū)劃ROC曲線Fig.4 ROC curve of zoning of geological hazard susceptibility assessment

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

對(duì)該區(qū)域易發(fā)性分區(qū)圖和分區(qū)統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行分析，研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)結(jié)果為高易發(fā)區(qū)面積為214.67km2，占該區(qū)總面積的12.92%，主要分布在沿?cái)嗔褞Ш退祪蓚?cè)以及中部低山丘陵地形中，同時(shí)在距離三坡鎮(zhèn)野三坡景區(qū)附近及婁村滿族鄉(xiāng)和宋各莊鄉(xiāng)，高易發(fā)區(qū)分布較廣，此處水系較豐富，人類工程活動(dòng)較為頻繁。地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)分布面積最大為1125.35km2，占總面積67.73%，主要分布在淶水縣中西部地區(qū)，海拔超過(guò)750m的地區(qū)，災(zāi)害點(diǎn)密度較高易發(fā)區(qū)要小的多。低易發(fā)區(qū)面積為321.59km2，占研究區(qū)面積的19.35%，主要分布在淶水縣的東南部平原地區(qū)，該區(qū)域地勢(shì)平坦水系豐富，但由于地形平坦并有黃土分布，崩滑流并不發(fā)育，稍有地面塌陷沿拒馬河附近發(fā)育。根據(jù)易發(fā)性分析統(tǒng)計(jì)表可看出，隨著該研究區(qū)分區(qū)易發(fā)性的提高，點(diǎn)密度明顯增大。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)本研究將該區(qū)域易發(fā)性分為三個(gè)等級(jí)，其中研究高易發(fā)性區(qū)域主要分布于三坡鎮(zhèn)、婁村滿族鄉(xiāng)和宋各莊鄉(xiāng)，需要對(duì)該分區(qū)加大監(jiān)測(cè)管理力度，投入更多的人力物力以達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

(2)通過(guò)對(duì)各評(píng)價(jià)因子加權(quán)信息量的分析可以看出，地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的區(qū)域海拔在250～1000m，坡向?yàn)槟?、東南及西南，距離水系在300m內(nèi)，巖性主要為較堅(jiān)硬巖，地形起伏度為大于60m。其中巖性、地形起伏度和高程在本地區(qū)是控制地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素。

(3)對(duì)研究區(qū)域的易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)進(jìn)行檢驗(yàn)，其評(píng)價(jià)結(jié)果成功率(AUC)值達(dá)到74.74%，說(shuō)明該評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性較好，可以為淶水縣防災(zāi)減災(zāi)工作有一定參考意義。