周 迎，易 武，黃曉虎，張 全，黃 耕，敖 亮

(1.湖北長江三峽滑坡國家野外科學觀測研究站，湖北 宜昌 443002；2.三峽地區(qū)地質(zhì)災害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002；3.防災減災湖北省重點實驗室(三峽大學)，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

危巖崩塌災害突發(fā)性強、破壞性大，尤其是在人類工程活動頻繁的區(qū)域。眾多地質(zhì)學者從危巖體的失穩(wěn)模式、發(fā)育特征及形成機制進行風險性評價研究。黃青能[1]以邊坡臨空面情況是否良好、是否有階段性地表徑流、坡度范圍、巖土體濕度、裂縫發(fā)育類型及程度、人類工程活動作為崩塌發(fā)育程度的評判標準。Baeza等[2]采用多元統(tǒng)計分析方法，對區(qū)域淺層降雨型滑坡開展了易發(fā)性評價。Zhou、Chen等[3- 4]把支持向量機中分類和預測方法應用到滑坡災害敏感性評價中。Yesilnacar等[5]在中等比例尺條件下對土耳其Hendek地區(qū)進行了滑坡災害易發(fā)性評價。劉洋等[6]利用ArcGIS平臺，采用AHP-信息量模型，對四川省通江縣進行地質(zhì)災害危險性評價。王佳佳等[7]利用災害地質(zhì)圖編繪專業(yè)監(jiān)測中崩塌滑坡預報模型和預報判據(jù)等資料，開發(fā)基于WEBGIS和四庫一體技術的滑坡災害預測預報系統(tǒng)。

層次分析法(AHP)、信息量法的精確程度及適用性均有改進的空間，網(wǎng)絡層次分析法(ANP)是AHP的延伸與擴展[8]，ANP-信息量法將ANP網(wǎng)絡層次分析法和信息量法的優(yōu)點結合起來進行易發(fā)性空間預測。吳靜涵等[9]以金寨抽水蓄能電站為例，建立了基于ISM-ANP的灰色聚類分析的地下洞室施工安全風險評價模型，得出施工安全風險評價結果。祁英弟等[10]在傳統(tǒng)TOPSIS法的基礎上加入灰色關聯(lián)理論，構建西北地區(qū)引水隧洞病害安全評價模型，通過應用Super Decision軟件得出各隧洞段病害安全等級。本文基于ANP-信息量法，對湖北宜昌點軍區(qū)白堊系地層進行易發(fā)性評價。

1 點軍區(qū)白堊系地層概況

點軍區(qū)位于宜昌城區(qū)長江南岸地帶，面積為532.18 km2，區(qū)內(nèi)白堊系地層面積為292.19 km2。研究區(qū)內(nèi)地形地貌為丘陵到平原的過渡帶，丘陵地貌在艾家鎮(zhèn)、橋邊鎮(zhèn)、聯(lián)棚鄉(xiāng)及點軍街道辦均存在，區(qū)內(nèi)高山主要集中在土城鄉(xiāng)一帶。研究區(qū)內(nèi)巖質(zhì)斜坡居多，斜坡坡面可見危巖發(fā)育，區(qū)內(nèi)巖體地層主要為：①白堊系上統(tǒng)羅鏡灘組。巖性為紫紅色塊狀礫巖，局部夾粉砂巖及粉砂巖透鏡體，巖層厚為273 m；②白堊系下統(tǒng)五龍組。巖性為中～粗粒砂巖、粉砂巖、鈣質(zhì)細砂巖夾礫巖，巖層厚為1 866 m；③白堊系下統(tǒng)石門組。巖性為紫紅色塊狀礫巖，局部夾粉砂巖及粉砂巖透鏡體，巖層厚為100 m。崩塌地層巖性專題見圖1。根據(jù)危巖崩塌地層巖性專題圖劃分得出地層巖性單因子易發(fā)性分區(qū)情況，見表1。

圖1 崩塌地層巖性專題

表1 地層巖性單因子易發(fā)性分區(qū)情況

本研究源數(shù)據(jù)來源于91衛(wèi)圖影像圖及高程圖，經(jīng)過Globalmapper14處理后導入ArcMap10.4生成。源數(shù)據(jù)中DEM圖的分辨率為12.5 m，ArcGIS制圖比例為1∶2 500 000。

2 模型介紹

本文首先利用ANP法對研究對象進行分析并構建典型的分析模型，通過解超矩陣確定權重；得出權重值后與信息量方法得出來的信息量值疊加得出綜合信息量值，從而得出更加科學合理的易發(fā)性分區(qū)。

研究區(qū)白堊系地層主要的影響因素為坡度、坡向、層理傾角、地形相對高差、地層巖性、距區(qū)域地質(zhì)構造距離、距道路距離、土地利用分類，其他因素由于資料有限不做考慮。危巖崩塌災害易發(fā)性評價模型建立步驟如下：

(1)確定控制層中各因素的權重。由于坡度、坡向、層理傾角、地形相對高差、地層巖性、距區(qū)域地質(zhì)構造距離、距道路距離、土地利用分類各個因素之間是相互獨立的，因此考慮采用直接優(yōu)勢度的原則，即給定一個準則，確定其中任意2個因素對這個準則的重要程度[10]。

(2)構造判斷矩陣網(wǎng)絡。ANP-信息量法的網(wǎng)絡結構見圖2。在總目標下對網(wǎng)絡層的各個元素進行比較，列出判斷矩陣，矩陣中的數(shù)據(jù)通過對決策者進行調(diào)查問卷得到。

圖2 選取因子及結構模型

在計算權重值前需要對已有數(shù)據(jù)進行歸一化處理，歸一化特征向量為

(1)

(2)

(4)計算加權超矩陣并得出權重值。由于超矩陣中每個子塊都是歸一化的，但該矩陣并不是歸一化的[10]。因此，以A為準則，按照各組元素對C層的重要性進行比較，得到1個歸一化的排序向量Aj[10]，即

Aj=[a1j，…，aNj]T

(3)

式中，aij是B中元素對C的影響程度排序向量，根據(jù)排序向量的矩陣可以得出準則下的超矩陣K[11]，即

(4)

式中，ω1N是網(wǎng)絡層一級指標B中各因素的相對權重子矩陣[10]。將加權矩陣與超矩陣通過計算即可得到加權超矩陣W加權，對加權超矩陣進行排序并計算權重即為ANP權重計算結果[10]。公式為

W加權=A×K

(5)

(5)信息量法確定信息量值。信息量計算公式如下

(6)

式中，q(xi，h)為評價因子xi對研究區(qū)地質(zhì)災害hi所貢獻的信息量；Mi為研究區(qū)內(nèi)已發(fā)生地質(zhì)災害區(qū)域中含有評價因子xi的災害數(shù)量；M為研究區(qū)內(nèi)已發(fā)生地質(zhì)災害次數(shù)；Si為研究區(qū)內(nèi)含有評價因子xi的面積；S為研究區(qū)面積[12]。疊加每1個單元格里的信息量得出評價單元里的總信息量值Qi[12]。最后，將ANP法計算得出的W加權值與信息量得出來的綜合信息量值Qi進行疊加，即可得出ANP-信息量法權重值。公式為

(7)

3 點軍區(qū)危巖崩塌災害易發(fā)性評價

3.1 計算過程

確定影響因子指標體系后，結合ANP-信息量法進行分析。分析前，將影響指標劃分為2級：一級指標為模型建立的目標，研究區(qū)內(nèi)危巖崩塌災害的易發(fā)性程度；二級指標為主要的影響因素。

本文結合權重計算公式，基于ArcGIS軟件得出各個影響因素的分級專題圖。以區(qū)內(nèi)22處崩塌災害點為樣本點；經(jīng)過重分類并通過計算得出的權重值進行疊加分析，即可得出易發(fā)性評價結果。

3.2 單因子評價

3.2.1 距道路距離

分級依據(jù)為公路上過往車輛對路面產(chǎn)生的動荷載，一定程度上會影響坡體穩(wěn)定性，越靠近道路，穩(wěn)定性受其影響越明顯。根據(jù)實際情況，以5 m為梯度進行劃分，重分類后距道路距離C7劃分為：<5、5～10、10～15、>15 m。危巖崩塌距道路距離專題見圖3。不同區(qū)間取值分級占比見圖4。研究區(qū)內(nèi)危巖崩塌災害樣本點距道路距離分區(qū)情況見表2。道路和居民區(qū)工程建設相當于給坡體施加外部荷載，對地質(zhì)環(huán)境的破壞程度較大，易誘發(fā)和加劇地質(zhì)災害[13]。分析可知，距離道路越近，緩沖區(qū)受到地質(zhì)災害波及的可能性就越大。

圖3 崩塌距道路距離專題

圖4 距道路造距離分級占比

表2 距道路距離單因子易發(fā)性分區(qū)情況

3.2.2 地形相對高差

基于DEM數(shù)據(jù)并采用自然間斷法得出的地形相對高差專題見圖5。進行重分類后，以最低點的高程為基準線進行計算得出地形相對高差C3劃分為：0～138、139～270、271～431、432～1 017 m。不同區(qū)間的地形相對高差分級占比見圖6。

圖5 地形相對高差專題

圖6 地形相對高差分級占比

由于地形相對高差的不同，風化作用對地表改造的強弱也存在明顯差異，主要以生物風化作用及化學風化作用為主[13]。地形相對高差較大的區(qū)域植被發(fā)育，氣候潮濕，地表巖體吸收的太陽能輻射較少。地形相對高差單因子易發(fā)性分區(qū)情況如表3所示。

表3 地形相對高差單因子易發(fā)性分區(qū)情況

3.2.3 距區(qū)域地質(zhì)構造距離

區(qū)域性斷裂帶和褶皺帶中巖體破碎，完整性差，地質(zhì)災害往往密集發(fā)育[13]。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造如斷層、拉張裂縫等直接影響崩塌災害的發(fā)育，越靠近區(qū)域地質(zhì)構造位置，穩(wěn)定性受其影響越明顯。距區(qū)域地質(zhì)構造距離專題見圖7。根據(jù)實際情況，以1 km為梯度進行劃分，距區(qū)域地質(zhì)構造距離C6劃分為：<1、1 ～2、2～3、>3 km。距區(qū)域地質(zhì)構造距離分級占比情況見圖8。

圖7 崩塌距區(qū)域地質(zhì)構造專題

圖8 距區(qū)域地質(zhì)構造距離分級占比

由于部分災害點距緩沖區(qū)范圍較遠，災害發(fā)生的可能性較小。因此，在計算綜合信息量值時需要剔除大于3 km的樣本數(shù)據(jù)，并在此基礎進行調(diào)整得出距區(qū)域地質(zhì)構造距離的單因子分區(qū)情況，見表4。

表4 距區(qū)域地質(zhì)構造距離單因子易發(fā)性分區(qū)情況

3.2.4 坡度

斜坡的陡傾程度會影響斜坡變形失穩(wěn)的模式[14]，坡度不同，穩(wěn)定性也不相同?；贒EM數(shù)據(jù)，采用自然間斷法得出坡度專題見圖9。進行重分類后，坡度分級為坡度C1劃分為：0°～12°、13°～23°、24°～36°、37°～81°。坡度分級占比見圖10。分析可知，越靠近研究區(qū)域的西南方向，坡度越陡。研究區(qū)內(nèi)的危巖崩塌災害樣本點的坡度分區(qū)情況見表5。

圖9 崩塌坡度專題

圖10 坡度分級占比

表5 坡度單因子易發(fā)性分區(qū)情況

3.2.5 坡向

太陽東升西落，坡向不同，坡面植被受到太陽光照及降雨量的程度也有一定的差異性，坡向差異對降雨、風速及光照等影響風化速率的因子均有影響[13]。采用DEM數(shù)據(jù)基于自然間斷法，得出坡向?qū)ｎ}見圖11。坡向C2劃分為：東北方向、東南方向、西北方向及西南方向。坡向分級占比見圖12。研究區(qū)內(nèi)的危巖崩塌災害樣本點的坡向分區(qū)情況見表6。

表6 坡向單因子易發(fā)性分區(qū)情況

圖11 崩塌坡向?qū)ｎ}

圖12 坡向分布占比

3.2.6 土地利用分類

地表植被根系對松散土體具有穩(wěn)固作用，一般植被發(fā)育的區(qū)域地質(zhì)災害發(fā)育較少[13]。而植被發(fā)育

在節(jié)理裂隙發(fā)育的巖體表面則會進一步促進根劈作用的發(fā)展，導致危巖體受到擠壓脫離母巖。根據(jù)土地利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分類結果，對研究范圍內(nèi)的土地進行分類，C8劃分結果為：農(nóng)田及水域、林地、旱地及草地、建設用地。土地利用分類專題見圖13。土地利用分類情況見圖14。研究區(qū)內(nèi)土地利用分類分區(qū)情況見表7?？梢缘贸觯值馗采w范圍內(nèi)植物根劈作用明顯，農(nóng)田及水域次之，建設用地、旱地及

表7 土地利用分類單因子易發(fā)性分區(qū)情況

圖13 崩塌土地利用分類專題

圖14 土地利用分類

草地覆蓋區(qū)存在植物根劈作用的可能性較小。

3.2.7 層理傾角

水平層理與垂直層理對崩塌災害造成的影響是不同的。張峰等[15]針對新疆準東煤田露天礦的近水平層狀巖體進行數(shù)值模擬分析，研究近水平層理邊坡的變形機制，說明層理的傾角大小對災害存在一定的影響。通過對研究區(qū)層理傾角分布情況進行分析歸類，得出層理傾角專題，見圖15。通過現(xiàn)場調(diào)查及現(xiàn)有資料，對層理傾角C4劃分為：2°～5°、6°～7°、8°～9°、10°～22°。層理傾角占比見圖16。層理傾角單因子易發(fā)性分區(qū)情況見表8。

表8 層理傾角單因子易發(fā)性分區(qū)情況

圖15 研究區(qū)層理傾角專題

圖16 層理傾角分級占比

3.3 易發(fā)性評價結果

對坡度、坡向、層理傾角、地形相對高差、地層巖性、距區(qū)域地質(zhì)構造距離、距道路距離、土地利用分類各個評價因子劃分等級，利用ArcGIS進行疊加得出易發(fā)性分區(qū)圖。通過SPSS軟件對各評價指標進行相關性分析，得出評價指標之間沒有明顯相關性，符合評價要求。通過ArcGIS利用自然間斷法將易發(fā)性分為4個等級，獲取研究區(qū)的易發(fā)性分級圖，見圖17。利用ANP-信息量法計算出權重結果疊加后得出易發(fā)性等級劃分，見表9。

表9 易發(fā)性等級劃分

圖17 崩塌易發(fā)性評價分區(qū)

崩塌易發(fā)性評價分級占比見圖18。從圖18可以看出，本研究對點軍區(qū)白堊系地層的中、較低易發(fā)區(qū)的危巖崩塌災害早期識別的精確程度較高。當災害點的不同標準均處于最不利狀態(tài)，災害點受影響的程度就越大，權重取值也就越大。因此點軍區(qū)白堊系砂礫巖危巖崩塌災害的易發(fā)性評價結果為：當災害點的坡向為東北方向或西北方向，坡度為13°～36°，層理傾角為8°～22°，土地利用類型為林地或建設用地，地形相對高差范圍為0～138 m，距道路距離小于5 m，距區(qū)域地質(zhì)構造距離小于1 km時，則該災害點可能發(fā)生崩塌災害，研究區(qū)內(nèi)符合該地質(zhì)條件特征的主要分布在點軍區(qū)的西北部—土城鄉(xiāng)，其次為橋邊鎮(zhèn)與點軍街道辦，該災害點所在區(qū)域為中易發(fā)區(qū)或較低易發(fā)區(qū)可能性較大。

圖18 崩塌易發(fā)性評價分級占比

4 結 語

本文通過主觀定性分析和客觀定量分析相結合，對湖北宜昌點軍區(qū)白堊系地層危巖崩塌災害進行早期識別?；贏NP-信息量法進行易發(fā)性分析，結果基本與實際情況相符，方法合理可行，適用于研究區(qū)危巖崩塌災害中低易發(fā)區(qū)的危巖崩塌災害的早期識別，精確程度相對較高。

實際情況下，地質(zhì)災害的影響因子不僅僅限于本文提到的幾種因素，后期應在影響因子指標上如節(jié)理裂隙的發(fā)育、災害體分布的密集程度等方面進行深入研究。