基于综合指标法的芦山地震滑坡危险区等级快速划分

庾 露 单新建 陈晓利

1)中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029

2)中国地震局地质研究所，活动构造与火山实验室，北京 100029

0 引言

对于滑坡稳定性影响因子的研究，根据研究范围可分为单体滑坡影响因子和区域滑坡影响因子两个方面。在单体滑坡的稳定性影响因子分析中，需要考虑的因素主要集中在具体的滑坡体结构上，如:岩层倾角、地层岩性及组合特征、结构面以及水的作用等(白云峰，2005)，因此，往往需要收集滑坡体较为细致的参数，采用数值模拟方法，建立相应的地质力学模型，通过计算来探讨上述因素对某个滑坡稳定性的影响。而对于区域滑坡影响因子的研究，则主要通过分析各因子对滑坡稳定性的影响程度，确定对滑坡发生具有显著影响的因子，在了解区域滑坡的空间发育发生规律基础上，实现对较大区域的滑坡稳定性评判。

地震滑坡具有规模大、分布面广、分布区域不确定等特点。如果采用单体滑坡数值模拟方法来研究区域滑坡，则会受到研究区地质、环境资料难以全面收集，力学模型过于复杂等不利因素的制约，难以运用到大范围的滑坡预测中。为了能够实现大范围的地震滑坡危险性预测，快速划分出地震滑坡危险区等级，为地震应急救援提供一定的支持，需要采用简单、高效的滑坡预测统计模型。目前主要是采用基于实例统计的方法，通过分析各种影响因素，找寻与滑坡内在的联系，来估计地震滑坡的分布规律和在不同区域的发生概率。例如，乔建平等(2009)分析了滑坡分布与震区地质地貌条件和宏观烈度的统计关系，在确定宏观震中位置的基础上，采用最大地震滑坡震中距方法研究了不同规模滑坡的分布特点，并得到了滑坡线性分布的规律;许冲等(2010)以2008年汶川地震为例，选取了地层、岩性、断裂、地震烈度、水系、公路等共12个影响因子，采用确定性系数法，对这些影响因子进行了地震滑坡的敏感性研究;Bai等(2012，2013，2014)在收集了舟曲地区的DEM(Digital Elevation Model数字高程模型)、土地利用图、水文、岩性、断层和2008汶川地震地表峰值加速度等资料后，利用逻辑回归分析法，计算得到区域滑坡危险等级分布，并与遥感影像解译和历史滑坡资料进行了对比;陈晓利等(2010)则以汶川地震中滑坡影响严重的北川县擂鼓镇为研究区，选取了坡度、高程、坡向等影响因素进行确定性及面积发育率分析，探讨了它们与地震滑坡空间分布之间的关系。

上述研究成果对认识地震滑坡的发生及其分布规律有积极作用。但影响地震滑坡发生的因素众多，各影响因素之间还存在相互联系，且具有很强的区域性特征，使得地震滑坡成为一个非常复杂的非线性系统(Mark et al.，1995;陈晓利等，2009)。因此针对某一区域，需要找出影响最显著的几类因素并分析其影响程度，才能构建出适用于该区域的分析预测模型。本文结合已有研究成果，以快速获取震后滑坡危险区等级为目的，拟选取受2013年4月20日芦山地震诱发滑坡影响较为严重的芦山县、宝兴县部分区域作为研究区。在影响因子的选取上，主要从地震应急角度考虑，以地层岩性、坡度、地震烈度、距断层距离和距水系距离等5类影响因子为研究对象，利用层次分析法和综合指标法对该研究区地震滑坡中各影响因素的敏感性进行研究，将预测结果划分为高度危险、较高危险、中度危险和低度危险等4个等级，用以表征地震滑坡发生的可能性。本文的研究成果可为该区域及相邻周边地区的滑坡危险性预测、地震滑坡灾害预防等工作提供依据。

1 芦山地震滑坡影响因子选取

2013年4月20日，在四川省雅安市芦山县(30.3°N，103.0°E)发生了7.0级地震，震源深度约13km。震后发生了包括滑坡、崩塌在内的一系列的次生地质灾害。此次地震中，位于山区的道路交通设施受损严重，芦山县至宝盛乡、宝兴县公路被滑坡崩塌物阻隔，导致救灾物资和救援力量无法进入，直至震后第3日才抢修贯通，但道路网仍很脆弱。此外，地震滑坡对灾区的一些建筑设施也造成一定的损失，威胁当地居民的生命和社会财产安全。

本文所选取的研究区范围为:30.1°～30.4°N，102.7°～103.1°E，面积1 285.6km2，覆盖了受地震滑坡影响较严重的芦山县南部和宝兴县东南部地区，以及雅安市西北部，天全县东北部等地区。为方便叠加分析，将预先对影响因子所覆盖的范围进行栅格化处理，采用30m×30m的格网尺寸将研究区划分为1 152行×1 240列共1 428 480个单元。

地震诱发的滑坡的分布，在一定空间尺度上与多种影响因子密切关联，是这些影响因子共同作用的结果，但是各影响因子在整个滑坡发生过程中，所起的作用是不同的。根据已有对地震滑坡的影响因素、孕育特征和分布规律等研究成果(Keeper et al.，1984;孙崇绍等，1997)，结合研究区地质环境特点得出，研究区内地震滑坡主要影响因素有以下几种:1)地质因素;2)地形因素;3)构造因素;4)外动力因素;5)水文因素。分别对应地层岩性(v1)、坡度(v2)、地震烈度(v3)、距断层距离(v4)和距水系距离(v5)等5类影响因子，并根据每个影响因子与滑坡的关系划分出4个等级(表1)，等级从小到大表示发生滑坡的危险性由低到高。表2所示为本文所使用数据的来源和比例尺。上述5类影响因子的选取，相较于许冲等(2010)选取的地层、岩性、断裂、地震烈度、水系、公路等共12个影响因子，数量较少。这主要基于以下考虑:1)在资料获取上更为便捷，可以在震后快速进行计算分析得到结果;2)选取较少的影响因子，模型的复杂程度会有所降低，约束条件也更少，适用范围更广。如果选择较少的影响因子，而得到较为准确的预测结果，则说明预测模型可能更具有实用性。

表1 地震滑坡影响因子危险等级划分Table 1 Classifications for hazard levels of earthquake-induced landslide impact factors

表2 所使用数据的来源和比例尺Table 2 Sources and scales of datum used in this paper

1.1 地层岩性影响

现有的研究成果表明，地震区滑坡的区域分布具有显著的集中性，而这种分布的集中性往往又与岩性密切相关(辛鸿博等，1999)。岩土体性质及其结构特征对于滑坡变形和失稳有显著影响，它们不仅决定斜坡岩土体强度、应力分布、变形破坏特征，也在很大程度上制约滑坡的活动方式及规模，同时也是滑坡等地质灾害的物质基础(陈晓利等，2009)。研究区的地层岩性分布和影响等级如图1，反映了研究区地层岩性分级和分布情况。

1.2 地形坡度影响

地震滑坡的形成关键在于斜坡体是否具有效临空面，斜坡的坡度从几何特征上决定了地震滑坡体的空间分布。随着地形坡度的增大，滑坡体的稳定性也会降低，对区域危险性的影响也随之升高。图2反映了研究区坡度分级和分布情况。

1.3 地震烈度影响

图1 地层岩性分级图Fig.1 Classification for lithology.

图2 地形坡度分级图Fig.2 Classification for slopes.

地震烈度表示地震对地表及工程建筑物影响的强弱程度，是在没有仪器记录的情况下，凭借地震来临时人们的感觉或地震发生后器物反应的程度、工程建筑物的损坏或破坏程度、地表的变化状况而定的一种宏观尺度。地震作为地震滑坡的触发因素，对滑坡的发生与否起到重要的作用。地震烈度与地震滑坡之间存在正相关，即随着烈度的增高，滑坡崩塌出现的数量也在增加。图3为芦山地震地震烈度分布等级划分。

1.4 距断层距离影响

地震的发生往往是断层活动所致，在已有的大断裂带上岩体往往结构破碎，稳定性差。一方面，如果边坡与震源处于断裂带的同一侧，特别是位于断裂带上，其失稳可能性会大大提高，因此区域性大断裂往往控制滑坡密集发育，使滑坡呈带状分布。另一方面，如果边坡与震源分居断裂带两侧，则所受地震作用将降低，这是因为断裂带对地震波动能量的屏蔽作用所致(祁生文等，2004)。历史活断层资料显示，本研究区内断层主要呈NE走向，主要由一条主断裂双石－大川断裂和其他交错的网状断裂组成。此次地震没有形成明显的地表破裂，但是滑坡的NE－SW向空间延展分布仍显示出构造控制的影响。根据距断层的距离，对研究区做＜5km，5～10km，10～20km，＞20km共4级缓冲区，危险等级随距离递增而递减。图4所示为距断层距离分级和分布情况，由于所选研究区内断层分布较为密集，因此对其进行缓冲区分级后，第1和第2级已经超出了研究区范围。

图3 芦山地震地震烈度等级划分图Fig.3 Classification for intensities.

1.5 距水系距离影响

水系和滑坡在空间分布上的关系极为密切。大量研究表明，无论是历史滑坡还是现代滑坡，离水系越近，滑坡分布密度越大，在远离水系的区域，滑坡则较少发生(单新建，1999;陈晓清等，2008;王世新等，2008)。本研究区的主要水系由NE走向的玉溪河及NW走向的青衣江组成，2条河在芦山县正南偏西约5km处交会。对研究区内的水系分别做＜100m，100～500m，500～1 000m，＞1 000m共4级缓冲区，危险等级随距离递增而递减。得到如图5所示距水系距离分级和分布情况。

图4 断层缓冲区分级图Fig.4 Classification for buffers of faults.

图5 水系缓冲区分级图Fig.5 Classification for buffers of drainages.

2 综合指标法

综合指标法是根据研究区特点，就上述每种影响因子对滑坡产生的贡献，采用层次分析法进行评定，划分出影响等级，再将每个影响因子的空间分布影响等级进行加权;最后叠加得到该区域地震滑坡危险区综合等级分布上。本文所使用的模型如下:

式(1)中:H是地震滑坡危险等级，n是影响因子个数，xi为第i个影响因子等级，ki为第i个影响因子的权重。H的大小反映的是该地区发生地震滑坡的可能性大小。

由于各类影响因子对地震滑坡的影响贡献不同，因此，需要添加权重k i进行约束，本文将采用层次分析法(The Analytic Hierarchy Process，AHP)(Ayalew et al.，2005)计算出k i权重值。该方法是对定性问题进行定量分析的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法(Bai et al.，2009;Yalcin et al.，2008)。其思路是:1)首先将一个复杂问题分解成多个层次，每个层次包含多个影响因素，对同一层次中各影响因素之间进行重要程度的两两对比，形成对比矩阵;2)再通过计算该矩阵的最大特征值的方法来衡量矩阵的一致性，相关的指标有一致性指标CI，随机一致性指标RI，一致性比率CR=CI/RI。当CR＜0.1时，则可认为该对比矩阵的一致性是可以被接受的;3)最后根据矩阵的最大特征值进一步计算得到对应的特征向量，并通过对特征向量进行标准化将其转化为权向量，向量中各要素对应上层要素的影响权重(陈晓利等，2010)。

综上所述，并经过一定的合理性实验验证，采用如下对比矩阵:

式(2)中aij=vi/vj，即第i个影响因子重要程度和第j个影响因子重要程度的比值。对于选中的岩性(v1)、坡度(v2)、地震烈度(v3)、距断层距离(v4)和距水系距离(v5)等5个因素，根据目前对地震滑坡影响因素的认识，计算得到各影响因子的权向量K={0.168 8，0.269 7，0.425 2，0.068 2，0.068 2}。

3 结果与验证

此次地震发生后，四川省测绘局重点围绕芦山县、宝兴县等地进行了次生地质灾害的勘察，下面将勘察结果中实际发生滑坡的地点与综合指标法分析的结果进行比对，验证本文所采用的分析方法、影响因子选取和权重确定的合理性。

危险区等级分布与实际滑坡点叠加结果如图6，7所示。

(1)危险区等级分布图显示，整个研究区(图6a)受地震影响呈现与烈度分布图显著相近的圈状形态，地震烈度危险分级≥3级、距断层距离≤5km的范围占据研究区的大部分，因此地震动力的高强度和断层在该区域的密集分布对于该区域整体危险等级的贡献作用极大。通过将实际滑坡点和本文划分的危险区进行叠加表明:1)在统计上，落在较高和最高危险区的实际滑坡点占总数的比例分别约为54%和23%(图6b);2)在空间分布上，实际滑坡点主要集中在中东部和西部，中东部区域主要呈现较集中分片分布，而西部区域则呈现近NS向带状分布。

(2)在中东部危险等级最高的椭圆形区域(图7a)，不但位置紧邻震中地震烈度最高，岩性属于软岩类型，并有河流流经该区域，多个影响因子在该区域都处于高危险等级。因此，叠加分析后该区域极易发生地震滑坡。这一预测结果在实际滑坡点的分布上得到了很好的印证。

(3)在西部近NS向带状区域(图7b)，其危险等级在中级到较高级(1.8～3.3)范围内，与河流的影响关系密切。其中多数落在2～3级危险区的滑坡点(图7b中绿色、黄色的点)多发生在河流500m缓冲区范围内，此处受河流自身和河流流域深切峡谷陡坡的共同影响，其预测结果与实际情况较为吻合。而少量处在1级危险区的滑坡点(图7b中蓝色的点)，却落在紧邻河流(100m内)的区域，这主要是受河流河漫滩平缓的坡度干扰，造成该片区危险等级较低的不真实判断。综上所述，该区域滑坡发生呈现带状分布现象的最主要原因是受水系分布和地形坡度的影响，同时地震仍是作为诱发滑坡的重要外动力因素(图3)，而岩性在该区域的影响相对较小(图1)。通过与实际滑坡发生位置的对比，本文所做的芦山地震滑坡危险区等级划分较好地反映了实际滑坡的发生情况。大部分实际滑坡与预测滑坡高度危险区吻合较好，约77%的滑坡点落在较高和最高危险区。

图6 研究区地震滑坡危险等级区划与实际滑坡点叠加Fig.6 The overlay between earthquake-induced landslide hazard zones and landslide sites in study area.

图7 研究区局部放大图Fig.7 The partial enlarged map.

4 结论与认识

(1)选取了5类地震诱发滑坡的影响因子:地层岩性、坡度、地震烈度、距断层距离和距水系距离，采用层次分析法确定了每个影响因子的贡献权重，采用了综合指标法进行了统计和分析，并划分出4个危险等级。预测结果与实际滑坡点的勘察资料有较高吻合度，约77%的滑坡点落在较高和最高危险区，表明各影响因子的权重确定较为合理。这说明在区域背景资料较少的情况下，综合指标法能够进行较大范围和较高准确度的地震滑坡危险性划分，具有较强的可操作性。

(2)给出的危险区划分等级与实际勘察的滑坡点有一定出入，表现为在一些低危险度的地区发生了滑坡，而在一些高危险度的地区并未发生滑坡的现象。分析原因，一方面，与验证手段较为单一有关。四川省测绘局对该地区震后次生地质灾害的勘察，主要覆盖公路沿线和城镇周边，对于没有覆盖的区域，由于缺乏勘察资料而难以验证模型的准确性;另一方面也说明，在影响因子的选取上仍有改进的空间。在今后的研究中，可考虑加入更多的影响因素如:坡向、坡面粗糙度、土地利用等。此外，也可考虑将研究区细分成多个子区，根据子区的特征给影响因子合理分配权重。

(3)如何选取地震滑坡的影响因子以及如何确定各因子的权重，仍需要进行更深入的研究。同时也需要更进一步丰富和细化区域背景资料，才能使地震滑坡危险区划分结果更为合理并更具应用价值。