探究基于层次分析法的矿区地质灾害风险评估方法

杨致萍+董梦婷+蔡回炜

摘要：在矿区地质灾害的风险评估中，采用层次分析法能够使得分析评价过程更加简洁和具有系统性，能够全面的对产生地质灾害的原因以及各个因素发生频率及风险度进行定性、定量的分析评价，极大的提高了风险评估的准确度和科学性。

关键词：层次分析法；矿区地质灾害；风险评估；风险度

我国是一个采矿大国，且是一个发展中国家，正处在已开发和利用物质能源和能量能源为主要特征的工业化过程中。20世纪80年代后期以来，国民经济持续稳定的高速增长需要消耗大量的矿产资源，进而导致大量的矿产开发。近年来，由于采矿引发的地质灾害不断发生。频繁的地质灾害给国家，矿区企业及附近居民造成了重大损失，严重制约了国民经济和矿区企业的可持续发展。因此，提高对矿区地质灾害的认识，加强对矿区地质灾害的风险分析与评估已成为当前一项重要任务。

一、层次分析法

20世纪70年代由美国著名运筹学家萨蒂提出的层次分析法，指的是在将一个多目标决策对象看做一个系统的前提下，将该目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标（或准则、约束）的若干层次，通过定性指标模糊量化方法算出层次单排序（权数）和总排序，以作为目标（多指标）、多方案优化决策的系统方法。它的核心思想是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备投方案的顺序分解为不同的层次结构，然后得用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再加权和的方法递阶归并各备择方案对总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案。

运用层次分析法对某系统进行分析的基本步骤为：

① 建立递阶层次结构

利用系统中某一特性的层次划分，确定其各个不同的分析层次，一般某一层次内部具有相通性，即相互间属于并列且相互独立关系；相邻层次间属于包含与被包含关系（就分析对象特质而言），或者彼此相互关联，具有导出关系。

② 构造成对比较阵

③ 计算权向量并做一致性检验

④ 计算组合权向量并做组合一致性检验

⑤ 构造判断矩阵

二、层次分析法在地质灾害风险评估中的应用

在利用层次分析法进行矿区地质灾害风险评估中，首先要确定地质灾害的目标并且按照其产生目标的原因进行分类和一致性检验，并通过对产生上一层次指标的各因素进行两两比较判断，构造出判断矩阵，对判断矩阵进行计算结果导出层次单排序和一致性检验结果，从而确定各个因素的排序以及相应控制方案。

（一）某矿区地质灾害风险评估

1.确定目标对象及评估因子，划分层次模型

确定该目标为某矿区滑坡、崩塌、地裂缝等地质灾害，该地产生地质灾害的原因主要有地形地貌因子、岩性因子、构造因子、水文地质因子、采矿因子（包括地上地下采矿以及选矿、尾矿堆积、矿的运输等活动）以及人类活动因子（不包括采矿活动及其相关如选矿、尾矿堆积等活动）等。由此划分出其层次模型如图1所示。

图1某矿区地质灾害层次模型

2.评估因子一致性检验

对建立起的矩阵进行一致性检验时，引入一致性指标概念，即

验证CI=0，则判断矩阵各评估因子完全一致；当CI<0时，判断矩阵出现错误，需要对其进行调整，CI>0时，其不一致程度较大，且其值越大，不一致程度越大。由于各因子间的相互独立性不敏感，矩阵不一致性控制在一定的范围内依然是可以接受的。

3.评估因子的赋值

由于各个因子对地质灾害的产生均具有贡献，而某单个因子造成地质灾害的状况基本不存在，综合该地区有地质灾害详细资料以来的参数，利用GIS技术统计计算各地质灾害中各因子存在频率及变化量对地质灾害程度变化的影响，确定其各因子的地质灾害贡献度作为其敏感度，对各因子进行1～10赋值和分级。

4.评估因子权重输出计算

在对各评估因子进行矩阵计算后，得出各因子对地质灾害发生的贡献度及其所占权重输出结果如下所示。

表1某矿区地质灾害危险性评价指标权重

地形地貌因子（0.25） 地形条件（2）

矿区面积（1）

岩性因子（0.13） 地层岩性（1）

构造因子（0.15） 距断裂带距离（1）

水文地质因子（0.06） 矿区地表水文条件（1）

矿区地底水文条件（1）

周边水文条件（1）

采矿因子（0.42） 尾矿库地形及尾矿堆积方式（3）

矿区采矿方式及范围（2）

矿区采空区范围（2）

人类活动因子（0.15） 交通运输（1）

农田等（1）

（二）该矿区滑坡风险评估

确定该矿区滑坡风险因子分别为采矿活动、滑坡灾害面密度、坡度、坡高、地层岩性等五个部分。

1.采矿活动

这里的采矿活动包括矿区采矿、选矿、尾矿处理等作业，如地表及地下采矿、岩体破碎、爆破、矿体运输、选矿给排水、矿井提升、尾矿的堆积以及相应设施系统的配套设施、系统的施工、建设活动。

2.滑坡灾害面密度

灾害面密度的定性分析是根据灾害点的空间分布情况统计每个区域的灾害点面密度与滑坡危险性成正比。滑坡面密度的提取方法是以GIS为平台将滑坡分布图层转化为栅格图层 以10m×10m划分单元网格。然后以每个网格为圆心 半径500m逐个网格进行搜索。以圆内部滑坡面积与圆面积之比作为该网格的滑坡灾害的面密度。

3.坡度

坡度是引发滑坡的重要因素之一，坡度过大由于其山体在采矿的条件下剪应力过大造成其坡脚处应力相对集中，使得滑坡现象多发；而且对于滑坡多发山体，其老滑坡的应力破坏使得山体的抗剪应力性减弱，更容易引发新的滑坡的产生。endprint

4.坡高

坡高是引发滑坡的基本因子之一，由于坡高的增加，使得山体坡脚处应力更加集中，特别在正应力剪应力叠加的基础上由于采矿的影响发生应力错动偏差，最终导致滑坡的产生。

5.地层岩性

地层岩性对滑坡活动的影响是一个比较复杂的因素，综合考虑矿区地层岩性的各种因素，按照地层岩性对滑坡的影响程度，以GIS地貌单元为基础，对不同地层岩性进行赋值，取值范围为1～10。

滑坡各影响因子的分级标准如表2所示，按层次分析法的步骤首先以影响滑坡的5个因子为基础建立层次分析法模型，建立判断矩阵并验证出判断矩阵具有较好的一致性，对特征向量归一化处理后，得到滑坡各因子的权重如表3所示。

表2 滑坡影响因子分级标准

滑坡影响因子 编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ

采矿活动 C1 ≤0.10 0.100.25

灾害面密度 C2 ≤0.20 0.200.6

坡度/（°） C3 ≤15 1540

坡高/m C4 ≤30 30150

地层岩性 C5 ≤2.50 2.50

表3滑坡危险性评价各因子判断矩阵及权重

影响因子 C1 C2 C3 C4 C5 权重

C1 1 2 2 2 3 0.348

C2 1/2 1 3/2 3/2 2 0.218

C3 1/2 2/3 1 1 2 0.170

C4 1/2 2/3 1 1 3/2 0.161

C5 1/3 1/2 1/2 3/2 1 0.103

对以上进行的地质灾害因子权重计算结果进行排序便可得出该矿区造成地质灾害的各主要原因以及其分级重要度。因此在进行地质灾害预防与控制时，需要对其进行重点的控制。此时，可以通过将各危险性因子权重结果导入GIS图层中，利用土层叠加求取该矿区某具体网格内发生地质灾害的可能性，从而对下一步的地质灾害管理与控制提供一定的参考意见。

结语：

利用层次分析法进行矿区地质灾害分析的优势主要有系统性较强，能够对造成地质灾害的各个部分进行全面、详细的分析，并得出各因子对灾害发生的贡献度即权重，由此确定地质灾害风险控制的最佳方案。但其在各因子的赋值计算时往往依据经验和相对频率、贡献度，无法保证定量分析结果的正确性，使得分析结果只能作为危险性排序的定性参考意见而不能对其进行定量的评估和控制；且该方法只能对已有的两种或多种风险控制方案进行对比，不能直接导出新的控制方案，因此其在地质灾害预防控制方面的应用存在一定的局限性，需要通过综合GIS、计算机软件、数字模拟等其他技术的发展应用对其进行进一步的改进与优化。

参考文献

[1] 李万花.层次分析法在地质灾害危险性评估中的应用研究 ——以玉树县结古镇民主北建委会规划区为例[D].中国地质大学，2013.

[2] 姚玉增、任群智、李仁峰、温守钦、赵玉山.层次分析法在山地地质灾害危险性评价中的应用—以辽宁凌源地区为例[J].水文地质工程地质，2010（02）.

[3] 郑长远.层次分析法在地质灾害调查评价中的应用 ——以青海省湟源县为例[D].中国地质大学，2013.

杨致萍，女，1987-04-30，山西太谷县，助理工程师，研究方向：水工环地质