基于层次分析法的斜坡地质灾害易发性评价研究

张文君，赵志芳

(1.云南大学遥感地质研究中心，云南昆明 650091; 2.云南省遥感中心，云南昆明 650091)



基于层次分析法的斜坡地质灾害易发性评价研究

张文君，赵志芳*

(1.云南大学遥感地质研究中心，云南昆明 650091; 2.云南省遥感中心，云南昆明 650091)

选取中越边境元江-红河地区作为研究区，在全面分析斜坡地质灾害影响因子的基础上，建立了地质灾害易发程度评价体系；运用层次分析法(AHP)，确定了影响地质灾害易发程度的评价因子及其权重，构建了斜坡地质灾害易发性评价模型；并进行了模型应用，按其斜坡地质灾害易发性程度划分为不易发区、低易发区、中易发区和高易发区4个等级。野外查证表明，该模型构建能较好地刻画研究区斜坡地质灾害易发性程度，模型构建具有一定推广应用价值。

斜坡地质灾害易发性；层次分析法；中越边境元江-红河地区

体积巨大的表层物质在重力作用下沿斜坡向下运动，常常形成严重的地质灾害[1]，给人们的生命财产安全来了影响。针对地质灾害易发性问题，国内外许多学者开展了一系列研究。Lara等[2]在研究智利圣拉蒙峡谷地区工程地质的基础上，将其作为主控因素参与到研究区地质灾害的易发性分析中，成为地质灾害易发性评价的一个良好范例。Ahmed[3]将遥感技术、GIS同层次分析法、加权线性组合及逻辑回归相结合，建立了孟加拉国克斯巴扎市山区地质灾害易发性模型，经精度评价证明层次分析法和逻辑回归模型具有较好的评价结果。Dou等[4]选取坡度、岩性等6个指标，并采用人工神经网络的方法对日本Osado岛的滑坡进行易发性评价，最终得到研究区地质灾害易发性区划图。魏新平等[5]通过将地质环境条件和现状灾害调查相结合，提出地质灾害易发性综合指数，并将该指数模型运用于甘肃省崇信县，对县内已经存在的或潜在的以及将来引发或加剧的地质灾害进行了易发性分区，最终将崇信县划分为高、中、低易发区。王哲等[6]将层次分析法与模糊数学综合评价相结合，根据建立的隶属度函数构建模糊判断矩阵，对绵阳市的地质灾害易发程度进行了模糊综合评判，得到了4个等级的地质灾害易发性分区。

中越边境的元江-红河地区，因其气候多云多雨、岩土体风化较为严重，崩塌、滑坡、泥石流等斜坡地质灾害频发，对区域合作发展带来了影响。但受边境条件限制，传统地面调查难以实施，如何有效开展区内的地质灾害易发性评价成为较为紧迫的课题，定量化的斜坡地质灾害评价模型有待尽快建立。鉴于此，笔者采用层次分析法(AHP)构建了地质灾害易发性评价模型，并将模型应用于地质灾害频发的中越边境元江-红河地区，以期较好地实现客观定量斜坡地质灾害评价模型构建，同时为研究区地质灾害防治提供科学依据。

1 研究方法

1.1 数据源

以Landsat8遥感影像(景号：12844，时相：2014年4月13日)以及1∶50 000数字高程模型(DEM)(分辨率：20 m)为基本数据源，主要通过建立解译标志、GIS空间数据处理等方法，提取斜坡地质灾害因子及影响斜坡地质灾害因子信息。

1.2 研究方法

研究主要采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)，该方法由美国运筹学家Saaty提出。其基本步骤是：对于一个包括众多因子而又难于完全量化评价的系统，根据各个影响因子之间的相互关系，建立递阶层次结构；对系统中的各因子，根据其影响程度，建立定量化标准或评分机制；通过判断矩阵经一致性检验后，逐层得到各因子的评分，结合因子的权重，最终得到最高层次目标的评价值。由于影响斜坡类地质灾害发生的因素众多，且具有一定的不确定性和模糊性，但各因素之间又具有明显的相关性[7]。因此，在进行地质灾害易发性研究时，常常采用层次分析法(AHP)来解决此类多目标复杂问题。

2 评价指标体系的建立

2.1 评价因子的选择

斜坡地质灾害是地质、地理环境与人文社会环境综合作用的产物。影响斜坡地质灾害的因素相当复杂，总体上可分为地质因素及非地质因素两类，前者是斜坡地质灾害发生的物质基础，后者则是斜坡地质灾害的外动力因素或触发条件。重力是斜坡地质灾害的内在动力，坡度、地形地貌、地层岩性、地质构造、植被发育、河流切割情况是影响斜坡失稳的主要自然因素，而涉及坡脚开挖的道路修建等人类工程活动对斜坡的变形破坏起着重要的诱发作用[1]。综上，结合研究区的自然地理以及地质环境条件，同时考虑人为活动的影响，从孕灾条件和致灾因素两方面建立地质灾害指标体系，遵循评价因子应力求简明性、代表性和可操作性的原则[8]，选取坡度、地形地貌、地层岩性、断裂构造、植被、水系以及人类工程活动作为影响斜坡地质灾害易发性的7个因子，构建斜坡地质灾害易发性评价体系(图1)。同时结合研究区自然地理条件，反复试验对比后构建了斜坡地质灾害易发程度评价指标中的分级标准(表1)。

表1 斜坡地质灾害易发性评价因子及等级划分

2.2 评价因子分析

2.2.1斜坡坡度。斜坡地形的高差和坡度决定着由重力产生的下滑力的大小，从而也决定着斜坡地质灾害灾害发生的可能性与规模。采用数字高程模型(DEM)，将坡度划分为<10°的平台、10°～15°的缓坡、15°～25°的中坡、>25°的陡坡4个级别[9]。根据统计不同坡度分类上的地质灾害相对密度，将<10°的平台、10°～15°的缓坡、>25°的陡坡、15°～25°的中坡分别赋予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。

2.2.2 地形地貌。研究区以构造地貌为主，流水地貌较为发育，分布有岩溶地貌。构造地貌主要分布于元江断裂的西侧，地势由北西向南东逐渐降低，山顶狭窄，纵向多呈马鞍形。流水地貌为受元江深大断裂控制形成的构造河谷，与元江深大断裂平行排列，从北西向南东贯穿全区。结合遥感影像、坡度和地势起伏度状况，将研究区地形地貌按其成因形态类型分为河谷地貌、溶蚀山地和褶皱侵蚀山地3类，并分别赋予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。

2.2.3 地层岩性。地质体母岩及其风化物是地质灾害发生、发展的基础条件，是致灾体的物质来源[10]。不同的矿物成分及含量使得岩石的风化程度不同，最终导致岩石的性质结构、力学强度、亲水性、节理裂隙数量等性质发生不同程度的变化。研究区岩石多为变质岩和沉积岩，根据《工程岩体分级标准》[11]，将岩石的坚硬程度划分为坚硬岩、较坚硬岩、软岩、极软岩。

2.2.4 断裂构造。断裂构造的性质、破碎带宽度、节理裂隙发育程度及其组合特征等均影响斜坡地质灾害发育。地质灾害及其隐患点基本沿断裂带走向呈条带状排列分布，而且在断裂密集或交叉区域地质灾害多发[12]。研究区内有岩石圈断裂一条，为元江-红河断裂，一般断裂两条，为苦笋老寨-沙巴断裂(F11)、牛塘寨-南溪镇断裂(F12)，均为NW向展布；有线性构造多条。以500 m为间隔对断裂构造做4级缓冲区，结合随距离断裂构造距离的增加、灾害发生的可能性降低，易发程度等级也随之降低的特点，将上述断裂构造缓冲区赋予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。

2.2.5 植被。植被通过其水文效应和力学锚固效应影响岩土体的整体性和稳定性，进而影响各种地质灾害的产生和发展[13]。植被覆盖度是指在单位面积内植被(包括叶、茎、枝)的垂直投影面积所占百分比，在水土流失、土壤水分蒸发、岩土体稳定性中起着重要的作用。运用归一化植被指数(NDVI)在遥感影像的基础上，定量估算植被覆盖度fC，在置信度为0.01的情况下得到研究区植被覆盖度图。结合研究区实际情况，通过栅格重分类划分为4级，分别是极低植被覆盖度(0≤fC<10%)；低植被覆盖度(10%≤fC<30%)；中植被覆盖度(30%≤fC<60%)；高植被覆盖度(60%≤fC)。植被覆盖度计算公式为：

fC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)

式中，fC为植被覆盖度；NDVI为归一化植被指数；NDVImin为归一化植被指数极小值；NDVImax为归一化植被指数极大值。

2.2.6 水系。山地沟谷的发育为泥石流的形成提供了有利的空间场所和通道，同时河流的侵蚀作用也常常导致滑坡和崩塌的发生。故对1、2、3级河流以500 m间隔做4级缓冲区，分别赋予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。

2.2.7 人类工程。现阶段，越来越多的地质灾害是由人类工程活动诱发产生的。道路的修建对边坡坡脚的切层开挖是边坡变形诱发地质灾害的重要原因，道路的开挖不仅为滑坡体的位移提供空间，而且挖方的随意堆弃也为崩塌和泥石流的发育提供了丰富的物质来源。因此，对1、2、3级道路以500 m隔做4级缓冲区，分别赋予Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。

2.3 指标权重的确定

由于地质灾害影响因素复杂，目前赋权方法还没有形成完整的体系。运用层次分析法首先对评估因子之间的重要度进行两两比较，建立判断矩阵，采用1-9位标度法[14]将各因素重要性的定性部分定量化，以提高权重判断的准确性；然后，计算判断矩阵的标准化特征向量，经一致性检验，得到影响研究区的指标因子权重(表1)。

3 模型应用及验证

研究区呈长方形，采用规则正方形格网单元划分方法，以间距200 m×200 m划分为形状大小一致的单元格，共划分52 116个网格。根据最大面积比对单元格将各个指标等级赋值于单元格，通过字段计算器和栅格计算器得到各指标因子的线性加权和，即为各单元格的易发性定量指标。由于单元格多达52 116个，样本已足够大，为提高计算效率，采用反距离权重法(IDW)进行空间插值，并根据经验公式设定栅格大小为33 m，经矢量化后得到插值结果图。依据输出图层的显示结果，采用Natural Breaks(Jenks)法，将中越边境元江-红河地区划分为不易发区、低易发区、中易发区和高易发区，面积分别为587.99、403.17、621.79、442.85 km2(图2)。栅格单元大小计算公式为：

GS=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

式中，GS为栅格单元大小；S为制图比例尺分母。

3.1 高易发区

研究区斜坡地质灾害高易发区面积为442.85 km2，占全区总面积的21.54%。主要分布于河口瑶族自治县褶皱侵蚀山地的道路边坡和越南老街附近的风化破碎带等地区，主要沿断裂和道路呈条带状密集发育。该区地质环境条件较差，受深大断裂——红河断裂带的影响，加之道路修建时地基开挖，造成斜坡变形、软弱构造面暴露、形成的众多临空面和岩土破碎的挖方，为斜坡地质灾害的发生提供了丰富的物质来源和发育空间。另外，研究区属热带山地季风雨林湿热气候，炎热潮湿，暴雨频发，雨水大量下渗，导致斜坡岩土体含水饱和，抗剪强度下降，极易发生滑坡和泥石流灾害。

3.2 中易发区

研究区斜坡地质灾害中易发区面积为621.79 km2，其所占比例最高，为30.25%，主要分布于红河断裂东侧瑶山岩群的碳酸盐沉积和碎屑岩地区，以及哀牢山岩群的前陆盆地碎屑岩夹碳酸盐的沉积地区，该区多为中低植被覆盖度区，岩土体较不完整，水系发育程度高，有利于地质灾害的发生。

3.3 低易发区

研究区斜坡地质灾害低易发区面积为403.17 km2，占全区总面积的19.61%，主要分布于山高坡陡以及距离道路、水系较远的地区。

3.4 不易发区

由于研究区多为中低山和河谷地貌，同时大部分地区植被覆盖度高，不具备良好的孕灾条件，故斜坡地质灾害不易发区面积为587.99 km2，所占比例达28.60%，广泛分布于人口密度稀少的林地。

经野外验证，验证点1位于河口瑶族自治县的海坝公路旁，该点的滑坡体岩性为片麻岩，岩体风化严重，完整性差，属中低山地貌。经初步调查，由于该点处岩石属于强风化，岩体破碎，土质松软，公路的开挖又形成临空面，在脆弱地质环境条件下，经长时间降雨及局地强降雨，使得岩土体饱水，物质容量增大，在重力作用下发生地质蠕动而发生滑坡，严重阻塞了公路，直接造成了国家和人民的经济损失。验证点2位于老龙田-新街公路旁，该点岩石节理发育，风化完全，坡耕严重，种植大量橡胶林，植被单一，并且该点附近发育有其他滑坡，形成小型的滑坡群。验证点1和2均位于高易发区。

4 结论

建立了基于地质灾害孕灾条件和诱发因素的评价体系，运用AHP法确定因子权重，通过网格模型和空间插值进行地质灾害易发性评价，不仅简便易行，而且综合考虑了各因素的影响，使各因素都真实地参与评价，减少了人为因素的影响，经实地验证其划分结果比较符合中越边境元江断裂研究区的实际情况，具有较好的科学性和可行性。

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Study on the Evaluation of Slope Geological Hazard Susceptibility Based on the Analytic Hierarchy Process

ZHANG Wen-jun, ZHAO Zhi-fang*

(1. Research Center for Remote Sensing in Geology, Yunnan University, Kunming, Yunnan 650091;2. Yunnan Province Center for Remote Sensing, Kunming, Yunnan 650091)

This thesis selected Yuanjiang-Red River as the study area, established the evaluation system of slope geological hazard susceptibility, determined the evaluation factors and the weight by the Analytic Hierarchy Process(AHP), and constructed the evaluation model of slope geological hazards susceptibility. And the study area is divided into high area,middle area,low area and safe area by the application of the model. Conclusions from field survey confirm that this model can describe the slope geological hazard susceptibility degree in study area well, which also has a certain value of application.

Slope geological hazard susceptibility; The Analytic Hierarchy Process; Yuanjiang-Red River region

张文君(1991-)，女，河南信阳人，硕士研究生，研究方向：资源环境遥感及GIS。*通讯作者，教授，博士，从事遥感地质研究。

2015-11-12

S 181

A

0517-6611(2015)35-101-04