GIS下基于FAHP的广东省信宜市地质灾害危险性分区评价

苏越

(广东省地质局第四地质大队，湛江 524049)

GIS下基于FAHP的广东省信宜市地质灾害危险性分区评价

苏越

(广东省地质局第四地质大队，湛江 524049)

信宜市作为广东省地质灾害多发地区,研究其主要诱发因素及对危险性进行分区，从而为该市进行地质灾害防治工作提供技术依据。本文应用GIS技术结合模糊层次分析法(FAHP)对灾害进行分析评价，目的是希望该方法可以排除决策者个人存在的片面性从而给出对地质灾害危险性分区评价的定量评价方法。

地质灾害危险性；GIS；模糊层次分析法；分区评价

广东省信宜市地质灾害具有以下主要特点：一是丘陵山区岩石风化土层厚度大，山体滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害发生率较高，造成人员伤亡和财产损失；二是极端天气增多，在局部强降雨的作用下，引发大规模群发性山体崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害，人员伤亡和财产损失较严重；三是因工程建设等人为活动导致山体崩塌、滑坡和地面塌陷的地质灾害呈上升趋势，并造成一定人员伤亡和较大的经济损失；四是山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害具有隐蔽性，突发性强，危害严重，防范难度更加凸显，防灾任务更加艰巨。

随着GIS(地理信息系统)技术在地质灾害危险性评价中越来越广泛地应用，提取区域降雨、结构构造、地层岩性、地形地貌、人类工程活动等一系列空间信息，在ArcGIS平台中对这些数据进行分析，结合FAHP(模糊层次分析法)为评价指标的选取和权重分析提供依据。本文就地质灾害多发地的信宜市进行数据收集及调查，利用ArcGIS平台建立地理数据库，对该市地质灾害危险性分区进行评价。

1 评价区概况

1.1 气象水文

广东省信宜市(以下简称评价区)位于南亚热带暖湿气候区，冬暖夏热，无霜期长，降雨充沛。根据该市气象局历年统计资料，每年2～9月为雨季，年平均降雨天数达170 d，每年7～9月时有6～8级台风暴雨袭击，年降雨量为1 025～2 809 mm，多年平均降雨量为1 762.7mm，极端日最大降雨量为427 mm。全年平均气温为19℃，冬季最低气温可达零下3～6℃，夏季最高气温可达40℃；无霜期205～347 d，风向多为东南和东北方向，夏季受台风影响，最大风速可达14 m/s。评价区内河流主干道纵穿南北，属珠江水系，为季节性河流，流量受降雨影响变化明显。

1.2 植被与岩性

评价区植被覆盖率达70%以上，常见有杉木、松木、竹及其他灌木等。区内土壤主要为赤红壤、潴育性水稻土、近代母岩风化物和近代洪积冲积等类型。赤红壤由花岗岩、砂页岩、变质岩等多种不同母岩发育而成，土体有机质和氮的含量随植被覆盖和耕作利用程度的不同而有明显差异，磷的含量较低[1]。区内岩土体工程地质类型主要为：Ⅰ：松散多层土体；Ⅱ：层状较软变质岩组；Ⅲ：层状软红层岩组；Ⅳ：层状较硬碎屑岩组；Ⅴ：块状较硬-坚硬侵入岩组。

2 评价指标的层次结构

本文应用FAHP分析法对地质灾害评价方法进行合理化分类，将评价目标分解为不同的子类，并按树状细分至第三层，形成一个多层次的分析结构模型。保证每个平行要素之间的独立性。

这些层次可以分为3类：

(1) 目标层：该层只有一个元素，它是分析问题的预定目标。

(2) 主准则层：该层包含了为实现目标所涉及的中间环节。

(3) 次准则层：该层包括了为实现目标的各种底层决策方案等。

在地质灾害易发性评价中，以信宜市的地质灾害易发性综合指数为目标层，选取降雨、结构构造、地层岩性、地形地貌、人类工程活动为主准则层，选取降雨量、降雨频率、层理状况、节理裂隙、结构面、结构类型、岩层产状、与断层距离、岩性组构、风化层厚度、坡度、坡向、起伏度、斜坡类型、植被覆盖率、切坡加载、工业开发、农业开发作为次准则层，如图1所示。

图1 地质灾害易发性综合评价指标体系

3 建立评价模型

指标体系的确定具有很大的主观随意性，为排除传统的层次分析法带来的主观影响，同时在实际工程应用中，更加倾向于专家咨询的经验判断法。故本次评价权数的确定采用评委投票表决法(简化了的Delphi法)。它的过程是每个评委通过定性分析，给以定量的回答，领导小组对回答进行统计处理。在数据处理时，一般用算术平均值代表评委们的集中意见，其计算公式为：

式中,n为评委的数量；m为评价指标总数；aj为第i个指标的权数平均值；aji为第i个评委给第j个指标权数的打分值。

归一化后公式如下：

最后得出的结果代表评委们集体的意见，所确定的权数能正确反映各项指标的重要程度，保证评价结果的准确性。T.L.Saaty[2]采用1～9标度，各级标度重要性如表1所示。

表1 判断矩阵标度

3.1 FAHP模糊层次分析法

建立层次分析模型后，对各层元素中进行两两比较，构造出比较判断矩阵，这些判断通过引入合适的标度用数值表示出来。本次评价的判断矩阵取如下形式[3]：

其中,rij表示从因素ui着眼，该评判对象能被评为vi的隶属度(i=1,2,…,m;j=1,2,…,n)。

3.2 地质灾害易发性综合评价模型

上面设计的指标体系是一个二级三层结构的指标体系。这些评价指标大多带有模糊性，因此，根据Fuzzy理论，把次准则层对主准则层的评判看成第一级评判，把主准则层对目标层的评判看成第二级评判，从而构成一个二级三层模糊综合评价模型[4]。

步骤如下：

(1) 设地质灾害易发性评价因素集U={U1,U2,U3,U4,U5}，将因素集按属性将其细分成m个子评价因素集Ui={Ui1,Ui2,Ui3,Ui4,Ui5,i=1,2,3,4,5;j=1,2,…,t(t变动)。

(2) 进行一级评判：对每一个子评价因素分别作出综合评判。

①评语集：用V={高，较高，中，较低，低}，共5个档次。

②权重指标集：让若干资深专家各自对评价指标体系中各项指标给出相对标度，并计算出相应指标的权重。然后对专家们的权重值进行加总，求平均，确定各项评价指标的最终权重。用Ai=(ai1,ai2,…，aij)表示。

③模糊评价矩阵：把地质灾害易发性评价子因素集Ui到评价集V看成是一个模糊映射，可以确定模糊评价矩阵Ri。

式中，rijk=dijk/d,dijk为评价子因素集Ui中第ij项目评价指标被作出评语集中第k种评价Vk的专家人数，d为参加评价的总专家数。专家评价表如表2所示。

表2 某专家对地质灾害易发性指标模糊评判

项目：________ 专家姓名：________ 评判日期：________

子因素高较高中较低低坡度U11√坡向U12√起伏度U13√斜坡类型U14√

注：请在空格内打√。

3.3 地质灾害易发性综合评价模型的应用

(1) 请若干资深专家确定各指标权重。

(2) 确定评语集V={高，较高，中，较低，低}。

(3) 按上述评语集对U1～U5中各项指标进行评判，得出如下模糊评判矩阵，并进行第一级综合评价。

(4) 对地质灾害易发性进行第二级评价，得出结论。

归一化后，按最大隶属度原则得：

所以评价结果对评语集中的V3的隶属度最大。

根据隶属度最大原则，该区地质灾害易发性评价为V3=中。

4 评价指标评述与GIS赋值分析

根据第2章中的指标体系，在ArcGIS中建立各指标的特征要素指数划分，确定GIS评价法则，其地质灾害易发性综合评价数学模型为：

式中，B为地质灾害易发性综合评价指数；aj为权重；Nj为指数。

按照专家评分表，先对单要素进行易发性评价，并在单要素易发性评价的基础上进行区域地质灾害易发性综合评价，结合ArcGIS的叠加分析得出评价结果。

将工作区进行剖分，每一个网格单元作为模型评价的一个运算单元，并将数据库中数据按照规则进行网格化处理；再采用图形叠加的模型评价方式将参与评价的各个因子的值分配到不同的网格单元上，利用AHP模型计算出各因子的权值。将各个因子进行图形叠加，得出地质灾害易发性评价指数；最后将叠加后的网格数据化生成新的图形，并形成最终评价结果[5](图2)。

图2 信宜市灾点分布

对叠加后的栅格进行重分类，进而按照评价指数B对易发性分区进行划分。

由于篇幅所限，现仅选取灾点密度、坡度、地层岩性、降雨强度进行评述，其他因子的分析方法可以类比。

4.1 灾点密度

本文收集了该市内近5 a已发的地质灾害记录，得到崩塌滑坡泥石流地质灾点的分布数据(图2)，利用ArcGIS对灾点进行密度分析及聚类分析，得到该市的灾点密度图(图3)，将灾点密度数据(个/km2)按0～0.5，0.5～1.0，1.0～1.5，1.5～2.0，2.0～2.5，2.5以上(单位/个)进行划分并按0～1范围均匀线性赋值。

图3 信宜市灾点密度

4.2 坡度

通常情况下，坡度越大，荷载在下滑方向上分量越大，边坡失稳的可能性越大。本文基于该市DEM数据，利用ArcGIS表面分析功能得到该市的坡度栅格数据(图4)。在ArcGIS中将灾点作为掩膜提取得到每一个灾点所对应的坡度值，对得到的信息进行统计得到灾点与坡度的关系(图5)。由统计结果可见，灾点主要集中于30°～60°之间，其数量占到了全部灾点数量的92%，灾点密度在30°以后迅速升高，并且在40°～50°之间到达顶峰。地质灾害随着坡度增加而增加，而在超过60°的边坡中大多为稳定性岩质边坡，依照评价结果，利用各坡度范围内灾点密度的相对高低来表征坡度对灾害发生影响程度的大小，将坡度数据按0～2、2～10、10～20、20～35、30～50、50以上(单位/°)进行划分并按0～1范围均匀线性赋值。

图4 信宜市坡度

图5 信宜市灾点坡度分布

4.3 地层岩性

地层岩性是影响地质灾害发育和分布的重要内在因素之一。依照该市内出露基岩的硬度将基岩按照坚硬侵入岩组、较硬碎屑岩组、软红层组、较软变质岩组、松散层土体进行分类(图6)。统计灾点所处位置的岩性可以发现灾害多分布在松散层土体、软弱变质岩组及软红层组山区，其数目占总数的60%以上，而在较硬/坚硬岩组中由于坡度降雨等因素亦有所分布。地层岩性的赋值依照上述5种岩组由软至硬按0～1范围均匀线性赋值。

图6 信宜市地层岩性

4.4 降雨强度

降雨是触发崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的重要因素。该市属亚热带海洋性季风气候，高温多雨为其主要气候特征。由于地处广东省西南，濒临南海，面向东南亚，背靠大西南，南面地形相对平坦开阔，而北部的云开大山地势突然抬高数百米，台风带来的温暖潮湿气流受大山阻隔往往造成地形雨。所以该市雨量较充沛，常常发生暴雨，年降雨量较大且多集中在夏季，其中7～9月份3个月的降雨量占全年的绝大部分(图7)。在每年雨季，大量且集中的降雨使得雨水渗入岩土体，使岩土体的含水量增大，致使斜坡下滑力增加、滑动面的抗剪强度降低，地质灾害发生的可能性提高，所以降雨对于崩塌滑坡泥石流等自然灾害的发生有激发作用，在其他条件相同的情况下，降雨量越大越容易引发地质灾害。将该市年降雨量按1 000～1 400、1 400～1 800、1 800～2 200、2 200～2 600、2 600以上(单位/mm)进行划分并按0～1分为均匀线性赋值。

图7 信宜市年降水量

5 评价结果

在ArcGIS中对各指标图层按第4章赋值条件进行叠加分析，即可得到该市地质灾害易发性的评价结果。将所得结果的栅格图层按照自然间断点法进行易发性分区，划分为低、较低、中、较高、高5类，得到地质灾害易发性分区图(图8)。易发性分区表如表2。

表2 信宜市高易发性分区表

图8 信宜市易发性分区

6 结论及建议

本文应用了模糊层次分析法为ArcGIS的叠加分析提供权重分析依据，希望在地质灾害分区评价时能以区别于传统的定性分析而建立一种排除决策者个人可能存在的片面性的定量评价方法。

根据评价结果，发现灾点发育分布程度总体随降雨量和降雨频率增加而上升；随结构构造、地层岩性、地形地貌的复杂程度而上升；随人类工程活动的加剧而上升。从地质灾害时空分布看，地质环境条件是地质灾害发生的基础，地形地貌和岩性是决定地质灾害分布的主导因素，强降雨及暴雨气候和人类工程活动是导致地质灾害发生的主要诱发因素。从已发地质灾害分布的时空特征来看，在地貌上，大多分布在该市的低山、丘陵台地区，主要发生在地形切割强烈、坡角陡峻的斜坡地带。多发生于坡度30°～60°斜坡带；从岩性上，多分布在较软变质岩组、较硬碎屑岩组、坚硬侵入岩组山区；从人类工程活动诱发崩塌和滑坡看，多发育于北部和中部及东南部低山、丘陵区，地质灾害还多发生在居民削坡建房及道路交通形成的人工边坡地段。在时间上，崩塌和滑坡多集中发生在每年4～9月，主要受汛期强降雨诱发作用的影响，而人为工程活动则加剧了地质灾害的发生。

[1] 程鉴基,邓锡新,梁华贤,等.茂名市地质灾害防治规划-规划文本(2008～2020)[R].广东省茂名市:茂名市国土资源局,2008.20-22.

[2] Saaty TL. Modeling unstructured decision problems the theory of analytical hierarchies [J]. Math Comput Simulation,1978,(20):147-158.

[3] 兰继斌,徐扬,霍良安.模糊层次分析法权重研究[J].系统工程理论与实践,2006,(9):107-108.

[4] 侯敏,贾韶辉,郭兆成.基于RS与GIS的层次分析法在滑坡危险性评价中的应用——以四川宣汉天台乡滑坡为例[J].现代地质,2006,20(4):669-670.

[5] 杨秀梅.基于GIS的地质灾害危险性评价[D].兰州;兰州大学,2008,30-33.

GIS-BASED SUSCEPTIBILITY ASSESSMENT OF GEOLOGICAL HAZARDS BY FAHP ANALYSIS IN XINYI CITY GUANGDONG PROVINCE

SU Yue

(Guangdong Geological Bureau of The Fourth Geological Brigade, Guangdong Province, Zhanjiang 524049,China)

Xinyi City is a geological disaster-prone area in Guangdong Province, to study its main predisposing factors and to divide the risk, so as to provide technical support for the geological disaster prevention and control work. In this paper, GIS is used to analyze the disaster with Fuzzy Analytic Hierarchy Process (FAHP). The purpose is to find out the one-sidedness of the decision-maker's personal existence and give a quantitative evaluation method for the geological hazard assessment.

geological hazard; GIS; Fuzzy Analytic Hierarchy Process; susceptibility assessment

1006-4362(2017)02-0032-08

2017-01-06 改回日期： 2017-03-16

X43;X141

A

苏越(1988- )，男，广东信宜人，本科学历，助理工程师，主要从事环境影响评价，水文地质，工程地质和环境地质方面研究。 E-mail：advanced7@163.com