基于粗糙集理论的ARCGIS平台下泥石流孕灾因子分析

郎秋玲，秦凯旭，王 彪，杨 扬

(1.长春工程学院勘查与测绘学院，长春130021； 2.东北师范大学环境学院，长春 130024；3.吉林省交通科学研究所，长春 130012)

0 引言

泥石流是一种复杂的地质问题，爆发突然，来势凶猛，危害巨大。吉林省东南部地区以山区为主，每年地质灾害发生频率较高，尤其是泥石流灾害，给当地的经济造成了较大的损失，制约了其经济发展。长期以来，国内外对泥石流的研究经历着从定性到定量分析的迅速发展，其权重分析对其易发性评价结果起着重要作用，灰色关联度模型、可拓学模型、神经网络模型、回归分析模型等均得到了较好的应用[1]。但这些方法中，往往偏向于主观判断或客观分析，其判定结果与实地灾情存在一定误差。因此，分析不同区域泥石流成灾特点，准确判定孕灾因子，并在此基础上选取合理、适宜的权重判定方法确定权重大小是泥石流危险性评价、机理分析及风险评价的重要前提条件。

吉林省研究人员根据其泥石流成灾特点，开展了1∶50 000县(市)地质灾害调查与区划工作，本文就是在此基础上，对吉林省泥石流地质灾害的地质环境进行研究，采用ARCGIS软件筛分影响泥石流灾害的主要孕灾因子。将粗糙集理论应用到吉林省泥石流孕灾因子的权重分析中，其研究成果对研究区的泥石流灾害、防灾减灾工作及其分析与评价有着较重要的意义[1-5]。

1 孕灾因子分析

1.1 地貌

地貌类型对泥石流灾害的发生与发展起着重要的作用，是重要的孕灾因子。吉林省地势特点是东南高，西北低，地貌类型主要为东部低山丘陵、长白山中山低山等15个单元[2]。

对吉林省泥石流点及地貌分布图进行分析(图1)，将其分为Ⅰ(松辽低平原、山前倾斜平原、高平原)，Ⅱ(山间盆地谷地)，Ⅲ(丘陵、低山丘陵)，Ⅳ(中低山、台源台地)4个区域，由图可见，泥石流灾害在和龙、延吉、敦化等地区发育，此区域特点为以山区为主，坡度较大，有利于雨水汇集，为泥石流提供了有利的地形和水源条件。

图1 吉林省泥石流点及地貌分布图

经统计分析(图2)，中低山、台源台地区域泥石流最发育，山间盆地谷地与丘陵、低山丘陵区域泥石流较发育，松辽低平原、山前倾斜平原、高平原泥石流不发育。

图2 吉林省泥石流点与地貌关系统计图

1.2 地势高程

地势高程影响着坡体内部的应力分布，高程越高，应力越大，边坡越不稳定。此外，高程越高，岩体越易风化破碎，形成泥石流物源条件[3]。对ARCGIS所得到的吉林省泥石流点及地势高程分布图(图3)进行统计分析，将研究区地势高程分为如图Ⅰ(1～200 m)、Ⅱ(200～500 m)、Ⅲ(500～1 500 m)、Ⅳ(1 500～5 000 m)4个区域。经统计，Ⅱ区域泥石流最发育，共有泥石流592条，Ⅲ区域泥石流较发育，共有245条，主要发育在长白、安图、抚松、靖宇、通化等地。Ⅰ、Ⅳ区域泥石流分布较少，分别发育有30条和1条，发育程度相对较低，因吉林省的地势高程为Ⅳ区域的相对较少，仅在长白山天池地区有少量分布。

图3 吉林省泥石流点及地势高程分布图

1.3 坡度

较陡的地形坡度是泥石流发生不可缺少的因素之一，坡度陡峻，沟床坡降较大的地形有利于水源的汇集，是泥石流发育必备的动力条件[4]。

吉林省的地形坡度特点有利于固体物质的堆积，其中西部主要为中高山地区，坡度可达30°～70°，在此坡度下，滑坡、崩塌及岩屑流为主要物源，而东部主要为中低山地区，坡度低于30°，滑坡及坡洪积物为主要的物源。

利用ARCGIS所得到的吉林省泥石流点及坡度分布图(图4)统计分析得出，吉林省根据泥石流坡度特点分为Ⅰ(0°～4°)、Ⅱ(4°～10°)、Ⅲ(10°～18°)、Ⅳ(18°～90°)4个区。其中Ⅰ区域泥石流分布较多，共发育715条，因吉林省坡度主要以0～10°区域为主，西北部坡度普遍低于4°，东南部坡度为10°左右。10°～90°区域泥石流相对较少，共153条。

图4 吉林省泥石流点及坡度分布图

1.4 岩组

岩组是泥石流的物质来源之一，其松散碎裂程度及岩石本身的抗风化性能影响着物源的丰富程度[5-6]。

吉林省岩组类型较多，通过分析ARCGIS所得到的吉林省泥石流点及岩组分布图(如图5)，将研究区岩组分为Ⅰ(极硬岩)，Ⅱ(硬质岩)，Ⅲ(软质岩)，Ⅳ(土体)4个区域，其中，土体及软质岩主要分布在平原区，地形地貌条件不利于泥石流的发育，因此，泥石流相对较少。吉林省极硬岩及硬质岩石主要为中厚层火山喷发进而沉积形成的碎屑岩组及中厚至薄层的砂砾岩组，其地形坡度相对陡峭，泥石流分布相对较多。因此，岩组对吉林省泥石流的发育影响不显著。

1.5 植被覆盖率

植被覆盖率较少，岩体相对裸露，有利于风化形成丰富松散的物源条件，并且有利于水源的汇集而为泥石流发生提供动力条件。吉林省植被覆盖率较高，林业面积居全国第12位，其中东部区主要为森林区域。而近代由于人类活动加强、植被破坏、风化加强，进而为泥石流的发育提供了物源条件。

对ARCGIS所得到的吉林省泥石流点及植被覆盖率分布图(图6)统计分析，将其分为如图Ⅰ(大于80%)、Ⅱ(50%～80%)、Ⅲ(20%～50%)、Ⅳ(小于80%)4个区域。其中植被覆盖率在20%～50%的区域泥石流最发育，共481条。植被覆盖率大于50%的区域泥石流较发育，共325条，因此区域地形地貌条件有利于泥石流的形成。植被覆盖率小于20%区域处于平原区，不利于泥石流形成，因此，泥石流相对不发育。

图5 吉林省泥石流点及岩组分布图

图6 吉林省泥石流点及植被覆盖率分布图

1.6 年平均降水量

突发性的水源条件是泥石流发育的必备条件之一，其中，当日降水量及前期降水量影响更显著[7-8]。对吉林省泥石流出现的汛期分析发现，25%的泥石流均发生在暴雨当天，且为持续集中的降雨型。小雨引发泥石流灾害相对较少。通过对ARCGIS所得到的吉林省泥石流点及年平均降水量分布图(图7)统计分析，将其分为Ⅰ(小于500 mm)、Ⅱ(500～700 mm)、Ⅲ(700～900 mm)、Ⅳ(大于900 mm)4个区域，其中700～900 mm降水量区域泥石流最为发育，为527条，500～700 mm降水量区域较发育，为291条，小于500 mm降水量区域泥石流相对较少，而大于900 mm降水量区域因植被较发育，人类活动不显著，不利于形成泥石流灾害。

图7 吉林省泥石流点及年平均降水量分布图

1.7 人口密度

现今由于人类社会经济活动加强，对地质环境破坏较显著，进而地质灾害的发生也大大增加。人口密度越密集，人类活动越显著，泥石流发生频率也越高。

吉林省人口密集区域，人类工程经济活动强烈，其中对于一些不合理的开挖边坡，矿山建设，废弃土体的不当堆砌等均是诱发崩塌、滑坡的主要原因，为泥石流提供丰富的物源，植被的破坏也加大了水源的汇集。由ARCGIS所得到的吉林省泥石流点及人口密度分布图(图8)统计分析，将人口密度分为Ⅰ(0～10)、Ⅱ(10～100)、Ⅲ(100～500)、Ⅳ(>500)4个区域。其中人口密度为0～10人/km2区域，虽人口密度较小，但因地形坡度较陡，有利于泥石流的发育，共发育泥石流609条。人口密度10～500人/km2区域人口密集，人类工程活动显著，泥石流灾害较发育，共发育有256条。人口密度大于500人/km2区域虽人口密集，但处于平原区，泥石流灾害不发育。

2 基于粗糙集理论的孕灾因子重要度分析

粗糙集理论起源于20世纪70年代，该方法是解决高度非线性、不确定性及模型性问题的一种有效方法，该方法建立相应的决策信息表，设置决策及条件属性，将灾害点密度分布设为决策属性，对待解决问题的各个影响因子进行分类，进而对其冗余的因子进行约简[9]。

图8 吉林省泥石流点及人口密度分布图

将影响吉林省泥石流灾害易发性的各个孕灾因子C={C1，C2，…，Cn}设为条件属性，在ARCGIS里分别将其易发性等级D={D1，D2，…，Dn}设为决策属性，所有泥石流点U={u1，u2，…，un}组成样本集合。对影响泥石流易发程度的孕灾因子进行等级的划分，将其分为若干属性值，将属性值特征化后即可建立知识系统[10]。

在ARCGIS中生成灾害点密度分布图(图9)，在ArcToolbox中利用其子模块将DEM生成坡度图，进而在ARCGIS平台中对各图层中的单元集分析、归类，利用计算程序对各孕灾因子进行重要度计算机约简[11-12]，计算各孕灾因子的权重系数qj，计算得出结果见表1。

表1 粗糙集理论计算孕灾因子权重系数结果

对吉林省泥石流孕灾因子重要度利用粗糙集理论进行分析，并计算出权重系数后，由表1中得出：吉林省泥石流孕灾因子影响度由大到小为坡度>地势高程>人口密度>植被覆盖率>岩组>年平均降水量>地貌，其中坡度、地势高程、人口密度、植被覆盖率等因子对泥石流易发程度影响较大，该分析结果与实地灾情较符合，因此，粗糙集理论在吉林省泥石流孕灾因子重要性分析中较为可靠，结果较合理。

3 结语

根据吉林省地质灾害发育特点，在吉林省1∶50 000万地质灾害调查的基础上，对地质灾害与其发育的地质环境分别进行研究。在ARCGIS平台下经对研究区内泥石流与各个孕灾因子之间的关系统计分析后发现，吉林省泥石流灾害主要的孕灾因子可以归为地貌、地势高程、坡度、岩组、年平均降水量、植被覆盖率、人口密度等7个指标。其中以下区域泥石流最发育：1)中低山、台源台地区域；2)地势高程200～1 500 m区域；3)地面坡度为0°～10°区域；4)极硬岩及硬质岩石的中厚层火山喷发进而沉积形成的碎屑岩组及中厚至薄层的砂砾岩组；5)植被覆盖率为20%～50%区域；6)年平均降水量为700～900 mm区域；7)人口密度为0～10人/km2区域。在此基础上将研究区内的各个孕灾因子分别划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个区域。采用粗糙集理论对吉林省泥石流的孕灾因子进行重要性分析，确定其权重大小，进而得出坡度、地势高程、人口密度、植被覆盖率在吉林省泥石流评价中较为重要，而岩组、年平均降水量、地貌因子在吉林省泥石流评价中影响较小，该结果可为吉林省泥石流风险区划和对防灾减灾及公共安全提供参考。