基于地貌单元与灰关联分析的地质灾害风险性评价

李得立，李小磊，罗德江，陈国东，袁名康

(1.成都理工大学管理科学学院，成都 610059；2.中国地质环境监测院,北京 100081)

中央全面深化改革领导小组第三十五次会议通过了《关于建立资源环境承载能力监测预警长效机制的若干意见》，强调“开展承载能力评价，规范空间开发秩序，合理控制开发强度，促进人口、经济、资源环境的空间均衡”[1]。地质灾害评价作为地质环境承载能力评价的主要内容之一，其成果对于区域空间规划的编制、社会经济空间布局的优化具有重要意义。

目前地质灾害评价的研究主要有3个方面：一是评价单元的划分，主要有栅格单元、地形地貌单元和行政单元3种[2-5]，前者可利用GIS实现单元的快速剖分，但与地形地貌及地质环境条件缺乏有机联系[5]，地形地貌单元则可有效克服这一不足，行政单元则利于根据评价结果制订相关措施，便于管理；二是评价指标体系的构建,不同的学者其评价目的不同，所构建的评价指标体系也不一致，但大都包含地层岩性、地质构造、地形地貌等指标，部分研究还将人类工程活动、植被覆盖率等纳入指标体系中[6-9]；三是评价方法的选取及新方法的引入，应用较多的方法有层次分析法[2，6]、线性回归模型[10-11]、模糊综合评价模型[12]、信息量模型[13-14]等，这些方法模型适用性与特点各不相同，前两种方法常用于确定地质灾害风险性评价指标体系的权重，后两种方法则根据所构建的评价指标体系，提取指标值，利用模型开展定量评价。

影响地质灾害风险性的因素数量多且复杂，在进行评价时要考虑所有的因素是不现实的，因此地质灾害风险性评价指标体系可以看成是一个“信息不完全”的系统。“信息不完全”系统的解决方法主要有模糊数学和灰色系统[15]。利用模糊数学理论对地质灾害风险性进行评价时，关键问题不在于评价模型的构建，而在于各评价指标分级阈值的确定。各地区地质构造、地形地貌等千差万别，要制定统一的适用于各地区的阈值是困难和不现实的。灰关联分析法则无须为各评价指标确定分级标准，适用于信息不完全的复杂系统，其评价结果具有客观性[16]。本文针对研究区崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的特性，构建地质灾害风险性评价的灰关联分析模型并开展评价工作，为地质灾害风险性评价引入新的方法。

1 评价指标与评价方法

1.1 评价指标体系的构建与权值计算

地质灾害危险性评价选取地形起伏度C1(m)、地貌类型C2、工程地质岩组C3、活动断裂距离C4 (m)、岩溶发育程度C5、地震动参数C6、年平均降雨量C7 (mm)、矿山分布密度C8(个/100km2)、土地利用程度C9、地震动峰值加速度C10(g)等10个指标[17]。在这些指标中，工程地质岩组、岩溶发育程度、地貌类型、土地利用程度等为定性指标，其定量化见表1。

表1 定性指标的分级标准

利用熵值法计算权值：设有m个地质灾害危险性评价与n个评价单元所构成的数据集为S={x1,x2,…,xn},xi∈Rm,i=1,2,n。

第一步：采用极差法对原始数据的预处理(式1)，得到极差化处理后的值yij。

(1)

第二步：利用比重法(式2)计算评价值pij。

(2)

第三步：计算第j个地质灾害危险性评价指标的输出熵E和差异性系数G。

(3)

Gj=1-Ejj=1,2,…,n

(4)

第四步：计算各个地质灾害危险性评价指标的权重w=(w1,w2,…,wn)′(式5)。

(5)

1.2 评价方法

灰关联分析法是灰色理论[18]应用最广泛的方法之一，它通过计算灰关联度来实现对地质灾害风险性的评价，以参与评价的各地形地貌单元的指标最优值构成一个虚拟的“风险性最小”的评价单元，以其各指标值作为参考数列，参与评价的各地形地貌单元的指标值作为比较数列，计算各参与评价的各地形地貌单元与“风险性最小”评价单元之间的关联度，并根据关联度的大小得出评价结论。具体做法是[16]：

(1) 根据评价目的，并结合相关研究成果构建地质灾害风险性评价指标体系，记为xi(i=1,2,…,m)。

(2) 提取地质灾害风险性评价指标体系中各评价指标值，并以各指标的“最优值”构成参考数列x*={x1*,x2*,…,xm*},xj*=maxxi(i=1,2,…,m)和比较数列xk(k=1,2,…,n)。

(3) 对原始指标值作规范化处理，将各指标值初值化为0～1之间的数，以消除不同量纲对指标值的影响(式1)。记参考数列和比较数列构造的矩阵G，规范化后的矩阵Y。

(4) 确定分辨系数0<ρ<1，计算各比较数列与参考数列中各点与点之间的关联系数rki(式6)再以全部关联系数构成关联系数矩阵R(式7)：

(6)

(7)

(5) 利用熵值法计算出权重w。

(6) 由关联系数矩阵R和权值向量w求评价结果Z(式8)，再根据Z每一个分量值的大小对各评价单元地质灾害风险性做出排序和等级划分。

Z=Rw

(8)

2 评价方法、结果与分析

2.1 研究区概况

2.1.1 自然地理

乐山市位于四川中南部、四川盆地西南部、成都平原至川西南山地过渡带。北连眉山市，东邻自贡市，南接宜宾市和凉山彝族自治州，西界雅安市。介于东经102°55′～104°00′、北纬28°25′～29°55′之间。南北长165 km，东西宽90～120 km，幅员面积12 723 km2。市境地势呈西南高、东北低的倾斜状，地貌以山地为主，丘陵次之，平原较少，分别占全市幅员面积的67%、21%、12%。海拔高程306～4 288 m。气候属水热组合优越的中亚热带季风湿润气候，为我国内地四川盆地西部特殊的“海洋性气候岛”的一部分。地层从前震旦系峨边群到第四系全新统都有赋存。

2.1.2 地质灾害现状

受自然和人类工程活动的综合作用，乐山市境内地质灾害种类发育较齐全、数量多，但分布不均，且具突发性及不可预见性。地质灾害种类以滑坡、崩塌(危岩)为主，其次为潜在不稳定斜坡、泥石流、地面塌陷(地面裂缝)。其中滑坡约占50%，崩塌约占30%，潜在不稳定斜坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝等地质灾害约占20%。

2.2 评价单元

乐山市全境根据其地貌成因形态可分为三大类八亚类，即侵蚀构造地形(高山、中山、低山)、构造剥蚀地形(包括深切割丘陵、中切割丘陵、浅切割丘陵、)、侵蚀堆积地形(包括冲积扇平原、河流及阶地等)。各类地貌亚类及单元(34个)分布面积见表2。

(1) 高山区(编号1-1、1-2)

主要分布于乐山市西侧边缘及西南角，分为2块，面积444.19 km2。该地域地势起伏大，多为山脊、山峰地带，地理上为乐山市与雅安市、凉山州的分界地带。山坡陡峭，一般大于50°，海拔在3 500～4 288 m之间，相对高差大于1 000 m。 行政隶属金口河区、峨边县、马边县。

(2) 中山区(编号2-1、2-2、2-3)

主要分布于乐山市西南部的大渡河南北两侧的峨眉山市、金口河区、沙湾区西部、峨边县、马边县及沐川县西南边缘地带，分为3块，分布面积大，共计5 587.23 km2。该地域地势起伏很大，河谷切割深，峡谷多为“V”形谷，谷坡陡峭，坡度40°～80°，海拔在1 000～3 500 m之间，相对高差大，1 000～2 500 m。

(3) 低山区(编号3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6)

主要分布于乐山市北部、东南部，可分为6块，分布面积2 535.8 km2。该地域低山突起，地势起伏较大，切割较深，可见“V”形谷或不对称的“U”形谷，谷坡较陡，一般30°～45°，多为深沟窄谷低山地貌。海拔一般在520～950 m之间，相对高差大于200 m。

(4) 深切割丘陵(编号4-1、4-2、4-3、4-4、4-5、4-6、4-7、4-8、4-9)

深切割丘陵区分布于研究区东北部及东部地区，且分为9块，分布面积1 222.21 km2。海拔340～560 m，平均海拔415 m，相对高差100～160 m，谷宽小于100 m，丘陵多呈单斜状，分水岭单薄，横向沟谷发育，呈“U”形或“V”形，以深丘窄谷地貌为主。

(5) 中切割丘陵(编号5-1、5-2、5-3、5-4、5-5)

分布在研究区东北部，分割为5块，面积1 228.93 km2。多为圆顶丘，“U”型谷，谷底较开阔，丘坡较陡。高程400～500 m，切割深度50～60 m。

(6) 浅切割丘陵(编号6-1、6-2、6-3、6-4、6-5)

分布在研究区东北部，分割为5块，面积648.01 km2。以台状和趾状浅丘为主，具有圆丘、塔状丘、脊状丘等多种形态，丘顶圆缓常呈条带形或串珠状，沟谷开阔、平缓或者以残丘零星点缀，形若平原。海拔在350～442 m之间，平均海拔383 m，相对高差30～50 m，谷宽大于100 m，以缓丘谷带小坝地貌相结合。

(7) 冲积平原(坝)区(编号7-1、7-2、7-3)

主要分布在研究区东部的青衣江两侧，涉及峨眉山市和夹江县，另外在马边县县城一带见一平坝。3块平原(坝)面积494.98 km2。

(8) 河流、阶地、河漫(心)滩区(编号8-1)

主要为岷江、大渡河、青衣江及沿岸，面积为561.66 km2。大部由河水占据，河漫滩及心滩由现代冲洪积物(砂、卵石、砾石)构成。

乐山市全域可根据地貌成因形态分为三大类八亚类，即侵蚀构造地形(高山、中山、低山)、构造剥蚀地形(包括深切割丘陵、中切割丘陵、浅切割丘陵)、侵蚀堆积地形(包括冲积扇平原、河流及阶地等)。各类地貌亚类及单元(34个)分布面积见表2。

表2 乐山市地貌类型及地质灾害(隐患)点分布表

2.3 指标值的提取与权值的确定

根据构建的地质灾害风险性评价指标体系，分别提取其指标值，对其中的定性指标按表1的规则进行定量化处理。因评价指标体系中各指标的量纲、数量级是不同的，在进行综合评价之前采用公式(1)对原始数据进行预处理，处理后的部分指标项如表3所示。

表3 地质灾害风险性评价指标数据

地质灾害风险性评价的指标体系中各指标重要性是不同的，合理确定权重是提高评价结果可靠性的关键点之一。利用熵值法计算出了各指标的权重w=( 0.103 1,0.104 5,0.105 4,0.103 6,0.104 6,0.105 7,0.105 8,0.105 8,0.056 9,0.104 6)。

2.4 地质灾害危险性评价

在对样本数据进行处理和计算出地质灾害风险性评价的指标体系中各指标权值后，利用构建的灰关联分析方法对乐山市所划分出单元进行评价。首先确定参考数列，因构建的指标皆为负向指标，故取表3中各列最小值作为最优值,x*={25,25,45,25,25,45,65,65,0,25}。利用公式(6)计算关联系数并进行灰关联评价(式8)，评价的结果及其各评价单元地质灾害风险性排序如表4所示。从表4的评价结果看，灰关联度在0.616 5～0.935 5之间，可划分为高(III级：≤0.75)、中(II级：0.75

根据表4及图1，高风险性(Ⅲ级)区主要涉及中山区(2-1、2-2、2-3单元)、低山区(3-2、3-3单元)、深切丘陵区(4-1单元)、浅切丘陵区(6-1单元)等7个地貌单元；低风险性(Ⅰ级)区涉及河谷区(7-1、7-2、7-3、8-1单元)等4个地貌单元；其余23个地貌单元均为中风险性(Ⅱ级)。

图1 地质灾害风险性评价结果及分级图

地貌编号评价结果排序地貌编号评价结果排序1-10.790684-70.86 11-20.790 674-80.757 922-10.729 7124-90.842 6272-20.710 845-10.799 5212-30.737 335-20.775233-10.774 455-30.803 3113-20.667 8265-40.834 4103-30.616 5165-50.842 8303-40.762 4136-10.743 2243-50.822 6196-20.792 3203-60.816 696-30.788 8144-10.679 4296-40.772 9254-20.756 766-50.825 3184-30.842 8157-10.869 2324-40.775227-20.865314-50.754 4177-30.909334-60.775 5288-10.935 534

3 结论与讨论

(1) 针对地质灾害风险性评价单元划分问题，在对评价区地貌成因形态进行分析的基础上，划分出侵蚀构造地形、构造剥蚀地形、侵蚀堆积地形等三大类，高山、中山、低山、深切割丘陵、中切割丘陵、浅切割丘陵、冲积扇平原、河流及阶地等八亚类共计34个单元。这种划分方法既方便提取各评价指标值，也利于有针对性的提出防治措施。

(2) 文中的评价指标权值计算方法以及灰关联分析法在乐山市资源环境承载力评价中进行了实际应用，并根据评价结果进行了地质灾害风险性的等级划分。经验证，使用该方法所得到的分区结果与实地调查结果吻合较好。

(3) 文中的地质灾害主要是指崩塌、滑坡、泥石流等。事实上由于地质灾害的多样性以及影响因素的复杂性，使得要建立科学、实用的指标体系还需要深入的研究；其次要加强方法的理论分析和适用性分析外，还应加强多种方法评价结果不一致性问题的研究，以提高地质灾害风险性评价的可靠性。