基于层次分析法的地质灾害易发性评价应用——以日照市为例

丁文洁，张蕾，别凤华，冯春玲，刘同伟

(1.山东省第八地质矿产勘查院，山东地矿局有色金属矿找矿与资源评价重点实验室，山东 日照 276800；2.蒙阴县自然资源和规划局，山东 蒙阴 276200)

0 引言

近年来，随着城市化和工业化进程的不断推进，地质灾害制约了日照市经济和社会的发展，威胁人类生命财产安全。每年全市地质灾害造成的经济损失多达1.5亿元左右[1]。本文采用层次分析法，对日照市地质灾害危险性进行定量化评价和分区，开展地质灾害易发性评价，定期对高风险区开展隐患排查和监测预警，能极大减少各类事故灾难。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

研究区位于山东省东南部，东临黄海，南与江苏省毗邻，西与临沂市相邻，北与青岛市、潍坊市接壤。南北长约82km，东西宽约90km，陆域总面积为5353km2。最高点为五莲县境内的马耳山，海拔为+707.6m，最低点为东港区东海峪村，海拔+1m～+1.5m。

日照市低山、丘陵、平原相间分布。崩滑流地质灾害主要发育在低山地貌区和丘陵地貌区，分布在研究区的中部以及西北部地区。地裂缝及采空塌陷多发育在山间平原地貌区，大多分布在研究区西部地区和东部沿海地带。

1.2 气象水文

研究区位于暖温带湿润季风大陆性气候区，四季分明，多年平均气温12.8℃，极端最高气温41.4℃(2002年7月15日)，极端最低气温-14.5℃(1958年1月16日)；多年平均最高气温16.6℃，多年平均最低气温9.6℃。

日照市多年(1966—2015)平均降水量839.5mm，年最大降水量1426.2mm(1964年)，年最小降水量504.1mm(1955年)。降水主要集中在6—9月份，占全年总降水量的72%。

研究区地表水体较发育，较大河流18条，总长461.4km，流域面积5222.7km2。日照无天然湖泊，共有水库594座，总库容13亿m3。

日照市降雨季节分布不均，降水多集中在夏季6—9月份，7—8月份降雨量最为突出。降雨空间分布不均，降雨由东南沿海向西北内陆减少，一定程度上影响了研究区地质灾害的分布规律。

1.3 地层

研究区隶属华北地层大区，晋冀鲁豫地层区，横跨鲁东地层分区和鲁西地层分区2个分区，地层发育较为齐全。太古宇、元古宇、古生界、中生界及新生界均有不同程度的分布，中生代地层发育较为完整、齐全，出露面积占42%。太古代的古老变质岩在莒县西部、西北部地区零星分布；古元古代的变质岩出露在五莲县城北部区域，在市区中、南部有零星分布；中元古代主要呈条带状展布在莒县西部、西北部一带；古生代地层主要分布在莒县北部，成带状沿沂沭断裂带展布；中生代地层分布十分广泛，除了东部及东南部沿海遍布其余辖域，主要分布在胶莱盆地和沂沭断裂带内；南部平原地区、诸河系阶地、滨海洼地为第四纪全新统及零星更新统覆盖。

1.4 构造

研究区位于华北板块和扬子板块结合带的东部，地跨华北板块和苏鲁造山带2个Ⅰ级大地构造单元，分别属于鲁西隆起区、胶辽隆起区和胶南-威海隆起区3个Ⅱ级大地构造单元[2]。地震烈度为Ⅶ～Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.10～0.20g。研究区地质构造较为复杂。晚更新世以来活动断裂主要集中在沂沭断裂带内，沿安丘-莒县断裂和昌邑-大店断裂分布。安丘-莒县断裂在区内出露规模为72.6km2，走向NNE，倾向SEE，倾角50°～70°；昌邑-大店断裂在区内出露规模为72.5km2，走向NNE，倾向NWW，倾角70°～85°。

1.5 岩浆岩

日照市境内形成了较大规模的侵入岩体，主要分布在胶南隆起区内日照岩浆岩带上。岩石类型从超基性—基性—中性—酸性皆有，以中酸性岩为主，形成时代有太古宙、元古宙及中新生代，以元古宙及中生代侵入岩最发育。

1.6 人类活动

研究区内人类工程活动主要为矿产资源开采、线性工程和民用建筑开挖等。矿产资源开采包括露天开采及地下开采，露天开采易引发崩塌地质灾害，地下开采能引发采空塌陷及伴生地裂缝灾害，这种人类活动主要集中在矿产资源分布区。线性工程主要是公路施工过程中不合理的开挖、削坡等，可能引发崩塌、滑坡地质灾害。在山区或者山前平原地带修建民用建筑，人为造成坡体稳定性破坏，如遇不合理的开挖、堆砌等活动，可能引发崩塌、滑坡等地质灾害[3]。

2 地质灾害发育特征和分布

日照市加大地质灾害排查和治理力度，截至2017年底，已治理或正在治理的地质灾害点14处，其中崩塌11处，滑坡3处；存在责任主体的灾害点8处，其中崩塌4处，滑坡4处；原调查(2011年)中不正确的灾害点为泥石流1处；处于生产矿山内、责任主体明确并且山体已开采完毕、隐患已消除的灾害点为崩塌1处。目前，日照市地质灾害点(隐患点)90处，其中崩塌55处，占地质灾害总数的61%；地裂缝19处，占比21%；泥石流8处，占比9%；采空塌陷4处，占比4%；滑坡4处，占比5%。灾害点(隐患点)多以小型为主，其中小型地质灾害89处，占地质灾害总数的98.89%，大型地质灾害1处，占比1.11%(表1)。

表1 地质灾害点(隐患点)分级统计

日照市灾害点(隐患点)分布不均匀，研究区内崩塌滑坡泥石流多在山区发育，如五莲县中部、南部山区；莒县南部、东部山区；东港区西部山区；岚山区中部山区。地裂缝地质灾害主要分布于昌邑-大店断裂带五莲县附近。采空塌陷主要是由于人类工程活动，如矿产资源的开采(图1)。

1—降雨量等值线图；2—低山；3—丘陵；4—山间平原；5—微倾斜低平原；6—断裂；7—崩塌；8—滑坡；9—地裂缝；10—泥石流；11—塌陷图1 日照市地质灾害现状分布图

3 层次分析法及地质灾害易发性评价

3.1 层次分析法基本原理

目前对区域地质灾害易发性评价的方法较多[4]，本文采用层次分析法对研究区的地质灾害易发性进行评价分析。层次分析法(简称AHP)是一种多目标评价决策的方法，基本原理是:根据问题的性质和要达到的总目标，按照因素间的相互关联、影响以及隶属关系，将因素按不同层次聚集组合，将评价系统的各种要素分解成目标层、准则层、方案层等层次,形成一个多层次的分析结构模型[5-7]，在此基础上进行定性和定量分析[8]。通过对指标层各评价因子的两两比较，采用1～9标度法[9]构造判断矩阵[10]，综合确定各评价因子之间的权重[11]。这种方法的优点是系统性、实用性和简洁性(表2)。

3.2 选取评价因子

地质灾害易发性评价受多种条件因素的影响和制约，依据调查现状以及研究区地质环境条件、地质灾害成因及分布特征，选取地貌、构造、地层、岩浆岩、降水量和人类工程活动强度6种评价因子进行日照市地质灾害易发性评价。

表2 1～9标度的含义

(1)地貌。地形地貌是地质灾害发育的主要影响条件，研究区内中低山丘陵区面积占63.97%，由于其地势相对较高、落差较大、沟谷发育、切割深度大，是崩塌、滑坡、泥石流突发性地质灾害多发区(图2)。可以看出，日照市崩滑流地质灾害数量空间差异性显著，主要分布于低山、丘陵地貌单元中。研究区内平原地貌区面积约占36.03%，由于胀缩土及断裂的存在，地裂缝发育(图3)。

图2 地貌与崩滑流地质灾害关系

图3 地貌与塌陷、地裂缝地质灾害关系

(2)构造。区域地质构造与地质灾害形成发育程度密切相关[12-13]。研究区内地质构造引发的地质灾害主要有地裂缝和崩塌。其中，地裂缝呈条带状分布于昌邑-大店断裂带附近，大约有19处。崩塌主要位于莒县东莞有的1处NNW向隆起带内，附近陡坡及陡崖地貌较为多见，相对高差大，使岩石完整性遭到破坏，易形成崩塌隐患。

(3)地层。不同类型地层地质灾害的种类、机率和形成规模不同。研究区地质灾害主要分布在中生代白垩纪莱阳群、青山群、大盛群和第四纪的地层中，在大盛群、青山群和莱阳群中，日照市灾害数量和灾害密度呈现分布正相关(图4)。

图4 地层与地质灾害关系

(4)岩浆岩。地质灾害的发生与岩浆岩有内在联系。日照市地质灾害主要分布在白垩纪、三叠纪和南华纪的侵入岩中，研究区地质灾害集中分布在白垩纪崂山序列、埠柳序列，南华纪铁山序列中；在大店序列、埠柳序列、柳林庄序列和铁山序列中，灾害数量与灾害密度呈现正相关(图5)。

图5 岩浆岩与地质灾害关系

(5)降水量。地质灾害的发生与降水强度大小和年内分配均匀程度息息相关。降水产生的地表径流在进入地下的运移和转化过程中对岩土体的稳定性有一定程度的影响。由于降水渗入地下岩土层，会使各种构造面强度降低，凝聚力减少[14-15]，崩滑流地质灾害在暴雨发育区或者年平均降雨量高区较发育，主要分布在平均降水量大于800mm的区域，分布差异性显著，灾害数量和灾害密度呈现正相关分布(图6)。

图6 降水量与崩滑流地质灾害关系

(6)人类工程活动强度与地质灾害。地质灾害的形成、分布、发展过程和危害程度取决于水文气象、地形地貌、地质构造、工程地质条件、水文地质条件及人类工程活动。人类工程活动主要是矿产资源开采、工程建筑开挖等。露天开采易引发崩塌地质灾害，地下开采能引发采空塌陷及伴生地裂缝灾害，不合理的开挖可能引发崩塌、滑坡等地质灾害。

3.3 建立层次结构模型

将地质灾害易发性评价、考虑的因素及指标因子分为3个层次[16-18]，构建层次结构模型(图7)。其中，最高层及目标层，即地质灾害易发性评价(U)，这是该次工作的总目标。准则层是(Ui)包括地形地貌、地质、气候和人类工程活动因素；指标层(Uij)为地貌、构造、地层、岩浆岩、降水量和人类工程活动强度。

图7 日照市地质灾害AHP层次模型示意图

3.4 构造判断矩阵

依据层次结构模型，基于6个地质灾害危险性评价因子，在考虑实地情况基础上，采用层次分析方法，对评价因子及其类型分别进行判断矩阵构建、权重计算以及一致性检验。判断矩阵的结果可以通过随机一致性比率来衡量，它是判断矩阵的一致性与平均随机一致性的综合指标，计算公式为：

CI=(λmax-N)/(N-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中:CI—判断矩阵一致性指标;λmax—最大特征值;N为判断矩阵的阶数;RI—判断矩阵的平均随机一致性指标(表3)[19]。当CR<0.1时，则认为判断矩阵一致性较好。

表3 层次分析法的平均随机一致性指标RI

本文采用Excel计算最大特征值λmax、特征向量以及特征向量归一化处理[20]。判断矩阵计算结果显示，6个因子及其类型经一致性检验后，CR=CI/RT=0.037<0.1，表明各判断矩阵具有较好的一致性且通过一致性检验，各评价因子及因子类型判断矩阵、权重、CR如表4所示。

表4 评价因子AHP判断矩阵、权重、CR及λmax

4 易发性分区

根据各单元的地形地貌、地质、气候以及人类工程活动等条件，利用MapGIS空间分析功能对评价范围进行了网格剖分。用加权叠加计算层次分析法确定的权重，划定地质灾害易发区。即：高易发区、中易发区、低易发区(图8)。

1—崩塌；2—滑坡；3—泥石流；4—塌陷；5—地裂缝；6—高易发区；7—中易发区；8—低易发区图8 日照市地质灾害易发区划分

高易发区分布于五莲县于里、汪湖两镇，莒县北部东莞镇、南部中楼镇、东部峤山镇，东港区三庄镇西北，分布较零散。面积约为113.64km2，约占全市面积的2.15%，共分布有29处地质灾害点，约占总数量的32.22%。其中发育地裂缝18处，崩塌8处，滑坡1处，泥石流2处。

中易发区主要分布于东港区三庄镇大部、南湖镇北部，五莲县石场乡西南部和北部、洪凝镇东部和西南部，松柏镇、街头镇西部和东北部，户部乡西部以及岚山区虎山镇等地区，面积约为702.51km2，约占全市面积的13.32%，共分布有33处地质灾害点，约占总数量的36.67%。其中发育地裂缝1处，崩塌24处，滑坡3处，泥石流4处，采空塌陷1处。

除去地质灾害高易发区和中易发区以外的其他区域为低易发区，面积4368.80km2，约占全市面积的84.53%，地质灾害点28处，其中崩塌23处，采空塌陷3处，泥石流2处，易发程度均较低。

5 结论

(1)对研究区范围内的地质灾害易发性进行了分区评价，根据地质灾害危险程度，将研究区划分为3个等级：地质灾害高易发区、地质灾害中易发区和地质灾害低易发区。

(2)研究区地质灾害易发性评价结果表明，地质灾害重点分布于沂沭断裂带的昌邑-大店断裂、安丘-莒县断裂通过的区域和低山、丘陵地貌区以及矿产资源开采引发的采空塌陷等地，此区域需重点防治。

(3)本文在深入分析研究区域地质灾害背景和成灾机理的基础上，选取地貌、构造、地层、岩浆岩、降水量及人类工程活动强度6个地质灾害危险性评价影响因子，采用层次分析法，将地质灾害易发性评价过程层次化、定量化，从一个新的角度对日照市地质灾害危险性进行定量化评价和分区，分区结果较客观地反映实际情况。