基于AHP-CF模型的地质灾害易发性评价——以泰顺县仕阳镇为例

赵 阳,倪化勇,伍剑波,孙 强,张泰丽,刘明军

(1.中国地质科学院,北京 100037;2.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏 南京 210016;3.中国地质大学(北京),北京 100083;4.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430074;5.泰顺县自然资源和规划局，浙江 温州 325500)

台风暴雨诱发滑坡是东南沿海地区地质灾害的主要类型,具有突发性强、分布广泛的特点,严重影响生命安全和社会发展,合理有效的地质灾害易发性评价对地质灾害风险评价和风险管控具有重要意义。

GIS技术的发展,使地质灾害易发评价模型得到广泛建立与应用,如确定性系数模型[1]、Logistic回归模型[2]、粗糙集理论[3]、信息量模型[4]、层次分析法[5-6]、熵值法[7]、证据权模型[8-9]、分形理论[10]等。随着评价精度要求的提高,较多研究关注模型耦合评价,如稳定性系数与层次分析耦合[11]、稳定性系数与逻辑回归模型耦合[12]、层次分析与逻辑回归模型耦合[13]、层次分析与模糊评价耦合[14]、信息量模型与Logistic回归模型耦合[15-17]、聚类分析与支持向量机耦合[18]、确定性模型与Logistic回归模型耦合[19]等。研究表明,采用耦合模型的地质灾害易发性评价在评价合理性和精度上更有优势。

地质灾害易发性评价具有区域适用性,已有研究多以省域、流域为区划对象,随着地质灾害风险精细化管控要求的提高,选取适宜评价方法,对更小面域进行地质灾害易发性评价具有重要理论意义。本文以泰顺县仕阳镇为例,选取台风暴雨型地质灾害影响因子,将确定性系数模型与层次分析法相结合,进行地质灾害易发性评价,为东南沿海地区地质灾害防治和风险管控提供参考。

1 研究区概况

仕阳镇位于浙东南褶皱带、温州临海坳陷及泰顺温州断坳南部、洞宫山脉东南翼,泰顺—黄岩大断裂穿越该区中部,境内最高峰海拔高度981 m。山脉大体上呈NE-SW走向,组成中低山及丘陵地貌。山体坡度变化较大,以25°～45°为主。出露地层岩性较简单,以中生代白垩纪西山头组火山岩为主,岩性主要为流纹岩、凝灰岩、泥岩、粉砂质泥岩。仕阳镇位于亚热带海洋型季风气候区,四季分明,雨量充沛,气候温和,年平均降水量2 047.5 mm。区内雨季降水量大,而且时空分布不均匀,5—7月梅雨期云雨天气占多,8—9月台风侵袭频繁,历时长、强度大、范围广。区内地下水主要有第四系孔隙水和基岩裂隙水,受大气降水补给。区内人类工程活动主要表现为城镇建设、采矿、修路和建房切坡。

台风暴雨是研究区地质灾害主要诱因。台风暴雨型地质灾害造成严重经济损失和人员伤亡,例如:2009年8号台风“莫拉克”诱发地质灾害10处,造成2人死亡;2015年8月,受台风“苏迪罗”影响,泰顺县全域受灾严重,仕阳镇为重灾区,作物减产绝收、基础设施严重受损、较多房屋倒塌、多处公路中断等。目前,全区共有地质灾害点62处(图1),主要集中在仓楼村、翁地村、林垟村、下排村以及黄碧龙村一带斜坡中下部及坡麓区域。

图1 仕阳镇地质灾害分布概况

2 评价方法

2.1 确定性系数(CF)模型

确定性系数(CF)模型是一种二元统计方法,由SHORTLIFFE E H和BUCHANAN B G[20]提出,并由HECKERMAN D改进[21],后被引入区域性地质灾害风险评价[22]。根据确定性系数模型得到的指标CF值能表示不同条件下地质灾害发生的可能性,对受多因素诱发的台风暴雨型地质灾害尤为适用，其函数表达式为

(1)

式中：PPa为地质灾害在影响因子分类a中发生的条件概率，即因子分类a发育的地质灾害点个数与因子分类a面积的比值；PPs为地质灾害事件发生先验概率，即研究区的地质灾害点总个数与研究区总面积的比值。确定性系数CF的值域为[-1，1]，正值表示地质灾害发生的确定性高；负值表示地质灾害发生的确定性低。

2.2 层次分析(AHP)模型

层次分析法(AHP)是由 SATTY T L[23]提出的多因素决策分析方法。评判系统的有关替代方案各种要素按照上一层次为准则,对该层次元素逐项比较。依据层次关系,目标层A受制约因素层B的制约,各制约子因素层Bi由若干次级因素层Ci制约。各层各因素两两比较,引入1～9的标度,据规定标度量化,构造判断矩阵,计算各因素权重,综合权重按最大权重原则确定最优方案。

目标层A和制约因素层B的判断矩阵为

制约因素层B和次级制约因素层C的判断矩阵为

影响因子两两比较,判断值指标如表1所示。

表1 判断矩阵标度与含义

2.3 AHP与CF耦合模型

确定性系数模型可反映成灾要素中不同要素区间的贡献大小,解决评价因子内部不同特征值对易发性影响的敏感程度问题,但不能确定影响因子之间的相对权重。层次分析法在计算指标相对权重方面具有一定优势,尤其适用样本少的区域,但不能较好地解决评价因子不同特征值对易发性影响的敏感程度问题。将确定性模型得到的概率量化值取代层次分析法中人为的空间信息量化过程,可以弥补各自的不足[24],解决影响因子的权重的确定和异类数据合并的难题,获得更加准确合理的易发评价结果。研究考虑影响因子间的权重,构建判断矩阵,求解各因子权重,将各因素有机地结合,形成AHP与CF耦合模型,评价仕阳镇台风暴雨型地质灾害易发性。

3 地质灾害易发性评价

依托“浙江省泰顺县仕阳镇地质灾害风险调查评价”项目,基于1∶2 000精细化灾害地质调查成果,对仕阳镇进行地质灾害易发性评价,综合考虑地质灾害发育的地质条件与现状,以定量划分和信息系统空间分析为基础,采用确定性系数法(CF)和层次分析法(AHP)相结合的综合评价体系,开展易发区划。

3.1 评价单元划分

斜坡是滑坡发生的基本地形地貌单元,相比传统的栅格单元,斜坡单元可综合反映坡度、坡向、高差等地形条件的影响,可提高与实际地形地貌的吻合度;斜坡结构与水文地质条件基本相同,评价因素更能反映斜坡基本特点;斜坡单元可反映地势起伏与地质环境条件,能体现滑坡实际发育状况,以较小面积包含较多地质灾害点数量,评价结果比栅格单元更为合理准确[25]。沟谷型泥石流与坡面型泥石流评价指标体系有所不同,研究区以坡面型泥石流为主,综合考虑研究区台风暴雨型地质灾害发育机理,选用斜坡评价单元对仕阳镇崩塌、滑坡和坡面型泥石流进行易发性评价。使用ArcGIS水文分析模块,基于数值高程模型(DEM)完成斜坡单元划分,利用正反地形提取山谷和山脊线[26],结合数字正射影像数据(DOM)人工修改不合理单元,得到由汇水线与分水线组成的斜坡单元[27]。将研究区划分为1 428个斜坡单元,其中单元面积最小为0.001 3 km2,最大为0.50 km2,平均为0.056 km2。

3.2 评价因子选取与分级

考虑东南沿海台风暴雨型地质灾害成灾机理,从地形条件、地质条件和人类工程活动3个方面选取坡度、坡向、坡形、地形起伏度、断层、工程地质岩组、松散层厚度、土地开发强度、公路切坡9个影响因子。根据各因素中不同情况对地质灾害易发程度贡献的大小,确定指标量化方法。基于2 m分辨率DEM数据提取分析,影响因子分级的CF值见表2,地质灾害易发因子分级情况见图2。

(a).坡形分级;(b).坡度分级;(c).坡向分级;(d).地形起伏度分级;(e).距断层距离分级;(f).岩组分级;(g).松散层厚度分级;(h).土地开发强度指数分级;(i).公路切坡面积密度分级

表2 仕阳镇地质灾害影响因子分类级别的CF值

3.3 仕阳镇地质灾害影响因子分析

(1)坡形。坡形是地质灾害易发评价重要指标之一,对地表水汇流、下渗和地下水运移、岩土体重力分布有重要影响。利用DEM提取地表曲率,获取斜坡曲率值。-0.1<曲率<0.1,为直线坡;曲率<-0.1,为凹形坡;曲率>0.1,为凸形坡。研究区凹型坡与直线形坡分布面积相当,分别为凸形坡的4.2和4.5倍,灾点数量与分布面积成比例。凸形坡CF值最大,更易发生地质灾害。

(2)坡度。坡度影响斜坡破坏的形式和机制。由DEM生成2 m×2 m栅格,将斜坡单元内坡度平均值作为斜坡坡度值。为减少主观影响,坡度划分为<15°、15°～20°、20°～25°、25°～30°、30°～35°、35°～40°、40°～45°和>45°共计8个级别。由统计分析和确定性系数法可知,坡度范围主要集中在20°～35°,陡坡为主,面积占比83.98%,坡度15°～20°、20°～25°范围CF值较大。

(3)坡向。坡向导致风化差异,影响风化层厚度及分布,对斜坡稳定性有显著作用[28]。将坡向按Flat(0°)、N(337.5°～22.5°)、NE(22.5°～67.5°)、E(67.5°～112.5°)、SE(112.5°～157.5°)、S(157.5°～202.5°)、SW(202.5°～247.5°)、W(247.5°～292.5°)、NW(292.5°～337.5°)共计9个方位生成栅格图层,分级为除平坡Flat外的8个方位。据统计数据分析,区内斜坡主要集中在NE向、NW向、S向、SE向等4个坡向,面积占比68.96%,地质灾害主要发育于S、NE、SE等3个坡向,占比50%。由确定性系数法判断,研究区内NE、W两个方向较利于地质灾害发生,CF值大于其他分级。

(4)地形起伏度。地形起伏度为斜坡单元高程极值的差,决定地质灾害的强度和影响范围。为减小主观因素影响,高程差等间距分为0～50 m、50～100 m、100～150 m、150～200 m、200～250 m、250～300 m和>300 m 7个等级。0～50 m的CF值最大,为0.762；其次是50～100 m,CF值0.333。

(5)距断层距离。断裂构造与地质灾害发育密切相关。斜坡单元与断层最短距离作为评价指标[6,8-9,25]，等间距分为0～250 m、250～500 m、500～750 m、750～1 000 m、1 000～1 250 m、1 250～1 500 m、1 500～1 750 m、>1 750 m等8个级别。大部分斜坡与断层距离<750 m,由CF值可知,距离断层500～750 m、750～1 000 m的斜坡更易发生地质灾害。

(6)工程地质岩组。区内发育5个工程地质岩组,分别为花岗岩为主的侵入岩岩组(Qg)、流纹岩为主的酸性岩岩组(Rr)、熔结凝灰岩为主的火山碎屑岩组(Hi)、晶屑玻屑凝灰岩为主的火山碎屑岩岩组(Hif)、砂岩和粉砂岩为主的沉积碎屑岩组(Scf)。斜坡单元岩组以Hi、Hif为主,面积占比分别为50.96%、30.22%,灾点分别发育23处、24处。CF值显示,Qg最易发生地质灾害,CF值为0.343;其次是Hif,CF值为0.23。

(7)松散层厚度。东南沿海台风暴雨型地质灾害的孕灾物质以花岗岩风化壳组成的松散层为主[29],其厚度是影响地质灾害发育的关键因素。基于岩土剖面,辅以槽型钻、工程物探等手段获取松散层厚度。基于ArcGIS做2 m×2 m松散层厚度等值线栅格图,分为<1 m、1～3 m、3～5 m、5～7 m 计4类。计算斜坡单元内分布面积最大的类别,作为该斜坡单元的松散层厚度。研究区松散层厚度3～5 m的斜坡最多、面积最大、地质灾害发育最多;松散层厚度3～5 m,CF值最大。

(8)土地开发强度。地质灾害与不合理的人类工程活动密切相关[30]。根据仕阳镇土地利用现状,将土地利用情况划分为建筑用地、水田、旱地、荒地、茅草地、竹林、灌木林地、乔木林地等8大类,依据人类工程活动强度,给每种土地利用类型赋予相应的开发强度指数(表3)。

表3 土地利用类型与开发强度赋值

统计不同土地利用类型的面积,与开发强度指数相乘得到归一化土地开发强度面积,相互叠加后除以斜坡单元面积得到斜坡的土地开发强度指数。确定性系数法计算结果显示,土地开发强度越大,CF值越大,二者呈正比,说明土地开发强度越大,越易发生地质灾害。

(9)公路切坡面积密度。地质灾害易发性评价常将与公路距离作为影响因子[8,15,25],但距公路距离不能反映工程活动强度。采用切坡面积密度衡量工程活动强度,利用GIS工具统计斜坡单元内切坡面积,与斜坡面积相除得到切坡面密度,按照5 000 m2/km2等间距分为7级。存在公路切坡的区域,密度5 000～15 000 m2/km2范围内占比最大,约占43.73%。确定性系数显示,切坡面积密度>25 000 m2/km2的斜坡,CF值最大,最易发生地质灾害,其次是15 000～20 000 m2/km2的斜坡。

3.4 评价结果

根据层次分析原理和选出的地质灾害影响因子,构建层次结构(图3)。

图3 易发性评价因子层次结构

通过建立判断矩阵,求解各因子权重(表4),将各因素有机地结合,评价其易发性。基于AHP-CF模型综合评价的数学模型为

CF易发=CF坡度×0.192+CF坡向×0.031+CF坡形×0.048+CF起伏度×0.046+CF断层×0.065+CF岩组×0.156+CF松散层×0.287+CF土地开发×0.074+CF公路切坡×0.102

表4 仕阳镇地质灾害影响因素权重计算结果

依据综合评价模型将9个图层的CF值叠加,得到各斜坡单元的总CF值,即为地质灾害易发指数。ArcGIS自然间断法将仕阳镇地质灾害易发性分为极高易发区、高易发区、中易发区、不易发区等4个等级(图4)。极高易发区面积5.74 km2,主要分布在上仓楼、翁地、荣西和镇中心卫生院等地,面积占比约7.1%,地质灾害点28处,数量占比45.2%。高易发区面积18.8 km2,主要分布在曲岩、大岗、大山村和石竹后等村组,面积占比23.3%,地质灾害点21处,数量占比33.9%。中易发区面积20.9 km2,主要分布在上北斗、大宅、高畲及平地等村组,面积占比25.9%,地质灾害点8处,数量占比12.9%。低易发区面积35.4 km2,面积占比43.8%,查明地质灾害点5处,数量占比8.1%。

图4 仕阳镇地质灾害易发评价图

4 易发性评价结果检验

从合理性和精确性2个方面对评价结果进行检验,通过已发生地质灾害点在各易发区域的分布检验评价合理性,运用成功率曲线(ROC)下面积检验评价精度。

4.1 合理性检验

根据仕阳镇地质灾害易发分区检验结果(表5),极高易发区的灾害点占比最大;低易发区的面积和斜坡数量占比最多;灾害点在各等级易发区的百分比(Gi)与各等级易发区的面积占研究区总面积的百分比(Si)的比值随易发等级的降低而减小,与各等级易发区的斜坡数量占研究区斜坡总数量的百分比(Mi)的比值随易发等级的降低而减小。应用耦合模型对仕阳镇的地质灾害易发分区结果是合理的。

表5 仕阳镇地质灾害易发分区合理性检验结果

4.2 精确性检验

地质灾害易发性评价精度检验中,主要采用成功率曲线(ROC)验证方法。将评价结果按1%的面积间隔100等分,分别求各易发区滑坡发生的百分比,构建滑坡易发性面积百分比累计与实际滑坡面积百分比累计曲线[8]。曲线下面积(AUC)值越大则模型判断力越强,评价结果的ROC曲线(图5)下面积为0.846,即耦合模型的准确率为84.6%,约有79.2%的滑坡发生在面积占比30.4%高易发区和极高易发区。易发性评价结果有较高精度,采用确定性系数模型与层次分析法耦合可以客观准确地对仕阳镇地质灾害进行易发性评价。

图5 耦合模型地质灾害易发评价ROC曲线图

5 结论

(1)以泰顺县仕阳镇为研究对象,综合考虑台风暴雨型地质灾害成灾机理,选取坡度、坡向、坡形、地形起伏度、断层、工程地质岩组、松散层厚度、土地开发强度、公路切坡9个影响因子,建立易发性评价指标体系。基于层次分析法与确定性系数耦合模型,开展台风暴雨型地质灾害易发性评价,评价结果表明易发分区与研究区实际情况较为一致。

(2)由选取的9个影响因子各级别CF值可看出,松散层厚度、坡度、工程地质岩组、土地开发强度、公路切坡面积密度5个影响因子对台风暴雨型地质灾害易发程度贡献较大。尤其是坡度15°～20°、农田及建筑用地、公路切坡面积密度>25 000 m2/km2、厚度较大的花岗岩风化层最易发生地质灾害。

(3)仕阳镇地质灾害极高易发区和高易发区面积总占比30.4%,其中极高易发区面积占比约7.1%,分布在上仓楼、翁地、双路村和黄碧龙村等地;高易发区面积占比23.3%,分布在泉亭村、大龙坑、垟望村、山谷垟村等村组,区域内地质灾害发育密集,人类工程活动强烈。

(4)确定性系数模型可解决评价因子内部不同特征值对易发性影响的敏感程度,层次分析模型能结合专家经验确定影响因子之间的权重大小,将确定性系数模型与层次分析模型相结合,能较好地解决地质灾害影响因子权重的确定问题,获得更加准确合理的易发评价结果。研究结果表明,耦合模型的评价结果客观合理,精度达84.6%。

致谢：中国地质调查局南京地质调查中心朱延辉工程师参加了野外地质调查工作,韩帅助理工程师、泰顺县地质环境监测站相关工作人员在资料、数据收集和分析中提供了支持,在此一并表示感谢!