基于频率比与AHP模型的西藏东部地区滑坡易发性评价

邹富宝,付 卓,樊风雷,吴 华,4,郭治兴

(1. 西藏大学 工学院,西藏 拉萨 850000; 2. 西藏大学 高原地表环境遥感监测联合实验室,西藏 拉萨 850000;3. 华南师范大学 地理科学学院,广东 广州 510631; 4. 波密地质灾害教育部野外科学观测研究站,西藏 林芝 860000;5. 广东省科学院生态环境与土壤研究所,广东 广州 510650)

0 引言

中国是亚洲乃至世界上滑坡灾害最为严重的国家之一,受经济建设和自然因素的影响,我国滑坡呈逐年加重趋势。目前,我国滑坡主要分布在西藏、云南、四川、重庆及甘肃等地区[1]。从2016年统计中可知,西藏、云南、四川、重庆及甘肃等地居民受地质灾害影响财产和农业损失最为严重[2]。西藏东部地区发育横断山断裂带、三江断裂带,地质构造复杂,地质灾害频发。滑坡在地质灾害中占主导地位,杨全忠[3]对西藏滑坡进行了统计分析,得出了西藏东部地区的三江流域滑坡最发育,线密度达到了0.65处/km,雅鲁藏布江中下游为0.34处/km,因此,对滑坡的研究尤为重要。

目前我国滑坡易发性评价的方法已经成熟,并在滑坡易发性评价中取得丰硕成果,其评价方法主要有层次分析法、频率比法、信息量法、逻辑回归法、支持向量机法等。黄锦林等[4]、杜国梁等[5]、盛明强等[6]运用层次分析法、信息量法、逻辑回归法、频率比联接法、支持向量机法对研究区滑坡进行易发性评价,得到有利于对研究区滑坡发育的认识;吴常润等[7]、李文彦等[8]、杨强等[9]运用GIS技术、频率比和信息量模型、多种组合模型等技术方法对研究区滑坡进行易发性评价,并得到了较好的结果,可为研究区及类似区域的滑坡防治工作提供参考的意见;同时,随着社会的发展,科学的进步,地理信息空间分析功能也越来越成熟。地理信息空间分析功能不仅被广泛应用于滑坡危险性评价中,还被广泛应用到地质灾害易发性评价中。

西藏东部地区位于欧亚板块与印度板块碰撞带附近,新构造运动频发,地质环境复杂,是我国滑坡、泥石流和崩塌等地质灾害最发育的地区之一。其中典型的滑坡有:2018年10月发生的昌都市江大县波罗乡柏格村特大山体滑坡,2000年4月发生的波密滑坡,以及松宗滑坡等。这些滑坡给西藏东部地区交通道路造成严重破坏,同时也严重威胁当地人民的人身安全。在2007—2015年地质灾害详细调查的数据中显示,西藏东部地区受滑坡灾害威胁人数达23 502人,威胁财产约37 851.95万元,给当地人民的生命财产带来严重影响,同时也严重影响了西藏东部地区的发展。

文中运用GIS空间分析技术对西藏东部地区进行滑坡易发性评价研究,在确定地面高程、坡度、坡向、地层岩性、断层、地震点、居民点、道路和水系为评价因子后建立GIS灾害数据库,运用频率比法分析各评价因子对西藏东部地区滑坡的影响大小,再运用层次分析法计算出9个评价因子的综合权重,经ArcGIS软件叠加分析处理后,最终得到西藏东部地区滑坡易发性图,并总结出滑坡的空间分布特征。可为当地进行滑坡防治提供借鉴,有效降低滑坡带来的生命和财产损失。

1 研究区域

西藏东部地区(93°36′E～99°8′E,27°33′N～32°34′N),主要是由昌都及林芝东部(察隅县、墨脱县、波密县)地区组成(如图1),面积22.6175万 km2,人口85.26万。该区域地处横断山脉和三江流域,地质构造和岩石组成复杂,河网密度较大,有金沙江、澜沧江、怒江,雅鲁藏布江等河流。研究区地处三江构造带中段,属高山、中高山峡谷地貌,断层、节理发育,滑坡等自然灾害频发。

图1 研究区地理位置图Fig. 1 Geographical location map of the study area

2 研究方法

2.1 频率比法

频率比法是一种通过计算滑坡各评价因子在不同分级区间内滑坡发生的概率,进而确定各评价因子对滑坡的影响大小的研究方法[10-12],该方法已在滑坡易发性评价中被广泛运用[13-15]。文中运用频率比法对9个评价因子进行分析,确定各影响因子对滑坡的影响大小。频率比法计算公式为:

FRij=(Nij/N)/(Sij/S)

(1)

LSI=∑FRij

(2)

式中:i为评价因子;j为评价因子下的分级;FRij为第i个评价因子,第j个等级的频率比;Nij为第i个评价因子, 第j个等级的滑坡数;N为研究区的滑坡总数;Sij为第i个评价因子, 第j个等级的栅格数;S为研究区的总栅格数;LSI为滑坡易发性评价指数。

2.2 层次分析法

层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)是一种将定性与定量相结合解决多准则问题的决策方法[16]。它是定量分析的一种简便方法,是由美国运筹学家Saaty于1973年提出的,经多年发展已成为一种较成熟的决策方法[17-19],该方法被广泛运用到滑坡易发性评价、滑坡危险性评价、地质灾害易发性评价[20-22]。

层次分析法解决问题,可以分为4个步骤:

1)建立递阶层次结构模型

对于西藏东部地区滑坡易发性程度划分问题,可根据9个评价因子之间相互关系进行组合,建立多层次结构模型;多层次结构模型主要分为3个层次,由高到低分别为目标层、准则层和方案层。

2)构建判断矩阵

将9个评价因子分别进行两两比较,并采用专家打分法给比较结果进行打分,根据各评价因子重要性不同分别赋予不同分值,最终得到判断矩阵A,A=(aij)n×n;在本次评价模型中,ai,aj为滑坡评价因子;aij为9个评价因子构成的矩阵;n为矩阵阶数。

3)一致性检验

为保证判断矩阵得到的权重具有可靠性,须对其进行一致性检验。检验公式为CR=CI/RI,CI=(λmax-n)/(n-1);CR为随机一致性比率,RI为平均随机一致性指标(可查表得到),CI为一致性指标,λmax为判断矩阵最大特征值,n为判断矩阵阶数。

4)计算各评价因子综合权重

经检验合格后,将各评价因子各层级进行归一化权重的乘积计算出综合权重值(Wi),并制作出各评价因子综合权重值排序表。

3 数据处理

3.1 数据来源

文中使用的滑坡点数据(包含经纬度、威胁人口和威胁财产)来源于中国科学院地理科学与资源研究所资源环境科学与数据中心,1∶25万地质图来源于全国地质资料信息网,地层岩性数据来源于91卫图中的1∶250 万地质图,地震点数据来源于中国地震台网中心国家地震科学数据中心(http://data.earthquake.cn),水系、道路、居民点数据来源于测绘科学共享服务网,2018年landsat8遥感影像数据和30 m分辨率DEM来源于地理空间数据云网站。

3.2 评价因子选取

在选择一种方法评价不良地质的易发性时,选择评价因子的决定过程必须是很严谨的[23]。结合研究区实际情况,选取的评价因子应具有可获取性、代表性、可依赖性的特点[24]。文中在对研究区的地质背景和地形地貌特征分析后,基于以上原则从地形地貌、地质条件、人类活动3个方面选取评价因子。在地形地貌上选取高程、坡度、坡向为评价因子,在地质条件上,选取地层岩性、断层、地震点为评价因子,在人类活动上选取居民点、道路、水系为评价因子。

3.3 建立评价体系

文中先运用频率比法确定各评价因子对滑坡的影响程度,再根据滑坡易发性指数大小建立层次结构模型。通过运用频率比式(1)和式(2)计算得到9个评价因子滑坡易发性指数表(见表1)。

表1 滑坡易发性指数表Table 1 Landslide susceptibility index

因此,西藏东部地区各评价因子对滑坡的影响由大到小依次为:道路、地层岩性、高程、水系、居民点、坡度、坡向、断层、地震点。

文中目标层为滑坡易发性评价指标体系,准则层为高程、坡度、坡向、地层岩性、断层、地震点、居民点、道路、水系,方案层为方案1。根据各评价因子对滑坡影响大小,构建判断矩阵(见表2)。通过对判断矩阵进行一致性检验,将λmax=9.688 1,n=9,RI=1.46代入计算,得到CR=0.058 9<0.1;因此,该矩阵合理。进一步计算出综合权重值(Wi),并得到滑坡评价因子综合权重值排序表(见表3)。

表2 各评价因子之间判断矩阵Table 2 Judgment matrix between evaluation factors

表3 滑坡评价因子综合权重值排序表Table 3 Ranking table of comprehensive weight values of landslide evaluation factors

在ArcGIS软件中加载所有空间数据,并将所有空间数据统一到WGS_1984_UTM_zone_47N坐标系中。文中采用自然间断法将高程、坡度、坡向3个评价因子划分为4个等级,采用缓冲分析法将断层、地震点、居民点、道路、水系4个评价因子划分为4个等级,地层岩性评价因子是按地层单位或岩性分为7个等级;对各评价因子值进行重分类,统一转化为1～4的可比值。结合滑坡点在各个评价因子上的分布规律,将9个评价因子分级图进行重分类并各自进行赋值(见表4)。

表4 滑坡评价因子分级表Table 4 Grading table of landslide evaluation factors

续表

在ArcGIS软件中将重分类处理后的各个评价因子图进行叠加分析同时赋予相应的综合权重值,然后按相等间隔分类法,将叠加分析图划分为3个风险等级:[1,2)之间为低易发区;[2,3)之间为中易发区;[3,4]之间为高易发区,最后得到滑坡易发性评价图。

4 结果分析

4.1 滑坡分布特征

1)滑坡空间分布特征

将西藏东部地区遥感影像、滑坡点叠加在一起,构成滑坡点分布图(如图2(a))。在空间上,滑坡点具有带状分布特征。由东至西,滑坡主要分布在三江流域带、察隅一带、波密一带、雅鲁藏布江流域带。在行政区域上,滑坡主要发生在墨脱县、左贡县、察雅县、洛隆县和丁青县。将滑坡点进行点密度分析,得到滑坡点密度分析图(如图2(b))。从图2(b)中可知,在雅鲁藏布江流域、通麦一带、丁青县城、察雅县城等区域滑坡点密度较大。

图2 滑坡点分布图与滑坡点密度分析图Fig. 2 Distribution of landslide points and density analysis of landslide points

2)滑坡受灾人数分布特征

由于地区人口数量分布不同,导致各地区人类活动对环境影响不同,进而也导致滑坡发生程度也不同。因此,从受灾人数方面分析,能更好地反映滑坡的易发区域。从表5西藏东部地区威胁人数来分析,受灾人数最多的是丁青县(3 881人),其次是墨脱县(3 084人)、察雅县(3 042人)、贡觉县(2 561人)。

表5 西藏东部地区滑坡灾害影响Table 5 Impact of landslide disasters in eastern Tibet

4.2 评价因子分析

从滑坡评价因子分级表(表4)中分析可知:在高程方面,滑坡主要分布在高程为3 488～4 478 m的地区(如图3(a));在坡度方面,滑坡主要分布在坡度为0°～42°内(如图3(b));在坡向方面,滑坡主要分布在南,西南,西3个坡向(如图3(c));在地层岩性方面,滑坡主要分布在中生界区域内,其次在古生界范围内(如图3(d));在断层方面,滑坡主要分布在距断层距离10 km范围内(如图3(e));在地震点方面,滑坡主要分布在距地震点15 km范围内(如图3(f));在居民点方面,滑坡主要分布在距居民点5 km范围内(如图3(g));在道路和水系方面,滑坡主要分布在距道路、水系1 km范围内(如图3(h)、(i));且表现出距断层、地震点、居民点、道路、水系越近,越易发生滑坡的规律。

图3 西藏东部地区滑坡评价因子分级图Fig. 3 Classification of landslide evaluation factors in eastern Tibet

运用91卫图对西藏东部地区滑坡易发性评价图进行分析,可得到如下结果:1)从整体上看,西藏东部地区高易发区主要分布于西藏东部地区的道路沿线,中易发区主要分布于西藏东部地区的东北部和西南部,低风险区主要分布于西藏东部地区的唐古拉山山脉一带。2)从地域上看,西藏东部地区高易发区主要集中在三江流域带、雅鲁藏布江流域带、波密一带等区域,中易发区主要集中在江达县、贡觉县、芒康县等区域,低风险区主要集中在唐古拉山山脉一带。3)从易发性上看,高易发区有431个滑坡点,中易发区有123个滑坡点,低易发区有7个滑坡点,分别占滑坡总数的76.83%、21.92%、1.25%;高易发区面积为49 848.97 km2,中易发区面积为103 704.24 km2,低易发区面积为72 624.79 km2,分别占总面积的22.04%,45.85%,32.11%(如图4)。

图4 西藏东部地区滑坡易发性评价图Fig. 4 Assessment map of landslide vulnerability in eastern Tibet

5 结论

1)西藏东部地区滑坡具有带状分布特征,主要集中在三江流域带、雅鲁藏布江流域带、波密一带等区域分布。

2)各评价因子对西藏东部地区滑坡影响大小为:道路>地层>高程>水系>居民点>坡度>坡向>断层>地震。

3)西藏东部地区高易发区主要分布在道路沿线,中易发区主要分布在西藏东部地区的东北部和西南部,低易发区主要分布在唐古拉山山脉一带。

未来西藏东部地区应重点关注西藏东部地区道路沿线,三江流域带、雅鲁藏布江流域带、波密一带的滑坡灾害监测及预防。