摘 要:本文对福州市晋安区的地质灾害易发性进行研究,根据研究区地质条件和地质灾害的形成机制和制灾机理,确定高程、坡度、坡向、地质构造、岩土体类型、降雨、地表水系、植被密度8个影响地质灾害易发性的环境因素。构建信息量模型计算8个因素的信息量,采用层次分析法对8个因素的信息量进行赋权,最后使用ArcGIS软件依据权重叠加指标,实现研究区易发性可视化、数据化。依据计算结果,对研究区易发性进行评价,其成果可为制定福州市晋安区的地质灾害防治方案提供依据。
关键词:地质灾害;层次分析法;信息量;易发性;晋安;福州
中图分类号: P694 文献标识码:A 文章编号:1672-5603(2023)01-85-10
Multi-elements Geological Hazard Vulnerability Evaluation Based on Weighted Information Quantity Model
—A Case Study of Jin'an District, Fuzhou City
Zhuang Shuyu
(Fujian Institute of Geological Survey, Fuzhou Fujian 350013)
Abstract: This paper studies the vulnerability of geological hazards in Jin'an district, Fuzhou city. According to the geological conditions and the formation mechanism and disaster mechanism of geological hazards in the area,eight environmental factors affecting the vulnerability of geological hazards, including elevation, slope, slope direction, geological structure, geotechnical type, rainfall, surface water system and vegetation density are determined. The information quantity model is used to calculate the information quantity of the eight factors, and the information quantity of the eight factors was assigned with weights by using the hierarchical analysis method, and finally, ArcGIS software is used to superimpose the indexes according to the weights to visualize and data the vulnerability of the study area. According to the calculation results, the vulnerabitity of the study area is evaluated, and the results can provide a basis for determining the geohazard prevention and control plan in Ji'nan district, Fuzhou city.
Keywords:geological hazards;hierarchical analysis method;information quantity;vulnerability;Ji'nan district, Fuzhou city
0 引言
我国地质灾害频发,据不完全统计,在地质灾害防治“十二五”规划期间,发生地质灾害64521次[1]。地质灾害的发生摧毁近灾点的道路、房屋,给人民群众的生命、财产带来巨大损失。然而,地质灾害的形成受诸多因素影响,且其发生具有突然性[2]。因此,对地质灾害进行评价,可以更好地防灾减灾。
地质灾害易发性研究是展开地质灾害评价分析工作的基础。易發性评价主要是根据地质灾害的成灾机理及发育特征,分析其孕灾地质条件,选取合适的评价因子和评价方法进行易发性评价[3]。常见的评价因子的主要有高程、坡度、坡向、构造、岩性、降雨等[4-5]。而评价方法分为推理模型、统计模型和确定性模型[6],前两种模型适用性广,结果偏差大,适用于大区域范围评价。而确定性模型需要对评价因子的数据进行定量化分析,精度高,适用于小区域范围评价。随着计算机技术的发展,评价因子的定量化分析日益简单快捷,确定性模型得到广泛应用,常见的确定性模型有灰色系统理论[7]、模糊评判法[8]、层次分析法[9]、神经网络法[10]、信息量法[11]等。
目前的易发性评价分析方法众多,具有广泛的适用性,但方法上存在些许不足。灰色系统理论基于已发灾害点进行预测,极其依赖历史数据,对潜在灾害区预测准确性低[12]。神经网络法分析结构繁琐,分析参数选取困难,分析过程算法收敛速度缓慢[13]。层次分析法依赖专家意见,人为主观性强[14]。信息量法不能反映各评价因子对地质灾害影响程度的差异[15]。因此,迫切需要一种新的方法解决这一困境。
本文以福州市城区1:5万地质灾害风险调查评价为数据来源,根据晋安区地质灾害的发育特征,选取多个评价因子,从多因素角度,运用层次分析法对因素的信息量进行赋权,以弥补信息量模型的不足,对晋安区地质灾害进行易发性评价。
1 研究方法
加权信息量模型是一种定性-定量相结合的新方法。信息量模型是通过计算特定评价单元内某种因素作用下地质灾害发生频率与区域地质灾害发生频率相比较实现的,然而地质灾害的形成受多种因素影响,信息量模型未考虑评价指标在评价体系中各因素的贡献度差异。因此,使用层次分析法来建立目标的层次评价模型,进行评价指标的权重分析,为信息量值进行指标权重赋权,使评价结果更加合理可靠。
1.1 层次分析法
层次分析法(AHP)是一种定性的多目标决策分析方法,其根据实现目标的必要条件来建立层次结构模型[16-18]。层次结构模型一般包括目标层、准则层和因素层。目标层是建立的层次结构模型要完成目标,准则层则是实现目标需要的必要条件,而因素层则是实现准则层的必要条件,其结构见图1。
构建完层次结构模型,就要建立判断矩阵。判断矩阵的形式如图2。判断矩阵[A]中的[ui]为层次结构中的准则层,[aij]为准则间的重要性标度,其取值参照1~9重要性标度法(表1)。若[aij]大于1,则表示[ai]比[aj]的重要性大;对应着[aj]与[ai]间的重要性标度则为1/[aij]。
完成判断矩阵[A]的构建后就要进行一致性检验,一致性检验的步骤是先计算判断矩阵的最大特征根λ[max]和对应的特征向量[W]。计算得到最大特征根λ[max]后,可以使用一致性指标[CR]来判断,[CR=CI/RI],其中[CI=λmax-n/n-1],[RI]的取值参照表2。如果[CR<0.10],则判断矩阵一致性通过,反之,则要更改重要性标度[aij],直至通过。
最大特征根的计算方法有幂法、方根法、和法,本文使用的是方根法。根据公式1对判断矩阵的行进行累积,得到累积向量[M=M1,M2…Mn]。随后对累积向量[M]开n根,并进行归一化,即可得到特征向量[W=W1,W2…Wn]。而最大特征根λ[max]的计算则依据公式1-4。
以上内容介绍的是准则层相对目标层的权重[ a],或者是因素层相对准则层的权重[ b],而因素层相对目标层的权重[c=a×b]。
1.2 信息量模型
信息量模型是根据现有的地质灾害统计结果,分析不同孕灾地质条件(评价因子)下地质灾害发生次数,并将其转化为反映地质灾害易发性的信息量值,信息量值越大,孕灾贡献越大[17]。信息量值计算公式如下:
式中,[Ii]为某孕灾地质条件的信息量;[Ni]为发生在某孕灾地质条件(评价因子)的地质灾害分布单元面积;[N]为区域内地质灾害分布单元总面积;[Si]为某孕灾地质条件(评价因子)的总面积;[S]为区域总面积。
1.3 层次分析—信息量法
层次分析法计算得到的是不同孕灾地质条件(评价因子)相对“目标层”的权重向量[W=W1,W2…Wn],信息量法计算得到的是每个权重向量对应的信息量[Ii],而目标层的总信息量则需要依据不同孕灾地质条件(评价因子)权重,根据权重对信息量值进行赋权,即可计算总的信息量。总信息量计算公式如下:
2 工程实例及评级研究
2.1 地质灾害发育现状
晋安区位于福州市北郊,区内属于中低山地貌,地势总体上西北高、东南低。区内最高海拔位于旗山,高度为1 129.3 m,最低海拔为日溪、桂湖等处的山间盆地,高度在100 m左右。晋安区区域垂直海拔高度在1 000 m左右,地势较平缓,大部分地区坡度在20°~40°,局部区域的沟谷较陡峻,坡度可达50°以上。晋安区气候类型属于典型的亚热带季风气候,具有明显雨热同期特点,每年的7~9月,月平均气温在33~37℃,月均降雨量在150 mm左右。此外,晋安区受台风影响较大,每年台风直接登陆市境在2次以上,日极端降雨量在300 mm左右。这种异常天气极带来的极端降雨量,易造成地质灾害。
晋安区地层以晚侏罗系南园组和早白垩系小溪组、石帽山群地层为主,局部出露白垩系二长花岗岩。晚侏罗系南园组为酸性、中酸性火山碎屑岩,早白垩系小溪组和石帽山群皆为一套陆相沉积—火山喷发岩系。白垩系二长花岗岩属于侵入岩类型。研究区构造属于浙闽粤火山岩带之闽东火山活动亚带,发育的断裂带较多,主要以近南北、北东东、北西向为主,其中较为著名的是福州—永泰构造带,该构造带至今仍在活动,致使区域地壳出现差异隆升,诱发多次地震灾害。该构造带的活动使得区域内河流切割严重、阶地发育、温泉群生以及斜坡岩土体结构破碎。
区域内复杂的构造运动,以及极端的气候条件,使得地势较平缓的晋安区地质灾害频发。通过收集资料和现场工程地质勘察,发现研究区内现有已发地质灾害点45个,高陡边坡473个,其中崩塌为14处,滑坡为30处,泥石流1处。区内崩塌以岩土质崩塌为主,破坏模式以滑移式为主。滑坡以土质滑坡为主,破坏模式以牵引式为主。区内地质灾害诱发因素以人类活动为主,发生时间集中在雨季,可见降雨对地质灾害发生存在较大影响。
2.2评价因子
评价因子及其权重的计算是进行地质灾害风险评价的基础,但在进行评价因子和权重的计算时,需要考虑区域地质环境和地质灾害的诱发因素。本文根据晋安区地质灾害成灾机理及发育特征,对区域地质灾害与孕灾地质条件进行分析,确定地质灾害风险评价的指标[19]。
2.2.1 地形地貌
地形地貌条件是地質灾害形成的基本条件,研究区属于中低山地貌,海拔范围在0 ~ 1 130 m,坡度在20° ~ 40°。
从海拔高度上来看,高程500 ~ 1 130 m的范围内地质灾害点有19处;高程250 ~ 500 m范围内地质灾害点有13处;高程100 ~ 500 m范围内地质灾害点有1处;而高程0 ~ 100 m范围内地质灾害点有12处。其中高程低于100 m区域是人类活动密集区,地质灾害较多;高程在500 ~ 1 130 m范围属于中低山地貌,人类活动对斜坡坡体影响较大,在一定程度上诱导了地质灾害的发生(图3)。因此,认为高程对晋安区地质灾害分布具有控制作用,选取其为评价因子。为了量化分级,将高程划分为“<100 m、100~250 m、250~500 m、500~800 m、>800 m”5个等级。
坡度是崩滑灾害发生的前提条件,斜坡拉张应力区的分布与斜坡坡度呈正相关联系,坡度越大坡脚地带形成的最大剪应力越大,坡体稳定性越差。据统计,坡度在0~15°的地质灾害点有7处;坡度在15~25°的地质灾害点有16处;坡度在25~35°的地质灾害点有19处;坡度在35~45°的地质灾害点有3处。从结果上,研究区地质灾害多集中在15~35°之间,而非高坡度区域,这是因为坡度>35°时残坡积物难于保存,发生灾害也相应较低,可见地质灾害的发生与坡度密切相关(图4)。因此,认为坡度对晋安区地质灾害分布具有控制作用,选取其为评价因子。为了量化分级,根据地形坡度划分为“<15°、15°~25°、25°~35°、35°~45°和>45°”5个等级。
坡向对于地质灾害的影响主要体现在坡向不同,斜坡岩土体风化程度不同,地下水水位不同。一般向阳坡的日照时间更长,蒸发量大,风化程度高,对地质灾害的发生起到一定的影响作用。据统计,坡向北(337.5°~22.5°)、北东(22.5°~67.5°)、东(67.5°~112.5°)、南(157.5°~202.5°)、南西(202.5°~247.5°)、西(247.5°~292.5°)、北西(292.5°~337.5°)的地质灾害点均较少,只有南东(112.5°~157.5°)最多,为10个。这也说明在晋安区,坡向对地质灾害分布有一定影响,但不是主要影响因素,也选取其为评价因子。为了量化分级,根据坡向划分为“北(337.5°~22.5°)、北东(22.5°~67.5°)、东(67.5°~112.5°)、南(157.5°~202.5°)、南西(202.5°~247.5°)、西(247.5°~292.5°)、北西(292.5°~337.5°)”8个等级。
2.2.2 地质条件
地质构造对地质灾害具有重要的控制作用,构造的发育情况影响着灾害发生的概率。地质构造对地质灾害的影响主要体现在,构造运动会破坏岩土体结构和稳定性,为地质灾害提供物源。构造运动形成的破裂面是很好的水运移通道,起到增加下滑力减少抗滑力的作用。因此,选取地质构造作为对晋安区地质灾害易发性评价的影响因子。为了量化分级,将地质灾害点距离构造线的距离划分为“0 ~ 500 m、500 m ~ 1 000 m、1 000 m ~ 1 500 m、1 500 m ~ 2 000 m、2 000 m ~ 2 500 m、>2 500 m”6个等级。
研究区的岩土体类型主要有五种,分别是坚硬块状侵入岩岩组、较坚硬块状火山岩岩组、砂土和碎石土、粘性土、淤泥质土。这些岩土体的力学强度不同,天然工况下稳定性差异较大,而地质灾害的发生概率与岩土体强度密切相关。由于砂土和碎石土、粘性土、淤泥质土的力学性质相差不大,这里将其划分为松散土体。据统计,发生在坚硬块状侵入岩岩组的地质灾害有8处,较坚硬块状火山岩岩组25处,松散土体22处。这是因为研究区地质灾害多发生在中部山前坡地和北部山区,该部分岩土体类型为坚硬较坚硬块状火山岩岩组(图5)。因此,认为岩土体类型对晋安区地质灾害分布具有控制作用,选取其为评价因子。为了量化分级,将岩土体类型划分为“侵入岩、火山岩和松散土体”3个等级。
2.2.3 自然条件
降雨是催生各类地质灾害的重要诱发因素,这点是国内外普遍认可的。晋安区季风气候明显,降雨集中,加上台风带来的极端降雨条件,极易诱发地质灾害。根据调查资料及灾害点访问,区域内地质灾害发生时间集中在5~9月份,特别是每年5、6月份,雨季发生频率最高,该时间段为湿热气候条件,暴雨集中,地质灾害发生时间与降雨分配、强度正相关,地质灾害发生次数总体随月平均降雨量的升高而增多。而到了8~9月的台风季,极端降雨量大,晋安区普遍产生滑坡、泥石流灾害。由于降雨对地质灾害具有明显的控制作用,故选用其为评价因子。为了量化分级,将年降雨量分为“< 900 mm、900 mm ~ 1 000 mm、1 000 mm ~ 1 000 mm、1 100 mm ~ 1 200 mm、> 1 200 mm”5个等级。
水对地质灾害有分布具有重要影响。对于地表水,其下渗作用会使坡体岩土体软化、崩解现象,减小抗滑力,也是泥石流灾害发生的物质组成以及水力条件。对于地下水的作用主要有以下几个方面:(1)地下水会增大岩土体的容重,增大下滑力;地下水也会改变岩土体的力学性质,使其抗剪强度降低。(2)地下水的静水压力也存在许多不利影响,如裂隙中地下水的静水压力会产浮托力,降低有效正应力和摩擦阻力;静水压力也会转化为下滑力。由于地表水、地下水的流速与流量与距离地表水系远近密切相关,故选用距离地表水系的远近作为评价因子。为了量化分级,将距离地表水系分为“<300 m、300 m ~ 600 m、600 m ~ 900 m、>900 m”4个等级。
植被树冠、枯落层可以消耗雨强、雨能,截留降雨,降低地下水流速、流量。植被根系的固土固沙作用可以减小雨水侵蚀能力,削减泥石流物源。总的来说,植被可以调节区域径流,削减洪峰,改造局部地区水文循环;植被的固土固沙可以防止土体侵蚀,减少地质灾害发生。研究区植被类型主要为灌木和林木,植被种类、覆盖程度与发生地质灾害发生概率密切相关,裸露区发生地质灾害可能性最大,草本次之,灌木再次,林木最次。因此,選用植被密度作为评价因子。为了量化分级,将植被密度划分为“裸露区、草本、灌木和林木”4个等级。
2.3信息量分级赋权
2.3.1评价层次结构模型
在前文对晋安区地质灾害的孕灾地质条件进行分析的基础上,建立晋安区的易发性层次结构模型(图6)。模型的目标层(U层)为晋安区地质灾害易发性评价,一级指标为准则层,准则层有3个,分别为地形地貌(U1)、地质条件(U2)、自然条件(U3)。因素层有8个,分别为高程(U11)、坡度(U12)、坡向(U13)、地质构造(U21)、岩土体类型(U22)、降雨(U31)、地表水系(U32)、植被密度(U33)。
2.3.2构建判别矩阵及层次总排序
评委专家依据晋安区地质灾害成灾机理及发育特征,确定评价准则和评价因素的主次关系,参照1-9标度法对8个因素的孕灾能力强弱进行打分,建立判断矩阵,进行指标权重计算和一致性检验。计算结果见表3-表6。
2.3.3 信息量计算与分级赋值
在信息量的计算中需要对单一评价因子进行量化分级,层次分析法中有8个评价因子,量化分级为40个子级别,分级结果见表7。量化分级后需要计算信息量,本文使用ArcGIS软件绘制8个评价因子的基础图件,并用25 m× 25 m均布栅格单元来划分基础图件,通过公式5算评价指标的信息量,计算结果见表7和图7。
根据计算结果,高程在500 ~ 800 m这个范围,信息量最大,为0.243 6;坡度在25° ~ 35°这个地形区间内地灾隐患点分布较多,信息量最大,为0.536 3;坡向在南东(112.5° ~ 157.5°)范围内地质灾害隐患点较多,信息量达到0.583 1;岩土体类型为较坚硬块状火山岩岩组的信息量较高,为0.536 3,松散土体的信息量最小,为-0.796 2;距离地质构造500 m以内信息量较大,为0.471 1;距离水系0~300 m范围内,信息量最大,为0.073 1;裸地分布灾点个数最多,信息量最大,为0.270 5;降雨量在>1 200 mm,信息量最大,为0.483 9。
计算40个子级别的信息值后,根据层次分析法的指标权重对子级别信息值进行最终信息量计算,这里的计算过程参照公式6,计算结果见表7。
2.3.4 ArcGIS加权叠加及量化分析
研究区有着完整的图件属性库,使用ArcGIS软件对各评价指标信息量图按权重进行叠加分析。叠加后可以得到研究区的总信息量范围,其范围为-0.380 1~0.327 2。根据总信息量的定义,总信息量[I]越大(>0),发生地质灾害可能性越大;总信息量[I]越小(<0),发生地质灾害可能性越低。根据总信息量的性质以及研究区地质灾害发育特征,按照最大隶属原则,将研究区地质灾害易发性划分为3个分区,-0.380 1~0(非易发),0~0.143 2(低易发),0.143 2~0.327 2(中易发)。在成图方面,把同一隶属度的栅格单元划分为同一级,对于零星的小斑块,使用滤波算子进行过滤,得到晋安区地质灾害易发性分区图(图8),统计结果见表8。
2.4 评价结果
晋安区全区地质灾害易发性分区分为3个,分别是非易发区、低易发区和中易发区。
中易发区面积为62.31km2,占区内总面积的11.28%,主要分布在寿山乡、宦溪镇、日溪乡和新店镇北部;低易发区面积为292.69 km2,占区内总面积的52.99%,主要分布在北部山区坡度平坦地区;非易发区面积为197.39 km2,占区内总面积的35.73%,主要分布在新店镇南部、岳峰镇和鼓山鎮南西部;区内无高、极高易发区。
3 结论
(1)加权信息量模型是层次分析法和信息量模型的结合,二者优势互补,使区域地质灾害易发性评价更加准确合理。
(2)根据晋安区地质灾害成灾机理及发育特征,结合自然地理、地质特征,选取与地质灾害密切相关的高程、坡度、坡向、地质构造、岩土体类型、降雨、地表水系、植被密度8个因素作为晋安区地质灾害易发性评价因子。
(3)依据总信息量计算结果,将研究区晋安区易发分区分为中易发区、低易发区、非易发区3个分区,中易发区的面积为62.31 km2;低易发区的面积为292.69 km2;不易发区的面积为197.39 km2。
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收稿日期:2022-09-16; 改回日期:2022-11-14。
*基金项目:福建省自然资源厅自然灾害防治体系建设项目“福州市1∶5万地质灾害调查与风险评价”(编号:20200329)。
*第一作者简介:庄树裕(1979—),男,博士研究生,高级工程师;主要从事水文地质工程地质方面的研究;
E-mail:fulin36966@163.com。