“两图-双预测”方法及其在地质灾害风险评价中的应用

张 坤, 孙 魁, 陈建平, 彭 捷, 陈 军, 张鹏华

(陕西省地质环境监测总站(陕西省地质灾害中心), 西安 710054)

地质灾害风险评价是地质灾害防治领域的研究热点。从评价尺度上,以某区域开展地质灾害风险评价,如莫运松等[1]、张群等[2]、王颖等[3]、郭佳等[4]、李萍等[5]分别开展了广西富川瑶族自治县、云南省泸水市、北京市、阳泉市矿区、澜沧江流域的地质灾害风险评价研究,采用地理信息系统(geographic information system,GIS)软件作为评价工具,形成以栅格为表现形式的区域地质灾害风险等级区划;或以斜坡体为单元开展某区域地质灾害风险评价,一般用于完成较小区域的地质灾害风险区划,如杨秀元等[6]、易靖松等[7]、李彧磊等[8]、张鹏涛等[9]分别依据GIS软件结合实地调查划分斜坡单元划分区域内斜坡体形成评价单元,开展了重庆市万州区大周镇集镇区、云南省龙陵县腊勐镇、湖北省巴东县野三关集镇、江西上饶三清山地区的地质灾害风险评价,形成以斜坡体为单元的区域地质灾害风险等级区划;或以单体地质灾害为对象开展评价,如吴波等[10]使用组合确权法开展了黄砂隧道塌方风险评价、夏艺峰等[11]利用模糊数学法和层次分析法对宜昭高速公路一期工程67处典型高边坡开展地质灾害风险评价。

从评价方法上,地质灾害风险评价多采用构建地质灾害风险评价模型为基础,依托地质灾害易发性、危险性、易损性的评价结果,讨论地质灾害风险性。通常使用组合确权的方法以提高评价模型的准确性。连志鹏等[12]、苏宝成等[13]分别结合信息量模型和专家打分模型、信息量法和层次分析法组合确权,开展湖北省远安县、山东省泰安市地质灾害风险评价。

众多学者在地质灾害风险评价模型的构建方面做了大量工作。崔成涛等[14]、李丽敏等[15]分别提出使用博弈论原理的组合赋权的评价模型、引入层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)和熵权法的改进层次分析法-模糊综合评价(analytic hierarchy process-fuzzy comprehensive evaluation,AHP-FCE)法的模型,能够提高评价结果的准确性;薛强等[16]将遥感影像识别引入地质灾害风险评价模型,构建了基于遥感数据、数字高程(DEM)数据结合实地调查的区域地质灾害风险评价模型。但由于地质灾害本身的复杂性,评价方法的好用性、易操作性、精确性等方面上存在一定差异。为此,基于前人研究和实地调查成果,综合考虑系统性、实用性,总结提出基于“两图-双预测”的地质灾害风险评价方法,构建较为简单易行,适用性较好的地质灾害风险评价模型,并以陕西省咸阳市乾县为研究区进行方法应用,以期对地质灾害风险评价技术的提升有所裨益。

1 “两图-双预测”方法的基本思路

目前地质灾害风险评价主要是通过所搜集资料,开展某区域的地质灾害危险性评价和易损性评价,再基于该区域的危险性评价和易损性评价成果,评价区域地质灾害风险性,并依次为依据进行区划。通过总结整理,地质灾害风险评价方法可以概括为“两图-双预测”评价法(图1)。“两图”分别指地质灾害危险性评价图、地质灾害易损性评价图,利用“两图”可以科学预测某区域在降雨、地震等诱发因素作用下,发生地质灾害的可能性以及承灾体可能遭受地质灾害破坏的严重程度。最后利用危险性指数和易损性指数计算得出地质灾害风险指数,完成该区域地质灾害风险区划,指导各地开展防灾减灾工作。

图1 地质灾害风险“两图-双预测”评价法流程

2 “两图-双预测”方法构建

2.1 评价体系构建

地质灾害风险是指地质灾害产生不良后果的可能性,包括地质灾害发生破坏的可能性及其产生的后果(损失)两个方面[17]。目前,地质灾害风险评价主要是采用不同形式的定性或定量评价方法,但基本是由危险性和易损性评价得出。从地质灾害危险性和易损性两个方面,构建地质灾害风险评级指标体系(图2)。地质灾害危险性是指在某种诱发因素作用下,一定区域内某一时间段发生特定规模和类型地质灾害的可能性。参考前人的研究成果,并结合研究区实际情况,确定地质灾害危险性评价因子包括斜坡高程、斜坡坡度、斜坡坡向、斜坡起伏度、距河流水系距离、距道路距离、距构造距离、地层岩性、年均降雨量9个因子。地质灾害易损性是指承灾体可能遭受地质灾害破坏的严重程度。参考相关技术要求,确定研究区地质灾害易损性评价因子包括居民建筑、承灾体人员、交通道路3个因子。

图2 乾县地质灾害风险评价体系

2.2 权重的确定

为提高各评价因子权重的科学性,采用基于博弈论集结模型的组合确权法。

2.2.1 熵权法

熵权法是一种客观赋权法,“熵”指代系统的无序程度。对于某项指标来说,所能获取的信息越多,其确定性越大,对应的熵值也就越小。不同因素对地质灾害发生的影响程度不同,其在熵权法计算的权重也会有所区别[18]。

首先对原始数据进行标准化处理,设第i个被评价对象的第j个评价因子因素的熵值Hi为

(1)

式中:1≤i≤m;rij为第j个评价因子因素下第i个评价对象的熵特征比重,公式为

(2)

式中:aij为第i个被评价对象中第j个因子因素的数据。当rij取值相同时,熵值最大;而且当Hmax=lnm时,评价因子因素的相对熵值ei做归一化处理后得到式(3),其中0

(3)

第i个评价因子因素的熵权值公式为

(4)

2.2.2 层次分析法

层次分析法(AHP)是一种主观确权法,通过两两比较的方法确定决策方案相对重要度的总排序,确定各因子的权重。评价因子比较的结果用一致性比率(CR)来衡量,范围是0～1。当CR<0.10时,认为判断矩阵的一致性是可以接受的[19-20]。因子比较的定性描述指标见表1。

表1 判断矩阵标度及其含义

(5)

(6)

式中:CI为一致性指标;λmax为判断矩阵的最大特征值;n为判断矩阵的阶数;RI为平均随机一致性指标,根据各判断矩阵的阶数n查表确定对应的RI值;CR为一致性比率。

2.2.3 组合确权

在熵权法、AHP的基础上,采用博弈论集结模型计算组合权重[21]。假设使用L种方法对指标分别赋权并得到L个指标权重向量:ωk=[ω1n,ω2n,…,ωkn],k=1,2,…,L。记L个权重向量的任意线形组合为

(7)

对式(7)中L个线性组合系数αk进行优化,使ω与各ωk的离差极小化,对策模型为

(8)

式(8)的最优化一阶导数条件为

(9)

通过计算求得(α1,α2,…,αL),再对其进行归一化处理,即

(10)

可求得组合权重为

(11)

2.3 评价模型的构建

2.3.1 危险性评价模型

利用GIS软件,分别构建斜坡高程、坡度、坡向、起伏度,距河流水系、道路、构造距离,地层岩性及年均降雨量9个地质灾害危险性影响因子栅格图层。结合组合确权结果,通过各栅格图层加权叠加完成地质灾害危险性评价图。地质灾害危险性评价模型为

(12)

2.3.2 易损性评价模型

地质灾害易损性一般用0～1来表达,1表示完全损失,0表示无损失。对研究区境内居民建筑的用地类型、承灾体人员数量、交通道路等级分别赋值(表2),利用GIS软件将各个图层叠加,形成地质灾害易损性评价图。

表2 易损性赋值

2.3.3 风险评价指数计算

根据地质灾害危险性评估和易损性评价结果,采用通用风险评估模型计算地质灾害风险值[14-15]。

FXi=WXi×YSi

(13)

式中:FXi为地质灾害风险指数;WXi为地质灾害危险指数;YSi为地质灾害易损指数。

3 “两图-双预测”方法应用

3.1 研究区概况

乾县地处陕北黄土高原南缘与关中平原的过渡地带,地势西北高、东南低。按地貌形态大致可分为南北3个部分。二级黄土台塬区大致以临平镇龙塘口-城关镇玉林村-马家坡村-黑豹峪-阳洪镇上陆陌一线以北,海拔650～1 420 m,塬面比较完整,地形有起伏,塬面上有黄土梁峁和石灰岩残丘,该区面积483.44 km2,约占全县总面积的48.21%;一级黄土台塬区分布于县域中部,塬面海拔 560～660 m,呈波状,地表微有起伏,面积330.08 km2,约占全县总面积的32.92%;平原区分布于县域南部,海拔480～600 m,地势平坦,向东南方微倾斜,面积189.19 km2,约占全县总面积的18.87%。

研究区属暖温带大陆性半干旱季风气候,四季分明,气候温和,年平均气温为13.1 ℃,年平均气温为12.7 ℃,年平均降雨量为499.6 mm,降雨主要集中在每年的7—9月。

区内水系主要有漆水河、漠谷河、泔河,均属黄河水系渭河支流,区内河流普遍切割较深,修建有多座水库。

大地构造位置属于中朝准地台南部,构造以断裂构造为主,主要发育有NE、NW和NNE向3组5条断裂,且多表现为隐伏断裂。

3.2 数据来源

研究区13处地质灾害点资料均来源于乾县自然资源局,分布情况如图3所示,包含滑坡1处,崩塌11处、地裂缝1处。研究区DEM数据来源于陕西省测绘地理信息局,年均降雨量数据来源于陕西省气象局。

图3 研究区13处地质灾害分布

3.3 危险性评价

3.3.1 指标提取及量化

通过查阅文献结合研究区地质环境条件、实地调查情况,确定研究区危险性评价指标为斜坡高程、斜坡坡度、斜坡坡向、斜坡起伏度、距河流水系距离、距道路距离、距构造距离、地层岩性、年均降雨量9项。其中,斜坡高程、斜坡坡度、斜坡坡向、斜坡起伏度均由DEM图层提取,距河流水系距离、距道路距离、距构造距离通过GIS软件的欧氏距离计算得出,地层岩性指标通过对境内3类工程地质岩组的地质灾害易发程度分别赋值,年均降雨量通过搜集获得,各指标归一化专题图如图4所示,栅格大小为10 m×10 m。

图4 9项指标归一化处理结果

3.3.2 权重计算

3.3.2.1 熵权法计算

利用实地调查数据,结合GIS软件提取13处地质灾害隐患点的斜坡高程、斜坡坡度、斜坡坡向、斜坡起伏度、距河流水系距离、距道路距离、距构造距离、地层岩性、年均降雨量9个评价因子(表3),权重计算结果见表4。

表4 熵权法计算权重结果

3.3.2.2 层次分析法计算

因子权重的配对比较矩阵见表5,AHP层次分析结果见表6。对应表4可知RI值为1.46,通过计算可以得到CR值为0.043,小于0.1。本次研究判断矩阵满足一致性检验,计算所得权重具有一致性。

表5 因子权重的配对比较矩阵

表6 AHP层次分析结果

3.3.2.3 组合确权

利用基于博弈论集结理论模型,计算熵权法和层次分析法的综合权重,见表7。

表7 各因子综合权重

3.3.3 评价结果

利用GIS平台下空间分析模块中的栅格计算工具,结合乾县地质灾害发育情况,采用自然间断法,确定地质灾害危险性分区阈值(表8),将地质灾害危险性分为极高、高、中、低4各区域。在此基础上,结合野外详细调查结果,概化出乾县地质灾害危险性评价图(图5)。

表8 乾县地质灾害危险性分区阈值

图5 乾县地质灾害危险性评价

3.4 易损性评价

通过搜集资料,结合表2中各类承灾体的赋值,利用GIS软件将居民建筑的用地类型、承灾体人员数量、交通道路图层叠加,通过自然间断法分为极高、高、中、低易损区,形成乾县地质灾害易损性评价图(图6)。

3.5 风险指数计算

利用GIS平台下空间分析模块中的栅格计算工具,利用通用风险评估模型计算各栅格的风险评价指数,通过计算,地质灾害风险指数分布于0.365 5～0.747 8区间内。

结合研究区地质灾害分布情况及实地调查结果,将风险评价指数小于0.5的栅格划为中风险,大于等于0.5的划为低风险,得出乾县地质灾害风险性评价图(图7)。由图7可以看出,研究区13处地质灾害点均分布于中风险区,风险评价结果和实际调查结果有较好的对应关系。

图7 乾县地质灾害风险分区

4 结论

1)提出了“两图-双预测”的地质灾害风险评价方法,“两图”分别指地质灾害危险性评价图、地质灾害易损性评价图,分别预测某区域在降雨、地震等诱发因素作用下,发生地质灾害的可能性以及承灾体可能遭受地质灾害破坏的严重程度。利用危险性指数和易损性指数计算地质灾害风险指数,实现区域的地质灾害风险区划。

2)以陕西省乾县为研究区,对“两图-双预测”方法进行验证,得到乾县地质灾害风险分区图,研究区13处地质灾害点均分布于地质灾害较高风险区,风险评价结果和实际调查结果吻合度高,区划结果可靠。