基于层次分析法和GIS技术的地质灾害易发性分析及应用

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  [摘要]地质灾害的发育已严重影响到社会经济发展和人民群众财产安全,本文以天水市秦州区关子镇为例,对其城镇及周边重点调查区之内发育的地质灾害进行详细调查和分析,利用层次分析法(AHP)结合GIS技术,进行重点调查区内地质灾害易发性分析和研究,分析结果表明,在已发育地质灾害区域和有利于地质灾害发生区域都属于地质灾害高易发区,准确的地质灾害易发性分析对下一步地质灾害的危险性分析、易损性分析和风险性区划十分重要,可提供细致可靠的数据基础,对后续城镇建设及土地利用规划意义重大。
  [关键词]地质灾害易发性 秦州区关子镇 层次分析法(AHP) GIS
  [中图分类号] P5 [文献码] B [文章编号] 1000-405X(2014)-3-252-3
  地质灾害易发性评价是分析评价一个地区在一定的地质环境条件和各类因素影响下,相对容易发生地质灾害的可能程度,并综合分析这些地质因素对地质灾害发生贡献的大小,最终确定地质灾害空间发生的倾向性和可能程度[1]。地质灾害易发性定性分析人为主观因素较强,随意性较大,而定量分析就是在定性分析基础上,简化地质环境影响因素,利用层次分析法(AHP)计算各影响因素权重,利用GIS技术对各影响因子按权重大小进行空间分析和叠加,进而得出更为合理的易发性区划结果,为制定土地利用规划以及灾害气象预警提供基础资料和依据。
  1工作区概况
  关子镇地处甘肃省天水市秦州区西北部,位于北纬34°33′至34°40′,东经105°13′至105°28′,距市区38公里,交通十分便利,属秦州区十镇之一,被列为“关中百镇”之一。此次研究区主要是关子镇城镇规划区及周边人口密度较大,人类工程活动密集区域作为重点调查区和研究区,调查区面积13.68km2。
  2地质灾害概况
  2.1地质灾害类型及特征
  (1)滑坡:关子镇重点调查区发育1处滑坡,滑坡类型为黄土—泥岩滑坡。滑面较平缓,滑速较慢,呈间歇性,遇暴雨及连阴雨复活。滑坡形态较完整,微地貌特征为“圈椅状”,滑坡有较明显的后壁,因多次活动而在滑坡体后缘形成多级台阶,滑体前缘剪出口明显。
  (2)崩塌:崩塌是黄土丘陵区和基岩山区常见的灾害类型[2],此次重点调查区内发育1处黄土崩塌,其破坏形式为倾倒式。
  (3)泥石流:本次调查区内共发育泥石流4条,临界降水点40mm/h,每12年左右发生一次较为严重的泥石流灾害[3],物质来源主要是沟谷中的滑坡、崩塌堆积物以及坡积物。
  2.2地质灾害影响因素
  (1)地形地貌:地形地貌是控制滑坡形成的决定性因素。相同构造、地层条件下,沟谷切割越深,坡度越陡,滑坡越是发育[4]。天水地区滑坡发育的优势坡高是150~300m,而优势坡度是10°~30°[5]。
  (2)地层岩性:分布于区内的黄土,新近系泥岩及第四纪松散堆积物构成了区内的易滑岩性组。黄土中垂直节理及构造节理发育,具强湿陷性,遇水易崩解,产生地裂缝,落水洞等,有利于雨水渗漏,致使其底部软化易形成滑面。新近系泥岩是黄土丘陵区分布最广的基底岩,泥岩粘粒含量高,具有较强的隔水性,干燥状态下,该岩组强度较高,而遇水后则呈可塑成软塑状,软化后强度急剧下滑,形成软弱面或软弱带[6],使上部黄土沿泥岩顶面产生裂隙发育,往往构成弱含水层,并使其上部或下部泥岩层软化形成滑动带,而且这种夹层越多,泥岩产生滑动带的部位也就越多。
  (3)地质构造:天水地区新构造运动强烈,区内广泛分布的风成黄土与下部岩层呈不整合接触,黄土与基岩接触面倾向与坡向一致时易形成滑坡[7]。
  (4)降雨:降水是区内现代滑坡的主要致灾动力。降水的作用主要表现在以下方面:一是增加边坡的自重并软化滑带土,从而破坏土体或岩体的抗剪强度;二是降雨的强度和时间,控制着滑坡的变形或复活 [8]。
  (5)水文地质:地下水活动也是形成滑坡的重要因素之一。在土质边坡或岩质边坡(含泥质岩层,如页岩、粘土岩等)受地下水浸润泡透后,泥质岩层即产生表层泥化,形成厚度很薄的粘粒层,使岩土体抗剪强度降低,容易形成软弱面。
  (6)植被:由于人类活动频繁,森林遭到了严重的破坏,岩石裸露,水土流失、生态环境受到破坏,雨季常有泥石流发生。
  (7)人类工程活动:区内人类经济工程活动引起的滑坡主要表现为是不合理的切削坡脚修路造田,造成滑坡、崩塌和不稳定斜坡的发育。
  (8)地震:秦州区处于南北与东西两大地震带交汇部位,历史上是高强度的大震多发区。而区域性滑坡危害主要发生在Ⅶ度及Ⅶ度以上区,Ⅶ度以下区个别地段会发生规模较小的滑坡[9]。据中国地震强度区划图,本次工作区地震烈度为Ⅷ度区,因而全区基本均处在地震滑坡危险区。
  3地质灾害易发性定量分析
  3.1分析理论及方法
  层次分析法按照各因子相互之间的内在支配关系,建立层次结构模型,通过因子的两两比较,建立判断矩阵,进行层析排序,确定各因子的相对重要性[12]。
  3.1.1评价指标判断矩阵的构建
  通过引入适当的判断标度将这些判断用数值的形式表示出来构成判断知阵。以便比较本层次各因素与某一因素之间的相对重要性。设B层次中的元素Bi,Bz,Bs,……从与上一层次A中的元素A有关系,则可以通过判断矩阵表示出来[13-17],如表1。
  表中bij表示对危险性综合评价而言Bi和Bj相对重要程度的数值表示。bij的取值是根据表2的T.Satty1-9标度含义来确定。
  3.1.2特征值与特征向量计算
  根据判断矩阵,利用线性代数知识,精确的求出T的最大特征根所对应的特征向量。所求特征向量即为各评价因素的重要性排序,经归一化后即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值。   3.1.3一致性检验
  为避免其他因素对判断矩阵的干扰,在实际应用中要求判断矩阵满足大体上的一致性,需进行一致性检验。只有通过检验,才能说明判断矩阵在逻辑上是合理的,才能继续对结果进行分析。对判断矩阵进行一致性检验,计算公式:
  CR=CI/RI (1)
  式中,CR(consistency ratio)为一致性比例。当CR<0.10时,认为判断矩阵的一致性是可以接受的,否则应对判断矩阵作适当修正。CI(consistency index)为一致性指标,按下式计算:
  CI=(λmax -n)/(n -1) (2)
  式中:max-判断矩阵的最大特征根;
  n-成对比较因子的个数;
  RI(random index)-随机一致性指标,可查表确定,如表3所示。
  当CR<0.1时,就认为判断矩阵具有满意的一致性,否则就需要重新调整,直到具有满意的一致性为止。
  3.1.4评价因子的选取及权重分析
  滑坡、崩塌影响因子选取及权重分析。根据滑坡、崩塌形成条件分析及野外实地调查,把地层岩性、斜坡结构类型、坡度、坡高和斜坡变形破坏特征等5项因子作为崩滑灾害发生的主要影响因素[18]。
  3.2影响因子权重值计算
  第一步:根据表5中列出得滑坡易发程度影响因素,结合调查区实际地质灾害发育情况,滑坡易发程度中的影响作用由大到小依次为:地层岩性>坡度(°)>斜坡变形破坏特征>斜坡结构类型>坡高(m),按照影响因素序号构建判断矩阵(表4)。
  第二步:利用MATLAB矩阵计算得出上述判断举证的最大特征值λmax=5.28,进而计算得出CI(一致性指标)=0.07;
  第三步:对判断矩阵进行一致性检验。根据表3可知5阶判断矩阵的随机一致性指标RI=1.12,利用公式(1)可得出CR=0.0625<0.1(通过一致性检验);
  第四步:在判断举证通过一致性检验之后,利用MATLAB矩阵计算工具得出各影响因子权重值(表5)。
  泥石流影响因子选取及权重分析。泥石流影响因子的选取可参照泥石流易发程度的15项影响因素,权重分析可参考滑坡崩塌分析过程。
  3.3评价因子的空间分析
  (1)地层岩性:分布于区内的黄土,新近系泥岩及第四纪松散堆积物构成了区内的易滑岩性组(图1)。
  (2)坡度及坡度变率:区内滑坡、崩塌灾害主要分布于10°~40°之间的斜坡,5°以下斜坡基本不发生地质灾害,因此评价将60°以上斜坡的易发程度定义为1,5°以下易发程度定义为0,将坡度数据进行0~1之间的线性归一化,得到坡度归一化结果图(图2)。
  (3)坡高及变化率:利用工作区1:1万DEM数据提取坡高数据。根据野外实地调查分析,在坡高相对较大区域容易发生崩滑地质灾害(图3)。
  (4)斜坡结构:斜坡结构作为影响地质灾害易发的关键因子,结合实际调查,对斜坡单元按顺向层状、斜向层状、逆向层状、横向层状等进行量化分区(图4)。
  (5)斜坡变形:斜坡变形特征利用坡度变率和坡向变率进行综合表达。坡度变率是地面坡度在微分空间的变化率,一定程度上反映很好的反映了剖面曲率信息;坡向变率可以很好的反映等高线、坡型的弯曲程度(图5、6)。
  根据各影响因子的分级标准及权重大小,定量计算得到各类地质灾害易发程度大小。评判出每个斜坡区、滑坡区、泥石流堆积区等评价单元的地质灾害易发程度,并将其划分为:A级—地质灾害高易发区;B级—地质灾害中易发区;C级—地质灾害低易发区;D级—地质灾害不易发区。
  按照评价模型,应用空间分析模块下的叠加分析进行计算,并对计算结果做分级处理,这里将评价结果分四级,分别为高易发区、中易发区、低易发区和不易发区,如图7所示(ARCGIS评价因子合成图)。
  4地质灾害易发性综合区划
  在定量计算分级分区的基础上,综合考虑各种因素,以“区内相似、区间相异”为原则,同时尽量考虑小流域的完整性,修改完善后最终形成关子镇地质灾害易发性区划成果图8。
  经统计分析得到如下结果:
  地质灾害高易发区(I)总面积1.7km2,占全区面积的12%,分布滑坡1个、崩塌1个、泥石流4个;
  地质灾害中易发区(II)总面积4.6km2,占全区面积的34%,无地质灾害点发育,但主要为斜坡坡度较大,坡高较高,植被覆盖率较低区域,主要分布于籍河两岸第一斜坡带;
  地质灾害低易发区(III)总面积3.91 km2,占全区面积的28%,无地质灾害点发育。坡度较小或黄土梁峁等地势平坦区域,人类工程活动相对较少;
  地质灾害不易发区(IV)总面积3.47 km2,占全区面积的26%。主要分布于籍河河道及两岸川地区域,地质灾害不发育。
  5结束语
  在大量统计数据基础上,以层次分析法(AHP)理论和GIS技术为手段,进行地质灾害易发性的定量分析,结合定性分析结果,进行地质灾害易发性综合分析和编制区划成果图件,使得地质灾害易发性分区更为合理和细致,为后续的地质灾害危险性、地质灾害易损性和地质灾害风险性提供可靠的数据支持。
  基金项目:甘肃省国土资源厅地质灾害详细调查项目(项目编号:201262050202)
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