地質(zhì)災害區(qū)劃與分區(qū)評價

1、第五章 地質(zhì)災害區(qū)劃與分區(qū)評價第一節(jié) 地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)劃分及分區(qū)評價一、評價思路與方法地質(zhì)災害發(fā)育現(xiàn)狀是其易發(fā)性的客觀反映，要想準確的進行地質(zhì)災害易發(fā)性分區(qū)，必須依賴遙感解譯和野外實際調(diào)查工作，本著這一思路，此次調(diào)查十分重視對基礎(chǔ)地質(zhì)元素的搜集與分析，野外工作結(jié)束時已形成本區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性基本輪廓，即初步的定性分區(qū)結(jié)果；同時考慮到地質(zhì)環(huán)境條件的復雜性，通過對影響地質(zhì)災害發(fā)育的諸多因素分析，采用半定量方法進行分區(qū)計算，作為對定性評價的補充，最后綜合兩種結(jié)果，形成本區(qū)地質(zhì)災害的易發(fā)性分區(qū)圖。由于地質(zhì)災害易發(fā)性的評價結(jié)果受到多種因素的影響，而這些因素本身存在著不確定性、模糊性以及各因素之間相互作用的復

2、雜性；如何將復雜的地質(zhì)因素盡可能的定量化，使分析和評價結(jié)果最大限度的符合客觀實際情況，是地質(zhì)工作者廣為探討的問題。層次分析法（簡稱AHP）是一種定性和定量相結(jié)合的系統(tǒng)化、層次化的分析方法，它不僅適用于存在不確定性和主觀信息的情況，還允許以合乎邏輯的方式運用經(jīng)驗、洞察力和直覺。由于它在處理復雜的決策問題上的實用性和有效性，因此在各學科模糊綜合評判中得以廣泛應用。地理信息系統(tǒng)在最近的30多年內(nèi)得到了驚人的發(fā)展，廣泛應用于資源調(diào)查、環(huán)境評估、災害預測等眾多領(lǐng)域，借助GIS系統(tǒng)可以完成制圖、數(shù)字地形分析、空間決策支持、空間分析統(tǒng)計等任務，在GIS平臺上進行易發(fā)性區(qū)劃可以在一定程度上避免傳統(tǒng)區(qū)劃工作量大

3、、工作強度大、工作精度不高以及主觀影響大的不足。本次工作擬采用基于層次分析法和GIS空間分析統(tǒng)計方法相結(jié)合的工作方法對區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害易發(fā)性進行評價和區(qū)劃，主要技術(shù)路線和方法如下：1、確定評價單元和評價因子，利用層次分析法確定各因子和各要素的權(quán)值。2、對各評價因子指標進行量化，并采用歸一化數(shù)值變換方法統(tǒng)一量綱。3、在評價指標權(quán)值確定和數(shù)據(jù)歸一化的基礎(chǔ)上，利用GIS系統(tǒng)的空間分析功能進行數(shù)據(jù)的空間疊加與統(tǒng)計。4、經(jīng)統(tǒng)計分析確定易發(fā)性區(qū)劃的分界點，將評價結(jié)果分成不同等級。5、在GIS分析成圖的基礎(chǔ)上綜合考慮各種因素，進行修改完善，最終編制工作區(qū)地質(zhì)災害易發(fā)性區(qū)劃圖。二、理論與方法層次分析法是美國運籌學

4、家T.L. Saaty于20世紀70年代中期提出的一種定性與定量相結(jié)合的多準則決策的系統(tǒng)分析方法，其基本原理是把復雜系統(tǒng)分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進行定性和定量分析的決策。它把人的決策思維過程層次化、數(shù)量化、模型化，并用數(shù)學手段為分析、決策提供定量的依據(jù)，是一種對非定量事件進行定量分析的有效方法，特別是在目標因素結(jié)構(gòu)復雜且缺少必要的數(shù)據(jù)情況下，需要將決策者的經(jīng)驗判斷定量化時該法非常實用。該方法適用于多準則、多目標或無結(jié)構(gòu)特征的復雜問題的決策分析，它按照各因子相互之間的內(nèi)在支配關(guān)系，建立層次結(jié)構(gòu)模型，通過因子的兩兩比較，建立判斷矩陣，進行層析排序，確定各因子的相對重要性。（一）層次

5、分析法的主要步驟運用層次分析法建模，大體上可按下面4個步驟進行： 1、建立層次結(jié)構(gòu)模型：綜合分統(tǒng)所析系涉及的目標、范圍、準則，約束條件，確定綜合評價體系中各因索之間的關(guān)系，并根據(jù)指標的隸屬關(guān)系進行上下分層排列，形成危險性綜合評價體系層次結(jié)構(gòu)。2、將問題中的各個要素劃分為不同的層次結(jié)構(gòu),以框架結(jié)構(gòu)說明各層次之間的從屬關(guān)系。3、構(gòu)造判斷矩陣：層次分析法的基礎(chǔ)主要靠對各層次兩兩元素相互重要程度差異給出判斷，并將這些判斷用數(shù)值表示出來，形成判斷矩陣，即兩兩比較矩陣。該矩陣是層次分析法的出發(fā)點，也是整個權(quán)值確定過程中的關(guān)鍵。在構(gòu)造判斷矩陣的過程中，可以通過向?qū)＜野l(fā)放問卷進行因子間的相對重要程度打分,并用

6、矩陣表示打分結(jié)果;4、檢驗層次分析結(jié)果如有誤差,需對判斷矩陣的元素取值通過專家意見進行調(diào)整,從新運算。（二）評價指標判斷矩陣的構(gòu)建信息是系統(tǒng)分析最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)。任何系統(tǒng)分析都要掌握一定的信息才能進行。層次分析法也需要有相應的信息作為分析的基礎(chǔ)，其信息主要來源于人們對不同層次中各個因素之間的相對重要性所做出的判斷。通過引入適當?shù)呐袛鄻硕葘⑦@些判斷用數(shù)值的形式表示出來構(gòu)成判斷知陣。以便比較本層次各因素與某一因素之間的相對重要性。設(shè)B層次中的元素Bi,Bz,Bs,.從與上一層次A中的元素A有關(guān)系，則可以通過判斷知陣表示出來，如表5-1-1所示。表5-1-1 判斷矩陣示意表AB1B2B3BnB1b11b

7、12b13b1nB2b21b22b23b2nBnbn1Bn2Bn3bnn表中bij表示對危險性綜合評價而言Bi和Bj相對重要程度的數(shù)值表示。bij的取值是根據(jù)表5-1-2的T.Satty 1-9標度含義來確定。表5-1-2 判斷矩陣元需Aij的1-9度標度法標度含 義1兩個因子相比較，兩者同樣重要3兩個因子相比較，其中一個比另一個稍微重要5兩個因子相比較，其中一個相對另一個來說比較重要7兩個因子相比較，其中一個相對另一個來說非常重要9兩個因襲相比較，其中一個相對另一個來說極其重要2,4,6,8介于上面兩個相鄰判斷值的中間倒數(shù)若i與j相比較的判斷值為bij,則j與i比較的判斷值為1/bij（三）

8、特征值與特征向量計算根據(jù)判斷矩陣，利用線性代數(shù)知識，精確的求出T的最大特征根所對應的特征向量。所求特征向量即為各評價因素的重要性排序，經(jīng)歸一化后即為同一層次相應因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權(quán)值。本次評價采用和積法進行求解，具體步驟如下：1、將判斷矩陣每一列歸一化：2、每一列經(jīng)正規(guī)化的判斷矩陣按行相加：3、對向量做正規(guī)化處理，依次所得到的即為所求特征向量。4、計算判斷矩陣的最大特征根max，式中：（TA）i表示向量TA的第i個元素。（四）一致性檢驗為避免其他因素對判斷矩陣的干擾，在實際應用中要求判斷矩陣滿足大體上的一致性，需進行一致性檢驗。只有通過檢驗，才能說明判斷矩陣在邏輯上是合理的

9、，才能繼續(xù)對結(jié)果進行分析。對判斷矩陣進行一致性檢驗，計算公式：CR=CI/RI （1）式中，CR(consistency ratio)為一致性比例。當CR<0.10時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對判斷矩陣作適當修正。CI(consistency index)為一致性指標，按下式計算：CI=(max -n)/(n -1) （2）式中：max判斷矩陣的最大特征根；n成對比較因子的個數(shù)；RI(random index)隨機一致性指標，可查表確定，如表5-1-3所示。表5-1-3 平均隨機一致性指數(shù)I階數(shù)123456789RI000.580.91.121.241.321.411.4

10、5當R0.1時，就認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要重新調(diào)整，直到具有滿意的一致性為止。三、評價因子選取及敏感性分析影響地質(zhì)災害形成的自然因素眾多,歷史地震地質(zhì)災害發(fā)生的數(shù)量、分布范圍、活動規(guī)模都直接反映了地層巖性、地形地貌、現(xiàn)存新老滑坡以及有關(guān)地震動力環(huán)境對地震誘發(fā)地質(zhì)災害的控制作用;此外,土地利用、地下水、植物條件等因素也對震后地質(zhì)災害形成起到一定程度的影響。本文采用統(tǒng)計學方法，對研究區(qū)山地災害點與各因子的每個屬性進行相對頻率組合的定量計算方法，綜合天水市秦州區(qū)震后地質(zhì)災害發(fā)育情況，本次危險性區(qū)劃分析中選用了10個影響因子，主要包括：地質(zhì)構(gòu)造、地形坡度、海拔高程及水系發(fā)育情況等。（一

11、）地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造因素對地質(zhì)災害點的發(fā)育控制作用十分明顯，在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造比較復雜，褶皺比較強烈，新構(gòu)造運動比較活動的地區(qū)，地質(zhì)災害比較發(fā)育。其影響主要表現(xiàn)在：地質(zhì)構(gòu)造決定了地貌形態(tài)的分布，對地質(zhì)災害發(fā)育的臨空條件起到間接的控制作用；地質(zhì)構(gòu)造帶巖石破碎、風化嚴重，使得邊坡的連續(xù)性和完整性受到破壞，是地下水最豐富和活動的地區(qū)，降低了巖體的抗剪強度；在構(gòu)造應力作用下，巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙發(fā)育，為崩塌發(fā)育提供了條件；活動斷層造成地表破裂，巖層結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，非活動斷層作為地震波的反射界面，可能導致巖體的拉力破壞；斷裂構(gòu)造控制著水系的發(fā)育和人類工程活動的分布，對地質(zhì)災害的威脅對象起到間接的控制作用研究中，通過

12、GIS軟件緩沖區(qū)分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，對研究區(qū)內(nèi)災害點與斷裂距離分布關(guān)系做了統(tǒng)計：首先，對研究區(qū)內(nèi)的斷裂做距離緩沖處理，分別得到0-500，500-1000，1000-2000及大于2000米四個緩沖區(qū)；然后利用GIS統(tǒng)計功能，對每個緩沖區(qū)內(nèi)的災害數(shù)量、緩沖區(qū)面積進行統(tǒng)計，計算每個緩沖區(qū)內(nèi)災害點密度。詳細數(shù)據(jù)如表5-1-4所示，災害點與斷裂的分布關(guān)系和敏感性關(guān)系，如圖5-1-1所示。表5-1-4 研究區(qū)地質(zhì)災害點與斷裂距離統(tǒng)計關(guān)系斷裂緩沖距離(m)<500500-10001000-2000>2000緩沖區(qū)面積(km2)291.83 248.35528.141285.43面積百分比(%

13、)12.40 10.55 22.44 54.61 災害點數(shù)量342842 100災害點密度(個/km2)0.12 0.11 0.08 0.08 圖5-1-1 斷裂構(gòu)造與地質(zhì)災害分布關(guān)系圖（二）地質(zhì)災害頻率對天水市秦州區(qū)按1km*1km網(wǎng)格進行離散，形成2534個空間離散網(wǎng)格，依據(jù)災害點在網(wǎng)格上的分布，進行基于GIS的統(tǒng)計。該計算包括單元面積上災害發(fā)生的頻率及地質(zhì)災害面積模數(shù)比。地質(zhì)災害頻率比：設(shè)第(i,j)單元內(nèi)災害頻率為f(i,j)，單元面積為S(i,j)，單元內(nèi)災害的頻率密度為f(i,j)，整個研究區(qū)面積為S，災害總數(shù)為f，總頻率密度為f，則：第(i,j)單元格災害頻率比為： Rf(i,j

14、)=f(i,j)/f其中，f(i,j)=f(i,j)/S(i,j) ；f=f/S。地質(zhì)災害面積模數(shù)比：設(shè)第(i,j)單元內(nèi)災害體分布面積為Ss(i,j)，單元面積為S(i,j)，單元內(nèi)災害的面積模數(shù)為s(i,j)，整個研究區(qū)面積為S，災害點總面積為s，總面積模數(shù)為s，則：第(i,j)單元格災害面積模數(shù)為：RS(i,j)=s(i,j)/s其中，s(i,j)=s(i,j)/S(i,j) ； s=s/S。經(jīng)計算可得，單個像元上最大出現(xiàn)地質(zhì)災害的頻率為8。對空間災害點的頻率分布進行歸一，可形成圖5-1-2災害發(fā)生頻率歸一化分布圖及5-1-3地質(zhì)災害面積模數(shù)比歸一化圖。 圖5-1-2 地質(zhì)災害頻率比歸一

15、化圖圖5-1-3地質(zhì)災害面積模數(shù)比歸一化圖（三）坡度及坡度變率利用工作區(qū)1：5萬DEM數(shù)據(jù)提取坡度數(shù)據(jù)。根據(jù)前文中的分析，由于工作區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌災害主要分布于10°60°之間的斜坡，10°以下斜坡基本不發(fā)生滑坡、崩塌等災害，因此本次評價將60°以上斜坡的易發(fā)程度定義為1，10°以下易發(fā)程度定義為0，將坡度數(shù)據(jù)進行01之間的線性歸一化，得到坡度歸一化結(jié)果圖。坡度變化率是對地形基本因子坡度變化情況進行量化的指標，由于斜坡拉張應力區(qū)的分布與斜坡坡度呈正相關(guān)聯(lián)系，因此隨著斜坡坡度變化率增大的斜坡坡腳地帶形成的最大剪應力也不斷增大，斜坡也就愈容易產(chǎn)生變形

16、破壞。本次通過DEM對全區(qū)坡度變化率數(shù)據(jù)進行提取，然后進行01之間歸一化處理之后參與評價。圖5-1-4 坡度歸一化圖圖5-1-5 坡度變率歸一化（四）坡向及坡形變率坡形可以利用地表的曲率進行描述和量化，直線形和凸型斜坡在曲率上的體現(xiàn)是曲率0，凹型坡和階梯型坡的曲率0，因此，可利用ArcGIS平臺從DEM數(shù)據(jù)中提取調(diào)查區(qū)地表曲率信息，(平面曲率 I、 激活坡向數(shù)據(jù)。 II、從【Surface】菜單中選擇【Derive Slope】命令。 III、生成平面曲率層面Slope of Aspect然后進行斜坡坡形的歸一化。由于滑坡和崩塌主要發(fā)育在直線型斜坡和凸型斜坡上，因此，當曲率0時，坡面為凹型或階

17、梯型，易發(fā)程度最低；當曲率0時，坡面為直線型和凸型，易發(fā)程度較高，按照曲率的大小進行01之間的線性歸一化，得到斜坡坡形指標歸一化結(jié)果（圖5-1-6，5-1-7）。圖5-1-6 坡向歸一化圖 圖5-1-7坡形曲率歸一化圖 （五）海拔高程海拔高程對地質(zhì)災害的控制作用主要表現(xiàn)在，一方面，海拔高程影響了地下水的分布，特別是潛水層的分布，松散巖土體構(gòu)成的斜坡體內(nèi)的地下水多為潛水，高程越高，潛水分布越少，對斜坡的影響越小。另一方面，海拔高程對人類活動范圍起控制作用，人類大多居住在海拔較低的河流沿岸，也多在海拔較低的地方進行生產(chǎn)活動，如開墾耕地。這些因素影響著地質(zhì)災害的發(fā)育。因此，海拔高程也是地質(zhì)災害危險性

18、評價考慮的因素之一。利用DEM的高程信息進行求解，最后進行柵格化和歸一化處理（圖5-1-8）。圖5-1-8 海拔高程與災害點關(guān)系（六）溝壑密度前已述及，溝壑密度是地形發(fā)育階段和地表抗蝕能力的重要特征值，對地質(zhì)災害的發(fā)育有重要的影響作用。本次工作主要利用ARCGIS平臺中的Hydrology工具集，基于工作區(qū)1：5萬柵格DEM提取各流域單元的溝壑密度（圖5-1-9），主要步驟如下：1、對工作區(qū)dem數(shù)據(jù)進行洼地填平。2、利用GIS水文分析，得到提取區(qū)域的水流方向矩陣、水流累計矩陣。3、給定不同集水閥值，將水流方向累計矩陣中高于此閥值的格網(wǎng)連接起來得到矢量的溝壑網(wǎng)絡(luò)。4、對上一步提取的不同集水閥值

19、下的溝谷網(wǎng)絡(luò)依據(jù)與實際形態(tài)的擬合程度進行對比分析，確定提取水文網(wǎng)和溝壑流域網(wǎng)絡(luò)最終的集水閥值。5、利用上一步確定的集水閥值分別提取水文網(wǎng)和流域溝壑網(wǎng)絡(luò)，并計算各流域的溝谷總長度和面積。6、依據(jù)得到的溝壑總長度和面積求得各流域的溝壑密度值。7、將各流域的溝壑密度進行歸一化處理并轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)參與評價。圖5-1-9 溝壑密度圖（七） 植被指數(shù)通過天水市秦州區(qū)1999年8月ETM+遙感數(shù)據(jù)，選擇近紅外波段4和可見光紅波段3，進行計算求取植被指數(shù)NDVI，之后將計算結(jié)果進行歸一化處理參與評價（圖5-1-10）。圖5-1-10植被指數(shù)圖（NDVI）（八） 水系發(fā)育水系是誘發(fā)因子中對地質(zhì)災害影響較大的一個

20、因素，基于DEM提取區(qū)內(nèi)水系發(fā)育情況，參與易發(fā)性評價，500m緩沖區(qū)內(nèi)，近30%災害點落入?yún)^(qū)內(nèi)， 如緩沖區(qū)達到1000m，則災害點個數(shù)達到120余個，占60%以上。（圖5-1-11）。圖5-1-11 水系發(fā)育與災害點關(guān)系圖（九）人類工程活動人類工程活動對地質(zhì)環(huán)境的影響是極為復雜的，區(qū)內(nèi)對地質(zhì)環(huán)境改造較為強烈的人類活動即為公路、鐵路等線狀工程的修建，本次評價將工作區(qū)內(nèi)的公路（包括國道、省道及縣主要干道）、鐵路做為基準線，間隔500m做緩沖區(qū)分析，分別向兩邊做三個緩沖區(qū)，再經(jīng)柵格化和歸一化處理后參與評價（圖5-1-13）。圖5-1-13人類活動歸一化圖四、因子權(quán)重確定（一）建立易發(fā)性評價層次結(jié)構(gòu)地

21、質(zhì)災害易發(fā)區(qū)系指容易產(chǎn)生地質(zhì)災害的區(qū)域，因此在選取評判因子時要依據(jù)工作區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)育的特點來選取，所選取的評判因子，應能全面反映區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害的發(fā)育特點和孕災條件。本次評價以地質(zhì)災害易發(fā)性做為目標層，選擇了發(fā)育因子、基礎(chǔ)因子和誘發(fā)因子構(gòu)成準則層即二級評判因子，并選取了對地質(zhì)災害易發(fā)性影響較為明顯的13個因子構(gòu)成。對地質(zhì)災害易發(fā)性評價指標體系進行分析，確定評價體系的層次結(jié)構(gòu)，如圖5-1-14所示：圖5-1-14評價體系結(jié)構(gòu)圖（二）構(gòu)造判斷矩陣1、在層次結(jié)構(gòu)中，對于從屬于（或影響）上一層的每個因素的同一層諸因素進行兩兩比較，比較其對于準則的重要程度，并按事前規(guī)定的標度定量化，構(gòu)成矩陣形式，即判斷矩

22、陣。判斷矩陣中各元素的數(shù)值由多名經(jīng)驗豐富的專家集中群體智慧對各因素的相對重要性進行評估打分確定。2、根據(jù)層次分析法的基本原理，用10個指標建立起判斷矩陣，將各個指標間的相對重要程度表示出來。其中10個指標為地質(zhì)構(gòu)造（B1）；地質(zhì)災害頻率(B2)；坡度及坡度變率(B3)；坡向及坡形變率(B4)；海拔高程(B5)；溝壑密度(B6)；植被指數(shù)(B7)；降雨量(B8)；地震(B9)；人類工程活動(B10)。通過向?qū)＜易稍?，進行指標因子間相互重要性進行打分，并結(jié)合研究區(qū)的敏感性評價分析結(jié)果，最終構(gòu)建判斷矩陣如表所示：表5-1-5 判斷矩陣標度層次單排序結(jié)果一覽表指標項B1B2B3B4B5B6B7B8B9

23、B10WiB1121/31/21/21/31/21/3230.1167B21/211/21/2231/21/21/320.1236B332112311230.0511B422112312250.0471B521/21/21/21211/21/230.0964B631/31/31/31/211/21/31/220.1396B722111212230.0554B83211/2231/21220.0611B91/231/21/2221/21/2130.0900B101/321/31/51/31/21/31/21/310.2190注：B1地質(zhì)構(gòu)造；B2地質(zhì)災害頻率；B3坡度及坡度變率；B4坡向及坡形變率；B5海拔高程；B6溝壑密度；B7植被指數(shù)；B8降雨量；B9地震；B10人類工程活動。3、求特征根通過計算可得特征向量，歸一化處理后即權(quán)重數(shù)W及最大特征根為：W=0.1167，0.1236，0.0511，0.0471，0.0964，0.1396，0.0554，0.0611，0.0900，0.2190T ，max=11.21144、一