基于层次分析法与Arcgis的榆阳区地质灾害易发性与危险性分区评价

高帅，姬怡微，何意平，李成，宁建民，卞惠瑛

（陕西省地质环境监测总站，西安 710054）

榆阳区地质环境脆弱，人类工程活动强烈，截止2014年9月，全区共发现地质灾害点103处，隐患点52处，威胁156户969人，796间房（窑），公路2 130 m，潜在经济损失1 666万元。为便于当地政府进行地质灾害防治工作，急需对地质灾害的易发区和危险区进行划分。

地质灾害易发区的划定一直处于探索和改进过程中，划定的结果受到多种因素的影响，而且这些因素存在着不确定性、模糊性及各因素之间相互作用的复杂性［1]。层次分析法［2－6]原理简单，有数学依据，是将复杂的地质灾害问题层次化，根据问题和要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照各因素间的相互关联以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。本文在基于榆阳区地质环境条件和地质灾害野外调查的基础上，选用层次分析法和Arcgis空间分析法对榆阳区进行了地质灾害易发区进行划定。并在易发区划分的基础上，进行地质灾害危险区划分，取得了较好的效果。

1 地质灾害发育特征

榆阳区地处毛乌素沙漠东南缘与陕北黄土高原北缘交接地带，以长城为界，西北部为风沙草滩区，地势开阔平坦，不具备发生滑坡、崩塌等地质灾害的地貌条件；东南部为黄土丘陵沟壑区，梁峁起伏，沟壑纵横，人类居住密集，有大量的居民削坡建房，坡脚开挖修建公路和矿业活动，破坏了原有斜坡的应力平衡，在降雨等因素的作用下，极易发生地质灾害，且灾害产生的危害也比较严重；中部地区煤矿开采，形成了大面积的采空区和地面塌陷区，给矿区及周边居民生产生活环境带来了较大影响；榆溪河在中部贯穿南北，在鱼河镇汇入无定河，形成较宽河谷阶地，河谷切割不强烈，发生地质灾害的可能性小，榆溪河和无定河支流河道，水流切割较深，发生地质灾害的几率相对较大。截止2014年9月，全区共有灾害点103处，其中滑坡40处、崩塌46处、地面塌陷17处。

2 易发区分区评价

2.1 评价方法

在进行榆阳区地质灾害易发区分区时，依据灾害的发育特点，以地质灾害易发性作为目标层，灾点特征、形成条件和诱发条件构成二级评价因子、进而选取对榆阳区地质灾害易发性影响明显9种因素作为三级评价因子，层次结构见图1。采用专家打分和Matlab软件确定各因子的评价权重，在此基础上，利用Arcgis空间分析软件，将三级评价因子进行量化和归一化处理，利用栅格运算功能，将各评价因子按照层次分析法所确定的权重进行叠加计算，得到地质灾害易发性定量计算成果栅格图件，选取合适的分区界线值，将全区划分为高易发、中易发、低易发和非易发区。

2.2 评价因子权重的确立

2.2.1 选取评价因子

结合榆阳区地质环境条件、地质灾害成因及分布特征，灾点特征选取灾害点密度作为评价因子，形成条件选取了斜坡坡高、坡度、坡形、地层岩性、河流水系，诱发因子选取了降雨量、修筑公路、煤矿开采3项指标，共9项评价指标。

图1 榆阳区地质灾害易发区评价层次结构图

2.2.2 构造判断矩阵

邀请多位行业内经验丰富的专家分别对各评价因子相互间重要程度进行评估打分，最后综合多位专家的意见并结合野外调查成果，给定榆林市榆阳区评价指标因子判断矩阵。见表1。

表1 因子不一致程度判断矩阵

2.2.3 确定各因子权重

用Matlab数值分析软件求得判断矩阵的最大特征根λmax为9.565 154，按照公式（1）计算一致性指标CI＝0.070 6，平均随机一致性指标RI查表为1.49，按照公式（2）计算随机一致性比率CR＝0.048 4＜0.1，表明矩阵中因子的不一致程度在允许范围之内。按照公式（3）计算灾害点密度、斜坡坡高、斜坡坡度、斜坡坡形、地层岩性、河流水系、降雨量、修筑公路、煤矿开采9项指标的权重系数，见评价因子的权重系数见表2。

表2 各评价因子的权重系数

2.3 单因子评价量化

根据榆阳区1∶50 000地形图数据，利用Arcgis空间分析软件建立榆阳区原始地形DEM栅格图形，栅格大小10 m×10 m，见图2。在同一栅格单元进行评价因子的提取和计算，实现归一化处理，最终进行同栅格单元的叠加分析。

图2 榆阳区原始DEM图

2.3.1 坡高指标量化及归一化处理

坡高对地质灾害的易发性影响较大，斜坡越高，发生崩塌、滑坡的可能性越大。采用水文分析模块制作河流水系网，提取分水岭面与反向分水岭面，在此基础上，提取山脊线和山谷线，最终利用栅格计算器求解全区坡高指标，并根据公式（4）进行归一化处理，结果见图3。

2.3.2 坡度指标量化及归一化处理

基于榆阳区原始DEM图形，直接提取斜坡坡度，榆阳区现有的崩塌、滑坡发生的坡度范围为30°～90°，小于30°没有灾点，灾害点的数量是随着坡度增加而增多。因此，做归一化处理时，当坡度小于30°时，指标取0.1，其余各坡度指标进行内插。按照上述方法，对坡度指标进行归一化处理，结果见图4。

2.3.3 坡形指标量化及归一化处理

图3 坡高归一化图

图4 坡度归一化图

坡形指标可以通过斜坡曲率进行表达和量化，基于榆阳区原始DEM图形，直接提取斜坡曲率。对于坡面曲率来说，小于0时，发生地质灾害可能性小，曲率大于0时，发生地质灾害可能性大，且曲率越大，斜坡坡体越不稳定。因此，对坡形指标的无量纲化可采用凹折线形无量纲化进行归一化处理，归一化结果见图5。

2.3.4 地层岩性指标量化及归一化处理

2.3.5 河流水系指标量化及归一化处理

图5 全区坡形归一化图

图6 地层岩性指标归一化图

图7 河流水系归一化图

图8 降雨量归一化图

榆阳区水系较发育，在易发性分区中，重点考虑榆溪河及各级支流、海流兔河、硬地梁河、红柳沟和东清水河及各级支流。将河流两岸1 k m内的范围作为缓冲区，缓冲区内指标根据河流所处区域不同，赋予不同的权值，当处于沙漠区，赋值0.5，处于灾害发育的黄土区时，赋值5，其间内插，缓冲区外取0值。并采用直线型阙值法进行归一化处理，处理结果见图7。

2.3.6 降雨量指标量化及归一化处理

根据榆阳区的多年平均降雨等值线图，在arcgis空间分析模块中利用样条函数分析法进行插值分析研究，并采用直线型阙值法进行栅格归一化，见公式（4），归一化之后指标分布见图8。

2.3.7 修筑公路指标量化及归一化

在现有103处地质灾害点中，因修路切坡形成的地质灾害点有19处，因此，选用公路网线密度作为地质灾害易发性评价因子，榆阳区西北边没有发生地质灾害的条件，在分析时将该区路网权值赋0值，榆商高速、榆佳高速所在区域，地面宽阔，发生地质灾害可能性较小，不列入指标量化对象，只将通村公路作为地质灾害易发程度影响因子，并采用直线型阙值法进行栅格归一化，见公式（4），归一化之后指标分布见图9。

2.3.8 煤矿开采指标量化及归一化

榆阳区赋存有丰富的优质煤炭资源，常年的开采形成了大面积的采空区，进而造成了大面积的地面塌陷区和地下水渗漏现象［7－9]，现有103处地质灾害点中，采空区地面塌陷多达16处，在分析煤矿开采对地质灾害易发区的影响时，结合煤矿开采方式，对不同区域、不同开采方式的煤矿塌陷影响指标进行了分类赋值，见表3，最终确定了煤矿采空塌陷指标分布，见图10。

2) 2017年8月21日15时，系统中W136号仪表连续出现传感器/变送器通信失败，变送器初始化，驱动超出量程，驱动增益低等4个关键报警信息。经排查为核心处理器故障，成功避免交接双方出现计量纠纷。

图9 路网密度归一化图

图10 煤矿开采强度归一化

表3 各采煤方式分类赋值统计表

2.3.9 地质灾害点密度指标量化及归一化

地质灾害点密度是指单位面积内地质灾害点的数量，代表该区域内地质灾害发育程度［10]。依据本次调查和核查的滑坡、崩塌、地面塌陷的数量，计算单元格内灾害点的密度。灾害点密度越高说明此区域发生灾害概率越高，所以灾害点密度是地质灾害易发性的正向指标，根据这一原理采用直线型阙值法进行栅格归一化，见公式（4），归一化之后指标分布见图11。

2.4 易发程度分区

图11 地质灾害点密度归一化

利用栅格计算工具，按照公式（5）将各评价因子栅格归一化单元与按照层次分析法所确定的权重进行加权叠加计算，构成榆阳区地质灾害易发性指数栅格图。最后，采用GIS空间分析中的栅格重分类工具，按自然间距分类方法将地质灾害易发性结果图分为高易发区、中易发区、低易发区和非易发区4类。见图12。

式中，SI为综合易发性指数，Wi为影响因子权重，具体取值见表3；IFi为影响因子归一化值。

高易发区：分布在东南部黄土丘陵沟壑区的主要沟谷两岸、东北部的煤矿采空区以及城区榆溪河、榆阳河两岸。区内地质环境脆弱，人类工程活动强烈，地质灾害发育，总面积259.73 k m2，占全区面积的3.68%。发育有地质灾害点67处，占灾点总数的65.05%，其中滑坡35处，崩塌28处，地面塌陷4处，灾点密度0.26处／k m2。

中易发区：主要分布在东南部黄土梁峁中上部及中北部的煤矿开采区，区内地质灾害环境较差，人类工程活动强度大，地质灾害点较发育。总面积1 761.91 k m2，占全区总面积的24.98%。发育地质灾害点32处，占灾害点总数的31.07%，其中滑坡5处，崩塌16处，地面塌陷11处。灾点密度0.018处／k m2。

低易发区：主要分布在东南部黄土梁峁沟壑区的梁峁顶部或沟谷的分水岭处，地质环境相对较好，梁峁顶部较平缓，退耕还林后，植被覆盖率逐年增加，并且人类工程活动强度低，地质灾害很少发育。总面积731.14 k m2，占全区总面积的10.37%。发育地质灾害点4处，占灾害总数的3.88%，其中崩塌2处，地面塌陷2处。灾点密度为0.005处／k m2。

图12 榆阳区地质灾害易发性计算结果图

非易发区：主要包括西北部毛乌素沙漠和南部的无定河河谷阶地、榆溪河河谷阶地，地质环境较好，加之沙漠区人烟稀少，人类工程活动弱，地质灾害不发育，未发现地质灾害点。总面积4 300.22 k m2，占全区总面积的60.97%。

3 危险性分区评价

3.1 评价方法

地质灾害危险性［1]是地质灾害自然属性之一，是指可能发生地质灾害且可能造成较多人员伤亡和经济损失严重的地区，核心要素是地质灾害的易发程度和危害程度，分区以地质灾害易发程度分区和地质灾害隐患点险情等级为计算依据，圈定不同区域地质灾害的危险程度。

因此，对于榆阳区危险性分区，在已经得到的易发分区图的基础上，将调查区分隔成等面积的若干区域，并将各个区域根据调查所得灾害点险情进行累加，最后将区域的险情与易发性按照表4进行叠加，得出各个区域的危险性等级。

表4 地质灾害危险性评价标准

3.2 计算方法

危险性评价网格的剖分按4个方案进行，单个网格面积分别取（1×1）k m2、（2×2）k m2、（4×4）k m2、（8×8）k m2两种，将易发性和险情两个评价指标的量化值生成数字矩阵，利用EXCEL，计算每一个网格的所有评价指标值，得到数字矩阵的计算结果，最后利用Auto CAD的图形输出功能，将计算结果可视化，计算结果见图13。

图13 地质灾害危险性区块图 8×8 k m2

3.3 危险性分区

综合考虑地质灾害易发性分区图和危险性区块图，将榆阳区地质灾害危险性划分为四级，即高危险区、中危险区、低危险区和极低危险区。

高危险区：主要分布在地层岩性复杂、人类工程活动强烈、地形地貌特征不利的桐条沟流域、徐家崖沟流域、榆溪河两岸湖畔、榆阳河－城区一带、榆佳县道一带。总面积68.65 k m2，占全县面积的0.97%，共有地质灾害隐患点23处，其中滑坡9处，崩塌14处，灾害点密度0.34处／k m2。共威胁住户123户，人口848人，以及662间房屋或窑洞，公路610 m，威胁总财产1 333万元。

中危险区：区内人类工程活动较活跃，存在普遍的切坡建房和大面积的煤矿采空区，总面积1 702.79 k m2，占全区总面积的24%。发育地质灾害隐患点24处，其中滑坡13处，崩塌11处，险情等级均为小型。威胁住户30户，人口113人，121间房屋或窑洞，公路1 220 m，威胁财产255万元。

低危险区：区内地质灾害环境相对较好，位于东南部黄土梁峁地区，人类工程活动较弱，地质灾害相对较少，总面积981.34 k m2，占全区总面积的13.9%。共有地质灾害隐患点5处，险情等级均为小型，威胁3户，8人，3间房屋，公路300 m，威胁财产78万元。

极低危险区：主要涉及西北部毛乌素沙漠和榆溪河河谷，面积4 300.22 k m2，占全区总面积的60.97%，无地质灾害隐患点发育。

4 结论

（1）选取了影响榆阳区地质灾害发育的9个三级评价因子，利用Arcgis空间分析软件对各因子进行了数据分析和归一化，在此基础之上，按照层次分析确定的各评价因子权值，通过栅格计算工具进行了栅格叠加，最后，采用栅格重分类工具，按自然间距分类方法，划定合适的分区界限值，将地质灾害易发性结果图分为高易发区、中易发区、低易发区和非易发区，分区结果较好的反应了榆阳区地质灾害易发性的实际情况。

（2）在易发分区图的基础上，将调查区分隔成了（2×2）k m2、（8×8）k m2两种评价单元，并将各个单元根据调查所得灾害点险情进行累加，最后将区域的险情与易发性按照地质灾害危险性评估技术规范进行叠加计算，得出各个单元的危险性等级，在此基础上利用Auto CAD的图形输出功能，将计算结果进行了可视化，最后结合地质灾害易发性分区图和危险性区块图，将榆阳区地质灾害危险性划分为高危险区、中危险区、低危险区和极低危险区，划分结果能够很好的匹配野外调查结果。

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