基于层次分析法的登封市地质灾害危险性评价

丁丽，李再兴，李学问，张瑞香

(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，郑州　450006)



基于层次分析法的登封市地质灾害危险性评价

丁丽，李再兴，李学问，张瑞香

(河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院，郑州450006)

摘要：文章针对登封市地质环境条件、发育特征等特性，选取了灾害点密度、岩土体类型、断裂发育程度、地貌类型、坡度、降雨量、人类工程活动等7个地质灾害危险性评价因子，通过层次分析法确定评价因子权重，并采用专家系统法赋值，建立了该市地质灾害危险性评价模型。通过划分评价单元及利用危险性评价模型，基于Arcgis空间分析功能将该市地质灾害危险性分为低危险区、中危险区和高危险区。研究成果对相似地区地质灾害危险性的划分也提供了一定的借鉴意义。

关键词：层次分析法；地质灾害；危险性分区；危险性评价

地质灾害是自然和人为因素导致地质环境或地质体发生变化，也给人类和社会造成危害的灾害事件，如滑坡、泥石流、崩塌、地面塌陷、地面沉降等，其主要体现在对居民点、交通、水利水电工程、矿山等造成的危害。目前被用于区域环境质量评价的方法已有多种，在对地质灾害危险性评价的方法的选择上一直困扰着广大地质工作者。随着数理知识在各学科中的应用，相互穿插，特别是GIS与数学模型结合的评价方法，使得地质灾害危险性评价有了得心应手的方法，当影响因素多、分布复杂时，层次分析理论使地质灾害理论评价更加清晰化、层次化、定量化，且较为成熟，在大区域以及其他领域中的应用也尤为方便、简捷[1]。

文中结合现有地质灾害信息，拟在查明登封市地质灾害发育概况及其类型的基础上，阐明登封市地质灾害的发育特征、分布规律，分析登封市地质灾害的形成条件，运用GIS、层次分析法实现登封市地质灾害危险性评价。

1登封市地质灾害发育概况

登封市位于河南省中西部，颖河上游，北与巩义、偃师相连，东与新密市相接，南邻汝州、禹州，西与伊川接壤。区内东西长55 km，南北宽36 km。登封市交通便利，境内有郑少高速公路、少洛高速公路、207国道、237省道等。乡村公路已基本网络化，交通十分方便。

登封市地处嵩山地区，地势南部和北部高，中部低缓，境内主要以低山、构造剥蚀丘陵为主。岩性以石英岩、石英砂岩、灰岩为主，第四系零星分布在境内近山前地带、山区较大沟谷以及颖河河谷，随着人类工程活动的增加及降雨的阵法性影响，使该市地质灾害频频发生。据走访调查发现，该市地灾类型有滑坡、崩塌、地面塌陷和泥石流4类共计289处，其中滑坡74处，占总数的25.61 %；崩塌169处，占总数的58.47%；地面塌陷37处，占总数的12.80%；泥石流9处，占总数的3.11%(图1)。

图1登封市地质灾害点饼状图

近年来，随着经济的发展，人口增长，在城镇建设、交通及旅游景区建设，特别是矿业开发、群众削坡建窑建房等工程活动中，诱发的地质灾害事件呈上升趋势，因此，对区内的灾害治理要求十分迫切。同时，区内地质灾害危险性分区对其地质灾害的防治工作也具有重要指导意义。目前，层次分析法是地质灾害危险性分区评价中应用最为广泛的方法之一[2]。

2评价方法及评价过程

层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是美国运筹学家Saaty教授于20世纪70年代初提出的。该方法是一种定性与定量分析的多目标决策分析方法，能够将决策者的经验判断给予量化，广泛应用于目标结构复杂且缺乏必要数据情况下的分析与决策[4]。其主要思想是首先按照指标间的相互关联影响以及隶属关系，将因子依不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型；其次根据对矿山客观现象的主观判断，就每一层因子的相对重要性给予量化描述；最后，利用数学方法，确定每一层次全部因子相对重要次序的数值[3]。

2.1评价因子分析与量化

2.1.1评价因子选取

登封市地质灾害主要以滑坡和崩塌为主，影响其危险性的因子有很多，根据形成的地质环境条件、发育特征等方面分析，最后筛选出灾害点密度(x1)、岩土体类型(x2)、断裂发育程度(x3)、地貌类型(x4)、坡度(x5)、降雨量(x6)、人类工程活动(x7)等7个地质灾害危险性评价因子。

2.1.2构造判断矩阵

为了量化各判别因子的权重，判别因子之间需形成一个两两对比的矩阵，采用Saaty T.L提出的1～9比较标度法(表1)来表示因子之间的影响强弱。通过相关工程的实际情况，确定各判别因子之间的相对重要性并赋与相应的分值，最后得到所需的判断矩阵(表2)。

2.1.3评价因子权重系数确定

采用层次分析法来确定本市地质灾害评价因子的权重。

可分4个步骤：

表1　1～9标度的意义表

表2　判断矩阵U

第4步： 一致性检验针对阶数大于2阶的矩阵，只有当随机一致性比值CR≤0.1时判读矩阵才具有一致性。随机一致性比值的计算公式如下：

其中，公式中λmax为矩阵最大特征值；n为矩阵阶数；R.I为平均一致性指标(根据阶数n查表3可得)。当CR<0.1，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，表明权重(表4)计算合理。

2.1.4评价因子分级赋值

地质灾害危险性评价因子的分级赋值是根据本市实际情况，依据专家系统法收集调查获取的，赋值越高，表示该等级对本市地质灾害危险性的贡献率越大[4]。具体分级赋值见表5。

2.2评价的模型建立

登封市的地质灾害危险性评价方法主要采用综合指数评价方法[5]，由综合评价指数计算获取，其计算公式为：

式中,W为地质灾害危险性综合指数；ai为因子权重；Fi为因子的赋值。

因此，可得出本区地质灾害危险性评价的数学模型为：

W=0.19F1+0.18F2+0.12F3+0.13F4+0.12F5+0.11F6+0.15F7

表3　平均一致性指标RI[5]

表4　评价因子权重值表

表5　地质灾害评价因子赋值表

3登封市地质灾害危险性综合分区

3.1评价单元划分

斜坡单元是滑坡、崩塌等地质灾害发育的基本单元，并且在各类控制或影响因素中，河流和沟谷的发育阶段对滑坡、崩塌的形成具有明显的控制作用，且登封市的地质灾害类型以崩塌、滑坡为主，因此本文采用基于幼年期沟谷划分的斜坡单元作为评价单元，可以与地质环境条件紧密联系，综合体现各类控制或影响因素的作用，使评价结果更贴近于实际[6]。本文借助GIS水文分析工具从1∶50 000的地形数据中提取划分斜坡单元，根据登封市1∶50 000地形图生成DEM，将幼年期沟谷中的三级支流坳沟、冲沟划分为1 667个单元。

3.2危险性综合分区

在前述评价因子和评价单元划分的基础上，将各因子区特征属性添加到单元网格中，使区域内所有网格带有所有因子的特征属性；利用Arcgis的统计和分析功能，提取每个评价单元的各项指标值，对各评价因子进行属性叠加，利用公式(1)计算各评价单元的危险性指标值，根据指标值突变点将区域划分为低危险区、中危险区和高危险区3个等级(图2)。在定量分析的基础上，结合野外实地调查，进一步勾绘出危险程度分区图(图3、表6)。

图2登封市评价单元划分图

图3　地质灾害危险性分区图

危险性分区区亚区分布位置面积/km2分布特征高危险区ⅢⅢ1君召乡-石道乡-大金店镇-嵩阳办-少林办-唐庄乡(Ⅲ1)亚区149.49区内共发育地质灾害点38处,其中滑坡10处,泥石流8处,不稳定斜坡12处,崩塌8处;该区域景区建设活动强烈,流动人口密度较大,分布有少林寺、初祖庵、塔林、少室阙、嵩阳书院、会善寺等文物建筑单体和建筑群,人类工程活动较强烈,景区建设、修路切坡等工程活动较多,极易发生灾害,危害严重,潜在地质灾害也发育,对古建筑群危害大Ⅲ2送表乡-白坪乡-徐庄镇亚区224.99区内共发育地质灾害点84处,其中地面塌陷10处,滑坡18处,不稳定斜坡11处,崩塌45处;该区人口密集,经济发展较快;经济主要以矿业开采为主,煤矿企业约有二十几家,石料开采随处可见,地貌景观破坏强烈,因煤矿开采形成的采空区逐年增大,形成采空区面积较大,地面出现塌陷,房屋出现裂缝,影响居民生活;G207两侧经常可见小型崩塌Ⅲ3告城镇-大冶镇-宣化镇亚区130.37区内共发育地质灾害点41处,其中地面塌陷13处,滑坡7处,不稳定斜坡4处,崩塌17处;该区分布有观星台古建筑,人类工程活动强烈,永登高速、临白铁路、省道237由此通过,区内大冶镇、告城镇经济以矿业开采为主,地质地貌景观破坏严重,地面塌陷、崩塌、滑坡较为发育,地质灾害如果发生影响严重,影响居民生活、道路交通,同时这些地质灾害的发生直接或间接威胁着古建筑群的安全中危险区ⅡⅡ1颖阳镇-君召乡亚区140.29区内共发育地质灾害点9处,其中地面塌陷3处,滑坡2处,不稳定斜坡1处,崩塌3处;该区域涉及地貌单元主要为低山、剥蚀丘陵区。黄土覆盖丘陵区人口密集、公路和铁路等人类活动强烈,地表为Qp3黄土状粉土、黄土状粉质粘土,下伏基岩,基岩风化强烈,稳定性较差,在外力作用下易于形成滑坡,如果发生地质灾害,危害较大,危险性较高;低山区上覆黄土状粉质粘土较薄,下伏基岩出露较浅,基岩产状与坡体倾向一致,在外力作用下易于发生滑坡,但人口较少,危害性虽高,但危害较小Ⅱ2唐庄乡-卢店镇-大冶镇亚区152.52区内共发育地质灾害点39处,其中地面塌陷4处,滑坡12处,不稳定斜坡3处,崩塌19处;该区人类工程活动强烈,郑卢高速、237省道由此通过,居民主要沿路而居,人口密集,地质地貌景观破坏严重,崩塌、滑坡较为发育,地质灾害如果发生影响较严重,影响居民生活、道路交通低危险区ⅠⅠ1君召乡、石道乡、大金店镇、东华镇、中岳办、告城镇420.38区内共发育地质灾害点78处,其中地面塌陷7处,滑坡14处,不稳定斜坡11处,崩塌43处;中西部地势相对平坦,起伏较小,地表为黄土覆盖,人口密度大,交通网络发达,郑卢高速由此通过,局部有切坡建房修路造成边坡失稳,该区分布有中岳庙、启母阙、太室阙古建筑群,如发生灾害对古建筑群发生威胁;北部山区气候湿润,植被覆盖率较高,大部分基岩出露,主要以农田耕作为主,人类工程活动微弱,但人口稀少,居住分散,地质灾害发生造成的危害较小

4结论

(1) 层次分析法对影响登封市危险性的相关指标进行定量化分析，同时，根据当地实际情况，调整了评价分级标准并重新分配了指标权重[2]，然后将数据代入典型灾害评价模型，进行地质灾害危险性评价，评价结果与实际情况相符。研究表明，基于层次分析法所建立的评价模型能较好地应用于登封市地质灾害危险性评价中，该评价方法是实用和有效的。

(2) 从地质灾害规模上看，南北中低山区、东部采矿区以及中部冲沟两侧地质灾害规模较大，以滑坡、崩塌、地面塌陷为主，这些地质灾害给当地居民造成直接经济损失约27 011万元。随着经济社会的迅猛发展，人类工程活动不断增强，无论是在深度上还是在广度上都将日益加剧，对自然环境的破坏也相应日趋严重，从而诱发许多危害极严重的地质灾害。

参考文献

[1]章正高.采用层次分析法对地质灾害进行危险性评价——以汉阴县地质灾害为例.西安科技大学学报,2014,34(1)：87-91．

[2]王小江,孙书勤,卢鹏飞.层次分析法在重庆某县地质灾害危险性评价中的应用[J].地球与环境,2014,42(3):419-423．

[3]罗娟,陈守余.矿山环境质量评价指标体系及层次分析法评价[J].安全与环境工程,2005,12(1):9-12．

[4]王哲,易发成.基于层次分析法的绵阳市地质灾害易发性评价.自然灾害学报,2009,18(1):14-23．

[5]尚慧，倪万魁，等.斜坡单元划分在彭阳县地质灾害危险性区划中的应用.中国水土保持SWCC,2011,3:48-50.

[6]霍艾迪，张骏，等.地质灾害易发性评价单元划分方法——以陕西省黄陵县为例.吉林大学学报(地球科学版),2011,41(2):523-535.

AHP-BASED ASSESSMENT OF GEOLOGICAL HAZARDS RISK IN DENGFENG CITY

DING Li,LI Zai-xing,LI Xue-wen,ZHANG Rui-xiang

(Mapping and Geoinformation of Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development，Zhengzhou450006,China)

Abstract:On the basis of the geological environment and development characteristics in a county,seven indicators for evaluating the geological disaster fatalness around the county,density,rock soil mass type,fault developmental degree,geomorphic type,gradient,rainfall and engineering activities are selected.Using the analysis hierarchy process to ascertain the weight of index,and adopting the export system to mark for the indicators,and then,the eveluation model for the geological disaster fatalness along the city is put forward.At last,the area is divided into three risk regions:the most risk region,the medium risk region,and low risk region based on Arcgis spatial analysis,and the results of the study provide some certain referential significance for similar areas.

Key words：AHP;geological disaster;division of disaster fatalness;evaluation of geological disaster fatalness

文章编号：1006-4362(2016)02-0092-05

收稿日期：2015-12-15改回日期：2016-02-23

基金项目：河南省2013年度1∶5万地质灾害调查项目(执行项目编号：19)

中图分类号：X43;X141

文献标识码：A

作者简介：丁丽(1984-)，女，甘肃白银人，汉族，硕士，河南省地质矿产勘查开发局测绘地理信息院工程师，从事环境地质、地质灾害防治方面的研究。E-mail:83381975@qq.com