基于GIS和层次分析法的清原县地质灾害易发性评价

朱 霞，张 戈,3，颜秉英，张旭升

1.辽宁师范大学，辽宁 大连 116029；2.辽宁省水文地质工程地质勘察院，辽宁 大连 116037；3.黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150001

地质灾害是在自然或人为因素影响下，区域发生一系列对人类生活环境造成破坏、对社会经济产生阻碍、对生命构成威胁甚至死亡的灾害性地质现象[1-2]。根据全国地质灾害通报(2018)显示，2018 年全国共发生地质灾害 2 966起，其中1 631起为滑坡、858起为崩塌、339起为泥石流，分别占地质灾害总数的55.0%、28.9%、11.4%，可见这三种地质灾害不容小觑。众多学者从不同方面对地质灾害进行研究，主要从敏感性评价[3-4]、易发性评价[5]、危险性评价[6-7]、影响因子评价[8-9]等方面进行研究分析，取得成果颇丰。他们统计分析不同因子的空间分布规律，大多采用聚类分析、最大似然法、逻辑回归、判别分析、层次分析法、支持向量机及其它物理方法对地质灾害进行易发性评价[10-13]。Bathrellos[14]利用层次分析法及GIS 通过不确定性进行分析，生成滑坡、洪水、地震的危险性评价图，这对城市的发展至关重要；余丰华等[15]对浙江沿海突发性地质灾害的9大影响因子进行敏感性计算，应用主成分分析法对区域地质灾害进行脆弱性分级和易发区区划。王佳佳等[16]以三峡库区万州区为例，基于GIS和信息量法评价了滑坡灾害易发性，为县域滑坡灾害的研究提供了借鉴。王哲等[17]主要研究了层次分析法应用在地质灾害易发性评价的详细过程，并将该方法实用于绵阳市，最终验证该方法与实际易发性分析基本符合，具有准确性及可行性，这为层次分析法评价地质灾害易发区提供了实例依据。通过建立地质灾害易发性区划的机制可以区划出恰当的地质灾害发生区域，以便了解区域地质灾害发生的可能性大小并有效及时地进行指导和避灾。

有资料记载以来清原县共发生地质灾害101处，主要地质灾害类型有崩塌、滑坡、泥石流，大多以较小规模发生。目前地质灾害研究大多以市为区域界线，这在一定程度上忽视了县域地质灾害详细评价，基于野外实际地质调查，选取一定的灾害点和影响因子对清原县主要地质灾害进行易发性评价及分区，以期为当地人民规避地质灾害危险提供借鉴。

1 研究区概况

清原县位于辽宁东北部，隶属于抚顺市，地理位置在东经124°20′06″～125°28′58″，北纬41°47′52″～42°28′25″之间，总面积3 932.96 km2，辖9个镇、5个乡(图1)，188个行政村，总人口约34余万人。清原县地处中温带湿润区，属半湿润大陆性季风气候，四季分明，气候温和，雨热同季，日照充足，寒冷期长，温差大，年均气温5.3℃，降雨多集中在6—9月(汛期)，平均降雨量484.82 mm，占年降雨量的64.3%。主要地貌为低山丘陵，北、西、南三面为群山峻岭，中东部为浑河谷地，大致可划分为：侵蚀隆起中低山、侵蚀隆起低山、侵蚀低山丘陵、玄武岩熔岩台地及山间冲洪积谷地。出露地层主要有太古宙鞍山群变质上壳岩景家沟岩组、石棚子岩组、红透山岩组、通什村岩组；下元古界、中元古界长城系、蓟县系；中生界侏罗系、白垩系，新生界古近系、新近系及第四系地层[18]。水系主要有浑河水系、包含柴河和清河的辽河水系、柳河所在的松花江水系，全区大小河流共计103条，主要用于灌溉农田。清原县森林广布，覆盖率高，林地占植被面积总量的71%，已发现野生中药材560余种，具有珍贵的药用价值。

图1 研究区地理位置示意图

2 数据来源与方法

2.1 数据来源

主要依托辽宁省水文地质工程地质勘察院关于清原县地质灾害详细调查项目，灾害点数据来源于清原县地质灾害详细调查项目的实际考察，利用GPS工具对灾害点进行精确的经纬度及海拔定位。DEM数据为30 m分辨率的栅格数据，来源于地理空间数据(http://www.gscloud.cn/)SRTM数据集，通过GIS提取出坡度、地形起伏度及水系3个因子；年均降水数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://cdc.cma.gov.cn)，在GIS中对获得的离散降水量数据进行克里金插值分析，得出该地区多年平均降雨量栅格数据；断裂带和地层岩性数据来源于辽宁省水文地质工程地质勘察院提供的1∶5万地质灾害详细调查区域工程地质条件图；其他数据包括行政区划图，道路交通分布图等;资料搜集来源于2013年至2018年地质灾害巡查工作报告，清原县志等。

2.2 评价单元和因子选取

目前，常用评价单元有栅格单元、斜坡单元、地貌单元、地形单元、行政单元等[23]，不同的评价单元与不同的比例尺和数据精度的滑坡灾害评价相匹配。清原县面积较小，选择与它相匹配的栅格单元作为地质灾害空间预测的评价单元，优势在于方便获取和处理各类影响因素的数据，并且对于较大量空间数据的叠加运算时速度较快。

地质灾害的发生主要取决于内在因素和外在因素的共同作用；内在因素是指地质灾害能不能发生的控制性因素，主要包括地质构造、地层岩性及地形地貌等；外在因素是指地质灾害会不会发生的具有诱发性的因素，主要包括地震、降水及人类工程活动等[24]。在资料搜集数据和实际考察成果的基础上，利用GIS分析研究区地形地貌、水文地质等控制性因素和降水、地震及人类工程活动等诱发性因素，建立该研究区域滑坡灾害易发性评价指标体系。基于资料搜集所得数据及实地勘察结果，对已有历史资料进行仔细分析，最终选取坡度、地形起伏度、地质构造、岩体类型、距河流距离、土地利用类型、年均降水量、人类工程活动8个影响因子。

(1)坡度指标

坡度是地质灾害发生的主要因素之一，地质灾害极易在重力因素诱导下发生，它与岩性、土层、气候和水文等条件密切相关。坡度在一定条件下代表着斜坡的稳定性，随着坡度的增加，山坡剪切力增大，发生滑坡的概率也随之增大；但并不是坡度越高，滑坡的概率就越大，实际上滑坡的发生在一定的坡度范围内[19]。基于DEM数据利用GIS提取坡度信息，将其划分为0～15°、15～25°、25～35°、>35°(图2a)。

(2)地形起伏度指标

地形起伏度是指研究区最大高程与最小高程之差。基于DEM数据，运用GIS中的领域统计工具分别得出最大和最小高程值，继而在栅格计算器中做差得出该研究区的地形起伏度，自然断点法将其划分为0～44 m、44～74 m、74～101 m、101～132 m、132～268 m(图2b)。

(3)地质构造指标

研究区地质构造背景复杂，郯庐断裂北延之一的岩石圈断裂浑河断裂呈NE向贯穿全区，成为不同构造单元的分界线。主要划分为清河断裂、浑河断裂和平岭后断裂构造系列。距构造距离远近不同，不同区域受到的影响必然不同，将距地质构造距离划分为<1 000 m、1 000～2 000 m、>2 000 m(图2c)。

(4)岩体类型指标

岩性和硬度直接影响岩石的抗风化能力、强度、应力分布等参数。此外，因不同岩石及组合结构间的差异，导致地质灾害发生的类型及发育特征有所不同。该研究区地质构造复杂，地质作用强烈，依据岩石的成因类型、结构构造、矿物成分及其坚硬程度等因素，将区内岩体划分为5种类型：坚硬块状变质花岗岩岩组、坚硬较坚硬大理岩—片岩岩组、较坚硬层状陆源碎屑岩—火山碎屑岩岩组、坚硬层状玄武岩岩组、松散岩类(图2d)。

(5)河流距离指标

水系分布是地质灾害发生的较隐蔽因素，地下水和地表水对地质灾害发生的影响方式和程度是不同的；地下水对地质灾害的影响主要表现在土质斜坡遇水软化现象，地表水主要表现为河流对斜坡基底的冲刷和掏蚀作用，斜坡的形状和结构遭到破坏，为崩塌、滑坡等地质灾害提供了良好的临空条件。由于地下水对地质灾害的影响机制复杂且地下水仓储条件难以准确侦查，当前研究我们只考虑地表水对地质灾害发生的影响[20-22]。采用GIS中的距离分析对研究区的河流水系进行缓冲区分析，划分为<200 m、200～400 m、400～600 m、600～800 m(图2e)。

(6)土地利用类型指标

不同的土地利用方式对地质灾害的影响是不同的。一般来说，植被覆盖率低的地区比植被覆盖率高的地区更易发生地质灾害。基于LocaSpaceViewe软件从google地球下载清原县分辨率为30 m×30 m的遥感影像数据为数据源，借助MapGIS软件获得研究区土地利用方式，主要包括耕地(旱地和水田)、林地(园林、各种林地)、草地、水体、建设用地(居民建筑、厂房建筑)5类(图2f)。

(7)降水指标

降水是地质灾害发生的重要诱发因素之一，研究区滑坡发生的月份集中在6-9月，灾害发育数量在80%以上，8月为降水量最多的时期，往往也是滑坡和泥石流灾害的多发期；在降水的作用下，处于极限平衡状态的岩石的摩擦力和内聚力减小，极易引发滑坡灾害的发生。根据清原县实际年均降水量将划分为701～736 mm、736～758 mm、758～780 mm、780～801 mm(图2g)。

(8)人类工程活动指标

将距道路距离选取为主要的人类工程，一般在道路施工之前会进行地质勘探，对道路沿线的敏感性、易发性等进行评价，所以道路修建会尽量远离地质灾害多发地带，但修建道路的施工过程中破坏了地质稳定性会引发较多地质灾害。依据实际调查将距离道路距离划分为<200 m、200～400 m、4 00～600 m、600～800 m(图2h)。

图2 影响因子与灾害点分布示意图

2.3 研究方法

采用定量分析与定性分析相结合的方法——层次分析法，对已有的历史灾害资料进行分析，参考前人研究数据及成果等综合得出地质灾害参评指标的分级和赋值标准。层次分析法(AHP)是美国著名运筹学家T.L.Saaty于20世纪70年代初提出的一种定性分析与定量分析相结合的综合决策方法，也是一种层次权重决策分析方法[17]。它的优点是将定性与定量分析结合起来，逻辑性较强，对数据的要求较低，计算简洁明了，发展较成熟，适用于大比例尺、小范围内且地貌和地质条件较简单地区，清原县较适合用该方法进行研究分析。

2.3.1 评价指标的量化及模型的建立

对清原县主要地质灾害易发性评价模型中各个评价指标进行量化，根据专家分析判断及前人研究结果，参评指标值越小，地质灾害易发性越低[23]，将定性指标的分级标准量化赋值见表 1。

构建易发性层次结构模型，目标层为地质灾害易发性评价，准则层为基础因子(X1)和诱发因子(X2)，方案层为选取的8个影响因子，如图3所示。

图3 易发性层次结构模型示意图

表1 评价指标量化标准

在利用AHP进行易发性评价之前，首先要建立指标集合:

(1)一级指标集U

U= {X1，X2}

(1)

(2)二级指标集 Y

Y(X1) = {Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6}

(2)

Y(X2) = {Y7，Y8}

(3)

依据构建的层次结构模型计算各指标的权重，步骤如下：

(1)计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi:

(4)

(2)对向量Wi进行归一化处理：

(5)

(3)计算判断矩阵的最大特征根λmax:

(6)

其中(AW)i表示向量AW的第i个要素。

(4)一致性检验：

(7)

(8)

其中CI为判断矩阵一致性指标；RI为判断矩阵的平均随机一致性指标。CR表示随机一致性比率，当CR<0.1时，表示判断矩阵具有满意的一致性。为了保证矩阵具有满意的一致性，需要定义RI值，如表2所示。

表2 判断矩阵平均随机一致性指标值

2.3.2 评价指标权重

根据图2所构建的层次结构模型，构建判断矩阵，进行一致性检验，分别得出影响因素判断矩阵及权重、基础因子判断矩阵及权重(表3)和诱发因子判断矩阵及权重(表4)。自上而下的将单排序权重进行合成层次总排序，如图4所示。

表3 X1判断矩阵及权重

表4 X2判断矩阵及权重

图4 研究区易发性评价指标权重示意图

3 结果与讨论

3.1 评价因子分析

通过上述对评价因子的权重分析结果显示，选取的8个影响因子对清原县主要地质灾害影响的顺序为地质构造、距河流距离、年均降水量、土地利用类型、人类工程活动、坡度、岩体类型、地形起伏度，具体分析如下：

(1)坡度和地形起伏度对研究区地质灾害的影响较小，主要是因为该区域海拔低，高差不大，不稳定斜坡较少，不易发生地质灾害；经研究发现坡度在25°～45°、地形起伏度在100～250 m之间的区域地质灾害点最多。

(2)位于研究区中部的浑河断裂是该区域最大的断裂带，浑河断裂带附近的灾害点最多，占全县灾害点的57%，位于西南敖家堡乡—大苏河乡一带的平岭后断裂构造附近地质灾害点次之，占全县的38%，位于清原县北部的清河断裂带仅占5%。研究区灾害点分布最多的是坚硬块状变质花岗岩岩体类型，约占区域面积的78%，因局部受构造影响形成碎裂结构，多呈带状沿沟谷分布，抗压强度降低。

(3)研究区水系发达，河流众多，地质灾害较多发生在距河流200 m以内范围，在清河、柴河、浑河、柳河、富尔江等河流都有灾害点分布，地质灾害的发育与水系密切相关。该区域土地利用类型主要有耕地、林地、草地、水体、建筑用地，分别占总面积的24%、52%、1%、3%、20%，地质灾害多发生在林地与其它土地利用类型的交界处，植被覆盖率差，地表多裸露，存在切坡现象，这一系列原因导致地质灾害多发。

(4)71%的灾害点处于清原县年降水量780～801 mm的区域，在降水的作用下，处于极限平衡状态的岩石的摩擦力和内聚力减小，极易引发滑坡灾害的发生。降水与滑坡灾害的发生有密切的关系。清原县域公路沿线是地质灾害发生的主要区域，人类工程活动强烈，道路沿线原有植被遭到破坏，岩土裸露，开挖坡脚加剧了斜坡的不稳定性。

3.2 易发性评价

利用GIS的空间分析和栅格计算功能，将各因子权重分别赋予对应指标的栅格图层，再通过栅格计算，将赋值了数值的各栅格与对应的权重相乘[19]；通过GIS中的自然差距法将评价因子叠加，再进行重分类和归一化最终生成综合信息量值图层，评价模型为：

(9)

其中S为评价单元的综合信息量值，Wi为各评价因子权重，Iij为第i个评价因子第j个类别的信息。

在上述区划方法的基础上，利用GIS中的空间叠加功能和因子加权叠加，得出研究区地质灾害的易发性分类结果(图5)。

图5 清原县地质灾害易发性栅格分区图

(1)高易发区面积为956.77 km2，占全区的24.33%；主要分布在浑河北岸、小孤家水库至红透山镇、清原—大苏河—平岭后及西南部的下大堡—暖泉子—敖家堡；该区域共有38个地质灾害隐患点，其中24处为崩塌隐患点、11处为泥石流隐患点及3处滑坡隐患点。

(2)中等易发区面积925.35 km2，占全县面积的23.53%；主要分布在王家堡—树基沟一带、和庆—胜利—湾甸子镇及南口前—阿尔当；该区域共有3个地质灾害隐患点，包含2处崩塌和1处泥石流隐患点。

(3)低易发区面积2 050.84 km2，占全县面积的52.15%；主要分布在北部和东部的柴河、清河、柳河流域，该区域共有7处崩塌地质灾害隐患点，潜在危害较大。

(4)从行政区划来看，清原县高易发区主要在红透山镇大部分、南口前镇南部、北三家镇中部偏南、清原镇中南部、大苏河镇西部、敖家堡乡南部；中易发区主要分布在湾甸子镇及高易发区周围地区；低易发区主要分布位于清原县北部的草市镇、英额门镇、夏家堡镇、大孤家镇、土口子乡、南山城镇和枸乃甸乡等地。

4 结论

选取8个主要影响因子，运用层次分析法(AHP)在GIS制图的基础上对清原县地质灾害进行易发性评价区划，最终得出清原县地质灾害易发性评价如下:

(1)选取坡度、地形起伏度、地质构造、岩体类型、距河流距离、土地利用类型、年均降水量和人类工程活动8个影响因子对清原县进行易发性评价。通过专家评分构建判断矩阵，最终评价得出影响因子对清原县主要地质灾害单个影响因子的排序为地质构造、距河流距离、年均降水量、土地利用类型、人类工程活动、坡度、岩体类型、地形起伏度。

(2)清原县主要地质灾害主要发生在坡度25°～45°之间、地形起伏度在100～250 m之间、断裂带沿线1 000 m以内、坚硬块状变质花岗岩区域 、距离河流越小于200 m以内、林地和其它土地利用类型的交界处、年均降水量在780～801 mm的区域、道路距离200 m以内的人类活动区域。

(3)地质构造、河流距离、道路距离与地质灾害易发性呈负相关，即距离越近越容易诱发地质灾害；坡度、地形起伏度、土地利用类型3个评价因子并未明显表现出与地质灾害易发性的正相关或负相关，而是在特定范围发生；岩体类型、年均降水量与地质灾害易发性表现出明显的正相关，即岩体性质越坚硬和年均降水量越多，越易引发地质灾害。

(4)全县以低易发区为主，主要高易发、中易发区分布在浑河上游中低山丘陵区，低易发区分布于柴河、清河、柳河流域。从行政区划看，南部乡镇较北部灾害易发性更高，未来南部地区是地质灾害防御的重点。