基于GIS的地质灾害易发性分区评价——以甘肃省会宁县为例

董毅兵， 郁文， 张仲福

(甘肃工程地质研究院，兰州 730000)

0 引言

会宁县地处甘肃省中部，属陇西黄土高原的一部分，处于西海固地震带的影响区，1920年海原大地震致使该区域山体十分破碎。水流长期切割作用使得区内沟壑纵横。境内植被覆盖较差，水土流失严重，地质环境相对比较脆弱，人类工程活动相对强烈，地质灾害是本区最突出的环境地质问题。据统计，近100年来，会宁县地质灾害共造成398人死亡，共造成经济损失2 229.62万元[1]。随着当地经济社会的持续发展，突发性地质灾害数量和频率显著增高，因此，对会宁县进行地质灾害易发性分区很有必要。

目前，常用的地质灾害易发性分区评价方法主要包括层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)、易发程度指数法、BP神经网络法、信息量模型法、模糊综合评判法和综合危险性指数法等[2-8]。甘肃省地质环境监测院在调查区做了较为系统的、富有成效的工作，研究了区内自然条件和地质灾害分布规律，这些成果对于本次研究工作具有重要的参考价值[9-11]。但是，以往工作成果主要侧重地质灾害基础因子研究，已经不能满足当下会宁县社会经济发展和新时期防灾减灾工作的需要。地质灾害的产生和发展是环境和人类活动共同作用的动态过程，其对人类生活和城市发展具有深远的影响。因此，应综合考虑环境和人类活动多方面的因素，准确合理地划分出地质灾害高、中、低易发区。本文综合考虑地质灾害发育因子、基础因子和诱发因子，利用GIS定量研究调查区地质灾害易发程度，为制定会宁县地质灾害综合防治措施提供依据。

1 研究区地质灾害概况

根据本次调查，会宁县共发育地质灾害(隐患)点102处。其中，泥石流7条，占地质灾害总数的7%； 不稳定斜坡38处，占总数的37%； 滑坡12处，占总数的12%； 崩塌16处，占总数的16%； 地裂缝29处，占总数的28%。以上地质灾害类型在会宁县28个乡镇均有分布(图1)。

2 评价方法

李松等[12]利用层次分析法和GIS平台对白龙江流域甘肃段开展了地质灾害易发性评价，划分为高、中、低、极低易发区； 金福喜等[13]基于GIS分别采用综合危险指数法和层次分析法对资兴市地质灾害易发程度进行了分析评价，认为层次分析法结果更可靠； 高丽琰等[14]基于GIS和层次分析法开展了宁夏地质灾害易发性评价，认为高易发区主要分布于宁夏南部； 张公等[15]应用GIS技术和层次分析法对修武县地质灾害易发性进行划分，分区结果与野外调查结果较为一致； 于成龙[16]采用数学综合评判的半定量方法，并应用 GIS 技术对临江市开展了地质灾害易发程度分区评价，为临江市地质灾害的分区及分期防治、地质环境资源的合理保护与开发利用提供了基础依据。前人在地质灾害易发性评价方面做了很多工作，验证了GIS方法结合层次分析法的适用性和实用性，故本文采用GIS方法和层次分析法对位于陇西黄土高原的会宁县进行地质灾害易发性评价。具体技术路线如图2所示。

图2 研究思路流程

首先，进行影响因子的量化及归一化处理，利用层次分析法确定各因子权重系数； 其次，构建影响因子栅格图层，利用GIS中的栅格工具对各统计单元进行影响因子加权叠加，构建研究区地质灾害易发性栅格图； 最后，综合考虑各种影响因素，概化出会宁县地质灾害易发性分区评价图。此方法充分利用野外详细调查采集的地质灾害数据，综合考虑与地质灾害相关的各类影响因子，兼顾准确性和实用性。

3 评价因子系统建立

3.1 建立递阶层次结构模型

分析问题所包含的各个因素之间的相互关系，通过属性的不同将有关的各个因素自上而下地分解整理成若干层次，层次结构整体分为3层，自上而下分别为目标层、准则层和措施层。地质灾害易发区主要是指容易发生地质灾害的特定区域，考虑到这个原则，在确定评判因子时要参考具体工作区内地质灾害发育的普遍性和代表性特点，最终所选取的评判因子需要能够全面系统地反映区内地质灾害的发育特点和孕灾状况。

本次会宁县地质灾害易发性分区以地质灾害易发性为目标层，综合考虑当地实际情况，选择发育因子、基础因子和诱发因子3方面为准则层，即二级评判因子，对二级评判因子进一步细分，考虑属性和特点，选取了对地质灾害易发性影响较为显著的14个因子构成措施层，即三级评判因子，具体层次结构如图3所示。

图3 评价因子结构

3.2 评价指标的量化

3.2.1 发育因子(U1)

发育因子主要表达的内容是工作区内已有的地质环境及人类活动交叉作用下地质灾害现阶段的发育程度，主要通过3方面体现，分别是地质灾害的空间发生频率、面积和体积模数分布比率。具体操作过程为应用栅格数据处理方法对调查区进行网格化，按3 km×2.5 km的范围划分单元网格，将全区离散为36行、24列，共计864个单元网格，然后以单元格为单位计算各指标并进行归一化变换。

3.2.1.1 地质灾害频率比(C1)

可以设第(i，j)单元内灾害频率为f(i，j)，该单元面积为S(i，j)，单元内灾害的频率密度为ρf(i，j)，整个研究区面积为S，灾害总数为f，总频率密度为ρf，则第(i，j)单元格灾害频率比为

Rf(i，j)=ρf(i，j)/ρf。

(1)

3.2.1.2 地质灾害面积模数比(C2)

设第(i，j)单元内灾害体分布面积为s(i，j)，单元面积为S(i，j)，单元内灾害的面积模数为ρs(i，j)，整个研究区面积为S，灾害点总面积为s，总面积模数为ρs，则第(i，j)单元格灾害面积模数为

Rs(i，j)=ρs(i，j)/ρs。

(2)

3.2.1.3 地质灾害体积模数比(C3)

设第(i，j)单元内灾害点总体积为V(i，j)，单元面积为S(i，j)，单元内灾害的体积模数为ρv(i，j)，整个研究区面积为S，灾害点总体积为V，总面积模数为ρv，则第(i，j)单元格灾害体积模数为

Rv(i，j)=ρv(i，j)/ρv。

(3)

3.2.2 基础因子(U2)

基础因子的作用主要是对工作区内的地质环境背景进行评价，选取了坡度、坡形、沟壑密度、岩土体类型等8项对地质灾害发育影响较大的因子并进行归一化。

3.2.2.1 坡度(C4)

以工作区1∶5万DEM数据提取坡度数据。根据前人研究和工作经验，发现工作区内滑坡、崩塌等灾害大量分布于20°～70°之间的斜坡(图4)，而20°以下斜坡基本不发生滑坡、崩塌等灾害，考虑到这个分布特征，此次评价将70°以上斜坡的易发程度推定为1，20°以下易发程度推定为0，为了进一步的评价工作，将坡度数据进行0～1之间的线性归一化。

图4 会宁县坡度

3.2.2.2 坡度变化率(C5)

坡度变化率是对地形基本因子中的坡度变化情况进行量化的指标。由于斜坡拉张应力区的分布与斜坡坡度呈正相关关系，所以随着斜坡坡度变化率增大，斜坡坡脚地带形成的最大剪应力也不断增大，导致斜坡也就愈容易产生变形破坏。通过DEM对全区坡度变化率数据进行提取，再进行0～1之间归一化处理。

3.2.2.3 坡形(C6)

坡形则主要通过地表的曲率进行描述和量化，其中直线形和凸型斜坡在曲率上的数值关系为曲率≥0，凹型坡和阶梯型坡的曲率<0。因此，可通过ArcGIS平台从DEM数据中提取分析调查区地表曲率信息，然后展开对斜坡坡形的归一化。

3.2.2.4 切割深度(C7)

地形切割深度主要是指平均高程与最小高程之间的差值，它主要表征了地形的起伏程度和切割侵蚀强度，也同时从侧面反映了沟谷的发育程度。相对于泥石流灾害而言，切割深度与沟床比降显著相关，滑坡灾害同时也与坡高具直接联系(图5)。因此，综合选取了切割深度指标对地形因素进行评价。

图5 会宁县高程

3.2.2.5 沟壑密度(C8)

沟壑密度主要表征了地形发育阶段和地表抗蚀能力，其对地质灾害的发育有重要的影响作用。本次评价工作主要应用ArcGIS平台中的Hydrology工具集，基于工作区1∶5万栅格DEM提取各流域单元的沟壑密度，然后将沟壑密度进行归一化处理并转换为栅格数据参与评价。

3.2.2.6 岩土体类型(C9)

根据评价区内不同岩土体类型对地质灾害发育的影响程度分级进行赋值(表1)，之后开展栅格化和归一化处理。

表1 会宁县岩土体类型分级赋值一览表

3.2.2.7 地质构造(C10)

地质构造对地质灾害的发育及分布也具有重要影响，考虑到区内新构造运动比较活跃，本次评价主要是以区内第四纪以来发育的活动断裂为基准线，向两侧以250 m间距各做三级缓冲区分析评价。

3.2.2.8 植被覆盖率(C11)

利用会宁县2013年2月ETM+遥感数据，选取近红外波段4和可见光红外波段3，进行计算求取植被覆盖指数NDVI，然后将计算结果进行归一化处理再参与评价。

3.2.3 诱发因子(U3)

区内地质灾害诱发因素主要分为3类，分别是降雨、地震及人类工程活动，然后进行归一化。

3.2.3.1 降雨量(C12)

降雨是诱发因子中对地质灾害影响最显著的一个因素，尤其是短时间强降雨。本次评价共收集了会宁县气象局会师镇、党岘乡、太平镇、大沟乡、汉岔乡和刘寨镇6个雨量监测点的多年雨量监测数据(图6)。因此，根据全县降水等值线及重点乡镇降雨量数据参与易发性评价。

3.2.3.2 地震(C13)

工作评价区内新构造运动活跃，地震相对来说较为频繁，而且区内地震引发的崩塌、滑坡等灾害也有一定数量。因此，将地震活动也作为一项诱发评价因子进行考虑。本次评价主要通过会宁县地震烈度Ⅶ、Ⅷ区划成果进行赋值栅格计算。

图6 会宁县降雨等值线

3.2.3.3 人类工程活动(C14)

相比较降雨量和地震因子，人类工程活动对地质环境的影响特别复杂，对地质环境改变强烈的主要为公路、铁路等长距离工程的修建，因而本次评价将工作区内的公路做为基准线，间隔250 m做缓冲区分析，分别向两边做3个缓冲区，进行栅格化和归一化处理后参与评价。

3.3 构造判断矩阵

各因子权重的排序打分值采用通用的1～9标度方法(表2)，层次单排序的成果见表3—表6，经检验表3—表6评价模型各层次均具有满意的一致性。层次总排序的成果见表7。

表2 判断矩阵标度

表3 准则层判断矩阵

表4 发育因子判断矩阵

表5 基础因子判断矩阵

表6 诱发因子判断矩阵

表7 标度层次总排序结果判断矩阵

4 地质灾害易发程度等级划分

以上述评价指标分析和数据归一化为参考，利用ArcGIS系统中的栅格运算功能，将通过层次分析法所确定的评价因子权重(表7)进行信息叠加计算，从而得到会宁县地质灾害易发性定量计算成果，区间为0.043 986～0.712 534，其值大小代表地质灾害的易发程度，数值越大，易发程度越高。

经进一步综合分析研究，根据所得的易发性评价计算结果将会宁县地质灾害划分为高易发、中易发和低易发区。根据自然间断点分级法，取0.302 565和0.492 158这2个突变点作为临界点，进行易发区域划分(表8、图7)。地质灾害易发程度分区结果得到了评审专家的认可。

表8 地质灾害易发程度区划评价分级

图7 会宁县地质灾害易发性分区

Fig.7Geologicaldisastersusceptibilit nHuiningCounty

5 结论

(1)通过AHP和GIS平台工具，以地质灾害易发性为评价目标层，确定发育因子、基础因子、诱发因子为要素层，选取主要影响和构成要素层的14个基础因子为指标层，建立了会宁县地质灾害易发性分析评价模型，并进一步确定了各基础指标层的因子对目标层的权重及排序。

(2)以会宁县地质灾害易发性评价模型为依据，对评价单元进行叠加、分析、计算、调试及修正，按易发程度将会宁县地质灾害区分为高易发区、中易发区和低易发区，占比分别为12.93%、42.59%和44.48%。

(3)针对地质灾害高易发区，要做好地质灾害监控，对该区工程建设活动应该进行规范管理。