基于ArcGIS的西宁市城区地质灾害危险性分区评价

范吉新，赵启飞，王靖天，王万鑫，李卫柯

(1.青海煤田地质局，青海 西宁 810012；2.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054)

西宁市位于青藏高原的东北部，是青藏高原与黄土高原的过渡地带，整个地形南高北低，南至祁连山支脉拉鸡山，北达湟水河谷地，属于典型的山间河谷型城市并且也是我国海拔最高的城市之一，由于其脆弱的地质环境，使之成为我国受地质灾害侵扰最为严重的城市之一[1，2]。近年来，因人类工程活动引发的生态环境恶化及地质灾害频发，使其区域内地质灾害现象分布广泛，尤其是滑坡、地面塌陷、地震等突发性的地质灾害较为发育，对当地人民的人身安全、经济活动等构成极其恶劣的影响[3]，因此，为了西宁市地质灾害的防治和工程建设，对西宁市城区进行地质灾害危险性分区刻不容缓[4]。

地质灾害是由自然地质作用和人为工程活动造成的恶化地质环境，使原有的地质环境被破坏，平衡条件倾斜，导致地质体发生失稳的现象，它不仅属于自然现象，还是社会经济现象[5]。因此，在进行评价地质灾害的危险性时，应综合考虑影响地质灾害发生的各种指标，并给这些指标赋予合适的权重系数，以便准确合理地区划出地质灾害低、中、高和极高危险性区。目前，国内张晓东等[6]利用层次分析法评估了盐池县地质灾害的危险性；李雄峰等[7]采用层次分析法和可拓理论分区评价了水土流失的严重程度；李林汉等[8]将层次分析法运用于京津冀地区水资源承载能力评价；白建光等[9]将层次分析法与模糊综合评判法结合分析了城市内涝生态治理。

1 评价方法

为了提高地质灾害危险性评价的准确性，需要具体分析研究区的各种因素对地质灾害的影响，选择适宜的评价方法使得评价工作可行[10]。当前，对地质灾害危险性分区评价的方法众多，结合西宁市城区的地质环境背景以及地质灾害发育特征等，在本次研究中采用层次分析法。此方法所需要的数据偏少，简单快捷，是一种半定量的系统性分析方法，再综合考虑遴选出的地质灾害影响因子，保证了地质灾害危险性分区评价的准确性。

层次分析法是由运筹学家Thomas Saaty提出的一种简单灵活地将定量和定性分析结合的层次权重决策分析方法，具有很强的实用性，通过对研究区的总体把握，明确其基础指标，将复杂的问题转化为通过评价因子之间两两影响程度大小的比较，构造合理的判断矩阵，求出矩阵的最大特征根及其特征向量，然后对矩阵的一致性做出验证，最后将特征向量归一化，便可得出每个评价因子相对应的权重值[11]。之后利用ArcGIS软件构建各个评价因子的栅格图层，结合已获取的权重系数，通过空间分析中的栅格工具，进行多因子叠加分析，获取西宁市城区地质灾害危险性分区评价图。

2 评价体系的建立

2.1 评价指标选取原则

地质灾害的成因形形色色，是由众多影响因素共同蕴育所产生的结果。地质灾害发生的多样性以及不确定性不仅表现在影响因素上，在不同的区域，各种影响因素对地质灾害发生的贡献程度也有很大差别，同一种评价方法适用于一个区域但不一定能够成功评价另一个区域。因此，对于地质灾害危险性评价选择影响因子时，需要遵循5个原则：①评价因子的选取需要考虑获取因子的难易程度，并且评价因子需具有代表性；②各影响因子之间要相互独立，无关联性，避免后期处理数据带来不便；③不同的研究对象拥有不同的地质背景，需要准确选取占据主导地位的评价因子，提高评价结果的准确率；④评价因子的选取必须目的性明确，要求能够充分的体现研究区域的危险性评价结果；⑤结合研究区域的空间效应选取评价指标将对评价体系产生重要影响[12]。

2.2 评价指标体系建立原则

由于地质灾害发生的影响因素以及诱发条件是十分广泛的，将所有的情况都考察在内无疑是不合理的，因此在构建评价体系的同时需要遵循3个原则：①所建立的评价体系需要能够全面综合系统地反映出最接近研究区域的真实情况；②应选择对地质灾害危险性评价影响较大的因素作为评价指标，适当去除一些间接因素，建立科学有效的评价体系；③由于不同评价区域的差异，有必要在充分考虑影响地质灾害发生的主要因素的基础上，对研究区域的地质构造和自然特征进行分析[13]。

2.3 危险性层次分析模型

依据层次分析法的基本原理，建立了如图1所示的西宁市城区地质灾害危险性评价因子层次分析模型。其中，地质灾害危险性评价作为目标层A，而地质因素和诱发因素分别作为准则层B1和B2，指标层C作为影响地质灾害发生的因子，如坡度C1、坡向C2、高程C3等[14]。

图1 地质灾害危险性评价因子层次分析模型

2.4 评价因子权重的确定

采用层次分析法计算各危险性因子的权重值，对照标度理论表，将各因子两两对比，得出所有因子相对重要性指数，从而构建判断矩阵，标度理论表如表1所示。

表1 判断矩阵标度理论

具体计算过程如下所示：

构造判断矩阵：A=(aij)m×n，aij>0，

(1)

式中：aij为第i行j列因子重要性标度值。

归一化处理判断矩阵每一列元素：

(2)

处理后再按行相加：

(3)

对Wi进行归一化处理：

(4)

所得近似特征向量W=(w1，w2，…，wn)T，就是各评价因子的权重[15]。

为了保证以上所得的权重系数的合理性，需对判断矩阵进行一致性验证，过程如下所示：

(5)

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根，n为判断矩阵阶数，CI表示判断矩阵一致性指标。

(6)

式中：当CR<0.1时，则确定判断矩阵具备良好的一致性，若CR>0.1，则需对判断矩阵做出适当调整直至满足条件；RI表示判断矩阵平均随机的一致性指标，其值由大量实验给出，取值如表2所示。

表2 平均随机一致性指标RI

Bi构造准则层判断矩阵如表3所示，计算求出最大特征根λmax=2，一致性指标CI=0，一致性比例CR=0<0.1，满足要求。

表3 A-Bi判断矩阵

B1-Ci构造地质因素判断矩阵如表4所示，计算求出最大特征根λmax=7.365，一致性指标CI=0.061，一致性比例CR=0.045<0.1，满足要求。

表4 B1-Ci判断矩阵

B2-Ci构造诱发因素判断矩阵如表5所示，计算求出最大特征根λmax=3.039，一致性指标CI=0.02，一致性比例CR=0.037<0.1，满足要求。

表5 B2-Ci判断矩阵

由表3～表5可得知准则层和指标层中各影响因子的权重系数，而以上所求仅为一层因子对应于上一层因子的权重向量，要获取指标层各个评价指标对于目标层的排序权重，就需要进行权重的合成计算[16]。方法如下所示：

(7)

式中：aj为评价指标的权重值。

求得CR=0.044<0.1，符合一致性原则，由此可知指标层的10个影响因子所取的权重系数均满足要求。在表6中列出了所有地质灾害危险性评价指标的权重值。

表6 评价指标权重系数

由表6可知，地层岩性对西宁市城区的地质灾害危险性贡献度最高，然后坡度、距断层距离、平面曲率、相对高差、距公路距离、剖面曲率、海拔高程、地下水类型依次降低，坡向的权重值最低。

2.5 地质灾害危险性区划

依据建立的地质灾害危险性评价数学模型，来达到对研究区的危险性区划[17]，而西宁市城区地质灾害危险性评价的数学模型基于层次分析法的综合评价指数法，再通过ArcGIS 10.6的地图代数工具，将各个评价指标的栅格图层进行空间叠加运算，具体计算公式如下所示：

I=ΣWiCi

(8)

式中：I为第i个评价因子的危险性综合指数，Wi为第i个评价因子的权重值，Ci为第i个评价因子的栅格图层。根据表6中的数据，可以得知西宁市城区地质灾害危险性评价数学模型为：

I=0.176C1+0.022C2+0.032C3+0.078C4+0.133C5+0.049C6+0.26C7+0.026C8+0.065C9+0.159C10

(9)

3 基于ArcGIS的地质灾害危险性评价

本次研究采用的原始DEM数字高程模型精度为30m。由于栅格数据的像元属性能充分反映该单元的空间分布位置，且利用ArcGIS可对研究单元进行全面管理，拥有计算简捷、数据库清晰、空间可视化、结果准确性高的优点[18]，因此将评价单元确定为栅格单元，大小为30m×30m。

3.1 海拔高程分区

利用ArcGIS 10.6将获取的西宁市城区DEM原始数据处理成数字海拔高程模型。西宁市城区的地表海拔高程最高点为2 831m，最低点为2 118m，将地表高程按照(2118，2200)，(2200，2300)，(2300，2400)，(2400，2500)，(2500，2600)，(2600，2700)，(2700，2800)，(2800，2831)重分类为8个级别，得到的海拔高程单因素分区评价图，如图2所示。

图2 海拔高程

3.2 地形相对高差分区

利用已获取的DEM数据，通过ArcGIS 10.6中的焦点统计工具，生成西宁市城区的地形相对高差分布图，可知其相对高差达到134 m。将其相对高差分布图按照(0，20)，(20，50)，(50，90)，(90，134)重分类为4个类别，重分类之后的地形相对高差单因素分区评价图，如图3所示。

图3 地形相对高差

3.3 地层岩性分区

利用ArcGIS 10.6从西宁市1∶50 000工程地质图中矢量化出西宁市城区的主要地质岩土体类型，再依据工程地质图中岩土体的分区情况，将其主要的岩土体类型重分为岩浆岩岩组、变质岩岩组、沉积岩岩组、卵砾类土、黏性土、杂填土及滑坡堆积物6类，转为栅格图层后，得到了西宁市城区地层岩性单因素分区评价图，如图4所示。

图4 地层岩性

3.4 平面曲率分区

利用ArcGIS 10.6中表面分析的曲率工具，输入原始DEM数据可获取平面曲率分布图，将其按照自然间断法重分为(-6744086，-2040554)，(-2040554，-1283663)，(-1283663，-7430276)，(-7430276，-3105189)，(-3105189，1219898)，(1219898，5544986)，(5544986，1041071)，(1041071，1797961)，(1797961，7096193)9类，得到西宁市城区平面曲率单因素分区评价图，如图5所示。

图5 平面曲率

3.5 剖面曲率分区

通过ArcGIS 10.6中的曲率工具，计算出剖面曲率分布图，再利用重分类工具，遵循自然间断法重分为(-1104781，-2788088)，(-2788088，-1643177)，(-1643177，-9071624)，(-9071624，-3347066)，(-3347066，1559698)，(1559698，6466461)，(6466461，1382661)，(1382661，2527572)，(2527572，9887718)9类，即可获取西宁市城区剖面曲率单因素分区评价图，如图6所示。

图6 剖面曲率

3.6 距公路距离分区

从Google Earth上矢量化出西宁市城区的路网，导入ArcGIS中获取路网分布图，运用多环缓冲区工具进行路网的缓冲区分析，将距公路距离按照(0，100)，(100，200)，(200，300)，(300，400)，>400分为5类，重分类之后的西宁市城区距公路距离单因素分区评价图，如图7所示。

图7 距公路距离

3.7 坡度分区

使用西宁市城区DEM数字高程模型，通过ArcGIS 10.6中3D Analyst的坡度工具，生成坡度分布图。研究区内最大坡度达到60.9°，利用重分类中手动分类方式将其分成(0，10)，(10，20)，(20，30)，(30，40)，(40，50)，(50，60)，(60，70)7类，得到西宁市城区坡度单因素分区评价图，如图8所示。

图8 坡度

3.8 坡向分区

利用ArcGIS 10.6中的坡向工具，计算出研究区域的坡向单因素分区评价图，如图9所示。其中(-1)、(0，22.5)、(22.5，67.5)、(67.5，112.5)、(112.5，157.5)、(157.5，202.5)、(202.5，247.5)、(247.5，292.5)、(292.5，337.5)、(337.5，360)依次被区划为平面、北面、东北面、东面、东南面、南面、西南面、西面、西北面、北面。

图9 坡向

3.9 距断裂构造距离分区

通过ArcGIS 10.6，从西宁市1∶50 000地貌及第四纪地质图中矢量化提取出研究区域的主要断裂构造，使用多环缓冲区工具对断裂构造分布图进行缓冲区分析，将距断裂构造距离按照(0，300)，(300，600)，(600，900)，(900，1 200)，>1 200分为5类，生成的西宁市城区距断裂构造距离单因素分区评价图，如图10所示。

图10 距断裂构造距离

3.10 地下水类型分区

利用ArcGIS 10.6从西宁市1∶50 000水文地质图中矢量化出研究区的主要地下水类型分布图，参照水文地质图中的区划情况，将其划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩类岩溶裂隙水、基岩裂隙水4类，通过工具转为栅格图层后，得到西宁市城区地下水类型单因素分区评价图，如图11所示。

图11 地下水类型

4 西宁市城区地质灾害危险性评价结果

通过ArcGIS 10.6中的空间叠加分析技术，将已获取的10个评价因子的单因素分区评价图结合其相对应的权重系数分析得出西宁市城区地质灾害危险性综合分区评价图，如图12所示，由重分类中的自然间断点分级法分类，将全研究区内的所有栅格按照地质灾害危险性划分为4个等级：低危险区、中危险区、高危险区、极高危险区[19]。自然间断点分级方法是一种基于数据统计分布规律的分类统计方法，它可以最大程度地区分类别，识别分类间隔，并将相似的值划分为最适宜的组[20]。

依据图12可得知，西宁市城区地质灾害危险性分区中，低危险区、中危险区、高危险区和极高危险区的面积分别占西宁市城区总面积的43%、19%、21%和17%，其饼状分布图如图13所示，其中，极高危险性区主要位于西宁市城东区与城中区的八一路以南—曹家沟—小平儿岭一带，而高危险性区与中危险性区分布较为广泛，并且分布在彼此周缘，主要位于西宁市城北区与城中区的下细沟村—泉尔湾村—沈家沟—海湖路以西区域，低危险性区主要分布在西宁市城北区与城中区的平坦地带，大部分都属于市区范围。

图12 地质灾害危险性分区评价

图13 危险性等级面积百分比

5 结束语

笔者以西宁市城区地质灾害为研究对象，遴选了海拔高程、地形相对高差、地层岩性、距公路距离、距断裂构造距离、坡度、坡向、平面曲率、剖面曲率、地下水类型共10个评价因子，建立了地质灾害危险性层次分析模型，获取了10个评价因子的权重系数，构建了西宁市城区地质灾害危险性评价数学模型。通过ArcGIS 10.6的空间叠加分析技术，依据已建的危险性评价数字模型，将获取的10个单因素分区评价图进行空间叠加处理，计算出了西宁市城区地质灾害危险性综合分区评价图。从此图得知，西宁市城区地质灾害中低危险性区域面积最大，占全研究区面积的43%，其次是高危险性区，面积占全研究区面积的21%，然后是中危险性区域，占西宁市城区面积的19%，极高危险性区面积最小，占西宁市城区总面积的17%。本次研究成果对于西宁市城区的地质灾害防治与工程建设具有重要参考价值。