基于AHP与信息量法的甘肃省滑坡易发性评估

2021-10-11申怀飞施采琦杨欣柯

水土保持研究 2021年6期

申怀飞,董雨,杨梅,施采琦,杨欣柯

(许昌学院城市与环境学院,河南许昌 461000)

滑坡作为六大地质灾害之一，其年发生量在地质灾害中占比高达50%～86%，严重威胁人类生命财产安全。滑坡易发性评价(又称滑坡敏感性评价)，是通过研究某一地区环境中的各项影响因子对滑坡发生的影响程度，综合考虑各因子的权重，对潜在滑坡的类型、空间分布和滑坡概率进行定性或定量的评价，即解决“在何地容易发生滑坡灾害”的问题。而滑坡风险性评估不仅回答了什么地方容易滑坡的问题，还进一步估算了因滑坡对个人、群体、财产或环境造成的风险[1-2]。滑坡易发性和风险评估为当前地质灾害研究领域的热点问题。

国外学者在滑坡灾害易发性和风险评估方面开展了一系列研究，Wicaksono等选取包括坡度曲率、坡度梯度和建筑密度等17个因子，采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)创建滑坡易发性图[3]。Ellen Felizardo Batista等提出将衡量滑坡成本和评估脆弱性的方法应用于公路周边区域滑坡风险评估[4]。Pratap Ram等采用二元统计法绘制喜马拉雅山脉附近小镇及其周边地区的滑坡易发图并进行了风险评估[5]。Abhirup Dikshit等综合研究区实际情况和专家判断确定脆弱性因子和危险性因子的权重，绘制滑坡危险图和脆弱性图，并对由降雨引起的山体滑坡风险进行评估[6]。M.Fressard等以法国诺曼底的奥吉高原为研究区，在详细尺度上使用多元统计建模方法对滑坡敏感性进行评估[7]。Mostafa Mousavi等采用定量风险分析方法对伊朗北部Emamzadeh Ali地区由地震诱发的滑坡进行脆弱性评估[8]。Biplab Mandal和Sujit Mandal应用层次分析法，以地理空间工具为基础，编制了大吉岭喜马拉雅东部利什河流域滑坡易感性图[9]。Kayastha等采用层次分析法对尼泊尔蒂瑙流域进行分析，编制了滑坡易感图，并利用物理和统计方法对滑坡易感图进行了验证[10]。国内研究方面，吴树仁等确定了近年来对于滑坡灾害的研究逐步向以定性—定量描述为基础预测灾害发生概率的方向发展[11]。向喜琼建立了较为完善的区域滑坡地质灾害危险性评价方法体系，完善和修正了区域滑坡地质灾害风险评价和风险管理的基本框架[12]。常建娥等通过应用实例证明应用层次分析法可以确定出权重，从而为决策提供依据[13]。朱良峰等采用信息量模型对中国范围内的滑坡灾害进行危险性分析，进而进行区域社会经济易损性分析，并在此基础上进行最终的滑坡灾害风险评估[14]。孙强等基于GIS与层次分析法通过分析滑坡危险性评价结果、人口及财产易损性等，对龙溪流域进行滑坡风险性评价[15]。廖祥东等采用定量评价方法，开展十堰市某单个滑坡的稳定性、危险性、承灾体易损性分析评价，在此基础上进行滑坡风险分析评价[16]。上述研究中的滑坡风险评估多在中小尺度范围进行，以选取某一种方法或模型对滑坡风险进行评价为主流，且评价模型理论体系尚需进一步完善。

甘肃地处黄土高原、青藏高原和内蒙古高原三大高原交汇地带，地形复杂，山脉纵横交错，海拔相差悬殊，有滑坡致灾的充分条件。本文在综合考虑各方面因素基础上，选取地形起伏度、土壤、植被、降水、地震等指标[17-25]，结合层次分析法与信息量模型对甘肃省境内进行滑坡易发性评估，为研究区滑坡灾害防治提供科学依据，提高人们对滑坡灾害的防范意识，也丰富了地质灾害特别是滑坡灾害易发性评估的理论和方法[26-28]。

1 研究区概况

甘肃省位于中国西部，地处黄河上游，位于东经92°20′—108°43′，北纬32°36′—42°48′，东西蜿蜒1 655 km，面积42.59万km2。甘肃省大部分地区位于中国地势第二阶梯上，海拔高程556～5 856 m；土壤类型主要为漠土、高山土和初育土，占甘肃省总面积的60.28%；地层岩性主要为新生代的第四系和中古生代的泥盆系。甘肃省东西气候差异大，西部地区属温带大陆性气候，东部属于温带季风气候，降雨在时空分布上不均衡，西北少东南多，冬春少夏秋多，年降水量36.6～734.9 mm。2017年甘肃省滑坡多集中在东南部地区，共123处，其中小型10处，中型72处，大型38处，特大型3处。研究区位置见图1。

图1 研究区位置及滑坡点分布情况

2 研究数据和方法

2.1 数据来源及预处理

进行滑坡易发性评估，基础数据的来源及其精确程度将会直接对评价结果产生影响，本论文所采用数据来源见表1。本研究所用数据(表1)均选用WGS_1984_UTM_Zone_47N投影坐标系，避免在不同坐标系下各指标数据的偏移和变形。将统一坐标系的甘肃省DEM(Digital Elevation Model)数据、年平均降水、地震核密度、植被覆盖度、土壤类型、地质类型、土地利用类型、道路密度及人口密度数据，基于ArcGIS软件分别进行剪裁、矢量化、拓扑检查、插值分析、栅格计算等处理，以便于对研究区滑坡易发性进行评估。本研究将2017年滑坡点数据随机分为两部分，一部分用于计算不同因子对滑坡提供的信息量值，另一部分用于滑坡易发性评估的检验。

表1 研究区基础数据来源

2.2 评价指标

对滑坡灾害易发性进行评估，首先确定影响滑坡灾害的重要因子。本文选取滑坡影响因素中的地形起伏度、降水、坡度、植被覆盖度、岩性、人口密度等因子(图2)用于甘肃省滑坡易发性评估。

图2 滑坡易发性评估指标

2.3 研究方法

国内外专家学者针对滑坡易发性评估提出多种研究方法。目前常用于滑坡易发性分析的方法主要为定性的层次分析法和定量的信息量模型等。定性分析法人为主观因素较强，随意性大；而定量分析法则忽略了不同因素之间的联系。本研究采用定性与定量相结合的方法对甘肃省滑坡灾害进行易发性评估。

2.3.1 层次分析法

(1)建立层次结构模型。在此步骤中将问题所含要素进行分组，每组作为一个层次，并将其按目标层—准则层—措施层的次序排列起来，见图3。

图3 层次结构模型

(2)构造判断矩阵。构造判断矩阵是AHP决策中一个关键的步骤。从目标层开始，对同一层的各个因素重要程度进行两两比较，评定该层次中各有关元素的相对重要性(表2)。

表2 判断矩阵标度说明

(3)一致性检验。为了确定矩阵的可靠性需要检验判断矩阵的一致性，计算它的一致性指标：

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

式中：λmax为判断矩阵的最大特征根；n为判断矩阵阶数；CI为判断矩阵的一致性指标。当CI=0时，判断矩阵具有完全一致性；反之，CI越大，就表示判断矩阵的一致性越差。RI为判断矩阵的平均随机一致性指标(表3)。

表3 平均随机一致性指标

一致性指标CI与同阶的平均随机一致性指标RI之比记为CR。

CR=CI/RI

当CR<0.1时，认为判断矩阵有令人满意的一致性。

计算得各指标的权重向量ω=(0.0618，0.0848，0.0337，0.2197，0.0783，0.1974，0.1243，0.1187，0.0499，0.0314)

2.3.2 信息量法本研究选定的10个影响因子对滑坡灾害发生所提供的信息量各不相同。根据公式可计算出各个因子所提供的信息量值：

(2)

式中：Si0为每个影响因子X中各个类别中发生滑坡灾害的面积；Si为影响因子X中每个类别的面积；A0为研究区内发生滑坡灾害的总面积；A为研究区总面积。

计算得各因子对滑坡灾害发生所提供信息量值，计算结果见表4。

表4 各因子信息量值

将信息量值与层次分析法所得权重值进行加权求和，公式如下：

(3)

式中：ICI为评价因子的综合信息量;wi为层次分析法所得各评价因子权重值;Iij为第i个评价因子中第j个类别的信息量。

3 结果与分析

3.1 评价结果及精度验证

利用公式(3)计算得到整个研究区综合信息量值，进而得到甘肃省滑坡易发性区划图(图4)。从图中可看出，在高易发区和极高易发区滑坡点分布集中，随着易发性等级降低，滑坡的数量和密度分布都随之降低，说明甘肃省实际发生滑坡情况与评估模型基本吻合。

受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve，ROC)又称为感受性曲线。ROC曲线分析的是二元分类模型。在对滑坡进行易发性评估时通常使用ROC曲线分析方法对评价结果进行精度验证。ROC曲线是以真阳性率(灵敏度)为纵坐标，假阳性率(1-特异度)为横坐标绘制的曲线[29]。试验精度与曲线下面积(Area Under Curve，AUC)取值成正比，AUC值越大，试验精度越高，即在ROC曲线图中，ROC曲线越靠近图表区域左上角，模型的预测精度越高。AUC处于[0.5,0.7]时预测可信但精度较低，AUC处于[0.7，0.9]时试验精度为中等水平，0.9

为了对滑坡预测结果进行验证，选取2017年的123个滑坡点数据作为滑坡样本，赋值为1，创建123个随机样本点作为非滑坡样本，赋值为0。基于研究区滑坡易发性评价结果利用SPSS绘制ROC曲线，见图5，AUC值为0.884(即ROC曲线下面积)，面积的标准误差为0.022，在显著性水平在0.05的情况下置信区间为0.841～0.928，由此可知评估具有较高可信度，可作为甘肃省滑坡易发性评价最终结果。

图5 甘肃省易发性区划验证ROC曲线

3.2 滑坡易发性空间分布特征

由甘肃省滑坡易发性区划图(图4)可知，甘肃省滑坡灾害易发等级整体空间分布特征呈现自东南向西北逐渐降低的变化规律，甘肃省滑坡灾害多以中低等级为主，多分布在中部和西部地区；高易发区则主要分布在甘肃省东南部的陇南、天水、甘南、定西、平凉和庆阳等地，酒泉、张掖和武威等地也有零星分布；极高易发区集中分布在陇南地区。

图4 甘肃省滑坡易发性区划

3.3 不同等级易发性滑坡分布特征

对各滑坡易发区面积及其间滑坡点分布情况进行统计得到表5。由表5和图4可知，甘肃省滑坡极低易发区的面积为10 km2，约占全区总面积的0.003%，无滑坡灾害点分布。该易发区主要分布于甘肃省酒泉市西部及张掖市的肃南裕固族自治县、高台县、临泽县地区。区域内地形起伏度较小，地质环境好，地层岩性主要为三叠系、泥盆系；土壤主要为钙层土、高山土；植被覆盖度高，降雨量少；受人类活动影响小，交通不发达，不易发生滑坡。低易发区的面积为1.35×105km2，约占整个研究区总面积的32.875%，滑坡点在此区间共分布1个，占总滑坡数的0.813%，滑坡灾害密度为0.074个/万km2。该易发区主要分布于酒泉市西部、东南部，武威市东北部及张掖市西北部和中部。区域内地形起伏度较小，地层岩性复杂，土壤类型为漠土、初育土和高山土，虽该部分地区处于山地，植被覆盖度低，但人类活动少，交通不发达，因而滑坡易发性低。中易发区的面积为1.96×105km2，约占整个研究区面积的47.544%，滑坡点在此区间共分布40个，占总滑坡数的32.520%，滑坡灾害密度为2.041个/万km2。该易发区分布范围广，甘肃省各市均有涉及。区内部分地区地形起伏度相对较大，土壤类型多样，包含漠土、初育土、钙层土、高山土、干旱土、半水成土、盐碱土，地层岩性复杂，人类活动相对较频繁，植被覆盖度相对较低，白银市、兰州市、定西市、庆阳市及临夏回族自治州滑坡灾害的发生受降雨量和交通影响较大。高易发区的面积为6.28×104km2，约占整个研究区总面积的15.243%，滑坡点在此区间共分布59个，占总滑坡数的47.967%，滑坡灾害密度为9.392个/万km2。该易发区主要分布在甘肃省的东南部和南部的庆阳市、平凉市、天水市、定西市及甘南藏族自治州等地区。区内地形起伏度较大，土壤类型以半淋溶土、人为土、钙层土、初育土为主，地层岩性主要为二叠系、三叠系、上三系和白垩系，植被覆盖度较高,但相对频繁的人类活动、过高的降雨量以及发达的交通对该区域较高的滑坡易发性具有一定的影响。极高易发区的面积为1.79×104km2，仅占研究区总面积的4.336%，滑坡点在此区间共分布23个，占总滑坡数的18.699%，其滑坡灾害密度达12.870个/万km2。该易发区主要分布在甘肃省的陇南市及甘南藏族自治州东南部地区。区内土壤类型主要为淋溶土，地层岩性以泥盆系、白垩系和第四系为主，植被覆盖度高，人类活动相对较少，地形起伏度大，交通相对发达，年均降雨量达518.6～589.8 mm，危险性高，易发生滑坡。

表5 甘肃省滑坡易发性评估检验表

甘肃省中北部地区属温带大陆性气候，全年降水较少，雨水对土壤的冲蚀能力较弱，且该地区地形起伏度及坡度小，人类活动、交通等对地表影响较小，滑坡易发性低；甘肃省南部地区属温带季风气候，全年降水多集中夏季，短时降水多，且降水强度大，对土层冲刷力强，该地区坡度大，土层不稳定，再加之人类活动密集、交通发达，滑坡易发性较高。据此可推断出甘肃省滑坡高发地区具有年均降雨量高，地形起伏度大、人类活动频繁，交通发达等特征。

3.4 各地市滑坡易发性情况

对各地市各滑坡灾害易发区面积进行统计，由表6可知，天水市、陇南市和甘南藏族自治区总体上滑坡易发程度较高，高易发和极高易发区面积分别占该市总面积的67.474%，81.937%和54.856%；平凉市和定西市中高易发区面积占比较高，分别为该市面积的98.376%和93.848%；兰州市、金昌市、白银市、张掖市、庆阳市、临夏回族自治区中易发区分布最广，分别为76.375%，78.076%，78.941%，55.430%，71.887%，65.469%；嘉峪关市中易发区和低易发区面积相当，两种易发区面积分别占该市面积的50.028%和49.959%；武威市和酒泉市大部分的地区为中低易发区，分别占该市面积的92.617%和98.839%。