基于ANP-信息量法的危岩崩塌灾害易发性评价

周 迎，易 武，黄晓虎，张 全，黄 耕，敖 亮

(1.湖北长江三峡滑坡国家野外科学观测研究站，湖北 宜昌 443002；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北 宜昌 443002；3.防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

危岩崩塌灾害突发性强、破坏性大，尤其是在人类工程活动频繁的区域。众多地质学者从危岩体的失稳模式、发育特征及形成机制进行风险性评价研究。黄青能[1]以边坡临空面情况是否良好、是否有阶段性地表径流、坡度范围、岩土体湿度、裂缝发育类型及程度、人类工程活动作为崩塌发育程度的评判标准。Baeza等[2]采用多元统计分析方法，对区域浅层降雨型滑坡开展了易发性评价。Zhou、Chen等[3- 4]把支持向量机中分类和预测方法应用到滑坡灾害敏感性评价中。Yesilnacar等[5]在中等比例尺条件下对土耳其Hendek地区进行了滑坡灾害易发性评价。刘洋等[6]利用ArcGIS平台，采用AHP-信息量模型，对四川省通江县进行地质灾害危险性评价。王佳佳等[7]利用灾害地质图编绘专业监测中崩塌滑坡预报模型和预报判据等资料，开发基于WEBGIS和四库一体技术的滑坡灾害预测预报系统。

层次分析法(AHP)、信息量法的精确程度及适用性均有改进的空间，网络层次分析法(ANP)是AHP的延伸与扩展[8]，ANP-信息量法将ANP网络层次分析法和信息量法的优点结合起来进行易发性空间预测。吴静涵等[9]以金寨抽水蓄能电站为例，建立了基于ISM-ANP的灰色聚类分析的地下洞室施工安全风险评价模型，得出施工安全风险评价结果。祁英弟等[10]在传统TOPSIS法的基础上加入灰色关联理论，构建西北地区引水隧洞病害安全评价模型，通过应用Super Decision软件得出各隧洞段病害安全等级。本文基于ANP-信息量法，对湖北宜昌点军区白垩系地层进行易发性评价。

1 点军区白垩系地层概况

点军区位于宜昌城区长江南岸地带，面积为532.18 km2，区内白垩系地层面积为292.19 km2。研究区内地形地貌为丘陵到平原的过渡带，丘陵地貌在艾家镇、桥边镇、联棚乡及点军街道办均存在，区内高山主要集中在土城乡一带。研究区内岩质斜坡居多，斜坡坡面可见危岩发育，区内岩体地层主要为：①白垩系上统罗镜滩组。岩性为紫红色块状砾岩，局部夹粉砂岩及粉砂岩透镜体，岩层厚为273 m；②白垩系下统五龙组。岩性为中～粗粒砂岩、粉砂岩、钙质细砂岩夹砾岩，岩层厚为1 866 m；③白垩系下统石门组。岩性为紫红色块状砾岩，局部夹粉砂岩及粉砂岩透镜体，岩层厚为100 m。崩塌地层岩性专题见图1。根据危岩崩塌地层岩性专题图划分得出地层岩性单因子易发性分区情况，见表1。

图1 崩塌地层岩性专题

表1 地层岩性单因子易发性分区情况

本研究源数据来源于91卫图影像图及高程图，经过Globalmapper14处理后导入ArcMap10.4生成。源数据中DEM图的分辨率为12.5 m，ArcGIS制图比例为1∶2 500 000。

2 模型介绍

本文首先利用ANP法对研究对象进行分析并构建典型的分析模型，通过解超矩阵确定权重；得出权重值后与信息量方法得出来的信息量值叠加得出综合信息量值，从而得出更加科学合理的易发性分区。

研究区白垩系地层主要的影响因素为坡度、坡向、层理倾角、地形相对高差、地层岩性、距区域地质构造距离、距道路距离、土地利用分类，其他因素由于资料有限不做考虑。危岩崩塌灾害易发性评价模型建立步骤如下：

(1)确定控制层中各因素的权重。由于坡度、坡向、层理倾角、地形相对高差、地层岩性、距区域地质构造距离、距道路距离、土地利用分类各个因素之间是相互独立的，因此考虑采用直接优势度的原则，即给定一个准则，确定其中任意2个因素对这个准则的重要程度[10]。

(2)构造判断矩阵网络。ANP-信息量法的网络结构见图2。在总目标下对网络层的各个元素进行比较，列出判断矩阵，矩阵中的数据通过对决策者进行调查问卷得到。

图2 选取因子及结构模型

在计算权重值前需要对已有数据进行归一化处理，归一化特征向量为

(1)

(2)

(4)计算加权超矩阵并得出权重值。由于超矩阵中每个子块都是归一化的，但该矩阵并不是归一化的[10]。因此，以A为准则，按照各组元素对C层的重要性进行比较，得到1个归一化的排序向量Aj[10]，即

Aj=[a1j，…，aNj]T

(3)

式中，aij是B中元素对C的影响程度排序向量，根据排序向量的矩阵可以得出准则下的超矩阵K[11]，即

(4)

式中，ω1N是网络层一级指标B中各因素的相对权重子矩阵[10]。将加权矩阵与超矩阵通过计算即可得到加权超矩阵W加权，对加权超矩阵进行排序并计算权重即为ANP权重计算结果[10]。公式为

W加权=A×K

(5)

(5)信息量法确定信息量值。信息量计算公式如下

(6)

式中，q(xi，h)为评价因子xi对研究区地质灾害hi所贡献的信息量；Mi为研究区内已发生地质灾害区域中含有评价因子xi的灾害数量；M为研究区内已发生地质灾害次数；Si为研究区内含有评价因子xi的面积；S为研究区面积[12]。叠加每1个单元格里的信息量得出评价单元里的总信息量值Qi[12]。最后，将ANP法计算得出的W加权值与信息量得出来的综合信息量值Qi进行叠加，即可得出ANP-信息量法权重值。公式为

(7)

3 点军区危岩崩塌灾害易发性评价

3.1 计算过程

确定影响因子指标体系后，结合ANP-信息量法进行分析。分析前，将影响指标划分为2级：一级指标为模型建立的目标，研究区内危岩崩塌灾害的易发性程度；二级指标为主要的影响因素。

本文结合权重计算公式，基于ArcGIS软件得出各个影响因素的分级专题图。以区内22处崩塌灾害点为样本点；经过重分类并通过计算得出的权重值进行叠加分析，即可得出易发性评价结果。

3.2 单因子评价

3.2.1 距道路距离

分级依据为公路上过往车辆对路面产生的动荷载，一定程度上会影响坡体稳定性，越靠近道路，稳定性受其影响越明显。根据实际情况，以5 m为梯度进行划分，重分类后距道路距离C7划分为：<5、5～10、10～15、>15 m。危岩崩塌距道路距离专题见图3。不同区间取值分级占比见图4。研究区内危岩崩塌灾害样本点距道路距离分区情况见表2。道路和居民区工程建设相当于给坡体施加外部荷载，对地质环境的破坏程度较大，易诱发和加剧地质灾害[13]。分析可知，距离道路越近，缓冲区受到地质灾害波及的可能性就越大。

图3 崩塌距道路距离专题

图4 距道路造距离分级占比

表2 距道路距离单因子易发性分区情况

3.2.2 地形相对高差

基于DEM数据并采用自然间断法得出的地形相对高差专题见图5。进行重分类后，以最低点的高程为基准线进行计算得出地形相对高差C3划分为：0～138、139～270、271～431、432～1 017 m。不同区间的地形相对高差分级占比见图6。

图5 地形相对高差专题

图6 地形相对高差分级占比

由于地形相对高差的不同，风化作用对地表改造的强弱也存在明显差异，主要以生物风化作用及化学风化作用为主[13]。地形相对高差较大的区域植被发育，气候潮湿，地表岩体吸收的太阳能辐射较少。地形相对高差单因子易发性分区情况如表3所示。

表3 地形相对高差单因子易发性分区情况

3.2.3 距区域地质构造距离

区域性断裂带和褶皱带中岩体破碎，完整性差，地质灾害往往密集发育[13]。区内地质构造如断层、拉张裂缝等直接影响崩塌灾害的发育，越靠近区域地质构造位置，稳定性受其影响越明显。距区域地质构造距离专题见图7。根据实际情况，以1 km为梯度进行划分，距区域地质构造距离C6划分为：<1、1 ～2、2～3、>3 km。距区域地质构造距离分级占比情况见图8。

图7 崩塌距区域地质构造专题

图8 距区域地质构造距离分级占比

由于部分灾害点距缓冲区范围较远，灾害发生的可能性较小。因此，在计算综合信息量值时需要剔除大于3 km的样本数据，并在此基础进行调整得出距区域地质构造距离的单因子分区情况，见表4。

表4 距区域地质构造距离单因子易发性分区情况

3.2.4 坡度

斜坡的陡倾程度会影响斜坡变形失稳的模式[14]，坡度不同，稳定性也不相同。基于DEM数据，采用自然间断法得出坡度专题见图9。进行重分类后，坡度分级为坡度C1划分为：0°～12°、13°～23°、24°～36°、37°～81°。坡度分级占比见图10。分析可知，越靠近研究区域的西南方向，坡度越陡。研究区内的危岩崩塌灾害样本点的坡度分区情况见表5。

图9 崩塌坡度专题

图10 坡度分级占比

表5 坡度单因子易发性分区情况

3.2.5 坡向

太阳东升西落，坡向不同，坡面植被受到太阳光照及降雨量的程度也有一定的差异性，坡向差异对降雨、风速及光照等影响风化速率的因子均有影响[13]。采用DEM数据基于自然间断法，得出坡向专题见图11。坡向C2划分为：东北方向、东南方向、西北方向及西南方向。坡向分级占比见图12。研究区内的危岩崩塌灾害样本点的坡向分区情况见表6。

表6 坡向单因子易发性分区情况

图11 崩塌坡向专题

图12 坡向分布占比

3.2.6 土地利用分类

地表植被根系对松散土体具有稳固作用，一般植被发育的区域地质灾害发育较少[13]。而植被发育

在节理裂隙发育的岩体表面则会进一步促进根劈作用的发展，导致危岩体受到挤压脱离母岩。根据土地利用监测数据分类结果，对研究范围内的土地进行分类，C8划分结果为：农田及水域、林地、旱地及草地、建设用地。土地利用分类专题见图13。土地利用分类情况见图14。研究区内土地利用分类分区情况见表7。可以得出，林地覆盖范围内植物根劈作用明显，农田及水域次之，建设用地、旱地及

表7 土地利用分类单因子易发性分区情况

图13 崩塌土地利用分类专题

图14 土地利用分类

草地覆盖区存在植物根劈作用的可能性较小。

3.2.7 层理倾角

水平层理与垂直层理对崩塌灾害造成的影响是不同的。张峰等[15]针对新疆准东煤田露天矿的近水平层状岩体进行数值模拟分析，研究近水平层理边坡的变形机制，说明层理的倾角大小对灾害存在一定的影响。通过对研究区层理倾角分布情况进行分析归类，得出层理倾角专题，见图15。通过现场调查及现有资料，对层理倾角C4划分为：2°～5°、6°～7°、8°～9°、10°～22°。层理倾角占比见图16。层理倾角单因子易发性分区情况见表8。

表8 层理倾角单因子易发性分区情况

图15 研究区层理倾角专题

图16 层理倾角分级占比

3.3 易发性评价结果

对坡度、坡向、层理倾角、地形相对高差、地层岩性、距区域地质构造距离、距道路距离、土地利用分类各个评价因子划分等级，利用ArcGIS进行叠加得出易发性分区图。通过SPSS软件对各评价指标进行相关性分析，得出评价指标之间没有明显相关性，符合评价要求。通过ArcGIS利用自然间断法将易发性分为4个等级，获取研究区的易发性分级图，见图17。利用ANP-信息量法计算出权重结果叠加后得出易发性等级划分，见表9。

表9 易发性等级划分

图17 崩塌易发性评价分区

崩塌易发性评价分级占比见图18。从图18可以看出，本研究对点军区白垩系地层的中、较低易发区的危岩崩塌灾害早期识别的精确程度较高。当灾害点的不同标准均处于最不利状态，灾害点受影响的程度就越大，权重取值也就越大。因此点军区白垩系砂砾岩危岩崩塌灾害的易发性评价结果为：当灾害点的坡向为东北方向或西北方向，坡度为13°～36°，层理倾角为8°～22°，土地利用类型为林地或建设用地，地形相对高差范围为0～138 m，距道路距离小于5 m，距区域地质构造距离小于1 km时，则该灾害点可能发生崩塌灾害，研究区内符合该地质条件特征的主要分布在点军区的西北部—土城乡，其次为桥边镇与点军街道办，该灾害点所在区域为中易发区或较低易发区可能性较大。

图18 崩塌易发性评价分级占比

4 结 语

本文通过主观定性分析和客观定量分析相结合，对湖北宜昌点军区白垩系地层危岩崩塌灾害进行早期识别。基于ANP-信息量法进行易发性分析，结果基本与实际情况相符，方法合理可行，适用于研究区危岩崩塌灾害中低易发区的危岩崩塌灾害的早期识别，精确程度相对较高。

实际情况下，地质灾害的影响因子不仅仅限于本文提到的几种因素，后期应在影响因子指标上如节理裂隙的发育、灾害体分布的密集程度等方面进行深入研究。