基于GIS和层次分析法的沙溪流域滑坡地质灾害易发性评价

2022-11-04王存智张炜李晨冬吴佳瑜湛龙陈国光

中国地质调查 2022年5期

王存智，张炜，李晨冬，吴佳瑜，湛龙，陈国光

(1.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏南京 210016；2.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北武汉 430074)

0 引言

地质灾害易发性评价是衡量某个区域地质灾害在相对不易发生改变的地质环境，如地形地貌、地质构造等特定自然条件的作用下发生的难易程度概率评估[1-3]，因此进行地质灾害易发性评价能为地质灾害防治提供基础数据和决策依据[4-5]。近年来，常用的滑坡易发性评价有信息量法、多因素回归分析法、模糊判别分析法、人工神经网络法、稳定性分析法、数值模拟法、层次分析法等[6-16]。其中，层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)是一种采用定性和定量相结合的多目标决策分析方法，其操作简便、应用广泛且评价结果可靠，适用于分析滑坡灾害易发性评价等相互关联、相互依存的多因素复杂问题[9,12,15-16]。

沙溪流域位于福建省中西部，地处山区，雨量充沛，经常诱发地质灾害[17-18]，其中地质灾害类型以滑坡为主，规模主要为小型，少量中大型，广泛分布于沙溪流域。合理地进行滑坡灾害易发性评价，对沙溪流域滑坡地质灾害的预防和治理有重要的指导意义。目前对沙溪流域的滑坡灾害风险研究相对薄弱，仅有少量学者从人工工程角度对沙溪流域地质灾害进行了研究[19-20]，但是对于自然因素与地质灾害关系的研究相对薄弱。本文在沙溪流域生态地质调查的基础上，通过对影响滑坡地质灾害的生态地质要素分析，利用地理信息系统(geographic information systems，GIS)平台，运用层次分析-综合指数法，进行了沙溪流域滑坡地质灾害易发性评价。评价结果经历史滑坡点位检验，符合实际情况，评价结果可以为沙溪流域防灾减灾工作提供参考。

1 研究区概况

沙溪流域位于福建省中西部，是闽江上游的重要支流之一。它发源于武夷山脉杉岭的南麓，建宁县均口镇严峰山的水茜溪，向南流至宁化县，然后向南东，经清流县、安砂至永安，称为九龙溪，再转向东北，经三明市区和沙县，至南平市与富屯溪和建溪一起汇入闽江，该段名为沙溪(图1)。沙溪干流全长328 km，集水面积11 793 km2，占闽江流域总面积的19.33%[21]。

1.地级市；2.县(县级市)；3.乡镇；4.县界；5.省界；6.沙溪主干河流；7.沙溪流域范围。图1 沙溪流域范围及交通位置Fig.1 The range and traffic location map of Shaxi river basin

沙溪流域横跨南北武夷两大地块，以南平—宁化构造带为界，北为北武夷地块，南为南武夷地块，经历了长期多阶段的复杂构造活动，最终造就了本区以NNE、NE、NEE向构造为主的基本格架[22-23]。

区内地层出露较全，从新元古界至第四系均有发育。包括前泥盆纪变质岩系，晚泥盆世—中二叠世海相、海陆交互相沉积岩系，早侏罗世—新近纪陆相沉积-火山岩系及第四纪松散堆积层。岩浆活动频繁，主要发育加里东期花岗岩和燕山期花岗岩类。

受新构造运动的内营力和流水作用的外营力的影响，地表切割强烈，地貌以中、低山和丘陵为主，并控制区内水系发育方向。沙溪流域内水系干流大致顺构造线发育，其中沙溪段走向呈NE—SW方向，九龙溪段呈NW—SE向。河谷形状主要为“V”型谷，表现为盆地和峡谷相间的串珠状排列。沙溪流域属中亚热带海洋性季风气候，降雨量充沛，暴雨多发时段一般为5—9月份，为地质灾害的易发时段。

2 数据源与评价方法

2.1 数据源

本次研究数据主要采用沙溪流域2017年高分一号WFV光学影像数据、数字高程模型(digital elevation model，DEM)、沙溪流域多年平均降水数据(中国气象科学数据共享服务网，http://data.cma.cn/)、1∶25万区域地质图(三明市幅、瑞金幅、龙岩幅、广昌幅)、三明市2019年地质灾害隐患点数据(三明市自然资源局)。

数据的分析与处理主要运用GIS软件进行。通过对数字高程模型的计算得到坡度、坡向和水系等栅格数据；通过遥感解译和对矢量化的区域地质图进行分析处理后得到岩性建造、断裂构造等栅格数据；对多年平均降雨量数据进行克里金插值分析得到年均降雨量等值线图，然后处理得到栅格数据。

2.2 评价指标选取

研究表明，滑坡地质灾害易发性评价受多种条件因素的影响和制约[24]。在野外调查现状的基础上，结合研究区地质环境条件，认为滑坡的形成主要包括物质条件(岩性建造、多年年均降水量)、结构条件(距断层距离)和空间条件(地形地貌、坡度、坡向、距河流距离)。因此，分别选取了岩性建造、多年年均降水量、距断层距离、地形地貌、坡度、坡向和距河流距离7个因素作为研究区地质灾害易发性评价指标(图2)。

(1)岩性建造。岩性建造是滑坡地质灾害形成的内在影响因素，它决定着斜坡岩土体的应力分布、软硬程度以及变形破坏等特征，为滑坡地质灾害提供了物质基础[25]。不同的岩性建造具有不同的软硬程度。根据岩石软硬程度，将本区划分为加里东期花岗岩(Sγ)、印支期花岗岩(Tγ)、燕山期花岗岩(J—Kγ)、早泥盆世变质岩(AnD)、晚泥盆世—石炭纪粗碎屑岩建造(D3—C)、早二叠世碳酸盐岩建造(P1)、中二叠世含煤细碎屑岩建造(P2)、晚二叠世—中侏罗世细碎屑岩建造(P3—J2)、晚侏罗世—早白垩世陆相(火山)碎屑岩建造(J3—K1)、晚白垩世陆相红层建造(K2)、第四系冲洪积残坡积建造(Q)等11种建造类型(图2(a))。

(2)多年年均降水量。降水是滑坡地质灾害发生的重要诱发因素之一，降水后发生的渗透作用使岩土体自身的重量增大，导致了下滑推力的增加。渗透在土壤里的部分水渗入地下岩土层，还会使各种构造面强度降低，凝聚力减少，斜坡的稳定性十分容易被破坏[26]。沙溪流域年均降雨量划分为<1 200 mm、[1 200,1 300) mm、[1 300,1 400) mm、[1 400,1 500) mm、[1 500,1 600) mm、[1 600,1 700) mm、[1 700,1 800) mm、[1 800,1 900) mm、[1 900,2 000) mm和≥2 000 mm共计10类(图2(b))。

(3)距断层距离。断层对斜坡的稳定性也有一定的影响。一般来说，断层附近的构造运动比较强烈，易使断层带及其附近一定范围内的岩土体遭到破坏，从而降低斜坡的完整程度[27]。同时断层也是重要的地下水通道，可能加剧斜坡的变形和破坏，也必然对斜坡的稳定性带来不利的影响。对沙溪流域断层进行缓冲区分析，将其分为<2 km、[2,4) km、[4,6) km、[6,8) km和≥8 km共计5个等级(图2(c))。

(4)地貌类型。地形地貌是地质灾害发育的主要影响条件，沙溪流域以中、低山和丘陵为主，具有沟谷发育、切割深度大的特点，是滑坡地质灾害多发区。根据成因类型和形态，研究区地貌类型分为低山、丘陵、中山、中低山、冲洪积层、岩溶丘陵和岩溶盆地等7种类型(图2(d))。

(5)坡度。坡度是滑坡地质灾害发生的主要因素之一。滑坡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[28]。坡度在一定范围内决定着斜坡的稳定性，一般坡度越大，山坡剪切力也越大，发生滑坡的概率也越大；但坡度超过一定范围后，滑坡的概率反而降低。基于DEM数据利用ArcGIS提取坡度信息，将其划分为≤10°、(10°，25°]、(25°,35°]、(35°,45°]、>45°等5个等级(图2(e))。

(6)坡向。坡向也会影响着滑坡地质灾害的发育。岩石的风化程度与接受太阳的辐射成正相关，阳坡比阴坡上的岩石风化程度高，易破碎，从而导致斜坡的稳定性被破坏。同样利用ArcGIS软件对坡向数据进行处理，基于DEM数据通过空间分析—表面分析—坡向得到沙溪流域的坡向，将坡向分为[0°,60°)、[60°,120°)、[120°,180°)、[180°,240°)、[240°,300°)、[300°,360°]共计6类(图2(f))。

(7)距河流距离。河流分布是滑坡地质灾害易发性评价中的重要指标因子，河流侵蚀作用是滑坡形成的重要条件之一。一般来说，河流沿岸距离越近的斜坡，受水流侵蚀作用越强，更易触发滑坡，因此，提取河流的分布范围较为重要。采用ArcGIS中的距离分析对研究区的河流水系进行缓冲区分析，将其划分为<50 m、[50,100) m、[100,150) m、[150,200) m和≥200 m等5个等级(图2g)。

(a) 岩性建造

2.3 评价指标权重计算

在确定影响滑坡地质灾害脆弱性的评价指标之后，需综合各指标的相对重要性进行权重评估赋值，本文采用层次分析法来实现。层次分析法的分析步骤包括：①构建判断矩阵；②计算指标权重；③一致性检验[29]。运用Foreology公司的yaahp层次分析法软件(V6)处理和计算数据。

2.3.1 构建判断矩阵

构建判断矩阵的方法为九标度法[29]。首先将评价体系中各指标两两分组，然后为每组中两个指标的重要性进行打分获得矩阵元素的标度，最后根据标度分值构建出比较判断矩阵(表1)。

表1 沙溪流域滑坡灾害评价指标与权重Tab.4 Comparison matrix and weight value of landslide hazards evaluation index in Shaxi river basin

2.3.2 计算指标权重

(1)计算比较判断矩阵中第i行元素的乘积Mi

(1)

式中：i为矩阵中的行；j为矩阵中的列；Aij为因素Ai与Aj两两比较得到标度(Aij=1，2,3,4,5,6,7,8,9；Aji=1/Aij)；n为比较判断矩阵的阶数。

(2)

(3)

(4)归一化向量矩阵为

W=(W1,W2,…,Wi) (i=1,2,…,n) 。

(4)

式中：Wi即为矩阵中第i行的指标的权重。

根据计算，各评价指标权重值和排名如表1。结果显示：沙溪流域滑坡灾害评价指标中岩性建造权重最大，指示与滑坡关系最为密切,其他权重排名依次为多年年均降水量、坡度、距河流距离、距断层带距离、地形地貌和坡向。

2.3.3 一致性检验

判断矩阵的结果可以通过随机一致性比率(consistent ratio,CR)来衡量[29]，当CR小于0.1时，认为矩阵一致性较好。沙溪流域滑坡灾害7个评价指标经一致性检验后，CR为0.036 4，小于0.1，通过一致性检验。

2.4 评价指标分级

前人研究[9,11-12,16,30]表明，各评价指标的不同分级对地质灾害有不同影响。通过野外地质调查，参考已有的地质灾害点的分布，对沙溪流域各评价指标进行分级分析。

(1)坡度。沙溪流域坡度在(25°,35°]的区域，滑坡灾害最容易发生，此区间的灾害点分布最多。坡角增大或者减小，滑坡灾害易发性均减小。

(2)距河流距离。沙溪流域水系发达，河流众多，滑坡灾害大多发育在距离河流200 m范围以内，距离河流越近，滑坡灾害越容易发生。

(3)距断层距离。沙溪流域的水系一般顺断层构造线发育。与“距河流距离”指标相似，滑坡灾害大多发育在距断层2 km范围以内，距离断层越近，滑坡灾害越容易发生。

(4)多年年均降水量。沙溪流域全区降水量丰富，在年均降雨量越大的区域，滑坡越易发生。但因沙溪流域年均降水量在[1 600,1 800) mm的分布面积最大，导致地质灾害点分布数量多。

(5)地形地貌。沙溪流域切割较深，海拔越高的地貌对滑坡灾害影响越大，灾害点分布也越多。由于人为因素的原因，第四系冲洪积层中灾害点分布也较多。

(6)岩性建造。岩性建造是影响沙溪流域滑坡灾害最重要的指标。其中加里东期花岗岩(Sγ)、印支期花岗岩(Tγ)和第四系冲洪积残坡积(Q)建造对滑坡影响最大，中二叠世含煤细碎屑岩建造(P3—J2)、燕山期花岗岩(J3—K1)次之，晚泥盆世—石炭纪粗碎屑岩建造(D3—C)、晚侏罗世—早白垩世陆相(火山)碎屑岩建造(K2)、晚白垩世(J—Kγ)陆相红层建造、早泥盆世变质岩(AnD)、晚二叠世—中侏罗世细碎屑岩建造(P2)、早二叠世碳酸盐岩建造(P1)等影响依次减弱。

(7)坡向。沙溪流域全区植被覆盖率较高，裸露的基岩较少，坡向对岩石风化影响较小。

根据上述分析，对各评价指标的不同分级进行评分赋值，分值取1～9分。其中：1分表示低风险，5分表示中度风险，9分表示高风险，中间分值表示稳定性介于两者之间。评价指标分级标准表如表2。

表2 沙溪流域滑坡灾害评价指标分级标准Tab.5 Evaluation index of landslide hazards in Shaxi river basin

续表

2.5 评价模型

评价模型的算法采用综合指数法。利用ArcGIS空间分析和栅格计算功能，将各评价指标按照不同分级和权重分别赋值到对应的栅格图层中，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，然后利用ArcGIS空间分析-叠加分析-加权总和功能，得到综合指数(B)，通过综合指数来划分滑坡地质灾害易发性。B值越大，滑坡灾害易发性越高。

3 评价结果

3.1 易发性评价结果

根据评价模型，通过加权总和叠加计算，沙溪流域滑坡灾害易发性综合指数值(B)为1.87～7.52。利用ArcGIS中的自然断点分类法重分类，将沙溪流域滑坡灾害易发等级划分4个区，分别为极低易发区(1.87～4.15]、低易发区(4.15～4.91)、中易发区(4.91～5.59]和高易发区(5.59～7.52)(图3)。

沙溪流域滑坡灾害高易发区主要分布在沙溪流域中南部、东部及东北部地区，表现在宁化县治坪乡、连城县塘前乡、永安市罗坊乡、赖坊镇、永安市贡川镇、三元区中村、沙县夏茂镇等地。这些区域主要沿着河流与断层走向呈线性分布，区内岩性建造以志留纪、三叠纪和侏罗纪—白垩纪花岗岩类等易风化的软弱层为主，地貌以中山和中低山为主，坡度在(25°,35°]，年平均降雨量较大。高易发性区面积占沙溪流域总面积的12.8%。

图3 沙溪流域滑坡灾害易发性分区与滑坡灾害点分布Fig.3 Susceptibility zoning of landslide hazards and landslide points in Shaxi river basin

滑坡灾害中易发区主要位于西北部、北部，该区域岩性建造以中二叠世含煤细碎屑岩建造和晚泥盆纪—石炭纪粗碎屑岩建造等为主，距断层和水系距离相对高易发区稍远，地貌以低山和丘陵为主，坡度为(10°,25°]和(35°,45°]。中易发区面积共占沙溪流域总面积的18.8%。

滑坡灾害低和极低易发区主要位于中部、西南部。该区域岩性建造以坚硬岩层为主，远离断层和河流，地形坡度一般较缓，年平均降雨量低。低和极低易发性区面积占沙溪流域总面积的68.4%。

3.2 评价结果验证

将沙溪流域已有的滑坡灾害点叠加到滑坡灾害易发性评价图上(图3)进行统计分析，结果见表3。结果表明：70%的地质灾害点分布于高易发区和中易发区，低易发区和极低易发区地质灾害点比例仅占30%。随着易发性的提高，地质灾害点密度逐步增大。由此可见，研究区地质灾害易发性评价结果与实际地质灾害的分布较为吻合，评价效果合理。