基于GIS的层次分析法在宁夏地质灾害易发性评价的应用

高丽琰，余江宽，张幼莹，程 捷

(1．中国地质大学，地球科学与资源学院，北京 100083;2．中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

地质灾害是指在自然或人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用(现象)，如崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝等。据中国地质环境信息网发布的《全国地质灾害通报》统计，2016年全国共发生地质灾害9710起，其中滑坡7403起、崩塌1484起、泥石流584起、地面塌陷221起、地裂缝12起和地面沉降 6起，分别占地质灾害总数的 76.2%、15.3%、6.0%、2.3%、0.1%和 0.1%，灾害共造成370人死亡、35人失踪、209人受伤，直接经济损失31.7亿。

地质灾害已经严重阻碍了我国的经济社会发展，威胁着人类生命财产的安全。为保证人们生命财产的安全，我们应该对地质灾害进行详细的研究，利用科学的方法，制定相应的地质灾害防治对策，尽可能减小地质灾害产生的危害。

地质灾害发生的受控因素是十分复杂的，将研究区准确合理地划分地质灾害易发程度分区所选用的方法尤为重要。层次分析法在地质灾害易发性评价中可以将问题层次化，运用广泛，逻辑性强，将各个评价因子的关系梳理清晰，并且还能够很好地避开人为主观影响，最终达到研究目的。因此，本次研究采用层次分析法对宁夏地区地质灾害进行易发性评价。

1 研究区概况

宁夏回族自治区东、西、北部与内蒙古自治区接壤，东、南部与甘肃省、陕西省毗邻。地理坐标界于东经 104°17'～107°39'，北纬 35°14'～39°23'之间，南北长约465km，东西宽45～250km，面积66400 km2。行政区划为5市(银川市、石嘴山市、吴忠市、固原市、中卫市)，11个县，2个县级市和9个县级市辖区。宁夏地处西北内陆，具有明显的大陆性气候。其特点为南寒北暖、南湿北干、冬寒漫长、夏少酷暑、春秋短促、日照充足，蒸发强烈，干旱少雨，风大沙多。气温年、日差较大，无霜期短，多发干旱、风沙、冰雹、霜冻等灾害。

2 研究区地质灾害发育类型及概况

通过2016年遥感解译、野外调查以及资料收集，整理取得了宁夏区22个县(市)地质灾害解译、调查数据，其中滑坡756个、泥石流394个、崩塌554个、地面塌陷20个、不稳定斜坡955个(图1)。

宁夏地区地质灾害类型主要有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和不稳定斜坡等。其中，滑坡、崩塌、不稳定斜坡主要分布于南部山区的黄土丘陵区和贺兰山北段矿区，泥石流主要分布于丘陵山区及山前、丘陵与平原过渡地带，地面塌陷分布于各个煤矿区。地质灾害已严重影响到人民的生命财产安全，对于当地甚至我国的经济发展起着不可估量的制约作用。

图1 宁夏地质灾害类型及百分比饼图Fig．1 Pie chart of types and percentages of geological hazards in Ningxia region

3 层次分析法及地质灾害易发性评价

3.1 层次分析法基本原理

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是由美国匹兹堡大学教授A．L．Saaty于20世纪70年代提出的一种系统分析方法。他模仿人的决策思维过程，将问题层次化，根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解为不同的组成因素，按照因素间的相互关系及隶属关系，将因素按不同层次聚类组合，形成一个多层次的分析结构模型和综合定性与定量相结合的分析方法［1］。

3.2 选取评价因子，建立层次模型

在地质灾害易发性综合评价中评价指标的选取非常重要，然而受到研究区各种客观条件的限制不可能将所有影响地质灾害易发性的因素都评价出来，这样就需要从众多的评价指标中选取主要控制性的指标，从而忽略次要的影响性小的指标［2］。

AHP要求的递阶层次结构一般由以下三个层次组成:最高层、中间层、最底层。在地质灾害易发性评价研究中，最高层一般为评价区域地质灾害易发性的评价体系，中间层一般为地质灾害影响因子的类别，最底层一般为各个类别的具体指标。

在研究区内，选取了历史因素、自然地理因素、诱发因素三大类地质灾害影响因子，其中历史因素包括灾害点密度;自然地理因素包括坡度、坡型、工程地质岩组、地质构造、水系、地貌;诱发因素包括降雨、人类活动范围、道路(图2)。

3.3 构建判断矩阵，计算影响因子权重

为避免构造判断矩阵的片面性及人为的主观影响，在评价中选定对评价区地质灾害熟悉的地质专家组成专家组，通过专家评分对该区地质灾害及其背景因素和影响因素的相对重要性进行分析和打分，并综合构造判断矩阵，各层的因素对上一层的影响程度的评价方法，采用1～9标度法(表1)对各因素进行两两相互比较，得出构造判断矩阵［3］。

表1 判断矩阵1～9标度的含义Tab．1 Meaning of scale 1～9 in judgment matrix

基于构造的判断矩阵，计算出判断矩阵的最大特征值λmax和对应的特征向量，将特征向量归一化处理后即为同一层次中各因子对于上一层次中的某个因子的权重w，计算单排序权向量并做一致性检验，对每个比较矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性指标(CI)，随机一致性指标(RI)和一致性比率(CR)做一致性验证。

其中，一致性指标(CI):

λmax为最大特征根，n为判断矩阵的阶数。随机一致性指标(RI)是由大量试验给出，RI的值可以按表2取值。

图2 宁夏地质灾害AHP层次模型示意图Fig．2 Model of Analytic Hierarchy Process for geological hazards in Ningxia area

表2 随机一致性指标RI的数值Tab．2 Values of random consistent index RI

一致性比率(CR):

当CR＜0.1时，认为判断矩阵具有满意的一致性，权重分配比较合理，反之，需要重新调整判断矩阵，直到达到满意的一致性。

本文使用excel计算最大特征值λmax、特征向量以及特征向量归一化处理［4］，各层次的判断矩阵、权重及一致性检验见下表(表3、表4、表5)。

表3 中间层(B)判断矩阵，权重及一致性检验Tab．3 Judgment matrix，weight value and consistency check for the interlayer(B)

表4 最底层(D)判断矩阵，权重及一致性检验Tab．4 Judgment matrix，weight value and consistency check for the bottom layer(D)

表5 最底层(E)判断矩阵，权重及一致性检验Tab．5 Judgment matrix，weight value and consistency check for the bottom layer(E)

计算最底层对最高层总排序的权向量，并做一致性检验，最终，宁夏地质灾害易发性评价指标权重值分配见表6。

表6 宁夏地区地质灾害易发性评价指标权重分配表Tab．6 Weight values for the evaluation factor of geological hazards in Ningxia

4 宁夏地区地质灾害易发性评价

4.1 评价模型建立

宁夏的地质灾害易发性评价方法主要采用综合指数评价方法［5］，其计算公式为:

式中，F为地质灾害易发性综合指数;Ni为各个评价指标归一化值;wi为评价指标的权重。

4.2 地质灾害易发性评价指标单元划分以及评价指标量化

在评价区内，采用规则栅格单元［6］的方法进行网格剖分，将评价区按照1.5×1.5(km)形式，将宁夏区划分为229行，283列，共23702个栅格单元。

在评价区内所选取的评价指标的属性值进行0～1的归一化处理，对于坡度、坡型等定量指标，利用ArcGIS的栅格计算功能进行简单的公式转换;对于岩土类型、水系等定性指标，通过不同的属性对地质灾害影响程度的大小进行分级赋值。

4.2.1 地质灾害点密度、坡度、坡型的指标量化及归一化

地质灾害点代表着该地区历史发生地质灾害情况，地质灾害点密度越大，代表该区发生的地质灾害的频数越高，是地质灾害重点防治区。将地质灾害点的所在位置与研究区融合并进行密度分析，将密度值归一化，形成宁夏区地质灾害点密度归一化图层，灾害点密度归一化的数值越高，说明地质灾害分布越密集(图3a)。

以宁夏地区1∶50000的Aster GDEM为数据源，提取坡度和坡型，利用ArcGIS的栅格计算功能将坡度与坡型的数值进行归一化处理。坡度和坡型是地形要素的重要指标，直接影响着斜坡稳定性，对地质灾害发育起到重要的作用，其中坡度越高，临空面的有效值越小，就越易发生崩塌、滑坡等地质灾害;而坡型分为凹型坡、直线坡和凸型坡，其中凸型坡由于下部支撑力较小，易发生崩塌等地质灾害;一般情况下，斜坡的坡度在20°～60°之间，地质灾害易发程度较高，所以定义斜坡坡度为60°时，取值为1，将斜坡坡度小于20°和斜坡坡度90°时，取值为0，其他范围按0～1进行归一化处理(图3b)。坡型的计算是根据ArcGIS的曲率计算功能，将曲率最大值取值为1，曲率最小值取值为0，其余值按0～1进行归一化处理(图3c)。

4.2.2 工程地质岩组、地貌的指标量化及归一化

地层岩性是地质灾害产生的物质基础，一般岩性结构松散的岩组，如第四纪沉积物、泥岩、页岩、千枚岩等或者岩体层间软硬相间的岩组都容易发生滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害，利用宁夏地区地层岩性的属性，按照工程地质岩组分类标准，对其岩石的坚硬程度进行分类，按照分类的工程地质岩组对地质灾害贡献的程度进行赋值(松散体为0.9、坚硬岩夹软岩组为0.7、坚硬岩组为0.2等)，得出宁夏工程地质岩组归一化图层(图3d)。

宁夏地区地貌类型复杂且多样，以山地、丘陵(红岩丘陵、黄土丘陵)、台地、平原和沙漠五种地貌类型为主。由于山地地势陡峭，岩性复杂，以及黄土丘陵中的黄土疏松，垂直节理发育，具有湿陷性等特征，都容易发生崩滑流、地面塌陷等地质灾害。根据地貌类型发生地质灾害的可能性分别对其进行赋值(山地为 0.8、丘陵为 0.9、沙漠为0.2、台地为0.4、沙漠为0.2)，得出宁夏地貌归一化图层(图3e)。

4.2.3 地质构造、水系、人类活动范围、道路的指标量化及归一化

地质构造、水系、人类活动范围、道路为定性指标，地质构造主要选取了宁夏地区的主要断层，水系主要选取宁夏地区的主流水系，人类活动范围主要以乡镇为单位的居民地，道路主要选取省路级别以上的公路。一般认为，距离该4项评价指标的具体位置越近，则发生地质灾害的可能性越大。其中，由于新构造运动形成的构造断裂带使地质环境十分脆弱，是孕育地质灾害的重要条件，离断层的距离越近，发生地质灾害的可能性较大;由于河流的侵蚀作用，对两岸不断冲刷、掏空，产生临空面，发生崩塌、滑坡地质灾害的可能性较大;人类修建公路、开挖边坡、开采矿山等活动使得斜坡上岩土体失去支撑，在其附近可能会导致崩塌、滑坡、地面塌陷、地裂缝等地质灾害的发生。因此，将4项评价指标以500m为单位进行四级缓冲区分析，并由内向外分别赋值0.8、0.6、0.4、0.2，分别得出4项指标的归一化图层(图3f、图3g、图 3h、图 3i)。

4.2.4 降雨的指标量化及归一化

降雨是产生地质灾害最活跃的自然诱发因素，短时内的暴雨容易引发崩滑流，地面塌陷等地质灾害，根据宁夏地区多年降雨量等值线进行分区，得到多年平均降雨量≤220、220～270、270～320、320～370、370～420、420～470、470～520、520～570、570～620、620～670(单位:mm)，并分别以0.1的增量为它们赋值，得出降雨等值线的归一化图层(图3j)。

4.3 评价结果

按照公式(3)将各个评价指标的栅格归一化单元与按照层次分析所确定的权重进行加权叠加计算(式(4))，得出宁夏地区地质灾害易发性指数结果。

F=地质灾害点密度归一化指数(C1)×0.5584+坡度归一化指数(D1)×0.0247+坡型归一化指数(D2)×0.0146+工程地质岩组归一化指数(D3)×0.0888+断层归一化指数(D4)×0.0712+水系归一化指数(D5)×0.0539+地貌归一化指数(D6)×0.0664+降雨归一化指数(E1)×0.0658+人类活动范围归一化指数(E2)×0.0199+道路归一化指数(E3)×0.0362 (4)

图3 宁夏地区评价指标归一化图Fig．3 The normalized graphs of evaluation factors in Ningxia region

在研究区地质灾害易发性指数结果中，最小指数为0.063，最大指数为0.821。按照自然间距的分类方法［6］，划定合适的分区界限值，将宁夏地区地质灾害易发性程度划分为三个等级，即地质灾害高易发区(0.324～0.821)、地质灾害中易发区(0.188～0.324)和地质灾害低易发区(0.063～0.188)(表7)，根据分区结果，最终得出宁夏地区地质灾害易发性分区图(图4)。

表7 宁夏地区地质灾害易发程度区划评价分区表Tab．7 Partition of geological hazard susceptibility regionalization assessment in Ningxia region

图4 宁夏地区地质灾害易发性分区图Fig．4 Division map of the geological hazards susceptibility in Ningxia region

地质灾害高易发区主要分布在宁夏南部，约占整个宁夏地区的6.89%，总面积约为4575km2，其中，西吉、固原、彭阳、隆德、泾源等地区地质灾害尤为严重，经济发展迟缓，区内地质环境脆弱，主要以黄土丘陵沟壑区为主，黄土滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害尤为发育，不稳定斜坡大量存在。

地质灾害中易发区，约占整个宁夏地区的40.86%，总面积约为27131km2，主要分布有宁夏北部的贺兰山附近，该地段在山麓附近泥石流、崩塌等地质灾害较为发育，并且，由于该地段矿产资源较丰富，人类活动影响很大，煤矿采空区的地面塌陷也很发育;黄河流经区域河岸坍塌较为严重;海原、同心、盐池东南部，中宁、中卫等地区，地质环境较差，人类工程活动强度较大，滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地质灾害均较发育。

地质灾害低易发区，约占整个宁夏地区的52.25%，总面积约为34694km2，主要分布于银川平原附近，该地段为湖积平原区，环境优美，素有“塞上江南”之称，地质灾害不发育;中卫县西北部的沙漠地带，该地段虽存在风沙危害，但基本无人居住，且通过生物工程治沙防沙，极大地改善了该区的自然生态环境;灵盐台地，该地段属于缓坡丘陵地貌，地势波状起伏，沟谷宽浅，地质灾害发育相对较少。

5 结论

(1)在研究区内，选取了影响宁夏地质灾害发育的10项具体评价指标，采用层次分析法，对该10项评价指标进行权重计算，利用GIS的空间分析方法对各项指标进行数据分析以及归一化处理，将各项评价指标与其权重进行叠加计算，最后，通过自然间距的分类方法划定合适的分区界限值，将宁夏地质灾害易发性程度分为地质灾害高易发区、地质灾害中易发区、地质灾害低易发区，分区结果能够较客观地反映实际情况。

(2)对宁夏地区地质灾害易发性评价及区划进行研究，结果表明:高易发区占地面积约6.89%，总面积约为4575km2，主要分布于宁夏南部;地质灾害中易发区，约占整个宁夏地区的40.86%，总面积约为27131km2;地质灾害低易发区，约占整个宁夏地区的 52.25%，总面积约为34694km2。

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