GIS和層次分析法在地震地質(zhì)災(zāi)害小區(qū)劃中的應(yīng)用

我國地處環(huán)太平洋地震帶及喜馬拉雅地震帶的交匯處，斷裂活動(dòng)頻繁，是一個(gè)多震的國家。同時(shí)地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害形式多樣，主要類型有滑坡、崩塌、泥石流、砂土液化、震陷、地裂縫。一旦發(fā)生地震，將有可能對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成重大損失［1］。地震地質(zhì)災(zāi)害的巨大危害性，使得對(duì)它的研究也越來越受到人們的重視。然而，地震地質(zhì)災(zāi)害影響因素眾多，形成機(jī)制復(fù)雜的特點(diǎn)，給研究者的工作帶來很多難題。近年來隨著GIS技術(shù)的飛速發(fā)展，使這些問題得以解決。部分研究者將GIS、層次分析法單獨(dú)運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域［2－4］，部分研究者將GIS與信息量法、層次分析法等數(shù)學(xué)模型結(jié)合運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害方面［5－8］，取得良好的效果。GIS在地質(zhì)災(zāi)害中得到了廣泛的應(yīng)用，而在地震地質(zhì)災(zāi)害小區(qū)劃中應(yīng)用較少。根據(jù) 《工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)》中的規(guī)定，在區(qū)域地震小區(qū)劃工作中必須進(jìn)行不同概率水平下的地震地質(zhì)災(zāi)害小區(qū)劃。為此，筆者以GIS為平臺(tái)，結(jié)合層次分析法，以某地區(qū)為研究對(duì)象，在該地區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及地震動(dòng)參數(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)其在50年超越概率10%下的地震地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行小區(qū)劃。

1 GIS與層次分析法的結(jié)合

層次分析法 （A HP）與GIS的結(jié)合主要從以下3個(gè)方面考慮：①利用Arcgis采集數(shù)據(jù)并對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立地震地質(zhì)災(zāi)害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。②全面分析地震地質(zhì)災(zāi)害單災(zāi)種的影響因子，篩選出單災(zāi)種的主要影響因子，采用層次分析法建立單災(zāi)種層次模型確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重，為單災(zāi)種的空間分析提供定量指標(biāo)；③在單災(zāi)種評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，再次利用層次分析法建立研究區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害層次模型，計(jì)算單災(zāi)種在區(qū)域地震地質(zhì)災(zāi)害中的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上，以Arcgis為平臺(tái)，利用其強(qiáng)大的空間分析功能進(jìn)行研究區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害小區(qū)劃。

2 地震地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫的建立

研究區(qū)地處渭河流域，區(qū)內(nèi)有多條河流穿過，為典型的黃土地貌，地層沉積連續(xù)、厚度大。場(chǎng)區(qū)及近場(chǎng)區(qū)有多條構(gòu)造斷裂，受構(gòu)造斷裂帶的控制，該區(qū)可劃分為黃土丘陵、黃土梁峁、黃土臺(tái)塬、洪積扇及河流階地5個(gè)地貌單元。其中河流階地從1級(jí)到5級(jí)，部分階地被剝蝕。經(jīng)過詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查分析，研究區(qū)未來受地震的影響性較大，存在的地震地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、黃土震陷及砂土液化。通過室內(nèi)相關(guān)資料收集、分析，野外地質(zhì)填圖 （1∶10000），對(duì)研究區(qū)內(nèi)所有的地質(zhì)災(zāi)害案例及災(zāi)害點(diǎn)經(jīng)行詳細(xì)的調(diào)查和記錄，包括災(zāi)害類型、時(shí)間、地點(diǎn)、經(jīng)緯度坐標(biāo)、規(guī)模及影響范圍。以1∶25000地形圖為底圖，對(duì)區(qū)內(nèi)所有的資料進(jìn)行數(shù)字化和相關(guān)數(shù)據(jù)的錄入，利用Arccatalog建立該區(qū)的地震地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫。

3 地震地質(zhì)災(zāi)害小區(qū)劃

1）地震滑坡評(píng)價(jià) ①地震峰值加速度。地震峰值加速度是指地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的最大加速度，它是反映地震動(dòng)的重要指標(biāo)，根據(jù)該區(qū)50年超越概率10%下地震動(dòng)參數(shù)的分析結(jié)果，以Arcgis為平臺(tái)建立地震峰值加速度分區(qū)圖層。②滑坡災(zāi)害面密度。災(zāi)害面密度的定性分析是根據(jù)災(zāi)害點(diǎn)的空間分布情況，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域的災(zāi)害面密度，災(zāi)害點(diǎn)面密度與滑坡危險(xiǎn)性成正比?；旅婷芏鹊奶崛》椒ㄊ且訟rcgis為平臺(tái)，將滑坡分布圖層轉(zhuǎn)化為柵格圖層，以10 m×10 m劃分單元網(wǎng)格，然后以每個(gè)網(wǎng)格為圓心，半徑為500 m，逐個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行搜索，以圓內(nèi)部滑坡面積與圓面積之比作為該網(wǎng)格的滑坡災(zāi)害的面密度。利用Arcgis的重分類功能將該指標(biāo)分為4級(jí)。③坡度和坡高。坡高和坡度是引起滑坡的基本影響因子，隨著坡度和坡高的增大，引起斜坡剪應(yīng)力增大，坡腳處出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致新滑坡的形成及老滑坡的復(fù)活。以Arcgis為平臺(tái)，利用1∶2.5萬DEM數(shù)據(jù)，提取研究區(qū)的坡度、坡高，按照調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分級(jí)。④地層巖性。地層巖性對(duì)滑坡活動(dòng)的影響是一個(gè)比較復(fù)雜的因素，綜合考慮研究區(qū)地層巖性的各種因素，按照地層巖性對(duì)滑坡的影響程度，選取一種綜合參數(shù) ，在Arcgis中以地貌單元為基礎(chǔ)，對(duì)不同地層巖性進(jìn)行賦值，取值范圍為1～10，將其劃分為4個(gè)等級(jí)，作為地層巖性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

滑坡各影響因子的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。按層次分析法的步驟，首先以影響滑坡的5個(gè)因子為基礎(chǔ)建立層次分析法模型，采用Santy引入的標(biāo)度方法結(jié)合專家意見建立判斷矩陣。判斷矩陣具有較好的一致性，對(duì)特征向量歸一化處理后，得到滑坡各因子的權(quán)重，見表2。

表1 滑坡影響因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

運(yùn)用Arc GIS的柵格運(yùn)算功能，將研究區(qū)5種評(píng)價(jià)因子圖層按照層次分析法所確定的權(quán)重，進(jìn)行空間疊加計(jì)算，從而得到50年超越概率10%下該地震滑坡區(qū)劃柵格圖件。根據(jù)Arcgis的nat ural Break工具及實(shí)際調(diào)查結(jié)果，將研究區(qū)滑坡危險(xiǎn)性劃分為4級(jí)：高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)及無危險(xiǎn)區(qū)，如圖1所示。

表2 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)各因子判斷矩陣及權(quán)重

2）黃土震陷評(píng)價(jià) 研究區(qū)黃土震陷主要分布在2級(jí)以上階地及黃土臺(tái)塬上，該地區(qū)黃土地層沉積連續(xù)，厚度大，特別是馬蘭黃土的大孔隙、遇水易濕陷等特點(diǎn)，為黃土震陷提供了有利的條件。由于臺(tái)塬及階地馬蘭黃土坡度相對(duì)平緩，沉積在橫向上連續(xù)穩(wěn)定，因此，按水平層狀模型考慮黃土場(chǎng)地，采用一維計(jì)算模型，按分層總和思想計(jì)算黃土場(chǎng)地的震陷量。計(jì)算步驟如下：

①根據(jù)鉆探資料及試驗(yàn)資料分層，分層總數(shù)為n。

②利用地震危險(xiǎn)性分析得到的αmax計(jì)算各層可能遭受的動(dòng)剪應(yīng)力：

圖1 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖

③根據(jù)計(jì)算所得動(dòng)剪應(yīng)力進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)，繪制每一層土的震陷曲線并確定震陷系數(shù)εpi。

④求黃土場(chǎng)地在垂向上的總震陷量S：

在典型的黃土塬及階地上，取原狀土樣數(shù)組，根據(jù)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，采用上述方法，計(jì)算各個(gè)點(diǎn)在50年超越概率10%下黃土的累積震陷量。根據(jù)震陷量將其劃分為不震陷、輕微震陷、中等震陷及嚴(yán)重震陷4級(jí)。依據(jù)黃土震陷結(jié)果，利用Arcgis軟件繪制50年超越概率10%作用下研究區(qū)黃土震陷評(píng)價(jià)圖，如圖2所示。

圖2 黃土震陷及砂土液化評(píng)價(jià)圖

3）砂土液化評(píng)價(jià) 根據(jù)勘探孔地層、標(biāo)貫資料及歷史資料判定，液化的區(qū)域主要分布在渭河河漫灘，呈零星分布，其余地貌單元均不具有液化的條件，綜合考慮各個(gè)鉆孔的資料，初步判定，可能液化的鉆孔共有7個(gè)。采用規(guī)范判別法和灰色理論模型法2種評(píng)判方法對(duì)研究區(qū)砂土液化進(jìn)行了液化判別，在50年超越概率10%情況下，僅有3處可能發(fā)生砂土液化現(xiàn)象，以2種評(píng)判方法所得結(jié)果為基礎(chǔ)，基于Arcgis平臺(tái)，繪制50年超越概率10%作用下砂土液化評(píng)價(jià)圖，按液化指數(shù)將其劃分為不液化、輕微液化、中等液化、嚴(yán)重液化，如圖2所示。

4）地震地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)模型的建立 把研究區(qū)看作是一個(gè)具有一定層次性和不確定性的系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)分析理論，采用層次分析法和GIS相結(jié)合的方法來計(jì)算地震地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)，根據(jù)地震地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性指數(shù)進(jìn)行小區(qū)劃。地震地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)指數(shù)定義為某一地區(qū)的某一柵格位置上的各種地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的疊加影響的綜合，其表達(dá)式為：

式中，wj為第j個(gè)柵格的地震地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)；Xj為單災(zāi)種第j個(gè)柵格的計(jì)算值；δi為第i種地質(zhì)災(zāi)害的權(quán)重；n為地震地質(zhì)災(zāi)害的種類。

表3 地震地質(zhì)災(zāi)害單災(zāi)種判斷矩陣及權(quán)重

5）地震地質(zhì)災(zāi)害小區(qū)劃結(jié)果 根據(jù)層次分析法計(jì)算各單災(zāi)種的權(quán)重，如表3所示。利用Arcgis的空間分析功能，采用柵格加權(quán)疊加，對(duì)該區(qū)內(nèi)3種地震地質(zhì)災(zāi)害柵格圖層進(jìn)行空間分析，得到地震地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性柵格圖，通過統(tǒng)計(jì)分析，利用頻率和頻數(shù)分布直方圖，確定地震地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)的分區(qū)閾值，使用Arcgis的重分類功能對(duì)獲得的柵格圖進(jìn)行重分類，同時(shí)對(duì)所得柵格圖進(jìn)行矢量化，綜合考慮各種因素，修改完善后最終得到50年超越概率10%下研究區(qū)的地震地質(zhì)災(zāi)害小區(qū)劃圖，如圖3所示。

根據(jù)以上方法，將研究區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害劃分為4個(gè)等級(jí)，即無危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)。在50年超越概率10%情況下，研究區(qū)共劃分為195個(gè)小區(qū)，其中無危險(xiǎn)區(qū)43個(gè)、低危險(xiǎn)區(qū)67個(gè)、中危險(xiǎn)區(qū)61個(gè)、高危險(xiǎn)區(qū)24個(gè)，各個(gè)等級(jí)區(qū)域面積分別為133.2、89.93、36.5、21.3k m3，面積百分比分別為47.5%、32.0%、13.0%、7.5%。

圖3 地震地質(zhì)災(zāi)害小區(qū)劃圖

［1］劉鳳民，張立海，劉海青，等 .中國地震次生地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià) ［J］.地質(zhì)力學(xué)學(xué)報(bào)，2006，12（2）：127－131.

［2］陳曉利，葉洪，程菊紅 .GIS技術(shù)在區(qū)域地震滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)中的應(yīng)用——以龍陵地震滑坡為例 ［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2006，14 （3）：333－338.

［3］姚玉增，任群智 .層次分析法在山地地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用——以遼寧凌源地區(qū)為例 ［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2010，37 （2）：130－134.

［4］莊建琦，崔鵬，葛永剛，等 .“5·12”汶川地震崩塌滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)——以都汶路沿線為例 ［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29 （2）：3735－3742.

［5］光磊 .基于GIS的信息量法在滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 ［J］.地質(zhì)與資源，2005，14（3）：231－233.

［6］阮沈勇，黃潤秋 .基于GIS的信息量法模型在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃中的應(yīng)用 ［J］.成都理工學(xué)院院報(bào)，2001，28（1）：89－92.

［7］杜軍，楊青華 .基于GIS與AHP耦合的汶川震后次生地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 ［J］.中國水土保持，2009，11（3）：14－17.

［8］張永軍，侯云龍，劉武 .層次分析法和GIS空間分析法在蘭州市區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用 ［J］.甘肅地質(zhì)，2009，18（4）：84－88.