基于層次分析法的縣域泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)研究

孫秀菲

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì),吉林長春 130033)

基于層次分析法的縣域泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)研究

孫秀菲

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì),吉林長春 130033)

本文選取層次分析法作為泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)的研究方法,通過GIS強(qiáng)大的空間分析能力,發(fā)揮層次分析法可以多要素綜合評價(jià)的優(yōu)勢,有效的將評價(jià)過程中的因素量化,并將影響權(quán)重判別的主觀因素與客觀因素良好的結(jié)合。綜合考慮研究區(qū)內(nèi)各參評因子的影響程度,通過構(gòu)建判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)計(jì)算,得出各影響因子所占的權(quán)重比例,最終得到了較為直觀的泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果。

層次分析法 泥石流 危險(xiǎn)性評價(jià) 評價(jià)因

層次分析法是常用的一種決策分析法,它是進(jìn)行多目標(biāo)決策分析的方法。該方法能把復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維進(jìn)行層次化,把決策過程定性和定量因素有機(jī)結(jié)合起來。通過判斷矩陣的建立、排序計(jì)算和一致性檢驗(yàn)使得到的最后結(jié)果更具有說服力。同時(shí),由于可將人的主觀性依據(jù)用數(shù)量的形式表達(dá)出來,使之更具條理性和科學(xué)性,從而可以避免由于人的主觀性導(dǎo)致權(quán)重預(yù)測與實(shí)際情況相矛盾的現(xiàn)象,克服決策者和決策分析者相互溝通的困難及決策者的個(gè)人偏好,提高決策的有效性。運(yùn)用層次分析法對泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行分析評價(jià),可以有效解決影響泥石流的各種因素對泥石流發(fā)生的影響程度分析問題,其結(jié)果比較切合實(shí)際,較為可信。

1 評價(jià)因子的確定

泥石流災(zāi)害是一種非常復(fù)雜的自然現(xiàn)象,其形成、發(fā)展、運(yùn)動(dòng)和堆積環(huán)境的影響因素很多且較復(fù)雜,各影響因素對泥石流產(chǎn)生的影響程度又不盡不同。為達(dá)到較好的評價(jià)效果,首先,針對縣域內(nèi)泥石流分布特征和形成機(jī)制,以地形地貌、水文氣象、地質(zhì)、植被土壤以及人類工程活動(dòng)等5個(gè)條件為基礎(chǔ),進(jìn)行相關(guān)因子比選,最終選取8項(xiàng)因素作為評價(jià)背景因子,即：工程地質(zhì)巖性、構(gòu)造、地形、地貌、坡度、降雨、人類活動(dòng)和土地利用。

表2 第二層次地質(zhì)類判斷矩陣

表3 第二層次地形地貌類判斷矩陣

表4 第二層次人類活動(dòng)類判斷矩陣

2 GIS的利用

GIS應(yīng)用于泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)中,主要依托其強(qiáng)大的空間分析能力：拓?fù)浞治觥B加分析、緩沖區(qū)分析、柵格分析等,GIS軟件可有效解決批量數(shù)據(jù)處理的難題,可達(dá)到快速、準(zhǔn)確地對每一柵格進(jìn)行屬性賦值。層次分析法危險(xiǎn)性評價(jià)可依靠GIS強(qiáng)大的空間疊加分析能力將各個(gè)圖層信息進(jìn)行疊加處理,最終得到評價(jià)結(jié)果圖件。

2.1 圖層的建立

在對收集來的縣域地質(zhì)環(huán)境背景類基礎(chǔ)性圖件進(jìn)行整理后,進(jìn)行底圖掃描,運(yùn)用GIS軟件進(jìn)行各種圖件的失量化,利用GIS的空間分析、DTM分析等功能,對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化賦值,據(jù)此繪制各個(gè)指標(biāo)的圖層文件。

2.2 劃分評價(jià)單元

根據(jù)GIS柵格運(yùn)算的基本要求,對研究區(qū)進(jìn)行評價(jià)單元的劃分,即將研究區(qū)按規(guī)定劃分為統(tǒng)一大小且具有一致性分布規(guī)律的多個(gè)柵格單元,運(yùn)用GIS軟件對柵格數(shù)據(jù)強(qiáng)大的處理分析能力,利用每一單元格的評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)賦予每一單元格不同的屬性內(nèi)容,按層次將這些柵格單元屬性進(jìn)行綜合疊加,可得到研究區(qū)的泥石流綜合評價(jià)分析的結(jié)果。

圖1 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)圖

表5 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重表

表6 評價(jià)因子總權(quán)重表

表7 評價(jià)因子等級劃分表

2.3 建立評價(jià)模型

利用GIS軟件對各評價(jià)因子進(jìn)行疊加分析,可將存儲在各柵格單元內(nèi)的空間數(shù)據(jù)賦值到屬性數(shù)據(jù)庫中,各圖層因子可以實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的疊加計(jì)算,從而建立基于GIS軟件處理平臺的泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)模型。通過各因子圖層屬性的綜合疊加處理,可獲得泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)的最終結(jié)果圖件。

3 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)

3.1 層次分析法的計(jì)算

層次分析方法(AHP)是通過將復(fù)雜系統(tǒng)的決定因素層次化后,綜合定性和定量分析結(jié)果,建立判斷矩陣后,進(jìn)行排序計(jì)算。通過一致性檢驗(yàn),可以得到可信度較高的計(jì)算結(jié)果。另外,AHP可將人的主觀性依據(jù)用數(shù)量的形式表達(dá)出來,使之更具條理性和科學(xué)性,避免了人為主觀性對權(quán)重預(yù)測的嚴(yán)重影響,可達(dá)到較為切合實(shí)際的計(jì)算結(jié)果。

3.2 確定影響因子權(quán)重

3.2.1 層次結(jié)構(gòu)的建立

將影響泥石流危險(xiǎn)性的各個(gè)評價(jià)因子劃分層次,依據(jù)其隸屬關(guān)系劃分組別。泥石流評價(jià)指標(biāo)可分為兩個(gè)層次：第一層主要由地形地貌類、地質(zhì)構(gòu)造類、降雨類及人類活動(dòng)類因子組成;第二層次為第一層的各因子所包括的各項(xiàng)子要素。

3.2.2 構(gòu)造判斷矩陣

通過對層次結(jié)構(gòu)中各層元素的相互比較,可以由此建立一系列的判斷矩陣。構(gòu)造出第一層對于目標(biāo)層的判斷矩陣,見表1。同理,可以繼續(xù)構(gòu)造出第二層對于第一層的判斷矩陣,指標(biāo)重要性的比較通過經(jīng)驗(yàn)打分獲得。

下面對第二層次的指標(biāo)進(jìn)行比較,得到第二層次比較結(jié)果見表2、表3及表4。

3.2.3 層次單排序和一致性檢驗(yàn)

設(shè)判斷矩陣A的最大特征根為λmax,W為對應(yīng)于λmax的正規(guī)化特征向量,計(jì)算滿足AW=λmaxW的特征根和特征向量。經(jīng)計(jì)算λmax=4.02,W=［0.69，1.00，0.32，0.52］ 。計(jì)算判斷矩陣A一致性指標(biāo)判斷矩陣A的階數(shù)為4,故n=4,則CI=0.005。隨機(jī)一致化比率CR=CI/RI=0.006＜0.10,說明判斷矩陣A具有滿意的一致性,無需調(diào)整判斷矩陣的元素取值。經(jīng)歸一化后的W=［0.27，0.39，0.13，0.21］,依次對應(yīng)第一層次各要素(地質(zhì)構(gòu)造類因子、地形地貌類因子、降雨類因子和人類活動(dòng)類因子)相對于研究區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)相對重要性的權(quán)重值。按照此方法以此計(jì)算B1,B2,B3,B4的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量。判斷矩陣B1的最大特征根 λmaxB1=2一致性指標(biāo)說明判斷矩陣B1具有滿意的一致性。所對應(yīng)的特征向量W1=［0.89，0.45］,歸一化后的W=［0 .67，0.33］,即為地質(zhì)類的第二層因子的相對重要性的權(quán)重向量。判斷矩陣B2的最大特征根λmaxB2=3.0015一致性指標(biāo)隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI=0.0013＜0.10,說明判斷矩陣B2具有滿意的一致性。所對應(yīng)的特征向量W2=［0.53，0.76，0.37］,歸一化后的W=［0 .32， 0.46，0.22］,即為地形地貌類的第二層因子的相對重要性的權(quán)重向量。判斷矩陣B4的最大特征根 λmaxB4=2一致性指標(biāo)說明判斷矩陣B具有滿意的一致

4性。所對應(yīng)的特征向量W4=［0.89，0.45］,歸一化后的W=［0 .67，0.33］,即為人類活動(dòng)類的第二層因子的相對重要性的權(quán)重向量。得到各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值見表5。

3.2.4 因子權(quán)重綜合計(jì)算

對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合排序,得到各因子的總權(quán)重值,按權(quán)重系數(shù)進(jìn)行排序結(jié)果如表6所示。

3.3 建立評價(jià)因子的危險(xiǎn)等級

對各個(gè)泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)因子圖層的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,將評價(jià)因子劃分為5個(gè)等級,等級的高低對應(yīng)泥石流危險(xiǎn)度的大小程度。各影響因子的等級劃分情況見表7。

4 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果

經(jīng)過上述層次分析法基礎(chǔ)圖件的準(zhǔn)備及影響因子權(quán)重的計(jì)算驗(yàn)證并最終確定其數(shù)值后,建立研究區(qū)各泥石流影響因子的危險(xiǎn)性評價(jià)模型。根據(jù)危險(xiǎn)等級劃分,運(yùn)用GIS柵格計(jì)算疊加處理上面得到的各因子權(quán)重值,根據(jù)泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果繪制完成縣域泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖,如圖1所示。

極高危險(xiǎn)區(qū)分布在縣域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的人類活動(dòng)密集區(qū);高危險(xiǎn)區(qū)分布于人類活動(dòng)相對集中的階地、低山區(qū)等;中危險(xiǎn)區(qū)主要分布在中部、北部等中低山區(qū);低危險(xiǎn)區(qū)主要分布在縣域南部低山區(qū);極低危險(xiǎn)區(qū)無泥石流災(zāi)害點(diǎn),主要分布在中部、西北部等基巖中山區(qū)地帶。

5 結(jié)語

層次分析法在結(jié)合定性和定量分析內(nèi)容方面具有突出優(yōu)勢,其計(jì)算內(nèi)容較為簡單,得到的結(jié)果也很直觀。該方法的缺點(diǎn)是較容易受到人為影響因素的限制,指標(biāo)的選取具有較大的靈活性和隨機(jī)性,從而造成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面的困難,權(quán)重值的確定也存在一定難度,這樣得出的計(jì)算結(jié)果也就差異較大。結(jié)合區(qū)內(nèi)各參評因子的影響程度,按照本文計(jì)算得出的權(quán)重比例,可以得出合理的泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)范圍,可為縣域泥石流災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警及防治工作提供參考。

[1]吉林省江源縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃報(bào)告[R].吉林省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,2007.

[2]韓金華.基于GIS的白龍江流域泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)研究[D].蘭州大學(xué),2010.

[3]陳國玉.喜馬拉雅山中部地區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)研究[D].吉林大學(xué),2010.

[4]畢吉嵩.基于GIS的縣域泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)研究[D].西安科技大學(xué),2012.

[5]李忠水,孫秀菲,劉永貴,馬曉艷,胡興旺.江源縣石人鎮(zhèn)泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2007.

孫秀菲,女,漢族,碩士,1984年出生,工程師,主要從事地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估、礦山地質(zhì)環(huán)境治理工程設(shè)計(jì)等工作。