基于GIS與AHP模型的白龍江流域泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

蒲濟(jì)林，蘇軍德，高立兵，刑　釗

(1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100； 2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

基于GIS與AHP模型的白龍江流域泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

蒲濟(jì)林1，蘇軍德1，高立兵1，刑釗2

(1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100； 2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

[關(guān)鍵詞]泥石流；AHP模型；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；白龍江流域

[摘要]以白龍江流域甘肅省境內(nèi)部分為研究區(qū)，在收集資料和野外勘查的基礎(chǔ)上，選取海拔、坡度、滑坡密度、地層巖性、距斷層距離、地震動(dòng)峰值加速度、平均10 min降雨量、距水系距離、歸一化植被指數(shù)(NDVI)、土地利用類型作為泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子，對(duì)研究區(qū)內(nèi)外動(dòng)力環(huán)境因子進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，基于GIS技術(shù)和AHP模型建立了研究區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)泥石流空間分布密度大、空間異質(zhì)性明顯，危險(xiǎn)性呈現(xiàn)從西北至東南等級(jí)遞增的趨勢(shì)，并據(jù)此進(jìn)行了泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)。

泥石流是發(fā)生在山區(qū)的一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，其發(fā)生、發(fā)展與山地的形成演化過程息息相關(guān)，是山地環(huán)境退化、地表結(jié)構(gòu)惡化、生態(tài)平衡失調(diào)的產(chǎn)物[1]。泥石流的發(fā)生是多種因子綜合作用的結(jié)果，其影響因子的復(fù)雜性導(dǎo)致了各地泥石流的發(fā)生具有區(qū)域性的特點(diǎn)。因此，科學(xué)合理地防治泥石流災(zāi)害要先對(duì)災(zāi)害發(fā)生的可能性、危險(xiǎn)性、危害范圍和程度有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)[2]。目前常用的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法主要有AHP模型分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、信息量法、判別分析法等。其中，AHP模型分析法是由美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Satty提出的一種目標(biāo)決策方法[3]，經(jīng)過多年的發(fā)展，在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中得到了廣泛的應(yīng)用[4-8]。

白龍江流域位于甘肅南部，屬秦嶺西段，地處青藏高原、黃土高原和四川盆地的交接處，是我國泥石流最為頻發(fā)和嚴(yán)重的地區(qū)之一[9-10]，尤其是下游地區(qū)泥石流分布面積大、暴發(fā)頻率高，給當(dāng)?shù)厝罕娚踩斐蓸O大威脅，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。本研究以白龍江流域甘肅省境內(nèi)部分為研究區(qū)域，運(yùn)用GIS技術(shù)與AHP模型分析方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)泥石流災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性與危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并對(duì)泥石流易發(fā)性與安全性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分區(qū)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)地理位置介于N32°36′～34°24′、E103°0′～105°30′，流域面積18 436 km2，地勢(shì)險(xiǎn)峻，峰高坡陡，土薄石多，地震活躍，底層巖性復(fù)雜，降雨集中且多暴雨。區(qū)內(nèi)泥石流分布密集，以黏性泥石流為主，有流域面積大于1 km2的泥石流溝206條，主要分布在舟曲縣以下沿白龍江褶皺帶的兩岸，總體分布趨勢(shì)是在中部和東部較為密集、東南和西北分布稀疏，尤其以白龍江中游沿大斷裂帶兩側(cè)發(fā)育集中，平均密度2～3條/km2，局部可達(dá)5～8條/km2。

2研究方法

在收集資料和野外勘查的基礎(chǔ)上，借鑒研究人員和專家意見，分別選取地形地貌因子(海拔、坡度、滑坡密度)、地質(zhì)因子(地層巖性、距斷層距離、地震動(dòng)峰值加速度)、水文氣象因子(平均10 min降雨量、距水系距離)、[植被因子歸一化植被指數(shù)(NDVI)]、土地利用因子(土地利用類型)5個(gè)方面的10個(gè)因子，基于GIS實(shí)現(xiàn)分層分析，建立研究區(qū)泥石流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用AHP模型對(duì)各因子進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，建立泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)泥石流危險(xiǎn)性與易發(fā)性區(qū)劃與評(píng)價(jià)。

3因子分析

3.1單因子評(píng)價(jià)

(1)海拔。海拔對(duì)泥石流分布的影響表現(xiàn)在不同海拔范圍有不同的植被類型和植被覆蓋率、地形坡度差異導(dǎo)致存在局部集水平臺(tái)和易于滑坡滑動(dòng)的臨界面，以及人類活動(dòng)強(qiáng)度差異等，更重要的是海拔與降雨量之間具有很好的相關(guān)性。研究區(qū)西北部海拔較高，地表多為基巖，并有苔原植被覆蓋，不容易產(chǎn)生松散碎屑物，泥石流發(fā)育較少，而白龍江干流及二級(jí)支流地區(qū)海拔相對(duì)較低，是泥石流的頻發(fā)和多發(fā)區(qū)。

(2)坡度。坡度的大小會(huì)對(duì)泥石流的運(yùn)動(dòng)速度、堆積作用和徑流產(chǎn)生較大影響，因此坡度的不同會(huì)影響泥石流發(fā)育。研究區(qū)坡面坡度較陡，邊坡不穩(wěn)定，容易發(fā)生泥石流，尤其坡度大于35°的區(qū)域是泥石流發(fā)育活躍區(qū)，其泥石流分布面積占到整個(gè)流域泥石流分布面積的81.6%。

(3)滑坡密度。研究區(qū)滑坡密度與泥石流空間分布之間有很好的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.90)。白龍江干流及二級(jí)支流的河谷是滑坡頻發(fā)地帶，同時(shí)也是泥石流分布的密集區(qū)，尤其滑坡密度大于0.06個(gè)/km2的區(qū)域泥石流災(zāi)害高發(fā)，如舟曲、武都等地，其泥石流分布面積占到整個(gè)流域泥石流分布面積的71.67%。

(4)地層巖性。巖土體是泥石流運(yùn)動(dòng)的主要物質(zhì)來源，不同類型的巖石具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，風(fēng)化程度也各不相同：未被風(fēng)化的巖石堅(jiān)硬且不易破裂，其分布區(qū)一般不會(huì)發(fā)生泥石流；在較易風(fēng)化的巖石區(qū)，風(fēng)化碎屑物的產(chǎn)生為泥石流的發(fā)生發(fā)展提供了物質(zhì)條件，故泥石流多發(fā)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)泥石流主要分布在千枚巖、板巖、薄灰層巖和粉砂巖、泥巖、薄層砂巖地區(qū)。這些地區(qū)巖石巖性比較脆弱，極易被風(fēng)化產(chǎn)生松散堆積物。

(5)距斷層距離。斷層能夠使兩側(cè)巖石破碎，產(chǎn)生大量的碎屑物質(zhì)，因此斷層兩側(cè)常常是泥石流發(fā)生的重要區(qū)域。研究區(qū)泥石流多集中在斷層兩側(cè)區(qū)域，尤其是在武都、舟曲的大部分地區(qū)，距離斷層越近，泥石流分布就越密集。

(6)地震動(dòng)峰值加速度。地震是地球內(nèi)部釋放能量的一種地質(zhì)作用，地震的發(fā)生可以對(duì)周圍巖石產(chǎn)生極大的破壞，從而產(chǎn)生大量的松散物質(zhì)，為泥石流的發(fā)生提供物質(zhì)條件。據(jù)測(cè)算，研究區(qū)地震整體上表現(xiàn)出自東南向西北逐漸減小的趨勢(shì)：武都中部、文縣東北部的地震動(dòng)峰值加速度最大，為0.30g；宕昌和舟曲地震動(dòng)峰值加速度為0.20g；西北部地震動(dòng)峰值加速度最小，為0.10g。因此，研究區(qū)東南部比西北部受地質(zhì)災(zāi)害影響更強(qiáng)烈，相應(yīng)地區(qū)的巖石穩(wěn)定性更差。

(7)平均10 min降雨量。降雨是泥石流的重要誘因。研究區(qū)降雨相對(duì)集中，主要發(fā)生在6—9月，尤其7—8月時(shí)有強(qiáng)降雨發(fā)生。觸發(fā)泥石流的，往往是短歷時(shí)的強(qiáng)降雨。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)內(nèi)7—8月份泥石流發(fā)生次數(shù)占到全部泥石流發(fā)生次數(shù)的90%以上。通過對(duì)研究區(qū)泥石流溝空間分布和不同歷時(shí)降雨插值結(jié)果進(jìn)行敏感性分析發(fā)現(xiàn)，平均10 min降雨量的空間分布特征和泥石流的空間分布特征最吻合，因此選定10 min平均降雨量作為評(píng)價(jià)因子。

(8)距水系距離。等級(jí)不同的水系對(duì)應(yīng)的匯水面積和水流量不同。水系等級(jí)越高的干流對(duì)周圍巖石的侵蝕作用就越強(qiáng)，可能使沿岸邊坡的臨空面增加，引發(fā)泥石流。研究白龍江流域泥石流分布與距水系距離的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，離水系越近的區(qū)域受到水系的侵蝕作用越強(qiáng)，泥石流的活動(dòng)性也就越強(qiáng)。

(9)NDVI。植被具有保持水土、涵養(yǎng)水源的作用。一般來說，NDVI值越高，地表的風(fēng)化作用越弱，巖石就越穩(wěn)固；NDVI值越低，地表巖石的風(fēng)化作用越強(qiáng)，越有利于泥石流的形成。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)泥石流主要集中在NDVI值較低的武都、舟曲和宕昌北部，NDVI值為0.3～0.5，其泥石流的分布面積占到整個(gè)流域面積的90.12%。

(10)土地利用類型。土地利用類型對(duì)泥石流發(fā)育具有一定的影響，但影響程度存在差異。例如：在武都北部、宕昌東北部及文縣北部地區(qū)，草地等植被覆蓋率較高的地區(qū)泥石流分布數(shù)量較少；舟曲境內(nèi)和文縣白水江兩岸雖然多林地覆蓋，但受地形、巖性、降水等因素影響，植被防侵蝕作用較弱，因此是泥石流的頻發(fā)區(qū)；武都全境、文縣北部、宕昌東北部及南部、迭部西北部草地分布面積較廣，但因人類活動(dòng)頻繁、破壞嚴(yán)重，所以泥石流發(fā)育較多。綜上，研究區(qū)泥石流主要集中在人類活動(dòng)頻繁的區(qū)域，可見人類活動(dòng)對(duì)泥石流發(fā)育具有顯著影響。

3.2各因子之間的線性回歸分析

若各因子之間存在明顯的線性關(guān)系，則會(huì)產(chǎn)生多重線性關(guān)系，從而對(duì)泥石流的易發(fā)性和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)產(chǎn)生很大影響。為此，對(duì)上述10種因子進(jìn)行了線性回歸分析。結(jié)果表明，各因子中海拔的VIF值最大，為3.323。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷方法，當(dāng)VIF<10時(shí)，各因子之間的相關(guān)性很弱，而數(shù)值越小，其相關(guān)性也就越弱。這說明上述提取的10個(gè)因子之間并不存在共線性。

4基于AHP模型的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

4.1評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

為了方便對(duì)白龍江流域泥石流易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，將泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行等級(jí)劃分。根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況和專家經(jīng)驗(yàn)，采用5級(jí)評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)泥石流易發(fā)性，即將各個(gè)因子分別劃分為5個(gè)等級(jí)(表1)，權(quán)重分別為5、4、3、2、1。

4.2泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果分析

為了更精確地評(píng)價(jià)研究區(qū)泥石流危險(xiǎn)性，根據(jù)實(shí)際情況，借助GIS技術(shù)將研究區(qū)劃分為18 325個(gè)1 km×1 km的柵格單元，基于AHP模型計(jì)算出每個(gè)單元各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值、等級(jí)賦值，經(jīng)綜合疊加分析，獲得單元內(nèi)泥石流危險(xiǎn)性的綜合指數(shù)，計(jì)算公式[11]為

表1泥石流評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

因子權(quán)重12345距斷層距離(m)>1880012100～188006800～121002500～6800<2500坡度(°)<1515～3535～5050～60>60海拔(m)>33002710～33002155～27101565～2155<1565地震動(dòng)峰值加速度0.10g0.15g0.20g0.25g0.30g滑坡密度(個(gè)/km2)<0.020.02～0.060.06～0.120.12～0.20>0.20平均10min降雨量(mm)<8.958.95～9.859.85～10.9010.90～13.35>13.35距水系距離(m)>42452830～42451760～2830785～1760<785NDVI>0.600.50～0.600.40～0.500.30～0.40<0.30地層巖性 奧陶系巖層和各種巖脈 石灰系巖層、薊縣系巖層、三疊系巖層 泥質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)千枚巖 薄層粉砂巖、泥砂質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)千枚巖 薄層灰?guī)r、砂巖、鈣質(zhì)千枚巖、砂質(zhì)粘土巖土地利用類型未利用林地草地耕地居民用地

式中：Vj為第j個(gè)評(píng)價(jià)單元的泥石流危險(xiǎn)性綜合指數(shù)；θi為第i類評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Qi為第i類評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量。

經(jīng)計(jì)算，研究區(qū)Vj值介于1.564 3～4.738 8。根據(jù)白龍江流域的具體情況，確定泥石流評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，再運(yùn)用AHP模型獲取研究區(qū)內(nèi)的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果(圖1)。從圖1可以看出，白龍江流域泥石流從西北至東南呈現(xiàn)危險(xiǎn)等級(jí)遞增的趨勢(shì)，極度危險(xiǎn)區(qū)和高度危險(xiǎn)區(qū)主要分布在宕昌南部、武都北部、文縣中北部，以及舟曲東北側(cè)的白龍江干流沿岸；中度危險(xiǎn)區(qū)主要分布在極度、高度危險(xiǎn)區(qū)四周；輕度危險(xiǎn)區(qū)分布比較分散，主要分布在文縣東北部、宕昌東北部及迭部西北部；微度危險(xiǎn)區(qū)主要分布在研究區(qū)的西北部，在文縣西南部也有少量的分布。上述研究結(jié)果還表明，宕昌、武都、文縣和舟曲是白龍江流域泥石流的頻發(fā)區(qū)，其泥石流分布面積分別占整個(gè)流域泥石流分布面積的18.30%、22.87%、10.95%、44.65%，這與實(shí)際情況相吻合，證明本研究利用AHP模型進(jìn)行的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果科學(xué)合理。

表2　基于AHP模型的研究區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等級(jí)劃分

圖1　基于AHP模型的研究區(qū)泥石流危險(xiǎn)等級(jí)分布

5結(jié)果與討論

以白龍江流域甘肅省境內(nèi)部分為研究對(duì)象，選擇影響泥石流發(fā)育的主要因素，在地質(zhì)調(diào)查和單因素分析的基礎(chǔ)上，利用GIS技術(shù)和AHP模型對(duì)各因素進(jìn)行綜合分析，獲取了泥石流危險(xiǎn)等級(jí)分布圖。分級(jí)結(jié)果表明，白龍江流域泥石流危險(xiǎn)性從西北至東南呈現(xiàn)危險(xiǎn)等級(jí)遞增的趨勢(shì)，極度危險(xiǎn)區(qū)和高度危險(xiǎn)區(qū)主要分布在宕昌南部、武都北部、文縣中北部、舟曲東北側(cè)的白龍江干流沿岸；中度危險(xiǎn)區(qū)主要在極度和高度危險(xiǎn)區(qū)四周分布；輕度危險(xiǎn)區(qū)分布比較分散，主要分布在文縣東北部、宕昌東北部、迭部西北部；微度危險(xiǎn)區(qū)則主要分布在研究區(qū)的西北部，在文縣西南部也有少量的分布。研究結(jié)果與實(shí)際情況吻合，這說明利用GIS技術(shù)和AHP模型能夠很好地預(yù)測(cè)泥石流的發(fā)生與發(fā)展，對(duì)未來白龍江流域泥石流災(zāi)害防治具有參考價(jià)值。

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(責(zé)任編輯李楊楊)

[基金項(xiàng)目]甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(1304GKCC044)；甘肅省高等學(xué)?？蒲许?xiàng)目(2015B—198)

[中圖分類號(hào)]P642.2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)05-0058-04

[作者簡(jiǎn)介]蒲濟(jì)林(1963—)，男，甘肅金昌市人，副教授，碩士，主要從事自然地理學(xué)教學(xué)和地質(zhì)遙感研究工作；通信作者蘇軍德(1986—)，男，甘肅金昌市人，助教，碩士，主要從事地理學(xué)方面的研究。

[收稿日期]2015-12-02