基于頻率比—層次分析模型的大比例尺地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)
——以漁洋河流域?yàn)槔?/h1>
2024-02-26 09:26:54陳夢(mèng)源李慧娟王藝霖王海艷
資源環(huán)境與工程 2024年1期
陳夢(mèng)源, 李慧娟*, 劉 暢, 潘 峰, 李 喜, 涂 婧, 王藝霖, 何 睿, 王海艷
(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)的重要組成部分,其對(duì)識(shí)別潛在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、地方政府防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)的提出,地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)研究發(fā)生了一次里程牌式的跨越。相較于國外[1-4],國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚,但發(fā)展迅速。目前,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型大致可分為啟發(fā)式(層次分析法(AHP)[5]、灰色關(guān)聯(lián)模型[6]等)、常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)(信息量法[7]、證據(jù)權(quán)法[8]等)和機(jī)器學(xué)習(xí)法(隨機(jī)森林模型[9]、支持向量機(jī)模型[10]等)三大類型[11]。中國地質(zhì)調(diào)查局2020年3月發(fā)布的《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求(1∶50 000)(試行)》推薦的信息量、證據(jù)權(quán)模型是目前最常用的評(píng)價(jià)方法[12-16]。
隨著國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害防治體系不斷健全和完善,地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作逐漸由全域1∶5萬普查向重點(diǎn)地域1∶1萬詳查轉(zhuǎn)變。由于大比例尺地質(zhì)災(zāi)害詳查工作區(qū)域的限制,進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)時(shí)存在災(zāi)害點(diǎn)樣本較少的局限性,不利于數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)。同時(shí),區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育往往不是單一類型,若在易發(fā)性評(píng)價(jià)中籠統(tǒng)分析,也不利于地質(zhì)災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)[17-18]。
AHP作為啟發(fā)式模型的代表,能有效利用專家知識(shí),降低多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的不確定性,即使在數(shù)據(jù)較少或質(zhì)量一般的情況下,也可以發(fā)揮一定的評(píng)價(jià)效果。頻率比法(FR)作為常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)接方法[19],可以定量分析地質(zhì)災(zāi)害與因子間的關(guān)聯(lián)性特征[20],從而更有效反映因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率的作用大小。頻率比—層次分析(FR-AHP)模型融合了FR的因子分級(jí)和AHP的權(quán)重計(jì)算,相對(duì)于其他模型,在考慮數(shù)據(jù)規(guī)律的同時(shí),降低了對(duì)樣本數(shù)量的依賴,對(duì)區(qū)域大比例尺易發(fā)性評(píng)價(jià)具有較強(qiáng)的適用性。因此,本文以漁洋河流域[21]為研究區(qū),開展基于FR-AHP模型的滑坡、崩塌易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)研究。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)地處鄂西南山地與江漢平原的交接地帶,整體地勢(shì)南西高、北東低,南西部屬中、低山區(qū),中部見丘陵零星分布于山地之間,北東部屬丘陵、崗地和平原區(qū)。區(qū)內(nèi)降雨量充沛,降雨時(shí)間相對(duì)較集中。該區(qū)經(jīng)歷多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),斷裂及褶皺發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜;巖性以碳酸鹽巖為主,巖溶較為發(fā)育,巖體結(jié)構(gòu)較為破碎,風(fēng)化強(qiáng)烈。
近年來,隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅速發(fā)展,人類工程活動(dòng)日益頻繁,破壞了其原始地質(zhì)環(huán)境條件,導(dǎo)致原本脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)一步惡化,引發(fā)、加劇了大量地質(zhì)災(zāi)害,給河谷區(qū)道路交通、水電工程和城鎮(zhèn)建設(shè)帶來重大安全隱患,嚴(yán)重制約著地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。
研究區(qū)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害113處,以滑坡為主,共計(jì)78處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的69.0%;其次為地面塌陷19處,占比16.8%;崩塌14處,占比12.4%;泥石流僅2處,占比1.8%,詳見圖1。李慧娟等[22]對(duì)該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征進(jìn)行了詳細(xì)研究,為本次開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)打好了基礎(chǔ)。
圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布簡(jiǎn)圖Fig.1 Distribution map of geological hazards in the study area
2 評(píng)價(jià)模型
2.1 AHP模型
AHP模型將一個(gè)復(fù)雜的目標(biāo)決策問題層次化分解,形成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)等多個(gè)層次,通過計(jì)算最下層指標(biāo)權(quán)重的總排序,建立多指標(biāo)優(yōu)化解決目標(biāo)決策問題的系統(tǒng)方法,具有很強(qiáng)的邏輯性[23]。通過AHP模型計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的具體步驟如下:
(1) 建立判斷矩陣。以A表示目標(biāo),ui、uj(i,j=1,2,…,n)表示指標(biāo),uij表示ui對(duì)uj的相對(duì)重要權(quán)數(shù),建立A-U判斷矩陣P。
(1)
(2) 重要性排序。計(jì)算特征向量w并歸一化,即為各指標(biāo)重要性排序(權(quán)重)Pw。公式如下:
Pw=λmaxw
(2)
式中:λmax為判斷矩陣得到的最大特征根。
(3) 一致性檢驗(yàn)。判斷指標(biāo)權(quán)重是否合理,則需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。公式如下:
(3)
(4)
式中:CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率;CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo);RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(1～9階判斷矩陣RI值參見表1)。
表1 1～9階判斷矩陣RI值Table 1 Judgment matrix RI values of order 1～9
當(dāng)判斷矩陣P的CR<0.1或λmax=n,CI=0時(shí),認(rèn)為P具有滿意的一致性,否則需要調(diào)整判斷矩陣。
層次分析法根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)選擇評(píng)價(jià)因子,通過矩陣計(jì)算完成因子權(quán)重分配,具有操作簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快的特點(diǎn)。
2.2 FR模型
FR模型是一種雙變量純數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,用來計(jì)算因變量和自變量之間的相關(guān)性(概率關(guān)系)。根據(jù)相關(guān)性分析,可以對(duì)自變量進(jìn)行離散化處理,從而提高分類的準(zhǔn)確性。計(jì)算分類區(qū)間i中xi與yi的頻率比(FRi),即相關(guān)性,公式如下:
(5)
式中:X為自變量;Y為因變量;xi、yi(i=1,2,…,n)分別為第i類自變量和因變量。
通過計(jì)算評(píng)價(jià)因子與地質(zhì)災(zāi)害的頻率比,來表示評(píng)價(jià)因子與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)程度。FRi>0表示該評(píng)價(jià)因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生有一定影響,且FRi越大表示相關(guān)性越高;FRi<0表示該評(píng)價(jià)因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生無明顯影響。
通過對(duì)頻率比接近的分類區(qū)間進(jìn)行合并,從數(shù)據(jù)特征實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)因子指標(biāo)的分級(jí)[24]。運(yùn)用FR模型能夠一定程度上彌補(bǔ)AHP模型中因子分級(jí)、權(quán)重全部依賴專家經(jīng)驗(yàn)的弊端,為易發(fā)性評(píng)價(jià)模型提升精確度。
2.3 FR-AHP模型
FR-AHP模型本質(zhì)是利用FR模型優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)接方法,從而結(jié)合AHP模型實(shí)現(xiàn)易發(fā)性評(píng)價(jià),其吸納了兩者的優(yōu)點(diǎn),將專家知識(shí)引入分析過程的同時(shí),尊重客觀數(shù)據(jù)規(guī)律,能有效提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性,且具有較強(qiáng)的適用性。
3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)
3.1 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)編錄
本文采用《漁洋河流域地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查(1∶1萬)》項(xiàng)目調(diào)查成果資料,建立區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害編錄數(shù)據(jù)庫。由于采用面數(shù)據(jù)的易發(fā)性評(píng)價(jià)精度要優(yōu)于點(diǎn)數(shù)據(jù)[25],而FR模型屬于二元統(tǒng)計(jì)模型,其對(duì)統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量也有一定的要求,故本次采用地質(zhì)災(zāi)害面數(shù)據(jù)作為樣本,可以一定程度上彌補(bǔ)樣本數(shù)量較少的缺陷。但研究區(qū)泥石流僅2處,地面塌陷有18處,共43個(gè)柵格,仍不具備FR-AHP模型的樣本條件,故本次僅對(duì)滑坡、崩塌進(jìn)行易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)。
研究區(qū)主要數(shù)據(jù)來源包括:①1∶1萬地形圖,用于提取高程、坡度、坡向等基本信息;②以1∶5萬地質(zhì)圖為主,局部輔以1∶20萬地質(zhì)圖補(bǔ)充,結(jié)合實(shí)地調(diào)查、遙感解譯以及現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核獲取的第四系范圍,用于提取構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組等信息;③地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)信息采用實(shí)地調(diào)查成果,包括地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間、規(guī)模、物質(zhì)組成、實(shí)體勾繪邊界等;④斜坡單元采用以集水區(qū)重疊法[26]劃分為基礎(chǔ),通過野外調(diào)查修正的1 710個(gè)自然斜坡;流域第一斜坡帶斜坡結(jié)構(gòu)依據(jù)“一坡一卡”實(shí)地調(diào)查成果,其他斜坡單元斜坡結(jié)構(gòu),通過地層產(chǎn)狀調(diào)查與DEM數(shù)據(jù)獲取的坡向和坡度,計(jì)算空間相互組合關(guān)系確定。
3.2 評(píng)價(jià)單元選取
易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果受評(píng)價(jià)單元尺寸影響很大,在確定柵格單元尺寸時(shí),應(yīng)綜合考慮調(diào)查資料的精度、地形數(shù)據(jù)的精度、研究區(qū)面積等因素[27]。根據(jù)本研究精度為1∶1萬,引用柵格單元尺寸經(jīng)驗(yàn)公式:
GS=7.49+0.000 6S-2×10-9S2+2.9×10-15S3
(6)
式中:GS為最大柵格單元尺寸;S為數(shù)據(jù)精度分母。
根據(jù)計(jì)算得出GS為13.49 m,故本研究選取10 m×10 m作為柵格評(píng)價(jià)的單元尺寸,即1∶1萬底圖上1 mm×1 mm正方形方格為一個(gè)基本單元,柵格總數(shù)為4 377 966個(gè)。
3.3 指標(biāo)因子選取
根據(jù)研究區(qū)滑坡調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)分析,在總結(jié)前人研究成果及滑坡形成機(jī)理基礎(chǔ)上,從地質(zhì)、地形、水文3個(gè)方面選取滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子,其中地質(zhì)因子選取工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、斷層,地形因子選取高差、坡度,水文因子選取水系,共計(jì)6個(gè)指標(biāo)因子。在ArcGIS軟件中通過矢量化、DEM生成、表面分析等工具,首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,再利用FR模型探討滑坡與各因子間的非線性響應(yīng)關(guān)系。
崩塌作為斜坡地質(zhì)災(zāi)害的另一種形式,其指標(biāo)因子的選取可參照滑坡,但因兩者受各因子影響程度存在明顯差異,故需另外分析因子的響應(yīng)關(guān)系及權(quán)重。
3.4 指標(biāo)因子權(quán)重
根據(jù)各評(píng)價(jià)因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響大小,構(gòu)建判斷矩陣。通過對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),滑坡、崩塌λmax分別為6.323 0和6.546 3,查表1知n=6、RI=1.24,代入計(jì)算得到CR分別為0.051 3和0.081 6,滿足一致性檢驗(yàn),并進(jìn)一步計(jì)算出綜合權(quán)重值(Wi),滑坡各環(huán)境因子權(quán)重值為工程地質(zhì)巖組(0.414 4)、斜坡結(jié)構(gòu)(0.254 0)、斷層(0.070 5)、高差(0.075 9)、坡度(0.146 3)、水系(0.039 0);崩塌各環(huán)境因子權(quán)重為工程地質(zhì)巖組(0.166 9)、斜坡結(jié)構(gòu)(0.064 7)、斷層(0.242 6)、高差(0.114 8)、坡度(0.374 7)、水系(0.036 3),詳見表2、表3。
表2 滑坡評(píng)價(jià)因子判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of landslide evaluation factor
表3 崩塌評(píng)價(jià)因子判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of collapse evaluation factor
3.5 基于FR的因子分析
(1) 工程地質(zhì)巖組。工程地質(zhì)巖組對(duì)地質(zhì)災(zāi)害形成和發(fā)育起著十分重要的作用,是孕育地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵內(nèi)在因素,且對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的類型及規(guī)模在很大程度上起著控制作用。研究區(qū)地層出露較齊全,除白堊系、侏羅系和新近系缺失外,從寒武系至第四系均有出露,可分為松散巖(Ⅰ)、碎屑巖(Ⅱ)、碳酸鹽巖(Ⅲ)3大巖類。根據(jù)其工程地質(zhì)特性及物理力學(xué)參數(shù)的差異,進(jìn)一步細(xì)分為11個(gè)工程地質(zhì)巖組,屬離散型數(shù)據(jù)(圖2-a、圖3-a)。
圖2 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分類圖Fig.2 Classification chart of landslide susceptibility evaluation index factors
圖3 崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分類圖Fig.3 Classification chart of collapse susceptibility evaluation index factors
研究區(qū)滑坡以土質(zhì)為主,殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土(Ⅰ3)FR值遠(yuǎn)大于其他巖組;軟硬相間中—厚層狀砂巖、黏土巖、灰?guī)r、煤線(Ⅱ3),軟弱薄—中厚層狀頁巖、粉砂巖、泥巖(Ⅱ4),堅(jiān)硬較堅(jiān)硬薄—中厚層狀巖溶弱發(fā)育泥質(zhì)灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r夾頁巖(Ⅲ3)以及崩坡積塊石土(Ⅰ2)FR值均>0,表明上述工程地質(zhì)巖組更利于滑坡發(fā)生,主要原因是在軟硬巖接觸面或軟弱夾層,易形成較強(qiáng)烈的錯(cuò)動(dòng)帶和風(fēng)化帶。研究區(qū)崩塌均為巖質(zhì),松散巖(Ⅰ)FR值均趨近于-1,而軟硬相間層狀砂巖、黏土巖互層為主夾灰?guī)r、煤線(Ⅱ3)FR值最大,其次為堅(jiān)硬較堅(jiān)硬中—厚層狀中—弱巖溶化灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖(Ⅲ2),FR>0。
(2) 斜坡結(jié)構(gòu)。不同的斜坡結(jié)構(gòu)決定了斜坡巖土體空間形態(tài)的差異,進(jìn)而對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育強(qiáng)度起著一定的控制作用。根據(jù)斜坡坡度、坡向與地層傾向、傾角的組合關(guān)系,可將研究區(qū)斜坡分為順向飄傾坡、近水平層狀坡、順向伏傾坡、順斜坡、橫向坡、逆斜坡、逆向坡以及非斜坡8類,屬離散型數(shù)據(jù)(圖2-b、圖3-b)。
從斜坡結(jié)構(gòu)的影響上看,研究區(qū)滑坡受順向斜坡結(jié)構(gòu)控制最為明顯,其中順向飄傾坡、順向伏傾坡的FR值最大,分別為1.64和1.46。而順斜坡結(jié)構(gòu)對(duì)崩塌的控制最為明顯,FR值為2.39,遠(yuǎn)大于其他類型。
(3) 與斷層距離。斷層造成一定范圍內(nèi)巖土體裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎,其影響程度還可能受規(guī)模、延伸性等變化,本文用地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與斷層軸線的垂直距離來概化其對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響。將研究區(qū)斷層按100 m步長(zhǎng)建立緩沖區(qū),進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化處理(圖2-c、圖3-c)。
滑坡斷層FR值表現(xiàn)出明顯的分帶性,600～1 500 m區(qū)間FR值整體>0,其中1 100～1 300 m區(qū)間FR值最大,為2.8。而崩塌斷層FR值則表現(xiàn)為隨著距離增大而逐漸減小,當(dāng)距離>500 m時(shí),FR值趨近于-1。
(4) 高差。相對(duì)高差的大小決定著斜坡的有效臨空面的大小,相對(duì)高差越大,發(fā)生斜坡失穩(wěn)的可能性就越大。高差為連續(xù)型變量,需對(duì)其進(jìn)行10 m等步長(zhǎng)離散化(圖2-d、圖3-d)。
滑坡表現(xiàn)為10～30 m高差區(qū)間FR值最大,其次為30～40 m高差區(qū)間,當(dāng)高差>80 m時(shí)FR值趨近于-1,幾乎沒有滑坡柵格。崩塌則是在50～90 m高差區(qū)間FR值均>5,當(dāng)高差>90 m時(shí),FR值趨近于-1,整體表現(xiàn)出明顯的區(qū)間性。
(5) 坡度。坡度與斜坡體內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)有著密切的關(guān)系,隨著坡度的增大,坡腳應(yīng)力集中也隨之增大,有利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。坡度同樣為連續(xù)型變量,需按5°等步長(zhǎng)離散化處理(圖2-e、圖3-e)。
從坡度的影響上看,滑坡、崩塌存在明顯差異。滑坡坡度在15°～30°區(qū)間FR值近似,均為0.5左右,隨著坡度的增大或減小,FR值逐漸降低。崩塌坡度在55°～65°區(qū)間FR值接近10,隨著坡度減小FR值逐漸降低,當(dāng)坡度>65°時(shí),FR值趨近于-1。
(6) 與水系距離。水是誘發(fā)滑坡的重要因素之一,地表水對(duì)斜坡坡腳的侵蝕作用,以及地下水軟化巖土體,降低了抗剪強(qiáng)度,本文用地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與水系表面的距離來概化其對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響。將研究區(qū)水系按100 m步長(zhǎng)建立緩沖區(qū),進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化處理(圖2-f、圖3-f)。
滑坡在與水系距離100～300 m時(shí)FR值最大,接近于1,隨著距離的增大或減小,FR值逐漸降低。而崩塌在與水系距離≤100 m時(shí),FR值最大,隨著距離增大表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。
3.6 指標(biāo)因子分類賦值
分別統(tǒng)計(jì)分析滑坡、崩塌在各個(gè)指標(biāo)因子分類上的分布規(guī)律,包括數(shù)量、密度、柵格數(shù)、分類柵格數(shù)以及FR值等。結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及形成機(jī)理,將指標(biāo)因子按4級(jí)進(jìn)行分類賦值,統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為1～4的可比值,詳見表4、表5。
表4 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分類賦值Table 4 Classification and assignment of landslide susceptibility evaluation index factors
表5 崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分類賦值Table 5 Classification and assignment of collapse susceptibility evaluation index factors
3.7 模型精度評(píng)價(jià)
通過指標(biāo)因子權(quán)重與各分級(jí)賦值乘積之和,可以得到易發(fā)性指數(shù),經(jīng)歸一化后即為易發(fā)性值。評(píng)價(jià)模型的可靠性,可以運(yùn)用評(píng)價(jià)結(jié)果的成功率進(jìn)行檢驗(yàn),ROC曲線是最常見的一種手段。本研究采用信息量模型作為對(duì)照組,選取工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、與斷層距離、高差、坡度、與水系距離等6個(gè)評(píng)價(jià)因子,將高差、坡度、與斷層距離、與水系距離4個(gè)連續(xù)型評(píng)價(jià)因子采用自然間斷法分為5級(jí),而工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)2個(gè)離散型評(píng)價(jià)因子保留類型劃分。分別對(duì)滑坡、崩塌的FR-AHP模型以及不區(qū)分滑坡崩塌的信息量模型易發(fā)性結(jié)果,隨機(jī)抽取地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及非地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)樣本柵格各500個(gè),繪制ROC曲線,滑坡、崩塌FR-AHP模型的AUC值分別為0.871、0.926,均高于信息量模型AUC值0.864(圖4、表6)。因此認(rèn)為FR-AHP模型易發(fā)性評(píng)價(jià)效果良好,且樣本數(shù)量較少的崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)仍有較好的準(zhǔn)確性。
表6 易發(fā)性AUC值對(duì)照表Table 6 Susceptibility AUC value comparison table
圖4 滑坡易發(fā)性成功率ROC曲線圖Fig.4 ROC curve of landslide susceptibility success rate
4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)
4.1 易發(fā)性分級(jí)
易發(fā)性分級(jí)是將易發(fā)性值按照從大到小的順序依次劃分區(qū)間。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求,易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果設(shè)置為高、中、低、非4個(gè)等級(jí),滑坡、崩塌易發(fā)性分級(jí)詳見圖5、圖6。對(duì)比柵格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表7)可以發(fā)現(xiàn),滑坡、崩塌易發(fā)性分級(jí)均呈現(xiàn)出易發(fā)性級(jí)別越高,FR值越大的趨勢(shì),且大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)均分布在高易發(fā)區(qū),說明評(píng)價(jià)等級(jí)劃分合理。
表7 易發(fā)性評(píng)價(jià)等級(jí)柵格統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 7 Raster statistical results of susceptibility evaluation scale
圖5 滑坡易發(fā)性分級(jí)圖Fig.5 Landslide susceptibility grading chart
圖6 崩塌易發(fā)性分級(jí)圖Fig.6 Collapse susceptibility grading chart
4.2 易發(fā)性疊加
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)應(yīng)充分考慮各類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級(jí),為充分體現(xiàn)研究區(qū)滑坡、崩塌易發(fā)程度,采用就高原則,將滑坡、崩塌易發(fā)性分級(jí)結(jié)果進(jìn)行疊加(圖7),得到漁洋河流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(圖8)。
圖7 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)等級(jí)Fig.7 Comprehensive evaluation grade ofgeological disaster susceptibility
圖8 漁洋河流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合分區(qū)圖Fig.8 Comprehensive zoning map of geological disaster susceptibility in Yuyang River Basin
由圖8可知,漁洋河流域高、中、低、非易發(fā)區(qū)面積分別占研究區(qū)面積的13.6%、36.0%、41.8%、8.6%,其中高易發(fā)區(qū)主要分布在上游漁洋關(guān)集鎮(zhèn)及周邊,地質(zhì)災(zāi)害受斷裂構(gòu)造、地層巖性及巖性組合控制,其次分布在中游王家畈—樟桂嶺和張家澗—托溪一帶,因河流侵蝕作用創(chuàng)造了臨空條件,順向斜坡結(jié)構(gòu)和軟弱結(jié)構(gòu)面是主要的控制因素。
5 結(jié)論
(1) 根據(jù)漁洋河流域地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害空間分布規(guī)律,通過對(duì)78處滑坡、14處崩塌編錄數(shù)據(jù)分析,并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理,建立了2套不同的易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,能準(zhǔn)確反映出地質(zhì)環(huán)境對(duì)不同類型地質(zhì)災(zāi)害的影響。
(2) 在1∶1萬大比例尺評(píng)價(jià)尺度下,基于FR-AHP模型的漁洋河流域滑坡、崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)AUC值分別為0.871、0.926,均高于信息量模型的0.864,說明FR-AHP模型在大比例尺易發(fā)性評(píng)價(jià)中具有良好的效果,且受樣本數(shù)量的限制較小。
(3) 采用就高原則,將滑坡、崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比疊加,實(shí)現(xiàn)了漁洋河流域地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性綜合評(píng)價(jià),其高易發(fā)區(qū)面積占研究區(qū)面積的13.6%,主要位于上游漁洋關(guān)集鎮(zhèn)周邊及中游王家畈—樟桂嶺、張家澗—托溪一帶。
(4) FR-AHP模型利用FR模型優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)接方法,一定程度上彌補(bǔ)了AHP模型主觀性較強(qiáng)的不足,同時(shí)發(fā)揮了其適用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),在大比例尺易發(fā)性評(píng)價(jià)中效果較好,說明該評(píng)價(jià)方法可以作為大比例區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)的有效手段,具有一定的推廣價(jià)值。
猜你喜歡
機(jī)用鎳鈦銼在乳磨牙根管治療中的應(yīng)用中國藥學(xué)藥品知識(shí)倉庫(2022年9期)2022-05-23 00:30:46 貴州省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)圖大眾科學(xué)(2022年5期)2022-05-18 13:24:20 夏季羊易發(fā)疾病及防治方法今日農(nóng)業(yè)(2021年10期)2021-11-27 09:45:24 基于鄰域柵格篩選的點(diǎn)云邊緣點(diǎn)提取方法*科技創(chuàng)新與應(yīng)用(2021年31期)2021-11-09 13:11:18 冬季雞腸炎易發(fā) 科學(xué)防治有方法今日農(nóng)業(yè)(2021年1期)2021-03-19 08:35:32 信仰的“斜坡”當(dāng)代陜西(2019年6期)2019-04-17 05:03:50 夢(mèng)是長(zhǎng)長(zhǎng)的斜坡(外一首)天津詩人(2017年2期)2017-11-29 01:24:12 不同剖面形狀的柵格壁對(duì)柵格翼氣動(dòng)特性的影響彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)(2015年1期)2015-03-11 15:32:23 基于CVT排布的非周期柵格密度加權(quán)陣設(shè)計(jì)雷達(dá)學(xué)報(bào)(2014年4期)2014-04-23 07:43:13 無軌斜坡道在大紅山鐵礦中的應(yīng)用有色金屬設(shè)計(jì)(2014年4期)2014-03-11 19:43:11
陳夢(mèng)源, 李慧娟*, 劉 暢, 潘 峰, 李 喜, 涂 婧, 王藝霖, 何 睿, 王海艷
(1.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034; 3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)的重要組成部分,其對(duì)識(shí)別潛在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、地方政府防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。隨著地理信息系統(tǒng)(GIS)的提出,地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)研究發(fā)生了一次里程牌式的跨越。相較于國外[1-4],國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚,但發(fā)展迅速。目前,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型大致可分為啟發(fā)式(層次分析法(AHP)[5]、灰色關(guān)聯(lián)模型[6]等)、常規(guī)數(shù)理統(tǒng)計(jì)(信息量法[7]、證據(jù)權(quán)法[8]等)和機(jī)器學(xué)習(xí)法(隨機(jī)森林模型[9]、支持向量機(jī)模型[10]等)三大類型[11]。中國地質(zhì)調(diào)查局2020年3月發(fā)布的《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求(1∶50 000)(試行)》推薦的信息量、證據(jù)權(quán)模型是目前最常用的評(píng)價(jià)方法[12-16]。
隨著國內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害防治體系不斷健全和完善,地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作逐漸由全域1∶5萬普查向重點(diǎn)地域1∶1萬詳查轉(zhuǎn)變。由于大比例尺地質(zhì)災(zāi)害詳查工作區(qū)域的限制,進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)時(shí)存在災(zāi)害點(diǎn)樣本較少的局限性,不利于數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測(cè)。同時(shí),區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育往往不是單一類型,若在易發(fā)性評(píng)價(jià)中籠統(tǒng)分析,也不利于地質(zhì)災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)[17-18]。
AHP作為啟發(fā)式模型的代表,能有效利用專家知識(shí),降低多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的不確定性,即使在數(shù)據(jù)較少或質(zhì)量一般的情況下,也可以發(fā)揮一定的評(píng)價(jià)效果。頻率比法(FR)作為常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)接方法[19],可以定量分析地質(zhì)災(zāi)害與因子間的關(guān)聯(lián)性特征[20],從而更有效反映因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率的作用大小。頻率比—層次分析(FR-AHP)模型融合了FR的因子分級(jí)和AHP的權(quán)重計(jì)算,相對(duì)于其他模型,在考慮數(shù)據(jù)規(guī)律的同時(shí),降低了對(duì)樣本數(shù)量的依賴,對(duì)區(qū)域大比例尺易發(fā)性評(píng)價(jià)具有較強(qiáng)的適用性。因此,本文以漁洋河流域[21]為研究區(qū),開展基于FR-AHP模型的滑坡、崩塌易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)研究。
1 研究區(qū)概況
研究區(qū)地處鄂西南山地與江漢平原的交接地帶,整體地勢(shì)南西高、北東低,南西部屬中、低山區(qū),中部見丘陵零星分布于山地之間,北東部屬丘陵、崗地和平原區(qū)。區(qū)內(nèi)降雨量充沛,降雨時(shí)間相對(duì)較集中。該區(qū)經(jīng)歷多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng),斷裂及褶皺發(fā)育,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜;巖性以碳酸鹽巖為主,巖溶較為發(fā)育,巖體結(jié)構(gòu)較為破碎,風(fēng)化強(qiáng)烈。
近年來,隨著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)迅速發(fā)展,人類工程活動(dòng)日益頻繁,破壞了其原始地質(zhì)環(huán)境條件,導(dǎo)致原本脆弱的地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)一步惡化,引發(fā)、加劇了大量地質(zhì)災(zāi)害,給河谷區(qū)道路交通、水電工程和城鎮(zhèn)建設(shè)帶來重大安全隱患,嚴(yán)重制約著地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。
研究區(qū)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害113處,以滑坡為主,共計(jì)78處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的69.0%;其次為地面塌陷19處,占比16.8%;崩塌14處,占比12.4%;泥石流僅2處,占比1.8%,詳見圖1。李慧娟等[22]對(duì)該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征進(jìn)行了詳細(xì)研究,為本次開展地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)打好了基礎(chǔ)。
圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布簡(jiǎn)圖Fig.1 Distribution map of geological hazards in the study area
2 評(píng)價(jià)模型
2.1 AHP模型
AHP模型將一個(gè)復(fù)雜的目標(biāo)決策問題層次化分解,形成目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)等多個(gè)層次,通過計(jì)算最下層指標(biāo)權(quán)重的總排序,建立多指標(biāo)優(yōu)化解決目標(biāo)決策問題的系統(tǒng)方法,具有很強(qiáng)的邏輯性[23]。通過AHP模型計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的具體步驟如下:
(1) 建立判斷矩陣。以A表示目標(biāo),ui、uj(i,j=1,2,…,n)表示指標(biāo),uij表示ui對(duì)uj的相對(duì)重要權(quán)數(shù),建立A-U判斷矩陣P。
(1)
(2) 重要性排序。計(jì)算特征向量w并歸一化,即為各指標(biāo)重要性排序(權(quán)重)Pw。公式如下:
Pw=λmaxw
(2)
式中:λmax為判斷矩陣得到的最大特征根。
(3) 一致性檢驗(yàn)。判斷指標(biāo)權(quán)重是否合理,則需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。公式如下:
(3)
(4)
式中:CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率;CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo);RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(1～9階判斷矩陣RI值參見表1)。
表1 1～9階判斷矩陣RI值Table 1 Judgment matrix RI values of order 1～9
當(dāng)判斷矩陣P的CR<0.1或λmax=n,CI=0時(shí),認(rèn)為P具有滿意的一致性,否則需要調(diào)整判斷矩陣。
層次分析法根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)選擇評(píng)價(jià)因子,通過矩陣計(jì)算完成因子權(quán)重分配,具有操作簡(jiǎn)單、計(jì)算速度快的特點(diǎn)。
2.2 FR模型
FR模型是一種雙變量純數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,用來計(jì)算因變量和自變量之間的相關(guān)性(概率關(guān)系)。根據(jù)相關(guān)性分析,可以對(duì)自變量進(jìn)行離散化處理,從而提高分類的準(zhǔn)確性。計(jì)算分類區(qū)間i中xi與yi的頻率比(FRi),即相關(guān)性,公式如下:
(5)
式中:X為自變量;Y為因變量;xi、yi(i=1,2,…,n)分別為第i類自變量和因變量。
通過計(jì)算評(píng)價(jià)因子與地質(zhì)災(zāi)害的頻率比,來表示評(píng)價(jià)因子與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)程度。FRi>0表示該評(píng)價(jià)因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生有一定影響,且FRi越大表示相關(guān)性越高;FRi<0表示該評(píng)價(jià)因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生無明顯影響。
通過對(duì)頻率比接近的分類區(qū)間進(jìn)行合并,從數(shù)據(jù)特征實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)因子指標(biāo)的分級(jí)[24]。運(yùn)用FR模型能夠一定程度上彌補(bǔ)AHP模型中因子分級(jí)、權(quán)重全部依賴專家經(jīng)驗(yàn)的弊端,為易發(fā)性評(píng)價(jià)模型提升精確度。
2.3 FR-AHP模型
FR-AHP模型本質(zhì)是利用FR模型優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)接方法,從而結(jié)合AHP模型實(shí)現(xiàn)易發(fā)性評(píng)價(jià),其吸納了兩者的優(yōu)點(diǎn),將專家知識(shí)引入分析過程的同時(shí),尊重客觀數(shù)據(jù)規(guī)律,能有效提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性,且具有較強(qiáng)的適用性。
3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)
3.1 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)編錄
本文采用《漁洋河流域地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查(1∶1萬)》項(xiàng)目調(diào)查成果資料,建立區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害編錄數(shù)據(jù)庫。由于采用面數(shù)據(jù)的易發(fā)性評(píng)價(jià)精度要優(yōu)于點(diǎn)數(shù)據(jù)[25],而FR模型屬于二元統(tǒng)計(jì)模型,其對(duì)統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量也有一定的要求,故本次采用地質(zhì)災(zāi)害面數(shù)據(jù)作為樣本,可以一定程度上彌補(bǔ)樣本數(shù)量較少的缺陷。但研究區(qū)泥石流僅2處,地面塌陷有18處,共43個(gè)柵格,仍不具備FR-AHP模型的樣本條件,故本次僅對(duì)滑坡、崩塌進(jìn)行易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)。
研究區(qū)主要數(shù)據(jù)來源包括:①1∶1萬地形圖,用于提取高程、坡度、坡向等基本信息;②以1∶5萬地質(zhì)圖為主,局部輔以1∶20萬地質(zhì)圖補(bǔ)充,結(jié)合實(shí)地調(diào)查、遙感解譯以及現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核獲取的第四系范圍,用于提取構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組等信息;③地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)信息采用實(shí)地調(diào)查成果,包括地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間、規(guī)模、物質(zhì)組成、實(shí)體勾繪邊界等;④斜坡單元采用以集水區(qū)重疊法[26]劃分為基礎(chǔ),通過野外調(diào)查修正的1 710個(gè)自然斜坡;流域第一斜坡帶斜坡結(jié)構(gòu)依據(jù)“一坡一卡”實(shí)地調(diào)查成果,其他斜坡單元斜坡結(jié)構(gòu),通過地層產(chǎn)狀調(diào)查與DEM數(shù)據(jù)獲取的坡向和坡度,計(jì)算空間相互組合關(guān)系確定。
3.2 評(píng)價(jià)單元選取
易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果受評(píng)價(jià)單元尺寸影響很大,在確定柵格單元尺寸時(shí),應(yīng)綜合考慮調(diào)查資料的精度、地形數(shù)據(jù)的精度、研究區(qū)面積等因素[27]。根據(jù)本研究精度為1∶1萬,引用柵格單元尺寸經(jīng)驗(yàn)公式:
GS=7.49+0.000 6S-2×10-9S2+2.9×10-15S3
(6)
式中:GS為最大柵格單元尺寸;S為數(shù)據(jù)精度分母。
根據(jù)計(jì)算得出GS為13.49 m,故本研究選取10 m×10 m作為柵格評(píng)價(jià)的單元尺寸,即1∶1萬底圖上1 mm×1 mm正方形方格為一個(gè)基本單元,柵格總數(shù)為4 377 966個(gè)。
3.3 指標(biāo)因子選取
根據(jù)研究區(qū)滑坡調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)分析,在總結(jié)前人研究成果及滑坡形成機(jī)理基礎(chǔ)上,從地質(zhì)、地形、水文3個(gè)方面選取滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子,其中地質(zhì)因子選取工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、斷層,地形因子選取高差、坡度,水文因子選取水系,共計(jì)6個(gè)指標(biāo)因子。在ArcGIS軟件中通過矢量化、DEM生成、表面分析等工具,首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,再利用FR模型探討滑坡與各因子間的非線性響應(yīng)關(guān)系。
崩塌作為斜坡地質(zhì)災(zāi)害的另一種形式,其指標(biāo)因子的選取可參照滑坡,但因兩者受各因子影響程度存在明顯差異,故需另外分析因子的響應(yīng)關(guān)系及權(quán)重。
3.4 指標(biāo)因子權(quán)重
根據(jù)各評(píng)價(jià)因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響大小,構(gòu)建判斷矩陣。通過對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),滑坡、崩塌λmax分別為6.323 0和6.546 3,查表1知n=6、RI=1.24,代入計(jì)算得到CR分別為0.051 3和0.081 6,滿足一致性檢驗(yàn),并進(jìn)一步計(jì)算出綜合權(quán)重值(Wi),滑坡各環(huán)境因子權(quán)重值為工程地質(zhì)巖組(0.414 4)、斜坡結(jié)構(gòu)(0.254 0)、斷層(0.070 5)、高差(0.075 9)、坡度(0.146 3)、水系(0.039 0);崩塌各環(huán)境因子權(quán)重為工程地質(zhì)巖組(0.166 9)、斜坡結(jié)構(gòu)(0.064 7)、斷層(0.242 6)、高差(0.114 8)、坡度(0.374 7)、水系(0.036 3),詳見表2、表3。
表2 滑坡評(píng)價(jià)因子判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of landslide evaluation factor
表3 崩塌評(píng)價(jià)因子判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of collapse evaluation factor
3.5 基于FR的因子分析
(1) 工程地質(zhì)巖組。工程地質(zhì)巖組對(duì)地質(zhì)災(zāi)害形成和發(fā)育起著十分重要的作用,是孕育地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵內(nèi)在因素,且對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的類型及規(guī)模在很大程度上起著控制作用。研究區(qū)地層出露較齊全,除白堊系、侏羅系和新近系缺失外,從寒武系至第四系均有出露,可分為松散巖(Ⅰ)、碎屑巖(Ⅱ)、碳酸鹽巖(Ⅲ)3大巖類。根據(jù)其工程地質(zhì)特性及物理力學(xué)參數(shù)的差異,進(jìn)一步細(xì)分為11個(gè)工程地質(zhì)巖組,屬離散型數(shù)據(jù)(圖2-a、圖3-a)。
圖2 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分類圖Fig.2 Classification chart of landslide susceptibility evaluation index factors
圖3 崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分類圖Fig.3 Classification chart of collapse susceptibility evaluation index factors
研究區(qū)滑坡以土質(zhì)為主,殘坡積含碎石粉質(zhì)黏土(Ⅰ3)FR值遠(yuǎn)大于其他巖組;軟硬相間中—厚層狀砂巖、黏土巖、灰?guī)r、煤線(Ⅱ3),軟弱薄—中厚層狀頁巖、粉砂巖、泥巖(Ⅱ4),堅(jiān)硬較堅(jiān)硬薄—中厚層狀巖溶弱發(fā)育泥質(zhì)灰?guī)r、瘤狀灰?guī)r夾頁巖(Ⅲ3)以及崩坡積塊石土(Ⅰ2)FR值均>0,表明上述工程地質(zhì)巖組更利于滑坡發(fā)生,主要原因是在軟硬巖接觸面或軟弱夾層,易形成較強(qiáng)烈的錯(cuò)動(dòng)帶和風(fēng)化帶。研究區(qū)崩塌均為巖質(zhì),松散巖(Ⅰ)FR值均趨近于-1,而軟硬相間層狀砂巖、黏土巖互層為主夾灰?guī)r、煤線(Ⅱ3)FR值最大,其次為堅(jiān)硬較堅(jiān)硬中—厚層狀中—弱巖溶化灰質(zhì)白云巖、泥質(zhì)白云巖(Ⅲ2),FR>0。
(2) 斜坡結(jié)構(gòu)。不同的斜坡結(jié)構(gòu)決定了斜坡巖土體空間形態(tài)的差異,進(jìn)而對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育強(qiáng)度起著一定的控制作用。根據(jù)斜坡坡度、坡向與地層傾向、傾角的組合關(guān)系,可將研究區(qū)斜坡分為順向飄傾坡、近水平層狀坡、順向伏傾坡、順斜坡、橫向坡、逆斜坡、逆向坡以及非斜坡8類,屬離散型數(shù)據(jù)(圖2-b、圖3-b)。
從斜坡結(jié)構(gòu)的影響上看,研究區(qū)滑坡受順向斜坡結(jié)構(gòu)控制最為明顯,其中順向飄傾坡、順向伏傾坡的FR值最大,分別為1.64和1.46。而順斜坡結(jié)構(gòu)對(duì)崩塌的控制最為明顯,FR值為2.39,遠(yuǎn)大于其他類型。
(3) 與斷層距離。斷層造成一定范圍內(nèi)巖土體裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎,其影響程度還可能受規(guī)模、延伸性等變化,本文用地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與斷層軸線的垂直距離來概化其對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響。將研究區(qū)斷層按100 m步長(zhǎng)建立緩沖區(qū),進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化處理(圖2-c、圖3-c)。
滑坡斷層FR值表現(xiàn)出明顯的分帶性,600～1 500 m區(qū)間FR值整體>0,其中1 100～1 300 m區(qū)間FR值最大,為2.8。而崩塌斷層FR值則表現(xiàn)為隨著距離增大而逐漸減小,當(dāng)距離>500 m時(shí),FR值趨近于-1。
(4) 高差。相對(duì)高差的大小決定著斜坡的有效臨空面的大小,相對(duì)高差越大,發(fā)生斜坡失穩(wěn)的可能性就越大。高差為連續(xù)型變量,需對(duì)其進(jìn)行10 m等步長(zhǎng)離散化(圖2-d、圖3-d)。
滑坡表現(xiàn)為10～30 m高差區(qū)間FR值最大,其次為30～40 m高差區(qū)間,當(dāng)高差>80 m時(shí)FR值趨近于-1,幾乎沒有滑坡柵格。崩塌則是在50～90 m高差區(qū)間FR值均>5,當(dāng)高差>90 m時(shí),FR值趨近于-1,整體表現(xiàn)出明顯的區(qū)間性。
(5) 坡度。坡度與斜坡體內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)有著密切的關(guān)系,隨著坡度的增大,坡腳應(yīng)力集中也隨之增大,有利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。坡度同樣為連續(xù)型變量,需按5°等步長(zhǎng)離散化處理(圖2-e、圖3-e)。
從坡度的影響上看,滑坡、崩塌存在明顯差異。滑坡坡度在15°～30°區(qū)間FR值近似,均為0.5左右,隨著坡度的增大或減小,FR值逐漸降低。崩塌坡度在55°～65°區(qū)間FR值接近10,隨著坡度減小FR值逐漸降低,當(dāng)坡度>65°時(shí),FR值趨近于-1。
(6) 與水系距離。水是誘發(fā)滑坡的重要因素之一,地表水對(duì)斜坡坡腳的侵蝕作用,以及地下水軟化巖土體,降低了抗剪強(qiáng)度,本文用地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與水系表面的距離來概化其對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響。將研究區(qū)水系按100 m步長(zhǎng)建立緩沖區(qū),進(jìn)行數(shù)據(jù)離散化處理(圖2-f、圖3-f)。
滑坡在與水系距離100～300 m時(shí)FR值最大,接近于1,隨著距離的增大或減小,FR值逐漸降低。而崩塌在與水系距離≤100 m時(shí),FR值最大,隨著距離增大表現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。
3.6 指標(biāo)因子分類賦值
分別統(tǒng)計(jì)分析滑坡、崩塌在各個(gè)指標(biāo)因子分類上的分布規(guī)律,包括數(shù)量、密度、柵格數(shù)、分類柵格數(shù)以及FR值等。結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及形成機(jī)理,將指標(biāo)因子按4級(jí)進(jìn)行分類賦值,統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為1～4的可比值,詳見表4、表5。
表4 滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分類賦值Table 4 Classification and assignment of landslide susceptibility evaluation index factors
表5 崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)因子分類賦值Table 5 Classification and assignment of collapse susceptibility evaluation index factors
3.7 模型精度評(píng)價(jià)
通過指標(biāo)因子權(quán)重與各分級(jí)賦值乘積之和,可以得到易發(fā)性指數(shù),經(jīng)歸一化后即為易發(fā)性值。評(píng)價(jià)模型的可靠性,可以運(yùn)用評(píng)價(jià)結(jié)果的成功率進(jìn)行檢驗(yàn),ROC曲線是最常見的一種手段。本研究采用信息量模型作為對(duì)照組,選取工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、與斷層距離、高差、坡度、與水系距離等6個(gè)評(píng)價(jià)因子,將高差、坡度、與斷層距離、與水系距離4個(gè)連續(xù)型評(píng)價(jià)因子采用自然間斷法分為5級(jí),而工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)2個(gè)離散型評(píng)價(jià)因子保留類型劃分。分別對(duì)滑坡、崩塌的FR-AHP模型以及不區(qū)分滑坡崩塌的信息量模型易發(fā)性結(jié)果,隨機(jī)抽取地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及非地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)樣本柵格各500個(gè),繪制ROC曲線,滑坡、崩塌FR-AHP模型的AUC值分別為0.871、0.926,均高于信息量模型AUC值0.864(圖4、表6)。因此認(rèn)為FR-AHP模型易發(fā)性評(píng)價(jià)效果良好,且樣本數(shù)量較少的崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)仍有較好的準(zhǔn)確性。
表6 易發(fā)性AUC值對(duì)照表Table 6 Susceptibility AUC value comparison table
圖4 滑坡易發(fā)性成功率ROC曲線圖Fig.4 ROC curve of landslide susceptibility success rate
4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)
4.1 易發(fā)性分級(jí)
易發(fā)性分級(jí)是將易發(fā)性值按照從大到小的順序依次劃分區(qū)間。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求,易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果設(shè)置為高、中、低、非4個(gè)等級(jí),滑坡、崩塌易發(fā)性分級(jí)詳見圖5、圖6。對(duì)比柵格統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表7)可以發(fā)現(xiàn),滑坡、崩塌易發(fā)性分級(jí)均呈現(xiàn)出易發(fā)性級(jí)別越高,FR值越大的趨勢(shì),且大多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)均分布在高易發(fā)區(qū),說明評(píng)價(jià)等級(jí)劃分合理。
表7 易發(fā)性評(píng)價(jià)等級(jí)柵格統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 7 Raster statistical results of susceptibility evaluation scale
圖5 滑坡易發(fā)性分級(jí)圖Fig.5 Landslide susceptibility grading chart
圖6 崩塌易發(fā)性分級(jí)圖Fig.6 Collapse susceptibility grading chart
4.2 易發(fā)性疊加
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)應(yīng)充分考慮各類地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級(jí),為充分體現(xiàn)研究區(qū)滑坡、崩塌易發(fā)程度,采用就高原則,將滑坡、崩塌易發(fā)性分級(jí)結(jié)果進(jìn)行疊加(圖7),得到漁洋河流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(圖8)。
圖7 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)等級(jí)Fig.7 Comprehensive evaluation grade ofgeological disaster susceptibility
圖8 漁洋河流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合分區(qū)圖Fig.8 Comprehensive zoning map of geological disaster susceptibility in Yuyang River Basin
由圖8可知,漁洋河流域高、中、低、非易發(fā)區(qū)面積分別占研究區(qū)面積的13.6%、36.0%、41.8%、8.6%,其中高易發(fā)區(qū)主要分布在上游漁洋關(guān)集鎮(zhèn)及周邊,地質(zhì)災(zāi)害受斷裂構(gòu)造、地層巖性及巖性組合控制,其次分布在中游王家畈—樟桂嶺和張家澗—托溪一帶,因河流侵蝕作用創(chuàng)造了臨空條件,順向斜坡結(jié)構(gòu)和軟弱結(jié)構(gòu)面是主要的控制因素。
5 結(jié)論
(1) 根據(jù)漁洋河流域地質(zhì)環(huán)境條件和地質(zhì)災(zāi)害空間分布規(guī)律,通過對(duì)78處滑坡、14處崩塌編錄數(shù)據(jù)分析,并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理,建立了2套不同的易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,能準(zhǔn)確反映出地質(zhì)環(huán)境對(duì)不同類型地質(zhì)災(zāi)害的影響。
(2) 在1∶1萬大比例尺評(píng)價(jià)尺度下,基于FR-AHP模型的漁洋河流域滑坡、崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)AUC值分別為0.871、0.926,均高于信息量模型的0.864,說明FR-AHP模型在大比例尺易發(fā)性評(píng)價(jià)中具有良好的效果,且受樣本數(shù)量的限制較小。
(3) 采用就高原則,將滑坡、崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比疊加,實(shí)現(xiàn)了漁洋河流域地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性綜合評(píng)價(jià),其高易發(fā)區(qū)面積占研究區(qū)面積的13.6%,主要位于上游漁洋關(guān)集鎮(zhèn)周邊及中游王家畈—樟桂嶺、張家澗—托溪一帶。
(4) FR-AHP模型利用FR模型優(yōu)化評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)接方法,一定程度上彌補(bǔ)了AHP模型主觀性較強(qiáng)的不足,同時(shí)發(fā)揮了其適用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),在大比例尺易發(fā)性評(píng)價(jià)中效果較好,說明該評(píng)價(jià)方法可以作為大比例區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)的有效手段,具有一定的推廣價(jià)值。
猜你喜歡
中國藥學(xué)藥品知識(shí)倉庫(2022年9期)2022-05-23 00:30:46
大眾科學(xué)(2022年5期)2022-05-18 13:24:20
今日農(nóng)業(yè)(2021年10期)2021-11-27 09:45:24
科技創(chuàng)新與應(yīng)用(2021年31期)2021-11-09 13:11:18
今日農(nóng)業(yè)(2021年1期)2021-03-19 08:35:32
當(dāng)代陜西(2019年6期)2019-04-17 05:03:50
天津詩人(2017年2期)2017-11-29 01:24:12
彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)(2015年1期)2015-03-11 15:32:23
雷達(dá)學(xué)報(bào)(2014年4期)2014-04-23 07:43:13
有色金屬設(shè)計(jì)(2014年4期)2014-03-11 19:43:11
