基于GIS結(jié)合模糊信息方法在災(zāi)害危險性區(qū)劃中的應(yīng)用
——以大西安地區(qū)崩滑地質(zhì)災(zāi)害為例*

謝婉麗,滕宏泉,杜　蕾,蓋海龍,成天娥,黃北秀

(1．西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，大陸動力學(xué)國家重點實驗室，陜西 西安 710069; 2. 礦山地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)機理與防控重點實驗室，陜西 西安，710065；3．陜西省地質(zhì)調(diào)查院，陜西 西安 710065；4.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院/外語學(xué)院，陜西 西安 710069)

“十三五”時期是建設(shè)西安國際化大都市全面發(fā)展的關(guān)鍵時期，在關(guān)中—天水經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃實施的大背景下，西安面臨千載難逢的發(fā)展機遇。按照大西安發(fā)展規(guī)劃，大西安的建設(shè)范圍廣闊，主要包括西安市行政轄區(qū)及咸陽市的秦都區(qū)、渭城區(qū)、涇陽縣、三原縣和興平市；渭南市的富平縣、蒲城縣,總面積約1.56萬km2。建設(shè)過程中的政府決策、防災(zāi)減災(zāi)、規(guī)劃設(shè)計、施工與運營管理等環(huán)節(jié)都面臨著許多與巖土體和地質(zhì)環(huán)境相關(guān)的重大問題。大西安地處關(guān)中平原渭河斷陷盆地的中部，地貌地層多變，地形起伏大切割深，基底構(gòu)造復(fù)雜，潛伏著構(gòu)造活動背景，活動斷裂發(fā)育，存在多種易滑地層。此外連陰雨也較常見，地下水活動較強烈。加之該區(qū)人口密度相對大，人類工程活動強度高。導(dǎo)致大西安地區(qū)滑坡和崩塌種類齊全，滑坡和崩塌密度較大，活動強度相對較高，其中主要以滑坡災(zāi)害尤甚。大西安地區(qū)的滑坡、崩塌主要分布在關(guān)中盆地黃土臺塬邊緣及高階地前緣地帶，比如涇陽南塬、白鹿塬等地，這些災(zāi)害直接或間接地影響到了居民的生活或生產(chǎn)安全。摸清滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度及其危險性，不僅可為大西安建設(shè)過程中的防災(zāi)減災(zāi)、規(guī)劃設(shè)計、施工與運營提供依據(jù)，而且可充分挖掘大西安范圍內(nèi)高質(zhì)量環(huán)境與土地資塬的開發(fā)潛力。

本文在對大西安滑坡和崩塌進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合大西安地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、自然地理條件、崩滑災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀及行政區(qū)劃，根據(jù)崩滑地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)的原則、方法和要求，運用模糊信息原理建立模糊信息綜合評價模型，對大西安地區(qū)的滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行綜合評定，基于GIS軟件對該區(qū)進(jìn)行崩滑災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃和危險性區(qū)劃[1-5]。工程建設(shè)中避免和減少各類災(zāi)害的發(fā)生，最大限度地促進(jìn)城市發(fā)展與環(huán)境協(xié)調(diào)具有重要意義。

1　地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險性分區(qū)依據(jù)

大西安地區(qū)地勢南高北低，南部為秦嶺山地，秦嶺以北為驪山低山丘陵、黃土臺塬和渭河沖積平原，地形復(fù)雜、地貌多變。由于大西安地區(qū)范圍大，不同地區(qū)的地形地貌、地質(zhì)巖性、降雨量、人類工程活動有一定的差別。在易發(fā)性區(qū)劃中為了準(zhǔn)確的對大西安地區(qū)的易發(fā)性進(jìn)行區(qū)劃，方便模型在計算機中運行程序，我們根據(jù)大西安地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、自然地理條件、崩滑災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀特征，結(jié)合降雨量及人類工程活動情況[1,5]，分成三大區(qū)域(I區(qū)、II區(qū)和III區(qū))分別進(jìn)行崩滑災(zāi)害易發(fā)性評價。

I區(qū)包括周至、戶縣、長安區(qū)、楊凌及藍(lán)田縣五個地區(qū)，區(qū)域面積為7 870.18 km2，占總面積的51.26%。地貌上主要為河谷平原、山前洪積平原、黃土臺塬、黃土丘陵和基巖山地等五種地貌單元。

II區(qū)包括臨潼、灞橋、蒲城、三原、涇陽及富平六個區(qū)，地貌單元主要有黃土臺塬、階地和低山丘陵。區(qū)域面積為5 398.36 km2，占總面積的35.16%。

III區(qū)包括城五區(qū)、高陵縣、咸陽市(秦都區(qū)、渭城區(qū))、興平及閻良區(qū)五個區(qū)，總面積為2 084.82 km2，占總面積的13.58%。地貌單元主要為沖洪積平原和階地。

本文結(jié)合大西安自然區(qū)域劃分后的地質(zhì)環(huán)境條件、自然地理條件及地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀[4-5]，對地貌單元較多、滑坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育、類型較復(fù)雜的I區(qū)和II區(qū)在定性評價基礎(chǔ)上，選用模糊綜合評判進(jìn)行定量評價；對于由相對比較穩(wěn)定的平原及階地組成、地質(zhì)災(zāi)害較不發(fā)育的III區(qū)則采用定性評價的方法進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃。

2　模糊綜合評判應(yīng)用

地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)十分復(fù)雜，影響因素較多，有時難以確定每一影響因素所起作用的大小。目前較常用的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃方法主要有：層次分析法、模糊綜合評判法、敏感因子分析法等[5-7]。模糊綜合評判是以隸屬度來描述模糊界限的一種數(shù)學(xué)方法，目前在綜合評價中應(yīng)用較成功。其基本特征就是根據(jù)原始信息能夠?qū)ζ湎鄳?yīng)的必然型或統(tǒng)計型規(guī)律進(jìn)行模糊識別。

總所周知，崩塌及滑坡災(zāi)害的誘發(fā)因素多、發(fā)生機理復(fù)雜，加之其受災(zāi)體的多樣性，在對其進(jìn)行易發(fā)或穩(wěn)定性分區(qū)評價標(biāo)準(zhǔn)中具有模糊性，而且各影響因素之間具有模糊性或不確定性，崩塌及滑坡災(zāi)害的誘發(fā)因素?zé)o法采用定量化指標(biāo)統(tǒng)一，無法用經(jīng)典的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量化分析。因此，采用模糊綜合評判法對崩滑災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)和危險性分區(qū)，既可以全面考慮各個影響因素，又可采用隸屬度來描述模糊界限使影響因素的模糊性得以體現(xiàn)，同時可以充分結(jié)合當(dāng)?shù)鼐唧w情況，采用專家打分的方法發(fā)揮專家的作用，獲得更客觀、符合實際情況的評價結(jié)果[1,6-7]。通過定性和定量因素相結(jié)合進(jìn)行評價，不但可以擴大信息量，而且可以使評價精度得以提高。

2.1　I區(qū)崩滑災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

2.1.1評價單元的劃分

結(jié)合I區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件及災(zāi)害發(fā)育特征，采用2 km×2 km網(wǎng)格單元進(jìn)行各種指標(biāo)的定量統(tǒng)計工作。

2.1.2模糊綜合評價過程

在分析大西安地區(qū)崩滑災(zāi)害發(fā)育特征與分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合該區(qū)易發(fā)程度，建立模糊綜合評判中的評判結(jié)果集為：

J={J1，J2，J3，J4}。

(1)

式中：J1為災(zāi)害高易發(fā)區(qū)；J2為災(zāi)害中易發(fā)區(qū)；J3為災(zāi)害低易發(fā)區(qū)；J4為災(zāi)害不易發(fā)區(qū)。

本文根據(jù)大西安地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、自然地理條件、崩滑災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀特征，結(jié)合降雨量及人類工程活動情況，選取地形地貌、巖土體類型、災(zāi)害點發(fā)育密度作為影響該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素作為評價因子。這樣選取的因子具有區(qū)域代表性又易于定量化，本次評判因子(評價指標(biāo))集為：

Y={Y1，Y2，Y3，Y4，Y5}。

(2)

式中：Y1為地形地貌；Y2為土體類型；Y3為災(zāi)害點發(fā)育密度；Y4為年降雨量；Y5為人類工程活動強度。

在崩滑災(zāi)害中，各個影響因素即各個指標(biāo)對災(zāi)害易發(fā)性起著不同的效果，因此需要采用權(quán)重來體現(xiàn)每種因素的影響程度，權(quán)重系數(shù)取值越大，說明該因子對災(zāi)害易發(fā)程度的影響越大，反之則小。因此權(quán)重的確定的準(zhǔn)確性與合理性對災(zāi)害易發(fā)性的評判結(jié)果顯得十分重要。根據(jù)模糊綜合評判建模要求，結(jié)合該區(qū)大量實例統(tǒng)計，綜合專家打分采用隸屬度函數(shù)對上述評價因子進(jìn)行量化，則崩滑災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)指標(biāo)見表1，并將其記作模糊集合：

A={a1，a2，a3，a4，a5，a6}。

(3)

表1　崩滑災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)評價指標(biāo)

表2　評價指標(biāo)隸屬度取值表

表3　評價指標(biāo)取值表

表4　模糊綜合評判的權(quán)重系數(shù)表

表5　崩滑災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)

隸屬度按下式計算：

(4)

式中：x為各評價單元指標(biāo)的實測值，xi分別為災(zāi)害等級的界限值。各評價單元的隸屬度可以用x代入上式求得。結(jié)合區(qū)內(nèi)具體情況，采用專家評價的方法給出相關(guān)評價因子隸屬度(表2)，對于定量描述的評價指標(biāo)可采用梯形隸屬度函數(shù)進(jìn)行取值。按西安地區(qū)多年平均降水量等值線圖，把降水量分成小于600 mm，600～650 mm，650～700 mm，700～750 mm，750～800 mm，800～850 mm，大于850 mm。如降水量易發(fā)區(qū)劃分為Ⅳ級，Ⅰ級為不易發(fā)區(qū)，Ⅳ級為高易發(fā)區(qū)，其取值如表2所示。

在每一個網(wǎng)格單元內(nèi)，依據(jù)各評價因子對應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)疊加并進(jìn)行模糊綜合評判，運用MAPGIS軟件的空間分析功能得到每各網(wǎng)絡(luò)單元崩滑災(zāi)害發(fā)育程度的類型，并經(jīng)過局部平滑、圖斑合并和碎塊處理，實現(xiàn)易發(fā)性區(qū)劃(圖1)。

圖1　大西安滑坡崩塌易發(fā)性區(qū)劃圖

2.3　II區(qū)崩滑災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

對于I區(qū)和II區(qū)來說，不僅其地質(zhì)環(huán)境有明顯不同，崩滑災(zāi)害的類型、分布、發(fā)育程度也存在差異性。II區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃思路和I區(qū)相似，評價指標(biāo)取值見表3，其評價結(jié)果見圖1。通過計算，確定各致災(zāi)因子的權(quán)重值如表4所示。

2.4　III區(qū)崩滑災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

根據(jù)III區(qū)內(nèi)崩滑災(zāi)害發(fā)育的實際情況，采用定性分析法進(jìn)行易發(fā)區(qū)的劃分。

崩滑災(zāi)害的發(fā)生是由諸多因素引起，定性分析時，應(yīng)考慮地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)的基本因素及主要因素，如地形地貌、巖土體類型、地質(zhì)構(gòu)造、容量工程活動等，然后將利于崩滑災(zāi)害產(chǎn)生的諸多因素疊加，再結(jié)合實際調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害歷史和現(xiàn)狀劃分易發(fā)區(qū)[11-16]。

評價單元的劃分：一般是以崩滑災(zāi)害形成的地質(zhì)環(huán)境條件的差異性確定。當(dāng)條件相同時劃歸一區(qū)。

根據(jù)上述區(qū)劃方法，結(jié)合野外實際調(diào)查及行政區(qū)劃等，將III區(qū)崩滑災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)劃分為：中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、不易發(fā)3個區(qū)，評價標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

根據(jù)區(qū)內(nèi)地形地貌特點等地質(zhì)環(huán)境條件與崩滑災(zāi)害發(fā)育的客觀實際情況，結(jié)合行政區(qū)劃，并考慮到周邊鄰區(qū)已取得的成果資料，進(jìn)行綜合分區(qū)評價并進(jìn)行必要的修正，完成了III區(qū)崩滑災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃分。

3　大西安滑坡崩塌易發(fā)性分區(qū)處理與結(jié)果

3.1　大西安滑坡崩塌易發(fā)性分區(qū)處理

根據(jù)大西安滑坡崩塌空間分布特征及發(fā)育規(guī)律，得到I、II及III區(qū)的滑坡崩塌易發(fā)性區(qū)劃圖。然后再把三個地區(qū)的易發(fā)性區(qū)劃圖拼接，得到最終的整個大西安滑坡崩塌易發(fā)性區(qū)劃圖(見圖1)。

3.2　大西安滑坡崩塌易發(fā)性分區(qū)結(jié)果及概述

根據(jù)圖1，得到了大西安滑坡崩塌易發(fā)性分區(qū)結(jié)果，與實際調(diào)查所形成的感性認(rèn)識和定性分析結(jié)果基本一致。分析結(jié)果顯示，大西安滑坡崩塌易發(fā)程度存在四級，即高易發(fā)區(qū)(A)、中易發(fā)區(qū)(B)、低易發(fā)區(qū)(C)、不易發(fā)區(qū)(D)。

高易發(fā)區(qū)主要分布在大西安地區(qū)南部的周至縣、戶縣、長安區(qū)，東南部的藍(lán)田縣和臨潼區(qū)，以及蒲城縣東部、北部，涇陽縣的西南部。高易發(fā)區(qū)總面積為2 138.6 km2，占大西安地區(qū)總面積的13.85%。

中易發(fā)區(qū)主要包括南部的周至、戶縣、長安三個縣區(qū)南部的中山區(qū)、藍(lán)田東南部的山前洪積扇區(qū)以及蒲城、富平的北部。中易發(fā)區(qū)總面積為3 294.09 km2，占大西安地區(qū)總面積的21.34%。

滑坡、崩塌低易發(fā)區(qū)主要包括南部周至、戶縣、長安、藍(lán)田四個縣區(qū)南部的基巖山區(qū)，以及涇陽的東北部和三原的中部。低區(qū)總面積為2 629.64 km2，占大西安地區(qū)總面積的17.03%。

大西安地區(qū)滑坡崩塌不易發(fā)區(qū)分布廣泛，主要位于渭河兩岸的沖積平原，包括周至、戶縣、長安的北部平原區(qū)，臨潼的北部，富平和蒲城的南部以及西安市區(qū)。不易發(fā)區(qū)總面積為7 377.23 km2，占大西安地區(qū)總面積的47.78%。

4　滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃

在滑坡、崩塌災(zāi)害分布與易發(fā)程度分區(qū)圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)行2 km×2 km的網(wǎng)格劃分。在軟件中，將劃分的網(wǎng)格與網(wǎng)格內(nèi)易發(fā)程度(高易發(fā)、中易發(fā)、低易發(fā)、不易發(fā))和災(zāi)害點危害程度(巨型、大型、中型、小型)疊加，得出每個單元格的危險程度(高危險、中危險、低危險、非危險)，并將單元格的危險程度分別取值4，3，2，1[8-16]。 然后對各個單元格的危險程度進(jìn)行賦值，用MAPGIS軟件自動生成等值線，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查情況，人工輔助計算機畫出地質(zhì)災(zāi)害危險程度分區(qū)圖。

危險性分區(qū)結(jié)果顯示大西安地區(qū)崩塌、 滑坡危險性可分為2個高危險區(qū)，4個中危險區(qū)，4個低危險區(qū)，其他為不危險區(qū)。高危險區(qū)主要位于周至秦嶺山前地帶和藍(lán)田白鹿塬邊。高危險區(qū)面積為258.2 km2，占全區(qū)總面積的1.7%；中危險區(qū)主要位于周至-戶縣-長安-藍(lán)田的中部秦嶺山前洪積扇后緣區(qū)、蒲城的東北部、富平的北部以及涇陽的南部，面積為4 611.8 km2，占全區(qū)總面積的29.8%；低危險區(qū)主要位于周至-戶縣南部基巖山區(qū)、蒲城的北部及三原的西部，面積為3 399.3 km2，占全區(qū)總面積的22%；不危險區(qū)為剩余的其他部分，主要是沖洪積平原地區(qū)，面積為7 188.8 km2，占全區(qū)總面積的46.5%。

剖分的網(wǎng)格與易發(fā)性分區(qū)、災(zāi)害點(僅含坐標(biāo)信息的點)疊加效果圖后，根據(jù)劃分步驟，得到崩塌滑坡危險性分區(qū)圖(圖2)。

圖2　大西安地區(qū)滑坡崩塌災(zāi)害危險性區(qū)劃圖

5　結(jié)論

(1) 根據(jù)大西安地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件、自然地理條件、崩滑災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀特征，結(jié)合降雨量及人類工程活動情況，選取地形地貌、地層巖性、地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育現(xiàn)狀作為影響該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素，建立了大西安地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性和危險性區(qū)劃評價指標(biāo)體系；運用模糊信息原理建立模糊信息綜合評價模型，基于GIS系統(tǒng)對大西安地區(qū)的滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性和危險性進(jìn)行了分區(qū)區(qū)劃及其綜合評定。利用GIS軟件詳細(xì)地分析了該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害(滑坡和崩塌)易發(fā)程度，將該區(qū)災(zāi)害易發(fā)程度劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)四級。

(2)易發(fā)性分區(qū)圖表明：高易發(fā)區(qū)面積為2 138.6 km2，占大西安地區(qū)總面積的13.85%，主要分布在大西安地區(qū)南部的周至縣、戶縣、長安區(qū)，東南部的藍(lán)田縣和臨潼區(qū)，以及蒲城縣東部、北部，涇陽縣的西南部。中易發(fā)區(qū)面積為3 294.09 km2，占大西安地區(qū)總面積的21.34%，主要包括南部的周至、戶縣、長安三個縣區(qū)南部的中山區(qū)、藍(lán)田東南部的山前洪積扇區(qū)以及蒲城、富平的北部。低易發(fā)區(qū)面積為2 629.64 km2，占大西安地區(qū)總面積的17.03%，主要包括南部周至、戶縣、長安、藍(lán)田四個縣區(qū)南部的基巖山區(qū)，以及涇陽的東北部和三原的中部。不易發(fā)區(qū)分布廣泛，面積為7 377.23 km2，占大西安地區(qū)總面積的47.78%，主要位于渭河兩岸的沖積平原，包括周至、戶縣、長安的北部平原區(qū)，臨潼的北部，富平和蒲城的南部以及西安市區(qū)。

(3)在滑坡、崩塌災(zāi)害分布與易發(fā)程度分區(qū)圖的基礎(chǔ)上，結(jié)合災(zāi)害點危害程度，通過GIS軟件詳細(xì)地分析了該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的危險性，將區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危險程度化為高危險、中危險、低危險、非危險四個等級。

(4)危險性分區(qū)結(jié)果顯示：大西安地區(qū)崩塌、 滑坡危險性可分為2個高危險區(qū)，4個中危險區(qū)，4個低危險區(qū)，其他為不危險區(qū)。高危險區(qū)主要位于周至秦嶺山前地帶和藍(lán)田白鹿塬邊。高危險區(qū)面積為258.2 km2，占全區(qū)總面積的1.7%；中危險區(qū)主要位于周至-戶縣-長安-藍(lán)田的中部秦嶺山前洪積扇后緣區(qū)、蒲城的東北部、富平的北部以及涇陽的南部，面積為4 611.8 km2，占全區(qū)總面積的29.8%；低危險區(qū)主要位于周至-戶縣南部基巖山區(qū)、蒲城的北部及三原的西部，面積為3 399.3 km2，占全區(qū)總面積的22%；不危險區(qū)為剩余的其他部分，主要是沖洪積平原地區(qū)，面積為7 188.8 km2，占全區(qū)總面積的46.5%。