基于GIS的京藏高速公路京張段沿線地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

李煥彬，張春山，申俊峰，孟華君，張向營

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈北京〉地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081）

京藏高速公路(G6)東起北京西至拉薩，在北京至張家口段（京張段），公路跨越平原、丘陵、山區(qū)3種地貌，公路沿線地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，災(zāi)害類型以滑坡、崩塌（危巖體）、泥石流為主。其中，昌平—八達嶺段是地質(zhì)災(zāi)害最嚴重的地區(qū)，嚴重影響了局地交通安全和國家經(jīng)濟大動脈的運轉(zhuǎn)。因此，進行京藏高速公路京張段沿線地質(zhì)災(zāi)害危險性評價，對社會經(jīng)濟的發(fā)展和提升公路減災(zāi)決策水平具有重要的現(xiàn)實意義。

1 區(qū)域環(huán)境地質(zhì)背景

研究區(qū)在區(qū)域大地構(gòu)造單元上屬于華北地臺，其中次一級構(gòu)造單元為內(nèi)蒙古隆起和山西斷隆。從東至西地貌類型為中山、盆地，地形西北高東南低，年均降雨量在400～800mm之間。地質(zhì)災(zāi)害類型主要為崩塌、滑坡和泥石流，主要分布在八達嶺鎮(zhèn)、土木鎮(zhèn)周圍。發(fā)育崩塌、滑坡40處，泥石流15處，災(zāi)害體規(guī)模絕大多數(shù)為較小到中等。在研究區(qū)域內(nèi)，新生界、中生界、古生界、元古界及太古界地層均有出露，在長期的地質(zhì)演化過程中，該區(qū)形成了東西、北東和北西向3組主要活動斷裂帶在空間上交叉的構(gòu)造格局。

2 評價方法及評價過程

層次分析法是目前應(yīng)用最廣泛的地質(zhì)災(zāi)害危險評價方法[1-3]，該方法是目前求取地質(zhì)災(zāi)害影響因子權(quán)重的較好方法,但該方法卻無法有效地反映評價結(jié)果的空間分布格局,存在一定的不足，而GIS技術(shù)具有較強的空間分析能力,恰好可以解決上述不足。因此，本文采用層次分析法和GIS技術(shù)相結(jié)合，以京藏高速公路京張段沿線地質(zhì)災(zāi)害為研究對象，沿公路兩側(cè)分別擴展15km作為研究區(qū)范圍，對公路沿線地質(zhì)災(zāi)害危險性進行評價。

2.1 評價因子選取

基于對京藏高速公路京張段野外調(diào)研，結(jié)合資料收集、整理和分析，篩選出公路沿線地質(zhì)災(zāi)害點密度（x1）、工程巖組（x2）、年均降雨量（x3）、斜坡坡度（x4）、斜坡高差（x5）、斷裂（x6）、地震動峰值加速度（x7）、公路（x8）、河流（x9）、植被類型（x10）等10個地質(zhì)災(zāi)害危險性評價因子。

2.2 評價因子權(quán)重系數(shù)確定

本文擬采用層次分析法確定地質(zhì)災(zāi)害危險性評價因子的權(quán)重，進而構(gòu)建判斷矩陣。為了量化各評價因子的權(quán)重，評價因子之間需形成一個兩兩對比的矩陣，利用1～9標度表示評價因子之間的影響強弱（表1）。通過相關(guān)工程的實際情況，確定各判別因子之間的相對重要性并賦與相應(yīng)的分值，最后得到所需的判斷矩陣U（表2）。

評價因子權(quán)重確定方法如下：

表1 1～9標度的意義表

表2 判斷矩陣U

第一步：計算判斷矩陣每一行因子的乘積Mi，即則當(dāng)i=1時，×x19×x110=302400。同理，可計算其他9個因子的判斷矩陣乘積。

第二步：計算Mi的N次方根，同理，可計算出其他9個因子的N次方根。

第三步：進行歸一化處理，確定權(quán)重ai，即同理可得其他9個因子歸一化處理后的數(shù)據(jù)。于是得到，a=[a1,a2,a3,…,a10]T=[0.252,0.204,0.157,0.118,0.084,0.064,0.045,0.034,0.025,0.018]T，式中a為所求的特征向量，即各因子對應(yīng)的權(quán)重值。

第 四 步 ：計 算 最 大 特 征 值λmax，即λmax=

以上得到的權(quán)重分配是否合理，還需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，即：CR=CI/RI，式中CR為判斷矩陣的隨機一致性比率,CI為判斷矩陣的一般一致性指標，CI=(λmax-n)/(n-1)，RI為平均隨機一致性指標(表3)，可查表求取。當(dāng)判斷矩陣U的CR＜0.1時或λmax=n,CI=0時，認為具有滿意的一致性，即認為判斷矩陣的一致性可以接受。對于該計算過程，CI=(10.589-10)/（10-1）=0.065，由于矩陣為10階，則RI=1.49，于是得到CR=0.044＜0.1，表明權(quán)重計算結(jié)果合理。最后得到地質(zhì)災(zāi)害危險性評價因子權(quán)重如表3所示。

2.3 評價因子分級賦值

根據(jù)京藏高速公路的具體實際情況,結(jié)合專家經(jīng)驗法，對地質(zhì)災(zāi)害危險性評價因子進行分級賦值。將10類因子分成5級，每一等級賦的最高值為10，最低值為1。賦值越高表示該等級對京藏高速公路地質(zhì)災(zāi)害危險性的貢獻率越大。具體分級賦值見表4。

2.4 評價模型的建立

公路沿線地質(zhì)災(zāi)害危險性主要采用綜合指數(shù)來表示。公路地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合指數(shù)是公路地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)的量化指標，據(jù)此進行分級、分區(qū)評價[4-5]。公路地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合指數(shù)計算公式為：

式中：D——地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合指數(shù)；

ai——因子權(quán)重；

xi——因子賦值。

根據(jù)前面各因子的權(quán)重系數(shù)和分級賦值，京藏高速公路京張段地質(zhì)災(zāi)害危險性評價數(shù)學(xué)模型為：

3 地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合分區(qū)

3.1 建立單因子圖層

利用ArcGis平臺的緩沖區(qū)分析功能，計算柵格單元大小為100m×100m，基于表5對各影響因子的影響范圍進行劃分，進而建立了相應(yīng)的10個地質(zhì)災(zāi)害危險性評價單因子圖層。

表3 平均隨機一致性指標和評價因子權(quán)重表

3.2 京藏高速公路京張段地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合分區(qū)

在ArcGis平臺利用所建立的京藏高速公路地質(zhì)災(zāi)害危險性評價模型對地質(zhì)災(zāi)害危險性評價單因子圖層進行疊加運算,得出地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合指數(shù)。地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合指數(shù)越大,公路地質(zhì)災(zāi)害危險度越高。利用統(tǒng)計學(xué)的自然斷點法，對疊加運算結(jié)果進行重分類，把京藏高速公路地質(zhì)災(zāi)害危險性劃分為5個等級，即極高危險區(qū)、高危險區(qū)、中危險區(qū)、低危險區(qū)、極低危險區(qū)，劃分的級別標準見表5，京藏高速公路京張段地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)見圖1。

3.3 評價結(jié)果分析

表4 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價因子分級及賦值表

通過對研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)進行統(tǒng)計分析得出，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危險度局部較高，大部地區(qū)為中低危險區(qū)（表5）。從結(jié)果分析可以看出，地質(zhì)災(zāi)害點的分布與危險性分區(qū)具有很好的相關(guān)性，說明本次危險性分區(qū)能夠比較客觀反映區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危險度的分布情況，分區(qū)結(jié)果比較理想。

3.3.1 地質(zhì)災(zāi)害極高危險區(qū)

主要分布于八達嶺鎮(zhèn)、南口村北部，零星分布于土木鎮(zhèn)北部和新保安鎮(zhèn)北部。分布面積325km2，占總面積6.46%。地質(zhì)災(zāi)害類型主要為崩塌（危巖體）、滑坡、泥石流，發(fā)育崩滑體17處、泥石流6處，占災(zāi)害點總數(shù)41.8%，主要分布于八達嶺鎮(zhèn)周圍。該區(qū)地形切割強烈，高差大于130m，坡度一般大于35°，巖體較破碎，構(gòu)造復(fù)雜，有北西向和北東向活動斷裂穿越，具備發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的良好條件。在降雨、人類活動等條件下，特別容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。威脅對象主要為G6高速公路、國道G110、鐵路京包線和游客。

表5 各危險度等級區(qū)劃分標準和災(zāi)害點的數(shù)目統(tǒng)計表

3.3.2 地質(zhì)災(zāi)害高危險區(qū)

主要分布于南口村南部、昌平區(qū)北部和八達嶺鎮(zhèn)周圍，北沙城鄉(xiāng)西北、新保安鎮(zhèn)北、土木鎮(zhèn)北、小南辛堡鎮(zhèn)南等帶零星分布。分布面積649km2，占總面積12.9%。地質(zhì)災(zāi)害主要類型為崩塌（危巖體）、滑坡、泥石流，發(fā)育崩滑體12處、泥石流5處，占災(zāi)害點總數(shù)30.9%，主要分布在八達嶺鎮(zhèn)周圍、土木鎮(zhèn)北邊、小南辛堡鎮(zhèn)南邊。該區(qū)地形切割較強烈，高差主要為85～130m，坡度一般為25°～35°，巖體較破碎，新保安鎮(zhèn)北邊發(fā)育多條斷裂，為北西、北東向的活動斷裂和北東向的一般斷裂；容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。主要威脅對象是G6高速公路、國道G110、鐵路京包線、G7高速公路。

3.3.3 地質(zhì)災(zāi)害中危險區(qū)

主要分布于康莊鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)，部分分布于土木鎮(zhèn)，小南辛堡鎮(zhèn)南、沙城鎮(zhèn)北、新壩房村西北等零星分布。分布面積1162km2，占總面積23.1%。主要地質(zhì)災(zāi)害類型為崩塌、泥石流，發(fā)育崩塌8處、泥石流2處，占災(zāi)害點總數(shù)18.2%，主要分布于土木鎮(zhèn)東邊。該區(qū)地貌主要為山麓地帶，高差主要為50～85m，坡度一般為15°～25°，在沙河鎮(zhèn)、土木鎮(zhèn)附近有活動斷裂分布，巖性主要為沖洪積物，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受河流、人類工程活動影響較大，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性一般。主要威脅對象為G6高速公路、居民和農(nóng)田。

3.3.4 地質(zhì)災(zāi)害低危險區(qū)

主要分布于東花園鎮(zhèn)、小南辛堡鎮(zhèn)、西八里鎮(zhèn)、宣化區(qū)、嶺子鎮(zhèn)、北沙城鄉(xiāng)等。分布面積2357km2，占總面積46.9%。發(fā)育崩滑體3處、泥石流1處，占災(zāi)害點總數(shù)7.3%。該區(qū)地貌為盆地，高差主要為20～50m，坡度較緩，一般為5°～15°，巖性為沖積物。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生主要受人類工程活動、河流等控制。發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性低，威脅對象主要是G6高速公路、官廳水庫、居民和農(nóng)田。

表6 G6京張段地質(zhì)災(zāi)害危險程度分段

3.3.5 地質(zhì)災(zāi)害極低危險區(qū)

主要分布在安家堡鄉(xiāng)北、孔家莊東北、沙嶺子鎮(zhèn)東、顧家營鎮(zhèn)東和安家堡鄉(xiāng)、姚家房鎮(zhèn)、沙嶺子鎮(zhèn)等南邊10km外。分布面積531km2，占總面積10.6%。發(fā)育泥石流1處，占災(zāi)害點總數(shù)1.8%。該區(qū)地貌為盆地、平原，高差為0～20m，坡度極緩，一般為0°～5°，無斷裂通過，人類工程活動、河流等影響較小，不具備發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的條件。目前，基本無地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。將來發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性極低，威脅對象主要是G6高速公路、居民和農(nóng)田。

根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價結(jié)果，把京藏高速公路京張段地質(zhì)災(zāi)害危險程度分為9段，具體分段見表6。

4 結(jié)論與建議

（1）本文選取了10個公路沿線地質(zhì)災(zāi)害危險性評價因子，運用層次分析法確定了各評價因子的權(quán)重。

（2）依據(jù)危險性評價結(jié)果將京藏高速公路京張段地質(zhì)災(zāi)害危險程度分為9段。極高危險性1段，長16.99km；高危險性3段，長33.31km；中危險性2段，長21.50km；低危險性2段，長30.39km；低—極低危險性1段，長98.17km。

（3）評價成果為京藏高速公路京張段地質(zhì)災(zāi)害防治與安全運營提供基礎(chǔ)依據(jù)和地質(zhì)支撐。建議公路管理部門重點對極高危險區(qū)和高危險區(qū)加強災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警和防治工作，防患于未然，將災(zāi)害的威脅和損失降到最低水平，確保高速公路的暢通和安全運營。