基于層次分析-信息量法的滑坡易發(fā)性評價
——以江西省浮梁縣為例

伍敏婷, 孫 岳, 周子騰

(東華理工大學 地球科學學院,江西 南昌 330013)

江西省浮梁縣歷年來頻繁發(fā)生滑坡等嚴重的地質(zhì)災害,造成巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)《中國典型縣(市)地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)圖集——華東地區(qū)卷》統(tǒng)計,2002年浮梁縣的地質(zhì)災害及其隱患點高達626個,其中滑坡330個,占災害總數(shù)的52.7%(中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,2011)。浮梁縣滑坡出現(xiàn)頻率高,季節(jié)性強,多發(fā)生于4—9月;集中性強,且極易爆發(fā),點多面廣(崔釘丁,2016)。2002年浮梁縣已完成1∶10萬地質(zhì)災害野外調(diào)查與區(qū)劃工作①,但關(guān)于浮梁縣滑坡易發(fā)性分區(qū)的空間分布以及滑坡對居民區(qū)的危害程度尚不清楚,制約了對滑坡的客觀認識。

滑坡易發(fā)性分區(qū)常用的評價方法有經(jīng)驗模型、確定性模型和統(tǒng)計模型三種基本類型(Clerici et al., 2006)。其中統(tǒng)計模型是在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立起來的,因其更具客觀性而受到眾多學者的青睞(李郎平等,2017;Gemitzi et al., 2011; 王成楠等,2022)。前人利用統(tǒng)計模型在滑坡易發(fā)性評價方面取得大量成果(郭躍等,2021),但在評價方法計算分析上的準確性需要提高(劉傳正等,2020)。結(jié)合層次分析法和信息量法,避免了主觀性所導致的權(quán)重預測與實際情況相矛盾的情況,又能準確反映評價結(jié)果的空間分布格局。筆者通過選取坡度、水系、地層巖性等9個評價因子及歷史滑坡數(shù)據(jù),采用層次分析-信息量法對浮梁縣滑坡易發(fā)性進行評價,在此基礎(chǔ)上結(jié)合地面建筑群分布,指出研究區(qū)內(nèi)處于高易發(fā)區(qū)的建筑群,進而為研究區(qū)滑坡防治提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

浮梁縣位于江西省東北部,境內(nèi)以低山丘陵為主,地形起伏大,東西北三面高,中南部低(圖1)。軟性和軟硬相間的巖土體分布范圍廣,斷裂構(gòu)造發(fā)育,植被覆蓋度高,林地和耕地面積廣,水系發(fā)達,屬于亞熱帶季風性濕潤氣候,夏季高溫多雨,冬季溫暖濕潤。汛期集中型的降雨對地表沖蝕作用強烈,使得浮梁縣地表巖石風化嚴重,為滑坡的發(fā)生創(chuàng)造了有利條件。

圖1 浮梁縣數(shù)字高程模型(DEM)圖

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次評價采用的數(shù)據(jù)包括江西省1∶10萬滑坡調(diào)查數(shù)據(jù)、1∶5萬浮梁縣幅基礎(chǔ)地質(zhì)圖、ASTER GDEM 30 m分辨率DEM、Landsat 8 OLI-TIRS衛(wèi)星遙感影像、江西省地面氣候標準值年值數(shù)據(jù)集、江西省2016年等級公路等(表1)。

表1 數(shù)據(jù)信息表

2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)前人經(jīng)驗(廖蕓婧,2015)與研究區(qū)實際情況,基于ArcGIS軟件,以200 m為間隔把高程劃分為8個區(qū)間;以10°為間隔把坡度劃分為7個區(qū)間;分別以水系、斷裂構(gòu)造、道路為中心,以200 m間隔向外建立6個不同級別的緩沖區(qū)。通過ENVI軟件對研究區(qū)遙感影像進行輻射定標、大氣校正等預處理,再利用監(jiān)督分類工具計算土地利用類型。利用波段計算器計算研究區(qū)的歸一化植被指數(shù),依據(jù)自然斷點法則(李乃強等,2020),把歸一化植被指數(shù)分為4個區(qū)間,結(jié)合目視解譯獲取建筑群信息。利用克里金空間插值得到研究區(qū)年平均降水量分布圖。最終將9個評價因子結(jié)合滑坡點進行分析,以便評估研究區(qū)的滑坡易發(fā)性。

2.3 層次分析-信息量法

層次分析法是一種定量計算與定性分析相結(jié)合的方法。該方法將一個復雜的問題分解為幾個在問題中起關(guān)鍵作用的因素,建立層次結(jié)構(gòu)模型(Tan et al., 2021)。信息量法是通過計算各類影響因素對滑坡發(fā)生所提供的信息量值,作為滑坡易發(fā)性等級劃分的定量指標(吳少元,2019)。單一的賦權(quán)方法相對局限,層次分析法與信息量法相結(jié)合可使評價結(jié)果更接近實際情況。

(1)設(shè)滑坡易發(fā)性評價A為目標層,地質(zhì)地貌、生態(tài)環(huán)境及誘發(fā)因素Bi(i=1,2,…,n)為要素層,具體評價因子Ci(i=1,2,…,m)為指標層,根據(jù)易發(fā)性分區(qū)評價目的及因子的從屬性建立層次結(jié)構(gòu)模型(圖2)。

圖2 評價因子層次結(jié)構(gòu)

(2)根據(jù)評價因子的層次結(jié)構(gòu)關(guān)系,采取1～9標度法(張曉東,2018),進行相互對比,構(gòu)造判斷矩陣,計算權(quán)重(劉洋等,2019;劉飛,2020),獲取判斷矩陣(表2,3,4)。在Matlab軟件下計算判斷矩陣的最大特征值λmax及對應的特征向量。將各矩陣的特征向量進行歸一化處理,即為各層次下因子的權(quán)重值(郭金玉等,2008)。

表2 A-B層判斷矩陣

表3 B1-C層判斷矩陣

表4 B2-C層判斷矩陣

表5 B3-C層判斷矩陣

(3)計算各二級評價因子信息量。信息量法是根據(jù)已經(jīng)發(fā)生的滑坡數(shù)據(jù),將滑坡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為反應評價因子等級的信息量值。評價因子的信息量值越大,與滑坡發(fā)生的關(guān)系越密切。計算過程如下:將研究區(qū)分成S個大小相等的評價單元,選取了m個評價因子,每個評價因子有n個等級。第i個評價因子的第j級為Mij,通過公式(1)得出Mij的信息量值。

式中,Nij為分布在影響因子內(nèi)Mij的災害單元數(shù),N為研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害分布的單元總數(shù),Sij為研究區(qū)內(nèi)含有影響因素Mij的單元數(shù),S為研究區(qū)所劃分的評價單元總數(shù)。

利用式(2)得到第i個評價因子的單因子信息量Mi。

(2)

(4)計算研究區(qū)總信息量。將9個評價因子的信息量柵格圖層分別乘以對應的由層次分析法計算得到的權(quán)重,再疊加計算即可得到研究區(qū)總信息量值,即研究區(qū)滑坡易發(fā)程度分布圖。最后依據(jù)自然斷點法對評價結(jié)果進行重分類,將滑坡易發(fā)性等級從低到高劃分為低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)。

3 結(jié)果與討論

3.1 評價因子分析

根據(jù)國內(nèi)外普遍采用的評價指標、資料與可操作性,選取地質(zhì)地貌中的高程、坡度、地層巖性、斷裂構(gòu)造;生態(tài)環(huán)境中的歸一化植被指數(shù)、水系;誘發(fā)因素中的年降水量、土地利用類型及道路為評價因子對研究區(qū)進行滑坡易發(fā)性評價(圖3,4)。

圖3 評價因子與滑坡空間分布圖

3.1.1 地質(zhì)地貌

(1)高程。高程在一定程度上決定滑坡體的分布,影響滑坡發(fā)生的概率和規(guī)模(李益敏等,2021)。中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院(2011)統(tǒng)計表明,研究區(qū)高程為0～200 m內(nèi)滑坡有260個,占滑坡總數(shù)的78.8%。200～400 m內(nèi)有45個滑坡,占滑坡總數(shù)的13.6%(圖4a)?；轮饕植荚诟叱虨?～400 m內(nèi),該區(qū)間內(nèi)主要是河流沖積扇或河流階地,地勢較平坦,利于巖土體堆積,同時河流沖刷強烈,極易引發(fā)滑坡。高程大于400 m的區(qū)域,巖土體易被地表徑流、風力等外力作用帶走,不易堆積,因此該區(qū)域滑坡分布密度較低。

圖4 評價因子的滑坡數(shù)量直方圖

(2)坡度。所處斜坡具有一定的坡度是滑坡發(fā)生的必然條件(陳全明等,2019)。研究區(qū)地形坡度為0～65°,平均坡度為12°。從圖4b可以看出,坡度小于10°的區(qū)域沒有滑坡發(fā)生,因為該區(qū)域地形平緩,巖土體不易滑動。坡度為10°～30°的區(qū)域,滑坡有175個,占滑坡總數(shù)的53.03%。在坡度30°～50°的區(qū)域,隨著坡度增大,滑坡發(fā)育則相對減少。坡度大于50°的區(qū)域,巖土體不易堆積,缺乏滑坡發(fā)育的物質(zhì)條件。

(3)地層巖性。巖土體是滑坡發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ),決定滑坡發(fā)生的難易程度。不同地層巖性的抗風化能力不同:堅硬地層抗風化能力較強,不易發(fā)生滑坡;軟硬相間地層抗風化能力不一致,較軟弱地層抗風化能力低,先被風化解體,產(chǎn)生大量松散物質(zhì),易造成地層滑動,產(chǎn)生土質(zhì)滑坡(楊淞月等,2021)。研究區(qū)出露有侏羅系、二疊系、奧陶系和寒武系(圖4c)。其中,花崗閃長巖、前寒武系砂巖及二疊系砂巖為堅硬巖石,面積共813.95 km2,占總面積的28.34%,發(fā)育95個滑坡,滑坡密度為0.12個/km2;侏羅系主要由火山碎屑巖、凝灰?guī)r及千枚巖等軟硬相間的巖石組成,面積為1 932.03 km2,占總面積的67.74%,發(fā)育218個滑坡,滑坡密度為0.11個/km2;寒武系灰?guī)r為較堅硬巖,面積為96.32 km2,占總面積的3.38%,發(fā)育16個滑坡,滑坡密度為0.17個/km2;奧陶系頁巖為軟性巖,面積為10.01 km2,占總面積的0.35%,發(fā)育1個滑坡,滑坡密度為0.10 個/km2(圖4c)。表明研究區(qū)軟硬相間的侏羅系面積最大,同時也是滑坡發(fā)育最多的地層,但滑坡密度最大的地層為寒武系。

(4)斷裂構(gòu)造。研究區(qū)斷裂構(gòu)造廣泛發(fā)育,延伸方向多為北東向,其中宜豐-景德鎮(zhèn)深斷裂帶貫穿整個浮梁縣,破壞了巖土體完整性和穩(wěn)定性(圖3d)。構(gòu)造作用使巖土體結(jié)構(gòu)面節(jié)理裂隙較發(fā)育,在軟弱巖層中節(jié)理裂隙發(fā)育更為明顯(圖4d),造成研究區(qū)內(nèi)斜坡巖體易受風化及外力作用的影響,形成不穩(wěn)定地質(zhì)體,為滑坡創(chuàng)造有利條件。

3.1.2 生態(tài)環(huán)境

(1)歸一化植被指數(shù)。植被根系對其存在的巖土體力學加固效應是顯著的,但這種效應一般僅存在地表以下1.5 m的深度范圍(徐則民等,2005)。在植被根系力學加固效應上,植被對防治面狀水土流失和淺層滑坡是有效的。但在分布更廣泛、危害性更大、滑面埋深大于4.5 m的深層滑坡防治上,其功效是十分有限的(Furuya et al., 1999)。且根系較淺的植被增加表層巖土體的重量,反而增加滑坡發(fā)生的概率(解明曙,1990)。植被覆蓋度通常用歸一化植被指數(shù)表示。歸一化植被指數(shù)為[-1,1],正值表示有植被覆蓋,數(shù)值越大,植被覆蓋度越高。研究區(qū)的歸一化植被指數(shù)為[-0.63, 0.72](圖4e)。其中,[0.41, 0.72]區(qū)間內(nèi)發(fā)育224個滑坡,占滑坡總數(shù)的67.88%,滑坡占比最大。

(2)水系。水系發(fā)育程度體現(xiàn)了研究區(qū)的溝谷切割程度,河流侵蝕兩岸斜坡,從而誘發(fā)滑坡。根據(jù)水系與滑坡的空間分析(圖4f),距離水系0～200 m區(qū)間內(nèi)滑坡有66個,占滑坡總數(shù)的20.12%。200～400 m區(qū)間內(nèi)滑坡有70個,占滑坡總數(shù)的21.34%。400～600 m區(qū)間內(nèi)滑坡有42個,占滑坡總數(shù)的12.8%。600～800 m區(qū)間內(nèi)滑坡有25個,占滑坡總數(shù)的7.62%。800～1 000 m區(qū)間內(nèi)滑坡有26個,占滑坡總數(shù)的7.93%。結(jié)果表明,在整體趨勢上距離水系越近的區(qū)域,受水系侵蝕作用影響越大,滑坡越容易發(fā)生。

3.1.3 誘發(fā)因素

(1)降水量。雨水滲入坡面后,增加巖土體內(nèi)部孔隙水壓力,減少有效應力和基質(zhì)吸力。當孔隙水壓力超過某一臨界值,巖土體就會沿潛在滑移面滑動(高志勇,2010)。據(jù)江西省氣象資料統(tǒng)計,研究區(qū)4—7月降水量占全年總降水量的56%～68%(圖5),2010—2020年的年平均降水量為1 832.8 mm,降水量大且集中。研究區(qū)集中性降水有利于滑坡發(fā)生,同時暴雨造成的洪水在山谷匯集沖刷邊坡,也會誘發(fā)滑坡。

圖5 研究區(qū)2010—2020年月平均降水量分布圖

(2)土地利用類型。不同的土地類型,其土壤的條件及成分等不同。因此土地利用類型直接影響坡體的穩(wěn)定(余坤勇等,2016)。根據(jù)Landsat 8影像土地利用類型的解譯及其與滑坡的空間分析,研究區(qū)耕地面積為208.12 km2,發(fā)育滑坡185個,滑坡密度為0.89個/km2;林地面積為1 351.37 km2,滑坡71個,滑坡密度為0.05個/km2;荒草地面積為903.77 km2,滑坡53個,滑坡密度為0.06個/km2;水體面積為111.19 km2,滑坡1個,滑坡密度為0.01個/km2;建設(shè)用地面積為273.7 km2,滑坡20個,滑坡密度為0.07個/km2(圖4h)。結(jié)果顯示,研究區(qū)的林地面積最廣,耕地的滑坡密度最大。

(3)道路。修建道路要開挖邊坡、開鑿隧道等,若沒有適當?shù)姆雷o措施,會破壞斜坡穩(wěn)定性,為滑坡提供條件(徐永年,1999)。根據(jù)道路與滑坡的空間分析(圖4i),距離道路0～200 m內(nèi)滑坡有158個,占滑坡總數(shù)的47.88%;200～400 m內(nèi)滑坡有105個,占31.81%;400～600 m內(nèi)滑坡有26個,占7.88%;600～800 m內(nèi)滑坡有12個,占3.63%;800～1 000 m內(nèi)滑坡有4個,占滑坡總數(shù)的1.21%;1 000 m以外區(qū)域滑坡有26個,占滑坡總數(shù)的7.88%。這些數(shù)據(jù)表明滑坡多分布于距離道路0～400 m內(nèi)。

3.2 滑坡易發(fā)性分區(qū)

3.2.1 評價單元

適當?shù)幕乱装l(fā)性評價單元可以有效提高評價結(jié)果的精度。常見的評價單元有行政單元、地域單元、規(guī)則網(wǎng)格單元以及自然斜坡單元等(邱海軍,2012)。規(guī)則網(wǎng)格單元的數(shù)據(jù)處理速度快、精度高且可以綜合運算各個指標。為與30 m分辨率數(shù)字高程模型相對應,采用30 m×30 m規(guī)則網(wǎng)格單元作為研究區(qū)滑坡易發(fā)性評價的基本單元。

3.2.2 評價結(jié)果

A-B層判斷矩陣最大特征值λmax=3.018 3,特征向量為(0.723 8, 0.632 3, 0.276 2),歸一化得權(quán)重Wi為(0.443 4, 0.387 4, 0.169 2)。B1-C層判斷矩陣最大特征值λmax=4.198 1,特征向量為(-0.125 8, -0.850 4, -0.252 9, -0.443 9),歸一化得權(quán)重Wi為(0.075 2, 0.508 3, 0.151 2, 0.265 3)。B2-C層判斷矩陣最大特征值λmax=2,特征向量為(0.316 2, 0.948 7),歸一化得權(quán)重Wi為(0.250 0, 0.750 0)。B3-C層判斷矩陣最大特征值λmax=3.038 5,特征向量為(0.916 1,0.150 6,0.371 5),歸一化得權(quán)重Wi為(0.633 3,0.109 6,0.256 8)。將要素層Bi的權(quán)重乘上Bi下屬的指標層Ci的權(quán)重,得到目標層A下Ci的總權(quán)重值(表6)。

表6 評價因子權(quán)重表

層次分析法的計算結(jié)果顯示(表6),影響研究區(qū)滑坡形成的因素依次為水系、坡度、斷裂構(gòu)造、降水量、歸一化植被指數(shù)、地層巖性、道路、高程和土地利用類型。

信息量法的計算結(jié)果顯示(表7),在49種參加計算的分級評價因子中,信息量最大值(8.138)在60°～65°坡度范圍內(nèi),最小值(-2.539)在距離水系600～800 m范圍內(nèi)。總體上,坡度的信息量值最大,其次是地層巖性、斷裂構(gòu)造、年降水量,與層次分析法的計算結(jié)果相似。

表7 評價因子及信息量值

加權(quán)疊加9個評價因子的信息量圖層即可得出研究區(qū)總信息量值,再依據(jù)自然斷點法對研究區(qū)總信息量值進行重分類,將滑坡易發(fā)性從低到高劃分為低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)(圖6)。

圖6 研究區(qū)滑坡易發(fā)性評價圖

3.2.3 評價結(jié)果檢驗

滑坡易發(fā)性評價結(jié)果的準確性檢驗可利用ROC曲線(鄧念東等,2021)。圖7中橫坐標表示滑坡易發(fā)性面積百分比累積量,即偽陽性率,縱坐標表示實際滑坡數(shù)量百分比累加量,即真陽性率,曲線下方的面積(AUC)越接近1,滑坡易發(fā)性評價結(jié)果越準確?；乱装l(fā)性評價檢驗顯示,ROC曲線呈現(xiàn)出明顯的凸形,AUC值為0.87(圖7),表明基于層次分析-信息量法的滑坡易發(fā)性評價結(jié)果準確率較高。

圖7 滑坡易發(fā)性評價ROC曲線

3.3 易發(fā)性分區(qū)評價

高易發(fā)區(qū)零散分布于坡度較大的山區(qū),面積約為113.75 km2,占研究區(qū)總面積的3.99%,滑坡密度為0.18 個/km2,平均高程約為344.47 m,平均坡度約為32.96°(表8)。中易發(fā)區(qū)不同程度散布于整個研究區(qū),面積約為1 264.42 km2,占44.35%,滑坡密度為0.17個/km2,平均高程約為213.73 m,平均坡度約為15.57°,對環(huán)境改造較為強烈,存在滑坡隱患,低易發(fā)區(qū)主要集中于研究區(qū)西南部及東南部,零星分布于全區(qū),面積約為1 472.54 km2,占51.65%,滑坡密度為0.11個/km2,平均高程約為170.16 m,平均坡度約為9.89°,地形平坦,不易發(fā)生滑坡。

表8 滑坡易發(fā)性分區(qū)評價結(jié)果

易發(fā)性分區(qū)評價結(jié)果得出151個建筑群位于滑坡高易發(fā)區(qū)(圖8),占總建筑群面積的35.9%。其中,39個位于湘湖鎮(zhèn),25個位于浮梁鎮(zhèn),21個位于壽安鎮(zhèn),13個位于莊灣鄉(xiāng),12個位于王港鄉(xiāng),11個位于鵝湖鎮(zhèn),西湖鄉(xiāng)和瑤里鎮(zhèn)各6個,5個位于蛟潭鎮(zhèn),江村鄉(xiāng)、經(jīng)公橋鎮(zhèn)及三龍鄉(xiāng)各3個,2個位于洪源鎮(zhèn),勒功鄉(xiāng)與興田鄉(xiāng)各1個(圖9)。統(tǒng)計結(jié)果顯示,位于高易發(fā)區(qū)的建筑群較集中地分布于浮梁縣南部,其中湘湖鎮(zhèn)、浮梁鎮(zhèn)及壽安鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)所占比例最大,區(qū)內(nèi)人類工程活動較多,對地表改造強烈,極易引發(fā)滑坡。

圖8 高易發(fā)區(qū)的建筑群

圖9 高易發(fā)區(qū)建筑群在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的數(shù)量

4 結(jié)論

(1)浮梁縣滑坡多發(fā)生于高程為0～400 m、坡度為10°～30°、地層為侏羅系火山碎屑巖、歸一化植被指數(shù)為0.41～0.72、水系和道路400 m范圍之內(nèi)、斷裂構(gòu)造發(fā)育、降水豐富、土地利用類型為耕地的地區(qū)。影響浮梁縣滑坡形成的因素依次水系、坡度、斷裂構(gòu)造、降水量、歸一化植被指數(shù)、地層巖性、道路、高程和土地利用類型。

(2)浮梁縣滑坡易發(fā)性評價結(jié)果顯示,滑坡高易發(fā)區(qū)的面積約113.75 km2,占總面積的3.99%;中易發(fā)區(qū)的面積約1 264.42 km2,占44.35%;低易發(fā)區(qū)的面積約1 472.54 km2,占51.65%。ROC檢驗曲線呈凸型,AUC值為0.87,表明滑坡易發(fā)性評價結(jié)果準確性較高。

(3)建筑群與滑坡易發(fā)性分區(qū)的空間分析表明151個建筑群位于高易發(fā)區(qū),且集中分布于研究區(qū)南部,主要分布于湘湖鎮(zhèn)、浮梁鎮(zhèn)及壽安鎮(zhèn)。