任凯珍，冒 建，陈国浒

（1.北京市地质研究所，北京 100120；2.中国地质大学（北京），北京 100083）

0 引言

研究区为北京山区，研究的地质灾害类型为崩塌、滑坡、不稳定斜坡、泥石流、地面塌陷。地质灾害主要孕灾因子可以归为地形地貌、岩土体类型、地质构造、降水、植被覆盖情况、人类工程活动等。地质灾害易发区划模型中，不同地区孕灾因子权重不同。因子权重的确定、求解权重的准确性将直接关系到区划结果的可靠度。

目前计算地质灾害易发区划因子权重的方法主要有德尔菲法（专家系统）、层次分析法（AHP）、模糊权重法和神经网络法。

德尔菲法优点是充分挖掘了专家的知识，汇集专家的综合优势，能够把专家的知识变为数字语言表达；层次分析法的优点是在建立不同的目标层基础上，比较每个目标层的因子作用，明确什么条件下各种因子的作用最明显；模糊权重法的优点是能够将不同的因子按等级划分建立模糊集合，对因子进行优化处理后得到因子权重［1］；神经网络法的优点是在构成原理和功能特点等方面更加接近人脑，它不是按给定的程序一步一步地执行运算，而是能够自身适应环境、总结规律、完成权重的计算。

德尔菲法的缺点为主观赋权值较重，容易缺乏客观性，尤其是对一个研究区环境因子作用不太熟悉的情况下，很可能给出偏差权值，因此影响地质灾害危险性评判的结果；层次分析法尽管科学性强，但也存在人为因素作用，并易产生循环从而不满足传递性公理，当计算结果与实际有差别时，缺乏专家的解释，而且目标层的建设中也存在人为因素作用；模糊权重法在建立因子集的等级划分过程中，个人主观判别的准确性容易影响计算权重的可靠性，而且计算过程较为繁琐；神经网络法的缺点是没能力来解释推理过程和推理依据，不能向用户提出必要的询问，而且当数据不充分的时候，神经网络就无法进行工作。

每个因子权重确定的方法都有优缺点，本次通过统计分析各因子在研究区分布频率，推出每个因子的相对权重，结合层次分析法确定各因子在易发区划模型中的权重，减少了人为因素的干扰，，提高了区划的准确度。然后再利用地质灾害综合危险性指数法得出了北京地区地质灾害易发区划模型。

1 研究区背景

北京市地处华北大平原的西北隅，山地与平原的过渡地带。平原地区三面环山，各山脊大致可连成一条平均海拔1000m左右的弧形天然屏障，形成山前山后气候的天然分界线。由于这种地形的影响，山前一带为多雨区，山后和平原南部地区为少雨区。北京地区四季变化显著，降水集中在夏季，并多以暴雨形式出现，易引发山区地质灾害和平原洪涝灾害。

北京地区在地壳运动、新构造活动和外营力长期作用和影响下，形成了由北部、西部山区的侵蚀、剥蚀构造地貌和东南部平原冲洪积堆积地貌构成的地貌轮廓。地势西北高东南低，西、北崇山峻岭绵延起伏，东南平坦开阔一望无垠，山地平原之间界线鲜明。其中山区面积为 10072km2，平原区面积为 6338km2［2］。西山和北山西部山区属太行山脉，岩性坚硬，节理裂隙发育；北山大部分区域属燕山山脉系统，具有块状分散，地势陡起伏较大的特点；东南部广大平原则由河流的冲洪积物堆积而成，地势平缓。

北京城市的发展是伴随着强烈的人类活动，大规模的开矿筑路、过度的砍伐垦殖、不合理的工程开发等都会引发或加剧地质灾害的发生，如西山地区的煤炭采空区塌陷和随着地区发展新出现的问题。

据区县地质灾害易发区划数据统计，全市共有突发性地质灾害点及地质灾害隐患点758处（图1），其中泥石流灾害点及泥石流隐患点333处，滑坡灾害点及滑坡隐患点8处，崩塌及崩塌隐患点305处，不稳定斜坡隐患点76处，地面塌陷隐患点36处。据2010年地质灾害核查，北京市共有64个乡镇、242个行政村、32条道路、50个景点、17个度假村、19个矿山、6个中小学校，共 4775户，14643人，24413间房屋受突发性地质灾害威胁。

图1 北京地区地质灾害分布图Fig.1 Geological disaster distribution map of Beijing Area

2 地质灾害与地质环境的关系

2.1 地质灾害与地形地貌

地形地貌是崩塌、滑坡、不稳定斜坡以及泥石流等突发性地质灾害类型和规模的主控因素，为地质灾害提供能量和活动场所（能量转换条件）。影响崩塌、滑坡、不稳定斜坡发育的主要微地貌因素为坡度、坡形。崩塌一般都发生于地形坡度大于50°，高度大于30m的高陡边坡上，以垂直运动为主。影响泥石流发育的主要微地貌因素为坡降、沟谷形态。北京地区近几十年来，泥石流大部分出现于末级或二级支沟，流长多在几百 ～三千米，沟谷形态以“∨”型为多。地形相对高差大，泥石流的动能就越大，流速也快，冲击力与破坏力都极强。

据统计，北京地区高程大于1000m地区的地质灾害点分布频数为0.228个/km2；高程为500～1000m地区的地质灾害点分布频数为0.179个/km2；高程为200～500m地区的地质灾害点分布频数为0.089个/km2；高程小于200m地区的地质灾害点分布频数为0.009个/km2（图2）。

图2 高程与地质灾害分布关系直方图Fig.2 Relationship between elevation and geological hazards

2.2 地质灾害与岩土体类型

北京地区岩石类型多样，岩石节理裂隙发育，山体基岩风化剥蚀强烈。这些岩石风化破碎后形成较厚的残坡积层。暴雨时节，陡坡处易形成滑塌，同时产生土壤侵蚀，碎屑物逐渐向沟内聚集，而一些较坚硬的岩石，抗风化能力强但脆性大，沿节理裂隙常出现不稳定岩块，形成崩塌。这些崩塌体有时可直接触发形成泥石流，有时则残存于坡脚或沟内，由于岩石表层长期风化剥蚀、跨落、冲涮，大量的松散固体物质堆积于沟坡，另外，沟床、河岸堆积有冲积、冲洪积、洪积、坡洪积物等第四系松散沉积物，其结构疏松，抗水蚀力差，易遭水流的冲刷与侵蚀。上述基岩崩塌体、坡面碎屑物和沟内沉积物构成了泥石流固体物质。基岩风化物需要较长时间才能形成，北京地区残坡积物一般仅几十厘米厚，它们大多以间接方式加入泥石流活动，即长期积累之后在重力和坡面流的作用下停积于坡脚、沟内，补充沟床物质，仅少部分以崩塌或坍滑形式直接参加泥石流。但沟床中的冲洪积等松散物则大部分直接加入泥石流［2］。

本次研究结合参照《工程地质手册》第四版将岩土体划分为四类：坚硬岩组（Ⅰ）、较坚硬岩组（Ⅱ）、较软岩组（Ⅲ）、其他岩组（Ⅳ）。据统计，北京地区较软岩组地区的地质灾害点分布频数为0.224个/km2；较坚硬岩组地区的地质灾害点分布频数为0.146个/km2；坚硬岩组地区的地质灾害点分布频数为0.137个/km2；其他岩组地区的地质灾害点分布频数为0.022个/km2（图3）。

图3 岩组类型与地质灾害分布关系直方图Fig.3 Relationship between lithological type and geological hazards

2.3 地质灾害与地质构造

北京地区构造复杂、断层发育。在各种力（压力、张力等）的作用下，构造复合部位岩体遭受严重破坏，形成了丰富的松散物质，因此这些地区往往是地质灾害分布最密集的地区。断层带及其附近地区的岩体在断层的作用下也能形成大量的松散物质；褶曲轴部是受力最集中的部位，产生大量的压裂隙或张裂隙，在风化作用下易产生大量的松散物质；褶曲翼部岩体在受力的作用下也受到破坏，但比轴部变形舒缓，因此该地区松散物质较轴部地区少。泥石流发育与断裂构造活动有着密切关系。一方面断裂带通过河谷区使河谷侵蚀下切加速，两侧山体抬升相对加快，造成地形切割深度加大，河谷沉积巨厚的冲洪积物，而两侧山体山高坡陡，支沟沟谷纵坡大；另一方面断裂活动及其同生的大量次一级断裂使岩体受到严重破坏，节理裂隙十分发育。被多组节理切割的块体经进一步风化剥蚀，形成大量危岩体，发生频繁的崩塌、剥落，由此产生丰富的固体物质，遇适当降雨便形成众多泥石流沟谷［2］。

本次研究根据断层的线密度将地质构造发育程度分为四类：即强烈、较强烈、中等、弱。据统计，北京地区地质构造强烈区的地质灾害点分布频数为0.181个/km2；地质构造较强烈区的地质灾害点分布频数为0.136个/km2；地质灾害中等区的地质灾害点分布频数为0.133个/km2；地质构造弱区的地质灾害点分布频数为0.036个/km2（图4）。

图4 地质构造与地质灾害分布关系直方图Fig.4 Relationship between geological structure and geological hazards

2.4 地质灾害与降水

从目前统计的灾害来看，地质灾害中的崩滑流绝大多数都是由降雨所引发。纵观北京地区每次地质灾害（崩塌、滑坡、泥石流）的发生，大部分为局地暴雨诱发而形成的。局地暴雨型降雨具有降雨持续时间短，一般为1天，甚至几个小时，降雨强度比较大，日雨量一般达到暴雨级别（50mm）的特点。北京多年平均雨量的空间分布与北京市地质灾害发育区基本吻合，但值得注意的是，它们并不是地质灾害的激发雨量，而是区域降雨背景，它能反映出暴降雨的出现机率会较多，强度也较大。

据统计，北京地区多年平均降雨量为550～650mm的地区的地质灾害点分布频数为0.1915个/km2；多年平均降雨量大于650mm的地区的地质灾害点分布频数为0.1212个/km2；多年平均降雨量为450～550mm的地区的地质灾害点分布频数为0.1153个/km2；多年平均降雨量小于450mm的地区的地质灾害点分布频数为0.0096个/km2（图5）。

2.5 地质灾害与植被

图5 多年平均降雨量与地质灾害分布关系直方图Fig.5 Relationship between average annual rain fall and geological hazards

植被一般起着较积极阻止和减缓泥石流发生的作用，其作用大小取决于植被的种类与覆盖状况。植被起着截留降水，削弱雨力，减轻地表径流的作用。这些作用使土壤流失大为减少，甚至停止，减慢了松散固体物质的聚集速度。泥石流的必备条件之一——固体物质在短时间难以得到满足，因此也就可以减少泥石流发生的机会。但是，土壤容纳水体的容量有限，当其处于饱和的临界状态时，由于重力作用，植被对保持水土和防风固沙具有一定的反作用。北京地区坡面土层薄，植被根系深度浅，固结土体能力差，截流量极为有限，所以土壤易于饱和，在遇特大暴雨或历时较长的中等强度降雨，或土壤前期含水量很大，植被就无法起到对地质灾害的抑制作用。另外，我们也常见到许多植物生长于岩石的节理逢隙中，加速了岩石的破裂、风化，促进了地质灾害的发生。植被对地质灾害的发生既有抑制作用，也有促进作用。

据统计，北京地区植被覆盖度大于90％的地区的地质灾害点分布频数为0.1352个/km2；植被覆盖度为70％～90％的地区的地质灾害点分布频数为0.1286个/km2；植被覆盖度为50％ ～70％的地区的地质灾害点分布频数为0.0851个/km2；植被覆盖度小于50％的地区的地质灾害点分布频数为0.0708个/km2（图6）。

2.6 人类活动与地质灾害

人类活动既可促进也可削弱地质灾害的生成。从诱发地质灾害角度考虑，北京地区常见的人类活动是削坡种地、放牧、修路。采矿过程产出的大量废弃矿石被倾入沟床、坡脚；修路、采石形成的弃土废渣随意堆放，使沟内碎屑量剧增，为泥石流的形成提供了丰富的物源。许多成灾塌陷都是因浅部古空区或新近开采的小窑采空区与其附近或下方深部国营大矿采空区共同作用形成的。诱发崩塌灾害的人类活动主要为修路切坡造成的。北京地区崩塌主要发生于荒无人烟的深山区或沟谷源头，是泥石流的主要物源，对人类生活造成直接危害的崩塌灾害仅占极少数，主要沿公路分布。滑坡灾害在北京地区不发育，目前发现的威胁较大的只有门头沟戒台寺滑坡和赵家台滑坡，这两处滑坡均为地下采空导致。

图6 植被覆盖度与地质灾害分布关系直方图Fig.6 Relationship between the Vegetation coverage and geological hazards

本次研究将人类工程活动对地质灾害的影响程度分为四级，即强烈、较强烈、中等、弱，其中人类工程活动主要为采矿的地区为人类工程活动强烈区；人类工程活动主要为修路的地区为人类工程活动较强烈区；人类工程活动主要为放牧、坡地开荒、旅游开发等的地区为人类工程活动中等区；其他地区为人类工程活动弱区。据统计，人类工程活动强烈区的地质灾害点分布频数为0.5136个/km2；人类工程活动弱区的地质灾害点分布频数为0.1415个/km2；人类工程活动中等区的地质灾害点分布频数为0.1081个/km2；人类工程活动较强烈区的地质灾害点分布频数为0.0726个/km2（图7）。

图7 人类活动与地质灾害分布关系直方图Fig.7 Relationship between the hum an activity and the geological hazards

2.7 地质灾害与地质环境分布关系分析

一般情况下，高程、岩组类型、地质构造、降水因子与地质灾害发育程度为正相关；植被覆盖度与地质灾害发育程度为负相关。据统计，地质灾害点在高程大于1000m的地区的分布频数最大，则认为在北京地区高程因子对地质灾害发育的贡献率大；地质灾害点在较软岩组（Ⅲ）的分布频数最大，则认为在北京地区岩组类型因子对地质灾害发育的贡献率较大；地质灾害点在地质构造强烈区的分布频数最大，则我们认为在北京地区地质构造因子对地质灾害发育的贡献率大；地质灾害点在多年平均降雨量为550～650mm的地区分布频数最大，则认为在北京地区降雨量因子对地质灾害发育的贡献率较大；地质灾害点在植被覆盖度大于90％的地区分布频数最大，则认为北京地区植被覆盖度因子对地质灾害发育的贡献率小；地质灾害点在人类工程活动强烈区的分布频率最大，则认为人类工程活动因子对地质灾害发育的贡献率大。地质灾害的发生是各因子共同作用的结果，各因子在地质灾害发育的贡献率即为各因子在地质灾害易发区划模型中权重的体现。在北京地区地质灾害易发区划模型中，高程、地质构造因子和人类活动因子的权重相对大；岩组类型和降水因子的权重相对较大；植被覆盖度因子权重相对小。

3 易发区划模型的建立

3.1 统计单元格的确定

本项研究采用3km×3km的网格进行剖分，每个单元格的面积为9km2。

3.2 因子的选取及判别指标量值的确定

根据《县（市）地质灾害调查与区划基本要求》实施细则，选取潜在地质灾害强度指数（地质条件、地形地貌条件、气象条件、植被条件、人为条件）和现状地质灾害强度指数（灾害点密度、灾害面积密度、灾害体积密度）作为地质灾害综合危险性指数模型的判别因子。

3.3 模型的建立

根据各单元的地质条件、地形地貌条件、气象条件、人为条件以及现状灾害点条件，利用ArcGIS空间分析功能，求取评价单元的潜在地质灾害强度指数与现状地质灾害强度指数，分级赋值进行换算叠加，获得评价单元的地质灾害综合危险性指数。依据地质灾害综合危险性指数，合并相同单元格，划定地质灾害易发区。

地质灾害综合危险性指数模型如下：

Z=Zq·r1+Zx·r2

式中：Z——地质灾害综合危险性指数；

Zq——潜在地质灾害强度指数；

r1——潜在地质灾害强度权值；

Zx——现状地质灾害强度指数；

r2——现状地质灾害强度权值。

（1）潜在地质灾害强度指数计算

潜在地质灾害强度指数（Zq）按以下公式计算：

Zq=∑Ti·Ai=B·AB+C·AC+D·AD+E·AE+F·AF+G·AG

式中：Ti分别为潜在地质灾害强度指数的二级因子——岩组类型（B）、地质构造（C）、高程（D）、植被覆盖度（E）、降水（F）、人类工程活动（G）的表度分值。Ai分别为各形成条件的权值，根据AHP法（层次分析法）确定。

（2）现状地质灾害强度指数计算

现状地质灾害强度指数（Zx）可以用灾害点密度、灾害面积密度以及灾害体积密度来求得。

崩塌、滑坡、泥石流强度指数（Zx）：

Zx=a+b+c

地面塌陷和地裂缝强度指数（Zx）：

Zx=a+b

其中：a——归一化处理后的灾害个数密度系数；

b——归一化处理后的灾害面积密度系数；

c——归一化处理后的灾害体积密度系数。

3.4 权重的确定

根据上述分析得出在北京地区地质灾害易发区划模型中，高程因子、地质构造和人类活动因子相对权重大，岩组类型和降水因子相对权重较大，植被覆盖度因子相对权重小。结合AHP法（层次分析法）确定本次评价的权重系数如下：

根据AHP法的计算步骤，确定本项研究中，一级因子潜在地质灾害强度指数和现状地质灾害强度指数的权重系数分别为0.6457、0.3543。潜在地质灾害强度指数的二级因子岩组类型、高程、地质构造、降雨、植被覆盖度、人类工程活动的权重分别为0.1239、0.1848、0.2495、0.1729、0.0777、0.1911，经检验CR=0.0117＜0.1，因此权重系数的计算结果是合理的；现状地质灾害强度指数的二级因子地质灾害点密度比、地质灾害面密度比、地质灾害体密度比对总目标的权重分别为 0.1239、0.0888、0.1416，经检验CR=0.0120＜0.1，因此权重系数的计算结果是合理的。

4 结论

通过北京地区地质灾害与地质环境分布关系分析，得出北京地区地质灾害易发区划模型中高程、地质构造、岩组类型、降水、人类活动、植被覆盖度因子的相对权重，再利用层次分析法确定各因子的权重，从而确定了北京地区地质灾害易发区划模型，该方法大大减少了地质灾害易发因子权重确定的人为判断的随意性，提高了区划的准确度。

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