马海荣， 程新文， 陈联君， 张海涛， 常亚洲

(中国地质大学(武汉)信息工程学院， 湖北 武汉　430074)



基于GIS与层次分析法的公路泥石流危险性评价

马海荣， 程新文， 陈联君， 张海涛， 常亚洲

(中国地质大学(武汉)信息工程学院， 湖北 武汉430074)

[摘要]泥石流是我国山区公路的主要地质灾害之一，对山区建设和交通设施危害较大。以赛果高速为例，结合当地的环境地质条件分析影响泥石流产生的重要因素，选取岩性、坡度、沟壑密度、风化程度，植被覆盖率、植被覆盖类型、年均日最大降雨量、历史灾害频次8个因子参与泥石流危险性评价；然后利用层次分析法并结合GIS软件的叠加分析功能，得到评价路段泥石流危险性分区结果；最后利用该地区泥石流历史灾害信息验证了本文评价方法的可行性与评价结果的准确性。

[关键词]泥石流； 危险性评价； GIS； 层次分析法

0引言

随着国民经济的迅速发展，我国的公路建设也不断加强，特别是山区路网得到不断完善。由于山区特殊的地质地貌条件，使得山区公路容易受地质灾害(滑坡、崩塌、泥石流等)、山洪、地震等灾害的损毁，较大的灾害一旦发生不但影响交通畅行，而且极易造成财产损失和人员伤亡。由于我国山区面积大，并且包含有很多断裂带，加上近年来人类活动对山体严重破坏，造成各类灾害频繁发生，其中泥石流灾害的发生最为常见，并且一旦发生造成的危害极其严重。因此对该类灾害的防治非常重要，而对区域进行泥石流危险性评估是对泥石流灾害防治核心内容之一。

泥石流危险性是指某地区泥石流发生的规模、强度、危险程度从而对灾害发生区所造成损毁的可能性。国外对泥石流的危险性评价的研究发展较早，20世纪70年代末期日本学者首先开展对泥石流危险性评价的研究。国内对泥石流危险性的研究始于80年代末，90年代至今得到较广泛的发展。近年来用于泥石流危险性评价的方法较多，赵源、刘希林将人工神经网络应用于泥石流危险性评价[1]；孟庆华、孙炜锋等利用层次分析法和模糊数学对泥石流危险性进行评价[2]；罗冠枝、王英杰等人提出基于通径分析与可拓学的公路泥石流危险性评价方法[3，4]；邹强、罗真富，阮沈勇等人利用GIS(Geographic Information System，地理信息系统)和信息量法对泥石流的危险性进行评价[5-7]。随着GIS技术不断发展，数学模型理论的不断完善，对泥石流危险性评价的方法已经从定向、单一的研究发展为定向与定量相结合的多因子综合评价。但是由于泥石流灾害的复杂性，目前所出现的各类方法对特定地区的评价结果较好，普适性较差。

泥石流病害产生的原因是由于各种自然因素的相互作用的结果。本文在分析赛果高速沿线泥石流灾害的类型、成因的基础上结合当地的地质地貌、地层岩性、气象水文和人类活动等环境条件和影响因素，选择影响泥石流发生的内在因子(岩性、坡度、沟壑密度、风化程度)和诱发因子(植被覆盖率、植被覆盖类型、年均日最大降雨量、历史灾害频次)，结合GIS软件的分析功能，利用层次分析法对赛果高速沿线泥石流灾害的危险性进行了评价，得到评价路段泥石流危险性分区的结果。

1层次分析法

层次分析法(Analytic Hierarchy Process，即AHP)是于二十世纪七十年代由美国学者提出[8]，该方法将与决策有必然关系的因子分解成目标层、准则层和方案层等多个层次，在分层的基础上将定性和定量分析组合运用。具体操作过程为：首先把定性指标模糊量化，然后各层次的元素进行单排序和总排序，进而将多指标的方案进行系统和合理的量化。

层次分析法是采取众专家打分的方式来确定所评估灾害危险性的多个影响因子的相对重要性。由于该方法的相对客观性和全面性，目前该评价方法被广泛的应用于各个领域。

1.1构造判断矩阵

利用层析分析进行评估时，首先要构造判断矩阵，对同一层次的指标，通过两两比较的方式建立判断矩阵[9]。 层次U包含了事件U1，U2，…，Un，判断矩阵的表达式为：

(1)

(2)

其中：Uij是因素Ui对于U1的相对重要程度，通常用1，2，3，…，9及其倒数来表示，表示方法见表1。并且判断矩阵均满足：uii=1且uij=1/uji(i，j=1，2，…，n)。

表1 判断矩阵标度及其含义Table1 Scaleforpair-wisecomparisionmatrix标度值含义1表示ui与uj比较,加油同等的重要度3ui比uj稍微的重要5ui比uj明显的重要7ui比uj强烈的重要9ui比uj极端的重要2,4,6,8分别表示相邻判断的中值倒数表示因素ui与uj比较得判断uji=1/ui

1.2求特征向量和特征根

首先将阵列作归一化处理：

(3)

然后将经过正规化的判断矩阵按行相加：

(4)

最后计算判断矩阵的最大特征根λmax：

(5)

1.3一致性检验

判断矩阵建立之后，要对其进行可靠性检验，即计算该矩阵的一致性比率CR，若CR<0.1，则认为该判断矩阵的一致性符合要求，即对各影响因子的权数分配合理，否则对判断矩阵进行调整，直至一致性符合要求。

2研究区概况

2.1赛果沿线自然地理条件

赛果高速由沿湖段、越岭段和沿溪段组成，本文所研究的评价路段为沿湖段部分、越岭段与沿溪段的全部路段。沿湖段公路位于赛里木湖东岸平原，基本无地质灾害发生。越岭段上接沿湖段下邻沿溪段，位于赛里木湖盆地的边缘山区。沿溪段公路主要沿果子沟谷底，地貌上属峡谷区。本路段山势陡峭，相对高差较大，自然坡度陡，靠近沿湖段的部分，沟谷曲折、狭窄，果子沟内常年具有丰富的急流水，且河床纵坡陡峭造成强烈的下切作用，所形成的地形地貌复杂且极不稳定，各类地质灾害发生频繁。赛果高速所在地区地处天山褶皱系，经历过多次强烈的地壳运动，特别是全新以来的新构造运动对岩层的再次冲击与挤压，造成断裂带复活、地壳上抬和频繁的地震运动，为各类地质灾害的形成提供了基本的动力与丰富的物质条件。

2.2赛果沿线地层岩性条件

越岭段地层主要为填筑土、圆砾土、角砾土、石灰岩、砾岩及泥岩。沿溪段地层结构复杂，出露的主要为第四系、下古生界地层，第四系松散堆积物广泛分布于公路沿线，而该类松散堆积物正是各类地质灾害发生的物质基础。第四系松散堆积物多分布于既有公路两侧的山体坡角，坡面及果子沟河床、岸坡坡脚。

评价路段中岩溪段位于中山峡谷区，且有两条断裂通过，边坡岩体多发变形活动，边坡岩体受风化作用的剥蚀较为严重。该区域构造运动强烈，为各类地质灾害的形成与发育提供了物质基础和动力条件。沿线崩塌、滑坡、泥石流、雪崩、山洪、地震等灾害多发，其中泥石流灾害最为严重。

2.3评价数据获取

由于GIS软件与其他相关软件相比具有优越的空间分析与信息处理功能[10]，本文危险性评价所用的评价因子层数据的提取、危险性分析、评价结果的分区显示均是在Arcgis软件的基础上完成的。

首先基于Arcgis软件利用评价区域1∶2 000的大比例尺等高线地形图生成高精度数字高程模型(DEM)，利用DEM提取坡度、沟壑密度信息，然后结合地质平面图和工程地质报告中分路段提取岩性、风化程度。其次在野外考察的基础上利用赛果高速沿线0.5 m全色及2 m四波段多光谱worldview影像提取植被覆盖率和土地利用类型。从高分辨率遥感影像上可以看出：赛果高速沿线分布着很多泥石流冲沟(见图1)，在暴雨多发或者冰雪融水较多时期该区域很容易形成泥石流。最后从相关网站获取历史灾害信息、气象信息以计算年均日最大降雨量。

图1　评价区域泥石流发育状况

Figure 1The development situation of debris flow in evaluation region

3公路沿线泥石流危险性评价方法

影响泥石流的形成条件和因素复杂而且繁多，但影响因素总起来可归纳为内在因子和诱发因子两大类。本文对泥石流灾害的成因特点等进行分析，选择和泥石流产生直接相关，并能反映泥石流稳定性的因素进行评判，确定可作为泥石流危险性的评判的主要因素有内在因子：岩性、坡度、沟壑密度、风化程度；诱发因子：植被覆盖率、植被覆盖类型、年均日最大降雨量、历史灾害频次。

3.1内在因子

3.1.1岩性

岩石的类型、硬度、厚度、完整程度称为岩性，岩石性质通常与其所在的地层相关。岩石的硬度不同，其抗侵蚀与耐风化的能力亦不相同，硬岩的抗腐蚀和耐风化能力较强，软岩或者软硬相间的岩石抗侵蚀与耐风化的能力较弱。并且岩性是不稳定性斜坡性和致灾的物质基础，其控制着斜坡的稳定性，通常情况下由坚硬岩石所构成的斜坡稳定性较好，不易发生滑坡、崩塌、泥石流等灾害；而由亲水易软化的岩层或者土层所构成的斜坡，在外界条件的触发下容易发生地质灾害。主要组成物质为松散堆积物的斜坡稳定性最差，相反坚硬岩石构成的斜坡稳定性最好。赛果高速岩溪段第四系松散堆积物分布在既有公路两侧的山体坡角，坡面及果子沟河床、岸坡坡脚，是地质灾害的发生的物质来源。

3.1.2坡度

通常情况下，地形的坡度是将坡面松散堆积物由势能转化成动能的关键条件[11]，并且坡度控制着斜坡体上松散堆积物的累积厚度和斜坡体的稳定程度。某区域坡度越大，影响泥石流沟的水土势能越大，泥石流发生的概率也越大。但并不是坡度越大泥石流发生的概率就越大，而是随着坡度的增加，泥石流发生的概率有分段特性。以20°与35°为分界线，在<20°与>35°坡度范围内泥石流不易发生。在20°到35°之间的坡度范围内，泥石流发生概率较大，尤其在25°到30°的坡度范围，最易发生泥石流。

3.1.3沟壑密度

单位平方千米面积中侵蚀沟的长度之和称为沟壑密度(单位km/km2)，可以用来评价地表破碎程度。沟壑是地表土壤被长期侵蚀的产物，在研究水力侵蚀时是必不可少的要素。降雨汇水或冰雪融水沿着沟壑的流动会冲刷侵蚀斜坡坡脚，对坡脚的长期冲刷侵蚀作用会削弱斜坡前缘滑力，并增大临空面，继而造成斜坡失稳。泥石流主要发生在山区或者沟谷深壑，因此沟壑密度越大的地区，边坡的稳定性越弱，发生泥石流的可能性越大。

3.1.4风化程度

泥石流是指山洪、暴雨等引发的携带大量泥沙以及石块的特殊洪流，其中的泥沙和石块主要由水流冲刷泥石流形成区域松散堆积物所形成，而这些松散堆积物往往是风化作用的产物。风化作用会造成岩石的破坏，松散堆积物的不断积累，是泥石流形成的关键要素。在其他条件相同的条件下，受风化作用影响越大的地区，岩体破碎程度越大，松散堆积物越多，发生泥石流的可能性就越大，赛果高速沿线区域特别是岩溪段两岸坡体风化作用较为显著。

3.2诱发因子

3.2.1植被覆盖率

植被覆盖率通常是指植被面积与土地总面积之比，某地区的泥石流发育程度与该地区的植被分布情况密切相关。通常情况下，植被覆盖度比较大的区域，生态环境和水土保持越好，泥石流灾害发生的可能性就越小，反之泥石流发生的可能性则越大。赛果高速所在地区特别是岩溪段风化程度较大，第四系松散堆积物广泛分布于公路沿线，坡面溜塌、滑坡、雪崩等灾害发育活跃。泥石流发生前植被的根系对坡面的松散堆积物具有很好的根固作用，泥石流发生后植被对泥石流又具有很好的阻拦作用，因此植被覆盖情况对该地区泥石流灾害的控制作用较为显著。

3.2.2植被覆盖类型

森林树木、低矮灌木、地面草体等植被对坡体表面的堆积物具有锚固作用，并且可以减少岩体的风化和地表的侵蚀。不同类型的植被对坡体的作用程度不同，如树木的根系庞大，网状交织，可以很好地锚固松散堆积物，加固斜坡，稳固陡坡；在很大程度上增强土壤抗侵蚀的能力，继而可以减少泥石流、崩塌、滑坡、雪崩等灾害的发生。稀疏的灌木或者仅有草地覆盖的地区，相应的蓄水保土、土体锚固作用较弱。

3.2.3年均日最大降雨量

泥石流灾害发生的时间、活动性通常取决于降雨这一要素，降雨强度与降水总量等条件一般决定了泥石流发生的规模、频率和可能性。赛果高速沿线的泥石流灾害大部分为暴雨引发，只有少数是由冰雪融水引起的山洪造成的。长时间的强降雨可以为泥石流的形成带来丰富的松散物质，并且在特定的环境条件下将松散堆积物转化成泥石流。通常情况下持续降雨1个小时以上，并且强度超过25 mm/h时，在泥石流生成条件比较成熟的区域就会发生泥石流。

3.2.4历史灾害频次

某地区历史泥石流灾害发生的频率和规模可以反映该地区近期泥石流灾害的活动频率和危险程度。由于近年来相关部门对泥石流灾害监测的加强，并实时网络发布消息，使得历史泥石流信息的获取变得方便可行。本文采用近年来评价地区泥石流每年发生的平均次数来代表该地区泥石流的历史灾害频次。

3.3评价模型的建立

在阅读大量文献和征求专家意见的基础上综合分析影响泥石流危险性的八个因子的重要程度依次为u1岩性>u2坡度>u3沟壑密度>u4风化程度>u5年均日最大降雨量>u6植被覆盖率>u7植被覆盖类型>u8历史灾害频次。根据每个影响因子对泥石流灾害的影响力大小，利用层次分析法建立影响因子评价矩阵，见表2。

表2 泥石流影响因子判断矩阵Table2 Thejudgmentmatrixofdebrisflowinfluencefactoru1u2u3u4u5u6u7u8u111223455u211122344u31/21112234u41/21/2111223u51/31/21/211122u61/41/31/21/21112u71/41/41/31/21/2111u81/51/41/41/31/21/211

计算权向量W=(0.250 2，0.204 7，0.158 6，0.122 1，0.092 8，0.071 7，0.055 0，0.044 9)，对判断矩阵进行一致性检验结果CR=0.01<0.1，即本文对各影响因子的权数分配合理。泥石流评价因子分级详情见表3。

通过计算危险性作用指数来量化泥石流灾害危险性评价的指标，泥石流灾害危险度计算公式如下：

(6)

其中：DL是灾害危险程度，wi是评价因子的权重；Ii是判别因子的作用指数。

表3 泥石流评价因子分级表Table3 Debrisflowevaluationfactorclassificationtable判别因子危险性因子赋值低危险性(0)中等危险性(0.3)较高危险性(0.7)高危险性(1)岩性极硬岩硬岩软硬相间岩软岩坡度(°)<20>3520～25 25～35年均日最大降雨量(mm)<2525～5050～100>100沟壑密度(km/km2)0～66～96～12>12植被覆盖率(%)>7050～7030～50 <30历史灾害频次/百年<1010～5050～100>100植被覆盖类型林地混合用地草地裸地风化程度基本无风化中等风化风化较强烈风化强烈

4评价结果与分析

为了更科学更方便地分析评价区域泥石流危险性，本文在阅读大量文献的基础上将泥石流的危险性分为4个等级，具体的分级标准见表4，评价结果如图2所示。

表4 泥石流危险性分级表Table4 Theclassificationtableofdebrisflow’srisk危险性等级等级说明灾害危险度指数I低危险性≤0.30II中危险性0.30～0.50III高危险性0.50～0.75IV极高危险性≥0.75

图2　赛果高速沿线泥石流危险性评价结果图Figure 2　The result of debris flow risk assessment along 　saiguo highway

从图2可以看出评价区域大部分地区处于中危险性以上，利用GIS软件分析栅格评价结果可得出：低危险性区域仅占2.7%，主要分布在沿湖段的平原地区；而高危险性和极高危险性区域分别占26.8%和15.2%。极高危险性地区主要集中在藏营沟隧道上行段、二台下行段和将军沟隧道上行段地区，这是因为沿溪段地层结构复杂，第四系松散堆积物多分布于既有公路两侧的山体坡角，而藏营沟隧道上行段、二台下行段坡度大多在30°左右，岩体风化较为严重，适合泥石流的发育，在受外界诱发因子影响时极易发生泥石流。将军沟隧道上行段虽然没有河流冲刷形成的堆积物的影响，但是该地区有断裂带通过，坡度适合泥石流发育，并且该区域基本为裸地，在受到大雨冲刷或者冰雪融水的冲刷时仍较容易发生泥石流灾害；虽然该处公路为高架桥，发生泥石流不会直接对赛果高速造成掩埋和堵塞，但是泥石流经常发生会冲刷和撞击桥墩，长期作用会影响赛果高速的正常运行，所以应结合实地考察加强泥石流的防治。中危险性地区主要分布在越岭段和沿溪段上半段，岩溪段下半段大部分地区处在高危险性和极高危险性状态，特别是子果子沟上行1 km处至藏营沟隧道上行约1 km处，约70%以上的区域处在高危险性或极高危险性状态，相关部门可结和危险性评价结果进行实地考察分析，及时作出对泥石流灾害的预防措施。

5结论

本文在大量阅读相关文献和实地调查的基础上，分析赛果高速沿线地质环境条件，选取了影响本地泥石流发生的主要因子岩性、坡度、沟壑密度、风化程度、植被覆盖率、植被覆盖类型、年均日最大降雨量和历史灾害频次作为泥石流危险性的评价因子，在参与泥石流危险性评价的影响因子选定之后，基于GIS与层次分析法利用评价区域高分辨率遥感影像和基础地质数据完成对赛果高速沿线泥石流灾害的危险性评价。评价路段90%以上的区域处于中危险性以上，其中高危险性和极高危险性分别占26.8%和15.2%，而低危险性的区域仅占评价区域的2.7%，主要分布的沿湖平原区域。在泥石流多发季节要特别注意高危险性和极高危险性区域的灾害预报与防治。在分布特征上，高危险性和极高危险性区域主要分布在沟壑密度较大，岩性较软、风化严重的地区。最后利用近年来的历史灾害信息对评价结果进行验证，证明利用本文方法所得的评价结果与实际情况相符，本文评价结果可以为相关部门对赛果高速沿线泥石流灾害的防治提供科学依据。

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Hazard Evaluation of Debris Flow Along Highway Based on GIS and AHP

MA Hairong， CHENG Xinwen， CHEN Lianjun， ZHANG Haitao， CHANG Yazhou

(Faculty of Information Engineering， China University of Geosciences， 388 Lumo Road， Wuhan， Hubei 430074， China)

[Abstract]The debris flow，which is the main geological hazards of our country mountain highway，has great harm to the mountain-building and traffic facilities.The Saiguo highway was taken as an example to analyze the important factors which affect the occurrence of debris flow combined with the local environmental geological conditions.Factors like lithology，slope，gully density，weathering degree，vegetation coverage，vegetation type，average daily rainfall，historical disaster frequency were chosen in debris flow risk assessment.Then the analytic hierarchy process(AHP)，combined with the overlay analysis function of GIS software，was used to obtained debris flow risk zoning result.Finally the history information of debris flows in this region was utilized to verify the accuracy and feasibility of the method we proposed in this paper.

[Key words]debris flow； hazard evaluation； GIS； AHP

[中图分类号]U 416.1+65

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0033-05

[作者简介]马海荣(1986-)，女，山东菏泽人，博士研究生，主要从事高分遥感影像在公路地质灾害监测与评估上的应用研究。

[基金项目]高分综合交通遥感应用示范系统先期攻关(07-Y30A05-900)

[收稿日期]2014-08-13