基于加权证据权法的吴堡地质灾害敏感性评价研究

王小浩，唐亚明，王佳运，王 浩

（1.西安科技大学，陕西 西安 710054；2.中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054；3.陕西路桥集团有限公司，陕西 西安 710075）

地质灾害是指包括自然因素或者人为活动引发的危害人民生命和财产安全的山体崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、活动断裂、地裂缝、地面沉降等与地质作用有关的灾害[1]。地质灾害敏感性分析对地质学者掌握地灾规律和地灾预测具有重要意义，自20 世纪60 年代以来，国内外学者相继研究提出了许多用于评价地质灾害敏感性的数学模型。分析方法主要分为定量评价与定性评价，定量评价有基于统计学方法的信息量法、确定性系数法、证据权重法、支持向量机法、模糊评判法、线性回归分析法等；定性评价有基于非统计学方法的专家打分法、层次分析法等[2～4]。

1 研究区地质背景及地质灾害发育概况

研究区位于晋陕黄土高原河曲- 韩城中部，幅员419 km2，中温带干旱气候，昼夜温差大、春季多风沙、夏季多雨、冬季气温较低。黄河河道及支流沟壑出露砂泥岩互层为主，坡面出露亚黏土，破顶出露亚砂土，山西局部出露红黏土。地质灾害的分布情况受地形地势影响明显，主要地质灾害为滑坡、崩塌，人工修筑沿黄公路对灾害发生影响较大，主要发育于沿黄公路及黄河支流沟道两侧（图1），灾害点共158 个，总面积为3.69 km2，约占研究区总面积0.88%。

图1 研究区地理位置及地质灾害分布

沿黄公路灾害主要分为基岩危岩体与黄土斜坡体，危险性较大，对沿黄公路过往车辆及人员安全造成威胁（图2）。

图2 研究区不同类型典型灾害照片

2 基于加权证据权法的地质灾害敏感性评价

2.1 加权证据权法的基本理论

证据权法是一种基于贝叶斯准则综合各种证据层来预测事件发生概率的一种定量方法，近年来广泛应用于地质灾害敏感性评价，对于灾害预测，将已有灾害和各个证据因子图层空间关联分析，得到灾害点各个证据因子的分布情况，来求取各个证据层因子对灾害发生贡献的大小。计算公式如下：

多个证据层时，假设各证据层间满足条件独立性假设，各个证据层叠加后发生灾害的条件概率为[10]：

层次分析法，简称AHP，首先构建判断矩阵，同层n 个因子相互运用九分位比例标度进行重要性判断，两两对比各因子相对重要程度；其次归一化处理矩阵，通过计算矩阵特征值λ 与特征向量E，计算每个因子的权重Wi；最后对权重值进行一致性检验，计算一致性检验指标，与判断矩阵的平均随机一致性指标RI 比较, 当时，该判断矩阵满足一致性，计算权重值可靠。区域地质灾害敏感型指数

2.2 研究区地质灾害敏感性分析

地理空间数据云下载DEM 数字高程数据，分辨率为30 m×30 m，结合1∶50000 地质图，地形图，野外调查158 个灾害点。研究区水土流失严重，冲蚀痕迹明显，沟道发育，高差明显，沿黄河人工修筑沿黄公路，砂泥岩互层出露，砂岩较坚硬，泥岩风化破碎严重，时有剥落，对两侧斜坡稳定性产生影响较大，人工坡面开垦耕作活动，夏季集中强降雨等都易诱发灾害发生。综上所述本文证据因子类型分为地形因子、自然因子、人为因子三类，地形因子有高程、坡度、坡向、粗糙度，自然因子包含河流、地质，人为因子有道路、土地利用类型，对研究区敏感性分析，分别用式（1）、式（2）、式（3）计算，得到各因子各分级的证据权值见表1。

表1 因子量化分级与证据权计算结果

续表1

综上证据权值对灾害敏感性进行分类：Wfi＞2，最利于灾害发生，2＞Wfi＞1，利于灾害发育，1＞Wfi＞0.5，较利于灾害发育，Wfi＞0，对灾害发育有一定影响。研究区高程在598 m～732 m范围内利于灾害发育，高程较低区域人类工程活动剧烈，灾害易发；坡度在26°～58°范围内最利于灾害发育，坡度越大斜坡下滑力越大，灾害易发；坡向东北、西北向最利于灾害发育，北部季风气候影响，灾害易发；粗糙度1.198～1.919 范围最利于灾害发育，粗糙度越大地表破碎程度越大，灾害易发；沿黄公路修筑切坡，砂泥岩互层出露，差异风化，灾害易发，亚砂土自身稳定性差，风化严重，灾害易发；黄河河面宽度大于100 m，于100 m～200 m 范围内最利于灾害发育，河流侵蚀切坡，灾害易发；道路距离0 m～100 m利于灾害发育，人工切坡形成不稳定斜坡，灾害易发；居民区最利于灾害发育，居民区人类工程活动剧烈，灾害易发。

将上述计算证据权值代替原始分级标准，利用ArcGIS 空间分析功能得到各因子评价分析结果，分别为高程、坡度、坡向、粗糙度、地层岩性、水系、道路、土地利用类型图（图3）。

图3 各因子分析图

3 敏感性评价

基于上述ArcGIS 对各因子评价分析结果，运用层次分析法对各因子权重进行计算（表2），ArcGIS 进行叠加分析，得到研究区灾害敏感性分区图（图3i）。

利用自然断点法将研究区灾害敏感性分为四类：高易发区、中易发区、低易发区、极低易发区，基于灾害敏感性分区图，统计每个易发区灾害点及栅格面积比见表3。

表2 各因子权重计算分析

基于上述灾害敏感性分区统计，进行灾害敏感性评价，绘制ROC 曲线（图4），ROC 曲线下面积为AUC，证据权法得到AUC 评价指标值为0.821，评价结果具较高的精度和可靠性。

表3 栅格灾害敏感性统计表

图4 研究区ROC 曲线

4 结论

本文基于野外地质灾害调查，分析灾害发育规律，选取灾害影响因子，结合加权证据权法与ArcGIS 空间分析功能，对吴堡图幅地质灾害敏感性评价，得到以下结论：

1）证据权分析结果与野外调查情况基本一致，沿黄公路修筑、人类活动聚居、岩性、降雨、河流等都是灾害发育重要因素。

2）地灾敏感性评价过程，加权证据权法分层对各因子评价分析，一定程度避免因子赋权主观性，并且考虑正负证据权值，结合ArcGIS 空间分析，结果较客观；用ROC 曲线分析方法对结果精度进行评价，具较高的精度和可靠性。

3）对研究区进行灾害敏感性评价，对地质学者掌握区内地灾规律和地灾预测具有重要意义，对地质灾害防灾减灾具有一定的指导价值。