永德县隶属于临沧市,位于全市的西北方向,地理坐标范围为东经99°05'—99°50',北纬23°45'—24°27',国土总面积3 208 km²,东西最远距离为71.5 km,南北最长距离为75.8 km^[14]。东与云县交界,西与镇康、龙陵、施甸县接壤,南与耿马县隔河相望,北与昌宁、凤庆县毗邻。境内交通主要以公路为主,县城所在地德党镇距省会昆明787 km,距市政府所在地临沧226 km,与邻国缅甸的果敢虽有镇康县相隔,也仅相距108 km,县内各乡(镇)及90%以上的村庄均通公路,但村道雨季行车困难,总体交通尚属方便。根据中国地质调查局地质灾害详细调查数据资料统计显示,永德县域范围内共计发生地质灾害188处,其中崩塌9处,滑坡120处,泥石流25条,斜坡34处; 灾害等级为中型的滑坡共计4处,其余所有灾害等级均为小型。

开展本研究所用到的数据主要包括地质数据、地理数据以及统计数据三大类,地质数据均来自于全国地质资料馆,地理数据统一采用像元大小为30 m的空间栅格数据,国民经济统计数据均利用ArcGIS软件的空间分析、插值分析等工具转换为30 m的栅格数据,便于后续的统计分析,详细数据来源见表1。

地质灾害的危险性是在多种因素的作用与影响下发生的^[15],是各种地质环境因素相互影响以及不等量共同作用影响的结果。影响地质灾害的形成与发展主要包括其控制作用的内在因素和起诱发破坏作用的外在因素两方面,内因主要包括地形地貌、地层岩性、地质构造以及岩土体结构特征、水文地质等条件,外在因素主要包括植被覆盖、生态环境、降雨、河流水系以及人类工程活动等因素。通过综合研究区域地质地理概况、地质灾害的种类、规模、灾险情特征以及前人的研究成果,拟从地理环境、地质环境、人类工程活动3个方面选取15个要素作为指标因子对永德县地质灾害易发性进行评价与分析。

表1 研究区基本数据

AHP层次分析法对于解决受多因素影响的地质灾害易发性具有较强的适用性和可操作性,且方法简便,能够较好地表现各个因素以及其之间的相互关联程度^[16]。其主要的核心部分就是将整个问题进行分解,将地质灾害的易发性作为目标层,然后继续将目标层进行分解为准则层和要素层^[17],对同一准则层下的各个要素结合专家咨询法以及相关文献采用1—9标度法分别进行两两对比并构建判断矩阵,计算出各要素层与准则层的权重^[18],最后对判断矩阵进行一致性检验。若CR≤0.1,则说明判断矩阵的一致性良好,通过检验; 若CR>0.1,则说明检验不通过,需要对判断矩阵进行调整之后再次进行权重计算和一致性检验,直至通过检验为止^[19],各评价指标因子的权重见表2。

计算判别矩阵的最大特征值:

计算判别矩阵的一致性检验指标:

随机一致性比率CR计算:

式中:λ_max代表最大特征值; n代表判断矩阵的阶数; CI代表判断矩阵的一致性检验指标; CR代表随机一致性比率。

表2 永德县地质灾害易发性评价因子分级与权重系数

永德县地质灾害易发性评价从地理环境指数、地质环境指数以及人类工程活动3个方面累计选取与地质灾害密切相关的坡度、坡向、地形起伏度、土地利用、植被覆盖度指数、降雨量、距水系距离、距断层距离、地质灾害密度、地层岩性、地貌类型、距道路距离、居民点密度、人均耕地面积14个指标因子。因为各个指标因子分别的来源不同,其原始的量纲有所差别,在此结合前人研究成果、地质灾害易发性评价规范、GIS自然间断点法以及相关地方标准对每个指标因子进行统一的归一化处理,统一分为3个等级,分别代表低易发区、中易发区、高易发区,详细结果见图1。

图1 单指标因子评价

不同的地形对于地表物质的汇集以及流水的冲蚀程度都会有一定的影响,坡度对于地质灾害的易发性有着很强的影响作用,直接影响各类斜坡以及边坡的稳定程度,同时影响着各地质灾害点的不同力学分布特征; 坡向的不同所能够接受光照的强度存在较大的差异,长时间的日照对地表物质的松散程度以及土壤干湿度有着较强的影响,日照强烈的区域地表物质较为松散,土壤水分蒸发较快,经过雨水冲蚀后容易流失,为泥石流、滑坡等地质灾害提供了物质来源; 研究区处于高山峡谷地貌,地表切割较为强烈,相对高差大,是划分地形地貌的重要参考依据,对于地质灾害的形成也有着极为强烈的影响; 人均耕地面积、土地利用类型以及利用程度等对于地质灾害的易发性影响差异较为明显,近年来对于大量林地的破坏导致了水土流失、洪涝以及旱涝等各种自然灾害,研究区域内人口基数较大,对于耕地的需求不断扩张致使大量的林木被砍伐,因此导致的水土流失以及滑坡灾害常有发生; 降雨量、距水系距离等因素对于地质灾害的发生有着决定性的作用,长时间流水对地表物质的冲蚀、侵蚀作用导致大量的土壤流失以及沼泽化等,对于山体、岩体的冲蚀更容易导致滑坡、崩塌以及不稳定斜坡等灾害的发生; 植被覆盖度指数最主要的是反映一个地区植被发育程度的因子,植被发育状况越好的区域植被覆盖度指数越高,植被生长力及其生长状况越好,越不容易发生地质灾害,反之相反; 距离断层、道路、乡镇等要素的距离不同,地质灾害的发育程度也有一定的影响,断层以及人类工程活动同时会导致大量的水土物质流失以及地表结构的破坏,加之受到其他因素的二次影响,距离断层、道路、乡镇越近的区域越容易发生地质灾害; 地层岩性不同其物质组成与力学性质均存在较大的差异,在泥岩、板岩、页岩、砂砾岩、黏土层等物质较为松散的区域地质灾害发生的几率越高,相对于较为坚硬的石英砂岩、白云岩、凝灰岩、辉绿岩、花岗岩、蛇纹岩区域,其地质灾害发生几率相对较低; 地质灾害密度反映的是一定区域范围内地质灾害数量的分布程度,地质灾害密度较大的区域由于地表结构遭到破坏、力学性质不稳定等因素的影响更加容易形成二次灾害,密度较小的区域相对稳定。

由于地质灾害的易发性来源于多个因素的影响与控制,采用线性加权求和函数结合ArcGIS的栅格计算功能,首先将地质环境指数、地理环境指数与人类工程活动3个要素层各个指标因子的栅格图层分别乘以各自的权重得到要素层评价结果,最后将要素层乘以各自的权重进行叠加,便得到了永德县地质灾害易发性的评价结果(图2)。最后将结果图层采用自然间断点法进行分级,易发性越高的地区分值越大,越低的地区分值越小。此类方法较为便捷且易于操作,所采用的数据能够很有效的获取到,评价结果具有较强的科学性和客观性。公式如下:

式中:P_i表示永德县地质灾害易发性的评价值; X_i表示各指标层的权重; Y_i表示指标层的评价指标因子; n为因子项数。

图2 永德县地质灾害易发性综合评价结果

根据永德县地质灾害易发性评价结果得知,永德县地质灾害总体呈现为中易发状态,主要分布于小勐统镇、永康镇、崇岗乡、大雪山乡、德党镇、亚练乡,其面积分别依次为283.646 7 km²,214.180 2 km²,169.633 8 km²,143.562 6 km²,116.430 3 km²,109.836 9 km²; 高易发区域主要分布在永德县的德党镇、永康镇、崇岗乡和勐板乡,其面积分别依次为224.364 6 km²,147.410 1 km²,111.262 5 km²,101.711 7 km²; 其主要原因为这些乡镇近年来经济发展迅速,大量建设项目新建以及人口快速增长对于耕地的需求不断增加,大量的开垦荒地致使水土流失,进而引发大量地质灾害。其余各乡镇地质灾害易发性区域面积见图3。

高易发区域内主要出露泥岩、砂岩、板岩等质地较为松软、节理裂隙较为发育的岩类,其在遭受到流水侵蚀、风力剥蚀以及地质构造运动的作用影响下,结构破碎,易于风化,为地质灾害的发育提供了物质来源。此外,伴随着城镇化建设步伐的不断加快,大量的交通、水利等基础建设项目不断新增,矿产资源的需求量以及开发力度不断加大,人类工程活动形式渐趋多样、规模逐渐扩大等多方面的因素,在可以预见的较长时间内,永德县县境内滑坡、泥石流等地质灾害的活动水平将保持持续上升的态势。因此相关职能部门在今后的地质灾害防治工作中应将重心放在预防上,在各类工程建设项目的审批环节就应当考虑其对于自然生态环境的影响,权衡利弊,辅以治理,减少灾害发生几率。

在地质灾害易发性与危险性评价工作的精度验证中,经常采用成功率曲线和受试者工作特征曲线来进行检验。成功率曲线对于检验评价模型对于样本的贴合程度较为适用,当高易发区域中的评价样本占比较高时,说明评价精度较好; ROC曲线则对于检验评价模型和正、负评价样本的预测能力和可分性较为适用^[20-22]。在研究区域内分别随机选取140处地质灾害点与非灾害点,分别单独采用成功率曲线和受试者工作特征曲线对永德县地质灾害易发性评价结果进行检验。成功率曲线检验结果的AUC值为0.79,ROC曲线的AUC值为0.87(图4),一般当AUC>0.5时,其AUC值越接近1说明评价结果精度越高,当AUC值介于0.7～0.9时,说明结果较为准确。上述检验结果表明,采用层次分析法对永德县进行的地质灾害易发性评价不仅具有方法简便易操作、评价指标因子数据能够较为简单的获取等优点,而且评价结果精度较高,方法可行。

图3 永德县各乡镇地质灾害易发性区域面积统计

图4 评价结果精度检验曲线