引言

地震地质灾害是指地震发生时因地面强烈震动引起的地质灾害，通常包括滑坡、崩塌、泥石流，地基土液化和软土震陷等（王谦等，2022；陈博等，2022）。强烈地震会造成严重的地震地质灾害，严重影响震后应急救援，严重威胁到人民的生命财产安全。陈博等（2022）对2008年四川汶川M_W7.9地震、2010年青海玉树M_W6.9地震、2013年四川芦山M_W6.7地震、2017年四川九寨沟M_W6.5地震和2022年四川泸定M_W6.6地震诱发的滑坡等地质灾害造成的人员伤亡和房屋受损情况进行了总结，震后现场调查表明地震地质灾害逐渐成为决定人员伤亡和经济损失的控制性因素，严重破坏社会经济的发展。

鉴于地震地质灾害危险性评价对国土空间规划、防灾减灾以及震后救援等工作的支撑作用，众多学者对其进行了研究。黄润秋（2017）、王兰民等（2013）以及Lai等（2021）针对地震地质灾害的破坏模式、影响因子以及致灾特征进行了研究。王涛（2010）以汶川M_S8.0地震重灾区的11县市为研究对象，对地质灾害的空间分布规律进行了研究，探讨和建立了主要考虑滑坡、崩塌和碎屑流等地质灾害危险性的方法和指标体系。郝连成（2013）通过对汶川“5.12”地震的现场灾害调查研究，针对山区城镇的地震地质灾害进行了归纳，并建立一套与之相适应的风险评价指标体系，并且构建了Fuzzy-AHP（模糊判别-层次分析）综合评判模型。冯新科（2014）基于GIS和SPSS技术，以云南省彝良县为研究，研究了地形地貌等因子与地震地质灾害的空间相关性，并给出了彝良县地震地质灾害的划分等级。李程程（2016）对液化影响的主要因素进行了分析，并且考虑到钻孔资料不易获取，提出了一套所需参数易于获取的区域液化风险评估模型，能够对大尺度区域液化可能性进行评估。上述成果主要集中于对某单一地震地质灾害类型或者崩塌、滑坡和泥石流等相关性比较强的地震地质灾害类型的危险性区划研究，考虑崩塌、滑坡、泥石流、地基土液化和软土震陷等地震地质灾害危险性的区域综合评价方法研究程度仍然偏低，尚不能对某个区域的地震地质灾害危险性进行综合评价，对国土空间规划、防灾减灾和震后救援等方面的支撑作用还有待进一步提高。

鉴于此，本文在对崩塌、滑坡、泥石流、地基土液化和软土震陷等地震地质灾害的影响因素综合判断的基础上，利用层次分析法，构建了一套方便适用的地震地质灾害危险性综合评价指标体系，利用GIS强大的空间数据分析能力，建立了一种大尺度地震地质危险性综合评价方法。以四川省平武县为例，利用已有基础资料，给出了平武县地震地质灾害危险性综合评价分级图。本文给出的大尺度地震地质危险性综合评价方法能够更有效的为国土空间规划、防灾减灾和震后救援提供技术支持。

1.   方法与数据

1.1   方法

区域地震地质灾害危险性评价方法较多，牛全福（2011）对其进行了系统完整的论述。地震地质灾害危险性评价的定量方法通常归纳为2种，一种是基于物理确定模型和工程地质的方法，建立在灾害发生的物理机制基础上，需要收集工程地质、水文地质等方面的大量数据，比较适用于特定地震地质灾害危险性的评价，在大尺度区域地震地质灾害评价上难以实现。另一种方法基于统计分析理论，通过历史地震地质灾害影响因素的特征分析来预测未来地震地质灾害的趋势，不需要收集大量的地震地质物理特性方面的数据，此种方法在区域地震地质危险性评价方面有明显的优势。

刘晓（2022）归纳了常用的地质灾害危险性评价定量分析方法，主要有层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）、模糊综合评判法、逻辑回归法、确定系数法和信息法等。其中层次分析法具有便捷性和实用性，并且能够有效解决复杂性问题，在地震地质灾害危险性评价中得到了广泛应用。

AHP由美国运筹学家Saaty（1980）提出，是一种多目标、定性与定量相结合、不同信息权重相融合的决策评价方法，对于处理难于完全用定量方法来解决的复杂系统和多因素、多层次、多目标的复杂系统具有明显优势。本文层次分析法主要步骤如下：地震地质灾害危险性综合评价作为目标层，并将其分解为准则层和因子层，采用九分制标准（表1）确定各因素与目标层相关的重要性，进而构建判断矩阵；计算矩阵的主特征值和对应的归一化特征值，确定各因素的权重值；计算结果的一致性检验，若一致性比率R_C<0.1，则认为构建的判断矩阵合理，否则就需要调整判断矩阵，直至R_C<0.1。

表 1  判断矩阵1-9标度及含义

Table 1.  Scale and definition of of judge matrix

标度	含义
1	2个因素相比，具有相同的重要性
3	2个因素相比，前一个因素比后一个因素稍微重要
5	2个因素相比，前一个因素比后一个因素明显重要
7	2个因素相比，前一个因素比后一个因素强烈重要
9	2个因素相比，前一个因素比后一个因素极端重要
2, 4, 6, 8	上述相邻判断的中值
倒数	因素B1与B2相比得B12，则B2/B1判断为B21=1/B12

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判断矩阵的最大特征值计算如下：

判断矩阵的一致性检验指标如下：

R_C可通过式（3）计算求得：

式中，λ_max为判断矩阵特征值最大值；A为判断矩阵；W为权重矩阵；n为判断矩阵的阶数；（AW）_i表示AW的第i个要素；I_C为判断矩阵的一致检验性指标；R_C代表随机一致性比率；I_R是随机一致性指标。

1.2   评价指标体系

地震地质灾害的发生机理比较复杂，通常是多个影响因素共同作用导致的结果，而且不同区域起主导作用的影响因素也不同，科学合理的建立评价指标体系是能够客观评价地震地质灾害危险性的前提。在建立指标体系时，尽量遵循全面性原则、系统性原则、层次性原则、简明和可操作性原则以及规范性原则（向喜琼，2005）。

本文地震地质灾害危险性综合评价主要包括崩塌、滑坡、泥石流、地基土液化和软土震陷，考虑到这5种灾害的类型及主要因素，将灾害类型分为2组：崩塌、滑坡和泥石流为一组；地基土液化和软土震陷为一组。建立指标体系时主要考虑这2组灾害类型的影响因素。崩塌、滑坡和泥石流的主要影响因素为地形地貌、河流、地质环境以及地震动作用等，在综合研究文献的基础上（王涛，2010；豆敬翔，2012；郝连成，2013；冯新科，2014），本文将崩塌、滑坡和泥石流的评价指标归纳为坡度、距河流距离、距断层距离、工程岩组和地震烈度5个指标。基于李程程（2016）和Lai等（2021）的研究结果，同时考虑到指标的易获取性，本文将地基土液化评价指标归纳为V_S30、距河流的距离、地形指数CTI和地震烈度，其中V_S30为地表以下30 m深度范围内的等效剪切波速，地形指数CTI通常被称为湿度指数，主要用来代表土体的饱和度参数。软土震陷目前研究程度相对不成熟，依据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》、GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和JGJ 83—2011《软土地区岩土工程勘察规程》的相关规定，软土震陷主要和剪切波速、含水量以及地震烈度有关，考虑到与液化灾害指数的协调匹配问题，本文将软土震陷评价指标取为V_S30、到河流的距离和地震烈度。综上所述，本文建立的地震地质灾害危险性综合评价指标体系如图1所示。

图 1  地震地质灾害危险性综合评价指标体系

Figure 1.  Comprehensive evaluation index system of earthquake-induced geological hazard

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1.3   数据来源

本文使用的数据包括：地震烈度数据，来源于GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》 ¹；DEM数据（30 m×30 m分辨率）数据，来源于美国地质勘探局 ²，并在此基础上生成坡度数据；地质资料数据，1:50万地质图，来源于全国地质资料馆 ³，用于提取地层岩性；断层数据，1:50万活动断层分布图，来源于地震活动断层探察数据中心 ⁴，用于确定断层的位置和活动性质；地形指数CTI数据，分辨率1 km，来源于美国地质勘探局 ⁵的地球资料观测系统数据中心与联合国环境计划——全球资源信息中心联合制作的HYDRO 1K DEM数据；其他数据包括行政区划和水系分布等基础资料主要来源于国家基础地理信息中心的全国地理信息资源目录服务系统 ⁶。

2.   本文方法在平武县的应用

平武县地处四川盆地西北部，境内分布有北川-映秀断裂、虎牙断裂等全新世活动断裂以及雪山梁子断裂、茶坝-林庵寺断裂等早中更新世断裂，为典型的山地地貌，境内最大河流为涪江，流长157 km。本节基于AHP方法，给出了平武县地震地质危险性综合评价分级。

2.1   平武县地震地质灾害危险性评价指标分级

单个评价指标本身取值有一定范围，其所处状态不同，造成其对评价结果的差异。评价指标分级处理就是对每个评价指标寻求一个合理的状态空间划分。本文基于平武县地质环境及构造背景，结合文献（豆敬翔，2012；郝连成，2013；李程程，2016）中对平武县不同指标分级的处理，给出平武县地震地质灾害危险性指标分级，如表2所示。

表 2  平武县地震地质灾害危险性综合评价指标分级表

Table 2.  Classified table of comprehensive evaluation index on earthquake-induced geological hazard of Pinwu county

因子	危险性评价指标分级表
	低危险性（1）	中危险性（2）	中高危险性（3）	高危险性（4）
坡度	<8°	8°～20°	20°～45°	>45°
到河流距离/m	>3000	2000～3000	1000～2000	<1000
地震烈度	≤Ⅴ	Ⅵ	Ⅶ	≥Ⅷ
到断裂距离/m	>2000	1000～2000	500～1000	<500
工程岩组	坚硬岩	较坚硬岩	较软岩	软弱岩
VS30/(m·s−1)	>760	360～760	180～360	<180
地形指数CTI/mm	<800	800～1000	1200～1400	>1400

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2.2   评价指标危险性分级

本文利用ArcGIS作为处理工具进行平武县地震地质灾害危险性综合分级，首先需要利用ArcGIS得到单个评价指标危险性分级图层，然后确定评价指标权重，利用ArcGIS工具箱中的叠加分析功能得到地震地质灾害危险性综合评价分级图。坡度危险性分级主要基于DEM数据，利用ArcGIS提取坡度，得到坡度危险性分级。地震烈度危险性分级基于GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》确定。河流和断裂危险性分级利用ArcGIS分别根据距河流和断裂的距离进行缓冲处理得到。工程岩组是基于1:50万地质图进行数据提取整合分析得到。V_S30危险性分级利用Wald等（2007）给出的坡度与V_S30之间的对应关系得到。地形指数CTI危险性分级来自美国 USGS 的 EROS Data Center 地球资料观测系统数据中心与联合国环境计划——全球资源信息中心联合制作的HYDRO 1K DEM数据。各个评价指标风险性分级图如图2所示。

图 2  单指标危险性分级图

Figure 2.  Classified hazard zonatoion map of single index

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2.3   递阶层次结构模型的建立

基于平武县地震地质灾害指标评价体系，考虑到评价体系中各因子和各层次的逻辑关系，将平武县地震地质灾害危险性综合评价设为目标层，将崩塌、滑坡、泥石流以及液化和软土震陷设为准则层，将表1中的7个因子设为因子层，评价指标递阶层次结构如图3所示。考虑到距河流距离和地震烈度对准则层B₁、B₂的权重有所不同，因此在因子层有所重复。

图 3  评价指标递阶层次结构图

Figure 3.  Hierarchical structure chart of evalution index

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2.4   构造判断矩阵及权重确定

评价指标体系中某一层各元素对上一层某元素影响的重要性不同，将本层各元素的重要性用数值表示，并形成判断矩阵。如图3所示，准则层B₁下有5个因素$ \left\{{C}_{1},{C}_{2},{C}_{3},{C}_{4},{C}_{5}\right\} $，每次取2个因素C_i和C_j进行比较，矩阵元素C_ij表示对准则层B₁的重要程度之比，对因子层的2个因素C_i和C_j的重要性进行比较，判断矩阵如式3所示，本文采用了T.L.Saaty教授推荐的1～9标度值来描述各因素之间的重要性（许树柏，1988）。

在查阅平武县地震地质历史灾害的基础上，考虑到平武主要是崩塌、滑坡、泥石流灾害较多，尤其以崩塌、滑坡为重，地基土液化和软土震陷较少，且崩塌、滑坡在高烈度区沿断层发育充分，因此在判断矩阵赋值时重点考虑崩塌、滑坡、泥石流以及断层、地震烈度等因子的影响。考虑平武县地震地质灾害实际现状的基础上，结合专家经验，对判断矩阵进行赋值，得到目标层A对准则层B₁和B₂的判断矩阵为：

准则层B对因子层C的判断矩阵为：

通过对判断矩阵A、B₁、B₂权重向量和特征根的计算，得到3个判断矩阵的随机一致性比率分别为0、0、0.0038，均满足小于0.1的要求，证明判断矩阵一致性良好，得到的权重向量合理，结果如表3所示。

表 3  综合评价指标权重分配

Table 3.  Weight Distribution of comprehensive evaluation index

目标	准则	权重	因子	权重	组合权重
平武县地震地质灾害 危险性综合评价	崩塌 滑坡 泥石流	0.8750	坡度	0.1600	0.1400
			到河流距离	0.0400	0.0350
			到断层距离	0.3200	0.2800
			工程岩组	0.1600	0.1400
			地震烈度	0.3200	0.2800
	液化 软土震陷	0.1250	到河流距离	0.2668	0.0333
			VS30	0.1540	0.0193
			地形指数CTI	0.0827	0.0103
			地震烈度	0.4965	0.0621
注：权重为评价因子相对于上一级准则指标的权重分配；组合权重为评价因子相对于目标层的权重分配。

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2.5   平武县地震地质灾害危险性综合评价结果与分析

基于单个指标的危险性分级结果，以及单个指标对危险性程度的贡献权重，利用ArcGIS不同图层的加权计算功能，得到危险性综合评价结果，然后根据叠加结果采用固定区间法进行重分类，得到平武县地震地质灾害危险性综合评价分级（图4）。由图4可知，平武县内大部分范围为中危险区，约73.6%；其次为低风险区，约18.8%；中高危险区和高危险区分别约为6.7%和0.9%。此外，中高危险区和高危险区的分布与断层分布有较强的相关性，主要原因为平武县以山地地貌为主，灾害以沿断层线发育的崩塌、滑坡和泥石流为主，砂土液化和软土震陷灾害较少发育，这一点也与表2中各指标所占权重的大小相对应。由于基础数据精度及指标选取和权重等多方面的不确定性，本文给出的平武县地震地质灾害危险性综合评价分级图仅供国土规划和震后救援等参考使用。

图 4  地震地质灾害危险性综合评价分级图

Figure 4.  Classified comprehensive earthquake-induced hazard zonatoion map

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3.   讨论

地震地质灾害危险性综合评价是一项非常复杂且有一定主观性的系统工程，涉及灾害类型广、指标体系构建复杂，如何能在已有且容易获取的地震地质基础数据基础上，对区域地震地质灾害危险性给出科学客观的评价是一项非常有挑战性的工作。目前还存在较多问题亟待解决：

（1）基础数据精度。地震地质灾害涉及多个部门、多个行业基础资料，各部门各行业对基础资料的投入差别较大，导致基础资料的精度差异较大，协调各部门各行业基础资料也是一项难度较大的工作。

（2）评价因子选取。不同专家对不同地区地震地质灾害危险性评价的影响因素有一定的主观性，评价因子不同，导致最终评价结果也会不同。

（3）单因子指标危险性分级的确定。单因子指标危险性分级目前还没有统一的标准，单因子指标取值范围与危险性分级尚无明确的对应关系。

（4）不同指标权重确定。指标组合权重的确定往往在以往灾害数据统计分析的基础上叠加专家主观认识综合确定，存在一定的不确定性。因此，针对地震地质灾害危险性综合评价，还需要众多学者开展进一步深入研究，力争对区域地震地质灾害危险性评价进行客观科学合理的评价。

4.   结论

本文基于层次分析法，构建了地震地质灾害危险性综合评价指标体系，能够综合考虑崩塌、滑坡、泥石流、地基土液化和软土震陷等主要地震地质灾害，并能给出区域大尺度危险性分级图。以平武县为例，基于已有资料，在给出单因子危险性分级的基础上，利用ArcGIS空间数据分析叠加功能，给出了平武县地震地质灾害危险性综合评价分级结果。值得注意的是，该方法涉及到的评价指标选取、单项指标不同危险性所对应的取值范围、不同单项指标基础资料之间的精度匹配以及评价指标分级的划分依据等环节，还存在较多的不确定性，需要不断提高基础资料精度，并结合专家经验，使得危险性分级结果更加科学合理，为区域规划和震后应急救援提供支撑。