目前，我国内陆地质灾害调查工作已基本完成，地质灾害理论体系较为成熟^[1-8]，海岸带地质灾害研究也取得了长足进步^[9-12]。但海岛的地质灾害研究较少，仅在福建、海南等少数南方岛屿进行了初步探究^[13-14]，缺乏对北方海岛，特别是典型有居民海岛的地质灾害研究。鉴于此，本文基于三年的地质灾害调查与监测研究，利用海岛地质灾害风险评价指标体系^[15]，分析了长兴岛的孕灾条件、致灾因子、承灾条件，采用模糊数学法对长兴岛地质灾害风险进行综合评价，得出长兴岛地质灾害的风险等级和分布范围，在此基础上提出了相应的防灾减灾建议，旨在为海岛地质灾害评估指标体系与方法模型提供理论支撑，为海岛防灾减灾提供预警理论方法体系。

1   材料与方法

1.1   研究区概况

长兴岛位于渤海南部，辽东半岛西南、瓦房店市西部，地处复州湾与葫芦山湾之间海域(图 1)，距陆地最近点距离0.23 km。长兴岛属于人工陆连岛，面积219.11 km²，海岛呈近NE-SW走向，长约28.57 km，宽约11.52 km，海岛岸线长100.14 m，主要有基岩海岸、砂质海岸和人工海岸三种类型。长兴岛海域常风向夏季以SE向风，其他季节以N向风为主，强风向以N向和ENE向为主。潮汐类型为不正规半日潮，平均潮差1.38 m。潮流类型为正规半日潮流。波浪以风浪为主，年平均波高小于1.0 m。长兴岛是长江以北第一大岛，中国第五大岛，集自然、海洋、港口、旅游等资源为一身，2010经国务院批准成立为大连长兴岛临港工业区，长兴岛随之步入了快速开发的阶段。大规模的海岛开发活动极易诱发海岛地质灾害，给长兴岛地方经济建设带来极大的安全隐患。

1.2   数据来源与处理

长兴岛地质灾害数据主要来源于2012~2014年“我国典型海岛地质灾害监测及预警示范研究”的调查与监测数据，此外还收集了《辽宁省海岛志》、《中国海湾志》的部分数据和2011年长兴岛遥感影像解译数据。2011年开展了地质灾害普查，现场踏勘点(线)7个；2012年9、10、12月，2013年9、10月，2014年5月开展了海水入侵调查，每次调查井水样品18个，共获取样品108个；2012、2013年8月、2013年12月、2014年6月开展了海岸侵蚀调查，调查岸线4处，布设断面16条。站位布设情况见图 1。数据的分析处理采用了ARCGIS10.2、EXCEL等软件。

图  1  长兴岛地理位置

Fig.  1  Location of Changxing island

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本次综合评价采用“海岛地质灾害评价软件GeoHazard_10.2”，该软件由国家海洋局第一海洋研究所研发，已在近海海底稳定区划等研究上得到应用。该软件以灾害地质因素为评价因子，应用GIS技术，采用诸如模糊综合评价、灰色聚类综合评价等模型对研究区的分区定量评价。利用评价结果，确定研究区基于网格的灾害地质风险级别，并对评价结果进行可视化展示。

1.3   评价方法体系

1.3.1   灾害地质风险评价指标选取及分级

长兴岛地质灾害风险评价指标体系参阅杜军^[15]构建的海岛地质灾害风险评价指标体系，根据长兴岛的特征，最终选取孕灾类、致灾体、承灾体三大类指标对长兴岛地质灾害进行评价。孕灾类指标分为两类，一是动力条件引起的，主要包括构造、风况、降雨强度、风暴潮强度；一是海岛本底条件引起的，包括岩性、地貌类型两类。致灾性指标主要由海岛的致灾因子组成。承灾体指标主要是人类对海岛的影响，包括人口分布、土地利用。

根据长兴岛的实际情况采用三值逻辑分类体系，将长兴岛灾害地质风险划分为三级，即高、中、低。指标体系和分级标准见表 1。

表  1  我国海岛灾害地质风险评价指标体系及其分级^[15]

Tab.  1  The islands risk assessment index system and grade of geological hazard

级别	孕灾类指标						致灾体指标	承灾体指标
	动力条件				本底条件
	构造(地震强度)	风况(极端大风)	降雨强度(年降水量)	风暴潮强度(增减水)	岩性	地貌类型	致灾因子	人口分布(密度)	土地利用
1级低风险	5级及以下	50 d下	1000 mm以上	3次以下	基岩岛	台地	陡坎、陡崖、冲刷槽、冲沟、古河道、沙漠化、起伏基岩面、砾石滩	低	其他用地
2级中风险	6~7级	50 d~100 d	1000~2000 mm以上	3~10次	冲积岛	平原、海底平原、水下三角洲	珊瑚礁、港湾淤积、海水入侵、湿地退化、水土流失、软弱层、不良地层	中	工矿用地、林地、水田、旱地、养殖池
3级高风险	7级以上	100 d以上	2000 mm以上	10次以上	生物碎屑岛	潮滩、沙堤、水下岸坡、丘陵	沙脊、地面沉降、海岸侵蚀、断层、砂层液化、崩塌、滑坡、火山	高	居民地、港口

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1.3.2   灾害地质风险评价模型建立

地质环境是一个多因素耦合的复杂动态系统，当此系统的复杂性日益增长时，对系统特性作出精确而有意义的描述能力将相应降低^[16]。因海岛生态系统自身的特殊性，使海岛地质灾害评价需要研究的变量关系增多，既包括确定可循的变化规律，又有不确定的随机变化规律，有时需要用精确的语言来表述，有时则需要用模糊的语言来表述。在海岛地质灾害风险评价过程中，被评价的对象、评价方法甚至评价主体及其掌握的评价标准都具有不确定性，模糊数学方法可对某一事物的评价涉及到多个因素、多个级别，根据诸多因素作出综合评判，为解决海岛地质灾害风险评价中确定和不确定、精确与模糊之间的沟通建立了良好方法。

本模型遵循模糊数学评价原理，根据上述9类评价指标，给出我国海岛灾害地质风险模糊综合评价因集：

式中：u₁为地震区划类指标；u₂为风动型灾害地质类型指标；u₃为降雨型灾害地质类型指标；u₄为风暴潮型灾害地质类型指标；u₅为灾害地质单体类型评价指标；u₆为地貌区划指标；u₇为海岛岩性指标；u₈为人口分布指标；u₉为土地利用指标。给出海岛灾害地质风险等级集：

式中：v₁表示风险低；v₂表示风险中等；v₃表示风险高。

根据长兴岛的实际情况，将模糊集转化为多值逻辑，利用贴近度分析方法，选取一组比较适当的，具有正态分布特点的数值“0.0，0.2，0.5，0.8，1.0，0.8，0.5，0.2，0.0”以代替隶属度函数，即用一组满足模糊条件的数值，来表示各种评价因子对灾害地质风险的影响程度，这样就可以把海岛范围内各个评价因子对风险的影响程度变为隶属度值。同时，为了便于计算，各评价因子相应的隶属程度应基本相等。

根据前面的评价指标分级体系，确立了长兴岛各个评价因子对风险等级的隶属程度(表 2)，建立了灾害地质风险评价模型流程图(图 2)。

表  2  长兴岛评价因子风险等级隶属程度指数

Tab.  2  The membership degree index of risk grade in evaluating geological hazard at Changxing island

风险等级	评价指标
	构造	地貌	风况	降雨强度	风暴潮	岩性	致灾因子	人口分布	土地利用
低v1	1级	1级	1级	1级	1级	1级	1级	1级	1级
	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2	0.2
中v2	2级	2级	2级	2级	2级	2级	2级	2级	2级
	0.55	0.55	0.55	0.55	0.55	0.55	0.55	0.55	0.55
高v3	3级	3级	3级	3级	3级	3级	3级	3级	3级
	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8	0.8

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图  2  长兴岛灾害地质风险评价模型流程

Fig.  2  The flow chart of geological hazard risk assessment model of Changxing island

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1.3.3   评价指标权值确定

采用专家判定各指标相对重要性，再通过表 1利用层次分析决策过程，构造权值判别表。根据模糊矩阵原理，求出上述判断矩阵的最大特征根及它所对应的特征向量，就可以以此特征向量作为各评价指标的加权值。本文在计算判断矩阵的最大特征根和特征向量时，采用近似的求积法求其最大特征值，并进行一致性和随机性检验，最终求得本次评价的权值(表 3)。

表  3  长兴岛灾害地质评价各指标权重值

Tab.  3  The weight of geological hazard risk assessment index of Changxing island

评价指标	构造	风况	降雨强度	风暴潮	岩性	地貌类型	致灾因子	人口分布	土地利用
权重值	0.1615	0.0221	0.0196	0.042	0.028	0.0731	0.2858	0.1889	0.179

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2   结果与讨论

2.1   长兴岛地质灾害孕灾因子分析

长兴岛处于7级地震区划，属于2级(中风险)；一年有极端风速天数48.1 d，属于1级(低风险)；年平均降雨量642.7 mm，属于1级(低风险)；年均风暴潮频次1次，属于1级(低风险)；长兴岛为基岩岛，属1级(低风险)。

表  4  长兴岛孕灾类指标数据分析结果

Tab.  4  The hazard index analysis result of Changxing island

指标	孕灾类指标
	动力条件				本底条件
	构造(地震强度)	风况(极端风速天数)	降雨强度(年降水量)	风暴潮强度	岩性
长兴岛	地震7级	48.1 d	642.7 mm	1次	基岩
级别	2级(中风险)	1级(低风险)	1级(低风险)	1级(低风险)	1级(低风险)

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长兴岛发育的地貌类型多种多样，主要以丘陵、台地、洪积平原、海积平原、泻湖平原、沙滩等类型为主。根据指标体系长兴岛潮滩、沙堤、水下岸坡、丘陵等属于3级(高风险)；平原、海底平原属于2级(中风险)；台地为1级(低风险)。长兴岛东部偏中、西部为丘陵区，属于3级(高风险区)；北部、西南、东北部为冲积平原、海积平原区，属于2级(中风险区)；其它区域为台地，属于1级(低风险区)。数据分析结果见表 5，分布情况见图 3。

表  5  长兴岛地貌类型数据分析结果

Tab.  5  The analysis result of landforms at Changxing island

指标	本底条件
	地貌类型
长兴岛	丘陵	平原	台地
	东部偏中、西部	北部、西南、东北	其它区域
级别	3级(高风险)	2级(中风险)	1级(低风险)

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图  3  长兴岛地貌类型

Fig.  3  Landforms of Changxing island

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2.2   长兴岛地质灾害致灾因子分析结果

长兴岛受到海水入侵、海岸侵蚀、崩塌等致灾因子的影响，灾害易发点15处，潜在的崩塌灾害共分布8处，发育长度约3 km。根据指标体系，具体数据分析结果见表 6，分布情况见图 4。结果表明：在海岛西南部、东北部、西北部沿岸东南部有多处陡崖，属于1级(低风险)；南部沿海区域受到海水入侵影响较为严重，属于2级(中风险)；在西北部小礁屯及高尔夫球场沿海地区受到海岸侵蚀的影响较为严重，在西南角、东北角、中部多处地区发生崩塌现象，东部、西部偏中区域沿W-E方向发育多条断层，属于3级(高风险)。

表  6  长兴岛致灾因子指标数据分析结果

Tab.  6  The analysis result of hazard index at Changxing island

指标	致灾因子指标
长兴岛	陡崖、砾石滩、其他无致灾因子的地区	海水入侵	海岸侵蚀	崩塌	断层
	西南部、东北部西北部沿岸	南部沿海区域	西北部小礁屯及高尔夫球场沿海地区	西南角、东北角、中部多处地区	东部、西部偏中区域沿W-E方向
级别	1级(低风险)	2级(中风险)	3级(高风险)

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图  4  长兴岛致灾因子

Fig.  4  Hazard factors of Changxing island

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2.3   长兴岛地质灾害承载体分析

长兴岛土地利用类型多样，集中在耕地、林地、草地、住宅用地等方面。根据指标体系，长兴岛区域居民地、港口属于3级(高风险)，主要集中在中部沿N-E方向，呈条带状分布；其它用地属于1级(低风险)，主要分布在中部、中部偏东、中部偏西的小范围区域及东北角区域；工矿用地、林地、水田、旱地、养殖池属于2级(中风险)，分布较广，覆盖其它区域。人口密度高风险区主要分布在海岛中部，多为住宅区附近，呈带状分布；低风险区位于海岛西部和东部的丘陵地带；其它地区为中风险区。承载类指标数据分析结果见表 7，分布情况见图 5。

表  7  长兴岛承载体分析结果

Tab.  7  The hazard bearing body index analysis result of Changxing island

指标	承载体指标
	土地类型			人口分布(密度)
长兴岛	其他用地	工矿用地、林地、水田、旱地、养殖池	居民地、港口	低	中	高
	中部、中部偏东、中部偏西的小范围区域及东北角区域	其它区域	中部沿N-E方向	海岛西部和东部的丘陵地带	其他区域	海岛中部住宅区
级别	1级(低风险)	2级(中风险)	3级(高风险)	1级(低风险)	2级(中风险)	3级(高风险)

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图  5  长兴岛土地类型

Fig.  5  Land types of Changxing island

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2.4   长兴岛地质灾害综合评估结果分析

长兴岛的高风险区占9.95%，分为3个区域，主要分布在长兴岛中部(杨树房村、沙包村)、北部(东升村)和岛东部沿岸区域(北海村、何屯村、海上村、老爷庙村、西坡村)，这些区域多为人口密集区，主要致灾因子是崩塌、海岸侵蚀和断层(图 6)。长兴岛的中风险区占了14.00%，主要分布在长兴岛西部(花椒房村)、东部区域(张屯村、三道咀村)。西部呈倒“V”字分布，东部呈树叉型带状分布，这些区域为低和中等人口密度区，主要致灾因子是海水入侵、崩塌和断层。低风险区占长兴岛的76.05%，主要分布于长兴岛中部、北部和西南部，这些区域人口密度较低，且致灾因子较少，主要为陡崖。

图  6  长兴岛灾害地质风险评价结果

Fig.  6  Result of geological hazard risk assessment of Changxing island

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3   结论与建议

通过长兴岛的孕灾条件、致灾因子、承灾条件的分析，采用模糊数学法对长兴岛地质灾害风险进行综合评价，得出长兴岛地质灾害的风险等级和分布范围，评价结果较为理想。海水入侵、崩塌、断层、海岸侵蚀等地质灾害是长兴岛主要的地质灾害致灾因子。长兴岛的高风险区占9.95%，中风险区占14.00%，低风险区为76.05%。灾害地质风险分布有明显的差异：高风险、中风险区分布较集中，主要分布在长兴岛中部和东部区域，这些区域灾害地质发育典型，人口密集，是长兴岛今后地质防治与防范的重点区域。

目前，长兴岛正处于大规模建设用岛阶段，地质灾害对岛上的开发建设工程、岛上居民的生产与生活等带来极大的安全隐患，是目前海岛管理所面临的主要问题之一。针对目前的海岛地质灾害现状，提出以下几点建议：(1) 加强长兴岛地质灾害的综合管理，在现有评价的基础上，尽快编制长兴岛地质灾害防治区划；(2) 建设长兴岛地质灾害防御体系，加强海岛地质灾害易发区的监视监测与巡查。提高监测技术，可以无人值守自动监测为主，辅以当地居民和专业队伍的周期地面监测、无人机监测和极端气候环境条件全过程的监视监测，构建地面监测网，对岛上滑坡、崩塌等单体突发性地质灾害以及海水入侵等地质灾害进行重点监测；(3) 加强地质灾害的防治与宣传，建设制定相应的地质灾害应急预案，建立灾害预警系统。充分利用广播、电视、互联网、手机短信、电话等各种媒体和手段，及时发布海岛地质灾害预警信息；(4) 积极开展长兴岛地质灾害综合治理与修复工程。如在岛上崩塌和断层区域进行削坡工程，防止滑坡下滑和防止大规模崩塌。