王禹萌，鄒春紅，呂 晗

（1.吉林省地震局，吉林 長(zhǎng)春 130117；2.煙臺(tái)市地震監(jiān)測(cè)中心臺(tái)，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

對(duì)于火山泥石流（Lahar）的概念目前還沒(méi)有明確的書(shū)面定義。1985年P(guān)ierson將火山泥石流描述成含粘性的泥漿、分選不好的礫石、砂、泥和水混合成的火山泥流或碎屑流，認(rèn)為火山泥石流是由火山噴發(fā)所融化的冰雪以及火山湖泊的水夾雜著火山碎屑物質(zhì)所形成的泥石流。有的學(xué)者直接將火山碎屑流或火山泥流稱為火山泥石流［1］?；鹕侥嗍鞯男纬尚枰囟ǖ牡刭|(zhì)地貌條件。崩塌和滑坡的產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)為泥石流的形成提供了大量固體物質(zhì)；河谷低洼地帶的地形條件有利于火山泥石流的形成［2］。根據(jù)長(zhǎng)白山天池火山現(xiàn)狀，本研究認(rèn)為長(zhǎng)白山火山泥石流將主要由天池湖泊水混合松花江大峽谷中的礫石、沙土形成的火山泥流組成。

火山泥石流是最主要的火山次生災(zāi)害，其能量大，破壞力強(qiáng)，能瞬間摧毀和淹沒(méi)所波及區(qū)域的房屋、道路、農(nóng)田等，進(jìn)而給人民的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成巨大損失［3］。Neall于1976年提出了火山泥石流是火山地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，其已經(jīng)給人類社會(huì)造成了巨大的損失。1631年意大利的維蘇威火山發(fā)生一次大噴發(fā)，噴發(fā)后形成泥石流，伴隨地震和海嘯，山坡上很多村莊被毀。1882年印度尼西亞嘉能根火山噴發(fā)，產(chǎn)生高溫氣流及泥石流，死亡人數(shù)約4000人。1980年華盛頓州的圣海倫斯火山整個(gè)北坡滑落，引起巨大的爆炸，熱浪融化了冰川，噴發(fā)出的物質(zhì)沉積在河谷，開(kāi)始順流而下形成濃厚熾熱的泥石流。1991年皮納圖博火山的爆炸式大噴發(fā)是20世紀(jì)世界上最大的火山噴發(fā)之一，噴出了大量火山灰和火山碎屑流。到20世紀(jì)末，已經(jīng)有超過(guò)30000人在火山泥石流中喪生。21世紀(jì)以來(lái)，火山泥石流的危害仍在繼續(xù)。新西蘭北島魯阿佩胡火山于2007年爆發(fā)泥石流，火山泥流沖開(kāi)火山口上的石墻，酸性水夾雜著挾帶著大量木頭和石塊，不斷地沖向火山附近的河流。2010年印度尼西亞默拉皮火山噴發(fā)出火山灰，印尼馬吉冷地區(qū)遭遇火山泥石流破壞，至今被破壞的地區(qū)仍然一片廢墟?；鹕侥嗍魉斐傻钠茐倪h(yuǎn)遠(yuǎn)大于人們的估計(jì)［4］。

長(zhǎng)白山天池火山地處吉林省東部中朝邊陲，是國(guó)內(nèi)最大的近代復(fù)合火山。日本大地震后，其境內(nèi)的13座火山活動(dòng)加劇，與日本處于同一個(gè)火山－地震帶上的火山近幾年也有活動(dòng)跡象，所以對(duì)長(zhǎng)白山天池火山泥石流的研究是十分必要的。此外，長(zhǎng)白山火山地區(qū)是我國(guó)著名的旅游景點(diǎn)，如果發(fā)生火山泥石流災(zāi)害，將給當(dāng)?shù)鼐用窈蛧?guó)內(nèi)外游客的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重危害，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)建設(shè)帶來(lái)巨大損失?；鹕侥嗍鞯男纬?、發(fā)展、堆積是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，影響這個(gè)過(guò)程的因素很多，清楚各個(gè)因素之間的關(guān)系以及各因子的重要性，即各因子在該過(guò)程中的權(quán)重，對(duì)認(rèn)知火山泥石流有重要意義。因此本文根據(jù)長(zhǎng)白山天池火山地質(zhì)、地貌特征以及植被分布規(guī)律選取了固體物源、地層巖性、山坡坡度、節(jié)理密度、植被覆蓋六項(xiàng)因子進(jìn)行權(quán)重分析，對(duì)減輕可能發(fā)生的長(zhǎng)白山火山次生災(zāi)害有著重要意義。

1 研究區(qū)概況

長(zhǎng)白山位于吉林省東南部，與朝鮮接壤的邊陲地區(qū)，是目前我國(guó)境內(nèi)保存最為完整的新生代多成因復(fù)合火山。全新世四次噴發(fā)分別為距今約5000年、4000年、800年和公元1668－1702年，火山噴發(fā)的時(shí)間間隔大約從幾千年縮短到幾百年。

據(jù)調(diào)查，長(zhǎng)白山天池火山區(qū)自二道白河源頭，經(jīng)三河水電站、二道鎮(zhèn)、水田村和維東林場(chǎng)、高麗城子，均可見(jiàn)到火山泥石流痕跡，白山、紅石及豐滿電站，直到吉林市烏拉街以北沿松花江兩岸的一級(jí)階地都有斷續(xù)分布。在橫向北和長(zhǎng)白的鴨綠江兩岸階地也有火山泥石流分布［1］。劉祥指出長(zhǎng)白山火山1000年前大噴發(fā)產(chǎn)生的火山泥流堆積物沿松花江中上游分布。距火山較近的是火山泥流的巖屑流堆積，遠(yuǎn)離火山變?yōu)榛鹕侥嗔鞯某呙芏攘鞫逊e［5］。

長(zhǎng)白山天池破火山口錐體主要由中—晚更新世噴發(fā)的堿性粗面巖質(zhì)熔巖和碎屑巖所組成。在天池破火山口內(nèi)壁、火山口巖及椎體斜坡上，都可以看到更新世以后的噴發(fā)物覆蓋于這些粗面巖之上［6］。沿松花江大峽谷可見(jiàn)眾多倒石堆分布，粒度粗，砂礫石混雜在一起，含大量的巨礫，粒徑1～2.5m，其為火山泥石流的形成提供了大量的固體物質(zhì)。長(zhǎng)白山天池是我國(guó)最為著名的高原火山口湖之一，湖面面積10平方公里，海拔2194米，平均水深204米，總蓄水量達(dá)20.4億m3。一旦火山噴發(fā)，它將為火山泥石流的形成提供大量的水體。由此可見(jiàn)如果長(zhǎng)白山天池火山再次爆發(fā)，將極易形成火山泥石流，并將造成巨大的災(zāi)害損失。

2 分析方法簡(jiǎn)介

1982年波蘭科學(xué)家Z.Pawlak創(chuàng)立一種數(shù)據(jù)分析處理理論，即粗糙集理論。伴隨該理論的發(fā)展受到數(shù)學(xué)界和計(jì)算機(jī)界的重視。1991年，Pawla出版了 《粗糙集—關(guān)于數(shù)據(jù)推理的理論》專著，從此粗糙集理論及其應(yīng)用的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段。粗糙集理論作為一種處理不精確、不一致、不完整等各種不完備的信息有效的工具，得益于它成熟的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和它的易用性。粗糙集理論創(chuàng)建的目的和研究的出發(fā)點(diǎn)就是直接對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推理，從中發(fā)現(xiàn)隱含的知識(shí)，揭示潛在的規(guī)律。與其他數(shù)據(jù)處理方法相比較，粗糙集理論不需要提供問(wèn)題所需處理的數(shù)據(jù)集合之外的任何先驗(yàn)知識(shí)，而且與處理其他不確定性問(wèn)題的理論有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。因此本文采用粗糙集理論對(duì)長(zhǎng)白山火山泥石流影響因子進(jìn)行權(quán)重分析。主要分析過(guò)程如下［6，7］：

（1）不可分辨關(guān)系與基本集

定義非空集合U為論域，M為論域U的一個(gè)等價(jià)關(guān)系，關(guān)系系統(tǒng)Z=（U，M）定義為一個(gè)知識(shí)庫(kù)。如果N□M（N≠φ），則N中所有等價(jià)關(guān)系也是U的等價(jià)關(guān)系，稱為不可分辨關(guān)系，記為IND（N）。

（2）確定粗糙集的上、下近似

論域U上存在不能用知識(shí)庫(kù)Z＝（U，M）來(lái)精確定義的一個(gè)子集S，稱為U對(duì)于Z的不可定義集，需要在知識(shí)庫(kù)中尋求與其相近的集來(lái)近似描述子集S。分別認(rèn)為不可定義集S對(duì)于知識(shí)庫(kù)Z的上近似Zmaxs＝ ｛［x］｜［x］∩S≠φ｝ ＝｛X∈U｜［X］∩S≠φ｝，和S對(duì)于知識(shí)庫(kù)Z的下近似Zmins＝ ｛［x］｜［x］□S｝ ＝ ｛X∈U｜［X］□S｝。其下近似Zmins也D關(guān)于知識(shí)庫(kù)Z的正域，記做POSZ（S）。

（3）確定屬性重要性

屬性依賴度K＝［0，1］表示知識(shí)庫(kù)Z中決策屬性J中的一個(gè)子集j對(duì)條件屬性T中的一個(gè)子集t的依賴程度。 K＝γt（j）＝｜POSt（j）｜／｜U｜表示只是j對(duì)知識(shí)t的依賴程度是K。K＝0時(shí)，稱j完全獨(dú)立于t；K＝1時(shí)，稱j完全依賴于t；0＜K＜1時(shí)，稱j部分依賴于t。

條件屬性子集Ti□T對(duì)決策屬性J的重要性表示為：σJ（Ti）＝γT（J）－γT－Ti（J），其中γT（J）為決策屬性J對(duì)條件屬性T的依賴度；γT－Ti（J）為決策屬性J對(duì)去掉Ti后的條件屬性集（T－Ti）的依賴度。

（4）確定各因子權(quán)重

條件屬性T中的第i個(gè)條件因子的權(quán)重Wi用下式表示：

Wi＝σJ（Ti）／∑σJ（Tk），（k＝1，2，3，4……，n）

3 影響因子的確定

火山構(gòu)造地貌是長(zhǎng)白山火山地區(qū)的典型特點(diǎn)，圍繞天池火山口，由火山錐體、玄武巖高原、玄武巖巖臺(tái)地成環(huán)形分布。按照泥石流的成因分類，長(zhǎng)白山天池火山泥石流屬于共生性泥石流?；鹕?、地震活動(dòng)瞬間可以將天池火山口周圍的巖石山體粉碎，產(chǎn)生大量火山泥石流固體物源，并由瞬間產(chǎn)生的巨大動(dòng)能沖擊到下游。歷史上曾多次噴發(fā)的特殊火山地質(zhì)條件，以及陡峭的山地地形和長(zhǎng)白山特有的植被分布規(guī)律為火山泥石流的發(fā)育提供了天然優(yōu)越的條件。其中，峽谷溝壑的地形條件為火山泥石流的形成提供了較大的海拔落差，重力作用會(huì)賦予其較大的動(dòng)能；更新世噴發(fā)的堿性粗面巖質(zhì)熔巖和碎屑巖是組成火山錐體的主要巖石，其地層巖性屬于較易風(fēng)化型，經(jīng)風(fēng)化剝蝕后可為火山泥石流的形成提供大量的固體物源；長(zhǎng)白山植被發(fā)育在由火山灰形成的土壤之上，植被覆蓋率的差異直接影響到阻擋泥石流的能力強(qiáng)弱。綜上分析，本文選取了地形條件、地層巖性、植被條件、固體物源、節(jié)理密度和危險(xiǎn)程度這6個(gè)對(duì)長(zhǎng)白山天池火山泥石起主要影響的因子進(jìn)行分析。

4 各因子權(quán)重分析

由于對(duì)火山泥石流的研究在國(guó)內(nèi)外都較少，因此本次研究選取收集到的國(guó)外3個(gè)與長(zhǎng)白山天池相似的火山所記錄到的19個(gè)火山泥石流資料來(lái)建立知識(shí)庫(kù)。根據(jù)不同的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)（表1），對(duì)這19組數(shù)據(jù)中的5個(gè)因子進(jìn)行離散，分別按照對(duì)火山泥石流的影響程度賦予1－4分，最終得到歸一化的數(shù)據(jù)模型（表2）。

表1 各因子及結(jié)果分類一致性賦值表

表2 火山泥石流影響因子知識(shí)表達(dá)系統(tǒng)

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)利用粗糙集理論進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程如下：

（1）建立知識(shí)庫(kù)

論域U＝｛1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19｝；

條件屬性集合S＝｛s1，s2，s3，s4，s5｝；計(jì)策屬性集合定義為J。

（2）不可分辨關(guān)系與基本集

（3）確定粗糙集的上、下近似

（4）確定屬性重要性

（5）確定各因子權(quán)重

對(duì)以上因子進(jìn)行歸一化處理，從而得出在論域U中各因子的權(quán)重分別為：

5 結(jié)論

粗糙集理論計(jì)算權(quán)重是通過(guò)對(duì)已有的實(shí)測(cè)樣本中各因子條件的重要性進(jìn)行比較，從而得到權(quán)重值。該方法對(duì)于計(jì)算火山泥石流這樣一種復(fù)雜的過(guò)程中的眾多影響因子的權(quán)重是比較適宜的。根據(jù)權(quán)重計(jì)算，分析的長(zhǎng)白山天池火山泥石流主要影響因素中，地形條件和固體物源的影響最大，權(quán)重達(dá)到了0.296和0.222，其次是植被條件，其權(quán)重為0.185。影響最小的是地層巖性和節(jié)理密度，其權(quán)重均為0.148。地層巖性和節(jié)理密度的權(quán)重最小可能是因?yàn)檫@兩個(gè)因子間存在一定程度的相互制約，稀釋了這兩個(gè)因子的重要性。從分析結(jié)果看，雖然計(jì)算過(guò)程中條件因子較多，所收集到的樣本數(shù)相對(duì)較少，計(jì)算過(guò)程依賴客觀數(shù)據(jù)，導(dǎo)致了客觀因素所占比例較大，降低了其準(zhǔn)確性，但是本次計(jì)算的結(jié)果還是符合實(shí)際對(duì)火山泥石流影響因素的一般認(rèn)識(shí)的。本次研究結(jié)果可以為長(zhǎng)白山地區(qū)火山泥石流的研究提供基礎(chǔ)資料以及定量分析的參考數(shù)據(jù)。

［1］聶保峰，劉永順，彭年.白山天池火山泥石流分布特征及其形成模式研究［J］.首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，1（30）：70－75.

［2］許建東.我國(guó)火山災(zāi)害的主要類型及火山災(zāi)害區(qū)劃圖編制現(xiàn)狀探討［J］.震災(zāi)防御技術(shù)，2006，1（3）：266－272.

［3］劉若新，樊祺誠(chéng)，魏海泉，等.中國(guó)活火山研究［J］.地質(zhì)評(píng)論，1999，45（8）：3－15.

［4］盛儉，杜江，鄒春紅，等.火山泥石流研究回顧［J］.防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，（2）：45－49.

［5］劉祥，隋維國(guó)，王錫魁.長(zhǎng)白山火山1000年前火山泥流堆積及其災(zāi)害［J］.長(zhǎng)春科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，30（1）：14－17.

［6］盛儉，袁曉銘，王禹萌，等.巖土震害影響因子權(quán)重研究—以砂土液化為例［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2012，21（2）：104－110.

［7］項(xiàng)響琴，汪小寒.粗糙集理論及其應(yīng)用 ［J］.宿州教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，（3）：134－137.