胡圣武，吳軍超

（1.河南理工大學(xué) 測繪學(xué)院，河南 焦作 454000）

基于模糊理論的GIS動態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評估研究

胡圣武1，吳軍超1

（1.河南理工大學(xué) 測繪學(xué)院，河南 焦作 454000）

選用模糊多層次綜合評判方法，結(jié)合GIS技術(shù)進行動態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評估研究。并以福建省德化縣潯中鎮(zhèn)為實例進行研究，其研究結(jié)果對地質(zhì)災(zāi)害的防護具有很強的指導(dǎo)作用。

動態(tài)地質(zhì)災(zāi)害；模糊理論；GIS；評估

1 基于模糊綜合評判的動態(tài)風(fēng)險評價

影響地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的因素是多層次、多方面的，各因素對風(fēng)險的影響程度不同，風(fēng)險級別的劃分以及不同等級對應(yīng)的各項因素的界限是模糊的，難以進行定量化的精確表達。本文選用模糊綜合評判方法，將實時更新的降雨、險情、承災(zāi)體狀態(tài)等因子以及其他靜態(tài)因子進行地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)風(fēng)險評價[7,8]。

1）模糊評語集的確定。根據(jù)小區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)風(fēng)險區(qū)劃的最終評價結(jié)果和建立模糊集合所要滿足的對稱性原則，將評判等級標(biāo)準(zhǔn)分為 “較低風(fēng)險”、“中等風(fēng)險”、“較高風(fēng)險”和“高風(fēng)險”4個等級，評語集為：V ={I Ⅱ Ⅲ Ⅳ}={較低風(fēng)險 中等風(fēng)險 較高風(fēng)險 高風(fēng)險}。

2）模糊評判標(biāo)準(zhǔn)的確立。從評價指標(biāo)體系與模糊評語集出發(fā)，將定性與定量指標(biāo)按照統(tǒng)一量綱，確定評判標(biāo)準(zhǔn)。

3）隸屬函數(shù)的構(gòu)造。在模糊綜合評判中，模糊集隸屬函數(shù)的建立是單因素評判的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文選取的評價指標(biāo)中，既有定性指標(biāo)（離散型），如地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu)類型、險情等；也有定量指標(biāo)（連續(xù)型），如降雨量、人口密度等。對于定性指標(biāo)，首先劃分出因子的風(fēng)險級別，賦予相應(yīng)數(shù)值，采用經(jīng)驗賦值的方法確定隸屬度。對于定量指標(biāo)的隸屬函數(shù)，采用梯形分布函數(shù)來刻畫[9,10]。

4）模糊變換與綜合評判。對各因子賦予權(quán)重W={a1a2… an}，再采用模糊綜合評判模型B=WiRi進行一級模糊綜合評判。然后對評判結(jié)果作歸一化處理，根據(jù)最大隸屬原則確定樣本歸屬。為了將各因子對地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)風(fēng)險的影響都反映出來，本文采用加權(quán)平均型M（·，+）模糊算子進行模糊變換。評價流程如圖1所示。

圖1 評價流程

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)潯中鎮(zhèn)隸屬福建省泉州市德化縣，亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15～19℃，年平均降雨量1 853.1 mm。全年分為3個降雨季節(jié)：3～6月為雨季，多年平均降雨量796.5 mm，占全年43.0%；7～9月為臺風(fēng)雷陣雨季，多年平均降雨量775.2 mm，占全年41.8%，表現(xiàn)為臺風(fēng)暴雨或大暴雨，雨量大而集中，強度高，也是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)期；10月至翌年2月為少雨季，多年平均降雨量281.4 mm，僅占全年15.2%。

2.2 GIS建模與實現(xiàn)

動態(tài)風(fēng)險評價因素及等級劃分見表1。

表1 動態(tài)風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)

潯中鎮(zhèn)面積為57.20 km2，屬于面評價。根據(jù)面評價的特點及該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布特征和研究程度，選擇1∶1萬的基礎(chǔ)地圖。

評價單元主要有地貌單元、斜坡單元、行政區(qū)劃和規(guī)則網(wǎng)格單元，根據(jù)可操作性和簡易性原則，采用10 mm×10 mm的方格進行網(wǎng)格單元劃分，依據(jù)基礎(chǔ)圖件為1∶1萬的地形圖和工程地質(zhì)圖，總共劃分為5 968個評價單元。

基于ArcGIS 軟件平臺，對指標(biāo)進行模型量化，采用梯形模糊數(shù)構(gòu)造的隸屬函數(shù)對定量指標(biāo)進行隸屬度計算，其中對于表土層厚度與坡度兩個中間值最易發(fā)的指標(biāo)，采用x'=|xi-xmid|公式轉(zhuǎn)化為“越大越優(yōu)”或“越小越優(yōu)”情況，然后代入隸屬度函數(shù)進行運算。其他值一律根據(jù)上面公式轉(zhuǎn)化為x'后代入隸屬度函數(shù)進行計算，得到坡度隸屬度分布如圖2a。表土層厚度參照上面的步驟進行，得到表土層厚度隸屬度分布如圖2b。

圖2 定量因子隸屬度分布

對于其他定量指標(biāo)，如1 h雨強、人口密度等，代入隸屬度函數(shù)進行運算，得到隸屬度分布。

對定性指標(biāo)，如坡向、坡型、險情、承災(zāi)體狀態(tài)等指標(biāo)直接采用經(jīng)驗賦值，在ArcGIS中采用編輯屬性表的方式進行。得到的坡型隸屬度分布圖如圖3所示。

根據(jù)上述步驟可得到3個時刻的風(fēng)險評價區(qū)劃圖，如圖4所示。

2.3 評價結(jié)果分析

2.3.1 3個時刻風(fēng)險評價結(jié)果

由表2所示的3個時刻風(fēng)險評價結(jié)果可知：

1）8月2日15時，風(fēng)險等級不高，沒有高風(fēng)險區(qū)域分布，除鎮(zhèn)中心東北部、樂陶村小面積為較高風(fēng)險外，其他地區(qū)風(fēng)險等級都在一、二等級。主要是因為15時降雨剛開始，除東南部樂陶村、鳳洋村、后所村降中雨外，其他地區(qū)為小雨，風(fēng)險等級較低。鎮(zhèn)東北部人口密集，災(zāi)害為較易發(fā)，風(fēng)險為較高級。

2）8月3日10時，風(fēng)險情況為：①高風(fēng)險區(qū)，廣泛分布在石山村、仙境村、石鼓村、龍翰村、鳳池、富東大部分地區(qū)以及鳳洋南部、蒲坂村周邊地區(qū)。主要由于這些地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)，人口較密集，省道S206和省道S203樂陶段從此經(jīng)過，其中省道S206石鼓至石山段以及省道S203樂陶段為風(fēng)險最高。②較高風(fēng)險區(qū)，分布在鳳洋村、后所村、蒲坂村大部、石山村、世科村、祖厝村南部以及龍翰村東南部與西北部。主要由于地質(zhì)災(zāi)害較易發(fā)，人口相對較集中。③中等風(fēng)險區(qū)，分布在鳳洋村、石山村南部、縣道X346沿線。此地區(qū)在浐溪流域周邊，坡度較緩，地質(zhì)災(zāi)害中等易發(fā)。④低風(fēng)險區(qū)，分布在祖厝村北部大部分地區(qū)，世科村、后所村部分地區(qū)以及石鼓、后所兩處隱患點區(qū)。祖厝村北部大部分地區(qū)海拔較高，人口較稀疏，人類工程活動相對較少，地質(zhì)災(zāi)害較不易發(fā)，風(fēng)險較低。石鼓、后所兩處隱患點為低風(fēng)險區(qū)。

3）8月3日23時，風(fēng)險分布區(qū)域大體與8月3日10時相同，主要分布在S206省道、S203省道沿線和石山、仙境、石鼓、富東、后所等村莊以及樂陶村地區(qū)。石鼓、后所兩處隱患點以及龍翰村9組滑坡區(qū)域為低風(fēng)險。

圖3 坡型因子隸屬度分布

圖4 風(fēng)險評價結(jié)果圖

表2 3個時刻風(fēng)險評價結(jié)果對比表

2.3.2 對比分析

1）8月2日15時，降雨等級較低，雖然人員狀態(tài)與道路狀態(tài)為自然狀態(tài)，具有較高的易損性，但危險性等級低，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性小，風(fēng)險普遍偏低。

2）8月3日10時，全鎮(zhèn)范圍降雨從2日15時的小雨轉(zhuǎn)為暴雨，前期有效降雨達到臨界值1，風(fēng)險普遍增高。根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，此時隱患點威脅區(qū)域人員已經(jīng)轉(zhuǎn)移，威脅區(qū)域外圍人員將處于警惕狀態(tài)。由于承災(zāi)對象不存在，因此石鼓、后所兩處隱患點由高風(fēng)險轉(zhuǎn)為低風(fēng)險。

3）8月3日23時與10時相比，高風(fēng)險區(qū)域面積擴大。雖然本時刻降雨已由暴雨轉(zhuǎn)為小雨，然而前期有效降雨量達到了臨界值，為最高等級，且地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有滯后效應(yīng)，此時危險等級仍然很高，風(fēng)險等級與10時相近。此時石鼓、后所兩處隱患點以及龍翰村滑坡區(qū)域人員已經(jīng)轉(zhuǎn)移，雖具有高危險，但無承災(zāi)對象，風(fēng)險等級低。高風(fēng)險區(qū)域面積擴大是由于龍翰村9組發(fā)生滑坡災(zāi)害，與此滑坡相似的地質(zhì)環(huán)境區(qū)域（圖4c紫色區(qū)域）為極易發(fā)區(qū)。其中高風(fēng)險區(qū)與極易發(fā)區(qū)重合區(qū)域（圖4c中紅色與紫色重合區(qū)域）應(yīng)為極高風(fēng)險區(qū)，主要分布在石鼓村、仙境村、潯中村以及龍翰村。

2.4 動態(tài)風(fēng)險管理

就潯中鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險動態(tài)評價結(jié)果提出以下風(fēng)險管理建議:

1）轉(zhuǎn)移避讓。當(dāng)雨強達到8 mm/h或有效降雨量達90 mm，斜坡出現(xiàn)裂縫、隆起、沉陷、小型崩塌、冒渾水等險情時，將隱患點或威脅區(qū)域的人員進行轉(zhuǎn)移避讓。

2）監(jiān)測預(yù)警。具體措施為：①對高風(fēng)險區(qū)域安排責(zé)任人進行險情巡查、監(jiān)測、報警、速報；②對極高風(fēng)險地區(qū)實行重點監(jiān)測與加密監(jiān)測；③對處于高風(fēng)險的重點區(qū)域（如學(xué)校、公路等）降雨期間設(shè)立警示標(biāo)志，警示或禁止人員與車輛通行。

3）應(yīng)急準(zhǔn)備。將防災(zāi)重點放在高風(fēng)險區(qū)域，快速調(diào)度車輛、人員及物資，合理分配救援力量，提前做好應(yīng)急準(zhǔn)備，并根據(jù)實時風(fēng)險動態(tài)變化調(diào)整方案。

3 結(jié) 語

本文運用模糊綜合評判理論，通過GIS 建模的方式對福建省德化縣潯中鎮(zhèn)2012年第8號臺風(fēng)“蘇拉”影響期間地質(zhì)災(zāi)害進行動態(tài)風(fēng)險評價，利用網(wǎng)格劃分、柵格模型量化、疊加運算等方法，得到3個時刻的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價結(jié)果，并對結(jié)果進行比較，提出動態(tài)風(fēng)險管理建議，驗證了動態(tài)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價模型的可行性。

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P208

B

1672-4623（2015）04-0004-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.04.002我國在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價中已經(jīng)取得了豐碩的成果，但現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價是基于靜態(tài)過程，動態(tài)風(fēng)險評價還屬于探索階段，監(jiān)測體系與預(yù)警系統(tǒng)還不夠完善[1-6]。本文用模糊多層次綜合評判方法，結(jié)合GIS進行動態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評估的研究，并選福建省泉州市德化縣的潯中鎮(zhèn)為實例進行動態(tài)地質(zhì)災(zāi)害評估的分析。

胡圣武，博士，副教授，主要從事GIS基礎(chǔ)理論和圖像處理技術(shù)研究。

2014-03-18。

項目來源：江西省數(shù)字國土重點實驗室開放研究基金資助項目（DLLJ201401）。