陳春利，賀 凱，溫銘生，梁宏錕

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京 100081)

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基于灰色系統(tǒng)理論的長江經(jīng)濟帶地區(qū)地質(zhì)災害趨勢預測研究

陳春利1，賀 凱2，溫銘生1，梁宏錕1

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京 100081)

將灰色系統(tǒng)理論引入地質(zhì)災害的長期趨勢預測中，以長江經(jīng)濟帶地區(qū)的地質(zhì)災害發(fā)生趨勢為例進行建模和預測，并對預測值的精度進行評價。研究結(jié)果表明，GM(1,1)模型可用于預測較大區(qū)域地質(zhì)災害發(fā)生的基本趨勢，將灰色系統(tǒng)理論用于地質(zhì)災害趨勢預測是可行的；預測結(jié)果顯示未來5年長江經(jīng)濟帶地區(qū)的年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量總體呈波動下降趨勢，預計今后2年內(nèi)可能會有重災年出現(xiàn)。研究成果可為長江經(jīng)濟帶地區(qū)的防災減災等相關(guān)工作提供參考。

長江經(jīng)濟帶；灰色系統(tǒng)理論；地質(zhì)災害；趨勢預測

0 引言

建設(shè)長江經(jīng)濟帶是現(xiàn)階段、新常態(tài)下推進中國經(jīng)濟持續(xù)、穩(wěn)定增長的重大戰(zhàn)略舉措之一，在區(qū)域發(fā)展總體格局中具有重要戰(zhàn)略地位。但與此同時，因其橫跨中國大陸三級階梯，地形地貌多樣，地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)構(gòu)造復雜[1-2]，長江經(jīng)濟帶地區(qū)的地質(zhì)災害問題也不容忽視。近年來，長江經(jīng)濟帶地區(qū)發(fā)生了一系列重大地質(zhì)災害，擾亂了當?shù)厝罕姷纳a(chǎn)生活，制約了經(jīng)濟發(fā)展。如：2010年6月28日，貴州關(guān)嶺因突降暴雨發(fā)生高速遠程滑坡，造成兩個村組被毀，99人遇難[3]；2013年1月11日，云南鎮(zhèn)雄發(fā)生滑坡，造成60多間房屋被毀，46人遇難[4]；2015年11月13日，浙江麗水發(fā)生山體滑坡，造成38人遇難。在長江經(jīng)濟帶建設(shè)的快速推進過程中，重大工程建設(shè)、綠色生態(tài)廊道建設(shè)、城鎮(zhèn)化格局優(yōu)化等一系列工作的開展更不可避免地要考慮地質(zhì)災害的發(fā)育、發(fā)展趨勢。因此，開展長江經(jīng)濟帶地區(qū)的地質(zhì)災害趨勢預測工作勢在必行。

基于此，本文在統(tǒng)計長江經(jīng)濟帶地區(qū)多年地質(zhì)災害災情數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將灰色系統(tǒng)理論引入到地質(zhì)災害趨勢預測分析中，研究地質(zhì)災害發(fā)生的基本規(guī)律，合理預測未來的發(fā)展趨勢。地質(zhì)災害趨勢預測結(jié)果可為長江經(jīng)濟帶地區(qū)各級政府部署防災減災、完善地質(zhì)災害預案等提供依據(jù)，有利于區(qū)域開發(fā)與保護活動的有序展開，具有重要的科學意義和實踐意義。

1 研究區(qū)概況

長江經(jīng)濟帶覆蓋上海、江蘇、浙江、安徽、江西、湖北、湖南、重慶、四川、云南、貴州11個省、直轄市，是中國國土空間開發(fā)最重要的東西軸線。與此同時，區(qū)域內(nèi)也涵蓋了中國大部分地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)(見圖1)。區(qū)域內(nèi)發(fā)育主要活動斷裂帶94條，滑坡、崩塌、泥石流災害隱患點10.7萬余處，巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)23.5×104km2，地面沉降嚴重區(qū)約2×104km2。

圖1 長江經(jīng)濟帶地質(zhì)災害易發(fā)程度示意圖Fig.1 The occurrence level of geologicals hazards in the Yangtze Economic Belt

據(jù)國土部統(tǒng)計資料[5]，2006—2015年長江經(jīng)濟帶地區(qū)共發(fā)生地質(zhì)災害20余萬起，造成人員傷亡3347人，直接經(jīng)濟損失373.6×108元(見表1)。長江經(jīng)濟帶地區(qū)是中國重大地質(zhì)災害的高發(fā)區(qū)，全國約37%的特大型、大型地質(zhì)災害發(fā)育于區(qū)內(nèi)，尤其上游的重慶、四川、云南、貴州4省是中國特大型地質(zhì)災害的高發(fā)區(qū)。

據(jù)統(tǒng)計，2006—2015年間長江經(jīng)濟帶地區(qū)發(fā)生的主要地質(zhì)災害共有6類，包括滑坡16萬起、崩塌3萬起、泥石流7203起、地面塌陷2165起、地裂縫937起和地面沉降326起，其中滑坡是最多發(fā)的災害類型，占總數(shù)的82.1%(見圖2)。

表1 長江經(jīng)濟帶地區(qū)地質(zhì)災害情況匯總表

圖2 長江經(jīng)濟帶地區(qū)地質(zhì)災害類型構(gòu)成Fig.2 Types of geo-hazards in the Yangtze Economic Zone

2 預測原理

目前，灰色系統(tǒng)理論已在地震、干旱、洪澇等領(lǐng)域的預測研究中得到了十分廣泛的應用，其中應用最多的是鄧聚龍?zhí)岢龅腉M(1,1)模型[6-10]。

GM(1,1)基本原理如下[11]：

對原始序列X(0)作一次累加生成變換，得其1-AGO序列：

(1)

(2)

1-AGO序列的時間響應式為：

(3)

對其作累減還原，得到原始數(shù)列X(0)的灰色預測模型為：

(4)

根據(jù)該灰色預測模型，即可對未來趨勢進行預測。

3 預測過程

3.1 資料選取

選取長江經(jīng)濟帶地區(qū)2006—2015年的地質(zhì)災害數(shù)據(jù)(見圖3)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開展預測，可見2006—2015年間長江經(jīng)濟帶地區(qū)的年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量總體有下降的趨勢。但在總體下降過程中年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)也有周期性波動起伏，每3～4 a出現(xiàn)一個地質(zhì)災害高發(fā)年。且年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)的波動起伏較大，2006—2015年間長江經(jīng)濟帶最大年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)(85158起，2006年)約為最小年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)(7146起，2015年)的12倍。因此，在預測地質(zhì)災害未來趨勢時既要遵循其總體發(fā)展趨勢，又要兼顧數(shù)據(jù)的波動性，對地質(zhì)災害高發(fā)年份情況進行預測。

圖3 長江經(jīng)濟帶地區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生情況(2006—2015年)Fig.3 Occurrence of geo-hazards in the Yangtze Economic Zone (2006-2015)

3.2 總體災害走勢預測

針對長江經(jīng)濟帶地區(qū)年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)呈波動下降的趨勢，通過灰色區(qū)間預測法對未來5年內(nèi)年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量的變化范圍進行預測。以2006—2015年間年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量為原始數(shù)列，通過該數(shù)列的上緣點連線序列和下緣點連線序列(見表2)，分別建立上界函數(shù)和下界函數(shù)的GM(1,1)模型，其預測結(jié)果的包絡區(qū)域即為預測值的取值域。GM(1,1)模型公式如下：

(5)

根據(jù)上界函數(shù)和下界函數(shù)的GM(1,1)模型預測結(jié)果，得到未來5年的年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量預測結(jié)果(見表3)，年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量的區(qū)間范圍和預測中值均有逐漸下降的總體趨勢。

表3 未來5年地質(zhì)災害發(fā)生情況區(qū)間預測結(jié)果

3.3 可能重災年預測

在預測未來5年的年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量變化范圍的基礎(chǔ)上，針對其波動性特點，進一步通過災變預測法對未來5年內(nèi)可能重災年的出現(xiàn)進行預測。

考慮到近2006—2015年的地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量呈整體下降趨勢，取近5年年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量的平均值(9505起/年)作為重災年判定值，若年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)預測結(jié)果大于該平均值，則認為此年為重災年。

表4 建模序列

4 預測檢驗

在對長江經(jīng)濟帶地區(qū)未來5年的年度地質(zhì)災害發(fā)展趨勢的預測中，對上緣點連線序列、下緣點連線序列及災變?nèi)掌谛蛄蟹謩e進行了GM(1,1)模型預測。為了評估預測的準確性，分別對3次GM(1,1)模型預測的精度進行校驗。

由原始序列和預測模型序列可求出相對誤差序列，進而計算出3次GM(1,1)模型預測的平均相對誤差(見表5)。對照灰色系統(tǒng)模型精度檢驗等級參照表(見表6)，本次預測精度滿足要求。

表5 各模型預測精度

表6 灰色系統(tǒng)理論模型精度檢驗等級

5 討論

本文將灰色系統(tǒng)理論引入地質(zhì)災害趨勢預測中，通過包絡區(qū)間預測和災變預測得到了未來5年地質(zhì)災害發(fā)生情況，預測結(jié)果符合近年來長江經(jīng)濟帶地區(qū)年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量總體下降的變化趨勢，同時滿足其隨機波動的特點，對長江經(jīng)濟帶建設(shè)中的地質(zhì)災害防災減災具有指導意義。

需要注意的是，地質(zhì)災害的發(fā)生受地質(zhì)環(huán)境因素、氣候、地震、人類工程活動等多因素綜合影響，是復雜的動態(tài)發(fā)展過程。由于預測中所采用的原始數(shù)據(jù)序列為2006—2015年長江經(jīng)濟帶地區(qū)的地質(zhì)災害數(shù)據(jù)，而在此10年間并未出現(xiàn)百年一遇的極端氣候、強烈地震。在未來5年，如遇極端氣候、重大地震及顯著增強的人類工程活動等影響，地質(zhì)災害的發(fā)生可能會出現(xiàn)超出預測范圍的爆發(fā)性增長。

本文引入灰色系統(tǒng)理論對地質(zhì)災害發(fā)生情況的基本趨勢進行預測，重點在于對未來總體發(fā)育趨勢的把握。但地質(zhì)災害事件的發(fā)生本就具有突發(fā)性、偶然性的特點，且由于地質(zhì)環(huán)境等條件的不同而呈現(xiàn)出明顯的時空差異性，不同的區(qū)域、不同時段所遇到的具體地質(zhì)災害問題也不盡相同。因此對地質(zhì)災害的空間分布等仍需進一步研究，并應在長江經(jīng)濟帶發(fā)展建設(shè)過程中對區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災害隱患等問題予以高度關(guān)注。

6 結(jié)論

本文通過灰色區(qū)間預測和災變預測可預測區(qū)域范圍內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)生的基本趨勢，將灰色系統(tǒng)理論用于地質(zhì)災害趨勢預測具有較好的可行性。預計未來5年長江經(jīng)濟帶地區(qū)的年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量總體呈波動下降趨勢，預測中值將逐漸降低至6000起/年。以近5年年度地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量的平均值作為判定值，預測長江經(jīng)濟帶地區(qū)在未來2年內(nèi)可能會有地質(zhì)災害重災年出現(xiàn)。

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TREND PREDICTION RESEARCH OF GEOLOGICAL HAZARD IN THE YANGTZE ECONOMIC ZONE BASED ON GRAY SYSTEM THEORY

CHEN Chun-li1, HE Kai2, WEN Ming-sheng1, LIANG Hong-kun1

(1.China Institute for Geo-Environment Monitoring, Beijing 100081, China;2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalScience,Beijing100081,China)

The grey system theory is introduced to the trend prediction research of geological hazard. Modeling and prediction are taken with the case study of the trend of geological hazards in the Yangtze Economic Zone, and the precision is analyzed finally. The result shows that model GM(1,1) can be used for trend prediction research of geological hazard and the gray system theory are useful. Based on the prediction we know that the annual number of geological hazards presents fluctuant descend tendency and serious disaster year maybe appear in the next 2 years. The results obtained may provide supportable information to the prevention and reduction department in the Yangtze Economic Zone.

the Yangtze Economic Zone; gray system theory; geological hazard; trend prediction

1006-6616(2016)03-0706-08

2016-05-05

國家科技支撐計劃子課題(2015BAK10B021)；中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所基本科研業(yè)務費專項經(jīng)費資助(項目編號：DZLXJK201610)；國家級地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與預報(1210800000022)；中國地質(zhì)調(diào)查局項目(DD20160268-4)

陳春利(1987-)，女，博士，工程師，主要從事地質(zhì)災害防災減災研究。E-mail：chen_chunli@126.com

P694

A