葉瀟瀟, 錢德玲, 朱志鵬, 謝 樂, 楊 罡, 劉 杰,2

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009; 2.新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院, 新疆 烏魯木齊 830006)

泥石流災(zāi)害是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，也是世界性難題，其特點是規(guī)模大、活動頻繁；歷時短但破壞力極強。中國的泥石流災(zāi)害嚴重，上萬條泥石流溝遍及26個省市的各大山區(qū)，每年造成的損失高達30多億元，死亡人數(shù)也達到數(shù)百人。由此可見，對泥石流進行危險性評價至關(guān)重要。泥石流危險性評價即對流域內(nèi)影響泥石流的各項因子進行綜合分析，以確定泥石流的破壞能力及影響程度的大小，劃定其危險等級。泥石流危險性評價是泥石流風險管理的基礎(chǔ)，也是災(zāi)前預(yù)報的重要環(huán)節(jié)。國際上非常重視泥石流危險性評價，開展的研究工作也相對較早。在1928年，美國地質(zhì)學家Blackwelder發(fā)表的《Mudflow as a geologic agent in semi-arid mountains》是世界上較早的有關(guān)泥石流的論文，使人們認識到泥石流是自然界中一種常見的地質(zhì)現(xiàn)象，并非上帝的創(chuàng)作[1]。此后，越來越多的學者給予泥石流關(guān)注。1977年，日本學者足立勝治綜合考慮泥石流的地形地貌、形態(tài)和大氣降水等3個因素，首次對泥石流的危險度進行了概率計算[2]。2000年，Johnson運用GIS軟件的二次開發(fā)平臺對泥石流危險度評價系統(tǒng)進行了開發(fā)。2005年，Kavzoglu等[3]通過遙感影像獲取泥石流的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用在委內(nèi)瑞拉的Jabonosa河盆地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的危險性評價。

國內(nèi)的泥石流危險性評價研究相對于國外而言，起步稍晚，但成果斐然。1988年，劉希林[4]提出將定性分析與定量分析相結(jié)合，建立了以8個評價指標為基礎(chǔ)的多因子綜合評價模型。2000年，汪明武[5]把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到泥石流危險度評價中來，解決了指標權(quán)重難以確定的難題，其隨后提出利用實碼加速遺傳算法的投影尋蹤方法和改進集對分析方法建立泥石流危險度評價模型，也取得了較為理想的結(jié)果[6-7]。2006年，匡樂紅等[8]基于粗糙集原理對泥石流危險度區(qū)劃指標進行約簡，并提出用組合賦權(quán)法確定評價指標的綜合權(quán)重。目前相關(guān)專家學者先后提出了許多泥石流危險性評價的方法，如改進集對分析方法、模糊數(shù)學法、熵值法等，豐富了研究手段，并提高了評價結(jié)果的精度和合理性。

由于泥石流災(zāi)害的復(fù)雜性和不確定性，影響因素眾多，評價指標的權(quán)重分配是泥石流危險性評價的一個難點。合理的評價指標權(quán)重是泥石流危險性評價結(jié)果準確性和有效性的保證。目前，國內(nèi)外學者提出了很多確定權(quán)重的方法，其中主觀賦權(quán)法有：AHP法、專家調(diào)查法等；而客觀賦權(quán)法有：灰色關(guān)聯(lián)度法、熵值法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、集對分析法、主成分分析法等。主觀賦權(quán)法能夠考慮到專家在確定權(quán)重上的經(jīng)驗，但計算結(jié)果受主觀影響因素很大，沒有充分利用到客觀數(shù)據(jù)。客觀賦權(quán)法可以充分挖掘數(shù)據(jù)本身存在的關(guān)系，但卻忽略了專家學者在確定權(quán)重上的經(jīng)驗。本文擬分別采用層次分析法和熵值法確定主觀和客觀權(quán)重，再用線性組合賦權(quán)確定綜合權(quán)重。既能反映專家學者對泥石流的直觀認識和經(jīng)驗，又能反映客觀數(shù)據(jù)的自身規(guī)律。并以中巴公路為例，采用上述方法對該區(qū)域典型溝谷泥石流的危險性進行評價。

1 組合賦權(quán)法的原理及組合規(guī)則

1.1 層次分析法

層次分析法(AHP)是對與決策有關(guān)信息進行多層次分析，并進行定性和定量分析決策的一種方法。AHP法是在20世紀70年代初由美國運籌學家薩蒂提出的，該方法在確定復(fù)雜系統(tǒng)中不同層次的各指標權(quán)重時，簡便快捷，具有獨到的優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用[9-10]。本文采用層次分析法確定評價指標的主觀權(quán)重，其步驟為：

(1) 建立層次分析模型。充分了解決策系統(tǒng)之后，將系統(tǒng)中的各評價指標劃分成若干層次，可用框架圖表達階梯層次結(jié)構(gòu)和各指標之間的從屬關(guān)系。

(2) 構(gòu)造判別矩陣。引入Saaty的1—9標度將各評價指標之間的重要性用具體數(shù)值表示出來,比較各評價指標之間的影響，采用兩兩對比，構(gòu)造出判別矩陣P，判斷矩陣標度及含義見表1。

表1 判斷矩陣標度及其含義

(3) 一致性檢驗。在上述步驟得到判別矩陣P后，代入公式(1)：

PWj=λmaxWj

(1)

式中：Wj——特征向量；λmax——判別矩陣對應(yīng)的最大特別征值。解出λmax和Wj后，判斷矩陣的不一致程度，一致性指標公式為：

(2)

式中：n——評價指標數(shù)目。

查表得到平均一致性指標IR，取值見表2。若滿足CR=IC/IR<1，則判別矩陣滿足一致性，評價指標權(quán)重分配合理；否則需重新修改，直到滿足一致性為止。

表2 隨機性指標(IR)的取值

1.2 熵值法

在信息論中，熵是對不確定性事物的度量，信息量越小，不確定程度或系統(tǒng)無序化越大，熵越大；信息量越大，不確定程度或系統(tǒng)無序化越小，熵越小。泥石流作為一個具有某種混亂度的系統(tǒng)，受多種影響因素控制，而其中各種因素對泥石流災(zāi)害發(fā)生的影響又因地而異、因時而異的。采用熵值法確定客觀權(quán)重，可以很好地表達泥石流的混亂程度，充分挖掘數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，使評價結(jié)果更加準確，接近真實情況[11-12]。熵值法確定評價指標的客觀權(quán)重的步驟為：

(1) 構(gòu)造評價矩陣。設(shè)有n個泥石流危險性評價指標，m個評價單元，那么m個評價單元對應(yīng)的n個指標的指標值構(gòu)成危險性評價矩陣為X=(Xij)m×n。

(3)

式中：xij——表示第i個評價單元的第j個指標實際值。

(2) 規(guī)范化處理。由于評價指標實際值與轉(zhuǎn)化值之間并不是線性變換，而是非線性變換，如果采用直線型或折線型等規(guī)范化公式會影響評價結(jié)果的準確性，因此本文采用曲線型規(guī)范化處理。正指標和逆指標分別采用公式(4)和(5)轉(zhuǎn)化

(4)

(5)

式中：rij——第i個評價單元的第j個指標評價值； sup(m)，inf(m)——指標取值的上確界和下確界。

規(guī)范化處理后的評價矩陣為：

(6)

根據(jù)信息熵的方法及理論，由公式(7)和(8)確定第j項評價指標的熵值，即：

(7)

(8)

式中：fij——第j個評價指標于第i個評價單元的指標值比重；K——常數(shù)，k=1/lnm。

(3) 計算各項指標權(quán)重：

(9)

當熵值在某一特定范圍內(nèi)變化時，其相互間的細小差異卻能引起熵權(quán)很大的改變。因此，在計算權(quán)重中，怎樣將各指標間的熵值與相應(yīng)權(quán)重相互轉(zhuǎn)換是重點，直接影響各指標客觀權(quán)重的準確性進而影響最終評價結(jié)果。根據(jù)熵值法原理，不同指標間的熵值若差別不大，則認為其提供有用信息量基本相同，相應(yīng)的熵值也應(yīng)一致?；诖?，對公式(9)進行改進。

(10)

1.3 組合賦權(quán)法

為了克服單一賦權(quán)法的不足，采用線性加權(quán)組合賦權(quán)法來確定指標的綜合權(quán)重。設(shè)由層次分析法得到的主觀權(quán)重為Wj，熵值法計算得到的客觀權(quán)重為Wj′，組合權(quán)重為Wz。由線性加權(quán)綜合法公式：

Wz=αWj+βWj′

(11)

式中：α，β——指標主客觀權(quán)重偏好系數(shù)。

線性加權(quán)組合法的重點在于確定α和β的取值。在目前的研究文獻中，一般都根據(jù)作者的經(jīng)驗來取，因此帶有很大的主觀性。為了減小由于主觀隨意性對組合賦權(quán)法的影響，本文引入距離系數(shù)，將上述2種方法所得的權(quán)重值之間的差異程度與其對應(yīng)的分配系數(shù)間的差異程度一致。

設(shè)主觀權(quán)重Wj和客觀權(quán)重Wj′之間的距離為d(Wj,Wj′)，則表達式為：

(12)

為了使不同權(quán)重之間的差異程度和分配系數(shù)間的差異程度一致，使式(12)中距離系數(shù)與分配系數(shù)相等，則表達式為：

d(Wj-Wj′)2=(α-β)2

(13)

α+β=1

(14)

其中，式(14)為分配系數(shù)的約束條件，聯(lián)立方程(13)，(14)可求出主客觀權(quán)重偏好系數(shù)，再代入式(11)即可得到評價指標的綜合權(quán)重值。組合賦權(quán)法的計算流程如圖1所示。

圖1 組合賦權(quán)法計算流程

2 研究區(qū)工程概況

中巴公路是一條連接中國與巴基斯坦的公路，北起中國新疆城市喀什，穿越帕米爾高原，經(jīng)過中巴邊境口岸紅其拉甫山口，南到巴基斯坦城市塔科特。中巴公路在“一帶一路”的經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略下扮演著重要的角色，同時，它又是通往邊陲縣城塔什庫爾干塔吉克自治縣的唯一一條“生命線”。中巴公路的暢通對保障人民生命財產(chǎn)安全和邊防穩(wěn)定有著十分重要的意義。

中巴公路自1979年通車以來屢次遭受雪災(zāi)、落石、滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的損害，其中泥石流災(zāi)害對沿線公路的破壞最為嚴重。奧依塔克至布倫口段自2005年來每年都發(fā)生不同程度的泥石流，導(dǎo)致道路中斷，交通堵塞。表3為G314線奧依塔克至布倫口段2005—2014年公路遭受泥石流毀壞及影響情況，從表3中可以看出，該段線路每年都會遭受不同程度泥石流的影響，受阻車輛從160～3 620輛不等，嚴重影響了該段線路的交通運輸，制約了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，阻礙了中巴兩國的經(jīng)濟與文化交流，因此迫切需要進行治理。

而依據(jù)新疆喀什公路管理局疏附公路分局養(yǎng)護資料統(tǒng)計，該區(qū)域的泥石流在6和8月爆發(fā)的頻率最高，其次是5，7和9月，3和4月偶爾爆發(fā)泥石流。由養(yǎng)護資料可知，該區(qū)域年降雨量主要集中在5—9月，其中6和8月降雨尤為顯著。中巴公路自通車以來，目前已經(jīng)歷了3次改建。雖然新線路進行了許多優(yōu)化和改進，但是部分新路段仍然在遭受著泥石流的威脅。因此，僅依靠線路的優(yōu)化，并不能一勞永逸地解決泥石流災(zāi)害問題，更多地還要結(jié)合工程治理措施，才能取得更為理想的效果。如此頻發(fā)的泥石流災(zāi)害使得治理刻不容緩，而首要的任務(wù)就是通過現(xiàn)場調(diào)查和搜集資料，對中巴公路沿線重點單溝泥石流危險性進行評價。

表3 G314線奧布段泥石流災(zāi)害情況

3 中巴公路典型泥石流溝危險性評價

根據(jù)前文方法得到的泥石流危險性規(guī)范化評價矩陣為R：

將得到的綜合權(quán)重值代入式(15)計算出泥石流危險度B(i)。B(i)值越大，則表示泥石流的危險等級越高，發(fā)生泥石流的可能性越大，越危險。

(15)

泥石流危險性評價在國內(nèi)至今已進行了30 a，然而卻并未形成一個統(tǒng)一的評價指標體系，這是由于泥石流的區(qū)域性、復(fù)雜性及因素的廣泛性所導(dǎo)致的。本文在參考多年來相關(guān)學者的研究，結(jié)合筆者在現(xiàn)場調(diào)查分析的結(jié)果，從泥石流的成災(zāi)背景和影響因素出發(fā)，最終選定了泥石流爆發(fā)規(guī)模、爆發(fā)頻率、主溝長度、流域切割密度、流域面積、流域相對高差、主溝縱坡、24 h最大降雨量、松散堆積物厚度、泥沙補給段長度比10個指標共同組成泥石流危險性評價指標體系。

然而由于泥石流的復(fù)雜性和不確定性，不同區(qū)域泥石流危險性等級的劃分也略有不同，本文依據(jù)泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范(DZ/T0220-2006)并參考相關(guān)學者的研究[13-16]，將泥石流危險度在[0,1]范圍內(nèi)分為5個等級：0～0.2為極低危險，0.2～0.4為低度危險，0.4～0.6為中度危險，0.6～0.8為高度危險，0.8～1.0為極度危險。本文參考文獻[17]和泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范(DZ/T0220-2006)并結(jié)合當?shù)貙嶋H情況劃分各評價指標危險等級，如表4所示。

根據(jù)現(xiàn)場勘察調(diào)研結(jié)果及新疆喀什公路管理局疏附公路分局多年養(yǎng)護資料獲得各溝谷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如表5)，代入公式(1)—(15)計算可得各溝谷的危險性評價結(jié)果如表6所示。本文在通過組合賦權(quán)法對研究對象進行危險性評價的同時，采用集對分析方法對同樣的研究對象進行危險性評價，并將2種方法得到的結(jié)論與實際調(diào)查結(jié)果進行了對比分析。

表4 研究區(qū)泥石流危險性評價指標等級劃分

表5 研究區(qū)泥石流溝谷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由表6結(jié)果可知，本文計算結(jié)果與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果基本一致，但與集對分析方法有部分不同。例如K1 560+183號溝和K1579+079號溝本文的計算結(jié)果分別為極度、高度，而集對分析方法計算結(jié)果為高度、中度，相對于本文結(jié)果來看偏于保守。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果來看，本文泥石流危險性評價結(jié)果更加接近實際情況?？紤]到中巴公路的重要程度，評價結(jié)果應(yīng)當為極度危險和高度危險。

表6 泥石流危險性計算結(jié)果

4 結(jié) 論

泥石流危險性評價是一項復(fù)雜的工程，影響泥石流的影響因素眾多，既有其內(nèi)在的原因，也有外部因素的影響，有定性的指標也有定量的，只有綜合分析、合理利用各評價指標才能對泥石流危險性作一個較為全面和準確的評價。

(1) 本文采用組合賦權(quán)法確定評價指標的綜合權(quán)重，克服了單一賦權(quán)法的不足，使評價結(jié)果更加準確，符合實際情況。

(2) 本文計算方法相比集對分析方法，更接近于現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，集對分析方法偏保守。

(3) 由于危險度的劃分各有不同，且在臨界點上泥石流的危險性跨了2個等級，比如0.61，0.59分別為高度危險和中度危險，但0.6能否作為不同等級的分級臨界值還有待商榷，其原因是泥石流這一復(fù)雜地質(zhì)現(xiàn)象許多本質(zhì)目前研究的并不是特別清晰。因此有些溝谷危險度處于同等級別，但危險性傾向有所不同，有的傾向于更高等級，有的則傾向于較低等級。

(4) 本文的泥石流危險性評價結(jié)果可為中巴公路沿線泥石流治理提供防治依據(jù)，并為以后的泥石流危險性研究提供科學參考。

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