朱懷朝

(綿陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000)

地質(zhì)災(zāi)害是很普遍的一種自然災(zāi)害。很多原因都有可能影響地質(zhì)的平衡性導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境日益惡化。這種地質(zhì)惡化的情況會(huì)使人類生命財(cái)產(chǎn)、生命、社會(huì)資源和大自然的環(huán)境受到極大的破壞[1]。我們國(guó)家的地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估工作從1980年代開始，經(jīng)過(guò)了30多年的不斷完善發(fā)展，在理論和實(shí)踐方面取得了很大的成就[2-3]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的方法主要有層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法以及主成分分析法等。這些評(píng)價(jià)方法從不同角度上評(píng)價(jià)了每個(gè)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性影響因子的權(quán)重以及不同危險(xiǎn)性等級(jí)的信息量。但上述方法均依賴于客觀數(shù)據(jù)，忽略了專家經(jīng)驗(yàn)在確定權(quán)重的重要性，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差太多。隨著數(shù)理知識(shí)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，提升地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)精度的重要性不言而喻[4-5]。

目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人士提出了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。易明華等人[6]提出一種地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。將地質(zhì)災(zāi)害和環(huán)境的相互聯(lián)系、地質(zhì)災(zāi)害的隱性影響作為評(píng)價(jià)因子，利用層次分析法來(lái)評(píng)定每個(gè)評(píng)價(jià)因子的重要程度，由此來(lái)測(cè)量出地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的危險(xiǎn)級(jí)別，使用定性與定量結(jié)合的方式給出最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。屈飛行等人[7]提出一種基于最優(yōu)權(quán)重計(jì)算的災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。通過(guò)四種不同的比重測(cè)量方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)比，采用邊界法來(lái)對(duì)實(shí)際滑坡及崩塌面的評(píng)價(jià)成果進(jìn)行證實(shí)，將不同災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)面積和實(shí)際的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)對(duì)比值作為評(píng)判危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)上述方法均存在評(píng)估精度低的問(wèn)題。本文提出了基于模糊數(shù)學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該評(píng)價(jià)模型評(píng)估誤差較小，同時(shí)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)的做法對(duì)后續(xù)災(zāi)害防治工作也具有指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型

1.1 災(zāi)害發(fā)育特征

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的特點(diǎn)：

(1)地形、地貌直接影響風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害程度的大小，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)主要是中低山地及盆地地貌。工程區(qū)域內(nèi)是地勢(shì)平緩地帶，沒(méi)有明顯的災(zāi)害發(fā)育特征。除了工程區(qū)域外是待開發(fā)的山地，地質(zhì)運(yùn)動(dòng)活躍、河流的分支多，形成中高部地勢(shì)。一些部分呈現(xiàn)直立狀態(tài)，巖石露出部分較密切，坡緩地帶和坡腳堆積處比較容易發(fā)生災(zāi)害。

(2)松散堆積層較發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)域內(nèi)北側(cè)方向育有黃土滑坡、泥石流、崩塌等災(zāi)害較少，主要存在河谷兩岸。

(3)工程區(qū)地帶災(zāi)害呈地域性分布。多存在于斜坡、陡坡公路的邊線。

(4)災(zāi)害形成與地形的坡度、巖石與地面接觸的傾斜度、巖石破碎程度、地下水活動(dòng)活躍度等多種因素相關(guān)。除此之外，還與自然降水、人類開發(fā)工程等因素有關(guān)。

(5)地質(zhì)災(zāi)害有著周期性和群發(fā)性的規(guī)律。在連續(xù)降水周期時(shí)段，滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害高于平常年份。一年中的7、8、9月份頻發(fā)降雨，是災(zāi)害發(fā)生的高峰期。河谷的兩旁是地質(zhì)災(zāi)害的主要分布區(qū)域，此區(qū)域長(zhǎng)期受流水切割而且還是人類長(zhǎng)期活動(dòng)的區(qū)域，很容易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

(6)滑坡是最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，其中堆積層滑坡在滑坡災(zāi)害中最為普遍；厚度一般、災(zāi)害規(guī)模屬于中小型、穩(wěn)定性比較好。

評(píng)論區(qū)域內(nèi)發(fā)生災(zāi)害點(diǎn)有63處，分別在4個(gè)單項(xiàng)工程中體現(xiàn)。其中滑坡有55處，崩塌有4處，泥石流有4處。結(jié)合地質(zhì)危害的程度對(duì)其危險(xiǎn)性作出評(píng)價(jià)，結(jié)果如表1所示。

表1 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)表

1.2 災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在分析災(zāi)害發(fā)育特征后，根據(jù)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估因素、風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害的主要引發(fā)因素，采用模糊數(shù)學(xué)理論按照災(zāi)害危險(xiǎn)點(diǎn)和非危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行劃分，構(gòu)建災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，評(píng)估具體步驟如下。

(1)以單元工程為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)估量。

(2)風(fēng)電場(chǎng)是否按災(zāi)害點(diǎn)來(lái)區(qū)分，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中可能發(fā)生的災(zāi)害也算作災(zāi)害點(diǎn)；風(fēng)電場(chǎng)按軸線500 m為一個(gè)單位劃分；按站址的位置向外延伸1 000 m或者按照一級(jí)邊坡劃分。

(3)將搭建的工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)程度級(jí)別分為不同等級(jí)(分別為小、中等、大)。

(4)評(píng)價(jià)因素集(U)、評(píng)價(jià)結(jié)果集(V)及權(quán)重向量(A)的確定。

給出因素集U={u1,u2,…,un}。土地形貌、巖土、斜坡的構(gòu)造、流水切割坡腳、地質(zhì)發(fā)育狀況、隧道的斷層和地質(zhì)本身發(fā)育的災(zāi)害等因素都會(huì)影響地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性，可構(gòu)建因素集U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}。通過(guò)地質(zhì)環(huán)境條件對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響情況，將風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)會(huì)遭受、加強(qiáng)和引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性作為主體，隧道工程以斷層為主，選擇統(tǒng)一適合的權(quán)值分配。評(píng)價(jià)指標(biāo)是評(píng)價(jià)模型中的一種地質(zhì)變量，需要進(jìn)行量化。可將其劃分為兩類，第一類是定量指標(biāo)，把地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的線密度做適當(dāng)數(shù)值的替換即可直接使用；第二類是定性指標(biāo)，將所有的地形狀況分為幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)，按照不同等級(jí)的貢獻(xiàn)來(lái)選擇標(biāo)準(zhǔn)值[8]。假設(shè)，評(píng)價(jià)結(jié)果集為V={v1,v2,…vm}，建造工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性可分為三級(jí)，評(píng)價(jià)結(jié)果集為V={v1,v2,v3}={危險(xiǎn)性小(Ⅰ級(jí))，危險(xiǎn)性中等(Ⅱ級(jí))，危險(xiǎn)性大(Ⅲ級(jí))}。

(5)找到一個(gè)隸屬標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建一個(gè)因素判定矩陣(R)。

利用工程地質(zhì)類比法和建造工程特征得出評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值，通過(guò)隸屬度對(duì)因素集(U)中各個(gè)因素的評(píng)價(jià)判斷，得出模糊評(píng)判矩陣[9]。

選取地形地貌、巖土體類型以及其斜坡結(jié)構(gòu)等作為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中所研究區(qū)域地形為盆地時(shí)危險(xiǎn)性較小，巖土類型呈堅(jiān)硬塊狀，往往會(huì)沖刷積土。斜坡結(jié)構(gòu)是單層結(jié)構(gòu)，巖石堅(jiān)硬無(wú)比，沒(méi)有柔弱結(jié)構(gòu)面存在。并且此區(qū)域基本沒(méi)有河流沖刷痕跡，侵蝕坡腳斷層發(fā)育不完善，有破碎帶,危險(xiǎn)性較小。盆地和山地的過(guò)渡區(qū)域巖石類型達(dá)到中硬程度，是軟硬中厚層巖類；斜坡是單層或雙層結(jié)構(gòu)，巖石具有節(jié)理裂縫；河流沖刷呈季節(jié)性、侵蝕坡腳；斷層較多，分布密集，破碎帶較寬,危險(xiǎn)性中等。中低山地有大量的松散堆積物陷入黃土中；斜坡結(jié)構(gòu)是雙層和多層結(jié)構(gòu)；河流長(zhǎng)期沖刷，侵蝕坡腳；斷層較多，侵蝕坡腳,危險(xiǎn)性極大。

地貌地形：盆地一級(jí)隸屬度為0.8，二級(jí)隸屬度為0.3，三級(jí)隸屬度為0.2；盆地山地過(guò)渡區(qū)一級(jí)隸屬度為0.4，二級(jí)隸屬度為0.6，三級(jí)隸屬度為0.3；中、低山地一級(jí)隸屬度為0.2，二級(jí)隸屬度為0.4，三級(jí)隸屬度為0.7。

巖土體：堅(jiān)硬塊狀巖類一級(jí)隸屬度為0.6，二級(jí)隸屬度為0.4，三級(jí)隸屬度為0.3；中硬巖類一級(jí)隸屬度為0.3，二級(jí)隸屬度為0.6，三級(jí)隸屬度為0.4；松散堆積物一級(jí)隸屬度為0.2，二級(jí)隸屬度為0.5，三級(jí)隸屬度為0.6。

斜坡結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螌咏Y(jié)構(gòu)巖石類整體性好，沒(méi)有軟弱巖石，一級(jí)隸屬度為0.8，二級(jí)隸屬度為0.3，三級(jí)隸屬度為0.2；單層或雙層結(jié)構(gòu)巖石有一定的裂縫，一級(jí)隸屬度為0.4，二級(jí)隸屬度為0.6，三級(jí)隸屬度為0.3；雙層或多層結(jié)構(gòu)一級(jí)隸屬度為0.1，二級(jí)隸屬度為0.3，三級(jí)隸屬度為0.9。

河流沖刷、侵蝕坡腳：無(wú)河流沖刷、侵蝕坡腳一級(jí)隸屬度為0.9，二級(jí)隸屬度為0.3，三級(jí)隸屬度為0.0；河流季節(jié)性沖刷、侵蝕坡腳：一級(jí)隸屬度為0.2，二級(jí)隸屬度為0.7，三級(jí)隸屬度為0.4；河流長(zhǎng)期沖刷、侵蝕坡腳：一級(jí)隸屬度為0.3，二級(jí)隸屬度為0.4，三級(jí)隸屬度為0.6。

線、面密度<2的一級(jí)隸屬度為0.7，二級(jí)隸屬度為0.4，三級(jí)隸屬度為0.2；線、面密度2～3的一級(jí)隸屬度為0.4，二級(jí)隸屬度為0.6，三級(jí)隸屬度為0.3；線、面密度>3的一級(jí)隸屬度為0.2，二級(jí)隸屬度為0.3，三級(jí)隸屬度為0.8。

判定矩陣R為：

(1)

1.3 基于最優(yōu)識(shí)別理論的災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特點(diǎn)，以確定的災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合模糊最優(yōu)識(shí)別理論構(gòu)建了危險(xiǎn)性初步評(píng)價(jià)的模糊識(shí)別模型。利用該模型對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，具體過(guò)程為：通過(guò)建立影響泥石流危險(xiǎn)性的各單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)值進(jìn)行規(guī)格化的處理，獲得不同評(píng)價(jià)指標(biāo)值相應(yīng)的隸屬度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度值確定指標(biāo)權(quán)向量。將指標(biāo)權(quán)向量代入危險(xiǎn)性初步評(píng)價(jià)的模糊識(shí)別模型中，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害文獻(xiàn)性進(jìn)行分類。將分類問(wèn)題表示為：依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分類基準(zhǔn)隸屬度矩陣S對(duì)m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度描述的樣本j進(jìn)行評(píng)判。正常狀態(tài)下，地質(zhì)材料樣本j的第m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度不會(huì)均處于標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)隸屬度S相同指標(biāo)隸屬度基準(zhǔn)范圍內(nèi)。例如樣品處于標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度矩陣S不同類別的上、下限為a1、a2，會(huì)出現(xiàn)1≤a2

(2)

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的樣本j的m個(gè)指標(biāo)的權(quán)向量為：

(3)

利用歐式距離計(jì)算樣本j與第h分類之間的差異，即：

(4)

為了凸顯j與第h分類之間的差異，利用公式(1)中樣本j對(duì)第h個(gè)分類的隸屬度uhj來(lái)計(jì)算加權(quán)后的歐式距離：

(5)

在計(jì)算歐式距離前需要求解最優(yōu)類別隸屬度向量，分類優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)可設(shè)定為：使地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性描述樣本j對(duì)于類別上下限是a1、a2的加權(quán)廣義歐式距離平方和為最小，即：

(6)

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性類別的最優(yōu)化問(wèn)題的約束條件為：

(7)

構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：

(8)

(9)

(10)

由公式(8)得到：

(11)

聯(lián)立式(9)和式(10)可得：

(12)

將公式(11)代入公式(8)中可獲得：

(13)

式中：h=a1,a1+1,…,a2；序號(hào)k可以間斷。

2 評(píng)價(jià)模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)模型的綜合有效性，以某風(fēng)電場(chǎng)為例，采用Arc GIS軟件的空間疊加模塊將上述評(píng)價(jià)因子疊加，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性類型進(jìn)行劃分。分類結(jié)果如圖1和表2所示。

圖1 某風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性劃分

危險(xiǎn)性分級(jí)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)災(zāi)害比例/%分區(qū)面積/km2分區(qū)比例/%地質(zhì)災(zāi)害密度/%極高危險(xiǎn)區(qū)126047.88675.82.865.08高危險(xiǎn)區(qū)75228.572629.511.119.67中危險(xiǎn)區(qū)54220.597146.730.17.94低危險(xiǎn)區(qū)732.778684.736.51.00極低危險(xiǎn)區(qū)50.194629.919.50.14

本文對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果為極高危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)、極低危險(xiǎn)區(qū)這5類。

(1)極高危險(xiǎn)區(qū)所占面積為675.8 km2，占總研究區(qū)面積的2.8%。區(qū)域內(nèi)河流侵蝕比較嚴(yán)重，地形起伏程度較大，周圍巖體易破碎，此區(qū)域內(nèi)人口較為密集，同時(shí)也是風(fēng)電機(jī)組、公路等分布較為密集的區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)分布地質(zhì)災(zāi)害1 260處。

(2)高危險(xiǎn)區(qū)所占面積為2 629.5 km2，占總研究區(qū)面積11.1%，區(qū)域內(nèi)河流侵蝕比較嚴(yán)重，地形的起伏程度較大，巖體易破碎，這個(gè)地帶也是人類活動(dòng)較為頻繁的地帶，也存在著耕地、公路、橋梁等密集區(qū)域。區(qū)域內(nèi)分布地質(zhì)災(zāi)害有752處。

(3)中危險(xiǎn)區(qū)所占面積為7 146.7 km2，是總研究區(qū)面積的30.1%，此地區(qū)地形起伏程度較大、有較長(zhǎng)的水系主干和河道，人們利用區(qū)域土地發(fā)展農(nóng)業(yè)，人類活動(dòng)頻繁破壞地區(qū)嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)分布地質(zhì)災(zāi)害有542處。

(4)低危險(xiǎn)區(qū)所占面積是8 684.7 km2，是總研究區(qū)面積的36.5%，區(qū)域內(nèi)主要以林地、草地和耕地等半農(nóng)半牧為主。地形較為平緩，人類活動(dòng)影響不嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)分布地質(zhì)災(zāi)害有73處。

(5)極低危險(xiǎn)區(qū)所占地面積是4 629.9 km2，是總研究區(qū)面積的19.5%。該區(qū)域以林業(yè)和高山草地、河流源頭，植被覆蓋較茂盛。人類活動(dòng)大多以牧業(yè)為主要?jiǎng)趧?dòng)力，人類活動(dòng)影響微弱。

通過(guò)Matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真，本文的模型評(píng)估曲線與實(shí)際曲線如圖2所示。從圖2可知，基于模糊數(shù)學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估模型給出的危險(xiǎn)性等級(jí)與實(shí)際評(píng)估區(qū)域危險(xiǎn)性等級(jí)接近相同，評(píng)估誤差較?。灰源_定的災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系為基礎(chǔ)，結(jié)合模糊最優(yōu)識(shí)別理論構(gòu)建了危險(xiǎn)性初步評(píng)價(jià)的模糊識(shí)別模型，根據(jù)該模型評(píng)估某風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性，使得最終的評(píng)估結(jié)果更準(zhǔn)確，能夠從大量的評(píng)估結(jié)果中去除一些不可信的評(píng)估數(shù)據(jù)，保證了最終的評(píng)估精度。

圖2 模型評(píng)價(jià)精度

3 結(jié)論及其討論

針對(duì)傳統(tǒng)評(píng)估模型均依賴于客觀數(shù)據(jù)，忽略了專家經(jīng)驗(yàn)在確定權(quán)重的重要性，導(dǎo)致評(píng)價(jià)精度低的問(wèn)題，本文提出一種基于模糊數(shù)學(xué)的風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)地貌和人類活動(dòng)范圍等眾多影響因素進(jìn)行分析，以坡的幅度、巖石的穩(wěn)定性、地震、降水、河流域?yàn)樵u(píng)價(jià)因子，采用模糊數(shù)學(xué)理論給出災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，接著結(jié)合模糊最優(yōu)識(shí)別理論分類某風(fēng)電場(chǎng)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性。最終的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，該風(fēng)電場(chǎng)的地質(zhì)災(zāi)害主要分布在人口密集區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害較為集中，危害性比較大。中、高山地的地質(zhì)災(zāi)害則較少，危險(xiǎn)性較小。由此來(lái)看，人口密集地是極高和高危險(xiǎn)地帶，災(zāi)害比率較高，高達(dá)76%，分區(qū)面積較小，是總研究區(qū)面積14%，地質(zhì)災(zāi)害密度為42處。中、高山地的農(nóng)牧業(yè)區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害是中-低-極低分布，地質(zhì)災(zāi)害數(shù)是620處，災(zāi)害比率較低，為24%，分區(qū)面積較大，是全區(qū)面積的86%。

通過(guò)上述實(shí)例結(jié)果表明，本文的評(píng)價(jià)模型評(píng)估精度相對(duì)較高，簡(jiǎn)便實(shí)用。