李倩,楊志全*,楊溢,朱穎彥,李成壯,張智偉

(1.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院,昆明 650093;2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041)

泥石流是山區(qū)最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，一旦發(fā)生不僅會(huì)造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，而且對(duì)發(fā)生區(qū)的生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的毀壞，導(dǎo)致生態(tài)平衡被打破，在之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間都難以恢復(fù)成以前的狀態(tài)[1]。因此，對(duì)山區(qū)泥石流的危險(xiǎn)評(píng)估就顯得尤為重要。泥石流的致災(zāi)因素多且復(fù)雜，加之這些因素隨不同的環(huán)境產(chǎn)生的影響不盡相同，即具有一定的隨機(jī)性與模糊性，從而很難對(duì)泥石流進(jìn)行定量的危險(xiǎn)評(píng)估。

對(duì)于山區(qū)泥石流危險(xiǎn)評(píng)估問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者采取灰色關(guān)聯(lián)法[2,3]、層次分析法[4]、遙感與GIS評(píng)價(jià)法[5-8]、模糊綜合評(píng)判法[9]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]等方法對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估，這些方法雖然能得出較好的結(jié)果，但同樣存在主觀性較強(qiáng)以及信息丟失，造成結(jié)果有較大的偏差。由此，本文采用遺傳算法改進(jìn)層次分析法獲取指標(biāo)權(quán)重，再利用云物元分析，從而建立山區(qū)泥石流危險(xiǎn)評(píng)估模型。將此模型運(yùn)用到云南巧家縣某泥石流案例中，其評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況保持一致，說(shuō)明該模型在評(píng)估山區(qū)泥石流危險(xiǎn)方面具有客觀性。

1 研究方法

1.1 云物元模型基本原理

物元模型可以充分反應(yīng)事物本質(zhì)與量的關(guān)系，從而描述客觀事物的發(fā)展過(guò)程。但是客觀事物并不是一成不變的，也存在一定的模糊性和不確定性。引入云模型，對(duì)物元分析進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)確定性與不確定性的互補(bǔ)，使得評(píng)估結(jié)果更為準(zhǔn)確[11]。

1.2 云物元模型的計(jì)算步驟

1.2.1 構(gòu)建待評(píng)物元

物元一般表示為R=(N,c,v)，其中，N表示事物的名稱；c表示事物的性質(zhì)；v表示事物性質(zhì)c的量值，如果一個(gè)事物具有的特征不是單一的，那么就可以用物元表示為:

(1)

1.2.2 確定待評(píng)物元的標(biāo)準(zhǔn)云

將評(píng)估指標(biāo)因素分級(jí)，對(duì)于評(píng)估等級(jí)存在上下限的區(qū)間數(shù)區(qū)間[cmin,cmax]，標(biāo)準(zhǔn)云的云參數(shù)計(jì)算式為：

(2)

(3)

He=s

(4)

式中,Ex為期望；En為熵；He為超熵；S為常數(shù)(根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性取值)。

由此，云物元模型的表達(dá)式可以寫成：

(5)

1.2.3 關(guān)聯(lián)度函數(shù)的計(jì)算

關(guān)聯(lián)函數(shù)是將評(píng)估指標(biāo)轉(zhuǎn)化適用于云模型中的重要數(shù)據(jù)，引入云模型，那么物元分析方法中的關(guān)聯(lián)度函數(shù)將不再使用。云物元模型的關(guān)聯(lián)度計(jì)算方法如下所示:

(1) 根據(jù)式(2)～(4)計(jì)算出云的數(shù)字特征(Exi,Eni,Hei)。

(3) 令數(shù)值x為其中一個(gè)云滴，計(jì)算此云滴x隸屬于該等級(jí)的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式為：

(6)

(4) 計(jì)算綜合關(guān)聯(lián)度，然后判定評(píng)估等級(jí)：危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)屬于等級(jí)j的綜合關(guān)聯(lián)度為:

(7)

評(píng)估等級(jí)判定：若Kk(U)=maxKj(U)，則評(píng)估等級(jí)將會(huì)判定為k級(jí)。

2 建立模型

2.1 構(gòu)建山區(qū)泥石流危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[12-14]以及泥石流勘察規(guī)范，采用德?tīng)柗品╗15]對(duì)山區(qū)泥石流危險(xiǎn)的主要影響因素進(jìn)行識(shí)別與篩選，分為主要危險(xiǎn)因子和次要危險(xiǎn)因子兩大類。這一過(guò)程結(jié)合泥石流災(zāi)害自身特性以及收集整理資料所要求的系統(tǒng)性、全面性，如表1。

表1 泥石流危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

2.2 山區(qū)泥石流危險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算

2.2.1 確定判斷矩陣

依據(jù)表1，結(jié)合實(shí)際調(diào)查，建立一、二級(jí)指標(biāo)判斷矩陣。一級(jí)評(píng)估指標(biāo)的判斷矩陣如下：

二級(jí)評(píng)估指標(biāo)的判斷矩陣如下：

2.2.2 計(jì)算權(quán)重和組合權(quán)重以及一致性檢驗(yàn)

由判斷矩陣B，B1，B2中的比較元素兩兩相比，根據(jù)遺傳層次分析法計(jì)算出被比較元素對(duì)于該層次的相對(duì)權(quán)重和一致性指標(biāo)函數(shù)值。然后計(jì)算各層次的總排序權(quán)重，并進(jìn)行排序。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 評(píng)估指標(biāo)權(quán)重

2.2.3 泥石流危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)分級(jí)

根據(jù)泥石流勘察規(guī)范以及防災(zāi)減災(zāi)對(duì)相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求，參考國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)小流域泥石流危險(xiǎn)等級(jí)的研究成果，劃分小流域泥石流危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)等級(jí)。對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行對(duì)稱不等分間隔的五級(jí)分割法進(jìn)行打分，分為5個(gè)等級(jí)：極低危險(xiǎn)、低危險(xiǎn)、中等危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)、極高危險(xiǎn)，見(jiàn)表3。

表3 泥石流危險(xiǎn)指標(biāo)分級(jí)

將泥石流危險(xiǎn)等級(jí)界線看做一個(gè)雙約束空間[Cmin,Cmax]，利用(2)～(4)式得出泥石流個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)云模型，見(jiàn)表4。表中s結(jié)合相應(yīng)指標(biāo)的模糊性和隨機(jī)性取值，及s=0.01。

表4 泥石流危險(xiǎn)指標(biāo)的等級(jí)界線云模型

3 模型的應(yīng)用與驗(yàn)證

以云南省巧家縣某泥石流災(zāi)害為例，根據(jù)前人的研究[15]以及實(shí)地考查，收集相關(guān)的資料和數(shù)據(jù)，確定各泥石流溝的二級(jí)評(píng)估指標(biāo)值如表5所示。

由表2～表5，代入公式(2)～公式(6)，利用MATLAB計(jì)算該3條溝泥石流災(zāi)害案例的評(píng)估指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度以及綜合關(guān)聯(lián)度。由于篇幅限制，文中只列出1號(hào)溝的二級(jí)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度以及3條溝的綜合關(guān)聯(lián)度，見(jiàn)表6和表7。

表5 二級(jí)評(píng)估指標(biāo)值

表6 1號(hào)溝二級(jí)指標(biāo)的各危險(xiǎn)等級(jí)關(guān)聯(lián)度

表7 各泥石流溝的綜合關(guān)聯(lián)度

根據(jù)表7和(7)式，可以得出各泥石流溝的危險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)，見(jiàn)表8。

表8 各泥石流溝的危險(xiǎn)等級(jí)

根據(jù)表7和表8結(jié)果顯示，1號(hào)溝的綜合關(guān)聯(lián)度Kk(1)=0.402 631 706，為高危險(xiǎn)泥石流溝，2號(hào)溝的綜合關(guān)聯(lián)度Kk(2)=0.317 758 12為高危險(xiǎn)泥石流溝，3號(hào)溝的綜合關(guān)聯(lián)度Kk(3=0.388 235 693，為中等危險(xiǎn)泥石流溝。3條溝都具有一定的危險(xiǎn)性，尤其注意1，2號(hào)溝，除正常的災(zāi)害監(jiān)測(cè)以外，還需要對(duì)其進(jìn)行合理的防治，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的效果。

本文所得的結(jié)果與文獻(xiàn)所得的結(jié)果相一致，驗(yàn)證該模型對(duì)于泥石流危險(xiǎn)評(píng)估具有適用性和有效性，為相關(guān)的工作提供支持。

4 結(jié)論

(1) 運(yùn)用德?tīng)柗品▽?duì)山區(qū)泥石流危險(xiǎn)的主要影響因素進(jìn)行識(shí)別與篩選，分為主要危險(xiǎn)因子和次要危險(xiǎn)因子兩大類。其中，主要危險(xiǎn)因子細(xì)化為2項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，次要危險(xiǎn)因子細(xì)化為9項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)，構(gòu)建了山區(qū)泥石流危險(xiǎn)指標(biāo)體系。

(2) 將云模型與物元分析理論相結(jié)合，規(guī)避了評(píng)估因素的隨機(jī)性和模糊性，使評(píng)價(jià)結(jié)果更具客觀性。

(3) 以云南省巧家縣某3條泥石流溝作為評(píng)估對(duì)象，將本文使用的方法與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的危險(xiǎn)評(píng)估方法以及實(shí)際情況相比較，所得出的結(jié)果相一致，證明該模型也適用于山區(qū)泥石流危險(xiǎn)評(píng)估。