王星薈，孟凡奇

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢　430074；2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東 濟(jì)南　250014)

可拓學(xué)在濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王星薈1，孟凡奇2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074；2.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，山東 濟(jì)南250014)

介紹了可拓學(xué)的基本理論，并應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃分。選取了巖土體類型、地形坡度、地質(zhì)構(gòu)造、已有災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度、多年平均降雨量為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用層次分析法獲得了評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，建立了基于可拓學(xué)理論的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型。以濟(jì)南市為例，對(duì)可拓學(xué)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，該方法獲得結(jié)果與實(shí)際情況吻合程度高，證明這一方法是切實(shí)可行的。

可拓學(xué)；地質(zhì)災(zāi)害；易發(fā)性評(píng)價(jià)；濟(jì)南

引文格式：王星薈，孟凡奇.可拓學(xué)在濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].山東國(guó)土資源，2015,31(4)：67-71. WANG Xinghui，MENG Fanqi. Application of Extension Method of Probability Evaluation of Geological Hazarads in Jinan City[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(4):67-71.

0　引言

我國(guó)的地質(zhì)災(zāi)害種類多、發(fā)災(zāi)頻率高、威脅人口多、造成經(jīng)濟(jì)損失大。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是地質(zhì)災(zāi)害防治工作的要點(diǎn)，其評(píng)價(jià)結(jié)果可為地方政府的地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃、預(yù)警預(yù)報(bào)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃等工作提供重要的科學(xué)依據(jù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多采用專家經(jīng)驗(yàn)法、打分法、綜合危險(xiǎn)性指數(shù)法、信息量法等方法進(jìn)行研究，并取得了豐碩的成果[1-5]。但是傳統(tǒng)方法受研究人員的專業(yè)知識(shí)水平不同造成對(duì)研究區(qū)認(rèn)知程度差異的影響，往往選用的評(píng)價(jià)模型運(yùn)算精度不高，造成評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際吻合程度較低的情況。因此建立一種既能通過將評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)分級(jí)來幫助研究者認(rèn)知地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度，又能提高評(píng)價(jià)精度的地質(zhì)災(zāi)害模型十分必要。

可拓學(xué)是以廣東工業(yè)大學(xué)的蔡文研究員為首的中國(guó)學(xué)者創(chuàng)立的新學(xué)科，該方法在泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)、邊坡穩(wěn)定性、以及工業(yè)、醫(yī)學(xué)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[6]。該文將可拓學(xué)運(yùn)用到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中，采取了層次分析法對(duì)易發(fā)性影響因子進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，構(gòu)建了基于可拓學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，并以濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害為例進(jìn)行驗(yàn)證。

1　可拓方法

1.1物元理論

可拓學(xué)理論是以事物、特征及事物關(guān)于該特征的量值三者所組成三元組，記作R(事物、特征、量值)[7]，可將諸多同征物元用簡(jiǎn)單的方法表示出來：

(1)

式中：R為n維物元；Ni為事物的名稱；ai為特征；vi為特征ai所對(duì)應(yīng)的量值，合稱為物元的三要素。

1.2確定經(jīng)典域

(2)

式中：N0j表示地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的第j(j=1，2，3，…，m)個(gè)等級(jí)；ci(i=1，2，3，…，n)表示地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)等級(jí)N0j的第j個(gè)評(píng)價(jià)因子；V0ji=為N0j關(guān)于因素ci所確定的量值范圍，即地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)各等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)因子所取的數(shù)據(jù)范圍——經(jīng)典域[8]。

1.3確定節(jié)域

(3)

式中：P為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)等級(jí)的全體；Vpi=為P關(guān)于因素ci所取量值的范圍，即P的節(jié)域。

1.4確定待評(píng)物元

對(duì)于待評(píng)p，把所收集到的地理信息數(shù)據(jù)或分析結(jié)果用物元表示，即得到待評(píng)物元R。

(4)

式中：p為待評(píng)的目標(biāo)區(qū)域，vi為p關(guān)于評(píng)價(jià)ci的量值，即待評(píng)區(qū)域的具體數(shù)據(jù)。

1.5確定權(quán)系數(shù)

該文采用層次分析法來進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，可按下面4個(gè)步驟進(jìn)行：建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣；層次單排序及一致性檢驗(yàn)；層次總排序及一致性檢驗(yàn)。其核心內(nèi)容是通過對(duì)因子進(jìn)行兩兩比較建立成對(duì)判斷矩陣，即每次取兩個(gè)因子xi和xj，以aij表示xi和xj對(duì)Z的影響大小之比，其全部比較結(jié)果用矩陣A=(aij)n×n表示。

1.6確定評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)vi關(guān)于各等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度為：

(5)

1.7待評(píng)物元關(guān)于各類別等級(jí)的關(guān)聯(lián)度

待評(píng)目標(biāo)p關(guān)于評(píng)價(jià)等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度為

(6)

1.8可拓評(píng)判等級(jí)

(7)

(8)

則稱j*為p的級(jí)別變量特征值，從j*中可看出偏向另一類的程度。

2　濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

2.1濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害概況

濟(jì)南市是山東省地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育的城市之一，地貌整體上呈南高北低之勢(shì)，南部地處泰山余脈為低山丘陵區(qū)，巖性以泰山巖群變質(zhì)巖和寒武-奧陶紀(jì)灰?guī)r為主，北部為黃河沖積平原區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2012年底，濟(jì)南市共有地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)230處，其中崩塌133處，滑坡32處，泥石流10處，地面塌陷54處，地裂縫1處，其中崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害點(diǎn)主要分布在濟(jì)南市南部的低山丘陵區(qū)，地面塌陷、地裂縫主要分布在地下礦產(chǎn)開采區(qū)和第四系覆蓋層較薄，且地下水位波動(dòng)較大的隱伏灰?guī)r區(qū)。

2.2評(píng)價(jià)思路

根據(jù)《縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求》將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)，濟(jì)南市底圖按照1km×1km單元格進(jìn)行劃分，每一個(gè)單元格視作一個(gè)待評(píng)物元，參考前人研究成果[9-10]，將每個(gè)單元格對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦值，運(yùn)用層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，構(gòu)建可拓學(xué)模型進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，確定其對(duì)應(yīng)的等級(jí)。

2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

根據(jù)濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，該市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度存在受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性影響較大，多由大氣降雨所引發(fā)，且在削坡修路建房的地區(qū)尤甚的情況，參考前人在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)時(shí)所總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，選取了巖土體類型、地形坡度、地質(zhì)構(gòu)造、已有災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度、多年平均降雨量共6個(gè)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值和單位不同，且有的指標(biāo)是非定量的，因此必須對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行量化處理，將定性和定量描述的指標(biāo)有機(jī)的結(jié)合起來，指標(biāo)量化值見表1。量化后將評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化處理，使數(shù)值滿足0～1之間，再參考其他文獻(xiàn)所劃定分類標(biāo)準(zhǔn)[11-13]，劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1　地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)可拓方法評(píng)價(jià)指標(biāo)量值

表2　地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)評(píng)價(jià)各指標(biāo)分類標(biāo)準(zhǔn)

2.4權(quán)重確定

該次研究中利用層次分析法來確定各因子的權(quán)重，根據(jù)層次分析法的基本步驟，將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為基礎(chǔ)因子、響應(yīng)因子和誘發(fā)因子，建立濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性各評(píng)價(jià)指標(biāo)的遞階模型(圖1)。

圖1　地質(zhì)災(zāi)害影響因子遞階層次模型

經(jīng)計(jì)算并通過一致性檢驗(yàn)，C1，C2，C3，C4，C5，C6的權(quán)重分別為0.285，0.082，0.203，0.140，0.194，0.096。

2.5確定經(jīng)典域及節(jié)域

根據(jù)表2數(shù)據(jù)確定經(jīng)典域R01，R02，R03，R04和節(jié)域Rp。

(1)經(jīng)典域

(9)

(10)

(11)

(12)

(2)節(jié)域

(13)

2.6可拓學(xué)評(píng)價(jià)

將濟(jì)南市按照1km×1km劃分的每一個(gè)單元格作為一個(gè)待評(píng)單元，對(duì)其每一項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行量化賦值，根據(jù)表2、表3和所有待評(píng)物元及經(jīng)典域、節(jié)域、層次分析法確定權(quán)重系數(shù)，進(jìn)行編程計(jì)算，獲得每個(gè)單元的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度可拓學(xué)評(píng)價(jià)結(jié)果。例如某一單元格的數(shù)據(jù)為：

(14)

經(jīng)判定，R1為Ⅲ級(jí)，對(duì)應(yīng)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)級(jí)別為中易發(fā)區(qū)。通過可拓學(xué)模型計(jì)算研究區(qū)內(nèi)的所有單元格的易發(fā)等級(jí)，從而獲得濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評(píng)價(jià)圖(圖2)。

圖2　濟(jì)南市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖

2.7應(yīng)用分析

濟(jì)南市南部為低山丘陵區(qū)，具有地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育、災(zāi)害分布密度密集、地形高差大、災(zāi)害發(fā)育程度較大的特點(diǎn)，與地質(zhì)災(zāi)害中、低易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果相符合。濟(jì)南北部地區(qū)地形平坦，受地形地貌影響，崩塌滑坡泥石流不發(fā)育，雖有地下采礦和地下水集中開采活動(dòng)，但形成的地面塌陷、地裂縫災(zāi)害點(diǎn)少，與地質(zhì)災(zāi)害低發(fā)育和不易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果吻合程度較高。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果和實(shí)地發(fā)育情況吻合程度高，證明了選取的評(píng)價(jià)因子和權(quán)重的賦值是合理的，也對(duì)應(yīng)了濟(jì)南地質(zhì)災(zāi)害整體上發(fā)育程度不高，災(zāi)害易發(fā)性南強(qiáng)北弱的特點(diǎn)。

值得注意的是，受地理位置的影響，其他地區(qū)在選取地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子和權(quán)重賦值時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整因子數(shù)量和權(quán)重大小。

3　結(jié)論

該文利用可拓學(xué)評(píng)價(jià)理論，將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)因子進(jìn)行了合理分級(jí)，并提高了研究者對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況的認(rèn)識(shí)程度。建立了基于可拓學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，并運(yùn)用于濟(jì)南地區(qū)。研究結(jié)果表明,該方法確定的評(píng)價(jià)等級(jí)真實(shí)地反映了該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度,評(píng)價(jià)精度較高,應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)是可行的、可靠的。

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ApplicationofExtensionMethodofProbabilityEvaluationofGeologicalHazaradsinJinanCity

WANGXinghui，MENGFanqi

(1.EnvironmentCollegeofChinaUniversityofGeosciences,HubeiWuhan430074，China；2.ShandongMonitoringCenterofGeologicalEnvironment,ShandongJinan250014,China)

Basictheoryofextensionmethodisintroducedinthispaper.Itcanbeappliedingeologicalhazardprobabilityofoccurrenceassessment.Selectingrocksoilmasstypes,hillslope,geologicalstructure,thenumberofdisaster,intensityofhumanengineeringactivityandmulti-yearaverageprecipitationastheevaluationindexs,usingthemethodofanalytichierarchyprocessforweightvalue,susceptibilityevaluationmodelhasbeenestablishedbasedonextensiontheoryofgeologicaldisaster.TakingJi'nancityasanexample,theextensionevaluationmodelisusedtovalidatetheresults.Theresultsobtainedbyusingthismethodcanagreewiththeactualsituationhighly.Itisprovedthatthismethodisfeasible.

extensiontheory；geologicalhazard；evaluationofprobabilityofoccurrence；Jinancity

2014-06-18；

2014-09-29；編輯：曹麗麗

王星薈(1994—)，女，江蘇高郵人，在校學(xué)生，地下水科學(xué)與工程專業(yè)；E-mail：619637319@qq.com

TD854.6

B