王星薈，孟凡奇

(1.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢　430074；2.山東省地質環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟南　250014)

可拓學在濟南市地質災害易發(fā)性評價中的應用

王星薈1，孟凡奇2

(1.中國地質大學(武漢)環(huán)境學院，湖北 武漢430074；2.山東省地質環(huán)境監(jiān)測總站，山東 濟南250014)

介紹了可拓學的基本理論，并應用于地質災害易發(fā)性劃分。選取了巖土體類型、地形坡度、地質構造、已有災害點數(shù)量、人類工程活動強度、多年平均降雨量為地質災害易發(fā)性評價指標，運用層次分析法獲得了評價指標的權重值，建立了基于可拓學理論的地質災害易發(fā)性評價模型。以濟南市為例，對可拓學模型的評價結果進行驗證，該方法獲得結果與實際情況吻合程度高，證明這一方法是切實可行的。

可拓學；地質災害；易發(fā)性評價；濟南

引文格式：王星薈，孟凡奇.可拓學在濟南市地質災害易發(fā)性評價中的應用[J].山東國土資源，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

我國的地質災害種類多、發(fā)災頻率高、威脅人口多、造成經濟損失大。地質災害易發(fā)性評價是地質災害防治工作的要點，其評價結果可為地方政府的地質災害防治規(guī)劃、預警預報、經濟發(fā)展規(guī)劃等工作提供重要的科學依據(jù)。國內外學者多采用專家經驗法、打分法、綜合危險性指數(shù)法、信息量法等方法進行研究，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)知識水平不同造成對研究區(qū)認知程度差異的影響，往往選用的評價模型運算精度不高，造成評價結果與實際吻合程度較低的情況。因此建立一種既能通過將評價因子數(shù)據(jù)分級來幫助研究者認知地質災害發(fā)育程度，又能提高評價精度的地質災害模型十分必要。

可拓學是以廣東工業(yè)大學的蔡文研究員為首的中國學者創(chuàng)立的新學科，該方法在泥石流危險度評價、邊坡穩(wěn)定性、以及工業(yè)、醫(yī)學經濟等領域應用十分廣泛[6]。該文將可拓學運用到地質災害易發(fā)性評價中，采取了層次分析法對易發(fā)性影響因子進行權重計算，構建了基于可拓學的地質災害易發(fā)性評價模型，并以濟南市地質災害為例進行驗證。

1　可拓方法

1.1物元理論

可拓學理論是以事物、特征及事物關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所對應的量值，合稱為物元的三要素。

1.2確定經典域

(2)

式中：N0j表示地質災害易發(fā)性評價的第j(j=1，2，3，…，m)個等級；ci(i=1，2，3，…，n)表示地質災害易發(fā)性評價等級N0j的第j個評價因子；V0ji=為N0j關于因素ci所確定的量值范圍，即地質災害易發(fā)性評價各等級關于對應的評價因子所取的數(shù)據(jù)范圍——經典域[8]。

1.3確定節(jié)域

(3)

式中：P為地質災害易發(fā)性評價等級的全體；Vpi=為P關于因素ci所取量值的范圍，即P的節(jié)域。

1.4確定待評物元

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

(4)

式中：p為待評的目標區(qū)域，vi為p關于評價ci的量值，即待評區(qū)域的具體數(shù)據(jù)。

1.5確定權系數(shù)

該文采用層次分析法來進行權重計算，可按下面4個步驟進行：建立遞階層次結構模型；構造出各層次中的所有判斷矩陣；層次單排序及一致性檢驗；層次總排序及一致性檢驗。其核心內容是通過對因子進行兩兩比較建立成對判斷矩陣，即每次取兩個因子xi和xj，以aij表示xi和xj對Z的影響大小之比，其全部比較結果用矩陣A=(aij)n×n表示。

1.6確定評價指標關于各等級的關聯(lián)度

各單項評價指標vi關于各等級j的關聯(lián)度為：

(5)

1.7待評物元關于各類別等級的關聯(lián)度

待評目標p關于評價等級j的關聯(lián)度為

(6)

1.8可拓評判等級

(7)

(8)

則稱j*為p的級別變量特征值，從j*中可看出偏向另一類的程度。

2　濟南市地質災害易發(fā)性評價

2.1濟南市地質災害概況

濟南市是山東省地質災害較發(fā)育的城市之一，地貌整體上呈南高北低之勢，南部地處泰山余脈為低山丘陵區(qū)，巖性以泰山巖群變質巖和寒武-奧陶紀灰?guī)r為主，北部為黃河沖積平原區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，截至2012年底，濟南市共有地質災害點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、泥石流災害點主要分布在濟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開采區(qū)和第四系覆蓋層較薄，且地下水位波動較大的隱伏灰?guī)r區(qū)。

2.2評價思路

根據(jù)《縣市地質災害調查與區(qū)劃基本要求》將地質災害易發(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)，濟南市底圖按照1km×1km單元格進行劃分，每一個單元格視作一個待評物元，參考前人研究成果[9-10]，將每個單元格對應的評價指標進行賦值，運用層次分析法對評價指標進行賦權，構建可拓學模型進行分析評價，確定其對應的等級。

2.3評價指標確定

根據(jù)濟南市地質災害實地調查中發(fā)現(xiàn)，該市地質災害發(fā)育程度存在受地形地貌、地質構造、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，參考前人在地質災害易發(fā)性評價時所總結的經驗，選取了巖土體類型、地形坡度、地質構造、已有災害點數(shù)量、人類工程活動強度、多年平均降雨量共6個地質災害易發(fā)性評價指標。由于各個評價指標的數(shù)值和單位不同，且有的指標是非定量的，因此必須對所有指標進行量化處理，將定性和定量描述的指標有機的結合起來，指標量化值見表1。量化后將評價指標歸一化處理，使數(shù)值滿足0～1之間，再參考其他文獻所劃定分類標準[11-13]，劃分標準見表2。

表1　地質災害易發(fā)性分區(qū)可拓方法評價指標量值

表2　地質災害易發(fā)評價各指標分類標準

2.4權重確定

該次研究中利用層次分析法來確定各因子的權重，根據(jù)層次分析法的基本步驟，將評價指標分為基礎因子、響應因子和誘發(fā)因子，建立濟南市地質災害易發(fā)性各評價指標的遞階模型(圖1)。

圖1　地質災害影響因子遞階層次模型

經計算并通過一致性檢驗，C1，C2，C3，C4，C5，C6的權重分別為0.285，0.082，0.203，0.140，0.194，0.096。

2.5確定經典域及節(jié)域

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

(1)經典域

(9)

(10)

(11)

(12)

(2)節(jié)域

(13)

2.6可拓學評價

將濟南市按照1km×1km劃分的每一個單元格作為一個待評單元，對其每一項指標進行量化賦值，根據(jù)表2、表3和所有待評物元及經典域、節(jié)域、層次分析法確定權重系數(shù)，進行編程計算，獲得每個單元的地質災害易發(fā)程度可拓學評價結果。例如某一單元格的數(shù)據(jù)為：

(14)

經判定，R1為Ⅲ級，對應的地質災害易發(fā)級別為中易發(fā)區(qū)。通過可拓學模型計算研究區(qū)內的所有單元格的易發(fā)等級，從而獲得濟南市地質災害易發(fā)性分區(qū)評價圖(圖2)。

圖2　濟南市地質災害易發(fā)性分區(qū)圖

2.7應用分析

濟南市南部為低山丘陵區(qū)，具有地質構造較發(fā)育、災害分布密度密集、地形高差大、災害發(fā)育程度較大的特點，與地質災害中、低易發(fā)區(qū)評價結果相符合。濟南北部地區(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，但形成的地面塌陷、地裂縫災害點少，與地質災害低發(fā)育和不易發(fā)區(qū)評價結果吻合程度較高。地質災害易發(fā)性評價結果和實地發(fā)育情況吻合程度高，證明了選取的評價因子和權重的賦值是合理的，也對應了濟南地質災害整體上發(fā)育程度不高，災害易發(fā)性南強北弱的特點。

值得注意的是，受地理位置的影響，其他地區(qū)在選取地質災害易發(fā)性評價因子和權重賦值時，應充分考慮當?shù)貙嶋H情況進行適當調整因子數(shù)量和權重大小。

3　結論

該文利用可拓學評價理論，將地質災害易發(fā)性評價因子進行了合理分級，并提高了研究者對評價區(qū)地質災害發(fā)育情況的認識程度。建立了基于可拓學的地質災害易發(fā)性評價模型，并運用于濟南地區(qū)。研究結果表明,該方法確定的評價等級真實地反映了該區(qū)地質災害易發(fā)程度,評價精度較高,應用于地質災害易發(fā)性評價是可行的、可靠的。

[1]張有全，宮輝力，李巧剛.基于GIS的北京市延慶縣地質災害易發(fā)性區(qū)域劃分[J].中國地質災害與防治學報，2006,17(4)：17-20.

[2]高治群，薛傳東，尹飛，等.基于GIS的信息量法及其地質災害易發(fā)性評價中應用-以滇中晉寧縣為例[J]．2010,46(6)：1112-1116.

[3]王哲,易發(fā)成.基于層次分析法的綿陽市地質災害易發(fā)性評價[J].自然災害學報，2009，18(1)：14-23.

[4]阮沈勇，黃潤秋．基于GIS的信息量法模型在地質災害危險性區(qū)劃中的應用[J]．成都理工學院學報，2001，28(1)：89-92．

[5]霍艾迪，張俊，盧玉東，等.地質災害易發(fā)性評價單元劃分方法——以陜西省黃陵縣為例[J]．吉林大學學報(地球科學版)，2011，41(2)：58-64.

[6]蔡文,楊春燕,林偉初.可拓工程方法[M].北京:科學出版社,2000.

[7]蔡文,楊春燕,王光華.一門新的交叉學科——可拓學[J].中國科學基金,2004,(5):268-272.

[8]蔡文.可拓論及其應用[J].科學通報,1999,44(7):673-682.

[9]王學，張阻陸，張超，等.山東省地質環(huán)境質量評價研究[J].山東國土資源，2011，27(8)：14-17.

[10]張以晨,佴磊,孟凡奇，等.基于最優(yōu)組合賦權理論的可拓學評價模型在地質災害易發(fā)區(qū)劃分中的應用[J].吉林大學學報(地球科學版)，2011，41(4)：1110-1115.

[11]尚敏,陳劍平,王征亮，等.向家河大橋庫岸地質災害危險性分區(qū)的可拓學評價[J].巖土力學,2007,28(11):2445-2450.

[12]謝曉娟．地質環(huán)境條件及誘發(fā)因素在地質災害易發(fā)分區(qū)中定量化評價初探[J]．探礦工程，2003，(增刊)：93-95．

[13]呂勇，李高良，張貴，等.彝良縣地質災害分布特征及防治建議[J].中國巖溶，2009，28(2)：219-224.

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，在校學生，地下水科學與工程專業(yè)；E-mail：619637319@qq.com

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