孫才華,范小光,劉 強(qiáng),方 林

(1.國網(wǎng)河南省電力公司,河南 鄭州 450052; 2.中國電建集團(tuán)河南省電力勘測設(shè)計(jì)院有限公司,河南 鄭州 450007;3.河南省自然資源監(jiān)測和國土整治院,河南 鄭州 450000)

電網(wǎng)工程安全對保障國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生具有十分重要的意義[1-3]。河南省地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,北部、西部、南部多為山地丘陵地形,滑坡、崩塌及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害較多,東部平原地區(qū)分布著物理力學(xué)性質(zhì)較差且地域性較強(qiáng)的特殊土,這些特殊巖土在地表水徑流、地下水和大氣降水等條件下,易于產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。加上近幾年來極端天氣的頻繁出現(xiàn),使得復(fù)雜地質(zhì)條件下各種地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率大幅提高,對電網(wǎng)工程規(guī)劃建設(shè)造成的影響也日趨嚴(yán)重[4-6]。因此,有必要在電網(wǎng)工程規(guī)劃選址前進(jìn)行區(qū)域性地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)。

地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)種分布、災(zāi)害生成制約因素、災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間與空間規(guī)律都具有較強(qiáng)的區(qū)域特征[7]。劉厚健等[8-9]歸納總結(jié)750 kV官亭—蘭州東輸電線路主要地質(zhì)問題主要包括構(gòu)造穩(wěn)定性、滑坡、泥石流、地裂縫、濕陷性等;李學(xué)豐等[10-11]對750 kV蘭州—銀川輸電線路的工程地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了評價(jià),并指出黃土的濕陷性是該線的主要工程地質(zhì)問題;高文龍[12]指出采空區(qū)穩(wěn)定變形對山西境內(nèi)電網(wǎng)工程安全性的影響非常大。青?！鞑仉娋W(wǎng)工程的選線則主要考慮的是凍土和厚層地下冰的分布發(fā)育規(guī)律[13-14]。因此地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)往往需要根據(jù)電網(wǎng)工程所在區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn),對評價(jià)方法、評價(jià)指標(biāo)、指標(biāo)權(quán)重及風(fēng)險(xiǎn)等級等方面進(jìn)行調(diào)整[15-17]。馮治學(xué)等[18]針對玉溪市電網(wǎng)遭受地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)選取了7個評價(jià)指標(biāo),采用AHP和熵值法計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,并利用聚類分析法對電網(wǎng)地質(zhì)災(zāi)害脆弱性評價(jià)分級;黃冬梅等[19]利用空間插值、自然間斷點(diǎn)分級方法得到地質(zhì)災(zāi)害危害程度,然后通過主觀和客觀賦權(quán)相結(jié)合的方法確定各個影響因子的權(quán)重,通過采用Dijkstra算法得到最優(yōu)輸電線路路徑。

本文針對河南省的地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn),綜合相關(guān)勘察數(shù)據(jù),詳細(xì)分析影響河南省電網(wǎng)工程建設(shè)和安全運(yùn)行的不良地質(zhì)災(zāi)害因素,建立河南省電網(wǎng)工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系,并開展不良地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)研究,研究結(jié)果將對河南省電網(wǎng)工程區(qū)域規(guī)劃及防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

河南省地形地貌如圖1所示。河南省境內(nèi)平原和盆地、山地、丘陵分別占總面積的55.7%、26.6%、17.7%。靈寶市境內(nèi)的老鴉岔為全省最高峰,海拔2 413.8 m;最低處在固始縣的淮河出省處,僅23.2 m。省內(nèi)地勢總體上西高東低,東部為黃淮海平原,地勢較為平坦,西北部為太行山地,南部主要是豫南山地,西部為豫西山地。河南省境內(nèi)河流眾多,分屬黃河、淮河、長江及海河水系,由西向北、東、南呈放射狀分流。

圖1 河南省地形地貌Fig.1 Topography and landform of Henan Province

2 評價(jià)指標(biāo)模型建立

2.1 評價(jià)方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型一種優(yōu)秀的機(jī)器學(xué)習(xí)模型,被廣泛地應(yīng)用于各類地質(zhì)危險(xiǎn)性評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評估中[20],其流程圖如圖2所示。

圖2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)模型流程[21]Fig.2 Flow chart of artificial neural network evaluation model

本文運(yùn)用newff函數(shù)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般分為輸入層、隱含層和輸出層,各層之間通過節(jié)點(diǎn)間的連接權(quán)值依次連接。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程主要有兩個過程組成,分別是信號的正向傳輸和誤差反向傳輸。其中各指標(biāo)信號正向傳播,在輸入層輸入后,經(jīng)過隱含層處理后到達(dá)輸出層。若在輸出層輸出的誤差過大,則需要把誤差反向傳播調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值,使得誤差達(dá)到最小偏差信號。

2.2 評價(jià)指標(biāo)選取

評價(jià)指標(biāo)體系的建立是開展災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)評價(jià)工作非常重要的一步。在綜合分析河南省不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上,結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出河南省電網(wǎng)工程災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)可以分為主導(dǎo)指標(biāo)、觸發(fā)指標(biāo)和潛在指標(biāo),如圖3所示。①主導(dǎo)指標(biāo)。主導(dǎo)指標(biāo)指對不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生起控制作用的指標(biāo),主要包括地形地貌、巖土體類型、水文地質(zhì)條件和地質(zhì)構(gòu)造等。②觸發(fā)指標(biāo)。觸發(fā)指標(biāo)指能誘發(fā)不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要指標(biāo)。常見有地震、降雨和人類工程活動等,人工工程活動主要包括植被覆蓋率、礦山和交通建設(shè)的情況。③潛在指標(biāo)。潛在指標(biāo)是根據(jù)已發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)度來分析來今后地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的潛在危險(xiǎn)性,主要考慮以往地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模和數(shù)量,常用災(zāi)害點(diǎn)密度來表示。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Index system of risk evaluation for geological hazard

3 評價(jià)指標(biāo)模型建立

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)單元劃分

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)單元的劃分計(jì)算結(jié)果具有很大影響?？紤]到柵格數(shù)據(jù)可以以矩陣的形式存儲在計(jì)算機(jī)中使得運(yùn)算更準(zhǔn)確迅速,因此本次采用柵格單元作為評價(jià)單元,根據(jù)經(jīng)緯度在1∶50萬圖上對河南省國土面積進(jìn)行單元網(wǎng)格剖分,剖分規(guī)格為0.6′×0.6′,剖分精度大致相當(dāng)于1.1 km×1.3 km,共將全省剖分為163 504個單元格,以每個柵格單元作為一個最小的危險(xiǎn)性評價(jià)單元,如圖4所示。

圖4 河南省網(wǎng)格剖分Fig.4 Grid division map of Henan Province

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)量化

考慮到工程地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)指標(biāo)中既有定量指標(biāo),還有定性指標(biāo),且各種指標(biāo)間的單位差異較大,無法綜合評價(jià)同一目標(biāo)。因此在評價(jià)計(jì)算前需要對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。對于定量指標(biāo)可采用公式(1)將指標(biāo)的數(shù)值進(jìn)行歸一化處理,將定量指標(biāo)進(jìn)行分級賦值。針對定性指標(biāo),可以根據(jù)指標(biāo)大小與危險(xiǎn)性的關(guān)系進(jìn)行歸一化賦值,離地質(zhì)構(gòu)造、水系中心線和礦山越近,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性越大,歸一化賦值趨于1,反之賦值趨于0。

式中,x′為評價(jià)指標(biāo)歸一化處理后數(shù)值;max(xi)為評價(jià)指標(biāo)量化的最大值;min(xi)為評價(jià)指標(biāo)量化的最小值。

3.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

(1)災(zāi)害密度。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育密度可以反映出區(qū)域地理與地質(zhì)環(huán)境條件對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響程度。統(tǒng)計(jì)河南省滑坡、崩塌以及泥石流的發(fā)育情況,并進(jìn)行災(zāi)害點(diǎn)密度分析,并根據(jù)式(1)進(jìn)行歸一化處理,得到河南省滑坡、崩塌、泥石流的災(zāi)害密度歸一化分區(qū)圖,如圖5所示。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害密度歸一化分區(qū)Fig.5 Normalized zoning of geological hazard density

(2)坡高。坡高在某種意義上可以反映發(fā)生滑坡的危害程度。一般來說,斜坡越高,坡體的穩(wěn)定性就越差,發(fā)生滑坡的概率就越大。斜坡單元法劃分的每一個評價(jià)單元對應(yīng)一個斜坡坡高,河南省邊坡的最高高度可達(dá)1 383.54 m[21],然后進(jìn)行歸一化處理,如圖6(a)所示。

圖6 地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)指標(biāo)歸一化分區(qū)Fig.6 Normalized grading map of evaluation index of geological hazards

(3)坡度。陡峭的斜坡往往為崩塌滑坡的發(fā)生提供了有利的條件。研究區(qū)滑坡發(fā)生主要集中于坡度23°～53°,占比可58.21%,崩塌發(fā)生主要集中于坡度>61°,占比可達(dá)82.35%。圖6(b)為河南省斜坡坡度分布?xì)w一化圖。

(4)坡面曲率。坡面曲率可以反映坡型對地質(zhì)災(zāi)害的影響,坡面曲率可以采用河南省DEM高程模型直接提取,如圖6(c)所示。

(5)巖土體類型。地層巖性是地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ),一般來說,巖土體力學(xué)強(qiáng)度越高、完整性越好,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率越小。依據(jù)巖性的堅(jiān)硬程度以及完整性對每一巖土體賦值,河南省分布有巖漿巖、碳酸巖、碎屑巖、變質(zhì)巖、黏性土、砂性土、礫質(zhì)土和黃土類土,分別賦值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8,如圖6(d)所示。

(6)地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地段,巖體結(jié)構(gòu)相對較破碎,不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育數(shù)量較多。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布的實(shí)際情況,將斷裂影響范圍分5類,0～2.5、2.5～5、5～7.5、7.5～10、>10 km緩沖區(qū),分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,其歸一化分區(qū)圖如圖6(e)所示。

(7)河網(wǎng)水系。受到水動力作用的影響下,臨近河岸地帶易發(fā)生崩塌、滑坡等不良地質(zhì)災(zāi)害。以河網(wǎng)水系邊緣為軸線每隔0.5 km為一級向外側(cè)設(shè)置緩沖區(qū),即0～0.5、0.5～1、1～1.5、1.5～2、>2 km緩沖區(qū),分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,如圖6(f)所示。

(8)地震動峰值加速度。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)可以確定出河南省地震動峰值加速度分別為0.05g、0.10g、0.15g、0.20g,按照危險(xiǎn)性程度賦值為0.2、0.4、0.6、0.8,如圖6(g)所示。

(9)植被指數(shù)。植物的根莖有固定表層巖土體的作用,可以起到減緩坡面水流的流動速度和穩(wěn)固斜坡的作用。一般植被指數(shù)越大說明植被覆蓋程度越高,不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的程度越低。圖6(h)為河南省植被指數(shù)歸一化分區(qū)圖。

(10)降雨強(qiáng)度。降雨強(qiáng)度是誘發(fā)許多邊坡地質(zhì)災(zāi)害最直接的因素。河南省百年一遇24 h降雨量在150～600 mm,因此對降雨強(qiáng)度>400、300～400、200～300、<200 mm/d分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2,分布如圖6(i)所示。

(11)年均降雨量。年均降水量可以反映降雨的長期特征,有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),不良地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量隨年均降水量的增加而有所增大,河南省的年降雨量在500～1 300 mm,圖6(j)為年均降雨量歸一矢量化后的分區(qū)圖。

(12)路網(wǎng)密度。路網(wǎng)密度可以反映出人類工程活動的強(qiáng)弱。路網(wǎng)密度主要考慮一些重要道路,河南省交通密度歸一化處理后如圖6(k)所示。

(13)礦山分布。采礦形成的采空區(qū)易誘發(fā)地面沉降及地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害,從河南省1∶50萬地理地圖中提取礦山點(diǎn)狀地理實(shí)體,建立緩沖區(qū)進(jìn)行空間分析,確定礦山對落災(zāi)點(diǎn)的影響情況,對以下分級:0～250、250～500、500～750、750～1 000、>1 000 m緩沖區(qū),分別賦值0.8、0.6、0.4、0.2、0,如圖6(l)所示。

4 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果

評價(jià)計(jì)算主要通過計(jì)算機(jī)編程,將提取的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)歸一化后,作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層,在給定初始權(quán)值后,選擇典型的評價(jià)單元,并將其的定性評價(jià)結(jié)果作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,可以得出各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,見表1。

表1 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值Tab.1 Weights of evaluation index

5 地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評價(jià)結(jié)果

在ArcGIS軟件平臺下,構(gòu)建各影響指標(biāo)柵格圖層,利用空間分析模塊中的柵格計(jì)算工具,對各影響指標(biāo)的權(quán)重值在各統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行加權(quán)疊加,對不良地質(zhì)作用進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃,如圖7所示。從圖7中可以看出,河南地區(qū)大部分地區(qū)為無風(fēng)險(xiǎn)區(qū),其中無風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別為117 974、12 654 km2,分別約占全區(qū)總面積的70.64%和7.58%,場地平坦,地基條件好,地質(zhì)災(zāi)害少。河南省中、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積分別為24 857、11 515 km2,約占河南面積的14.88%和6.90%,主要分布在西北部的太行山脈,豫南山地的大別山脈和豫西山地的伏牛山、外方山、熊耳山、嵩箕山、崤山,在電網(wǎng)工程規(guī)劃選址時(shí)要注意風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 河南省不良地質(zhì)作用綜合風(fēng)險(xiǎn)Fig.7 Grading map of adverse geological action assessment for Henan Province

6 結(jié)論

(1) 根據(jù)河南省地質(zhì)環(huán)境條件,結(jié)合電網(wǎng)工程特點(diǎn),考慮地質(zhì)災(zāi)害主導(dǎo)因素、觸發(fā)因素和潛在因素,選取了坡高、坡度、坡面曲率、巖土體類型、河網(wǎng)水系、地質(zhì)構(gòu)造、地震峰值加速度、植被指數(shù)、礦山分布、路網(wǎng)密度、年降雨量、降雨強(qiáng)度及災(zāi)點(diǎn)密度等13個因素作為評價(jià)指標(biāo),利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,并構(gòu)建河南地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)評價(jià)模型。

(2) 河南省電網(wǎng)工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)評價(jià)結(jié)果表明:河南地區(qū)大部分地區(qū)為無風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)區(qū),地質(zhì)災(zāi)害少,適宜電網(wǎng)工程的建設(shè)。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性較高的地區(qū)主要分布在河南南部太行山脈、豫西和豫南地區(qū)。

(3) 電網(wǎng)工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)評價(jià)可反映出地質(zhì)災(zāi)害對電網(wǎng)工程活動的影響程度,評價(jià)結(jié)果可為河南省的電網(wǎng)線路規(guī)劃及防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。