模糊綜合評判在臨沂城區巖溶塌陷危險性評價中的應用

楊全城,姚春梅,邵景力,李景波,卞加升

(1.山東省地質環境監測總站,山東濟南 250014;2.中國地質大學,北京 100083;3.臨沂市國土資源局,山東臨沂 276000)

技術方法

模糊綜合評判在臨沂城區巖溶塌陷危險性評價中的應用

楊全城1,姚春梅1,邵景力2,李景波3,卞加升3

(1.山東省地質環境監測總站,山東濟南 250014;2.中國地質大學,北京 100083;3.臨沂市國土資源局,山東臨沂 276000)

巖溶塌陷是山東省臨沂市區最重要的地質災害類型,該文首次采用基于層次分析的模糊綜合評判法對巖溶塌陷進行了危險性現狀評價,綜合得出了危險性評價分級圖,為當地巖溶塌陷防治工作提供了基礎數據,也為同類地質災害預防提供了借鑒模式。

巖溶塌陷;模糊綜合評判;危險性評價;臨沂城區

0 引言

臨沂市是一個降水量豐富、地表水系發達,巖溶地層廣泛發育的地區。自 20世紀 80年代以來,臨沂城區已發生 19次巖溶塌陷,形成塌陷坑 30多個,巖溶塌陷造成地面建筑物開裂、住宅損壞,交通阻塞,水質污染等多種危害,對人民生命財產安全構成很大威脅,已成為當地突出的地質災害。

巖溶塌陷是“巖溶-蓋層-水”構成的系統在各種因素影響下表現出來的系統失穩過程在地表的宏觀表現[1],它的發生有很大的隨機性,且發生后對自然環境和人類生活所造成的損失具有很大的不確定性。可以說,巖溶塌陷對巖溶區有一種潛在的危險。

危險性評價是評價巖溶塌陷發生潛在的危險程度,確定巖溶塌陷活動的規模、強度、發生概率及可能造成危害的區域范圍。該次評價采用基于層次分析的模糊綜合評判法對臨沂市城區巖溶塌陷進行危險性評價,主要步驟包括評價因子及其權重的確定、評價等級劃分及評價單元隸屬函數的確定、運用GIS工具提取單元屬性進行綜合評價等①山東省地質環境監測總站,姚春梅等,臨沂市城區巖溶塌陷預警系統建設及研究報告,2008年。。

1 巖溶塌陷評價因子及等級確定

1.1 評價因子的確定

巖溶塌陷的控制性因素包括地質條件和地下水動力條件:地質條件包括巖溶發育程度和上覆蓋層土體性質和厚度;地下水條件主要是地下水水位及其變幅、地下水開采強度等。通過綜合分析,確定研究區巖溶塌陷主要與巖溶條件、地下水條件 (水位與界面距離、水位變幅、與降落漏斗中心距離)、蓋層條件、環境條件 (抽水強度、與抽水井距離)和歷史條件有關。因此,此次評價將以上述 5個條件共8個因子作為巖溶塌陷危險性評價因子,從而構建出研究區巖溶塌陷危險性評價層次結構模型。

根據巖溶塌陷條件及影響因素分析,結合專家經驗,利用 A.L.Satty提出的“1-9標度”法[2,3],分別列出層次結構中條件層和因子層的判斷矩陣。計算各判斷矩陣的特征向量,經歸一化后即得出巖溶塌陷各基本條件及相關因子的相對權重值,再通過條件層與因子層相對權重的連乘,可得到各評價因子的計算權重值。即:

基本條件層最終權重:

Ac=(0.2608,0.3292,0.1743,0.1399,0.0958)

評價因子層最終權重:

Aci= (0.2608,0.2097,0.0850,0.0345, 0.1743,0.1399,0.0575,0.0383)

1.2 評價因子的等級劃分和取值

考慮到巖溶塌陷影響因素錯綜復雜且沒有截然的界限值,具有明顯的模糊性,難以用準確的數學描述工具嚴密地刻劃出其從孕育—發展—產生的過程,但各影響因素之間又具有明顯的相關性和歸類性特征[4],因此,該文采用層次模糊數學方法進行評價。結合區內巖溶塌陷發育規律,將評價層次結構模型中的評價目標 A劃定評價集為五級[5](表1)。

A={穩定區(1),基本穩定區 (2),次不穩定區(3),不穩定區(4),極不穩定區(5)}

根據各單元評判的結果,按最大隸屬度原則,確定其所處單元的級別,然后再根據各單元的級別進行研究區整體危險性分區評價。

表 1 評價目標分區界線

1.3 評價因子等級隸屬函數確定

評價因子分定性指標和定量指標 2類。定性指標是離散性取值,其隸屬函數為其相應指標所對應的級別;定量指標常常是連續性區間取值,各級別雖有界限值,但實際上往往呈過渡狀態,對定量指標隸屬函數的取值一般是在各級別界限值上、下各取1/4區間值作為各級別界限值的過渡函數,分屬相鄰級別共有;其余定量指標區間值隸屬于相應級別[6]。該文是取單元網格中心各評價因子分級屬性值作為整個單元的分級隸屬值。

2 模糊層次綜合評價

2.1 評價方法

層次分析法是以模糊聚類分析和模式識別為理論基礎建立的,是一種綜合評價模型的方法。由于巖溶是個非常復雜的綜合體,具有明顯的隨機性和模糊性,巖溶塌陷危險性評價是一個典型的定性與定量相結合的問題,綜合運用AHP(層次分析)技術和模糊識別理論將是巖溶塌陷危險性評價的一個重要手段。

該評價采用與地下水模型尺度相同的正方形網格(即 300m×300 m)作為評價單元,評價區共有1 792個單元。逐單元從評價因子分級圖層屬性庫,如與降落漏斗中心距離分級、水位與灰巖頂板距離分級、地下水位變幅分級、第四系厚度分級等(圖中1—5分別對應表 1中的分級區)。從各分級圖中提取所有二級因子的分級值,確定各評價因子的單因素危險性分級隸屬值,得出隸屬函數矩陣 Rc,乘以各評價因子的權重集Ac,計算得出每個單元的模糊評價集,取最大值,該值所對應的級別即為該單元所處的級別[7](圖 1—4)。

圖 1 與降落漏斗中心距離分級圖1—穩定區;2—基本穩定區;3—次不穩定區;4—不穩定區; 5—極不穩定區

圖 2 水位與灰巖頂板距離分級圖1—穩定區;2—基本穩定區;3—次不穩定區;4—不穩定區; 5—極不穩定區

圖 3 水位變幅分級圖1—穩定區;2—基本穩定區;3—次不穩定區;4—不穩定區; 5—極不穩定區

圖 4 第四系厚度分級圖3—次不穩定區;4—不穩定區;5—極不穩定區

2.2 綜合評價結果

以上過程通過編制程序自動完成,并將評判結果存到各預測單元的屬性庫中,最后根據計算結果,把相同隸屬度的單元劃分為同一級別。從而得到該區巖溶塌陷模糊層次評判分區(圖 5)。

由圖 5可知,極不穩定區位于地下水降落漏斗范圍內以及預警區東北部巖溶發育程度較高、原有塌陷點附近的地區,屬于危險性最大區,總面積約25.7 km2;不穩定區分布于預警區中部、南部的廣大地區,該區地下水水位普遍處于控制水位以下,巖溶較發育,屬于危險性大區,總面積約 69.68 km2;次不穩定區分布于不穩定區外圍的環形地帶,地下水水位處于控制水位以上,巖溶較不發育,屬于危險性中區,總面積 21.82 km2;基本穩定區分布于西部及北部臨近預警區邊界的地段,地下水水位處于控制水位以上,巖溶不發育,屬于危險性小區,總面積約33.84 km2;穩定區主要位于預警區西部及南部基巖裸露地段,包括后盛莊—大白衣莊一帶、湖西一帶、廟山—東磊石一帶、西石埠—中石埠一帶、北橋西一帶,屬于危險性較小區,總面積約 12.82 km2。

3 結論

巖溶塌陷危險性評價的目的是掌握巖溶塌陷發生的狀態以及可能造成的損失程度,以便進行危險管理,減小或控制危險。該文利用模型提供的數據,選定巖溶塌陷的影響因素,對臨沂城區巖溶塌陷現狀采用基于層次分析的模糊綜合評判法進行了危險性評價,得出了危險性評價分級圖,現狀評價危險性最大的區域位于水位降落漏斗范圍內以及東北部巖溶發育程度較高且已有塌陷區附近,一旦發生塌陷損失會比較大,更需要采取有針對性的防治對策。

層次分析法可用于解決具有相互聯系、相互制約的多因素復雜問題。由于巖溶是個非常復雜的綜合體,具有明顯的隨機性和模糊性,巖溶塌陷危險性評價是一個典型的定性與定量相結合的問題,綜合運用AHP(層次分析)技術和模糊識別理論將是巖溶塌陷危險性評價的一個重要手段。

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[7] 陳學軍,陳植華,陳先華,等.桂林市西城區巖溶塌陷模糊層次綜合預測[J].桂林工學院學報,2000,2(20):112-116.

App lica tion of Fuzzy Com prehensive Eva lua tion M ethod in Eva lua ting KarstCollapse R isks in L iny iUrban D istr ict

YANGQuancheng1,YAO Chunm ei1,SHAO Jingli2,L IJingbo3,B IAN Jiasheng3
(1.ShandongM onitoring Centerof Geo logical Environm ent,Shandong Jinan 250014,China;2.China University of Geosciences,Beijing 100083,China;3.L inyiBureau of Land and Resources,Shandong L inyi276000,China)

Karst co llap se is themost im po rtant geo logical disaster in L inyiurban d istrict in Shandong p rovince.By using fuzzy comp rehensive evaluationm ethod based on the analytic hierarchy,p resent condition of risk degree of karst collapse hasbeen evaluated in this artic le for the first tim e.The risk app raisalgraduation charthasbeen obtained,w hich wou ld p rovide the foundation datas for p reventing karst co llap se in local areas.Italso p rovide referencemodels for p reventing and contro lling the sim ilar geo logical d isasters.

Karst collapse;Fuzzy comp rehensive evaluation;risk evaluation;L inyidistrict

book=6,ebook=4

P642.254

B

2009-11-23;

2010-04-05;編輯:陶衛衛

楊全城(1965—),男,山東濟南人,主要從事水文地質、環境地質勘查研究工作;E-m ail:ycm_12@sina.com。