可拓學在濟南市地質災害易發性評價中的應用

王星薈，孟凡奇

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

可拓學在濟南市地質災害易發性評價中的應用

王星薈1，孟凡奇2

(1.中國地質大學(武漢)環境學院，湖北 武漢430074；2.山東省地質環境監測總站，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、已有災害點數量、人類工程活動強度、多年平均降雨量為地質災害易發性評價指標，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、發災頻率高、威脅人口多、造成經濟損失大。地質災害易發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劃、預警預報、經濟發展規劃等工作提供重要的科學依據。國內外學者多采用專家經驗法、打分法、綜合危險性指數法、信息量法等方法進行研究，并取得了豐碩的成果[1-5]。但是傳統方法受研究人員的專業知識水平不同造成對研究區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據分級來幫助研究者認知地質災害發育程度，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大學的蔡文研究員為首的中國學者創立的新學科，該方法在泥石流危險度評價、邊坡穩定性、以及工業、醫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性評價中，采取了層次分析法對易發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，即地質災害易發性評價各等級關于對應的評價因子所取的數據范圍——經典域[8]。

1.3確定節域

(3)

式中：P為地質災害易發性評價等級的全體；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據或分析結果用物元表示，即得到待評物元R。

(4)

式中：p為待評的目標區域，vi為p關于評價ci的量值，即待評區域的具體數據。

1.5確定權系數

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度

各單項評價指標vi關于各等級j的關聯度為：

(5)

1.7待評物元關于各類別等級的關聯度

待評目標p關于評價等級j的關聯度為

(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，巖性以泰山巖群變質巖和寒武-奧陶紀灰巖為主，北部為黃河沖積平原區。據統計，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，地面塌陷、地裂縫主要分布在地下礦產開采區和第四系覆蓋層較薄，且地下水位波動較大的隱伏灰巖區。

2.2評價思路

根據《縣市地質災害調查與區劃基本要求》將地質災害易發程度劃分為高易發區、中易發區、低易發區和不易發區，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

根據濟南市地質災害實地調查中發現，該市地質災害發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，且在削坡修路建房的地區尤甚的情況，參考前人在地質災害易發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個地質災害易發性評價指標。由于各個評價指標的數值和單位不同，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　地質災害易發性分區可拓方法評價指標量值

表2　地質災害易發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、響應因子和誘發因子，建立濟南市地質災害易發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確定經典域及節域

根據表2數據確定經典域R01，R02，R03，R04和節域Rp。

(1)經典域

(9)

(10)

(11)

(12)

(2)節域

(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，根據表2、表3和所有待評物元及經典域、節域、層次分析法確定權重系數，進行編程計算，獲得每個單元的地質災害易發程度可拓學評價結果。例如某一單元格的數據為：

(14)

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

圖2　濟南市地質災害易發性分區圖

2.7應用分析

濟南市南部為低山丘陵區，具有地質構造較發育、災害分布密度密集、地形高差大、災害發育程度較大的特點，與地質災害中、低易發區評價結果相符合。濟南北部地區地形平坦，受地形地貌影響，崩塌滑坡泥石流不發育，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，與地質災害低發育和不易發區評價結果吻合程度較高。地質災害易發性評價結果和實地發育情況吻合程度高，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育程度不高，災害易發性南強北弱的特點。

值得注意的是，受地理位置的影響，其他地區在選取地質災害易發性評價因子和權重賦值時，應充分考慮當地實際情況進行適當調整因子數量和權重大小。

3　結論

該文利用可拓學評價理論，將地質災害易發性評價因子進行了合理分級，并提高了研究者對評價區地質災害發育情況的認識程度。建立了基于可拓學的地質災害易發性評價模型，并運用于濟南地區。研究結果表明,該方法確定的評價等級真實地反映了該區地質災害易發程度,評價精度較高,應用于地質災害易發性評價是可行的、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性區域劃分[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,易發成.基于層次分析法的綿陽市地質災害易發性評價[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.基于最優組合賦權理論的可拓學評價模型在地質災害易發區劃分中的應用[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的可拓學評價[J].巖土力學,2007,28(11):2445-2450.

[12]謝曉娟．地質環境條件及誘發因素在地質災害易發分區中定量化評價初探[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；E-mail：619637319@qq.com

TD854.6

B