基于地質數據庫的城市區域性活動斷裂帶危險性評價

黃鎮逢

（廣東省有色金屬地質局水文地質隊，廣東 廣州 510800）

地質災害會帶來地質環境的惡化，并使人類遭受巨大損失[1]。研究地質災害的形成根源時，區域性活動斷裂帶是一種必須考慮的因素，這種斷裂帶不僅是地裂縫等重大災害的誘發根源，也是控制常見地質災害實際分布情況的重要因素。與區域性活動斷裂帶相關的三大類地質災害分別為活動斷裂帶次生災害、活動斷裂帶緩慢活動災害以及活動斷裂帶快速活動災害。隨著我國實施西部大開發戰略，西部建設了大量高速公路，其規模可以說是前所未有，也使西部城市的經濟進一步得到發展。然而該地區是頻發地質災害的區域，特別是城市區域性活動斷裂帶十分發育，為公路的建設與城市的發展帶來極大阻礙與威脅，不僅帶來了直接損失，也造成了很多間接性損失[2]。與此同時，我國其他地區的城市區域性活動斷裂帶也引發了很多地質災害，“5.12”汶川、“4.14”玉樹地震造成的巨大人員傷亡和財產損失讓人記憶猶新，而造成如此重大損失的根源就是構筑物建在了活動斷裂帶上，從而給予我們深刻警示，城市建設選址首先應查明城市擬建區的地質結構，尤其是斷裂構造，才能趨利避害，選擇避讓或提高防御級別，從而更有利于保障城市建設的安全。因此對城市區域性活動斷裂帶實施危險性評價是很有很大必要的。對于城市區域性活動斷裂帶危險性評價問題，很多國家都進行了大量研究，并取得了重要進展。在研究中，新方法、新技術的應用越來越深入和廣泛，包括3S技術等，這些方法的應用，使評價結果變得更加全面。目前其研究方向主要朝著定量化發展，評價可靠性與評價精度都有待進一步提高。因此綜合以往研究成果，提出一種基于地質數據庫的城市區域性活動斷裂帶危險性評價方法。

1 城市區域性活動斷裂帶危險性評價

1.1 地質數據庫構建

構建各地城市區域性活動斷裂帶相關的城市活動斷裂帶地質數據庫，在數據庫的構建中，首先需要對存在城市區域性活動斷裂帶的各地的基礎地質進行調查，也就是實施地質填圖。地質填圖以穿越法為主，填圖路線的布置大致垂直于地層或斷層走向[3]。布設多條主干路線，調查人員統一參與主干路線地質填圖，統一分層標志，統一野外工作方法。對區內主要地質界線、重要標志層等實施追索觀測。其中線距、點距根據野外實際情況布置，一般點距不大于線距。在第四系大面積分布區，以河流階地兩側或已開挖基坑為重點布置填圖路線。在地質填圖中，還要對人類工程活動情況進行同步記錄。

接著實施城市區域性活動斷裂帶的野外調查。使用的物探方法是淺層地震多次迭加法，也就是采用6次覆蓋觀測系統進行測量。在測量中根據試驗成果確定偏移距。以時間剖面圖上反射波組的實際反射情況為依據推測斷裂構造的具體位置，之后布設物探驗證鉆孔進行鉆探驗證[4]，其中鉆孔孔位及標高采用Garmin佳明errex201xGPS進行現場測放，鉆孔采用劈芯法，采取一半巖芯作為樣品，樣長5~8cm，對其實施單軸抗壓強度試驗。

將調查獲取數據作為構建城市活動斷裂帶地質數據庫的基礎數據，通過ArcSDE數據庫引擎將以上基礎數據以統一的數據模型形式存儲至PostgreSQL 關系數據庫中，實現數據的統一管理，完成城市活動斷裂帶地質數據庫的搭建。搭建的數據庫構造具體如圖1所示。

其中數據預處理指的是數據質量檢查，主要是對數據情況、時間精度以及數據完整性進行檢查，經過數據質量檢查后再將數據存儲至PostgreSQL 關系數據庫中。

1.2 構建評價模型

根據構建的地質數據庫對一級評價指標進行選取，包括已發生的地質災害與潛在地質災害情況、人類工程活動情況、工程與水文地質條件、巖性與地層構造情況、地形地貌情況，并根據地質數據庫數據對各一級評價指標進行詳細劃分，確定二級評價指標，完成城市區域性活動斷裂帶危險性評價模型的構建。構建的評價模型具體如表1所示。

表1 構建的評價模型

完成評價模型的構建后，利用模型實施城市區域性活動斷裂帶危險性評價。

1.3 指標權重的確定與評價的定量描述

計算各指標權重，通過可拓學將城市區域性活動斷裂帶危險性評價的對象、指標及指標權值構成一個整體，利用可拓集合的關聯函數值實現評價結果的定量描述[5]。

在各指標權重的計算中，使用的方法為因子分析法。具體步驟如下：

（1）查閱文獻，對指標相關數據進行收集。

（2）對收集數據實施預處理，具體包括坐標統一處理、缺失值處理、標準化處理。

在相關數據的坐標統一處理中，使用的坐標平移方法具體如下式：

式中：A——平移的直線距離；

——平移的坐標距離；

X——平移的橫坐標距離；

Y——平移的縱坐標距離；

——該空間實體的原坐標位置；

——該空間實體平移后的坐標位置；

X2——平移中第二個坐標中的橫坐標；

Y2——平移中第二個坐標中的縱坐標；

X1——平移中第一個坐標中的橫坐標；

Y1——平移中第一個坐標中的縱坐標。

在缺失值處理中，使用高維映射法將缺失值補全。在標準化處理中，使用z-score 標準化處理方法將量綱消除。具體步驟如下：

①計算各指標的標準差，用si來表示；

②計算各指標的數學期望值，用xi來表示；

③實施標準化處理，具體如下式：

式中：xij——實際變量值；

zij——標準化處理以后的變量值。

④對調逆指標前的正負號。

（3）對數據指標之間的相關系數進行計算，對選取的指標是否能夠實施因子分析進行判斷，能夠實施因子分析的前提條件是指標間的關聯性較強[6]。

（4）在關聯性較強的情況下，對公共因子進行選取。在選取中首先對各因子的初始載荷矩陣進行計算，并對相關系數構成的矩陣的特征向量與特征根進行計算，綜合兩種計算結果獲得因子的累積貢獻率。根據累積貢獻率對公共因子進行選取，確定因子個數。

（5）計算公共因子得分，根據計算結果計算各因子的對應方差貢獻率值，并將該值作為評價中的權重值。

接著利用可拓學思想定義評價中的待評物元、經典域、節域。其中經典域用Foij來表示，是指危險性評價等級關于評價指標的規定量化范圍。節域是指危險性全體評價等級關于評價指標的量值隸屬度化范圍，用Dqj來表示。將城市區域性活動斷裂帶危險性用物元O來表示，稱為待評物元。

通過下式計算城市區域性活動斷裂帶危險性這一評價單元q與危險度等級之間的關聯函數值：

式中：cj——評價單元q關于區劃指標的量值；

γ(.)——關聯閾值。

根據關聯函數值與指標權值計算評價單元q關于危險性等級i的實際關聯度值。根據計算的關聯度值對危險性等級進行計算，完成區域性活動斷裂帶的危險性評價。

2 評價案例測試

2.1 實驗過程

對于設計的基于地質數據庫的城市區域性活動斷裂帶危險性評價方法，通過其應用對其評價性能進行測試。將其應用于城市區域性活動斷裂帶比較發育的某地區中，利用該方法對實驗地區的活動斷裂帶進行危險性評價。實驗地區的崩塌、滑坡主要分布于工作區北東側的低山、丘陵區，因此可以判定其區域性活動斷裂帶主要發育于北東側。由于該地區已經遭受過多次地質災害，因此對其區域性活動斷裂帶實施危險性評價是很有必要的。

首先構建該地區的城市活動斷裂帶地質數據庫，分別實施該地區的基礎地質調查與區域性活動斷裂帶的野外調查，將調查數據作為基礎數據完成地質數據庫的構建。接著構建評價模型，通過因子分析法計算實驗地區的指標權重，計算結果如表2所示。

表2 實驗地區的指標權重計算結果

然后結合表2 結果，依據可拓學實施危險性評價，評價結果如表3所示。

表3 危險性評價結果

表3數據說明，通過設計方法能夠實現城市區域性活動斷裂帶的危險性評價。完成危險性評價后，對評價結果的準確性進行測試。

2.2 評價準確性測試結果

根據專家意見對評價結果的準確性進行測試，測試結果如圖2所示。

圖2 評價準確性

根據圖2測試結果，設計方法對于六個區域性活動斷裂帶的危險性評價準確性均較高，六種評價結果的準確性均高于96%，證明了設計方法有著出色的評價性能。

3 結束語

城市區域性活動斷裂帶是一種需要重視的構造因素，很容易引發各種地質災害，從而造成極大損失。設計了一種基于地質數據庫的城市區域性活動斷裂帶危險性評價方法，既實現了地區城市活動斷裂帶地質數據庫的構建，又實現了活動斷裂帶的準確危險性評價，取得了一定研究成果。今后將會對該方法進行進一步實踐與應用。