模糊綜合評判在臨沂城區(qū)巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)中的應(yīng)用

楊全城,姚春梅,邵景力,李景波,卞加升

(1.山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,山東濟(jì)南 250014;2.中國地質(zhì)大學(xué),北京 100083;3.臨沂市國土資源局,山東臨沂 276000)

技術(shù)方法

模糊綜合評判在臨沂城區(qū)巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)中的應(yīng)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(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,山東濟(jì)南 250014;2.中國地質(zhì)大學(xué),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(qū)最重要的地質(zhì)災(zāi)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(jìn)行了危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評價(jià),綜合得出了危險(xiǎn)性評價(jià)分級圖,為當(dāng)?shù)貛r溶塌陷防治工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也為同類地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防提供了借鑒模式。

巖溶塌陷;模糊綜合評判;危險(xiǎn)性評價(jià);臨沂城區(qū)

0 引言

臨沂市是一個(gè)降水量豐富、地表水系發(fā)達(dá),巖溶地層廣泛發(fā)育的地區(qū)。自 20世紀(jì) 80年代以來,臨沂城區(qū)已發(fā)生 19次巖溶塌陷,形成塌陷坑 30多個(gè),巖溶塌陷造成地面建筑物開裂、住宅損壞,交通阻塞,水質(zhì)污染等多種危害,對人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成很大威脅,已成為當(dāng)?shù)赝怀龅牡刭|(zhì)災(zāi)害。

巖溶塌陷是“巖溶-蓋層-水”構(gòu)成的系統(tǒng)在各種因素影響下表現(xiàn)出來的系統(tǒng)失穩(wěn)過程在地表的宏觀表現(xiàn)[1],它的發(fā)生有很大的隨機(jī)性,且發(fā)生后對自然環(huán)境和人類生活所造成的損失具有很大的不確定性?？梢哉f,巖溶塌陷對巖溶區(qū)有一種潛在的危險(xiǎn)。

危險(xiǎn)性評價(jià)是評價(jià)巖溶塌陷發(fā)生潛在的危險(xiǎn)程度,確定巖溶塌陷活動(dòng)的規(guī)模、強(qiáng)度、發(fā)生概率及可能造成危害的區(qū)域范圍。該次評價(jià)采用基于層次分析的模糊綜合評判法對臨沂市城區(qū)巖溶塌陷進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià),主要步驟包括評價(jià)因子及其權(quán)重的確定、評價(jià)等級劃分及評價(jià)單元隸屬函數(shù)的確定、運(yùn)用GIS工具提取單元屬性進(jìn)行綜合評價(jià)等①山東省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,姚春梅等,臨沂市城區(qū)巖溶塌陷預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)及研究報(bào)告,2008年。。

1 巖溶塌陷評價(jià)因子及等級確定

1.1 評價(jià)因子的確定

巖溶塌陷的控制性因素包括地質(zhì)條件和地下水動(dòng)力條件:地質(zhì)條件包括巖溶發(fā)育程度和上覆蓋層土體性質(zhì)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(qiáng)度等。通過綜合分析,確定研究區(qū)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(huán)境條件 (抽水強(qiáng)度、與抽水井距離)和歷史條件有關(guān)。因此,此次評價(jià)將以上述 5個(gè)條件共8個(gè)因子作為巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)因子,從而構(gòu)建出研究區(qū)巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)巖溶塌陷條件及影響因素分析,結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn),利用 A.L.Satty提出的“1-9標(biāo)度”法[2,3],分別列出層次結(jié)構(gòu)中條件層和因子層的判斷矩陣。計(jì)算各判斷矩陣的特征向量,經(jīng)歸一化后即得出巖溶塌陷各基本條件及相關(guān)因子的相對權(quán)重值,再通過條件層與因子層相對權(quán)重的連乘,可得到各評價(jià)因子的計(jì)算權(quán)重值。即:

基本條件層最終權(quán)重:

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

評價(jià)因子層最終權(quán)重:

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

1.2 評價(jià)因子的等級劃分和取值

考慮到巖溶塌陷影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜且沒有截然的界限值,具有明顯的模糊性,難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)描述工具嚴(yán)密地刻劃出其從孕育—發(fā)展—產(chǎn)生的過程,但各影響因素之間又具有明顯的相關(guān)性和歸類性特征[4],因此,該文采用層次模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行評價(jià)。結(jié)合區(qū)內(nèi)巖溶塌陷發(fā)育規(guī)律,將評價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型中的評價(jià)目標(biāo) A劃定評價(jià)集為五級[5](表1)。

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

根據(jù)各單元評判的結(jié)果,按最大隸屬度原則,確定其所處單元的級別,然后再根據(jù)各單元的級別進(jìn)行研究區(qū)整體危險(xiǎn)性分區(qū)評價(jià)。

表 1 評價(jià)目標(biāo)分區(qū)界線

1.3 評價(jià)因子等級隸屬函數(shù)確定

評價(jià)因子分定性指標(biāo)和定量指標(biāo) 2類。定性指標(biāo)是離散性取值,其隸屬函數(shù)為其相應(yīng)指標(biāo)所對應(yīng)的級別;定量指標(biāo)常常是連續(xù)性區(qū)間取值,各級別雖有界限值,但實(shí)際上往往呈過渡狀態(tài),對定量指標(biāo)隸屬函數(shù)的取值一般是在各級別界限值上、下各取1/4區(qū)間值作為各級別界限值的過渡函數(shù),分屬相鄰級別共有;其余定量指標(biāo)區(qū)間值隸屬于相應(yīng)級別[6]。該文是取單元網(wǎng)格中心各評價(jià)因子分級屬性值作為整個(gè)單元的分級隸屬值。

2 模糊層次綜合評價(jià)

2.1 評價(jià)方法

層次分析法是以模糊聚類分析和模式識(shí)別為理論基礎(chǔ)建立的,是一種綜合評價(jià)模型的方法。由于巖溶是個(gè)非常復(fù)雜的綜合體,具有明顯的隨機(jī)性和模糊性,巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)是一個(gè)典型的定性與定量相結(jié)合的問題,綜合運(yùn)用AHP(層次分析)技術(shù)和模糊識(shí)別理論將是巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)的一個(gè)重要手段。

該評價(jià)采用與地下水模型尺度相同的正方形網(wǎng)格(即 300m×300 m)作為評價(jià)單元,評價(jià)區(qū)共有1 792個(gè)單元。逐單元從評價(jià)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?guī)r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(yīng)表 1中的分級區(qū))。從各分級圖中提取所有二級因子的分級值,確定各評價(jià)因子的單因素危險(xiǎn)性分級隸屬值,得出隸屬函數(shù)矩陣 Rc,乘以各評價(jià)因子的權(quán)重集Ac,計(jì)算得出每個(gè)單元的模糊評價(jià)集,取最大值,該值所對應(yīng)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(wěn)定區(qū);2—基本穩(wěn)定區(qū);3—次不穩(wěn)定區(qū);4—不穩(wěn)定區(qū); 5—極不穩(wěn)定區(qū)

圖 2 水位與灰?guī)r頂板距離分級圖1—穩(wěn)定區(qū);2—基本穩(wěn)定區(qū);3—次不穩(wěn)定區(qū);4—不穩(wěn)定區(qū); 5—極不穩(wěn)定區(qū)

圖 3 水位變幅分級圖1—穩(wěn)定區(qū);2—基本穩(wěn)定區(qū);3—次不穩(wěn)定區(qū);4—不穩(wěn)定區(qū); 5—極不穩(wěn)定區(qū)

圖 4 第四系厚度分級圖3—次不穩(wěn)定區(qū);4—不穩(wěn)定區(qū);5—極不穩(wěn)定區(qū)

2.2 綜合評價(jià)結(jié)果

以上過程通過編制程序自動(dòng)完成,并將評判結(jié)果存到各預(yù)測單元的屬性庫中,最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果,把相同隸屬度的單元?jiǎng)澐譃橥患墑e。從而得到該區(qū)巖溶塌陷模糊層次評判分區(qū)(圖 5)。

由圖 5可知,極不穩(wěn)定區(qū)位于地下水降落漏斗范圍內(nèi)以及預(yù)警區(qū)東北部巖溶發(fā)育程度較高、原有塌陷點(diǎn)附近的地區(qū),屬于危險(xiǎn)性最大區(qū),總面積約25.7 km2;不穩(wěn)定區(qū)分布于預(yù)警區(qū)中部、南部的廣大地區(qū),該區(qū)地下水水位普遍處于控制水位以下,巖溶較發(fā)育,屬于危險(xiǎn)性大區(qū),總面積約 69.68 km2;次不穩(wěn)定區(qū)分布于不穩(wěn)定區(qū)外圍的環(huán)形地帶,地下水水位處于控制水位以上,巖溶較不發(fā)育,屬于危險(xiǎn)性中區(qū),總面積 21.82 km2;基本穩(wěn)定區(qū)分布于西部及北部臨近預(yù)警區(qū)邊界的地段,地下水水位處于控制水位以上,巖溶不發(fā)育,屬于危險(xiǎn)性小區(qū),總面積約33.84 km2;穩(wěn)定區(qū)主要位于預(yù)警區(qū)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(xiǎn)性較小區(qū),總面積約 12.82 km2。

3 結(jié)論

巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)的目的是掌握巖溶塌陷發(fā)生的狀態(tài)以及可能造成的損失程度,以便進(jìn)行危險(xiǎn)管理,減小或控制危險(xiǎn)。該文利用模型提供的數(shù)據(jù),選定巖溶塌陷的影響因素,對臨沂城區(qū)巖溶塌陷現(xiàn)狀采用基于層次分析的模糊綜合評判法進(jìn)行了危險(xiǎn)性評價(jià),得出了危險(xiǎn)性評價(jià)分級圖,現(xiàn)狀評價(jià)危險(xiǎn)性最大的區(qū)域位于水位降落漏斗范圍內(nèi)以及東北部巖溶發(fā)育程度較高且已有塌陷區(qū)附近,一旦發(fā)生塌陷損失會(huì)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(lián)系、相互制約的多因素復(fù)雜問題。由于巖溶是個(gè)非常復(fù)雜的綜合體,具有明顯的隨機(jī)性和模糊性,巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)是一個(gè)典型的定性與定量相結(jié)合的問題,綜合運(yùn)用AHP(層次分析)技術(shù)和模糊識(shí)別理論將是巖溶塌陷危險(xiǎn)性評價(jià)的一個(gè)重要手段。

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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(wèi)衛(wèi)

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