基于模糊數(shù)學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

陳新建，段 釗 ，趙法鎖，趙憲民

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 地 質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西 安 7 10054；2.西部地質(zhì)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西 安 7 10054；

3.國(guó)土資源部 巖 土工程開(kāi)放研究實(shí)驗(yàn)室，陜西 西 安 7 10054；4.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西 安 7 10001）

0 引言

地質(zhì)災(zāi)害是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害，是在各種因素作用下地質(zhì)自然環(huán)境惡化，造成人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)損毀或人類(lèi)賴以生存與發(fā)展的資源、環(huán)境發(fā)生嚴(yán)重破壞的過(guò)程或現(xiàn)象，是對(duì)人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)和生存環(huán)境產(chǎn)生損害的地質(zhì)事件［1-3］。我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（價(jià)）工作自20世紀(jì)80年代開(kāi)始興起，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，在理論和實(shí)踐方面都取得了豐碩成果［4-9］。

陜西省引漢（江）濟(jì)渭（河）工程是陜西省重點(diǎn)水利工程，調(diào)查、評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)工程沿線地質(zhì)災(zāi)害對(duì)工程防災(zāi)、減災(zāi)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程穿越秦嶺，跨越黃河、長(zhǎng)江兩大流域，單元工程呈線狀分布于陜南、關(guān)中兩地，自南向北主要有黃金峽水利樞紐、黃金峽泵站、黃三隧洞、三河口水利樞紐、秦嶺隧洞五個(gè)單項(xiàng)工程（圖1），屬Ⅰ等、大（一）型工程。

圖1 引漢濟(jì)渭工程布置示意圖Fig.1 Sketch of the river diversion project

工程主要分布在秦嶺山區(qū)，地形地貌復(fù)雜，相對(duì)高差大（440～2 544m）。按成因和地貌形態(tài)，可劃分為構(gòu)造剝蝕山地和斷陷盆地兩大地貌。構(gòu)造剝蝕山地主要是秦嶺山區(qū)，斷陷盆地有汾渭斷陷盆地和洋縣盆地。

秦嶺山地褶皺劇烈，斷裂極其發(fā)育，且規(guī)模較大，密集成帶，地殼破碎。渭河斷陷在古近紀(jì)以來(lái)，主要以下降為主；第四紀(jì)以來(lái)，隨著秦嶺斷塊與北山拱起繼續(xù)上升，渭河斷陷周邊掀斜翹起。巖體強(qiáng)度劃分多屬中硬-堅(jiān)硬巖；土體包括殘積土、坡積土、洪積土、沖積土和風(fēng)積土5類(lèi)。

區(qū)內(nèi)出露地層巖性、巖相變化大，受秦嶺緯向褶皺帶的影響，斷裂構(gòu)造眾多，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)性質(zhì)差異大；修路、建房等人類(lèi)工程活動(dòng)強(qiáng)烈。

2 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征

區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育具有如下特征：

（1）地質(zhì)災(zāi)害受地形地貌控制，區(qū)內(nèi)主要為秦嶺中低山地及盆地地貌。黃金峽水庫(kù)庫(kù)尾位于洋縣盆地東緣，該工程段內(nèi)地勢(shì)平緩，無(wú)明顯的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育。然而工程區(qū)其余部分處于秦嶺造山帶，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、河流的切割作用強(qiáng)烈，形成了陡峻的中高山，局部地段近直立，基巖大多裸露，緩坡地帶及坡腳處分布有第四系松散堆積物，屬地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)。

（2）地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，多屬松散堆積層滑坡，秦嶺北側(cè)部分地區(qū)發(fā)育有黃土滑坡，崩塌、泥石流災(zāi)害較少，主要分布于區(qū)內(nèi)各個(gè)河谷兩岸。

（3）工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的分布具有地域性，多分布于區(qū)內(nèi)陡坡斜谷、挖方切坡的公路沿線。

（4）災(zāi)害形成機(jī)制與地形坡度大小、巖土體破碎程度以及巖土體接觸面特征（傾向傾角等）或有區(qū)域性斷裂破碎帶、地下水活動(dòng)強(qiáng)度等地質(zhì)環(huán)境條件有關(guān)，同時(shí)也與降水特別是豐水年暴雨、連陰雨和人類(lèi)工程活動(dòng)等因素關(guān)系密切。

（5）具有周期性和群發(fā)性的特點(diǎn)，在豐水年的暴雨、連陰雨時(shí)期，滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害明顯高于正常年份，每年的7、8、9月是地質(zhì)災(zāi)害的高發(fā)期。區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害主要分布在河谷兩岸，這些地區(qū)第四系覆蓋層較厚，地形坡度較大，邊坡陡峭，長(zhǎng)期被流水切割，且人類(lèi)工程活動(dòng)頻繁，是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)區(qū)。

（6）地質(zhì)災(zāi)害以滑坡為主，尤以堆積層滑坡最常見(jiàn)；厚度一般不大，規(guī)模中小型，穩(wěn)定性較好。

區(qū)內(nèi)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)72處，分布于5個(gè)單項(xiàng)工程（表1），其中滑坡66處，崩塌3處，泥石流 3處。參考國(guó)土資源部《縣（市）地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求》實(shí)施細(xì)則（2006修訂）對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合其危害程度對(duì)其危險(xiǎn)性做出評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 地質(zhì)災(zāi)害分布特征表Table 1 Distribution characteristics of the hazards

3 模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)

根據(jù)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害的主要引發(fā)因素以及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性現(xiàn)狀評(píng)估、預(yù)測(cè)評(píng)估等因素，利用模糊變換原理和最大隸屬度原則［10-11］，依權(quán)重大小均衡兼顧［12］，評(píng)估擬建工程的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性。評(píng)估具體步驟如下：

（1）以單元工程為單位進(jìn)行評(píng)估；

（2）水庫(kù)工程按照災(zāi)害點(diǎn)（包括工程建設(shè)可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)）和非災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行劃分；隧洞工程按軸線方向每500m一個(gè)單元進(jìn)行剖分（線路兩端各延伸500m）；泵站、電站工程按照站址向外延伸1000m或一級(jí)邊坡劃分；

（3）將擬建工程沿線地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)劃分為危險(xiǎn)性小、中等、大三級(jí)；

（4）評(píng)價(jià)因素集（U）、評(píng)價(jià)結(jié)果集（V）及權(quán)重向量（A）的確定。

表2 滑坡崩塌泥石流發(fā)育特征及危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)表Table 2 Characteristics and risk of the hazards

給出因素集U={u1，u2，……，un}。影響地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的主要因素有地形地貌、巖土體、斜坡結(jié)構(gòu)、河流沖刷侵蝕坡腳、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀、斷層（僅對(duì)隧洞工程）或地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性等因素，即因素集U={u1，u2，u3，u4，u5，u6}。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件各因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響大小，以工程建設(shè)可能遭受、加劇和引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性為主（隧洞工程同時(shí)以斷層為主），選擇適當(dāng)?shù)臋?quán)值分配。評(píng)價(jià)指標(biāo)（影響因素）在評(píng)價(jià)模型中作為地質(zhì)變量，必須進(jìn)行量化?？煞譃閮深?lèi)，一類(lèi)是定量指標(biāo)，如地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀（線密度）等，只需作適當(dāng)數(shù)值變換即可使用。另一類(lèi)是定性指標(biāo)，如地形地貌、巖土體等，則可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)指標(biāo)對(duì)不同等級(jí)的相對(duì)貢獻(xiàn)來(lái)取值。根據(jù)評(píng)估區(qū)的特點(diǎn)，可將評(píng)價(jià)指標(biāo)量化為三個(gè)不同的等級(jí)（表3）。

評(píng)價(jià)結(jié)果集為V={v1，v2，……，vm}，擬建工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性按照三級(jí)劃分，因此評(píng)價(jià)結(jié)果集為V={v1，v2，v3}={危險(xiǎn)性小（Ⅰ級(jí)），危險(xiǎn)性中等（Ⅱ級(jí)），危險(xiǎn)性大（Ⅲ級(jí)）}。

（5）確定隸屬度，建立單因素評(píng)判矩陣（R）

①確定隸屬度

根據(jù)工程地質(zhì)類(lèi)比的方法，結(jié)合擬建工程特征，給出評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度值（表4）。

②建立單因素評(píng)判

根據(jù)隸屬度對(duì)因素集（U）中的各因素評(píng)判，得到模糊評(píng)判矩陣。

表3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重一覽表Table 3 Evaluation indexes and weighting coefficients of the geological hazard zones

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度取值表Table 4 Degrees of the evaluation indexes of the geological hazards

（6）綜合評(píng)判

對(duì)評(píng)判單元的權(quán)重向量（A）和單因素評(píng)判矩陣（R）進(jìn)行復(fù)合計(jì)算，求解結(jié)果向量（B）：

B=A·R

B是V上的模糊子集，根據(jù)最大隸屬原則，一個(gè)給定的單元對(duì)應(yīng)于某個(gè)級(jí)別X的隸屬度最大，該單元的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)就是X，即可得到評(píng)判單元的評(píng)估等級(jí)。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果

4.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)上述方法，將工程按表3和表4分別按劃分單元取值后分單元計(jì)算，得到每一個(gè)單元的Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)三個(gè)級(jí)別的隸屬度值。根據(jù)最大隸屬原則，三個(gè)級(jí)別中最大隸屬度值所對(duì)應(yīng)的級(jí)別（Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)）就是該單元的危險(xiǎn)性級(jí)別（地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小、中等、大）。

4.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

黃金峽水利樞紐工程評(píng)估區(qū)，總面積92.43km2（包括黃金峽泵站評(píng)估區(qū)面積）。三河口水利樞紐工程評(píng)估區(qū)，總面積182.08km2。以災(zāi)害點(diǎn)邊界向外延伸500m或一級(jí)邊坡止為一單元，各災(zāi)害單元以外區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)整體單元。黃金峽泵站工程按兩個(gè)比較工程劃分為4個(gè)單元。

黃三隧洞工程評(píng)估區(qū)，總面積17.57km2。秦嶺隧洞工程評(píng)估區(qū)，總面積85.80km2。按洞身每500m一個(gè)單元進(jìn)行剖分（線路兩端各延伸500m），洞口及各斜井井口按照洞口及各斜井井口向外延伸500m或第一斜坡帶止為一個(gè)單元。

工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性單元評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5。

據(jù)此，該工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性可劃分為危險(xiǎn)性小區(qū)（面積363.38km2）和危險(xiǎn)性中等區(qū)（面積14.52km2）。

評(píng)估結(jié)果與定性評(píng)估的結(jié)果基本一致，但模糊綜合評(píng)判法可以減小人為主觀認(rèn)識(shí)的誤差、降低定性評(píng)價(jià)中不確定因素的干擾，其評(píng)估結(jié)果相對(duì)更加客觀真實(shí)。

表5 單元工程地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果表Table 5 Distribution characteristics of the hazads

5 結(jié)論

引漢濟(jì)渭工程包括五個(gè)單項(xiàng)工程，跨越構(gòu)造剝蝕山地和斷陷盆地兩大地貌。選取地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)三大類(lèi)六小類(lèi)指標(biāo)，每類(lèi)指標(biāo)細(xì)分為三種類(lèi)型。每個(gè)類(lèi)型給定Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)三個(gè)級(jí)別的隸屬度值，將工程按災(zāi)害點(diǎn)或沿線剖分為評(píng)價(jià)單元，采用模糊綜合評(píng)判法計(jì)算每個(gè)單元的隸屬度值，根據(jù)最大隸屬原則，三個(gè)級(jí)別中最大隸屬度值所對(duì)應(yīng)的級(jí)別（Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)）就是該單元的危險(xiǎn)性級(jí)別（地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性小、中等、大）。

工程共分為284個(gè)單元，其中危險(xiǎn)性小的單元255個(gè)（面積363.38km2），危險(xiǎn)性中等的單元29個(gè)（面積14.52km2）。工程主要位于危險(xiǎn)性小的區(qū)段，受地質(zhì)災(zāi)害危害不大，風(fēng)險(xiǎn)較低。

［1］羅元華，張梁，張業(yè)成.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法［M］.北京：地質(zhì)出版社，1998.LUO Yuanhua，ZHANG Liang，ZHANG Yecheng.Method of risk assessment of geological hazards［M］.Beijing：Geology Publishing House，1998.

［2］張春山，吳滿路，張業(yè)成.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法及展望［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2003，12（1）：96-102.ZHANG Chunshan，WU Manlu，ZHANG Yecheng.Method and prospect of geological disaster risk assessment［J］.Journal of Natural Disasters.2003，12（1）：96-102.

［3］盧全中，彭建兵，趙法鎖.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（價(jià)）研究綜述［J］.災(zāi)害學(xué)，2003，18（4）：59-63.LU Quanzhong，PENG Jianbing，ZHAO Fasuo.An overview on the study of risk assessment of geological hazards［J］.Journal of Catastrophology，2003，18（4）：59-63.

［4］向喜瓊，黃潤(rùn)秋.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)管理［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2000，11（1）：38-41.XIANG Xiqiong，HUANG Runqiu.Risk assessment and risk management for slope geohazards［J］.Journal of Geo-Hazards and Environment Preservation，2000，11（1）：38-41.

［5］王濤，吳樹(shù)仁，石菊松.國(guó)際滑坡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理指南研究綜述［J］.地質(zhì)通報(bào)，2009，28（8）：1007-1019.WANG Tao，WU Shuren，SHI Jusong.A review of international landslide risk assessment and management guide lines［J］.Geological Bulletin of China，2009，28（8）：1007-1019.

［6］汪華斌，吳樹(shù)仁.滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵理論與技術(shù)方法［J］.地質(zhì)通報(bào)，2008，27：1764-1770.WANG Huabin，WU Shuren.Key theory and method of landslide hazard risk assessments［J］.Geological Bulletin of China，2008，27：1764-1770.

［7］張梁，張建軍.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃理論與方法［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2000，11（4）：323-328.ZHANG Liang，ZHANG Jianjun.The theory and method of risk zonation of geo-hazard［J］.Journal of Geo-Hazards and Environment Preservation，2000，11（4）：323-328.

［8］劉傳正.重大地質(zhì)災(zāi)害防治理論與實(shí)踐［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.LIU Chuanzheng.Theory and its application on mega-geohazards mitigation［M］.Beijing：Science Press，2009.

［9］吳樹(shù)仁，石菊松，張春山，等.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)指南初論［J］.地質(zhì)通報(bào)，2009 ，28（8）：995-1005.WU Shuren，SHI Jusong，ZHANG Chunshan，et al.Preliminary discussion on technical guideline for geohazard risk assessment［J］.Geological Bulletin of China，2009，28（8）：995-1005.

［10］謝季堅(jiān)，劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2006.XIE Jijian，LIU Chengping.Method and its application on Fuzzy Mathematics［M］.Wuhan：Huazhong Univer-sity of Science ＆ Technology Press，2006.

［11］肖盛燮，王平義，呂恩琳.模糊數(shù)學(xué)在土木與水利工程中的應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2004.XIAO Shengxie ，WANG Pingyi，LV Enlin.Application of Fuzzy mathematics in hydraulic engineering［M］.Beijing：China Communications Press，2004.

［12］任凱珍，冒建，陳國(guó)滸.關(guān)于地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)因子權(quán)重確定的探討［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2011，22（1）：80-86.REN Kaizhen，MAO Jian，CHEN Guohu.A Discussion on the weights of the influence factors of geohazards［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2011，22（1）：80-86.