模糊層次分析法對巖溶塌陷易發(fā)程度的評估——以廣西來賓市吉利村為例

周國清 ，何素楠，陳昆華，岳濤

(1.桂林理工大學(xué)測繪與地理信息學(xué)院，廣西桂林 541004;2.廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西桂林 541004)

1 引言

巖溶地貌在我國分布較廣，巖溶塌陷是區(qū)域內(nèi)發(fā)生的最突出的地質(zhì)災(zāi)害，是巖溶地區(qū)因巖溶作用而發(fā)生的一種地面變形和破壞的災(zāi)害，它的發(fā)生不僅會給交通運輸、城市建設(shè)和人民生活帶來嚴(yán)重危害，還會惡化生態(tài)環(huán)境，影響各種資源的開發(fā)利用，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，通過分析巖溶塌陷的形成機理及影響塌陷發(fā)生的主要因素，準(zhǔn)確地對其易發(fā)程度進行評估預(yù)測，對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要的理論和現(xiàn)實意義［1，2］。近年來，有關(guān)巖溶塌陷這一地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查研究成果很多。雷明堂等［3］以GIS為基礎(chǔ)，研制巖溶塌陷預(yù)測評價系統(tǒng)，結(jié)合唐山市地質(zhì)災(zāi)害評估因子的分布特征，實現(xiàn)了研究區(qū)的塌陷危險性分區(qū)。何書等［4］運用模糊貼近度理論，結(jié)合研究區(qū)巖溶塌陷的特點及影響因素，建立巖溶塌陷易發(fā)性分級評價模型，有效地對江西瑞昌的武山銅礦區(qū)進行了巖溶塌陷易發(fā)性評估。姜春露等［5］采用Fisher判別分析法，建立巖溶塌陷的Fisher線性判別函數(shù)，確定判別因子，完成了對桂林市巖溶塌陷的預(yù)測判別。李忠等［6］在建立巖溶塌陷評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，采用改進型BP－神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，建立巖溶塌陷安全性評價模型，對唐山市區(qū)巖溶塌陷區(qū)進行了預(yù)測。這些調(diào)查研究成果，都為本次研究奠定了很好的理論基礎(chǔ)，提供了有效的方法借鑒。

吉利村位于廣西來賓市興賓區(qū)良江鎮(zhèn)，地處23°34'40″N ～ 23°36'21″N 和 109°10'23″E ～ 109°11'35″E之間(如圖1所示)。該研究區(qū)發(fā)育有世界上著名的峰林平原型巖溶，巖溶化嚴(yán)重，具有典型的巖溶地貌。根據(jù)研究區(qū)的具體地質(zhì)狀況，在借鑒以上研究方法的基礎(chǔ)上，本文嘗試采用模糊層次分析法對該區(qū)的巖溶塌陷易發(fā)程度進行分區(qū)評估，反映研究區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的總體風(fēng)險水平，指導(dǎo)資源開發(fā)，促進環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，為巖溶塌陷災(zāi)害防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件

廣西來賓市吉利村位于北回歸線附近，屬于季風(fēng)性南亞熱帶濕潤氣候，氣候溫和、日照充足、雨量充沛，多年平均氣溫21℃，多年平均降雨量 1 339 mm，隸屬于紅水河系，年徑流量 608.3×108m3，年水位變幅20.85 m。其地貌類型屬于溶蝕堆積——殘峰殘丘平原地貌，總體地勢南高北低，丘包與孤峰相伴發(fā)育，總體上地表平坦，稍呈波狀起伏。研究區(qū)位于桂林——來賓斷裂帶內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)域上褶皺斷裂發(fā)育，構(gòu)造線呈北東——北北東走向，其初露地層主要有第四系、白堊系下統(tǒng)、石炭統(tǒng)中統(tǒng)和石炭系下統(tǒng)。研究區(qū)域巖溶形態(tài)有埋藏型巖溶、裸露型巖溶，局部為覆蓋型巖溶，地下水類型主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽類裂隙溶洞水、基巖裂隙水三類，富水程度豐富，且其內(nèi)存在一條沿構(gòu)造斷裂帶發(fā)育的地下河。這些特殊的水文地質(zhì)環(huán)境都為該區(qū)巖溶發(fā)育提供了有利條件，能夠進一步促進巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

3 研究方法

層次分析法是一種把定性分析和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，主要是在建立不同目標(biāo)的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜問題提供簡便決策［7］。由于影響巖溶塌陷的因素錯綜復(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)工具來嚴(yán)密的描述，但是各影響因素間又具有明顯的相關(guān)性，因此，將模糊識別理論和層次分析法相結(jié)合，采用半定量的方法對巖溶塌陷易發(fā)程度進行評估較為可行［8，9］。

本研究主要通過分析來賓市吉利村的地質(zhì)環(huán)境條件，確立影響塌陷的主要因素，將每種影響因素作為一個因子，建立每個影響因子的判斷矩陣，賦予不同層次不同影響因子相應(yīng)的權(quán)重值并進行一致性檢驗，再對影響因子進行分級取值，以此確定不同影響因子對該區(qū)產(chǎn)生的影響程度及各影響因子之間的組合效應(yīng)，從而實現(xiàn)對研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)程度的評估。

4 評估因子及等級確定

巖溶塌陷的發(fā)生是地質(zhì)環(huán)境和人類活動共同作用的結(jié)果，它們構(gòu)成了影響塌陷發(fā)生的基本要素，只要具備了這些條件，在一定的時間尺度內(nèi)，塌陷就可能形成。

4.1 確定評估因子及其權(quán)重

在對巖溶塌陷的易發(fā)程度進行評估時，首先要確定塌陷的影響因素，研究區(qū)域不同，影響因素也不同。通過分析來賓市吉利村的地質(zhì)環(huán)境和人類活動，得知人類活動對吉利村巖溶塌陷影響較小，而自然因素則是引發(fā)塌陷的主要因素。該區(qū)塌陷有6大影響條件，每種條件又由幾個影響因子組成:巖溶條件M1(巖溶發(fā)育程度N1、巖溶地層巖性N2)、地下水條件M2(地下水徑流強度N3、地下水量N4、水位年變幅N5、地表水入滲強度N6)、覆蓋層條件M3(土層結(jié)構(gòu)N7、土層加巖層厚度N8)、環(huán)境條件M4(年降水量N9、植被覆蓋度N10)、地形地貌條件M5(地貌單元N11、地形特征N12、斷層 N13、裂縫 N14)、人為條件 M6(人工抽水強度N15)。本次評價將以上6個條件共計15個因子作為模糊層次綜合評估的預(yù)測因子，構(gòu)建研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)程度評估的層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 巖溶塌陷預(yù)測層次結(jié)構(gòu)模型分析圖

1－9標(biāo)度法各標(biāo)度含義 表1

在巖溶塌陷易發(fā)程度評估中，評估因子判斷矩陣的建立及一致性檢驗是確定評估因子權(quán)重的重要一步，根據(jù)已有資料和野外調(diào)查結(jié)果，利用 T．L．Satty［10］提出的“1－9標(biāo)度法”(它是利用給模糊要素打分的方法，根據(jù)其得分的高低來確定這些要素對決策目標(biāo)的影響程度，其各個標(biāo)度含義如表1所示)，對評估因子兩兩進行比較，分別列出圖2所示的預(yù)測因子層次結(jié)構(gòu)中的條件層和因子層的判斷矩陣，并對其進行一致性調(diào)整。由于各評估因子對巖溶塌陷的影響程度不同，其在評估體系中的作用也不同，根據(jù)研究區(qū)的地質(zhì)狀況，采用層析分析法來評價評估因子的權(quán)重［11］，按照評估指標(biāo)體系確定的層次結(jié)構(gòu)，根據(jù)層次分析法的要求，結(jié)合相關(guān)專家意見，構(gòu)造判斷矩陣，計算各判斷矩陣的特征值和特征向量，進行歸一化處理后得出影響研究區(qū)巖溶塌陷的各基本條件及相關(guān)因子的相對權(quán)重值。再通過條件層和因子層相對權(quán)重的連乘，得到各因子的權(quán)重值，然后分別選取幾個已經(jīng)明確的塌陷程度不同的區(qū)域?qū)€別矛盾的因子進行權(quán)重調(diào)整，將調(diào)試合理后的權(quán)重值作為最終的權(quán)重值［12，13］。如下所示:

對于條件層:

4.2 評估因子等級劃分取值及其隸屬函數(shù)的確定

評估因子的發(fā)育程度不同，對預(yù)測單元巖溶塌陷易發(fā)程度的影響也不同。預(yù)測因子分定性指標(biāo)和定量指標(biāo)兩類，定性指標(biāo)是離散性取值，其隸屬函數(shù)是相應(yīng)指標(biāo)對應(yīng)的級別;定量指標(biāo)則是連續(xù)性區(qū)間取值，各級別呈現(xiàn)過渡狀態(tài)，對定量指標(biāo)隸屬函數(shù)的取值原則是在各級別界限上下各取1/4區(qū)間作為各級別界限值的過渡函數(shù)，分屬于相鄰級別共有，其余的定量指標(biāo)隸屬于相應(yīng)的級別［14］。借助于研究區(qū)的地質(zhì)資料、水文地質(zhì)圖、DEM影像和中巴衛(wèi)星影像，并進行實地鉆孔調(diào)查，對研究區(qū)巖溶塌陷的形成條件和影響因素進行分析，確定本次預(yù)測的15個因子的等級指標(biāo)，如表2所示。

研究區(qū)巖溶塌陷模糊評判因子等級劃分 表2

5 巖溶塌陷易發(fā)程度評估

5.1 建立巖溶塌陷易發(fā)程度評估模型

根據(jù)來賓市吉利村研究區(qū)巖溶塌陷的分布狀況，采用模糊數(shù)學(xué)的方法，將預(yù)測層次結(jié)構(gòu)模型中的預(yù)測目標(biāo)R劃分評價集為:

R={極易發(fā)區(qū)(r1)，較易發(fā)區(qū)(r2)，一般區(qū)(r3)，較穩(wěn)定區(qū)(r4)，穩(wěn)定區(qū)(r5)}

然后對因子層進行計算。

根據(jù)各單元判別結(jié)果，按最大隸屬度原則，確定其所處單元級別，然后按照各單元級別進行工作區(qū)整體易發(fā)程度分區(qū)評價。

5.2 評估單元劃分及模糊層次綜合評估

根據(jù)研究區(qū)具體情況，利用計算機的柵格化功能將 4.19 km2的研究區(qū)劃分為不同分區(qū)，作為評估單元，并確定每個評估單元所有指標(biāo)的實際值，確定各個評估單元的隸屬函數(shù)值，列出各評估單元的隸屬函數(shù)矩陣Nj，各預(yù)測因子的權(quán)重WN，運用模糊層次分析法建立評估模型Rj=WNNj。舉例說明:

5.3 評估結(jié)果及可行性分析

利用Matlab軟件編程，得出評估單元目標(biāo)隸屬函數(shù)的計算結(jié)果，如下所示:

應(yīng)用所建立的巖溶塌陷預(yù)測的計算模型結(jié)果，根據(jù)已知的研究區(qū)地質(zhì)資料，將預(yù)測結(jié)果繪制成圖件，得到來賓市吉利村巖溶塌陷易發(fā)程度評估圖如圖3所示。

圖3 研究區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)評估圖

預(yù)測結(jié)果表明來賓市吉利村研究區(qū)的極易發(fā)區(qū)、較易發(fā)區(qū)、一般區(qū)、較穩(wěn)定區(qū)、穩(wěn)定區(qū)的面積之比為0.12∶0.42∶1.65∶0.62∶1.38，而各分區(qū)的平均塌陷密度之比為9.24∶3.65∶0.82∶0.16∶0.09，而根據(jù)實地調(diào)查塌陷的個數(shù)及大小得知各分區(qū)的平均塌陷密度之比為9.24∶3.65∶0.82∶0.16∶0.09，絕大多數(shù)塌陷發(fā)生在極易發(fā)區(qū)和較易發(fā)區(qū)。由吉利村地質(zhì)調(diào)查圖和鉆孔資料得知:極易發(fā)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，風(fēng)化強烈，區(qū)域內(nèi)發(fā)育有規(guī)模較大的地下河，地下石炭系灰?guī)r、白云巖巖溶極為發(fā)育，斷層和裂縫密集分布;易發(fā)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，地下巖溶發(fā)育，斷層和裂縫較為密集;一般巖溶區(qū)中等發(fā)育，地質(zhì)災(zāi)害以老塌陷為主;較穩(wěn)定區(qū)地形較為平緩，巖溶發(fā)育較弱，斷層裂縫較缺乏;穩(wěn)定區(qū)上覆硅質(zhì)巖巨厚，地形平緩，下部巖土體呈密實狀。以上信息表明預(yù)測結(jié)果比較符合研究區(qū)的實際情況，說明模糊層次分析法在研究區(qū)的塌陷易發(fā)程度評估中適用，具有較高的可信度。

6 結(jié)語

根據(jù)來賓市吉利村的地質(zhì)環(huán)境狀況，結(jié)合巖溶塌陷評估因子的分級和取值，采用模糊層次分析法對研究區(qū)的巖溶塌陷易發(fā)程度進行評估，可以得知，巖溶塌陷的易發(fā)區(qū)集中在研究區(qū)的中部地區(qū)，造成這些地區(qū)易發(fā)程度較高的原因主要是斷層和裂縫較豐富，地下徑流和巖溶發(fā)育強烈。

本次研究同時將GIS和遙感技術(shù)引入，運用GIS軟件對研究區(qū)的DEM數(shù)據(jù)進行處理，提取坡度等信息;運用ENVI軟件對研究區(qū)的中巴衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行處理，提取植被覆蓋度等信息，對研究區(qū)巖溶塌陷易發(fā)程度的影響因素考慮更加全面，且對研究分區(qū)打鉆孔進行實地考察，預(yù)測結(jié)果較為精確。該研究方法可以為類似的巖溶地區(qū)巖溶塌陷易發(fā)程度評估作參考，研究結(jié)果可以為來賓市吉利村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展布局和地質(zhì)災(zāi)害防治提供科學(xué)依據(jù)。

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