基于海洋災(zāi)害地質(zhì)評價基礎(chǔ)上的我國近海海底穩(wěn)定性區(qū)劃

杜軍，李培英，李萍，高珊

（1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061）

1 引言

我國擁有廣闊的淺海大陸架水域，海底表面和海底以下地層中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，關(guān)系著我國未來的生存和發(fā)展，并愈益成為我國對外開放和加速海洋經(jīng)濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略區(qū)域。然而，我國近海處于海陸板塊交接地帶和人類海洋開發(fā)活動最為活躍的區(qū)域，承受著各種地質(zhì)環(huán)境條件的制約，因而海底通常處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在世界及我國海洋資源開發(fā)和工程建設(shè)史中，由于海底災(zāi)害地質(zhì)災(zāi)變而造成重大損失者不乏其例。因此，通過研究各災(zāi)害地質(zhì)類型的地質(zhì)背景、內(nèi)在機制和外部環(huán)境，評價海底的穩(wěn)定性并進行海底穩(wěn)定性區(qū)劃，對于資源開發(fā)防避相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害以及為政府有關(guān)部門制定防災(zāi)減災(zāi)對策，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

海洋災(zāi)害地質(zhì)是指發(fā)育于海底表面或海底以下地層中對人類生命財產(chǎn)能夠造成危害的地質(zhì)因素，即有可能成災(zāi)的各種地質(zhì)條件，包括某些地質(zhì)體和地質(zhì)作用［1－2］。災(zāi)害地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害不同，災(zāi)害地質(zhì)的發(fā)生、發(fā)展及演變造成對人類生命財產(chǎn)的損失和破壞可稱之為地質(zhì)災(zāi)害，而未造成人類生命財產(chǎn)損失的則僅僅表現(xiàn)為一種地質(zhì)作用或者地質(zhì)過程。從表現(xiàn)而言，地質(zhì)災(zāi)害是果，而災(zāi)害地質(zhì)是因，但地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)發(fā)性特征又使其本身亦為因。因此，兩者之間既有區(qū)別亦有聯(lián)系，但均對海底穩(wěn)定性狀態(tài)有巨大的影響力。

2 我國近海海底災(zāi)害地質(zhì)類型

依據(jù)賦存部位的不同，我國近海災(zāi)害地質(zhì)類型可以劃分海底表面和海底以下災(zāi)害地質(zhì)類型兩大類；同時依據(jù)其對海洋工程的危害程度分為具有直接危害類型和具有潛在危害類型兩個亞類；依據(jù)成因和發(fā)展趨勢原則進一步將其分為構(gòu)造、重力、侵蝕、堆積、氣動力、氣候－海面變化和人為作用7個小類共40余個基本類型（表1）［1］。這些基本類型有活動斷層、地震、火山、活動沙波、沙脊、沖刷洼地、滑坡、濁流、陡坡、凸凹地、峽谷、海山、埋藏地形地貌、易液化砂層、軟弱層、高壓淺層氣、穿刺等。如此眾多的災(zāi)害地質(zhì)類型的分布及其組合關(guān)系具有區(qū)域分異的特征，這一特征是海底穩(wěn)定性區(qū)劃的基礎(chǔ)。

表1 海洋災(zāi)害地質(zhì)類型分類體系（據(jù)李培英等［1］）

3 我國近海海底穩(wěn)定性評價

3.1 海底穩(wěn)定性評價的定義

對人類生存與發(fā)展而言，近海地質(zhì)環(huán)境對人類活動的制約作用主要表現(xiàn)在3個方面：第一是資源條件、豐富程度及其開發(fā)利用的難易程度和協(xié)調(diào)配套程度；第二是工程地質(zhì)環(huán)境條件，包括巖層結(jié)構(gòu)和組成、地形地貌、區(qū)域構(gòu)造、工程地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)條件等對于工程建設(shè)的適宜程度；第三是災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境條件，主要指導(dǎo)致災(zāi)變的動力因素、背景條件以及災(zāi)害地質(zhì)類型的發(fā)育程度與組合類型［3］。在這3者中，前者反映了近海資源的可持續(xù)程度的量度，后兩者則分別反映了近海地質(zhì)環(huán)境對人類開發(fā)活動的適宜程度和風(fēng)險程度。

對我國近海災(zāi)害地質(zhì)進行評價的最終目的是確定近海地質(zhì)環(huán)境對人類開發(fā)和利用海洋資源的風(fēng)險程度。前文已述，其影響因素主要為海底災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境條件和工程地質(zhì)條件，這兩種條件對人類社會活動的制約作用可直接歸結(jié)于近海海底的穩(wěn)定性。制約程度高，則海底穩(wěn)定性差，對人類社會活動影響大，開發(fā)風(fēng)險高。據(jù)此，本文將海底穩(wěn)定性評價定義為近海災(zāi)害地質(zhì)類型的災(zāi)變機率及其對人類社會產(chǎn)生危害的程度、時間或性質(zhì)進行定量描述的系統(tǒng)過程。

3.2 評價思路與方法

近海海底災(zāi)害地質(zhì)類型眾多，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，要從這許多影響因素中作出綜合評價，較為定量的得出一個客觀合理的結(jié)論是比較困難的。另外，人們主觀認識的差異性和災(zāi)害地質(zhì)影響因素的復(fù)雜性和不確定性，使得對我國近海地區(qū)的評價要得出一致的結(jié)論幾乎是不可能的。而且，穩(wěn)定性等級界限以及影響因素的分級界限也存在不明確性，均帶有很大的模糊性。因此，模糊數(shù)學(xué)是刻畫這類問題較為合理的方法［4－5］。

目前，綜合評價采用的模式有3種，即點評價、面評價和區(qū)域評價［6－7］。本文所討論的評價范圍為向陸一側(cè)為我國大陸海岸線，向海一側(cè)為在我國近海海洋調(diào)查專項中確定的8幅災(zāi)害地質(zhì)圖外緣。本文所探討的近海海底穩(wěn)定性評價屬于區(qū)域評價的范疇。其方法是對區(qū)域近海海底災(zāi)害地質(zhì)資料進行模糊量化，選取比較適合的評價模型、評價指標以及權(quán)重值，對近海海底穩(wěn)定性進行總體評價。

3.3 評價指標

合理地選擇評價指標，是客觀地進行海底穩(wěn)定性評價和揭示其穩(wěn)定性的前提和基礎(chǔ)。近海海底穩(wěn)定性評價指標組成可以分為兩個大類。第一大類是近海海底發(fā)育的災(zāi)害地質(zhì)類型，共40余種。結(jié)合前文所述近海海底災(zāi)害地質(zhì)分類體系，本文采用二級分類辦法將40余種災(zāi)害地質(zhì)類型歸結(jié)為直接型和限制型。第二大類為控制型和本底類指標，如地震動區(qū)劃、地貌區(qū)劃以及工程地質(zhì)區(qū)劃等背景指標。由此，設(shè)計了共5類近海海底穩(wěn)定性評價指標，包括地震動、工程地質(zhì)、地貌、直接災(zāi)害地質(zhì)類型以及限制災(zāi)害地質(zhì)類型。

一般而言，上述5類指標都不能直接作為定量化的評價指標，需通過一定的數(shù)學(xué)處理方可成為具體的量化指標。因此，在上述確定的評價指標中，根據(jù)各指標特性以及近海海底災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境境特點，擬定了各指標的分級標準。通過對每類指標的綜合考慮和統(tǒng)計分析，將5類指標各劃分為5個級別，由此構(gòu)成了我國近海海底穩(wěn)定性評價的指標體系（表2）。

表2 我國近海海底穩(wěn)定性評價指標體系

根據(jù)上述5類評價指標，給出我國近海海底穩(wěn)定性模糊綜合評價因素集：

式中，u1為地震區(qū)劃類指標，u2為工程地質(zhì)區(qū)劃類指標，u3為地貌區(qū)劃類指標，u4為直接型災(zāi)害地質(zhì)類型指標，u5為限制型災(zāi)害地質(zhì)類型指標。

3.4 近海海底穩(wěn)定性分級

依據(jù)模糊綜合評價理論，首先需要建立評價目標等級評判級別，即海底穩(wěn)定性等級評判集。由于近海災(zāi)害地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性，因此近海海底穩(wěn)定性并不具有絕對的含義。常用的分級方法為邏輯信息分類法和特征分類法，將級別劃分為3級或5級［3］。在本項研究中，采用五值邏輯分類體系，將我國近海海底穩(wěn)定性劃分為5個等級，即不穩(wěn)定、較不穩(wěn)定、中等、較穩(wěn)定和穩(wěn)定區(qū)。

由此，給出我國近海海底穩(wěn)定性等級集：

式中，v1表示穩(wěn)定，v2表示較穩(wěn)定，v3表示穩(wěn)定性中等，v4表示較不穩(wěn)定，v5表示不穩(wěn)定。

3.5 評價指標隸屬度

隸屬度是反映評價指標隸屬于評語集的程度。隸屬度一般由隸屬函數(shù)來確定。本文將模糊集轉(zhuǎn)化為多值邏輯，利用貼近度分析方法，選取了一組比較適當(dāng)?shù)?，具有正態(tài)分布特點的數(shù)值“0.0，0.2，0.5，0.8，1.0，0.8，0.5，0.2，0.0”以代替隸屬度函數(shù)，即用一組滿足模糊條件的數(shù)值來表示各種評價因子對災(zāi)害地質(zhì)穩(wěn)定性的影響程度，這樣就把近海范圍內(nèi)各個評價因子對穩(wěn)定性的影響程度變?yōu)殡`屬度值（見表3）。同時為了便于綜合評價的計算，各評價因子相應(yīng)的隸屬程度應(yīng)基本相等［5］。

表3 評價指標隸屬度值

根據(jù)表3的模糊信息化結(jié)果，對每個評價指標做出單因素評價，所有單因素評價構(gòu)成評價因素集U到穩(wěn)定性等級評判集V的模糊關(guān)系矩陣R：

式 中，r1，r2，r3，r4，r5分 別 代 表 地 震 類、工 程 地 質(zhì)類、地貌區(qū)劃類、直接類和間接類這5類評價指標，v1，v2，v3，v4，v5分別是各個評價因子所對應(yīng)的隸屬度值。

3.6 評價指標權(quán)值

近海海底穩(wěn)定性評價是涉及多指標的綜合性評價問題，因此對各評價指標具有權(quán)衡輕重作用程度的權(quán)值亦不同。權(quán)值反映了不同評價因子間的相對重要性［8］。由于我國近海工程地質(zhì)區(qū)劃資料不全，無法滿足整個研究區(qū)域進行海底穩(wěn)定性評價的需求，因此具體評價過程中本文僅采用了地震類、地貌區(qū)劃類、直接類和間接類這4類評價指標。在專家判斷的基礎(chǔ)上，引入層次分析決策過程與方法，得出各評價指標的權(quán)重值A(chǔ)。

表4 評價指標權(quán)重值

3.7 模糊矩陣運算

通過建立的模糊關(guān)系矩陣R，以及權(quán)值分配集A，以6′×6′的網(wǎng)格為我國近海海底穩(wěn)定性評價的基本單元，得到某評價單元的綜合評價結(jié)果B：

式中，＊為模糊變換算子。

評價結(jié)果B為基于評價因素集U的綜合評價結(jié)果，上式運算的結(jié)果是一組等級度隸屬值，按照模糊數(shù)學(xué)最大隸屬度原則，取隸屬度最大者所對應(yīng)的等級作為評價單元穩(wěn)定性等級。

4 我國近海海底穩(wěn)定性區(qū)劃

在上述評價思路及方法指導(dǎo)下，以我國近海海洋調(diào)查專項所編制的8幅災(zāi)害地質(zhì)圖圖層為數(shù)據(jù)源，構(gòu)建了我國近海海底穩(wěn)定性模糊綜合評價系統(tǒng)，以6′×6′的網(wǎng)格為基本單元，共獲得了8 368個網(wǎng)格評價單元的評價結(jié)果?；谀：C合評價結(jié)果及統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，編繪了我國近海海底穩(wěn)定性區(qū)劃圖（圖1）。

依據(jù)圖1的區(qū)劃結(jié)果，我國近海海底穩(wěn)定性劃分為5級60區(qū)。

圖1 我國近海海底穩(wěn)定性區(qū)劃圖

不穩(wěn)定區(qū)為圖1中5處紅色區(qū)域。主要分布于遼東灣東部蓋州市以西海域、渤海中部萊州灣北部海域、蘇北淺灘以東海域、臺灣北部近岸海域以及廣東南澳島附近海域。其主要特征為地震動區(qū)劃級別較高，直接災(zāi)害地質(zhì)類型發(fā)育且基底地貌類型復(fù)雜。

較不穩(wěn)定區(qū)為圖1中18處橙黃色區(qū)域。集中分布于遼東灣東北部海域、渤海灣東部及東南部海域、蘇北沿岸粉沙淤泥質(zhì)潮灘海域、臺灣東北部及東南沿海海域、廣東汕頭附近海域、以及海南島西北及東南部分海域。

穩(wěn)定性中等區(qū)為圖1中黃色區(qū)域，共12處。集中分布于海底較不穩(wěn)定區(qū)周邊，如遼東灣東北部海域、渤海灣東部海域、蘇北沿岸粉沙淤泥質(zhì)潮灘海域、臺灣東北部及東南沿海海域等海底較不穩(wěn)定區(qū)周邊；此外，珠江口附近海域、瓊州海峽海域、福建廣東東南沿海海域、海州灣北部沿海海域、海州灣東部部分海域、遼東灣南部部分海域以及鴨綠江口附近海域亦為海底穩(wěn)定性中等區(qū)。

圖1中11處黃綠色區(qū)域為較穩(wěn)定區(qū)，其所占海域面積最廣。因此，較穩(wěn)定是我國近海最主要海底穩(wěn)定性級別。區(qū)內(nèi)直接型和限制型災(zāi)害地質(zhì)類型均有發(fā)育但較為稀少。

海底穩(wěn)定區(qū)為圖1中14處綠色區(qū)域，主要分布于遠離海岸地區(qū)，區(qū)內(nèi)災(zāi)害地質(zhì)類型單一，組合類型較少。

5 結(jié)論

（1）本文設(shè)計并建立了以地震動、工程地質(zhì)、地貌、直接災(zāi)害地質(zhì)類型以及限制災(zāi)害地質(zhì)類型為主體的我國近海海底穩(wěn)定性5類5級評價指標體系。

（2）海底穩(wěn)定性判別對于海洋資源的安全開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。本文建立了基于模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上海底穩(wěn)定性評價模型并對我國近海海底穩(wěn)定性進行了定量評價。評價結(jié)果表明，我國近海海底穩(wěn)定性從穩(wěn)定到不穩(wěn)定可以劃分為5級60區(qū)。其中，較穩(wěn)定是我國近海最主要的海底穩(wěn)定性級別。

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