基于層次分析法的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

郭 瑞， 馬富存， 郭一兵， 毛 岳

(1.陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 734000；3.甘肅地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730000)

基于層次分析法的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

郭 瑞1， 馬富存2， 郭一兵3， 毛 岳2

(1.陜西理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723001；2.甘肅省地礦局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 734000；3.甘肅地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730000)

結(jié)合甘肅舟曲“8·8”特大泥石流災(zāi)害實(shí)例，基于層次分析法(AHP)，建立了泥石流易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)模型，并應(yīng)用其對(duì)5條典型泥石流溝的易發(fā)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。工程實(shí)例表明，所建模型不僅反映了泥石流災(zāi)害各影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)間的邏輯關(guān)系，且體現(xiàn)了泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)過(guò)程中的層次性和全面性；該模型較真實(shí)地反映了泥石流的易發(fā)性狀況，具有較好的實(shí)用性，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際調(diào)研情況較吻合；所建模型為舟曲其它地區(qū)泥石流災(zāi)害的評(píng)價(jià)和防治提供了可靠依據(jù)。

地質(zhì)災(zāi)害；層次分析法；泥石流；易發(fā)性評(píng)價(jià)

泥石流是山區(qū)常見(jiàn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害形式之一，其具有分布廣，發(fā)生頻率高，歷時(shí)短，成災(zāi)快，破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)，常對(duì)位于溝谷內(nèi)的生態(tài)環(huán)境、水土資源及人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大破壞，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)甘肅省舟曲縣本次發(fā)生的泥石流災(zāi)害致使1 248人遇難，496人失蹤，沖毀房屋220余棟，沖毀、掩埋農(nóng)田13.3公頃等。因此，進(jìn)行泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)不僅對(duì)泥石流活動(dòng)區(qū)內(nèi)工程的設(shè)計(jì)與施工具有重要的參考價(jià)值，且對(duì)溝谷流域泥石流的治理與防災(zāi)措施的實(shí)施具有重要的指導(dǎo)意義，對(duì)泥石流易發(fā)性的評(píng)價(jià)已成為防災(zāi)、減災(zāi)的重要手段(商衛(wèi)東等， 2010)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)從事泥石流災(zāi)害研究的專家學(xué)者們?cè)谀嗍饕装l(fā)性評(píng)價(jià)體系方面作了大量探索與研究，取得了豐碩的成果(崔鵬等，2001； 徐永年等，2002；劉希林，2002；陳偉等，2006；劉章軍等，2005；王錦國(guó)等， 2002；姚勇等，2010；王哲等， 2009)。然而，由于泥石流形成受多因素影響涉及評(píng)價(jià)因子多以及地域的差異性，致使當(dāng)前有關(guān)泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)尚未形成一個(gè)公認(rèn)的體系。因此，建立一種具有普遍適用性、數(shù)據(jù)處理方便、結(jié)果可靠的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)體系具有重要意義。鑒于上述原因，本文基于層次分析法建立了泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)體系，從另一角度探求泥石流易發(fā)性分類評(píng)價(jià)方法。

1 層次分析法分析

層次分析法是一種系統(tǒng)化和層次化的多目標(biāo)決策分析方法，其能夠?qū)?shí)測(cè)數(shù)據(jù)、專家評(píng)分及分析者的客觀判斷有效地結(jié)合起來(lái)。層次分析法基本思路為：首先，依據(jù)所分析問(wèn)題的性質(zhì)及要達(dá)到目標(biāo)，將各元素按照其屬性和隸屬關(guān)系分解成階遞狀結(jié)構(gòu)；其次，將同層不同元素相互比較，并給各指標(biāo)的相對(duì)重要性予量化描述，基于各指標(biāo)量化值構(gòu)造判斷矩陣；最后，由判斷矩陣計(jì)算每層各指標(biāo)的相對(duì)重要性次序值，并做一致性檢驗(yàn)；最終，確定指標(biāo)層影響元素對(duì)系統(tǒng)總目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.1 評(píng)價(jià)模型的建立

合理確定泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是對(duì)其易發(fā)性進(jìn)行正確評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。本文基于多項(xiàng)泥石流治理工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合甘肅舟曲泥石流災(zāi)害主要影響因素的特點(diǎn)，并通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外已有研究成果的分析，建立了包括物源條件、地形地貌條件及誘發(fā)因素的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)多層次評(píng)價(jià)模型。

1.2 各層次判斷矩陣的確定

如圖1所示，以Xi表示泥石流易發(fā)性影響條件，Xij、Xik分別表示隸屬于影響條件Xi的任意兩個(gè)泥石流影響指標(biāo)因素，將Xij和Xik進(jìn)行比較，用ajk表示指標(biāo)因素Xij相對(duì)于指標(biāo)因素Xik的重要程度，反之a(chǎn)ji表示指標(biāo)因素Xik相對(duì)于指標(biāo)因素Xij的重要程度，ajk與akj互為倒數(shù)，即ajk=1/akj，將ajk稱為判斷矩陣標(biāo)度。

指數(shù)標(biāo)度作為APH構(gòu)造判斷矩陣的方法之一，其不僅明確了思維一致性的含義，克服了采用傳統(tǒng)的“1～9”標(biāo)度法致使判斷矩陣一致性較差的缺點(diǎn)，且使各影響因素的排序權(quán)值可靈活調(diào)整，一致性指標(biāo)能夠很好地對(duì)判主觀斷思維的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，鑒于上述原因，本文采用指數(shù)標(biāo)度構(gòu)造各層次的判斷矩陣，指數(shù)標(biāo)度取值見(jiàn)表1。

表1 指數(shù)標(biāo)度an(a=1.316)

需要做這種處理時(shí)(k=1, 3, 5, 7)按照公式1.316n計(jì)算

對(duì)各層次影響指標(biāo)因素進(jìn)行兩兩比較，建立如下判斷矩陣：

1.3 影響因素權(quán)向量的確定及一致性檢驗(yàn)

1.3.1 判斷矩陣特征向量及最大特征值計(jì)算

本文采用和積法計(jì)算判斷矩陣最大特征值及特征向量，其具體計(jì)算過(guò)程如下：

1.3.2 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

1.4 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

1.4.1 指標(biāo)層影響因素?cái)?shù)值無(wú)量綱化處理

由于指標(biāo)層各影響因素的量綱不同，且其量值相差較大，為便于計(jì)算與分析，需將指標(biāo)層各影響因素實(shí)測(cè)值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，處理方法為：

(1)

式中，Xijw為指標(biāo)層各影響因素處理后值；Xij為指標(biāo)層各影響實(shí)測(cè)值；Xmax=max[Xij]；Xmin=min[Xij]。

1.4.2 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型

泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型為：

(2)

式中，B為泥石流易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)指數(shù)；aj為權(quán)重；Xj為評(píng)價(jià)指數(shù)。

2 工程實(shí)例應(yīng)用

2.1 工程概況及其評(píng)價(jià)模型的確定

舟曲縣位于甘肅省甘南藏族自治州東南，四面環(huán)山，呈寬帶狀地形。南峪溝位于舟曲縣城東南方向(45°)約10 km處，地處白龍江南岸南峪鄉(xiāng)境內(nèi)，流域面積43.8 km2，溝口正對(duì)白龍江。南峪溝內(nèi)主要發(fā)育有南峪溝主溝、磨兒坪溝、安門下溝、黑松坪溝及黑山溝等5條主溝，溝道內(nèi)松散物質(zhì)儲(chǔ)量極為豐富，泥石流易發(fā)程度高，易發(fā)性大，隨時(shí)都有爆發(fā)特大型泥石流災(zāi)害的可能性。南峪溝各溝道主要特征見(jiàn)表3。

表3 南峪溝各溝道綜合特征

評(píng)價(jià)目標(biāo)為舟曲縣南峪溝各溝泥石流易發(fā)性指數(shù)(X)，其下一級(jí)目標(biāo)為以物源條件、地貌條件及誘發(fā)因素等作為準(zhǔn)則層，以一次泥石流最大沖出量、流域面積及日最大降雨量等泥石流基礎(chǔ)影響因子作為指標(biāo)層，建立舟曲縣南峪溝泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，如圖1所示。

圖1 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)體系Fig.1 Evaluation system for occurrence easiness of debris flow

2.2 判斷矩陣構(gòu)造

表3為南峪溝各溝道綜合特征指數(shù)實(shí)測(cè)成果，根據(jù)圖1已建立的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用指數(shù)標(biāo)度法，通過(guò)兩兩比較確定各影響指標(biāo)相對(duì)重要性并賦于標(biāo)度值，根據(jù)標(biāo)度值分別構(gòu)造判斷矩陣X-Xi(目標(biāo)層-準(zhǔn)則層)和判斷矩陣Xi-Xij(準(zhǔn)則層-指標(biāo)層)。

目標(biāo)層-準(zhǔn)則層：

準(zhǔn)則層-指標(biāo)層：

X2-X2j=

2.3 權(quán)向量計(jì)算及一致性檢驗(yàn)

采用和積法分別計(jì)算指標(biāo)層和準(zhǔn)側(cè)層對(duì)其上一層的權(quán)向量：

UX1-X1j=(0.66，0.22，0.13)T；UX2-X1j=(0.57,0.43)T；

UX2-X2j=(0.29,0.21,0.14,0.14,0.06,0.17)T；UX2-X3j=(0.84,0.16)T。

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)得：

由于當(dāng)n<3時(shí)，判斷矩陣的一致性滿足要求，故判斷矩陣X1-X1j，X2-X1j及X2-X3j無(wú)需再進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

IC(X2-X2j)=0.032，IR(X2-X2j)=1.24，RC(X2-X2j)=0.026<0.1，滿足一致性要求；

IC(X1-X1j)=8.23×10-9，IR(X1-X1j)=0.58，RC(X1-X1j)=1.42×10-8<0.1，滿足一致性要求。

2.4 指標(biāo)層影響因子數(shù)的確定

對(duì)南峪溝各溝的實(shí)測(cè)綜合特征值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 南峪溝各溝道綜合特征值無(wú)量綱化結(jié)果

2.5 泥石流易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的確定

結(jié)合南峪溝各溝道綜合特征值的實(shí)際調(diào)研結(jié)果(表3)，基于各溝道綜合特征值無(wú)量綱化結(jié)果(表4)和各層次指標(biāo)的權(quán)向量計(jì)算結(jié)果(UX1-X1j、UX2-X1j、UX2-X2j及UX2-X3j)，根據(jù)式(2)確定各溝道泥石流易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表5。

表5 南峪溝各溝道綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)將模型多次調(diào)試和試算，將南峪溝泥石流易發(fā)性劃分為3個(gè)等級(jí)，分別為高易發(fā)區(qū)：X≥0.5；中易發(fā)區(qū)：0.3≤X<0.5；低易發(fā)區(qū)：X<0.3。則可知南峪溝主溝為高易發(fā)性泥石流溝，磨兒坪溝和黑松坪溝為中易發(fā)性泥石流溝，安門下溝和黑山溝為低易發(fā)性泥石流溝，上述評(píng)價(jià)與實(shí)際調(diào)研結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

(1)建立的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)體系基本上包含了泥石流災(zāi)害成因的各面因素，其不僅反映了各影響因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)間的邏輯關(guān)系，且體現(xiàn)了泥石流評(píng)價(jià)過(guò)程中的層次性和全面性。

(3)基于層次分析法建立了以泥石流災(zāi)害易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)層，以物源條件及誘發(fā)因素為準(zhǔn)則層，以一次最大沖出量、流域面積及日平均最大降雨量等10個(gè)影響因子為基礎(chǔ)指標(biāo)層的舟曲南峪溝流域泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，其評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際調(diào)研情況相吻合，證明所建模型具有較好的實(shí)用性，其對(duì)舟曲其它地區(qū)泥石流災(zāi)害的評(píng)價(jià)和防治具有重要重要指導(dǎo)作用。

陳偉，任光明，左三勝. 2006.泥石流危險(xiǎn)度的模糊綜合評(píng)判[J]. 水土保持研究，13(2)：138-139.

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Debris Flow Evaluation of Occurrence Easiness Based on AHP

GUO Rui1, MA Fu-cun2, GUO Yi-bing3, MAO Yue2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Shanxi University of Technology, Hanzhong SX 723001, China; 2. Institute of Hydrogeology and Engineering Geology, Gansu Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Zhangye,GS 734000, China; 3. Institute of Exploration and Design on Geological Disaster Prevention and Control Engineering, Lanzhou,GS 730000, China)

Combined with “8·8” large debris flow disasters instance in Zhouqu County, Gansu Province, a coprehensive evaluation model for occurrence easiness of debris flow was established based on analytical hierarchy process(AHP). Five typical debris flow gullies are analyzed by the way of AHP. Engineering examples show that the model can reflect logical relationship between the factors and evaluation index of debris flow disasters, reflect the levels and comprehensiveness of evaluation process. The model can indicate more objectively and truly occurrence easiness of debris flow, which is practical and effective. The evaluation results has a high relativity to the actual surveys. The model may provide reliable evidence to evaluation, prevention and treatment of other debris flow gullies in Zhouqu County.

geological disaster; analytical hierarchy process(AHP); debris flow; evaluation of occurrence easiness

2015-04-28

郭 瑞(1982—)，男，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害治理及路面工程。E-mail:guorui19830120@163.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.04.007

P694

A

1674-3504(2016)04-0347-05

郭瑞，馬富存，郭一兵,等.2016. 基于層次分析法的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，39(4)：347-351.

Guo Rui, Ma Fu-cun, Guo Yi-bing, et al.2016. Debris flow evaluation of occurrence easiness based on AHP [J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(4)：347-351.