基于粗糙集理論的ARCGIS平臺下泥石流孕災(zāi)因子分析

郎秋玲，秦凱旭，王 彪，楊 揚(yáng)

(1.長春工程學(xué)院勘查與測繪學(xué)院，長春130021； 2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，長春 130024；3.吉林省交通科學(xué)研究所，長春 130012)

0 引言

泥石流是一種復(fù)雜的地質(zhì)問題，爆發(fā)突然，來勢兇猛，危害巨大。吉林省東南部地區(qū)以山區(qū)為主，每年地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率較高，尤其是泥石流災(zāi)害，給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)造成了較大的損失，制約了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。長期以來，國內(nèi)外對泥石流的研究經(jīng)歷著從定性到定量分析的迅速發(fā)展，其權(quán)重分析對其易發(fā)性評價結(jié)果起著重要作用，灰色關(guān)聯(lián)度模型、可拓學(xué)模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、回歸分析模型等均得到了較好的應(yīng)用[1]。但這些方法中，往往偏向于主觀判斷或客觀分析，其判定結(jié)果與實(shí)地災(zāi)情存在一定誤差。因此，分析不同區(qū)域泥石流成災(zāi)特點(diǎn)，準(zhǔn)確判定孕災(zāi)因子，并在此基礎(chǔ)上選取合理、適宜的權(quán)重判定方法確定權(quán)重大小是泥石流危險性評價、機(jī)理分析及風(fēng)險評價的重要前提條件。

吉林省研究人員根據(jù)其泥石流成災(zāi)特點(diǎn)，開展了1∶50 000縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃工作，本文就是在此基礎(chǔ)上，對吉林省泥石流地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行研究，采用ARCGIS軟件篩分影響泥石流災(zāi)害的主要孕災(zāi)因子。將粗糙集理論應(yīng)用到吉林省泥石流孕災(zāi)因子的權(quán)重分析中，其研究成果對研究區(qū)的泥石流災(zāi)害、防災(zāi)減災(zāi)工作及其分析與評價有著較重要的意義[1-5]。

1 孕災(zāi)因子分析

1.1 地貌

地貌類型對泥石流災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展起著重要的作用，是重要的孕災(zāi)因子。吉林省地勢特點(diǎn)是東南高，西北低，地貌類型主要為東部低山丘陵、長白山中山低山等15個單元[2]。

對吉林省泥石流點(diǎn)及地貌分布圖進(jìn)行分析(圖1)，將其分為Ⅰ(松遼低平原、山前傾斜平原、高平原)，Ⅱ(山間盆地谷地)，Ⅲ(丘陵、低山丘陵)，Ⅳ(中低山、臺源臺地)4個區(qū)域，由圖可見，泥石流災(zāi)害在和龍、延吉、敦化等地區(qū)發(fā)育，此區(qū)域特點(diǎn)為以山區(qū)為主，坡度較大，有利于雨水匯集，為泥石流提供了有利的地形和水源條件。

圖1 吉林省泥石流點(diǎn)及地貌分布圖

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析(圖2)，中低山、臺源臺地區(qū)域泥石流最發(fā)育，山間盆地谷地與丘陵、低山丘陵區(qū)域泥石流較發(fā)育，松遼低平原、山前傾斜平原、高平原泥石流不發(fā)育。

圖2 吉林省泥石流點(diǎn)與地貌關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖

1.2 地勢高程

地勢高程影響著坡體內(nèi)部的應(yīng)力分布，高程越高，應(yīng)力越大，邊坡越不穩(wěn)定。此外，高程越高，巖體越易風(fēng)化破碎，形成泥石流物源條件[3]。對ARCGIS所得到的吉林省泥石流點(diǎn)及地勢高程分布圖(圖3)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將研究區(qū)地勢高程分為如圖Ⅰ(1～200 m)、Ⅱ(200～500 m)、Ⅲ(500～1 500 m)、Ⅳ(1 500～5 000 m)4個區(qū)域。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，Ⅱ區(qū)域泥石流最發(fā)育，共有泥石流592條，Ⅲ區(qū)域泥石流較發(fā)育，共有245條，主要發(fā)育在長白、安圖、撫松、靖宇、通化等地。Ⅰ、Ⅳ區(qū)域泥石流分布較少，分別發(fā)育有30條和1條，發(fā)育程度相對較低，因吉林省的地勢高程為Ⅳ區(qū)域的相對較少，僅在長白山天池地區(qū)有少量分布。

圖3 吉林省泥石流點(diǎn)及地勢高程分布圖

1.3 坡度

較陡的地形坡度是泥石流發(fā)生不可缺少的因素之一，坡度陡峻，溝床坡降較大的地形有利于水源的匯集，是泥石流發(fā)育必備的動力條件[4]。

吉林省的地形坡度特點(diǎn)有利于固體物質(zhì)的堆積，其中西部主要為中高山地區(qū)，坡度可達(dá)30°～70°，在此坡度下，滑坡、崩塌及巖屑流為主要物源，而東部主要為中低山地區(qū)，坡度低于30°，滑坡及坡洪積物為主要的物源。

利用ARCGIS所得到的吉林省泥石流點(diǎn)及坡度分布圖(圖4)統(tǒng)計(jì)分析得出，吉林省根據(jù)泥石流坡度特點(diǎn)分為Ⅰ(0°～4°)、Ⅱ(4°～10°)、Ⅲ(10°～18°)、Ⅳ(18°～90°)4個區(qū)。其中Ⅰ區(qū)域泥石流分布較多，共發(fā)育715條，因吉林省坡度主要以0～10°區(qū)域?yàn)橹?，西北部坡度普遍低?°，東南部坡度為10°左右。10°～90°區(qū)域泥石流相對較少，共153條。

圖4 吉林省泥石流點(diǎn)及坡度分布圖

1.4 巖組

巖組是泥石流的物質(zhì)來源之一，其松散碎裂程度及巖石本身的抗風(fēng)化性能影響著物源的豐富程度[5-6]。

吉林省巖組類型較多，通過分析ARCGIS所得到的吉林省泥石流點(diǎn)及巖組分布圖(如圖5)，將研究區(qū)巖組分為Ⅰ(極硬巖)，Ⅱ(硬質(zhì)巖)，Ⅲ(軟質(zhì)巖)，Ⅳ(土體)4個區(qū)域，其中，土體及軟質(zhì)巖主要分布在平原區(qū)，地形地貌條件不利于泥石流的發(fā)育，因此，泥石流相對較少。吉林省極硬巖及硬質(zhì)巖石主要為中厚層火山噴發(fā)進(jìn)而沉積形成的碎屑巖組及中厚至薄層的砂礫巖組，其地形坡度相對陡峭，泥石流分布相對較多。因此，巖組對吉林省泥石流的發(fā)育影響不顯著。

1.5 植被覆蓋率

植被覆蓋率較少，巖體相對裸露，有利于風(fēng)化形成豐富松散的物源條件，并且有利于水源的匯集而為泥石流發(fā)生提供動力條件。吉林省植被覆蓋率較高，林業(yè)面積居全國第12位，其中東部區(qū)主要為森林區(qū)域。而近代由于人類活動加強(qiáng)、植被破壞、風(fēng)化加強(qiáng)，進(jìn)而為泥石流的發(fā)育提供了物源條件。

對ARCGIS所得到的吉林省泥石流點(diǎn)及植被覆蓋率分布圖(圖6)統(tǒng)計(jì)分析，將其分為如圖Ⅰ(大于80%)、Ⅱ(50%～80%)、Ⅲ(20%～50%)、Ⅳ(小于80%)4個區(qū)域。其中植被覆蓋率在20%～50%的區(qū)域泥石流最發(fā)育，共481條。植被覆蓋率大于50%的區(qū)域泥石流較發(fā)育，共325條，因此區(qū)域地形地貌條件有利于泥石流的形成。植被覆蓋率小于20%區(qū)域處于平原區(qū)，不利于泥石流形成，因此，泥石流相對不發(fā)育。

圖5 吉林省泥石流點(diǎn)及巖組分布圖

圖6 吉林省泥石流點(diǎn)及植被覆蓋率分布圖

1.6 年平均降水量

突發(fā)性的水源條件是泥石流發(fā)育的必備條件之一，其中，當(dāng)日降水量及前期降水量影響更顯著[7-8]。對吉林省泥石流出現(xiàn)的汛期分析發(fā)現(xiàn)，25%的泥石流均發(fā)生在暴雨當(dāng)天，且為持續(xù)集中的降雨型。小雨引發(fā)泥石流災(zāi)害相對較少。通過對ARCGIS所得到的吉林省泥石流點(diǎn)及年平均降水量分布圖(圖7)統(tǒng)計(jì)分析，將其分為Ⅰ(小于500 mm)、Ⅱ(500～700 mm)、Ⅲ(700～900 mm)、Ⅳ(大于900 mm)4個區(qū)域，其中700～900 mm降水量區(qū)域泥石流最為發(fā)育，為527條，500～700 mm降水量區(qū)域較發(fā)育，為291條，小于500 mm降水量區(qū)域泥石流相對較少，而大于900 mm降水量區(qū)域因植被較發(fā)育，人類活動不顯著，不利于形成泥石流災(zāi)害。

圖7 吉林省泥石流點(diǎn)及年平均降水量分布圖

1.7 人口密度

現(xiàn)今由于人類社會經(jīng)濟(jì)活動加強(qiáng)，對地質(zhì)環(huán)境破壞較顯著，進(jìn)而地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生也大大增加。人口密度越密集，人類活動越顯著，泥石流發(fā)生頻率也越高。

吉林省人口密集區(qū)域，人類工程經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)烈，其中對于一些不合理的開挖邊坡，礦山建設(shè)，廢棄土體的不當(dāng)堆砌等均是誘發(fā)崩塌、滑坡的主要原因，為泥石流提供豐富的物源，植被的破壞也加大了水源的匯集。由ARCGIS所得到的吉林省泥石流點(diǎn)及人口密度分布圖(圖8)統(tǒng)計(jì)分析，將人口密度分為Ⅰ(0～10)、Ⅱ(10～100)、Ⅲ(100～500)、Ⅳ(>500)4個區(qū)域。其中人口密度為0～10人/km2區(qū)域，雖人口密度較小，但因地形坡度較陡，有利于泥石流的發(fā)育，共發(fā)育泥石流609條。人口密度10～500人/km2區(qū)域人口密集，人類工程活動顯著，泥石流災(zāi)害較發(fā)育，共發(fā)育有256條。人口密度大于500人/km2區(qū)域雖人口密集，但處于平原區(qū)，泥石流災(zāi)害不發(fā)育。

2 基于粗糙集理論的孕災(zāi)因子重要度分析

粗糙集理論起源于20世紀(jì)70年代，該方法是解決高度非線性、不確定性及模型性問題的一種有效方法，該方法建立相應(yīng)的決策信息表，設(shè)置決策及條件屬性，將災(zāi)害點(diǎn)密度分布設(shè)為決策屬性，對待解決問題的各個影響因子進(jìn)行分類，進(jìn)而對其冗余的因子進(jìn)行約簡[9]。

圖8 吉林省泥石流點(diǎn)及人口密度分布圖

將影響吉林省泥石流災(zāi)害易發(fā)性的各個孕災(zāi)因子C={C1，C2，…，Cn}設(shè)為條件屬性，在ARCGIS里分別將其易發(fā)性等級D={D1，D2，…，Dn}設(shè)為決策屬性，所有泥石流點(diǎn)U={u1，u2，…，un}組成樣本集合。對影響泥石流易發(fā)程度的孕災(zāi)因子進(jìn)行等級的劃分，將其分為若干屬性值，將屬性值特征化后即可建立知識系統(tǒng)[10]。

在ARCGIS中生成災(zāi)害點(diǎn)密度分布圖(圖9)，在ArcToolbox中利用其子模塊將DEM生成坡度圖，進(jìn)而在ARCGIS平臺中對各圖層中的單元集分析、歸類，利用計(jì)算程序?qū)Ω髟袨?zāi)因子進(jìn)行重要度計(jì)算機(jī)約簡[11-12]，計(jì)算各孕災(zāi)因子的權(quán)重系數(shù)qj，計(jì)算得出結(jié)果見表1。

表1 粗糙集理論計(jì)算孕災(zāi)因子權(quán)重系數(shù)結(jié)果

對吉林省泥石流孕災(zāi)因子重要度利用粗糙集理論進(jìn)行分析，并計(jì)算出權(quán)重系數(shù)后，由表1中得出：吉林省泥石流孕災(zāi)因子影響度由大到小為坡度>地勢高程>人口密度>植被覆蓋率>巖組>年平均降水量>地貌，其中坡度、地勢高程、人口密度、植被覆蓋率等因子對泥石流易發(fā)程度影響較大，該分析結(jié)果與實(shí)地災(zāi)情較符合，因此，粗糙集理論在吉林省泥石流孕災(zāi)因子重要性分析中較為可靠，結(jié)果較合理。

3 結(jié)語

根據(jù)吉林省地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特點(diǎn)，在吉林省1∶50 000萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的基礎(chǔ)上，對地質(zhì)災(zāi)害與其發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境分別進(jìn)行研究。在ARCGIS平臺下經(jīng)對研究區(qū)內(nèi)泥石流與各個孕災(zāi)因子之間的關(guān)系統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，吉林省泥石流災(zāi)害主要的孕災(zāi)因子可以歸為地貌、地勢高程、坡度、巖組、年平均降水量、植被覆蓋率、人口密度等7個指標(biāo)。其中以下區(qū)域泥石流最發(fā)育：1)中低山、臺源臺地區(qū)域；2)地勢高程200～1 500 m區(qū)域；3)地面坡度為0°～10°區(qū)域；4)極硬巖及硬質(zhì)巖石的中厚層火山噴發(fā)進(jìn)而沉積形成的碎屑巖組及中厚至薄層的砂礫巖組；5)植被覆蓋率為20%～50%區(qū)域；6)年平均降水量為700～900 mm區(qū)域；7)人口密度為0～10人/km2區(qū)域。在此基礎(chǔ)上將研究區(qū)內(nèi)的各個孕災(zāi)因子分別劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個區(qū)域。采用粗糙集理論對吉林省泥石流的孕災(zāi)因子進(jìn)行重要性分析，確定其權(quán)重大小，進(jìn)而得出坡度、地勢高程、人口密度、植被覆蓋率在吉林省泥石流評價中較為重要，而巖組、年平均降水量、地貌因子在吉林省泥石流評價中影響較小，該結(jié)果可為吉林省泥石流風(fēng)險區(qū)劃和對防災(zāi)減災(zāi)及公共安全提供參考。