基于灰色聚類的貴州省縣域公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)研究

伍仁杰, 陳洪凱

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 棗莊學(xué)院 城市與建筑工程學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引 言

我國(guó)國(guó)土面積遼闊，地形復(fù)雜，地勢(shì)起伏不定，地貌條件差異性大，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害如崩塌、泥石流、滑坡、危巖、地震、公路洪災(zāi)等頻繁爆發(fā)，其中，公路洪災(zāi)是世界上大部分國(guó)家和地區(qū)共同面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。公路洪災(zāi)極易導(dǎo)致土體滑坡、邊坡泥石流、路基坍塌沉陷、路面淹沒(méi)、小橋涵水毀、防護(hù)結(jié)構(gòu)水毀等次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[1-4]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)公路洪災(zāi)環(huán)境進(jìn)行了大量研究。曾蓉等[5]通過(guò)綜合主觀和客觀權(quán)重進(jìn)行了洪災(zāi)評(píng)價(jià)；林孝松等[6]在Arc-GIS平臺(tái)下計(jì)算獲得了孕災(zāi)環(huán)境綜合指數(shù)及分區(qū)；徐國(guó)元等[7]運(yùn)用蒙特卡洛模擬技術(shù)建立了公路排水模糊評(píng)價(jià)體系；周仲禮等[8]運(yùn)用決策樹(shù)理論建立了泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型。

筆者以貴州省為例，針對(duì)全省88個(gè)縣、區(qū)行政單元，分析了公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境敏感性的評(píng)價(jià)指標(biāo)；運(yùn)用灰色聚類分析方法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算；結(jié)合灰色聚類分析模型對(duì)全省縣域公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境的敏感等級(jí)進(jìn)行了分區(qū)。研究對(duì)公路洪災(zāi)防災(zāi)減災(zāi)、保障公路交通生命線有序運(yùn)行具有重要實(shí)際意義。

1 公路洪災(zāi)孕災(zāi)指標(biāo)體系

1.1 洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境因子

筆者在分析孕災(zāi)環(huán)境因子[9]和對(duì)實(shí)地情況進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合貴州省公路洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境現(xiàn)狀以及相關(guān)歷史統(tǒng)計(jì)資料，選取公路沿線地形地貌(x1)、降雨量(x2)、河網(wǎng)密度(x3)、地層巖性(x4)、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育狀況(x5)、植被覆蓋率(x6)、人口密度(x7)等7個(gè)孕災(zāi)因子作為貴州省公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.1 地形地貌

地形地貌是公路洪災(zāi)得以發(fā)生最主要的下墊面因素，在降雨因素一定的條件下，地形地貌因素直接影響公路洪水災(zāi)害的規(guī)模[10]。貴州省位于我國(guó)西南地區(qū)，全省以高原、山地地貌為主，境內(nèi)山地、高原面積占總面積的87%，山地地貌多由巖溶作用、流水侵蝕以及皺褶斷裂形成；全省平均海拔約為1 100 m，地勢(shì)西高東低(圖1)，山脈眾多，尤其是境內(nèi)中、西部地區(qū)，地形起伏大，河流侵蝕、切割作用明顯；省內(nèi)大部分公路依山而建、沿河而行，從而導(dǎo)致公路洪水災(zāi)害、崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。

筆者根據(jù)地形地貌對(duì)公路洪災(zāi)的影響，將貴州省地形條件劃分為山地、大型丘陵、小型丘陵和平原等4個(gè)等級(jí)，并結(jié)合各區(qū)縣海拔高度數(shù)據(jù)進(jìn)行量化賦值。

圖1 貴州100 m分辨率DEM圖Fig. 1 DEM map with 100 m resolution for Guizhou province

1.1.2 降雨量

貴州全省大部分區(qū)域氣候溫和，屬亞熱帶高原季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，四季分明。受大氣環(huán)流條件影響，研究區(qū)氣候條件不穩(wěn)定，復(fù)雜多變，區(qū)域降雨量不均。在空間位置上，降雨量東多西少，南多北少；在時(shí)間分布上，下半年雨量多、強(qiáng)度大，全年降雨日高達(dá)160天。據(jù)貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒統(tǒng)計(jì)顯示，全省年均降雨量常年保持在900～1 600 mm，導(dǎo)致因強(qiáng)降水引起的公路次生災(zāi)害易發(fā)、多發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2008—2016年期間，貴州省因強(qiáng)降雨誘發(fā)的公路洪水災(zāi)害有282起，其中公路滑坡39起，路面開(kāi)裂77起，路基沉降88起，小橋涵淹沒(méi)41起，公路邊坡防護(hù)工程沖毀23起，其他14起[11-13]。

1.1.3 河網(wǎng)密度

河網(wǎng)密度越大，沿河湖的公路、橋梁遭受洪水災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)越高。貴州省河網(wǎng)密度高[14]，河流處于珠江與長(zhǎng)江兩大流域上游的交錯(cuò)地帶，有69個(gè)縣級(jí)行政區(qū)位于長(zhǎng)江防護(hù)林保護(hù)區(qū)內(nèi)。受地勢(shì)條件影響，河流從西部高原和中部山地、丘陵地帶分流至南部、東部和北部 3 個(gè)方向。苗嶺作為兩大流域的一級(jí)分水嶺，以北為長(zhǎng)江流域，包括赤水河、烏江、清水江、洪州河、潕陽(yáng)河、錦江、松桃河、松坎河、牛欄江與洛澤河等 10 余條主要江、河，省內(nèi)部分長(zhǎng)江流域面積達(dá) 128 783 km2，占全省面積的73%；以南為珠江流域，包含南盤江、北盤江、紅水河、都柳江與打狗河等5條主要江、河，省內(nèi)部分珠江流域面積達(dá)64 464 km2，占全省總面積的36.59%(表1)。

表1 2015年貴州省兩大流域特征 Table 1 Characteristics for two drainage basins in Guizhou, 2015

1.1.4 地層巖性

貴州省地層發(fā)育成熟且復(fù)雜多變，從早期中元古宇構(gòu)造到晚期的第四系地層均有發(fā)育，其厚度高達(dá)30 000 m。其中，中上元古界主要地層為碎屑、火山巖變質(zhì)地層，古生代至中生代以海相碳酸鹽地層為主，晚三疊世晚期及以后形成陸相碎屑地層。綜合而言，全省地層主要為沉積巖，其中碳酸鹽巖發(fā)育最為成熟[15]。全省地層由老至新包括中、上元古界，為變質(zhì)火山沉積巖，位于梵凈山區(qū)和九萬(wàn)大山地區(qū)，厚度從3 000 ～ 9 500 m不等；下古生界，以碳酸鹽巖和碎屑巖為主，主要分布于黔東南和貴州北部，厚度超過(guò)3 000 m；上古生界，以碳酸鹽巖和碎屑巖沉積為主，主要分布于黔南、黔西南地區(qū)；中-新生界，該地層大多為陸相碎屑地層，巖性復(fù)雜、厚薄差異大。全省碳酸鹽巖所占面積最廣，幅員面積占比高達(dá)62%，形成了貴州獨(dú)特的喀斯特地貌。在水蝕和溶蝕的作用下，節(jié)理、裂縫發(fā)育，導(dǎo)致地表破裂，從而推動(dòng)了公路洪災(zāi)孕災(zāi)的發(fā)育。

1.1.5 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育狀況

貴州省主要地質(zhì)災(zāi)害包括危巖崩塌、山體滑坡、坡面泥石流、地震，及它們所產(chǎn)生的次生災(zāi)害，同時(shí)還有以碳酸鹽巖溶解和沉淀作用、流水侵蝕和沉積作用為主的巖溶地質(zhì)災(zāi)害等。

據(jù)調(diào)查，貴州省主要的公路地災(zāi)發(fā)育有公路沿線山體滑坡、坡面泥石流、山體崩塌以及衍生的路面沉陷、路基坍塌、邊坡失穩(wěn)等[16-18]，據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2015年貴州省共發(fā)生各類地質(zhì)災(zāi)害163起，其中滑坡123起，崩塌31起，泥石流2起，地面塌陷4起，地裂縫3起[14]。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育越成熟，公路洪災(zāi)形成的條件就越充足。

1.1.6 植被覆蓋率

貴州省植被覆蓋豐厚，組成類型多樣。在空間分布上，由西向東呈現(xiàn)出逐段過(guò)渡的特性，有亞熱帶植被常綠闊葉林、近熱帶山地季雨林、暖性同地針葉林以及寒溫性高山針葉林等。對(duì)于公路沿線的植被發(fā)育而言，其覆蓋率越高，越能保證土壤的通透性，從而減少雨水對(duì)土壤的入侵量、延緩匯流量，達(dá)到降低山地洪水形成的效果[19]。因此，應(yīng)提高公路沿線的植被覆蓋率，加大保護(hù)道路交通沿線的生態(tài)環(huán)境。

1.1.7 人口密度

人口總量的增大導(dǎo)致交通道路沿線人類活動(dòng)不斷擴(kuò)大。人類活動(dòng)對(duì)沿線公路的影響主要體現(xiàn)在削弱沿線公路植被覆蓋、破壞邊坡穩(wěn)定性方面，造成路面沉降、路基變形與破壞等。通常來(lái)說(shuō)，道路交通沿線人口數(shù)量的多少直接影響公路地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)弱。因此在對(duì)貴州省公路沿線人口數(shù)量統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行分析時(shí)，采用人口密度來(lái)反映公路沿線的人類活動(dòng)。考慮到人口密度分布不均及研究區(qū)地域廣闊，筆者結(jié)合貴州省的具體情況將人口密度劃分為極高敏感、高敏感、中等敏感和低敏感等4個(gè)等級(jí)。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化與聚類

基于對(duì)貴州省7個(gè)公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境因子[20,21]的分析，根據(jù)貴州省公路洪災(zāi)特點(diǎn)，結(jié)合貴州省統(tǒng)計(jì)年鑒、貴州省民政廳及減災(zāi)辦公布的災(zāi)害信息，筆者以貴州省88個(gè)縣、區(qū)行政單元為評(píng)價(jià)對(duì)象，建立了分級(jí)賦值量化標(biāo)準(zhǔn)(表2)，并對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理(表3列出了部分縣、區(qū)行政單元無(wú)量綱化處理后的數(shù)據(jù))，同時(shí)采用灰色聚類分析法[22, 23]對(duì)貴州省公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)和分區(qū)。

表2 孕災(zāi)環(huán)境指標(biāo)等級(jí)劃分與賦值 Table 2 Grading and valuation for disaster-inducing environment indexes

表3 無(wú)量綱化處理后的評(píng)價(jià)指標(biāo) Table 3 Evaluation indexes value after dimensionless treatment

設(shè)貴州省88個(gè)縣、區(qū)行政單元為聚類對(duì)象i，i=I，II，…，N(N=88)；選取公路沿線地形地貌、降雨量、河網(wǎng)密度、地層巖性、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育狀況、植被覆蓋率、人口密度等7個(gè)孕災(zāi)因子為聚類指標(biāo)j，j=1*，2*，…，n*(n*=7*)；把貴州省公路洪水災(zāi)害孕災(zāi)因子劃分為極高敏感、 高敏感、中等敏感、低敏感等4個(gè)等級(jí)，即聚類等級(jí)k=1，2，…，m(m=4)。具體計(jì)算步驟如下：

1)給出第i個(gè)聚類對(duì)象第j種聚類指標(biāo)的白化值dij。

2)確定灰類白化函數(shù)fjk(dij) 的 3 類解法。

第1類——對(duì)于孕災(zāi)指標(biāo)j，求解其白化函數(shù)為fj1(dij)，即：

(1)

第2類——對(duì)于孕災(zāi)指標(biāo)j，求解其白化函數(shù)為fj2(dij)，即：

(2)

第3類——對(duì)于孕災(zāi)指標(biāo)j，求解其白化函數(shù)為fj3(dij)，即：

(3)

3)求標(biāo)定聚類權(quán)rjk。從式(1)～式(3)可以看出，對(duì)于fjk(s)，有特定的λjk(2)，因此可得：

T:{fjk(s)}→{λjk(2)}

(4)

式中：{fjk(s)}為fjk(s)的全部；{λjk(2)}為λjk(2)的全部。

從而可得標(biāo)準(zhǔn)權(quán)，即：

(5)

4)計(jì)算實(shí)際權(quán)。求解聚類系數(shù)σik：

(6)

同時(shí)構(gòu)建聚類向量σ(i)：

σ(i)={σi1,σi2,…,σi4}

(7)

5)對(duì)因子進(jìn)行等級(jí)歸類，在式(7)中求最大元素，σjk′，即：

σjk′=maxkσjk

(8)

6)根據(jù)σjk′的最大值得出貴州各個(gè)縣對(duì)應(yīng)的等級(jí)，等級(jí)劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)Fig. 2 Disaster-inducing environment zoning of highway flood

2 分 析

根據(jù)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合灰色聚類分析法，對(duì)孕災(zāi)因子進(jìn)行計(jì)算，得到貴州省縣域公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境分區(qū)具體情況，其中：極高敏感區(qū)共有8個(gè)縣區(qū)，占比9.09%；高敏感區(qū)共有51個(gè)縣區(qū)，占比57.95%；中等敏感區(qū)共有26個(gè)縣區(qū)，占比29.55%；低敏感區(qū)共有3個(gè)縣區(qū)，占比3.41%。結(jié)果表明，貴州省公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境主要處于中、高敏感區(qū)，其合計(jì)所占區(qū)縣數(shù)量比例高達(dá)87.50%?？梢?jiàn)，貴州省公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境十分成熟，建議相關(guān)部門應(yīng)加大對(duì)相應(yīng)區(qū)、縣公路洪災(zāi)防災(zāi)減災(zāi)工作的投入。

3 結(jié) 語(yǔ)

以貴州省88個(gè)縣區(qū)、行政單元為研究對(duì)象，系統(tǒng)分析了公路洪災(zāi)地形地貌、降雨量、河網(wǎng)密度、地層巖性、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育狀況、植被覆蓋率、人口密度等7個(gè)孕災(zāi)因子，并建立公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，以建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，對(duì)貴州省88個(gè)縣、區(qū)行政單元的孕災(zāi)因子進(jìn)行無(wú)量綱化處理，結(jié)合孕災(zāi)環(huán)境的分級(jí)與賦值情況，運(yùn)用灰色聚類分析法對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到了貴州省各縣、區(qū)行政單元公路洪災(zāi)孕災(zāi)因子的等級(jí)劃分。

研究結(jié)果顯示：貴州省各縣、區(qū)公路洪災(zāi)孕災(zāi)環(huán)境主要以高敏感和中等敏感為主，所占區(qū)縣數(shù)量比例高達(dá)87.50%。研究成果可為政府、相關(guān)部門及科研人員提供公路洪水災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境的等級(jí)劃分依據(jù)，為研究區(qū)公路洪災(zāi)防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論支撐。