模糊綜合評判法在甘肅隴南武都區(qū)石門鄉(xiāng)泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)中的應(yīng)用

李曉婷，劉文龍

(1.河北地質(zhì)大學(xué)勘查技術(shù)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050000；2.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048)

0 引言

泥石流是山區(qū)常見的一種自然地質(zhì)災(zāi)害，其發(fā)生對山區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重大影響。武都區(qū)石門鄉(xiāng)江南片的鹽土溝、廟溝、草壩子西溝、閘子溝、下東溝和洪水溝泥石流流域內(nèi)松散固體物質(zhì)豐富，流域面積適中，溝深坡陡。持續(xù)強(qiáng)降雨有利雨水迅速匯聚，匯集以后水勢兇猛，邊流動邊攜帶流域內(nèi)的松散物質(zhì)，從而形成泥石流。泥石流對石門鄉(xiāng)小山坪村、草壩子村、旱地村、棗川村、廟上村和棗川小學(xué)的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成極大威脅。因此，武都區(qū)石門鄉(xiāng)泥石流的危險(xiǎn)性評價(jià)對該地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。劉麗等[1]基于云南昭通滑坡、泥石流溝泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)度模糊綜合評價(jià)結(jié)果，完成了昭通滑坡、泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)度分區(qū)。張漢雄[2]進(jìn)行了人為泥石流災(zāi)害嚴(yán)重等級的定量模糊綜合評判。魏永明等[3]運(yùn)用關(guān)聯(lián)度分析法和模糊綜合評判法對北京市北部山區(qū)重點(diǎn)泥石流溝進(jìn)行了危險(xiǎn)度劃分。劉加龍等[4]采取了基于模糊模式識別理論的模糊綜合評判法，對貴州省畢節(jié)區(qū)域泥石流災(zāi)度進(jìn)行了評價(jià)。王學(xué)武等[5]應(yīng)用多級模糊綜合評判方法對西南某擬建水電站壩址鄰近泥石流溝危險(xiǎn)性做出了評價(jià)。劉濤等[6]運(yùn)用層次分析法對密云縣泥石流危險(xiǎn)度進(jìn)行評價(jià)。陳明等[7]以單溝泥石流溝為研究對象，應(yīng)用云模型對模糊綜合評價(jià)進(jìn)行改善。但取得的成果不足之處在于各地泥石流發(fā)生的地形地貌、松散物來源和水源條件等存在很大的差異，因此，本文綜合專家指導(dǎo)和對武都區(qū)石門鄉(xiāng)泥石流概況的具體分析，合理的從當(dāng)?shù)啬嗍鞯牡刭|(zhì)條件、地形地貌條件、水動力條件中選取10個指標(biāo)建立泥石流危險(xiǎn)度的評價(jià)模型，并通過多層次評價(jià)來了解泥石流發(fā)生的可能性。

1 研究區(qū)概況

1.1 泥石流溝發(fā)育分布、災(zāi)害史與威脅對象

武都區(qū)石門鄉(xiāng)江南片的鹽土溝、廟溝、草壩子西溝、閘子溝、下東溝和洪水溝各泥石流流域面積0.16～2.52 km2，主溝道長790～2 600 m，溝道呈上陡下緩的折線形，平均比降150‰～230‰，主溝道及支溝斷面呈“V”字型，除洪水溝溝內(nèi)有常流水外，其余溝谷均為季節(jié)性洪流，江南片各泥石流溝相對分布位置詳見圖1。以上溝谷以前均有發(fā)生泥石流的歷史記錄，部分溝道也曾發(fā)生過多次崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，造成了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。武都區(qū)石門鄉(xiāng)江南片的鹽土溝、廟溝、草壩子西溝、閘子溝、下東溝和洪水溝泥石流共計(jì)威脅人數(shù)約3 290人，威脅財(cái)產(chǎn)約15 160萬元。

圖1 武都區(qū)石門鄉(xiāng)江南片泥石流溝相對位置平面分布圖Fig.1 Relative location of debris flow gully in Jiangnan area, Shimen Township, Wudu District, Longnan City

1.2 自然地理與氣候條件

鹽土溝、廟溝、草壩子西溝、閘子溝、下東溝和洪水溝泥石流均位于武都區(qū)石門鄉(xiāng)白龍江右岸，7條溝溝口相距較近，沿白龍江呈帶狀分布。武都區(qū)受地域構(gòu)造支配的山體總體走向?yàn)闁|西向，總地勢為西北高，東南低?？偟牡匦翁攸c(diǎn)是溝谷發(fā)育、切割強(qiáng)烈、地表起伏大、山勢陡峭、相對高差大(1 000～1 500 m)，坡度大。據(jù)調(diào)查區(qū)附近氣象站、哨監(jiān)測資料，武都區(qū)多年平均降水量487.2 mm，其中5～9月降水量占全年降水總量的75%～85%。24小時最大降水量為90.5 mm，1 h最大降水量40 mm，10 min最大降水量16.2 mm。

2 多層次泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)度綜合評價(jià)原理

2.1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的建立

武都區(qū)石門鄉(xiāng)泥石流災(zāi)害的致災(zāi)因子較多，各個因素的綜合作用對泥石流的影響是復(fù)雜的。根據(jù)該地區(qū)的自然地理及地質(zhì)環(huán)境概況和泥石流的形成條件、發(fā)育特征等因素，在對野外實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，選取沿溝松散物儲量u1、不良地質(zhì)現(xiàn)象u2、溝口泥石流堆積活動程度u3、河溝堵塞程度u4、產(chǎn)砂區(qū)溝槽橫斷面u5、河溝縱坡u6、流域面積u7、流域植被覆蓋率u8、溝岸山坡坡度u9、河溝近期一次變幅u10這10項(xiàng)因素作為評價(jià)因子，建立武都區(qū)石門鄉(xiāng)泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)因素層次結(jié)構(gòu)模型(圖2)。

圖2 評價(jià)因素層次結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Evaluation factor hierarchy model

2.1.1判斷矩陣的構(gòu)建及權(quán)重的確定

本文引用A. L. Satty教授建議的1～9的整數(shù)及其倒數(shù)的標(biāo)度方法[8-10]。根據(jù)1～9標(biāo)度法，按兩兩比較的結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣。求判斷矩陣的最大特征值及其對應(yīng)的特征向量，再對特征向量進(jìn)行歸一化后記W(權(quán)重)。

可得出上述方案層各影響因素的權(quán)重值(表1～表3)。

表1 準(zhǔn)則層D的權(quán)重

表2 方案層A的權(quán)重

表3 方案層B的權(quán)重

2.1.2判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)

為了衡量矩陣兩兩不相容所造成的yMax和W的誤差，則需構(gòu)建一個一致性指標(biāo)CI，再查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI[11-12]。計(jì)算一致性比例CR=CI/RI。當(dāng)CR<0.1時，認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性要求。否則應(yīng)該對判斷矩陣做適應(yīng)修改。

經(jīng)過計(jì)算檢驗(yàn)各矩陣的一致性均可接受。

2.2 模糊綜合評判模型

按照泥石流危險(xiǎn)度程度大小可將其劃分為4個等級：無危險(xiǎn)、輕度危險(xiǎn)、中度危險(xiǎn)、高度危險(xiǎn)，建立泥石流的危險(xiǎn)度評價(jià)集，即V=(V1,V2,V3,V4)=(無危險(xiǎn)，輕度危險(xiǎn)，中度危險(xiǎn)，高度危險(xiǎn))。建立泥石流危險(xiǎn)指標(biāo)等級及賦值表(表4)。

表4 泥石流危險(xiǎn)指標(biāo)等級及其賦值表

以廟溝為例，根據(jù)廟溝的評價(jià)因子實(shí)際取值(表5)，求得評價(jià)因素U對評價(jià)集V的隸屬度，從而建立模糊關(guān)系矩陣R[13-14]。根據(jù)指標(biāo)越大越優(yōu)的特性，現(xiàn)選定半梯形分布模型進(jìn)行隸屬度函數(shù)的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的隸屬度函數(shù)如下[15-17]：

式中：xi——各因子實(shí)際值；

ei——評價(jià)集的上下界限。

表5 廟溝的評價(jià)因子實(shí)際取值

3 研究區(qū)泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)

當(dāng)權(quán)重向量W和模糊關(guān)系矩陣R已知時，即可對泥石流的危險(xiǎn)性進(jìn)行模糊綜合評判。根據(jù)O=W×R(O表示模糊綜合評判集)(2)[18-21]，可取得一級模糊綜合評判：

WA=(0.254,0.074,0.192,0.146,0.334)

WB=(0.107,0.415,0.293,0.185)

WC=1

OA=WA·RA=

(0,0.146,0.083,0.662)

OB=WB·RB=

(0.345,0.267,0.059,0.292)

OC=WC·RC=1[0,0.50,0.28,0]=(0,0.50,0.28,0)

二級模糊綜合評判：

(0.170,0.275,0.110,0.350)

經(jīng)過歸一化得，OD=(0.187,0.304,0.122,0.387)。

根據(jù)最大隸屬度原則，在OD中選擇最大值，最大值對應(yīng)的等級就是該條泥石流溝危險(xiǎn)性綜合評判的結(jié)果。OD中最高值為0.387，即高度危險(xiǎn)。因此綜合評價(jià)結(jié)果顯示廟溝泥石流的危險(xiǎn)度等級為高。

依據(jù)上述方法，分別對鹽土溝、草壩子西溝、閘子溝、下東溝、洪水溝進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)(表6為區(qū)域內(nèi)5條泥石流溝的評價(jià)因子實(shí)際取值)。如下：

O鹽土溝=(0.234,0.320,0.029,0.417)

O草壩子西溝=(0.184,0.175,0.037,0.604)

O閘子溝=(0.199,0.249,0.156,0.396)

O下東溝=(0.215,0.101,0.068,0.616)

O洪水溝=(0.169,0.279,0.156,0.396)

根據(jù)最大隸屬度原則，所選的武都區(qū)石門鄉(xiāng)5條泥石流溝的最后評價(jià)結(jié)果見表7。

通過對鹽土溝、草壩子西溝、閘子溝、下東溝、洪水溝的模糊綜合評判結(jié)果進(jìn)行對比分析，綜合評判結(jié)果顯示該5條泥石流溝均處于高度危險(xiǎn)狀態(tài)。

表6 區(qū)域內(nèi)5條泥石流溝的評價(jià)因子實(shí)際取值

4 結(jié)論

使用層次分析法的模糊綜合評判模型對武都區(qū)石門鄉(xiāng)泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，其結(jié)果與該區(qū)的實(shí)際情況具有較好的一致性。研究表明，該評價(jià)模型能較好的應(yīng)用于武都區(qū)石門鄉(xiāng)泥石流的危險(xiǎn)性評價(jià)中，是一種具有較強(qiáng)的科學(xué)性和有效性的評價(jià)方法。

表7 評價(jià)結(jié)果的對比分析