基于模糊綜合評(píng)判的辛置鎮(zhèn)滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估

武躍躍，李小明

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

隨著人類活動(dòng)的加劇，環(huán)境遭受破壞，滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，滑坡已成為第二大自然災(zāi)害[1]。其作為一種自然災(zāi)害，且對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)造成影響，便據(jù)有自然和社會(huì)兩種屬性[2]，即危險(xiǎn)性和易損性[3]，兩者的綜合即為風(fēng)險(xiǎn)性。由于人類對(duì)滑坡災(zāi)害認(rèn)識(shí)的不全面，其危險(xiǎn)評(píng)價(jià)便成為了滑坡防治、提高抗災(zāi)力的基礎(chǔ)。近年，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估及防治的理論發(fā)展迅速，成果豐富。曹璞源采用FAHP法對(duì)西安地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[4]；王少芬等采用模糊層次分析對(duì)臨江地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[5]；李輝基于GIS信息疊加模型對(duì)臨渭地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害做了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[6]。辛置鎮(zhèn)作為黃土地區(qū)，滑坡災(zāi)害容易發(fā)生，但少有文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行滑坡災(zāi)害的研究。本文選擇該區(qū)滑坡為評(píng)價(jià)對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)估，為當(dāng)?shù)胤罍p災(zāi)工作提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 地理位置

辛置鎮(zhèn)位于霍州市境南部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°40′23″～111°47′13″，北緯36°27′32″～36°33′01″，總面積53.9平方公里。

1.2 氣象水文

該區(qū)位于溫帶大陸性氣候區(qū)。年平均氣溫12.2℃，最高可達(dá)40.0℃。降水具季節(jié)性差異，7～9月是雨季集中期，降水量約占全年70%以上，年平均降水量437.3 mm，最大降水量可達(dá)682.2 mm。

該區(qū)內(nèi)河流屬于黃河流域、汾河水系。汾河自北向南從鎮(zhèn)內(nèi)西部經(jīng)過，河谷寬闊，河床平緩，成u型溝谷。

1.3 地形地貌

該區(qū)地貌以低山和丘陵為主，多為長(zhǎng)條狀的黃土梁，與溝谷相間分布，其延展方向多為東西向分布，頂部面積不大，但較為平坦。塔底溝和后河底溝是兩條較大溝谷，溝谷基本呈東西走向，支溝發(fā)育，呈樹枝狀分布，溝谷剖面形態(tài)大部分地區(qū)呈“v”字型，寬約50～150 m，坡高約20～60 m，兩側(cè)邊坡坡度較陡，介于40°～60°之間，部分地段邊坡近于直立。

1.4 地層巖性

與該區(qū)黃土滑坡有重要聯(lián)系的地層主要為，第四系上更新統(tǒng)(Q3)：多由風(fēng)積而成的黃土層，顏色主要為淺黃—棕黃色，土質(zhì)均勻松散，可見明顯孔隙，有蟲孔和植物根孔。整體是淺灰黃色粉土，下部夾雜明顯砂礫，為粉砂質(zhì)土，中部夾有棕褐色土壤層。層厚約5～15 m。

第四系中更新統(tǒng)(Q2)：多由風(fēng)積而成的黃土層，顏色主要為黃棕—黃褐色，結(jié)構(gòu)密實(shí)，呈塊狀?？梢姵雎兜拟}質(zhì)結(jié)核層，夾多層棕紅色古土壤層，有明顯的礫石、卵礫石呈條帶狀分布，含長(zhǎng)石，云母等。層厚約134 m。

第四系下更新統(tǒng)(Q1)：以棕黃色粉砂黃土為主，中夾埋藏土層，每層埋藏土下均有一層白色鈣質(zhì)結(jié)核。層厚約9～14 m。

新近系上新統(tǒng)(N2)：主要為半膠結(jié)礫巖和灰?guī)r組成，成分以灰?guī)r、砂巖，火成巖、片麻巖為主，層厚約42 m。

1.5 地震

該區(qū)位于汾渭地塹，臨汾-原平強(qiáng)震帶，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)明顯，霍山大斷層及赤峪大斷層都表現(xiàn)有活動(dòng)跡象，屬于強(qiáng)震區(qū)。地震活動(dòng)頻繁，強(qiáng)度大。歷史上1～3級(jí)地震頻發(fā)，5級(jí)以上地震多起。

1.6 植被

丘陵、低山上雜草叢生，主要為蒿類、鐵絲草等；灌木主要有沙棘、野皂莢等，是荒山綠化的主要灌木樹種，覆蓋率較為良好；喬木多分布于坡頂?shù)鹊貏?shì)平坦區(qū)，主要有洋槐樹、楊樹等。

1.7 人類工程活動(dòng)

村莊中現(xiàn)少有滑坡災(zāi)害發(fā)生，但存在較多潛在災(zāi)害點(diǎn)，多為因建房、修路等原因而開挖的人工邊坡，坡面較陡，巖土體破碎，節(jié)理裂隙明顯，如果遇到強(qiáng)降雨或其他誘發(fā)因素，發(fā)生滑坡的可能性較大，威脅下方房屋及道路。

2 滑坡概況

該滑坡位于辛置鎮(zhèn)北村南部道路旁邊坡(圖1)?；聟^(qū)屬于半濕潤(rùn)區(qū)，年降雨量約435 mm，降雨集中于7～9月。發(fā)生滑坡處坡高約45 m，坡寬約50 m，主滑方向25°，邊坡坡度大于30°，邊坡巖性為第四系中、上更新統(tǒng)黃土，滑坡體積約5300 m3，為小型滑坡。坡面灌木較茂盛，無喬木生長(zhǎng)。坡體巖土體結(jié)構(gòu)松散，抗風(fēng)化能力弱，為中等風(fēng)化程度?；滤趨^(qū)域有少部分建房工程活動(dòng)，受人類工程活動(dòng)影響較輕。

圖1 滑坡現(xiàn)狀圖

3 方法介紹

3.1 層次分析法

層次分析法能將定性和定量研究相結(jié)合，是一種多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多層次的分析方法[7]。根據(jù)問題的性質(zhì)和其中各因素間的關(guān)聯(lián)，把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為多目標(biāo)與多層次，形成一個(gè)有序的相關(guān)聯(lián)分析模型，逐層進(jìn)行分析，從而使得問題的處理變得標(biāo)準(zhǔn)化、有序化。優(yōu)點(diǎn)是處理問題所需的信息較少，時(shí)間短，精確度和結(jié)果的可靠度較高。

基本步驟如下：

首先，通過對(duì)實(shí)際情況的分析，劃分問題中的各種影響因素及其隸屬關(guān)系，按照決策目標(biāo)與準(zhǔn)則以及影響因素自上而下分為若干層，完成結(jié)構(gòu)模型建立。

其次，利用“1～9標(biāo)度法”并通過查閱文獻(xiàn)、咨詢專家等確定各層次中各因素的相對(duì)重要性程度，使各因素間能進(jìn)行比較，完成判斷矩陣構(gòu)建。

然后，進(jìn)行層次單排序和一致性檢驗(yàn)。通過計(jì)算矩陣的特征向量和最大特征值來得到下層個(gè)元素對(duì)上層之相應(yīng)的元素的重要性(權(quán)重值)順序。由于判斷矩陣各元素的賦值是根據(jù)專家意見或是經(jīng)驗(yàn)值取舍，同時(shí)各個(gè)元素之間比較沒有固定的參照物，賦值帶有很大的主觀性，因此在計(jì)算出結(jié)果之后要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，判斷各元素取值的合理性，如不滿足，則需要對(duì)矩陣進(jìn)行調(diào)整。

最后，利用各層次單排序結(jié)果計(jì)算層次總排序。

3.2 模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)價(jià)法屬于模糊數(shù)學(xué)理論，是根據(jù)所評(píng)價(jià)對(duì)象具有的條件及各因素評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)模糊變換后對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象做總評(píng)價(jià)[8]。能將定性研究轉(zhuǎn)化為定量研究，解決多因素控制的非確定性問題。將一些不易定量的因素定量化處理，再進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而使評(píng)價(jià)結(jié)果更加清晰明確。

基本步驟如下：

首先，建立被評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)體系，包括評(píng)價(jià)集和指標(biāo)集。

其次，利用層次分析法、最小平方法等確定權(quán)重集。

最后，構(gòu)建評(píng)判矩陣與權(quán)向量進(jìn)行計(jì)算，完成模糊綜合評(píng)判，確定評(píng)價(jià)等級(jí)。

4 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 確定評(píng)價(jià)集

根據(jù)以往實(shí)例分析以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)后將危險(xiǎn)性等級(jí)劃分為四個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)集為N=[N1，N2，N3，N4]。其中，N1為低危險(xiǎn)性；N2為中危險(xiǎn)性；N3為高危險(xiǎn)性；N4為極高危險(xiǎn)性。

4.2 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)滑坡的影響因素，通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、資料查找并參考相關(guān)文獻(xiàn)[9]，建立滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖2)，包括地質(zhì)環(huán)境、巖土體特征和誘發(fā)因素共計(jì)3個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)因子，坡高、坡度、植被狀況、風(fēng)化程度、巖性、降雨量、地震烈度、人類活動(dòng)共計(jì)8個(gè)二級(jí)因子。

圖2 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4.3 確定權(quán)重

由前文構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，依據(jù)層次分析理論的“1～9標(biāo)度法”(見表1)，分別對(duì)同層間的各個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造評(píng)價(jià)因子重要度比較矩陣，即判斷矩陣(見表2)。

表1 判斷矩陣1-9標(biāo)度含義

表2 危險(xiǎn)性指標(biāo)體系判斷矩陣表

(aij>0；aij與aji互為倒數(shù)。)

其中，A1地質(zhì)環(huán)境，A11坡高，A12坡度，A13植被狀況；A2巖土體特征，A21風(fēng)化程度，A22巖性；A3誘發(fā)因素，A31降雨量，A32地震烈度，A33人類活動(dòng)。

利用Matlab軟件中eig()和diag()函數(shù)計(jì)算矩陣的最大特征值及特征向量，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行計(jì)算，得：

(1)

λmax(A)=3.0536

(2)

(3)

λmax(A1)=3.0037

(4)

(5)

λmax(A2)=2.0000

(6)

(7)

λmax(A3)=3.0000

(8)

為提高判斷矩陣準(zhǔn)確度，避免邏輯錯(cuò)誤，應(yīng)對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(矩陣A2為二階矩陣，具有完全一致性，不需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn))：

CR=CI/RI，CI=(λmax-n)/n-1

(9)

其中，n為判斷矩陣階數(shù)；CI為隨機(jī)一致性指標(biāo)(見表3)。

表3 判斷矩陣隨機(jī)一致性指標(biāo)值

計(jì)算結(jié)果如下：

CR(A)=0.0158<0.1

(10)

CR(A1)=0.0032<0.1

(11)

CR(A3)=0<0.1

(12)

表明上述判斷矩陣均具有良好一致性。

最后，根據(jù)已確定的W(A)、W(A1)、W(A2)、W(A3)權(quán)重向量，計(jì)算因子組合權(quán)重值(表4)。

表4 評(píng)價(jià)因子組合權(quán)重排序

得到因子總排序權(quán)重向量：

W=[0.0770 0.1450 0.0273 0.0393 0.1178 0.2544 0.0848 0.2544]

(13)

4.4 確定隸屬度

根據(jù)影響指標(biāo)的分布特征及各影響指標(biāo)危險(xiǎn)性評(píng)判等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表5)，且參考相關(guān)文獻(xiàn)[10，11]，進(jìn)行連續(xù)性和離散性指標(biāo)隸屬度的確定。

表5 指標(biāo)危險(xiǎn)性評(píng)判等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

續(xù)表

4.4.1 離散型指標(biāo)隸屬度的確定

對(duì)于離散性因素，根據(jù)滑坡危險(xiǎn)性評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)表，確定因素的實(shí)際狀況，以其所屬的危險(xiǎn)性等級(jí)來確定[12]。即當(dāng)因素的實(shí)際特征狀態(tài)屬于某危險(xiǎn)性等級(jí)時(shí)，對(duì)該危險(xiǎn)性等級(jí)的隸屬度為1，對(duì)其它危險(xiǎn)性等級(jí)的隸屬度均為0。

4.4.2 連續(xù)性指標(biāo)隸屬度的確定

分類指標(biāo)越小則越好的定量指標(biāo)選擇降半梯型分布隸屬函數(shù)[13]來確定各評(píng)價(jià)因子對(duì)各危險(xiǎn)性等級(jí)的隸屬度，其公式為：

(14)

(15)

(16)

(17)

式中，U1、U2、U3、U4分別為單個(gè)評(píng)價(jià)因子對(duì)各危險(xiǎn)性等級(jí)的隸屬度，V1、V2、V3、V4分別為各危險(xiǎn)性等級(jí)的上下限值，X為各評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值。

4.5 確定模糊矩陣

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并結(jié)合相關(guān)資料，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)際值/狀態(tài)(見表6)，根據(jù)上述隸屬度的計(jì)算方法，確定各影響指標(biāo)的隸屬度(見表7)。

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際取值/狀態(tài)

表7 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)隸屬度

根據(jù)上表中的隸屬度值，最終得出模糊判斷矩陣

(18)

4.6 評(píng)價(jià)結(jié)果

模糊矩陣中各行反應(yīng)的是被評(píng)價(jià)對(duì)象各指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)集中各等級(jí)的隸屬程度。利用權(quán)向量W將不同行進(jìn)行綜合，得到評(píng)價(jià)對(duì)象從總體來看對(duì)評(píng)價(jià)集中各等級(jí)的隸屬程度，引入模糊子集：

根據(jù)最大隸屬度原則，選取B中最大隸屬度所對(duì)應(yīng)的評(píng)判等級(jí)作為最終結(jié)果，則該滑坡危險(xiǎn)性等級(jí)為中危險(xiǎn)性。

5 結(jié)論

(1) 通過模糊綜合評(píng)判法對(duì)某滑坡進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，得出該滑坡為中危險(xiǎn)性，與實(shí)際情況較為相符

(2) 可對(duì)該地區(qū)防減災(zāi)工作提供參考但也存在評(píng)價(jià)指標(biāo)間某些相關(guān)性造成的信息重復(fù)，有待進(jìn)一步研究。