基于差分進(jìn)化算法的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方法研究

尹飛

關(guān)鍵詞：差分進(jìn)化算法；水工環(huán)；地質(zhì)災(zāi)害；危險(xiǎn)性評(píng)估；層次分析法

中圖分類號(hào)：X820 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

水工環(huán)地質(zhì)的破壞會(huì)形成水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)帶來(lái)一系列的環(huán)境問(wèn)題，從而影響人們的日常生活，甚至?xí){到人們的生命。為對(duì)環(huán)境進(jìn)行全面的保護(hù)，必須對(duì)水工環(huán)地質(zhì)進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。由于水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害具有空間分布不均勻性，使得水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估中的空間分布問(wèn)題成為制約水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的瓶頸問(wèn)題之一。針對(duì)此問(wèn)題，已有學(xué)者提出了一些解決方法，如基于GIS和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃方法、基于層次分析法（AHP）和灰色關(guān)聯(lián)分析（GRA）的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方法等。但這些方法主觀性較強(qiáng)，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果出現(xiàn)偏差。因此，此次研究引入差分進(jìn)化算法，提出水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方法。

1水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方法設(shè)計(jì)

1.1確定地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)因子

在對(duì)水利工程環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)評(píng)估時(shí)，應(yīng)確定地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的因子。首先進(jìn)行野外調(diào)查和室內(nèi)分析，以獲得水利工程環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響因素。在野外調(diào)查過(guò)程中，收集了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)實(shí)地調(diào)查確定了以下指標(biāo)：坡度、坡向、高差、微地貌、坡型、水文、巖性、構(gòu)造、巖層及節(jié)理等不利結(jié)構(gòu)面特征、植被覆蓋率、土地利用類型、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度、現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征等基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境信息。在以上指標(biāo)中，坡度是崩塌災(zāi)害發(fā)生的必要因素，且決定了崩塌災(zāi)害的嚴(yán)重程度；坡度越大，地質(zhì)災(zāi)害越容易發(fā)生；高差越大，應(yīng)力帶的范圍越大，發(fā)生概率和危害程度越大。在數(shù)據(jù)分析中，收集了大量的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

為提高后續(xù)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用均值標(biāo)準(zhǔn)化法標(biāo)準(zhǔn)化處理各評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到的因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)作為研究區(qū)域水利工程環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估的評(píng)價(jià)因子，在實(shí)際的使用過(guò)程中，利用相關(guān)軟件平臺(tái)構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系空間數(shù)據(jù)庫(kù)，作為評(píng)估基礎(chǔ)素材。

1.2計(jì)算因子權(quán)重

在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估中，各因素間存在著相互聯(lián)系、相互制約、相互影響的關(guān)系。因此，將地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估指標(biāo)分為2個(gè)層次：（1）指標(biāo)層，用來(lái)對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行定量描述，并將這些因素按一定的規(guī)律排列成不同的等級(jí)；（2）權(quán)重層，用來(lái)確定每個(gè)指標(biāo)在體系中所占的地位。在此基礎(chǔ)上，采用AHP層次分析法來(lái)計(jì)算各因素權(quán)重，得到的評(píng)價(jià)因子判別矩陣，見(jiàn)表2。

B₂段崩塌位置位于區(qū)域中部，大水溝左岸馬掌子山山頂位置，坐標(biāo)為：東經(jīng)102°56′35.77″，北緯26°16′38.75″。崩塌體位于斜坡頂部，整體斜坡高程介于2420m～3060 m之間，地形陡峻，地形坡度50°～60°。崩塌體分布高程介于2950m～3010m之間，崩向65°，坡度70°。由于待評(píng)估的地段較多，相應(yīng)的崩塌樣本比較少，因此在建立樣本集的過(guò)程中，按照7：3的比例來(lái)劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集。在上述環(huán)境下，分別使用文章設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)的基于MLP的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方法、基于SVM的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估方法共同進(jìn)行測(cè)試，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與分析

在上述研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境下，得到三種方法對(duì)該區(qū)域的崩塌危險(xiǎn)性分級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，使用成功率曲線對(duì)測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)集和已知的崩塌樣本的擬合程度進(jìn)行分析，得到不同評(píng)估方法下的崩塌危險(xiǎn)性成功率曲線結(jié)果見(jiàn)圖2。

對(duì)圖2進(jìn)行分析，得到SVM評(píng)估方法的曲線AUC值為0.782，MLP評(píng)估方法的曲線AUC值為0.736，文章評(píng)估方法的曲線AUC值為0.832。說(shuō)明文章評(píng)估方法下的崩塌危險(xiǎn)性評(píng)估準(zhǔn)確度更高。驗(yàn)證了文章方法的有效性。

3結(jié)束語(yǔ)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展，人口、資源、環(huán)境問(wèn)題日益突出，人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境之間的矛盾逐漸增大。所謂水工環(huán)就是指在水利工程建設(shè)、水資源開(kāi)發(fā)、水環(huán)境治理等方面的工作，這些工作往往需要涉及到地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估。近年來(lái)水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁，其危險(xiǎn)性評(píng)估對(duì)國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。文章對(duì)傳統(tǒng)的空間分布優(yōu)化算法進(jìn)行了改進(jìn)，將DE算法引入水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估中，與傳統(tǒng)的空間分布優(yōu)化方法相比，基于DE算法的空間分布優(yōu)化方法不需要大量的訓(xùn)練樣本。此外，基于DE算法的空間分布優(yōu)化方法具有較好的普適性，研究可以為水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估提供一種新思路和方法。