基于灰色模型的某地崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)

0 引言

在當(dāng)前地質(zhì)環(huán)境與自然災(zāi)害防治的大背景下，崩塌災(zāi)害的防控已成為地質(zhì)工程領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題[1-2]。由于崩塌災(zāi)害的發(fā)生往往具有突發(fā)性和破壞性，因此對(duì)其易發(fā)性的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)對(duì)于預(yù)防和減輕災(zāi)害損失具有至關(guān)重要的意義[3]。

一些學(xué)者們從不同角度對(duì)崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)進(jìn)行深入研究和探索。張洋[4構(gòu)建支持向量機(jī)模型，分別得到3類數(shù)學(xué)模型的易發(fā)性評(píng)價(jià)分區(qū)結(jié)果，結(jié)果顯示在空間上呈現(xiàn)相似的分布特征。張偉等[5]利用R語言kuenm數(shù)據(jù)包對(duì)MaxEnt模型的主要影響參數(shù)調(diào)控倍頻和特征組合進(jìn)行調(diào)整。蔡新偉[提出一種基于模糊聚類的支持向量機(jī)易發(fā)性評(píng)價(jià)方法，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)選擇非災(zāi)害點(diǎn)會(huì)降低樣本質(zhì)量，影響模型訓(xùn)練精度。

本文引入灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)模型，通過對(duì)某地區(qū)崩塌災(zāi)害易發(fā)性的評(píng)價(jià)，優(yōu)化地質(zhì)災(zāi)害防治資源的配置，提高防災(zāi)減災(zāi)效率。通過對(duì)崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的深入探討，可以為相似地質(zhì)條件下的其他地區(qū)提供參考。

1區(qū)域概況

1.1 基本狀況

研究區(qū)域位于我國西南部的某山區(qū)，該山區(qū)地處青藏高原東南邊緣，地理位置優(yōu)越，東經(jīng) 102^°45^′～103^°30^′".北緯 29^°20^′～30^°"（20 10^°"。該區(qū)域地形復(fù)雜，地勢(shì)起伏較大，海拔高度在 1000～3500m 之間，屬于典型的亞高山地貌。

該區(qū)域坡度多在 20～50^° 之間，部分陡峭區(qū)域坡度可達(dá) 60^° 以上。坡度的變化直接影響著地表物質(zhì)的穩(wěn)定性，坡度越大，崩塌災(zāi)害發(fā)生的概率越高。

1.2地質(zhì)狀況

該區(qū)域位于印度板塊與歐亞板塊的碰撞帶附近，地殼運(yùn)動(dòng)活躍，地震頻繁。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要有北東向、北西向和近東西向3組斷裂，為崩塌災(zāi)害的發(fā)生提供了地質(zhì)條件。此外，該區(qū)域近年來受全球氣候變化影響，極端天氣事件增多，進(jìn)一步加劇地質(zhì)活動(dòng)的活躍性。

研究區(qū)域出露的地層主要包括中生界侏羅系、白堊系和新生界第三系的砂巖、泥巖、頁巖等。這些地層巖石軟硬相間，抗風(fēng)化能力弱，在地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)和地表水的作用下，易于發(fā)生崩塌災(zāi)害。

1.3植被覆蓋情況

研究區(qū)域植被類型豐富，從低海拔的常綠闊葉林到高海拔的針葉林均有分布。總體上，植被覆蓋率為 70% 左右，但分布不均，低海拔地區(qū)植被覆蓋較好，而高海拔地區(qū)由于人類活動(dòng)和自然因素的影響，植被覆蓋相對(duì)較差。

2模型配置

2.1 模型原理及特點(diǎn)

灰色關(guān)聯(lián)分析模型是一種基于灰色系統(tǒng)理論的定量分析方法，其主要原理是通過比較分析序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)度來衡量各因素對(duì)系統(tǒng)行為的貢獻(xiàn)程度。在崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中，該模型能夠有效地處理不確定性信息，通過量化各影響因素與崩塌災(zāi)害易發(fā)性之間的關(guān)聯(lián)程度。

模型的優(yōu)點(diǎn)在于其能夠適應(yīng)小樣本、貧信息的數(shù)據(jù)條件，不需要大量的數(shù)據(jù)支持，這對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害這種難以獲取大量歷史數(shù)據(jù)的領(lǐng)域來說尤為重要。此外，灰色關(guān)聯(lián)分析模型在處理非線性、非對(duì)稱性問題方面具有優(yōu)勢(shì)，能夠客觀地反映各因素之間的相互關(guān)系，避免主觀判斷帶來的誤差。同時(shí)，模型計(jì)算過程簡(jiǎn)單，易于操作，且結(jié)果直觀，便于決策者理解和應(yīng)用。

崩塌災(zāi)害的發(fā)生受多種地質(zhì)、地貌、氣候等因素的共同作用，這些因素之間往往存在復(fù)雜的非線性關(guān)系，而灰色關(guān)聯(lián)分析模型能夠有效地識(shí)別和量化這些關(guān)系。在崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中，模型可以綜合考慮各種影響因素，為不同區(qū)域的崩塌災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)提供定量的評(píng)價(jià)結(jié)果，有助于指導(dǎo)地質(zhì)災(zāi)害防治資源的合理分配，提高防災(zāi)減災(zāi)效率。

2.2模型計(jì)算步驟

2.2.1確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

需要確定影響崩塌災(zāi)害易發(fā)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，記為 X={_X1，_X2，…，_Xn} ，其中 x_i（i=1，2，…，n） 代表第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在本研究中，評(píng)價(jià)指標(biāo)包括出露結(jié)構(gòu)面、植被覆蓋率、坡度和巖石風(fēng)化程度等。

2.2.2原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

由于各指標(biāo)的量綱和數(shù)量級(jí)不同，需對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以消除量綱影響。標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

式中： X_ij 表示第 i 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的第 j 個(gè)指標(biāo)值。 表示第 i 個(gè)指標(biāo)的第 j 個(gè)指標(biāo)值的指標(biāo)均值。

2.2.3 確定參考序列

確定參考序列參考序列是各指標(biāo)的最優(yōu)值組合，記為 X₀={X₀（1），X₀（2），…，X₀（n）} 。在本研究中，參考序列可以為崩塌災(zāi)害不易發(fā)生的理想狀態(tài)下的指標(biāo)值。

2.2.4計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)表示比較序列與參考序列之間的關(guān)聯(lián)程度，計(jì)算公式如下：

式中： r_0k 為第 k 個(gè)指標(biāo)下比較序列 x_i（k） 與參考序列 x₀（k） 的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)， ρ 為分辨系數(shù)，一般取值范圍為 0～1 。

2.2.5計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度

灰色關(guān)聯(lián)度是各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的加權(quán)平均值，反映了比較序列與參考序列的整體關(guān)聯(lián)程度。計(jì)算公式如下：

式中： ?y（σ_X0，σ_Xi） 為比較序列 X_i 與參考序列 X₀ 的灰色關(guān)聯(lián)度，wk為第 k 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

3數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

根據(jù)公式（1）的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算，匯總結(jié)果如表1所示。結(jié)合公式（2）計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表2所示。

由公式（3）計(jì)算其灰色關(guān)聯(lián)度作為其權(quán)重系數(shù)為W=[0，246，0.264，0.242，0.248] ，將所求權(quán)重歸一化并進(jìn)行排序求出灰色關(guān)聯(lián)度的得分排名，如表3所示。

3.2權(quán)重分析

3.2.1植被覆蓋率權(quán)重分析

權(quán)重結(jié)果分析，植被覆蓋率的權(quán)重最高為0.264，這表明植被在維持斜坡穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。植被不僅能夠通過根系牢牢固定土壤，減少水土流失，還能夠通過蒸騰作用影響土攘的含水量，進(jìn)而影響土壤的剪切強(qiáng)度。

高植被覆蓋率的區(qū)域通常具有較低的崩塌災(zāi)害易發(fā)性。在實(shí)際的地質(zhì)災(zāi)害防治工作中，應(yīng)重視植被的保護(hù)和恢復(fù)，特別是在坡度較大和地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為脆弱的地區(qū)。

3.2.2巖石風(fēng)化程度權(quán)重分析

巖石風(fēng)化程度的權(quán)重為0.248，與植被覆蓋率相當(dāng)，這顯示巖石風(fēng)化在崩塌災(zāi)害發(fā)生中的重要性。巖石風(fēng)化程度直接影響巖石的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，風(fēng)化程度越高，巖石越容易破碎，從而降低斜坡的穩(wěn)定性。因此在崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中，對(duì)巖石風(fēng)化程度的考量，有助于識(shí)別那些可能因巖石強(qiáng)度降低而容易發(fā)生崩塌的地點(diǎn)。

3.2.3出露結(jié)構(gòu)面權(quán)重分析

出露結(jié)構(gòu)面的權(quán)重為0.246，這反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的分布和特征對(duì)崩塌災(zāi)害易發(fā)性的影響。結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、密度和填充物等因素會(huì)影響巖體的整體穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，巖體越容易沿著這些面發(fā)生滑動(dòng)，從而引發(fā)崩塌。因此在地質(zhì)災(zāi)害防治中，對(duì)結(jié)構(gòu)面的調(diào)查和分析是識(shí)別潛在崩塌風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵步驟。

3.2.4坡度權(quán)重分析

坡度的權(quán)重為0.242，雖然略低于其他3個(gè)指標(biāo)，但坡度仍然是影響崩塌災(zāi)害易發(fā)性的重要因素。坡度較大的區(qū)域，重力作用下的下滑力增強(qiáng)，更容易發(fā)生崩塌。此外，坡度較大的區(qū)域往往伴隨著更強(qiáng)烈的水土流失，這也會(huì)降低斜坡的穩(wěn)定性。

3.3關(guān)聯(lián)分析

3.3.1 評(píng)價(jià)排名

基于計(jì)算結(jié)果，對(duì)某地區(qū)的5個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行崩塌災(zāi)害易發(fā)性灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)。通過對(duì)各區(qū)域崩塌災(zāi)害易發(fā)性影響因素的綜合考量，得到以下評(píng)價(jià)排名：

b區(qū)域以得分0.455，位居第1，顯示出該區(qū)域崩塌災(zāi)害易發(fā)性最高；其次是a區(qū)域，得分為0.194，排名第2；c區(qū)域得分0.156，排名第3；e區(qū)域得分0.103，排名第4；而f區(qū)域得分最低，為0.091，排名第5。

3.3.2b區(qū)域關(guān)聯(lián)分析

b區(qū)域位于研究區(qū)的東南部，地形陡峭，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂帶發(fā)育，且植被覆蓋較差。這些因素共同作用使得b區(qū)域的崩塌災(zāi)害易發(fā)性較高，因此在灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)中得分最高。近年來，該區(qū)域曾發(fā)生過幾次小型崩塌事件，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈拓?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了威脅。

3.3.3a區(qū)域關(guān)聯(lián)分析

a區(qū)域位于研究區(qū)的北部，雖然地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，但坡度較大，且部分地段存在軟弱巖層。這些條件使得a區(qū)域的崩塌災(zāi)害易發(fā)性較高，但相較于b區(qū)域，其風(fēng)險(xiǎn)程度有所降低，因此在評(píng)價(jià)中排名第2。

3.3.4c區(qū)域關(guān)聯(lián)分析

c區(qū)域位于研究區(qū)的西部，地形較為平緩，植被覆蓋較好，地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單。盡管如此，該區(qū)域的部分地段仍存在風(fēng)化嚴(yán)重的巖石，導(dǎo)致一定的崩塌風(fēng)險(xiǎn)。因此，在灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)中，c區(qū)域排名第3。

3.3.5e與f區(qū)域關(guān)聯(lián)分析

e區(qū)域和f區(qū)域分別位于研究區(qū)的東北部和西南部，這兩個(gè)區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造較為穩(wěn)定，植被覆蓋較好，且坡度相對(duì)較小。因此，這兩個(gè)區(qū)域的崩塌災(zāi)害易發(fā)性相對(duì)較低，在灰色關(guān)聯(lián)分析評(píng)價(jià)中分別排名第4和第5。

4結(jié)論

本研究以某地區(qū)為研究對(duì)象，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析模型對(duì)其崩塌災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。得到結(jié)論如下：

灰色關(guān)聯(lián)分析模型能夠有效地處理不確定性信息，適用于小樣本、貧信息的數(shù)據(jù)條件，對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害這種難以獲取大量歷史數(shù)據(jù)的領(lǐng)域來說尤為重要。同時(shí)，該模型在處理非線性、非對(duì)稱性問題方面具有優(yōu)勢(shì)，能夠客觀地反映各因素之間的相互關(guān)系，避免了主觀判斷帶來的誤差。

通過對(duì)各影響因素的權(quán)重及評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，對(duì)崩塌災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行定量評(píng)估、關(guān)聯(lián)性分析，結(jié)果表明，模型對(duì)主要影響因素具有較高的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

在構(gòu)建崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系時(shí)，充分考慮各因素之間的相互關(guān)系和作用機(jī)制。通過專家咨詢、文獻(xiàn)綜述和實(shí)地調(diào)查等方法，確定了關(guān)鍵指標(biāo)。這些指標(biāo)能夠較好地反映崩塌災(zāi)害的易發(fā)性，具有較高的合理性。同時(shí)，本研究還進(jìn)行了指標(biāo)權(quán)重優(yōu)化，提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和可靠性。

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