王俊豪，金華麗，倪天翔，管建軍，徐維迎

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083； 3.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

基于層次分析法的模糊綜合評判模型在康樂縣泥石流溝危險性評價中的應(yīng)用

王俊豪1，金華麗2，倪天翔1，管建軍3，徐維迎1

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.中國地質(zhì)大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083； 3.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

康樂縣地處甘肅東南部，位于洮河流域下游，為黃土高原向青藏高原的過渡地帶，是我國泥石流災害最為嚴重的地區(qū)之一。本文以康樂縣境內(nèi)的20條典型泥石流溝為例，選定10個主要影響因子作為泥石流危險度評價的指標，依據(jù)層次分析法確定各因子的權(quán)重，并利用模糊綜合評判法對其做出危險性評價。研究表明處于高度危險狀態(tài)的泥石流溝多達11條，占到總數(shù)的50%以上，建議對其進行重點監(jiān)測和防治。

泥石流；危險度；層次分析法；模糊綜合評判

0 前言

泥石流是我國黃土地區(qū)主要地質(zhì)災害之一?？禈房h所在的甘肅東南部作為我國泥石流災害最嚴重的地區(qū)之一，具有分布廣、種類多、暴發(fā)頻繁、規(guī)模大、危害重等特征。2010年8月8日，甘肅舟曲遭受特大山洪泥石流，災害導致1 467人遇難和298人失蹤，對人民生命財產(chǎn)造成重大損失。泥石流災害現(xiàn)已成為嚴重制約當?shù)厣鐣?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。

泥石流發(fā)育過程因受地形地貌、地層巖性、水文氣象、植被和人類活動等多種因素的影響，具有多樣性、復雜性、可變性和不確定性，多種因素相互作用形成了一個復雜的模糊系統(tǒng)[1-4]。孫廣仁等(1997)[5]以泥石流形成的地質(zhì)環(huán)境背景為基礎(chǔ)，運用模糊數(shù)學法對西寧市東川北側(cè)北山寺一中莊間泥石流溝進行危險程度判別。劉濤等(2008)[6]運用層次分析法建立起密云縣泥石流危險度評價模型，并取得可靠的研究結(jié)果。劉劍剛(2012)[7]運用層次分析法對遼南泥石流災害誘發(fā)因素進行權(quán)重分析得出觸發(fā)最主要因素為暴雨。孟慶華等(2014)[8]利用基于模糊數(shù)學的層次分析法對陜西省鳳縣泥石流溝進行危險度評估。馬海榮等(2016)[9]利用基于GIS軟件的層次分析法對賽果高速路段泥石流進行危險性分區(qū)，并利用該研究區(qū)歷史泥石流數(shù)據(jù)驗證了該方法的可行性和評價結(jié)果的可靠性。在取得成果的背后仍存在一些不足：(1)評價指標的選取過多或過少，指標選取過多致使評價過程過于繁復，指標選取過少不能真實的反映泥石流災害的危險程度。(2)泥石流危險性評價的少數(shù)指標可能存在物理意義重復的情況，無法作嚴格區(qū)分。因此，本文在對康樂縣地質(zhì)環(huán)境條件進行詳細分析和專家指導的基礎(chǔ)上合理選取松散物儲量、不良地質(zhì)現(xiàn)象、沖淤變幅、溝道堵塞程度、下游溝槽橫斷面形態(tài)、主溝縱坡降、流域面積、植被覆蓋率、溝谷邊坡坡度、人為工程活動這10項指標，利用層次分析法和模糊數(shù)學理論對康樂縣多條典型泥石流溝進行危險度綜合評價，為當?shù)啬嗍鳛暮Ψ乐喂ぷ魈峁├碚搮⒖家罁?jù)，對當?shù)剡M一步做好防災減災工作具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

1.1自然地理

康樂縣位于甘肅東南部，位于洮河流域下游左側(cè)，為黃土高原向青藏高原的過渡地帶。境內(nèi)山川交錯、河谷相間，地勢自西南向東北逐漸變緩，海拔1 898～3 909 m。根據(jù)地貌成因類型和形態(tài)特征可將境內(nèi)地貌分為構(gòu)造剝蝕中高山、構(gòu)造剝蝕中山地貌、侵蝕堆積黃土丘陵及侵蝕堆積河谷平原區(qū)四種類型。境內(nèi)河流均屬洮河支流，南有冶木河和楊家河；中有蘇家集河、胭脂河、中砥河和三岔河；北有流川河。根據(jù)甘肅省氣候區(qū)劃，康樂縣屬低溫帶半濕潤大陸性季風氣候區(qū)，總的氣候特點是冷、暖、干、濕，四季分明，冬長夏短，春秋相連。年平均氣溫為7 ℃，多年最高和最低氣溫分別為36.1 ℃(2000年7月24日)和-32.2 ℃(1991年11月28日)。雨季集中在每年6～9月，年平均降水量為548.4 mm，歷史年最大降雨量780.4 mm(1978年)，最大單次過程降雨量為135.5 mm，最大日降雨量為81.2 mm，最大小時降雨量為49.9 mm，10分鐘最大降雨量為21.6 mm。年平均蒸發(fā)量較大，可達1 267.1 mm，約為年平均降水量的2.4倍。

1.2地質(zhì)構(gòu)造

康樂縣地處黃土高原向青藏高原過渡地帶，第四系地層廣泛分布，前第四系出露地層主要為震旦系、二迭系、白堊系、新近系。研究區(qū)地處西秦嶺褶皺帶西段和祁連褶皺帶東南端的交匯區(qū)，受西秦嶺褶皺帶的控制，構(gòu)造形跡復雜。區(qū)內(nèi)次級構(gòu)造輪廓較為發(fā)育，主要由臨夏、臨洮坳陷帶和三甲集—虎關(guān)隱伏隆起組成(圖1)。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動的總體特征是以振蕩性上升為主，其表現(xiàn)形式為各河谷階地多以基座階地為主，基巖山區(qū)則多峽谷地貌，并可見小型的褶皺和斷裂，另一特征是河谷的差異抬升降性。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

2 研究方法

2.1層次分析法

層次分析法(Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP法)是一種綜合評判模型方法[15]，它通過層次化、數(shù)量化的手段，把決策問題的相關(guān)元素分為目標、準則、方案等多個層次，并進行定性分析和定量分析互相結(jié)合的多準則分析決策方法[10]。首先，按照評價目標將相關(guān)評價指標構(gòu)建起判斷矩陣，并建立起上層對下層的支配關(guān)系，將同一層內(nèi)的指標因素依次進行兩兩間的相互比較，并將其對上層指標因素的相對重要程度用自然數(shù)(1～9)及其倒數(shù)做出相應(yīng)表示。按此即可建立起一個任意指標因素其下層相關(guān)指標因素相對重要性的單排序矩陣，進而得出同一層次內(nèi)不同指標因素的權(quán)重。判斷矩陣的標度及其含義詳見表1。

表1 判斷矩陣標度及其含義Table 1 Scales and meanings of judgment matrix

2.2模糊綜合評判法

綜合評判是對受多因素影響的現(xiàn)象或者事物進行總體的評價，在評價的過程中如果涉及到模糊因素，就稱為模糊綜合評價，其核心主要是利用參數(shù)之間的模糊關(guān)系代替數(shù)學假設(shè)，并在此基礎(chǔ)之上求得解析關(guān)系。確定隸屬度是進行模糊綜合評價最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，隸屬度函數(shù)的確定方法有很多種，但沒有統(tǒng)一的固定模式。構(gòu)建隸屬度函數(shù)模型通常需要一定的判定技巧，其正確性往往需要多次反饋與修改。

按照泥石流“無危險、輕度危險、中度危險、高度危險”4級評價標準及其指標越大越優(yōu)的特性，現(xiàn)選定半梯形分布模型進行隸屬度函數(shù)的設(shè)計[11-12]，所設(shè)計的隸屬度函數(shù)如下:

(1)

式中：Si——評價集的上下界線；

ci——各因子實際值。

3 結(jié)果與分析

3.1泥石流危險度評價指標的選取

層次分析法指標的選定主要遵循三大原則，即泥石流的發(fā)生原則、指標綜合性原則和主導性原則，重點強調(diào)評價方法應(yīng)有的可操作性。影響泥石流形成、發(fā)展、運動和堆積的環(huán)境影響因素是多樣的，各因素的綜合作用對泥石流產(chǎn)生的影響又都是積極的。根據(jù)該地區(qū)的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、植被條件和人類工程活動等特征因素，在對野外實際調(diào)查數(shù)據(jù)綜合分析的基礎(chǔ)之上，現(xiàn)選取松散物儲量u1、不良地質(zhì)現(xiàn)象u2、沖淤變幅u3、溝道堵塞程度u4、下游溝槽橫斷面形態(tài)u5、主溝縱坡降u6、流域面積u7、植被覆蓋率u8、溝谷邊坡坡度u9、人為工程活動u10這10項因素作為評價因子[13]，建立泥石流危險度評價指標體系(圖2)。其中，泥石流主溝縱坡降作為主導影響因子，是影響泥石流發(fā)生的主要因素之一，其決定了泥石流在形成和發(fā)生過程中的速度快慢。主溝縱坡降的值越大，對泥石流的形成就越有利，且一旦形成后越不易消亡。同時，泥石流的動能也越大，其破壞性也就越強[2]。

圖2 泥石流危險度評價指標體系

按照層次分析法，可計算得出上述方案層各影響因素的權(quán)重值(表2、表3和表4)。

表2 準則層權(quán)重分配Table 2 Rule layer weight distribution

表3 方案層A的權(quán)重分配Table 3 Scheme layer A weight distribution

3.2確定評價集和隸屬度

按照泥石流危險性程度大小，可將其劃分為4個等級：無危險、輕度危險、中度危險、高度危險，建立泥石流的評價集即V=(V1，V2，V3，V4)=(Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級)，評價標準見表5[5，14]。

表4 方案層B權(quán)重分配Table 4 Scheme layer B weight distribution

表5 單溝泥石流危險因子等級及其賦值表Table 5 Single gully risk factor levels and its assignment table

注：該等級均為中國地質(zhì)調(diào)查局野外災害采集系統(tǒng)中專家劃分。

以小個溝泥石流溝為例說明模糊綜合評判的過程，由其實際取值(表6)和公式(1)，可求得評價因素U(u1、u2、u3、u4、u5、u6、u7、u8、u9、u10)對評價集V(v1、v2、v3、v4)的隸屬度，從而建立模糊關(guān)系矩陣R。

表6 小個溝泥石流各因子實際值表Table 6 Actual value table of xiaogegou’factors

3.3泥石流危險度綜合判別

根據(jù)上述方法所求出的模糊關(guān)系矩陣R，再用模糊權(quán)向量將各行進行綜合，便可得到該評價事物從總體角度上對各等級模糊子集的隸屬程度，也就是所謂的模糊綜合評價結(jié)果向量[15]。繼而將評價級V上的一個模糊子集B引入，則該模糊子集B稱模糊評級。B = {b1,b2…bn}

B=W×R(W為某一層的權(quán)重)[15-16]。

準則層模糊綜合評判：前面已算出準則層各指標的權(quán)重WA=(0.344，0.138，0.240，0.096，0.182)；WB=(0.324，0.179，0.188，0.138，0.073，0.098)；WC=1故得：

根據(jù)最大隸屬度原則，評價結(jié)果中的最高值為0.388，即高度危險(Ⅳ)。因此，綜合評價結(jié)果顯示小個溝泥石流溝的危險度等級為高。

依據(jù)上述方法現(xiàn)另選定康樂縣境內(nèi)其余19條典型泥石流溝(玉家溝、孫家莊溝、果園溝、齊家溝、馬蓮灘、姬家溝、古洞溝、坡灣溝、八路溝、張家溝、窯窯溝、上溝、葉蘇溝、水溝、安寺溝、麻灣溝、何家溝、大白山溝、張家莊夾死牛溝)為研究對象，分別對其進行危險度評價，同樣利用模糊綜合評價法，確定上述19條泥石流溝各自的模糊評級分別為：B玉家溝=(0.25，0.415，0.05，0.265)；B孫家莊溝=(0.136，0.166，0.09，0.332)；B果園溝=(0.182，0.252，0.16，0.406)；B齊家溝=(0.237，0.014，0.263，0.486)；B馬蓮灘=(0.379，0.228，0.207，0.202)；B姬家溝=(0.229，0.294，0.154，0.288)；B古洞溝=(0.427，0.165，0.197，0.227)；B坡灣溝=(0.568，0.125，0.073，0.365)；B八路溝=(0.15，0.318，0.16，0.372)；B張家溝=(0.455，0.357，0.046，0.136)；B窯窯溝=(0.238，0.409，0.036，0.313)；B上溝=(0.203，0.325，0.107，0.365)；B葉蘇溝=(0.174，0.157，0.349，0.32)；B水溝=(0.152，0.102，0.3，0.259)；B安寺溝=(0.179，0.351，0.071，0.401)；B麻灣溝=(0.187，0.147，0.064，0.247)；B何家溝=(0.183，0.239，0.088，0.289)；B大白山=(0.143，0.223，0.03，0.408)；B張家莊夾死牛溝=(0.223，0.34，0.036，0.402)(限于篇幅原因，此19條泥石流溝的計算過程省略)。根據(jù)最大隸屬度原則，所選的康樂縣20條泥石流溝的最后評價結(jié)果見表7。

表7 評價結(jié)果的對比分析Table 7 Comparement of the evaluation result

4 結(jié)論

(1)通過對模糊綜合評判結(jié)果進行對比分析，預測在康樂縣所選20條泥石流溝中，有11條高度危險，2條中度危險，3條輕度危險，4條無危險。其中處于高度危險的泥石流溝占到55%，建議對該地區(qū)進行重點監(jiān)測和防治。

(2)引發(fā)泥石流的因素繁多，使用模糊綜合評判法可根據(jù)各因素對泥石流危險度的貢獻率來評價其危險性，使評判結(jié)果更加科學和客觀，可為預判泥石流發(fā)展趨勢和做好防災減災工作提供可靠的依據(jù)。

[1] 匡樂紅,劉寶琛,姚京成.基于模糊可拓方法的泥石流危險度區(qū)劃研究[J].災害學,2006,21(1):68-72.

KUANG Lehong, LIU Baochen, YAO Jingcheng.Research on regionalization of debris flow risk degreewith fuzzy and extension method[J].Journal of Catastrophology,2006,21(1):68-72.

[2] 郭萬銘,焦金魚.基于模糊綜合評判法分析的岷縣洮河流域單溝泥石流危險性評價[J].地質(zhì)災害與環(huán)境保護,2010,21(2):15-37.

GUO Wanming, JIAO Jinyu.A three-dimensional stability analysis of excavating slope deformationin suffer areas of Wenchuan Earthquake[J].Journal of Geological Hazards and Environment Preservation,2010,21(2):15-37.

[3] 麥華山,徐林榮,匡樂紅.基于超熵理論的泥石流危險性模糊綜合評判[J].地質(zhì)災害與環(huán)境保護,2007,18(4):62-66.

MAI Huashan, XU Linrong, KUANG Lehong. Fuzzy comprehensive evaluation of debris flows hazard base on “superentropy”[J].Journal of Geological Hazards and Environment Preservation,2007,18(4):62-66.

[4] 陳偉,任光明,左三勝.泥石流危險度的模糊綜合評判[J].水土保持研究,2006,13(2):138-140.

CHEN Wei,REN Guangming,ZUO Sansheng. Fuzzy comprehensive evaluation method to judge dangerous degree of debris flow[J].Research of Soil and Water Conservation,2006,13(2):138-140.

[5] 孫廣仁,畢海良.模糊數(shù)學綜合評判法在泥石流溝判別與危害評價中的應(yīng)用[J].青海環(huán)境, 1997, 7(2):72-77.

SUN Guangren, BI Hailiang.Fuzzy comprehensive evaluation for discrimination and risk assessment on debris flow[J].Journal of Qinghai Environment,1997,7(2):72-77.

[6] 劉濤,張洪江,吳敬東,等. 層次分析法在泥石流危險度評價中的應(yīng)用——以北京市密云縣為例[J].水土保持通報, 2008, 28(5):6-12.

LIU Tao,ZHANG Hongjiang,WU Jingdong, et al. Application of analytic hierarchy process in debris flow risk degree assessment:a case study of Miyun County,Beijing City[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2008, 28(5):6-12.

[7] 劉劍剛.層次分析法在遼南泥石流危險度評價中的應(yīng)用[J].長春師范大學學報, 2012, 31(6):51-55.

LIU Jiangang. Application of AHP in southern liaoning debris flow risk assessment[J].Journal of Changchun Normal University,2012, 31(6):51-55.

[8] 孟慶華,孫煒鋒,張春山,等.陜西鳳縣泥石流災害危險性評估[J].自然災害學報, 2014, 23(1):121-131.

MENG Qinghua,SUN Weifeng,ZHANG Chunshan, et al. Hazard assessment of debris flow in Fengxian County of Shannxi Province[J].Journal of Natural Disasters,2014, 23(1):121-131.

[9] 馬海榮,程新文,陳聯(lián)君,等.基于GIS與層次分析法的公路泥石流危險性評價[J].公路工程,2016, 41(1):33-37.

MA Hairong,CHENG Xinwen,CHEN Lianjun, et al. Hazard evaluation of debris flow along highway based on GIS and AHP[J].Highway Engineering,2016, 41(1):33-37.

[10] 王學良,李建一.基于層次分析法的泥石流危險性評價體系研究[J].中國礦業(yè),2011,20(10)：113-117.

WANG Xueliang, LI Jianyi. Study on indexes system for assessing debris flow risk based on AHP[J].China Mining Magazine,2011,20(10)：113-117.

[11] 眭素剛,范柱國.模糊綜合評判在大水箐泥石流危險度評價中的應(yīng)用[J].地質(zhì)學刊,2010,34(1):22-27.

SUI Sugang, FAN Zhuguo. Application of fuzzy comprehensive evaluation in mudflow in Dashuiqing Gully[J].Journal of Geology,2010,34(1):22-27.

[12] 楊 艷,張緒教,葉培盛,等.基于模糊數(shù)學法評價滇西保山地區(qū)麻榔河泥石流溝的危險性[J].地質(zhì)通報,2012,31(2):351-355.

YANG Yan, ZHANG Xujiao,YE Peisheng, et al. Fuzzy comprehensive evaluation for risk assessment of the Malanghe debris flow gully in Baoshan area,western Yunnan Province[J].Geological Bulletin of China,2012,31(2):351-355.

[13] 王昕.泥石流溝危險度的模糊評判[J].重慶師范學院學報,2002,19(1):22-25.

WANG Xin.A Fuzzy appraisal of the risk degree of debris flows[J].Journal of Chongqing Normal University,2002,19(1):22-25.

[14] 王春磊,吳云剛,隗錦濤.模糊綜合評判法在泥石流危險度評價中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程,2010,17(3):14-16.

WANG Chunlei,WU Yungang, YU Jintao. Fuzzy comprehensive evaluation for risk assessment on debris flow[J].Safety and Environment Engineering,2010,17(3):14-16.

[15] 鄧文佳.炮手溝泥石流的危險度評價[J].環(huán)境科學與管理,2012,37(11)：176-179.

DENG Wenjia.Evaluation on risks of Paoshougou debris flow[J].Environmental Science and Management,2012,37(11)：176-179.

[16] 郭嗣琮，陳剛.信息科學中的軟件計算方法[M]. 大連：東北大學出版社， 2001.

GUO Sicong, CHEN Gang. Soft computing methods in information science[M].Dalian: Northeashen University Press, 2001.

TheapplicationoffuzzycomprehensiveevaluationmodelbasedonanalytichierarchyprocessinriskassessmentofdebrisflowgullyinKangleCounty

WANG Junhao1,JIN Huali2,NI Tianxiang1，GUAN Jianjun3,XU Weiying1

(1.ChinaInstituteofGeo-EnvironmentalMonitoring,Beijing100081,China; 2.SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeoscienceinBeijing,Beijing100083,China; 3.SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo，Henan454000,China)

Kangle County is located in the southeastern part of Gansu Province, located in downstream of the Tao River Basin, which is one of the most serious areas of debris flow in the transition zone of the Loess Plateau to the Qinghai-Tibet Plateau. This paper takes 20 typical debris flow gullies in Kangle County as an example and 10 major factors are selected as indicators of debris flow risk assessment. The weight of each factor is determined according to the analytic hierarchy process and the risk assessment is made by fuzzy comprehensive evaluation method. The results show that in a highly dangerous state of debris flow up to 11, more than 50% of the total, it is recommended to focus on monitoring and prevention.

debris flows; risk; AHP method; fuzzy comprehensive evaluation

P642.23

A

1003-8035(2017)03-0052-06

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.08

2017-05-23;

2017-06-29

中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)監(jiān)測項目(中地環(huán)項[2016]DD0402)：I48E004007幅地質(zhì)災害調(diào)查評價(中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目經(jīng)費)

王俊豪(1987-)，男，河南安陽人，地質(zhì)工程專業(yè)，碩士，主要從事災害地質(zhì)、水工環(huán)地質(zhì)等方面的研究工作。E-mail: wangjh@ mail.cigem.gov.cn