代德富，夏安付，胡趙興，擺超標

(1.昆明市東川區(qū)泥石流防治研究所，云南 昆明 654100；2.昆明市東川區(qū)泥石流防治實業(yè)公司，云南 昆明 654100)

我國地域遼闊，覆蓋著大片軟弱巖土，因其水文地質(zhì)等條件使得軟弱巖土具有流變特性，這種特性如果不受到外力的震動作用輕易不會造成地質(zhì)災(zāi)害，但是一旦遭受外力，像地震、暴雨、海嘯、洪水、人類活動等強烈震動作用，就會促使軟弱巖土加速流動，導(dǎo)致發(fā)生嚴重的地質(zhì)災(zāi)害[1]。因此為能有效防治這種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，進行風(fēng)險評估是必要的基礎(chǔ)工作之一。

文獻[2]提出的基于GIS的貧困地區(qū)降雨誘發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估，路基填料浸泡特性進行了常規(guī)壓縮試驗和循環(huán)荷載下的壓縮試驗研究，認為路基浸水與行車荷載是影響弱變質(zhì)巖路基變形不可忽視的2個重要因素；文獻[3]提出的中國縣域單元地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估，提出地震災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害，包括公路沿線崩滑災(zāi)害，劉應(yīng)輝按照“發(fā)育度”、“潛勢度”、“危險度”和“危害度”的“四度”遞進地質(zhì)災(zāi)害評價思想對研究區(qū)進行了總體評價和區(qū)劃；但是以上傳統(tǒng)的風(fēng)險評估模型準確性不高，預(yù)估時間準確性低，逃脫時間少，導(dǎo)致人員傷亡率和財產(chǎn)損失傷亡率居高不下，很難幫助人們達到預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的目的。因此針對上述問題，建立一個新型的風(fēng)險評估模型，該模型優(yōu)于傳統(tǒng)風(fēng)險評估模型，能準確評估出地區(qū)風(fēng)險，對防治和減少地質(zhì)災(zāi)害、加強突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的準確性、保障國家財產(chǎn)和人民群眾生命安全、促進國民經(jīng)濟與社會的穩(wěn)定快速發(fā)展等具有重要意義。

1 突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估模型

大型工程建設(shè)是軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要原因。工程建設(shè)必然破壞原有軟弱巖土地質(zhì)地貌，降低了軟弱巖土的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，在外力強烈的動態(tài)干擾下極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害不僅威脅人們的生命安全，還造成嚴重的經(jīng)濟損失。圖1為2011-2015年全國軟弱巖土突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害造成的危害情況。

圖1 2011-2015年全國軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成的危害情況

圖1顯示，2011年全國因軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成的危害極大，傷亡慘重，經(jīng)濟網(wǎng)損失大，2012-2015年間，災(zāi)害造成的傷亡人數(shù)和經(jīng)濟損失下降50%左右，由圖1可見，因軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成的危害持續(xù)存在，從而看出建立一個軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估模型的緊迫性。

1.1 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估內(nèi)容

軟弱巖土造成的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害之所以存在風(fēng)險，最大原因是其具有不確定性。也由此可以判斷出地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險是災(zāi)害發(fā)生頻率、災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是否穩(wěn)定、人類綜合管理以及社會自身防御能力等綜合作用的產(chǎn)物[4]。因此軟弱巖土地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估的主要內(nèi)容包括災(zāi)害發(fā)生的頻率和災(zāi)后系統(tǒng)的承受能力。

突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估的重點是對災(zāi)害體和承災(zāi)體的評估。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險存在的唯一條件是由承災(zāi)體所造成的傷害和損失或者當(dāng)承災(zāi)體暴露于災(zāi)害體之下。但是當(dāng)承災(zāi)體不存時，則視為無風(fēng)險。圖2為易發(fā)性、易損性、風(fēng)險性三者邏輯組成圖。由圖2可知，軟弱巖土地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估內(nèi)容包括3個方面：危險性分析、易損性分析和期望損失分析。其中前兩者是突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估的基礎(chǔ)，通過這二者的分析可以明確風(fēng)險區(qū)面積、大致方位、災(zāi)害發(fā)生的時間等；而最后一項則是確定地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡、經(jīng)濟損失、地質(zhì)破壞程度等。綜合以上三者的評估值，就可以獲得某地地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險水平[5]。軟弱巖土地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估的內(nèi)容體系如圖3所示。

圖2 易發(fā)性、易損性、風(fēng)險性三者邏輯組成

圖3 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估內(nèi)容體系

1.2 評估指標的確立

軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估結(jié)果的準確性易受到選取的各個評估指標數(shù)據(jù)準確性的影響。為保證評估指標數(shù)據(jù)的準確性，選用Hadoop平臺對指標數(shù)據(jù)進行處理，其處理過程如圖4所示。指標數(shù)據(jù)處理完成后，需要選取指標建立評估模型。軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估指標有兩種：基礎(chǔ)因子和易損因子[6]。前者包括坡度、斷層情況等。后者有道路級別、人口密度和生態(tài)環(huán)境等。

圖4 Hadoop平臺處理過程

1.3 評估指標分級處理

各評估指標明確后，按照不同的分級標準對其進行分級量化處理，得到軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估的15個分級圖，其危險評估指標分級量化標準如表1所示。而對于易損性評估，參照以往國內(nèi)外對軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險研究狀況，只選取6個指標因子進行量化分級，如表2所示。

表1 危險評估指標分級量化標準

表2 易損評估指標分級量化標準

1.4 指標權(quán)重的確定

利用美國運籌學(xué)家T.L.Satty提出的AHP方法來確定該模型評價指標的權(quán)重。其步驟主要有以下3點。

首先，確定關(guān)系。假定有d個因子f1、f2、f3、…、fd，其權(quán)重分別用y1、y2、y3、…、yd表示。每兩個因子的權(quán)重比較如表3所示。

表3 各因子權(quán)重比較表

其次，建立判斷矩陣。根據(jù)上表3建立判斷矩陣。把因子作為向量集合，得出：

Y=[y1,y2,y3,…,yd]。

(1)

以向量集合Y為依據(jù)，得到關(guān)于影響因子F的評估矩陣：

(2)

得到：

G=λ·F。

(3)

式中：G為該模型評價指標的權(quán)重，最后，計算權(quán)重系數(shù)。利用冪法、和法和根法等計算各影響因子的權(quán)重系數(shù)。

1.5 構(gòu)建風(fēng)險評估模型

根據(jù)以上各指標和權(quán)重建立指標體系，如表4所示，然后再根據(jù)指標體系建立軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估模型。該模型通過綜合評價方法對軟弱巖土造成的地質(zhì)災(zāi)害進行風(fēng)險評估[7]。模型建立步驟分為3步。

表4 地質(zhì)災(zāi)害綜合評估指標體系

首先，建立相關(guān)模糊集。假定導(dǎo)致軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)的因素集合為：

S={s1,s2,s3,…,sn}。

(4)

式中：s1,s2,s3,…,sn為參與評價的n個災(zāi)害影響因子的數(shù)值。

而災(zāi)害易發(fā)性評價的評語集合為：

T={t1,t2,t3,…,tn}。

(5)

式中：t1,t2,t3,…,tn為評價標準集合。

其次，確定隸屬度函數(shù)。在突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估模型當(dāng)中，S代表模糊向量，T代表矩陣。在二者的值都確定之后，可以通過一個模糊關(guān)系矩陣來表示S與T之間的關(guān)系。

(6)

式中：R為模糊關(guān)系矩陣；rij為i對j的隸屬度。風(fēng)險評估模型的評語集分為3個等級：重度危險區(qū)、中度危險區(qū)和輕度危險區(qū)。

最后，綜合評估風(fēng)險。確定評估對象的因素集及評語集，建立單因素評估。即建立一個從S到f(T)的模糊映射，由f確定模糊關(guān)系R，得到模糊關(guān)系陣：

R=(rij)(n×m)。

(7)

OS=BE/R。

(8)

(9)

式中：對E′按最大隸屬原則得出地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估結(jié)果。

軟弱巖土突發(fā)風(fēng)險評估流程如圖5所示。

圖5 軟弱巖土突發(fā)風(fēng)險評估流程

2 仿真實驗

利用上述建立的軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估模型對某地進行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估。

2.1 評估區(qū)情況

選取的地質(zhì)災(zāi)害評估區(qū)位于我國西北地區(qū)介于32°11′～42°57′N、92°13′～108°46′E之間，大部分位于中國地勢二級階梯上。地處黃河中上游，地域遼闊，地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜[8]。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害危險性評估

圖6為某地地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)空間分布圖。利用上述軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估指標及通過GIS空間運算，對圖中地質(zhì)災(zāi)害各個程度的危險性進行計算[9]。經(jīng)計算，圖6中高危險區(qū)面積為9.34萬km2，占該地總面積的23.31%；中等危險區(qū)面積為8.65萬km2，，占總面積的22.4%；低危險區(qū)面積為和極低低危險區(qū)面積分別為36.2萬km2和19.23萬km2，一共占全省總面積的52.37%。

圖6 某地地質(zhì)災(zāi)害危險區(qū)空間分布圖

2.3 地質(zhì)災(zāi)害易損性評估

圖7為某地地質(zhì)災(zāi)害易損區(qū)空間分布圖。經(jīng)計算，圖7中高易損區(qū)面積為7.42萬km2，占該地總面積的21.45.%；中等危險區(qū)面積為32.54萬km2，占總面積的32.4%；低危險區(qū)面積為和極低危險區(qū)面積分別為35.32萬km2和14.64萬km2，一共占全省總面積的54.38%。

圖7 某地地質(zhì)災(zāi)害易損區(qū)空間分布圖

2.4 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評估

圖8為某地地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)空間分布圖。經(jīng)計算，圖8中高危險區(qū)面積為14.87萬km2，占該地總面積的27.67%；中等危險區(qū)面積為30.24萬km2，，占總面積的25.35%；低危險區(qū)面積為和極低危險區(qū)面積分別為34.54萬km2和32.87萬km2，一共占全省總面積的55.02%。

圖8 某地地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)空間分布圖

2.5 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估

根據(jù)以上對地質(zhì)災(zāi)害危險性、易損性、易發(fā)性的評估結(jié)果利用ArcGIS進行疊置分析處理，將該地軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險程度劃分為4個等級，如圖9所示。從圖9中可以看出，評估區(qū)內(nèi)的高風(fēng)險區(qū)主要集中在該地的中部和南部地區(qū)，主要原因是兩地為侵蝕地貌，巖石為變質(zhì)碎屑巖，地質(zhì)松軟，再加上該地主要有鐵路和高速公路等數(shù)條交通干線通過，易發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害；中等風(fēng)險區(qū)主要集中在北部地區(qū)，其中有一條細中等風(fēng)險區(qū)帶貫穿南北；低風(fēng)險區(qū)存在于南北中三個地帶，面積較大；而極地風(fēng)險區(qū)位于東邊邊界地帶，為侵蝕盆地地貌，人口稀少，無重要的基礎(chǔ)設(shè)施通過，風(fēng)險性低[10]。

圖9 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險空間分布圖

經(jīng)過計算，該地高風(fēng)險區(qū)占地面積16.32萬km2，占總面積的19.2%；中等風(fēng)險區(qū)占地18.53萬km2，占總面積的21.3%低風(fēng)險區(qū)占地面積為37.9萬km2，占總面積的45.7%；極低風(fēng)險區(qū)占地面積為10.52萬km2，占總面積的15.14%。其評估結(jié)果與該地的實際調(diào)查情況一致，說明該模型在評估軟弱巖土突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險是可行的。

3 對比分析

為驗證該模型在風(fēng)險評估方面的準確性，利用該評估模型與傳統(tǒng)評估模型分別對該地進行突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估。為保證實驗結(jié)果的客觀性，一共進行8組對比試驗。對比結(jié)果如圖10所示。

圖10 地質(zhì)中風(fēng)險評估誤差曲線

風(fēng)險評估包括人工操作時間、風(fēng)險評估時間和風(fēng)險計算時間。分別采用傳統(tǒng)風(fēng)險評估模型和上文建立的模型進行對比實驗。從對比曲線可以分析出，采用傳統(tǒng)風(fēng)險評估模型，實際評估數(shù)值與實際數(shù)值誤差大部分都超過5 km2，而且從曲線走勢能夠分析出，誤差波動性較大，因此證明傳統(tǒng)評估模型易受客觀因素影響，一致性差。而上文建立的風(fēng)險評估模型不僅誤差小，而且在穩(wěn)定性上也表現(xiàn)良好，誤差均<3 km2。

4 結(jié)束語

綜上所述，軟弱巖土造成的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害一直是我國地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防的重點研究工作之一，其風(fēng)險評估是此項工作的重要組成部分。傳統(tǒng)風(fēng)險評估模型準確性不高，預(yù)估時間準確性低，逃脫時間少，導(dǎo)致人員傷亡率和財產(chǎn)損失傷亡率居高不下，隨著地質(zhì)災(zāi)害程度的逐漸加深，很難達到人們的要求，因此建立一個新型的突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估模型。該模型能夠有效評估出地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險，預(yù)判災(zāi)害發(fā)生時間準確，其準確度較之傳統(tǒng)評估模型有了很大的提高。