基于模糊綜合評(píng)判法的烏東德庫(kù)區(qū)庫(kù)岸滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

基于模糊綜合評(píng)判法的烏東德庫(kù)區(qū)庫(kù)岸滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

1基于層次分析法確定權(quán)重的方法滑動(dòng)是最常見的事故之一，它給人類的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了巨大的損失。滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)能最大限度地降低滑坡所造成的危害,減少人們生命財(cái)產(chǎn)所受到的威脅,并能指導(dǎo)國(guó)民生產(chǎn),因此滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的研究具有重大的意義。由于滑坡系統(tǒng)是非線性系統(tǒng),通過(guò)線性方法進(jìn)行滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)很難達(dá)到一定的精度,因此近年來(lái),國(guó)內(nèi)外滑坡專家致力于將非線性科學(xué)引進(jìn)滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中,例如模糊綜合評(píng)判法、Logistic回歸模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和確定性系數(shù)多元回歸模型等。本文采用數(shù)學(xué)模型方法中的模糊綜合評(píng)判法。模糊綜合評(píng)判方法的難點(diǎn)是如何確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。層次分析法是目前廣泛應(yīng)用的確定權(quán)重的方法,采用的行和正規(guī)化法、列和求逆法、和積法求權(quán)重只考慮判斷矩陣一行或一列的影響,精度不高,主觀性較強(qiáng);特征值法沒(méi)有考慮判斷矩陣的一致性條件,且權(quán)重計(jì)算與判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)是分開進(jìn)行的,一旦判斷矩陣確定了,權(quán)重和一致性指標(biāo)就確定了,比較被動(dòng)。筆者采用前人所改進(jìn)的層次分析方法,利用層次分析方法的置換不變性、相容性對(duì)稱性和完全協(xié)調(diào)性來(lái)處理一致性判斷矩陣、殘缺判斷矩陣和群體專家判斷矩陣,將權(quán)重計(jì)算和判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)結(jié)合起來(lái),在一致性指標(biāo)最小化下推求權(quán)重。采用改進(jìn)層次分析法,在MapGIS環(huán)境下,對(duì)烏東德庫(kù)區(qū)的滑坡災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性區(qū)劃并給予危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。2改進(jìn)的層次分析法2.1成層次結(jié)構(gòu)模型層次分析法是將研究區(qū)域所包含的因素按照不同的屬性自上而下地分解成若干層次,構(gòu)成層次結(jié)構(gòu)模型;從層次結(jié)構(gòu)模型方案層開始,對(duì)從屬于上一層的每個(gè)因素的同一層諸因素進(jìn)行兩兩比較,比較其對(duì)于準(zhǔn)則的重要程度,并按照規(guī)定的標(biāo)度定量化,建立判斷矩陣;對(duì)每一個(gè)成對(duì)比較矩陣,利用求和或積法計(jì)算權(quán)向量;最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。2.2指標(biāo)權(quán)重的確定改進(jìn)層次分析法的模糊綜合評(píng)判(AHPFCE)的思想是用各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度值模糊判斷矩陣,構(gòu)造層次分析法的判斷矩陣,把權(quán)重計(jì)算與判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)結(jié)合起來(lái),在一致性指標(biāo)最小化下推求權(quán)重,再將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重與相應(yīng)的隸屬度值相乘,根據(jù)最大隸屬度原則進(jìn)行定量分析。AHP-FCE建模過(guò)程有以下4個(gè)步驟:(1)根據(jù)研究區(qū)域的實(shí)際情況,建立模糊綜合評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,由各評(píng)價(jià)指標(biāo)的樣本數(shù)據(jù)建立單評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度的模糊評(píng)價(jià)矩陣。一般而言,設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)組成對(duì)全體m個(gè)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)樣本集為{x(i,j)|i=1~n,j=1~m},各評(píng)價(jià)指標(biāo)值x(i,j)均為非負(fù)值。為確定單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度的模糊評(píng)價(jià)矩陣,需要消除各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱效應(yīng),要對(duì)樣本數(shù)據(jù)集{x(i,j)}進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。對(duì)越大越優(yōu)型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為對(duì)越中越優(yōu)型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為對(duì)越小越優(yōu)型指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理公式為式中:xmin(i),xmax(i),xmid(i)分別是第i個(gè)指標(biāo)的最小值、最大值、中間值;r(i,j)是標(biāo)準(zhǔn)化后評(píng)價(jià)指標(biāo)值,也是相對(duì)隸屬度值。由r(i,j)可以組成模糊評(píng)價(jià)矩陣R=(r(i,j))n×m。(2)根據(jù)模糊評(píng)價(jià)矩陣R=(r(i,j))n×m構(gòu)造來(lái)確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的判斷矩陣B=(bij)n×n。(3)判斷矩陣B一致性的檢驗(yàn)、修正及權(quán)重wj的計(jì)算。根據(jù)判斷矩陣B的定義,理論上有這時(shí)判斷矩陣具有以下3個(gè)性質(zhì):若判斷矩陣B滿足式(1)至式(5),則判斷矩陣B具有完全的一致性,且有這樣推求各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值wi;若判斷矩陣B不具有滿意的一致性,則需要修正。設(shè)B的修正判斷矩陣為Y,Y的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重仍為wi,則有式中:CIC(n)為一致性指標(biāo)系數(shù);d為非負(fù)參數(shù),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)d在[0,0.5]選取。式(7)為非線性優(yōu)化問(wèn)題,權(quán)重值wi和修改的判斷矩陣Y的上三角矩陣元素為優(yōu)化變量,n階判斷矩陣B共有n(n+1)/2個(gè)獨(dú)立的優(yōu)化變量,顯然當(dāng)CIC越小時(shí)則判斷矩陣的一致性程度越高。當(dāng)CIC=0時(shí),Y=B和式(5)、式(6)成立時(shí),此時(shí)判斷矩陣B具有滿意的一致性,又根據(jù),該整體最小值是唯一的。最小的Y矩陣為B的最優(yōu)一致性判斷矩陣。當(dāng)判斷矩陣的一致性指標(biāo)CIC<0.1時(shí),可認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性,以此推求各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值;當(dāng)CIC≥0.1時(shí),判斷矩陣不具有滿意的一致性,需要提高參數(shù)d,一直到具有滿意的一致性為止。(4)計(jì)算綜合指標(biāo)值s(j)。將各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重與相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)隸屬度值r(i,j)相乘并累加,得到模糊評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)值s(j),即3區(qū)域地質(zhì)背景烏東德庫(kù)區(qū)位于川、滇兩省交界地段,庫(kù)區(qū)位于青藏高原東南緣、川西南山地與云貴高原交接過(guò)渡地帶,山脈及金沙江的主要支流均呈近南北向發(fā)育,與主體構(gòu)造形跡一致,山頂高程達(dá)2500~3500m,區(qū)內(nèi)溝壑縱橫,山地切割深度一般600~2000m,屬?gòu)?qiáng)烈構(gòu)造侵蝕作用為主的中山地貌。地勢(shì)總體呈西、東兩端高,庫(kù)尾金江鎮(zhèn)及庫(kù)中元謀一帶地形較低。庫(kù)區(qū)出露地層主要有下元古界康定群、中元古界會(huì)理群變質(zhì)巖系,震旦系下統(tǒng)砂礫巖、上統(tǒng)碳酸鹽巖,三疊系上統(tǒng)、侏羅系、白堊系碎屑巖類,不同侵入時(shí)期的巖漿巖。區(qū)域構(gòu)造特征以川滇南北構(gòu)造帶為主體,斷裂為主,褶皺次之。庫(kù)區(qū)地處金沙江干熱河谷地帶。由于庫(kù)區(qū)位于川滇中山峽谷區(qū),自然地理環(huán)境及地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜。區(qū)內(nèi)溝壑縱橫,山高谷深,地形切割起伏劇烈,特殊的亞熱帶季風(fēng)氣候,風(fēng)化作用強(qiáng)烈,暴雨集中,外動(dòng)力地質(zhì)作用強(qiáng)烈,加之新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地震影響,導(dǎo)致水庫(kù)區(qū)崩塌、滑坡、泥石流等環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。3.1根據(jù)調(diào)查問(wèn)卷的可獲得性和分布圖設(shè)計(jì)出合理滑坡受多種因素的影響,在不同影響因子上分布規(guī)律不同,在利用模型進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)之前,先要確定評(píng)價(jià)指標(biāo)。評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取,必須結(jié)合研究區(qū)的具體情況和資料的可獲得性,同時(shí)要滿足所選指標(biāo)具有空間分布特點(diǎn),能夠圖形化。根據(jù)烏東德庫(kù)區(qū)自然環(huán)境特征、資料的可獲得性和庫(kù)區(qū)尺寸大小,將烏東德庫(kù)區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分為3大類即滑坡致災(zāi)因子、滑坡誘發(fā)因子、滑坡危害因子。再將這3大類進(jìn)行細(xì)分,潛在的滑坡致災(zāi)因子有坡度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、岸坡結(jié)構(gòu)等,滑坡誘發(fā)因子有降雨、淹沒(méi)程度、地震烈度等,滑坡的危害因子有滑坡的規(guī)模、滑坡的發(fā)育情況和滑坡的穩(wěn)定程度。3.2評(píng)價(jià)結(jié)果的建立通過(guò)對(duì)滑坡各種資料收集和處理,提取了與滑坡形成有關(guān)的坡度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等10個(gè)因素作為準(zhǔn)則層,與方案層的滑坡環(huán)境因子、滑坡誘發(fā)因子和滑坡危害因子建立了滑坡危險(xiǎn)性模糊綜合評(píng)價(jià)遞階層次模型,如圖1所示。3.3評(píng)價(jià)因子的細(xì)化由于各評(píng)價(jià)因子不同等級(jí)對(duì)滑坡的影響程度不同,所以需要對(duì)評(píng)價(jià)因子再細(xì)化,根據(jù)式(1)至式(3)求出各評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)的相對(duì)隸屬度值如表1。3.4全局優(yōu)化方法結(jié)果由相對(duì)隸屬度值組成模糊評(píng)價(jià)矩陣,根據(jù)式(4)構(gòu)造目標(biāo)層、準(zhǔn)則層的各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重的4個(gè)判斷矩陣。用改進(jìn)層次分析法的模糊綜合評(píng)判計(jì)算上述4個(gè)判斷矩陣,運(yùn)用Matlab全局優(yōu)化方法計(jì)算,最終得到坡度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、岸坡結(jié)構(gòu)、降雨量、淹沒(méi)程度、地震烈度、滑坡規(guī)模、滑坡發(fā)育和穩(wěn)定程度的權(quán)重值分別為0.015,0.010,0.044,0.010,0.067,0.027,0.011,0.091,0.091,0.455。4個(gè)判斷矩陣的一致性指標(biāo)系數(shù)值CIC均小于0.1,故具有滿意的一致性。計(jì)算結(jié)果如表2,說(shuō)明滑坡自身的穩(wěn)定情況是滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子中最重要的,接下來(lái)依次是滑坡規(guī)模、滑坡發(fā)育、年平均降雨量、地質(zhì)構(gòu)造、淹沒(méi)情況、坡度、地震、地層巖性、岸坡結(jié)構(gòu)。3.5滑坡危險(xiǎn)性評(píng)估為了使復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化,同時(shí)又能保障采樣單元的精度以反映區(qū)內(nèi)的真實(shí)情況。庫(kù)區(qū)的采樣采用網(wǎng)格法,經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比,庫(kù)區(qū)選定500m×500m網(wǎng)格進(jìn)行劃分,獲得網(wǎng)格單元28192個(gè)。計(jì)算的權(quán)重值和每個(gè)單元格相應(yīng)的隸屬度值代入式(8)計(jì)算每個(gè)單元格的模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合值。最后利用MapGIS空間分析中的柵格重分類工具將庫(kù)區(qū)滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)柵格圖劃分為高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)和極低危險(xiǎn)區(qū)4個(gè)級(jí)別,所占庫(kù)區(qū)面積比例分別為6.64%,5.77%,60.20%,27.39%,滑坡所占分級(jí)區(qū)域面積分別為32.21%,4.42%,2.10%和1.08%?；挛ｋU(xiǎn)性區(qū)劃如圖2所示。由圖2可知,滑坡面積占分級(jí)區(qū)域面積的比例越高,危險(xiǎn)性級(jí)別就越高。高危險(xiǎn)區(qū)集中了高密度的滑坡災(zāi)害點(diǎn),中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)和極低危險(xiǎn)區(qū)的滑坡災(zāi)害點(diǎn)相對(duì)很稀疏。高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)的滑坡主要集中在壩址至志林段和白馬口至龍街段。由于本文劃分的危險(xiǎn)性級(jí)別區(qū)域符合庫(kù)區(qū)歷史滑坡分布的狀況,說(shuō)明編制的庫(kù)區(qū)滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃圖合理。4基于改進(jìn)層次分析法的實(shí)踐(1)基于模糊綜合評(píng)判的改進(jìn)層次分析法具有層次分析法置換不變性、相容性、對(duì)稱性和完全協(xié)調(diào)性的優(yōu)勢(shì),在一致性指標(biāo)最小化下推求各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,克服了層次分析法主觀性強(qiáng),解決了檢驗(yàn)和修正判斷矩陣一致性的問(wèn)題,計(jì)算的精度較高。并且當(dāng)原判斷矩陣的一致性較差時(shí),層次分析法不具有修正一致性的功能,而改進(jìn)層次分析法的模糊評(píng)判具有修正判斷矩陣的一致性,并同時(shí)計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重的功能。(2)