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    模糊數(shù)學(xué)在桂林園林園藝博覽園地質(zhì)災(zāi)害危險性評估中的運用

    2014-03-01 09:13:18陳學(xué)軍余意李培俊郭宇彬
    關(guān)鍵詞:數(shù)集單元格危險性

    陳學(xué)軍,余意,李培俊,2,郭宇彬

    (1.桂林理工大學(xué)a.廣西礦冶與環(huán)境科學(xué)實驗中心;b.廣西巖土力學(xué)與工程重點實驗室;c.土木與建筑工程學(xué)院,桂林 541004;2.江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司,南京 210017)

    1 地質(zhì)環(huán)境條件

    桂林園林園藝博覽園建設(shè)項目位于桂林市雁山區(qū)大埠鄉(xiāng)及良豐農(nóng)場區(qū)域,桂林市桂陽公路東側(cè),規(guī)劃用地面積約為1.18 k m2。評估區(qū)常年受季風(fēng)環(huán)流、太陽輻射和海洋季風(fēng)三者的共同影響,四季涇渭分明,降水充足,氣候溫暖濕潤,屬于中亞熱帶季風(fēng)區(qū)。多年平均年降雨量1 889.4 mm,最大降雨量為2 910.9 mm,最小降雨量為1 342.3 mm。每年的4~7月為雨季,占全年降雨量的61.09%。評估區(qū)內(nèi)地形較為平緩,主要地貌為為孤峰平原區(qū),地質(zhì)構(gòu)造較為簡單,位于桂林弧形斷褶帶之南段,兩江復(fù)式向斜仰起端東翼,地層多為傾向北西的單斜構(gòu)造,傾角一般較陡,為30°~60°,巖石節(jié)理較發(fā)育。地層結(jié)構(gòu)較為簡單,從新到舊依次為耕土(Q4Pd),上更新統(tǒng)殘堆積(Q3el+dl)粘土、下伏基巖為石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階(C1y)泥質(zhì)灰?guī)r、上泥盆統(tǒng)融縣組石灰?guī)r(D3r);區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)性質(zhì)良好,區(qū)域地殼穩(wěn)定性好;評估區(qū)地下水類型主要有孔隙水、巖溶裂隙水,但含水量均不大,地下水水位隨季節(jié)變化較明顯,變幅一般在1.0~3.0 m之間。地下水礦化度為200~400 mg/l,基本上為重碳酸鈣型(HCO-3~Ca2+),p H值為7.93,且地下水對砼無腐蝕性;評估區(qū)內(nèi)鉆孔遇洞率為45%,巖溶鉆孔線溶率為2.7% ,屬于巖溶中等發(fā)育區(qū);目前評估區(qū)內(nèi)人類工程活動主要體現(xiàn)在當(dāng)?shù)卮迕竦姆N植耕地,造成的原有植被的破壞,對原始地質(zhì)環(huán)境造成了一定的擾動,原有的地形地貌多已遭受改變。經(jīng)走訪調(diào)研,評估區(qū)內(nèi)目前發(fā)現(xiàn)崩塌8處,滑坡10處,巖溶塌陷2處,災(zāi)害點共計20處,因此評估過程中將崩塌滑坡、巖溶塌陷和地(路)基不均勻沉降三種災(zāi)害類型予以重點評估。

    2 建立評價體系

    目前,評估區(qū)內(nèi)遭受的地質(zhì)災(zāi)害類型大致可以分為三類,即崩塌滑坡、巖溶塌陷、以及地(路)基不均勻沉降,同時將各災(zāi)種的歷史和潛在危險性予以考慮。采用模糊數(shù)學(xué)理論評判,即首先對某種災(zāi)害類型的潛在危險性、歷史危險性分別進(jìn)行評判,然后將所對應(yīng)災(zāi)害的危險性進(jìn)行二次評判,接著對多災(zāi)種危險性進(jìn)行綜合評判,最后對地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)及防治提供依據(jù)。

    根據(jù)評判原則及要求,選取相對危險性較大,并符合評估區(qū)實際情況的20個影響因素(ri),將其分成6個因素的二級體系(Ri),即崩塌滑坡潛在危險性子體系R1={r1,r2,r3,r4,r5,r6},崩塌滑坡歷史危險性子體系R2={r7},巖溶塌陷潛在危險性子體系R3={r8,r9,r10,r11,r12,r13,r14},巖溶塌陷歷史危險性子體系R4={r15},地(路)基不均勻沉降潛在危險性子體系 R5={r16,r17,r18,r19},地(路)基不均勻沉降歷史危險性子體系R6={r20}。

    3 建立數(shù)學(xué)模型

    3.1 確定評價單元及評判結(jié)果

    首先將評估區(qū)1.92 k m2的范圍進(jìn)行網(wǎng)格劃分,每個網(wǎng)格規(guī)格為200 m×200 m(0.04 k m2),經(jīng)計算共劃分成48個評價單元,然后針對每個單元格進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險性評估。對于網(wǎng)格面積小于一半完整單元格面積的,歸入臨近單元格,而當(dāng)網(wǎng)格面積大于一半完整單元格,但不足一個完整單元格的,按完整單元格處理。然后將所評估出的危險性按照影響程度從小到大的順序分為微弱、小、中、大三個級別,即T={微弱、小,中,大},從而對評估區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害程度進(jìn)行有效的體現(xiàn)。

    3.2 確定權(quán)數(shù)集及分級標(biāo)準(zhǔn)

    由于評判工作中需要考慮多方面的權(quán)重值,為了提高評判工作的有效性,參照前人的工作資料[1],采用專家經(jīng)驗和比例評分的方法,同時將評估區(qū)的實際情況予以考慮并進(jìn)行適當(dāng)修正。比例評分法適用于當(dāng)評價因素?zé)o法通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)量綱進(jìn)行度量分析的情形,其原理如下表1。

    表1 比例評分法原理表Table 1 Ratio analysis

    根據(jù)上述方法可以確定各災(zāi)種相應(yīng)的權(quán)數(shù)集,即崩塌滑坡潛在危險性影響因素權(quán)數(shù)集M1={0.20,0.17,0.18,0.16,0.14,0.15},崩塌滑坡歷史危險性影響因素權(quán)數(shù)集M2={1};巖溶塌陷的潛在危險性影響因素權(quán)數(shù)集 M3={0.16,0.14,0.15,0.14,0.18,0.15,0.09},巖溶塌陷歷史危險性影響因素權(quán)數(shù)集M4={1};地(路)基不均勻沉降的潛在危險性影響因素權(quán)數(shù)集 M5={0.28,0.25,0.25,0.22},地(路)基不均勻沉降歷史危險性影響因素權(quán)數(shù)集M6={1}。三種地質(zhì)災(zāi)害潛在危險性和歷史危險性對于地質(zhì)災(zāi)害危險性作用的權(quán)數(shù)集、對地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性的權(quán)數(shù)集分別為M7= {0.6,0.4},M8= {0.46,0.42,0.12}。

    根據(jù)相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn)資料[2-7],結(jié)合評估區(qū)實際情況,確定地質(zhì)災(zāi)害危險性評判的分級標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

    3.3 隸屬函數(shù)的構(gòu)造及評判原則

    評估區(qū)的評估工作采用均勻分布作為其隸屬函數(shù),每項影響因素參照的隸屬方程為:

    式中,ri1,ri2,…,ri,m-1為第i種影響因素第j 等級的分級標(biāo)準(zhǔn)(i=1,2,…,48;j=1,2,3,4);ri為第i種影響因素的相應(yīng)取值;uj(ri)為某一影響因素對第j等級的隸屬度。

    參照上述方法,對于一級評判,首先建立從影響因素函數(shù)集R到評估等級函數(shù)集T的模糊映射,推導(dǎo)出影響因素體系的模糊關(guān)系為Nk(k=1,2,…,48),相應(yīng)的評判矩陣為:

    式中,rij為i影響因素對j等級的隸屬度。

    然后對各影響因素體系的權(quán)數(shù)集Mk和相應(yīng)的評判矩陣Nk進(jìn)行模糊合成運算,得到影響因素體系一級評判結(jié)果Fk:Fk=Mk×Nk。

    對于二級和三級評判,首先將Fk視為Rk(Rk認(rèn)定為單一元素)的單影響因素評判向量,得出影響因素體系的評判矩陣:N=(F1,F(xiàn)2,…,F(xiàn)n)T。接著對影響因素體系的權(quán)數(shù)集M和評判矩陣N進(jìn)行模糊合成運算,得出二級綜合評判結(jié)果S:S=M×N。

    最后參照上述方法計算出各單元格的三級綜合評判結(jié)果:T=M×N,得到最終地質(zhì)災(zāi)害危險性評估的評判向量。

    參照最大隸屬度原則,根據(jù)最終評判向量確定對應(yīng)的危險性等級,并繪制地質(zhì)災(zāi)害危險性等級分區(qū)圖。最大隸屬度原則敘述如下:

    表2 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價因素分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading criteria for risk evaluation of geological disasters

    設(shè)最終判別向量T=(T1,T2,…,Tn)中,Tk= max(Ti),分別計算,按Tk所屬等級評定;若,將評定等級進(jìn)行移位計算,按Tk+1或Tk-1所屬等級評定。

    當(dāng)評判向量中存在多個相等的最大數(shù)時,先按上述規(guī)則進(jìn)行移位計算評判所屬等級,若移位計算后評定等級仍然離散,則取移位計算后的中心等級評定,若中心等級有兩個,則取權(quán)重的位置評定等級[8]。

    4 計算與綜合評判

    參照上述的分級標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)評估各因素的危險性含有兩個或者兩個以上的情況,取危險性最大的作為評判級別。因此48個單元格相應(yīng)的影響因素的評判級別均可以得出。本文以第24號單元格為例來說明地質(zhì)災(zāi)害危險性綜合評判過程。則崩塌、滑坡潛在危險性子體系和歷史危險性子體系的評判矩陣分別為:

    同理可得:巖溶塌陷潛在危險性子體系評判矩陣、巖溶塌陷歷史危險性子體系的評判矩陣、地(路)基不均勻沉降潛在危險性子體系的評判矩陣、地(路)基不均勻沉降歷史危險性子體系的評判矩陣分別為:

    利用相應(yīng)權(quán)數(shù)集和評判矩陣進(jìn)行一級評判,得到該單元格的崩塌滑坡歷史危險性子體系、巖溶塌陷歷史危險性子體系和地(路)基不均勻沉降歷史危險性子體系評判結(jié)果:

    同理可以計算第24號單元格崩塌滑坡潛在危險性子體系、巖溶塌陷潛在危險性子體系和地(路)基不均勻沉降歷史危險性子體系的評判結(jié)果:

    然后根據(jù)上述計算結(jié)果,進(jìn)行二級綜合評判,則崩塌滑坡綜合危險性、巖溶塌陷綜合危險性,以及地(路)基不均勻沉降綜合危險性分別為:最后進(jìn)行三級綜合評判,得到地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性評估結(jié)果,即為:

    根據(jù)最終評判向量 T1= (0.41,0.34,0.18,0.07),參照前述最大隸屬度原則,評判向量中的最大值0.41所對應(yīng)的第三等級即為第24號單元格的評定等級,即第24號單元格所在區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害危險性級別為中等,屬于地質(zhì)災(zāi)害危險性中等區(qū)。同理,依據(jù)相同的評判方法,對評估區(qū)余下的47個單元格進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險性評估,得出最終的評判結(jié)果,確定各個單元格地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)。

    5 結(jié)果分析

    根據(jù)計算結(jié)果,將評估區(qū)依照危險性大小分為地質(zhì)災(zāi)害危險性微弱區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害危險性小區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害危險性中區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害危險性大區(qū)四個區(qū)域(如圖1),其中地質(zhì)災(zāi)害危險性微弱區(qū)、小區(qū)、中等區(qū)、大區(qū)所占單元格數(shù)分別為4個、8個、32個和4個。根據(jù)評判結(jié)果分析出評估區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性均不大,與評估區(qū)的實際情況基本一致。

    圖1 地質(zhì)災(zāi)害危險性評估分區(qū)圖Fig.1 Zoning map for the risk evaluation of geo-h(huán)azards

    對于地質(zhì)災(zāi)害危險性大區(qū),本區(qū)主要包含4個單元格,面積約為0.16 k m2,主要分布在評估區(qū)西南部和東北部,主要為農(nóng)業(yè)用地。該區(qū)為丘狀地貌類型,地形坡度約為30°,植被覆蓋率約為40%,地下水類型為巖溶裂隙水,富水性一般,區(qū)域內(nèi)部人類活動強(qiáng)度強(qiáng)烈,存在破壞坡體植被開發(fā)耕地的現(xiàn)象,地質(zhì)災(zāi)害主要是崩塌滑坡和巖溶塌陷,災(zāi)害危險性大。在斜坡過渡帶修筑建(構(gòu))筑物,在地基處理不當(dāng)或不夠時,會出現(xiàn)地(路)基不均勻沉降。

    對于地質(zhì)災(zāi)害危險性中等區(qū),本區(qū)包含32個單元格,面積約為1.28 k m2,主要分布在評估區(qū)的大部分區(qū)域,主要為居住用地和林地。該區(qū)為地形起伏較小,坡度小于30°,植被覆蓋率約為60%,地下水類型為孔隙水和巖溶裂隙水,富水性一般,地質(zhì)災(zāi)害相對發(fā)育,主要是巖溶塌陷,災(zāi)害危險性中等。區(qū)域內(nèi)部人類活動強(qiáng)度較強(qiáng)烈,局部地段修建筑(構(gòu))筑物,當(dāng)處理不當(dāng)時,存在基坑邊坡滑坡崩塌、地路基不均勻沉降的可能性,但災(zāi)害危險性較小。

    對于地質(zhì)災(zāi)害危險性小區(qū),本區(qū)包含8個單元格,面積約為0.32 k m2,主要分布在西北部和東南部,主要為林地。該區(qū)地勢平坦,上更新統(tǒng)殘堆積(Q3el+dl)粘土層為主要覆蓋層;地下水類型為孔隙水,富水性一般。地質(zhì)災(zāi)害相對不發(fā)育。個別地區(qū)由于大量抽取地下水,出現(xiàn)降落漏斗,當(dāng)修建建(構(gòu))筑物,缺乏足夠的工程地質(zhì)勘察時,可能出現(xiàn)地基不均勻沉降,災(zāi)害危險性較小。

    對于地質(zhì)災(zāi)害危險性微弱區(qū),本區(qū)包含4個單元格,面積約為0.16 k m2,主要分布在南部及其西南部,主要為耕地。該區(qū)地勢平坦,上覆蓋土層為耕植土(Q4Pd);地下水位常年變幅小于0.2 m,主要為孔隙水,富水性一般,且地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育。

    桂林園林園藝博覽園建設(shè)項目區(qū)域地質(zhì)環(huán)境經(jīng)歷漫長的演化歷史,使得地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測問題有著相當(dāng)復(fù)雜的初始條件,加之地質(zhì)體性質(zhì)本身的非均勻性、不確定性和人類活動多變性的影響。根據(jù)上述評價體系及其計算結(jié)果,結(jié)合評估實際及實踐經(jīng)驗,同時參照鄰近建設(shè)項目,提出桂林園林園藝博覽園建設(shè)項目地質(zhì)災(zāi)害防治分級,劃分為重點防治區(qū)、次重點防治區(qū)、一般防治區(qū)三個區(qū)域(圖2)。

    6 結(jié)論

    (1)針對桂林園林園藝博覽園建設(shè)項目的地質(zhì)環(huán)境問題,綜合考慮各方面的因素,建立桂林園林園藝博覽園區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性評價體系,該體系主要由崩塌滑坡潛在危險性、崩塌滑坡歷史危險性、巖溶塌陷潛在危險性、巖溶塌陷歷史危險性、地(路)基不均勻潛在危險性、地(路)基不均勻歷史危險性沉降六個子體系組成。

    圖2 地質(zhì)災(zāi)害防治分級分區(qū)圖Fig.2 Zoning map for geo-h(huán)azard prevention

    (2)根據(jù)建立地質(zhì)災(zāi)害危險性評價體系,將桂林園林園藝博覽園建設(shè)項目地質(zhì)災(zāi)害危險性分為四個級別,即地質(zhì)災(zāi)害危險性微弱區(qū),占評估區(qū)面積的8.33%;地質(zhì)災(zāi)害危險性小區(qū),占評估區(qū)面積的16.67%;地質(zhì)災(zāi)害危險性中等區(qū),占評估區(qū)面積的66.67%;地質(zhì)災(zāi)害危險性大區(qū),占評估區(qū)面積的8.33%,將其劃分為三種不同級別的防治區(qū),即地質(zhì)災(zāi)害一般防治區(qū)、次重點防治區(qū)和重點防治區(qū)。

    (3)由模糊數(shù)學(xué)理論建立的數(shù)學(xué)模型劃分的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)與現(xiàn)場調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害危險性情況基本保持一致,吻合程度大于80%,證明模糊數(shù)學(xué)理論運用于地質(zhì)災(zāi)害危險性評估工作中的可行性、可操作性及其合理性。

    (4)在運用個人實際工作經(jīng)驗進(jìn)行定性分析的同時,進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩坑嬎?,在擴(kuò)大信息量的同時,評估結(jié)果趨于實際,不出現(xiàn)偏離現(xiàn)實的現(xiàn)象,對建設(shè)項目的設(shè)計施工等后續(xù)工作提供了較為可靠有效的參考資料。

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