基于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價

黃鎮(zhèn)逢

（廣東省有色金屬地質(zhì)局水文地質(zhì)隊，廣東 廣州 510800）

地質(zhì)災(zāi)害會帶來地質(zhì)環(huán)境的惡化，并使人類遭受巨大損失[1]。研究地質(zhì)災(zāi)害的形成根源時，區(qū)域性活動斷裂帶是一種必須考慮的因素，這種斷裂帶不僅是地裂縫等重大災(zāi)害的誘發(fā)根源，也是控制常見地質(zhì)災(zāi)害實際分布情況的重要因素。與區(qū)域性活動斷裂帶相關(guān)的三大類地質(zhì)災(zāi)害分別為活動斷裂帶次生災(zāi)害、活動斷裂帶緩慢活動災(zāi)害以及活動斷裂帶快速活動災(zāi)害。隨著我國實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略，西部建設(shè)了大量高速公路，其規(guī)?？梢哉f是前所未有，也使西部城市的經(jīng)濟進(jìn)一步得到發(fā)展。然而該地區(qū)是頻發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域，特別是城市區(qū)域性活動斷裂帶十分發(fā)育，為公路的建設(shè)與城市的發(fā)展帶來極大阻礙與威脅，不僅帶來了直接損失，也造成了很多間接性損失[2]。與此同時，我國其他地區(qū)的城市區(qū)域性活動斷裂帶也引發(fā)了很多地質(zhì)災(zāi)害，“5.12”汶川、“4.14”玉樹地震造成的巨大人員傷亡和財產(chǎn)損失讓人記憶猶新，而造成如此重大損失的根源就是構(gòu)筑物建在了活動斷裂帶上，從而給予我們深刻警示，城市建設(shè)選址首先應(yīng)查明城市擬建區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是斷裂構(gòu)造，才能趨利避害，選擇避讓或提高防御級別，從而更有利于保障城市建設(shè)的安全。因此對城市區(qū)域性活動斷裂帶實施危險性評價是很有很大必要的。對于城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價問題，很多國家都進(jìn)行了大量研究，并取得了重要進(jìn)展。在研究中，新方法、新技術(shù)的應(yīng)用越來越深入和廣泛，包括3S技術(shù)等，這些方法的應(yīng)用，使評價結(jié)果變得更加全面。目前其研究方向主要朝著定量化發(fā)展，評價可靠性與評價精度都有待進(jìn)一步提高。因此綜合以往研究成果，提出一種基于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價方法。

1 城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價

1.1 地質(zhì)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

構(gòu)建各地城市區(qū)域性活動斷裂帶相關(guān)的城市活動斷裂帶地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建中，首先需要對存在城市區(qū)域性活動斷裂帶的各地的基礎(chǔ)地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查，也就是實施地質(zhì)填圖。地質(zhì)填圖以穿越法為主，填圖路線的布置大致垂直于地層或斷層走向[3]。布設(shè)多條主干路線，調(diào)查人員統(tǒng)一參與主干路線地質(zhì)填圖，統(tǒng)一分層標(biāo)志，統(tǒng)一野外工作方法。對區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)界線、重要標(biāo)志層等實施追索觀測。其中線距、點距根據(jù)野外實際情況布置，一般點距不大于線距。在第四系大面積分布區(qū)，以河流階地兩側(cè)或已開挖基坑為重點布置填圖路線。在地質(zhì)填圖中，還要對人類工程活動情況進(jìn)行同步記錄。

接著實施城市區(qū)域性活動斷裂帶的野外調(diào)查。使用的物探方法是淺層地震多次迭加法，也就是采用6次覆蓋觀測系統(tǒng)進(jìn)行測量。在測量中根據(jù)試驗成果確定偏移距。以時間剖面圖上反射波組的實際反射情況為依據(jù)推測斷裂構(gòu)造的具體位置，之后布設(shè)物探驗證鉆孔進(jìn)行鉆探驗證[4]，其中鉆孔孔位及標(biāo)高采用Garmin佳明errex201xGPS進(jìn)行現(xiàn)場測放，鉆孔采用劈芯法，采取一半巖芯作為樣品，樣長5~8cm，對其實施單軸抗壓強度試驗。

將調(diào)查獲取數(shù)據(jù)作為構(gòu)建城市活動斷裂帶地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過ArcSDE數(shù)據(jù)庫引擎將以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型形式存儲至PostgreSQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，完成城市活動斷裂帶地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的搭建。搭建的數(shù)據(jù)庫構(gòu)造具體如圖1所示。

其中數(shù)據(jù)預(yù)處理指的是數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，主要是對數(shù)據(jù)情況、時間精度以及數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行檢查，經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查后再將數(shù)據(jù)存儲至PostgreSQL 關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。

1.2 構(gòu)建評價模型

根據(jù)構(gòu)建的地質(zhì)數(shù)據(jù)庫對一級評價指標(biāo)進(jìn)行選取，包括已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害與潛在地質(zhì)災(zāi)害情況、人類工程活動情況、工程與水文地質(zhì)條件、巖性與地層構(gòu)造情況、地形地貌情況，并根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)對各一級評價指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)劃分，確定二級評價指標(biāo)，完成城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價模型的構(gòu)建。構(gòu)建的評價模型具體如表1所示。

表1 構(gòu)建的評價模型

完成評價模型的構(gòu)建后，利用模型實施城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價。

1.3 指標(biāo)權(quán)重的確定與評價的定量描述

計算各指標(biāo)權(quán)重，通過可拓學(xué)將城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價的對象、指標(biāo)及指標(biāo)權(quán)值構(gòu)成一個整體，利用可拓集合的關(guān)聯(lián)函數(shù)值實現(xiàn)評價結(jié)果的定量描述[5]。

在各指標(biāo)權(quán)重的計算中，使用的方法為因子分析法。具體步驟如下：

（1）查閱文獻(xiàn)，對指標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。

（2）對收集數(shù)據(jù)實施預(yù)處理，具體包括坐標(biāo)統(tǒng)一處理、缺失值處理、標(biāo)準(zhǔn)化處理。

在相關(guān)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)統(tǒng)一處理中，使用的坐標(biāo)平移方法具體如下式：

式中：A——平移的直線距離；

——平移的坐標(biāo)距離；

X——平移的橫坐標(biāo)距離；

Y——平移的縱坐標(biāo)距離；

——該空間實體的原坐標(biāo)位置；

——該空間實體平移后的坐標(biāo)位置；

X2——平移中第二個坐標(biāo)中的橫坐標(biāo)；

Y2——平移中第二個坐標(biāo)中的縱坐標(biāo)；

X1——平移中第一個坐標(biāo)中的橫坐標(biāo)；

Y1——平移中第一個坐標(biāo)中的縱坐標(biāo)。

在缺失值處理中，使用高維映射法將缺失值補全。在標(biāo)準(zhǔn)化處理中，使用z-score 標(biāo)準(zhǔn)化處理方法將量綱消除。具體步驟如下：

①計算各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，用si來表示；

②計算各指標(biāo)的數(shù)學(xué)期望值，用xi來表示；

③實施標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體如下式：

式中：xij——實際變量值；

zij——標(biāo)準(zhǔn)化處理以后的變量值。

④對調(diào)逆指標(biāo)前的正負(fù)號。

（3）對數(shù)據(jù)指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行計算，對選取的指標(biāo)是否能夠?qū)嵤┮蜃臃治鲞M(jìn)行判斷，能夠?qū)嵤┮蜃臃治龅那疤釛l件是指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性較強[6]。

（4）在關(guān)聯(lián)性較強的情況下，對公共因子進(jìn)行選取。在選取中首先對各因子的初始載荷矩陣進(jìn)行計算，并對相關(guān)系數(shù)構(gòu)成的矩陣的特征向量與特征根進(jìn)行計算，綜合兩種計算結(jié)果獲得因子的累積貢獻(xiàn)率。根據(jù)累積貢獻(xiàn)率對公共因子進(jìn)行選取，確定因子個數(shù)。

（5）計算公共因子得分，根據(jù)計算結(jié)果計算各因子的對應(yīng)方差貢獻(xiàn)率值，并將該值作為評價中的權(quán)重值。

接著利用可拓學(xué)思想定義評價中的待評物元、經(jīng)典域、節(jié)域。其中經(jīng)典域用Foij來表示，是指危險性評價等級關(guān)于評價指標(biāo)的規(guī)定量化范圍。節(jié)域是指危險性全體評價等級關(guān)于評價指標(biāo)的量值隸屬度化范圍，用Dqj來表示。將城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性用物元O來表示，稱為待評物元。

通過下式計算城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性這一評價單元q與危險度等級之間的關(guān)聯(lián)函數(shù)值：

式中：cj——評價單元q關(guān)于區(qū)劃指標(biāo)的量值；

γ(.)——關(guān)聯(lián)閾值。

根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)值與指標(biāo)權(quán)值計算評價單元q關(guān)于危險性等級i的實際關(guān)聯(lián)度值。根據(jù)計算的關(guān)聯(lián)度值對危險性等級進(jìn)行計算，完成區(qū)域性活動斷裂帶的危險性評價。

2 評價案例測試

2.1 實驗過程

對于設(shè)計的基于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價方法，通過其應(yīng)用對其評價性能進(jìn)行測試。將其應(yīng)用于城市區(qū)域性活動斷裂帶比較發(fā)育的某地區(qū)中，利用該方法對實驗地區(qū)的活動斷裂帶進(jìn)行危險性評價。實驗地區(qū)的崩塌、滑坡主要分布于工作區(qū)北東側(cè)的低山、丘陵區(qū)，因此可以判定其區(qū)域性活動斷裂帶主要發(fā)育于北東側(cè)。由于該地區(qū)已經(jīng)遭受過多次地質(zhì)災(zāi)害，因此對其區(qū)域性活動斷裂帶實施危險性評價是很有必要的。

首先構(gòu)建該地區(qū)的城市活動斷裂帶地質(zhì)數(shù)據(jù)庫，分別實施該地區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查與區(qū)域性活動斷裂帶的野外調(diào)查，將調(diào)查數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完成地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建。接著構(gòu)建評價模型，通過因子分析法計算實驗地區(qū)的指標(biāo)權(quán)重，計算結(jié)果如表2所示。

表2 實驗地區(qū)的指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

然后結(jié)合表2 結(jié)果，依據(jù)可拓學(xué)實施危險性評價，評價結(jié)果如表3所示。

表3 危險性評價結(jié)果

表3數(shù)據(jù)說明，通過設(shè)計方法能夠?qū)崿F(xiàn)城市區(qū)域性活動斷裂帶的危險性評價。完成危險性評價后，對評價結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行測試。

2.2 評價準(zhǔn)確性測試結(jié)果

根據(jù)專家意見對評價結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 評價準(zhǔn)確性

根據(jù)圖2測試結(jié)果，設(shè)計方法對于六個區(qū)域性活動斷裂帶的危險性評價準(zhǔn)確性均較高，六種評價結(jié)果的準(zhǔn)確性均高于96%，證明了設(shè)計方法有著出色的評價性能。

3 結(jié)束語

城市區(qū)域性活動斷裂帶是一種需要重視的構(gòu)造因素，很容易引發(fā)各種地質(zhì)災(zāi)害，從而造成極大損失。設(shè)計了一種基于地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的城市區(qū)域性活動斷裂帶危險性評價方法，既實現(xiàn)了地區(qū)城市活動斷裂帶地質(zhì)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，又實現(xiàn)了活動斷裂帶的準(zhǔn)確危險性評價，取得了一定研究成果。今后將會對該方法進(jìn)行進(jìn)一步實踐與應(yīng)用。