基于確定性系數(shù)模型的地質(zhì)災(zāi)害論文范文

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1基于CF的因子量化

影響地質(zhì)災(zāi)害的因子紛繁復(fù)雜，描述方式多以定性、不統(tǒng)一的方式表達(dá)，不能直接進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，如工程地質(zhì)巖組(如堅(jiān)硬至軟弱薄層－層塊狀碎屑巖夾碳酸鹽巖巖組)，以離線定性表達(dá)形式存在;坡度(如25°)、年均雨量(如1000～1200mm)等，雖以連續(xù)形式存在，但數(shù)值量綱不同，所在區(qū)間不同，仍然不能直接進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。信息定量化統(tǒng)一表達(dá)是實(shí)現(xiàn)區(qū)域評(píng)價(jià)的難點(diǎn)和基礎(chǔ)。前人有的依據(jù)豐富的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)分類(lèi)分段賦值的方式實(shí)現(xiàn)因子量化［12］，也有的通過(guò)引入不確定性推理中的確定性系數(shù)模型(CF)實(shí)現(xiàn)因子量化。確定性系數(shù)模型(CF)是一個(gè)概率函數(shù)，最早由Shortliffe和Buchanan(1975)提出［13］，由Heckerman(1986)進(jìn)行了改進(jìn)［14］，用來(lái)分析影響某一事件發(fā)生的各因子的敏感性。蘭恒星將CF概率函數(shù)計(jì)算方法成功應(yīng)用到區(qū)域性滑坡的因子敏感性分析之中［15］。CF函數(shù)，具體表示為。式中:PPa為事件(地質(zhì)災(zāi)害)在數(shù)據(jù)a類(lèi)中發(fā)生的條件概率，應(yīng)用時(shí)為數(shù)據(jù)類(lèi)a中存在的地質(zhì)災(zāi)害個(gè)數(shù)與數(shù)據(jù)類(lèi)a面積的比值;PPs為地質(zhì)災(zāi)害在整個(gè)研究區(qū)A中發(fā)生的先驗(yàn)概率，可以表示為整個(gè)研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害的個(gè)數(shù)與研究區(qū)面積的比值。CF的變化區(qū)間為。正值代表事件發(fā)生確定性的增長(zhǎng)，即地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的確定性高，地質(zhì)環(huán)境條件差;負(fù)值代表確定性的降低，即地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的確定性低，地質(zhì)環(huán)境條件好;CF值接近于0，說(shuō)明確定性居中，不能確定地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣。采用確定性系數(shù)開(kāi)展因子量化的基本假定是，在具備已知發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害地區(qū)的相似環(huán)境條件時(shí)，未來(lái)本區(qū)的斜坡就有可能發(fā)生類(lèi)似的地質(zhì)災(zāi)害。通過(guò)確定性系數(shù)函數(shù)，將地質(zhì)災(zāi)害各影響因子實(shí)現(xiàn)了同區(qū)間的定量化，該方法實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜多因子數(shù)據(jù)的同區(qū)間定量化的問(wèn)題，并可合并計(jì)算。

2多因子疊加確定權(quán)重法

確定性系數(shù)(CF)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害各影響因子的定量化表達(dá)，從確定性系數(shù)(CF)函數(shù)公式(1)可見(jiàn)，某單元格的每個(gè)因子的CF值直接代表了該因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)與否的貢獻(xiàn)值。從該物理意義出發(fā)，通過(guò)各因子之間的CF值數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，就有可能因此確定各因子之間相對(duì)權(quán)重的大小。因此，本文通過(guò)各因子CF值疊加相減的方法，提出了一種權(quán)重確定方法，命名為基于CF的多因子疊加確定權(quán)重法。具體的計(jì)算方法和步驟如下:

2.1影響因子CF值疊加計(jì)算通過(guò)將參與區(qū)域評(píng)價(jià)的地質(zhì)災(zāi)害各影響因子逐一疊加計(jì)算，可以表達(dá)為參與合并計(jì)算的因子圖層對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的綜合貢獻(xiàn)值。如果所有因子圖層均參與疊加計(jì)算，則得到的就是所有因子圖層的總貢獻(xiàn);如果參與疊加計(jì)算的是其中的兩個(gè)因子，則結(jié)果即為這兩個(gè)因子的綜合貢獻(xiàn)。

2.2某影響因子CF值的貢獻(xiàn)計(jì)算當(dāng)計(jì)算某因子圖層的CF值的貢獻(xiàn)時(shí)，可根據(jù)式(3)計(jì)算該圖層的CF值貢獻(xiàn)。此步驟計(jì)算中也可以排除重復(fù)因子的貢獻(xiàn)。

2.3計(jì)算各因子權(quán)重根據(jù)式(4)，計(jì)算每個(gè)因子的相對(duì)貢獻(xiàn)大小，最后經(jīng)歸一化后得到各因子的權(quán)重。

3模型方法應(yīng)用

國(guó)家級(jí)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警第二代模型方法———顯式統(tǒng)計(jì)預(yù)警模型，是一種考慮地質(zhì)環(huán)境變化與降雨參數(shù)等多因素迭加建立預(yù)警判據(jù)模型的方法。模型中將地質(zhì)環(huán)境區(qū)域評(píng)價(jià)量化為“地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度”。根據(jù)式(6)，以10km×10km的網(wǎng)格進(jìn)行剖分，分區(qū)開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度計(jì)算(圖1)，7個(gè)大區(qū)分別為A(東北)、B(華北)、C(東南)、D(西南)、E(黃土)、F(西北)、G(青藏)。其中選取2020個(gè)縣市調(diào)查成果中崩滑流災(zāi)害點(diǎn)(17萬(wàn)多個(gè))作為歷史災(zāi)害點(diǎn)(圖2)，選取17個(gè)地質(zhì)災(zāi)害影響因子(表1)參與計(jì)算，分別為斷層斷裂、水系河流、年均雨量、年均氣溫、地震烈度、蒸發(fā)量、巖土體類(lèi)型、第四系成因類(lèi)型、水文地質(zhì)類(lèi)型、海拔高程、地形起伏、地貌類(lèi)型、植被覆蓋類(lèi)型、人口密度、土壤侵蝕、第四系巖性和地層巖性。首先采用確定性系數(shù)模型(CF)實(shí)現(xiàn)因子的同區(qū)間量化，以C區(qū)的地形起伏因子和巖土體類(lèi)型因子為例，兩個(gè)因子的分段及CF量化結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。

地形起伏度是影響斜坡穩(wěn)定性的最重要因素之一，起伏度的大小直接決定著斜坡的應(yīng)力狀態(tài)，控制著斜坡的穩(wěn)定性。在C區(qū)(東南區(qū))區(qū)域研究中，將地形起伏因子分為極大起伏、大起伏、中起伏、小起伏、丘陵和其他六類(lèi)，由圖3中CF值計(jì)算結(jié)果，該區(qū)域最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地形起伏度由大到小分別為大起伏(0.345)、中起伏(0.306)、小起伏(0.089)，而丘陵、其他、極大起伏不利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。斜坡巖土體類(lèi)型作為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，是影響斜坡穩(wěn)定的最重要因素，直接決定著斜坡巖土體的強(qiáng)度和應(yīng)力分布，是變形破壞的基礎(chǔ)。根據(jù)C區(qū)(東南區(qū))的地質(zhì)環(huán)境特征，將巖土體類(lèi)型因子分為火成巖、碎屑巖、變質(zhì)巖、碳酸鹽巖、砂質(zhì)土和其他土六類(lèi)，由圖4中CF值計(jì)算結(jié)果，該區(qū)域最有利于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的巖土體類(lèi)型為火成巖(0.348)，其次為變質(zhì)巖(0.106)。根據(jù)各因子CF量化結(jié)果，采用上節(jié)中“多因子疊加確定權(quán)重法”分區(qū)計(jì)算各影響因子權(quán)重見(jiàn)表2。由于選取因子較多(17個(gè))，每個(gè)因子的權(quán)重相對(duì)較小，權(quán)重差偏小。17個(gè)因子的平均因子權(quán)重應(yīng)為1/17，即0.06，因此當(dāng)某個(gè)因子權(quán)重超過(guò)0.06時(shí)，可以認(rèn)為該因子為地質(zhì)災(zāi)害的敏感因子。如地震烈度圖層在B區(qū)、C區(qū)、E區(qū)的權(quán)重最小，分別為0.02、0、0，而在D區(qū)的地震烈度權(quán)重較高(0.07)，F(xiàn)區(qū)的地震烈度權(quán)重較高(0.10)，B區(qū)和C區(qū)地形起伏因子的權(quán)重最高，分別為0.12和0.17，均符合經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)。將各區(qū)潛勢(shì)度的計(jì)算結(jié)果，與歷史災(zāi)害點(diǎn)的分布情況進(jìn)行對(duì)比分析，校驗(yàn)潛勢(shì)度是否能夠體現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣程度，以C區(qū)(東南區(qū))和D區(qū)(西南區(qū))為例，見(jiàn)圖5和圖6，其中橫坐標(biāo)為各網(wǎng)格單元的潛勢(shì)度值，縱坐標(biāo)為各網(wǎng)格單元內(nèi)的平均災(zāi)害點(diǎn)密度。在各區(qū)范圍內(nèi)，隨著潛勢(shì)度值從高向低，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的密度逐步減少，反映了地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度大的區(qū)域歷史災(zāi)害點(diǎn)分布頻率大，地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度值小的區(qū)域，歷史災(zāi)害點(diǎn)分布頻率少，即地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度值的大小能夠反映歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的多少，能夠反映地質(zhì)背景環(huán)境條件的優(yōu)劣。因此，驗(yàn)證了基于CF的多因子疊加確定權(quán)重法的有效性和實(shí)用性。

4結(jié)論

本文提出了基于CF的多因子疊加確定權(quán)重法，并以區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警中地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。(1)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)研究中，影響地質(zhì)災(zāi)害的因子紛繁復(fù)雜，描述方式多以定性、不統(tǒng)一的方式表達(dá)，不能直接進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，可以通過(guò)引入不確定性推理中的確定性系數(shù)模型(CF)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜多因子數(shù)據(jù)的同區(qū)間量化。(2)確定性系數(shù)(CF)實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害各影響因子的定量化表達(dá)，且每個(gè)因子的CF值直接代表了該因子對(duì)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)與否的貢獻(xiàn)值。從該物理意義出發(fā)，提出了基于CF的多因子疊加確定權(quán)重法。該方法可分三步完成:1)基于CF的地質(zhì)災(zāi)害各影響因子量化，使得各影響因子取值均介于0～1;2)所有影響因子逐級(jí)疊加計(jì)算，計(jì)算所有因子的相對(duì)貢獻(xiàn)值;除某計(jì)算因子外，其他所有影響因子的逐級(jí)疊加計(jì)算，得到除某計(jì)算因子外的其他所有因子的相對(duì)貢獻(xiàn)值;3)通過(guò)相減的方法，得到某計(jì)算因子的相對(duì)貢獻(xiàn)值，并歸一化處理得到該因子的權(quán)重。(3)通過(guò)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警中地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)(地質(zhì)災(zāi)害潛勢(shì)度)的計(jì)算，驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

作者：劉艷輝劉傳正唐燦溫銘生連建發(fā)單位：中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院國(guó)土資源部地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急技術(shù)指導(dǎo)中中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所