物元分析在格庫鐵路風沙不良地質分類中的應用

【摘要】本文通過選取格庫鐵路烏圖美仁至花土溝段10處典型風沙不良地質災害，通過改進的層次分析法確定影響因子的權重，構建風沙危害程度的物元分析模型，對其危害程度進行分級預測，并將預測結果與實際調查結果進行對比分析。

【關鍵詞】格庫鐵路；物元分析；層次分析法；風沙

格庫鐵路，青藏線格爾木站至南疆線庫爾勒站，新建正線長度1214.583km。本文以新建格庫鐵路風沙不良地質災害的危害程度評價為研究對象，在現有研究成果基礎上，采用計算數據分析、改進的AHP確定評價因子的權重、物元分析評價等創新技術手段，利用多指標物元分析評價，全面分析了風沙危害程度評價的影響因素，根據野外實際調查結果，考慮各種不確定因素建立了格庫鐵路風沙危害程度評價的物元分析模型，通過計算其關聯度，給出定量的數值評定結果，評判得出風沙的危害程度等級來直觀全面地衡量地質病害危害程度，從而為決策者提供了客觀、公正、準確、合理的決策依據。

1、可拓學基本理論

由于地質條件的復雜性和不易確定性，常存在各單項指標的關系較為離散的問題。基于可拓學的物元分析法正是研究多個不相容的單項指標轉化規律的方法，因此物元分析法能夠較為客觀地反映泥石流的危險程度。

1.1 物元

物元是描述事物的基本單元，常以有序的三元組來表達。

式中：N表示事物；C表示特征的名稱；V=（ai，bi）表示N關于C所取的量值。物元概念準確地反映了事物質和量的關系。每一類量值范圍和總的取值范圍構成物元的經典域和節域。

1.2 可拓集合

集合是對客觀事物進行分類和識別的數學方法。在可拓學中，物元集合和關聯函數是其中的兩大核心，定義如下：設論域為U，若對U中任一元素u（u∈U），都有實數K（u）∈（-∞，+∞）與之對應，則稱A={（u，y）|u∈U，y=K（u）∈（-∞，+∞）}為論域U上的一個可拓集合，其中y=K（u）為A的關聯函數，K（u）為u關于A的關聯度。同時，可拓學理論把實變函數中的距離拓廣為距的概念，作為把定性描述擴大為定量描述的基礎，規定實軸上點x0與區間X0=（a，b）之距為：

在可拓集合中，建立關聯函數的概念，可以定量地描述論域中元素所具有的性質的程度及變化，也可由關聯函數值的大小分出不同的層次，通過值的變化定量地描述元素與集合間關系的變化。

1.3 物元模型危險性評價過程

（1）確定經典域和節域

Roj= （Noj，c，Voji），Rp= （Np，c，Vp） ，

式中 Roj為經典域物元； Rp為節域物元。

（2）確定待評對象各指標參數不同等級的關聯度

式中 Vij為Nj關于評價指標Ci所確定的量值范圍。

（3）計算待評物元p關于等級t的關聯度

式中 αi為各評價指標i的權重系數（下述），且 。

（4）等級結果評定

若

則可定性判定待評價體P屬于t0類。

2格庫鐵路某段風沙危害程度評價

2.1建立評判指標體系，利用改進的層次分析法確定各評價因子的權重

（1）根據現場地質調查，結合鐵一院風沙區地質工作綜合分析已有風沙危害程度分級所選因素，確定格庫鐵路風沙危害程度評價主要的影響因素有共8個：

風沙危害程度影響因素（A）：

—沙丘年向前移動值；

—沙源豐富程度；

—植被覆蓋度；

—剖面分化程度；

—風力大小；

—單位長度年輸沙量；

—主導風向與線路夾角大小。

根據研究區275㎞不同風沙類型的發育特點，為將研究成果與現有規范對接，且方便應用于實際勘察，把危害程度劃分為3個等級：輕微、中等、嚴重三個級別，詳述如下：

1）輕微：不易起沙，即使爆發，也不會對鐵路線造成影響；

2）中等：較易起沙，一旦爆發，會對鐵路線造成一定的影響；

3）嚴重：容易起沙，一旦爆發，會對鐵路線造成嚴重的影響。

（2）基于改進的層次分析法確定評價指標的權重

①在本次對格庫鐵路烏圖美仁至花土溝段風沙危害程度評價中，根據對各風沙段落野外詳細調查及征求專家的意見，確定應用基于改進的AHP的兩層次結構模型方法。

準則層包含地形地貌和其它因子，其權重為1，即權重矩陣為A=（1）。

子準則層包括7個相關因子，具體如圖2-1[1] [2]。

圖2-1 改進的AHP—物元分析模型

②根據改進的層次分析法構建格庫鐵路烏圖美仁至花土溝段風沙危害程度判斷矩陣及層次單排序[3] [4]。

a. 影響因子判斷矩陣及層次單排序x

2.2研究區風沙段落危害程度評價指標原始數據和定性指標量化

通過對格庫鐵路DK178-DK450段10個典型風沙不良地質段落的野外調查和內業資料判譯，獲得該段風沙不良地質危害程度評價指標體系中8個評價因子的原始數據和定性指標量化見表2-1。

2.3確定經典域、節域和物元

（1）劃分各評判因子的經典域

經典域即指單因素評價中，對應于某類別時各單因素參量的取值變化范圍見表2-2。

注：對于評價體系中的定量指標我們根據野外現場調查和室內資料判譯，直接取其具體數據；對評價體系中的定性指標，我們通過打分法進行量化和歸一化處理[5] [6]。

（2）節域的劃分標準

節域即指單因素評價中，單因素參量總的取值變化范圍見表2-3。

表2-3 研究區風沙危害程度分級物元分析模型節域劃分標準

影響因素（A）： 節域

—沙丘年向前移動值

（0，100）

—沙源豐富程度

（0，1）

—植被覆蓋度

（0，1）

—剖面分化程度

（0，1）

—風力大小

（0，50）

—單位長度年輸沙量

（1，50）

—主導風向與線路夾角大小

（0，90）

（3）確定待評物元，計算待評物元的關聯函數值，求得關聯矩陣，根據層次分析法確定的權重計算待評物元與危害程度分級的關聯度。根據最大關聯度原則確定風沙危害程度分級。

2.4 改進的AHP—物元分析法對研究區風沙危害程度分級預測結果

將改進的AHP—物元分析模型，對研究區10處典型風沙不良地質的危害程度分級結果見表2-4。

結論：

從計算結果可以看出，預測準確率達90%，可為我們進一步科學合理規劃方案提供依據，在一定程度可以避免人為因素干擾帶來的誤差。

改進的AHP—物元分析模型在引入“距”的概念并將其延伸后，可以精確的用定量的方法表示點與區間的位置關系，還可以描述點在區間內的位置，即區間內的點在“區間內的程度”。我們進行風沙的危害程度分類，就是將其歸類，這與物元分析理論不謀而合。因此，我們應用改進的AHP—物元分析模型評價得到的結果，不僅可以將該風沙危害程度歸入我們之前設定好的危害程度類別，更重要的是可以反映該結果與其他類別之間的遠近關系。

參考文獻

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[6]孟憲林，郭威. 改進層次分析法在土壤重金屬污染評價中的應用[J]. 環境保護科學，2001，（01）：34-36

姓名：孫先鋒；性別：男；出生年：1986；籍貫：陜西西安；學歷：碩士；職稱：助理工程師；研究方向： 工程地質