岷縣地質(zhì)災(zāi)害易損性模糊綜合評價(jià)

吳潤霖，黨星海,2*，周兆葉,2，周 鵬，賈麗奇

（1.蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省應(yīng)急測繪工程研究中心，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州理工大學(xué) 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

地質(zhì)災(zāi)害是一種自然現(xiàn)象，且會對人類社會的生活和生產(chǎn)造成嚴(yán)重影響，因此其既具有自然屬性又具有社會屬性[1]。自然屬性包括地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)度、規(guī)模和發(fā)生概率，即地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性；社會屬性包括人口分布、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、資源開發(fā)、防災(zāi)減災(zāi)能力和承災(zāi)能力等與災(zāi)害相關(guān)的社會特征，即地質(zhì)災(zāi)害易損性[2]。岷縣位于隴南山地和黃土高原過渡地帶，地形多變、地貌多樣、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，近年來地震、滑坡等災(zāi)害多發(fā)。目前，人們對于災(zāi)害的認(rèn)識尚不全面，對災(zāi)害的發(fā)生時(shí)間和波及范圍均不能準(zhǔn)確預(yù)測，因此要降低災(zāi)害造成的損失，就必須側(cè)重于災(zāi)害預(yù)防工作，提高承災(zāi)能力。

易損性評價(jià)能反映區(qū)域承災(zāi)能力的強(qiáng)弱，指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)工作，保障人民生命和財(cái)產(chǎn)安全。對于易損性評價(jià)的研究已有幾十載，我國學(xué)者提出和應(yīng)用了許多實(shí)用又有效的評價(jià)方法，如劉希林[3]等提出了多因子復(fù)合方法，對四川涼山州進(jìn)行了易損性評價(jià)；朱靜[4]等采用估算承災(zāi)體價(jià)值法對云南文山城區(qū)進(jìn)行了易損性評價(jià)；顧春杰[5]等借助經(jīng)濟(jì)學(xué)中的經(jīng)典柯布道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)建立了中小尺度區(qū)域綜合易損性的評價(jià)模型。不管采用何種方法，易損性評價(jià)指標(biāo)的選取都至關(guān)重要，但目前并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，裴慧娟[6]等選用人口、醫(yī)療能力、自救能力和財(cái)力支撐等指標(biāo)對甘肅進(jìn)行了易損性評價(jià)；岳東霞[7]等先將易損性分為人口易損性和物質(zhì)易損性，再以年齡結(jié)構(gòu)、受教育程度、人口密度、房屋、交通設(shè)施和土地資源為評價(jià)指標(biāo)，對甘肅省隴南市清水溝進(jìn)行了易損性評價(jià)；孟暉[8]等先將易損性分為人口安全易損性和資產(chǎn)易損性，再以因?yàn)?zāi)死亡人口比和因?yàn)?zāi)直接經(jīng)濟(jì)損失比為指標(biāo)，對京津翼地區(qū)進(jìn)行了易損性評價(jià)；唐緒波[9]先將易損性分為人口易損性和社會經(jīng)濟(jì)易損性，再選用人口密度、建筑物、交通線路和土地資源等指標(biāo)對神農(nóng)架林區(qū)進(jìn)行了易損性評價(jià)。

在關(guān)于易損性的研究中，往往選定評價(jià)指標(biāo)后，僅對指標(biāo)進(jìn)行量化，再利用一定的分級方法將指標(biāo)分類，從而確定易損性等級，沒有考慮評價(jià)指標(biāo)之間的關(guān)系，更沒有對評價(jià)指標(biāo)賦予權(quán)重，將會導(dǎo)致結(jié)果偏向于主觀化。因此，本文以岷縣為研究區(qū)，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本評價(jià)單元，利用模糊綜合評判法建立了易損性評價(jià)體系，并結(jié)合層次分析法賦予評價(jià)指標(biāo)權(quán)重，旨在得出更客觀更符合實(shí)際的易損性評價(jià)結(jié)果，為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)工作提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 岷縣地理環(huán)境

岷縣地處甘肅南部，位于103°14＇～104°59＇E、34°07＇～34°45＇N之間，南鄰隴南山地，北接黃土高原，西靠青藏高原；東有秦嶺山脈，北有祁連山脈，南有岷山山脈；縣內(nèi)最高海拔為3 754 m，最低海拔為2 040 m，地勢南高北低；以山地為主，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，洮河、跌藏河以及閭井河等數(shù)條河流分布于縣內(nèi)不同區(qū)域，還有大小不同的支流縱橫交錯；氣候寒冷陰濕，年平均氣溫為5.5℃；受大陸性氣團(tuán)和副熱帶暖濕氣團(tuán)的交替影響以及地形對大氣抬升的作用，降雨多且集中，全年平均降雨量為635 mm，降雨主要集中在7-9月。

1.2 岷縣地質(zhì)災(zāi)害概況

通過查閱《岷縣地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)臺賬》發(fā)現(xiàn)，岷縣的滑坡、泥石流、崩塌和不穩(wěn)定斜坡4類地質(zhì)災(zāi)害歷史災(zāi)害點(diǎn)共252 個，其中滑坡127 個（小型滑坡65 個、中型滑坡40 個、大型滑坡22 個），泥石流46 個（小型泥石流24 個、中型泥石流18 個、大型泥石流4 個），崩塌56 個（小型崩塌48 個、中型崩塌8 個），不穩(wěn)定斜坡23 個（小型不穩(wěn)定斜坡19 個、中型不穩(wěn)定斜坡4 個）。受縣內(nèi)特殊的自然環(huán)境影響，地質(zhì)災(zāi)害在時(shí)間和空間上呈現(xiàn)一定規(guī)律性，時(shí)間上多集中在夏季和秋季，空間上多集中在洮河以及洮河的大型支流附近，相比于東部和南部，西部和西北部的滑坡、泥石流、崩塌和不穩(wěn)定斜坡4類地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)且分布集中，如圖1所示。

圖1 歷史災(zāi)害點(diǎn)空間分布

2 易損性影響因素

1992年聯(lián)合國公布了易損性的定義，即潛在損害現(xiàn)象可能造成的損失程度[10]。意大利學(xué)者Panizza將易損性解釋為“在給定地區(qū)存在的所有人和物，由于自然災(zāi)害而趨于損失的總價(jià)值”[11]。2001年我國學(xué)者劉希林結(jié)合上述兩種定義認(rèn)為[12]，易損性是給定地區(qū)和給定時(shí)間段內(nèi)，由于潛在自然災(zāi)害而可能導(dǎo)致的潛在總損失。

影響易損性評價(jià)的因素有很多[13-17]，主要可概括為社會因素、物質(zhì)因素、經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境因素4類。

1）社會因素是指一定區(qū)域的人員（包括常駐人口、外來人口以及臨時(shí)駐留人口）具有的屬性。防災(zāi)減災(zāi)的首要目的就是最大限度地保障人民生命安全、將人的易損性降到最低，因此人口密度、文化程度和年齡結(jié)構(gòu)均會影響人的易損性。人口密度越高，損失就越大；文化程度越高，對災(zāi)害的預(yù)防和災(zāi)前征兆就越重視，從而降低損失；兒童、成年人和老人三者相比較，成年人對危險(xiǎn)的感知能力最強(qiáng)，且即使災(zāi)害發(fā)生時(shí)，成年人搬遷的速度也要快于兒童和老人。

2）物質(zhì)因素反映了災(zāi)害對交通設(shè)施和建筑物等有形資產(chǎn)的影響。鐵路、公路和房屋等有形資產(chǎn)本身造價(jià)昂貴且與人類生活息息相關(guān)，一旦遭受損失還可能耽誤救援，造成更大的損失。一個區(qū)域的物質(zhì)越豐富，不動產(chǎn)行業(yè)越發(fā)達(dá)，相對應(yīng)的物質(zhì)易損性也就越高，因此該地區(qū)的物質(zhì)易損性需被設(shè)為重點(diǎn)評估的指標(biāo)。

3）經(jīng)濟(jì)因素。與固定資產(chǎn)相對應(yīng)的就是無形財(cái)產(chǎn)，在經(jīng)濟(jì)市場中主要的無形財(cái)產(chǎn)就是流通的金錢貨幣。為了更好地對流動資金進(jìn)行評估，通常采用國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）指標(biāo)作為一個區(qū)域的經(jīng)濟(jì)市場綜合評價(jià)指標(biāo)。GDP可以很好地反映一個地區(qū)的經(jīng)濟(jì)狀況和發(fā)展水平，GDP越高，說明經(jīng)濟(jì)狀況越好，相對而言損失就越大。

4）環(huán)境因素反映了災(zāi)害對自然資源的影響。水資源、土地資源和森林資源等自然資源雖然價(jià)值難以估量，但其一旦遭到毀壞將會影響人類社會的方方面面，如水資源污染將產(chǎn)生疾病，土地資源減少農(nóng)作物產(chǎn)量就會降低。

本文綜合分析了所有影響因素，從系統(tǒng)性、可獲取性和可計(jì)量性出發(fā)，選取了評價(jià)指標(biāo)，并確定了對應(yīng)指標(biāo)的計(jì)量單位，如表1所示。

表1 評價(jià)指標(biāo)與計(jì)量

3 易損性模糊綜合評判方法

模糊綜合評價(jià)是指建立等級模糊子集與評價(jià)因素之間的模糊矩陣，再通過模糊變換原理對各指標(biāo)進(jìn)行綜合的方法。

3.1 評價(jià)指標(biāo)的確定

以岷縣的18個鄉(xiāng)鎮(zhèn)為評價(jià)單元，本文利用選取的6個評價(jià)指標(biāo)建立因素評價(jià)集。通過查閱2018年岷縣統(tǒng)計(jì)年鑒可以得到人口數(shù)量、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)面積、房屋面積和GDP值；通過BigMap可獲取空間分辨率為1.2 m的Google影像，再借助ArcGIS軟件，利用數(shù)字化手段統(tǒng)計(jì)林地和耕地面積以及公路里程數(shù)。由于不同等級的公路造價(jià)差別很大，在數(shù)字化公路時(shí)將其分為高速公路、國道、縣道、鄉(xiāng)道4個等級分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。設(shè)U={u1,u2,u3,u4,u5,u6}={人口密度，公路，林地，GDP，耕地，房屋}，各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。為了方便計(jì)算，需對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算公式為：

標(biāo)準(zhǔn)化處理后的結(jié)果如表3所示。

表2 各評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表3 歸一化后的各評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)

3.2 等級模糊子集的確定

本文將地質(zhì)災(zāi)害易損性分為4個等級，即評價(jià)等級論域V={v1,v2,v3,v4}={高易損性，中易損性，低易損性，極低易損性}。各指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 各評價(jià)指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)

3.3 模糊矩陣的確定

首先對因素集中的因素ui（i=1,2,…,6）作單因素評判；再從因素ui來判斷對等級vj（j=1,2,3,4）的隸屬度rij，即得到了因素ui的單因素評價(jià)集ri=（ri1,ri2,ri3,ri4）；然后將6個因素的評價(jià)集構(gòu)造一個總的評價(jià)矩陣R，即每個被評價(jià)對象均確定了從U到V的模糊矩陣。

判斷隸屬度rij時(shí)，本文采用降半梯形分布函數(shù)，對于因素ui（i=1,2,…,6），則有：

式中，Aj(x)為第j個等級的隸屬度；aj為第j個等級的下限；bj為第j個等級的上限。

3.4 因子權(quán)向量的確定

僅得到模糊矩陣尚不足以對易損性做出評價(jià)，評價(jià)指標(biāo)集中的各個指標(biāo)在“評價(jià)目標(biāo)”中有不同的地位和作用，即各評價(jià)指標(biāo)在綜合評價(jià)中占有不同的比重。引入一個模糊子集A=(a1,a2,a3,…,a7)，其中ai＞0，且和為1，稱為因子權(quán)向量，權(quán)重確定時(shí)采用層次分析法。指標(biāo)重要性如表5所示，并據(jù)此構(gòu)建判斷矩陣M。

表5 指標(biāo)重要性判斷

求得M的最大特征根λmax=6.14，偏離一致性指標(biāo)CI=0.028，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.24，隨機(jī)一致性比率CR=CI/RI=0.023＜0.1，滿足一致性檢驗(yàn)，此時(shí)λmax所對應(yīng)的特征向量即為權(quán)向量A=[0.35 0.12 0.04 0.09 0.23 0.18]。

3.5 模糊變換

評價(jià)矩陣R中的不同行反映了被評價(jià)事物從不同的單因素來看對各等級模糊子集的隸屬度程度。利用因子權(quán)向量A將不同的行進(jìn)行綜合，即可得到該被評價(jià)事物從總體上來看對各等級模糊子集的隸屬程度，引入一個模糊子集B=A×R=(b1,b2,b3,b4)，再根據(jù)最大隸屬度原則確定評價(jià)等級。

4 易損性評價(jià)結(jié)果

以岷陽鎮(zhèn)為例，首先根據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)，利用式（2）～式（5）計(jì)算得到的模糊矩陣R岷陽為：

然后進(jìn)行模糊合成，得到模糊子集B岷陽=A×R岷陽=[0.620 0 0.021 6 0.094 8 0.270 0]；最后根據(jù)最大隸屬度原則，將岷陽鎮(zhèn)易損性等級設(shè)置為1級，評價(jià)為高易損性。同理，可以得到岷縣其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)的模糊子集為：

表6 鄉(xiāng)鎮(zhèn)易損性等級

岷縣易損性評價(jià)結(jié)果如表7所示，可以看出，高易損性地區(qū)占研究區(qū)總面積的20.62%，中易損性地區(qū)占研究區(qū)總面積的19.90%，低易損性地區(qū)占研究區(qū)總面積的37.25%，極低易損性地區(qū)占研究區(qū)總面積的22.23%，高易損性和中易損性地區(qū)的面積之和超過了40 %。將易損性評價(jià)結(jié)果（表7）與地質(zhì)災(zāi)害歷史災(zāi)害點(diǎn)（圖1）進(jìn)行疊加分析可知，中易損性和高易損性地區(qū)中各類歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共192個，占災(zāi)害總數(shù)的50.53%。

表7 易損性評價(jià)結(jié)果

5 結(jié) 語

1）根據(jù)影響易損性評價(jià)的因素，結(jié)合指標(biāo)選取原則，本文選取了人口密度、房屋、公路、GDP、林地和耕地6個評價(jià)指標(biāo)，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本單元，利用模糊綜合評判法進(jìn)行易損性評價(jià)。結(jié)果表明，高易損性地區(qū)面積占比為20.62%，中易損性地區(qū)面積占比為19.90%，低易損性地區(qū)面積占比為37.25%，極低易損性地區(qū)面積占比為22.23%。中易損性和高易損性地區(qū)也是災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，制定防災(zāi)減災(zāi)策略時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮該區(qū)域。

2）模糊矩陣表示各指標(biāo)因子在不同等級上的隸屬度，利用因子權(quán)重模糊變換處理將因子的權(quán)重分配給相應(yīng)等級的隸屬度，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確。本著以人為本的理念，本文給人口密度賦予了較大權(quán)重，認(rèn)為該指標(biāo)相較于其他指標(biāo)更重要，因此人口密度對結(jié)果影響較大。不同區(qū)域可選擇不同的指標(biāo)，賦予不同的權(quán)重，也將得到不同的結(jié)果。本文方法思路清晰且易于實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用于區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)工作。