基于組合隸屬函數的水工環地質災害危險性評估方法研究

摘 要：由于現行方法在水工環地質災害危險性評估中應用效果不佳，評估偏差比較大，對基于組合隸屬函數的水工環地質災害危險性評估方法進行研究。選擇地質災害類型、災害規模、發生概率、影響范圍、危害程度、地質環境條件、觸發因素和脆弱性作為指標構建危險性評估指標體系，利用層次分析法對評估指標賦權，采用組合隸屬函數對指標綜合分析，量化水工環地質災害危險性系數，確定危險等級，實現災害危險性評估。經試驗證明，設計方法評估偏差不超過0.01，可以實現對災害危險性精準評估，具有良好的可行性和適用性。

關鍵詞：組合隸屬函數；地質災害；指標體系；層次分析法

中圖分類號：P694 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）11–0-03

我國地理條件復雜多樣，尤其是山地、丘陵地區及大江大河沿岸，水工環地質災害頻發，給社會帶來了巨大的經濟損失和安全隱患。因此，對水工環地質災害危險性進行科學、系統的評估，具有重要的現實意義。隨著水利工程建設的不斷推進，尤其是大型水電站、水庫、堤防等工程的興建，對地質環境的影響日益顯著。水利工程建設過程中的開挖、填筑、排水等活動，都可能改變地質結構和水文條件，進而誘發或加劇地質災害。因此，在水利工程建設的前期階段，對地質災害危險性進行科學評估，是保障工程安全、預防災害發生的重要手段。

任正情等[1]提出了基于信息量和Newmark模型的評估方法，融合了信息量法評估地震災害易發性和Newmark模型預測滑坡位移的原理，通過綜合地質、地形等信息，量化評估地震引發的地質災害危險程度。杜銀山等[2]提出了基于AHP—信息量法的評估方法，利用層次分析法（AHP）確定評價指標權重，結合信息量法量化各因子對災害的貢獻，綜合評估地質災害危險程度。然而，盡管水工環地質災害危險性評估方法取得了顯著進展，但仍存在諸多不足，為此對基于組合隸屬函數的水工環地質災害危險性評估方法進行研究具有重要意義。

1 構建水工環地質災害危險性評價指標體系

水工環地質災害危險性受到多方面影響，具體包含以下8個因素。

一是地質災害類型：區域內可能發生的地質災害類型，如滑坡、泥石流、地面沉降、崩塌等[3]。不同類型的地質災害具有不同的形成機理、影響因素和危害程度，對于不同類型地質災害類型，賦予不同的數值，滑坡用1表示，泥石流用2表示，地面沉降用3表示，崩塌用4表示。

二是災害規模：地質災害的規模是影響其危險性的重要因素。規模較大的地質災害往往具有更大的破壞力和更廣的影響范圍。評估時需要考慮災害的潛在規模，包括滑坡體的體積、泥石流的流量和流速、地面沉降的面積和深度等。

三是發生概率：通過統計分析歷史災害數據、地質環境條件、氣象條件等因素，可以預測未來地質災害的發生概率。

四是影響范圍：災害發生時可能波及的區域。評估時需要考慮災害的擴散路徑、影響距離和可能受影響的對象（如建筑物、道路、農田等）。

五是危害程度：災害發生時可能造成的損失和傷害程度。評估時需要考慮災害對人員安全、財產安全、生態環境等方面的影響。

六是地質環境條件：考慮地形地貌、地質構造、巖性、水文地質條件等因素評估地質災害。

七是觸發因素：能夠引發地質災害發生的外部條件，如降雨、地震、人類活動等。

八是脆弱性：對評估區域內可能受到地質災害影響的對象的脆弱性，評估其抵抗地質災害的能力和可能遭受的損失程度。將以上8個因素作為水工環地質災害危險性評估指標，危險性評價指標體系如圖1所示。

根據圖1，指標體系用公式（1）表示。

H={V，M，G，K，L，X，Z，Q}（1）

式（1）中，H表示指標體系；V表示地質災害類型；M表示災害規模；G表示影響范圍；K表示危害程度；L表示發生概率；X表示地質環境條件；Z表示脆弱性；Q表示觸發因素。

2 確定指標權重

考慮到每個指標對水工環地質災害危險性的影響程度不同，為了保證評估精度，采用層次分析法對指標賦權，利用權重系數表征指標對評估目標的重要程度。層次分析法通過構建層次化的組織結構梳理這些子問題之間的關系，在具體實施的過程中，依據各指標之間的內在邏輯關聯及其相互隸屬程度，將指標按照不同的維度和層次進行細致劃分與歸類，對劃分后的指標相對重要性進行量化評估[4]。通過構建判斷矩陣，決策者需要對同一層次內的各個因素進行兩兩比較，以判斷其相對重要性，矩陣中的每個元素都代表兩個因素之間的相對重要性比值，采用特征向量法，即通過對判斷矩陣進行數學處理，提取其特征向量來近似表示各因素的權重分布，公式如下。

Wi=aij（2）

式（2）中，Wi表示評價指標體系中第i個指標權重系數；aij表示判斷矩陣中元素ai相對于元素aj的重要程度；aij表示判斷矩陣的特征向量[5]。利用以上公式計算出指標體系中所有指標的權重系數，為后續地質災害危險性評估奠定基礎。

3 基于組合隸屬函數的危險性量化評估

利用組合隸屬函數對體系中各項指標綜合分析，量化水工環地質災害危險性。在評價體系的構建中，由于評價目標的多樣性，相應的評價準則也存在顯著的差異性。為了確保水工環地質災害危險性評估過程的針對性和有效性，將其劃分為3個層次化的標準等級，以量化形式清晰界定。

（3）

式（3）中，V表示水工環地質災害危險性評估標準等級；C表示低危險；A表示中等危險；N表示高危險；ε表示水工環地質災害危險性指數[6]。為了確保評價結果的準確性和科學性，確立合理的權重分配及指標間的隸屬關系，采用組合隸屬函數對指標綜合評價，通過構建特定形狀的隸屬度函數（如中間型、梯形、鐘形、雙S形等）求解各指標對于不同評價等級的隸屬程度，公式如下。

p=Wirm（4）

式（4）中，p表示權重分配與指標的組合隸屬函數值；m表示隸屬度函數種類；O表示組合隸屬函數集；rm表示第m個隸屬函數求解得到的函數值[7]。利用以上公式計算出各個指標與權重分類的隸屬關系值，將其代入綜合評估函數中，計算出水工環地質災害危險性指數，公式如下。

ε=pi·Wi·xi（5）

式（5）中，xi表示評估指標值。將計算出的危險性指數代入公式（3），即可得到危險性等級，以此實現基于組合隸屬函數的水工環地質災害危險性評估。

4 試驗論證

4.1 試驗準備與設計

為了驗證以上提出的基于組合隸屬函數的水工環地質災害危險性評估方法的性能，選擇7個地區作為試驗對象，收集了7個地區水工環地質災害數據信息，利用本研究設計方法對7個地區水工環地質災害危險性評估，按照以上對評價指標權重和隸屬度評價，隨機選取1個樣本，其危險性評估結果見表1。

為了凸顯本研究方法的優勢，并且使此次研究具有一定的參考性和學術性價值，將本研究方法與任正情等提出的基于信息量和Newmark模型的評估方法，以及杜銀山等提出的基于AHP—信息量法的評估方法對比，對比指標選擇配評估偏差，偏差=危險性指數評估值－實際危險性指數，偏差越大，則說明水工環地質災害危險性評估精度越低，通過對比該項指標，評價設計方法在水工環地質災害危險性評估場景中的精準度。

4.2 試驗結果與討論

在此次試驗中，本實驗采用了三種不同的方法對7個地區的水工環地質災害危險性進行了評估，并將評估偏差結果匯總于表2中。通過對比分析，可以看到每種方法在各個地區的評估表現。

由表2中詳細列出的數據可以看出，各種設計方法的評估偏差均保持在極低的水平，均未超過0.01的閾值，這體現了各方法在地質災害評估中的高精度要求。值得一提的是，本研究所提出的方法在對第5地區的評估中，其誤差值僅僅為0.001，這是一個極其微小的數值，幾乎可以忽略不計。與基于信息量和Newmark模型的評估方法以及基于AHP—信息量法的評估方法相比，本研究設計的方法在本次試驗中展現出最小的偏差值，其準確性顯著優于其他兩種方法，偏差遠遠低于它們的表現。這一結果不僅證明了本研究方法可以實現對災害危險性精準評估，具有良好的可行性和適用性，還進一步彰顯了其在地質災害風險評估領域的潛在應用價值。

5 結束語

本研究深入探討了基于組合隸屬函數的水工環地質災害危險性評估方法，通過融合多種評估指標和構建科學的隸屬函數體系，提高了地質災害危險性評估的準確性和可靠性。該研究不僅是對傳統評估方法的一次重要補充和創新，還是應對復雜地質環境條件下水工環地質災害挑戰的有益嘗試。構建組合隸屬函數，有效解決了單一評估指標難以全面反映地質災害危險性的問題。組合隸屬函數能夠綜合考慮地質、水文、環境等方面的因素，通過合理的權重分配和函數組合，實現對地質災害危險性的全面、量化評估。這種方法不僅提高了評估的科學性和客觀性，還為工程建設和災害防治提供了更為精準的依據。未來，本研究的方法仍有進一步拓展和優化的空間。可以繼續深化對組合隸屬函數的研究，探索更多種類的隸屬函數及其組合方式，以適應不同地區、不同類型地質災害的評估需求。通過引入先進的數學工具和算法，可以進一步提升評估的精度和效率。隨著不斷深化研究，完善和優化評估方法，為應對復雜地質環境條件下的地質災害挑戰貢獻更大的力量。

參考文獻

[1] 任正情，劉傳奇，陳成名，等.基于信息量和Newmark模型的地震地質災害危險性評價：以安徽省六安市霍山縣落兒嶺地區為例[J].安徽地質，2023，33（4）：292-297.

[2] 杜銀山，王雅寧.基于AHP-信息量法的懷柔區琉璃廟鎮地質災害危險性評價[J].科技創新與應用，2024，14（19）：103-106.

[3] 李天珍.甘肅省某能源項目工程地質災害危險性評估及防治措施研究[J].工程技術研究，2024，9（10）：171-173.

[4] 賈彬譽，李宇翔.基于信息量法和GIS技術的竹山縣上庸鎮滑坡地質災害危險性評價研究[J].北方交通，2024（4）：41 -44，48.

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[7] 于開寧，吳濤，魏愛華，等.基于AHP-突變理論組合模型的地質災害危險性評價：以河北平山縣為例[J].中國地質災害與防治學報，2023，34（2）：146-155.