基于組合隸屬函數(shù)的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估方法研究

摘 要：由于現(xiàn)行方法在水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估中應(yīng)用效果不佳，評估偏差比較大，對基于組合隸屬函數(shù)的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估方法進(jìn)行研究。選擇地質(zhì)災(zāi)害類型、災(zāi)害規(guī)模、發(fā)生概率、影響范圍、危害程度、地質(zhì)環(huán)境條件、觸發(fā)因素和脆弱性作為指標(biāo)構(gòu)建危險性評估指標(biāo)體系，利用層次分析法對評估指標(biāo)賦權(quán)，采用組合隸屬函數(shù)對指標(biāo)綜合分析，量化水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性系數(shù)，確定危險等級，實現(xiàn)災(zāi)害危險性評估。經(jīng)試驗證明，設(shè)計方法評估偏差不超過0.01，可以實現(xiàn)對災(zāi)害危險性精準(zhǔn)評估，具有良好的可行性和適用性。

關(guān)鍵詞：組合隸屬函數(shù)；地質(zhì)災(zāi)害；指標(biāo)體系；層次分析法

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

我國地理條件復(fù)雜多樣，尤其是山地、丘陵地區(qū)及大江大河沿岸，水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，給社會帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患。因此，對水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行科學(xué)、系統(tǒng)的評估，具有重要的現(xiàn)實意義。隨著水利工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，尤其是大型水電站、水庫、堤防等工程的興建，對地質(zhì)環(huán)境的影響日益顯著。水利工程建設(shè)過程中的開挖、填筑、排水等活動，都可能改變地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文條件，進(jìn)而誘發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害。因此，在水利工程建設(shè)的前期階段，對地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行科學(xué)評估，是保障工程安全、預(yù)防災(zāi)害發(fā)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(zāi)害易發(fā)性和Newmark模型預(yù)測滑坡位移的原理，通過綜合地質(zhì)、地形等信息，量化評估地震引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)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(biāo)權(quán)重，結(jié)合信息量法量化各因子對災(zāi)害的貢獻(xiàn)，綜合評估地質(zhì)災(zāi)害危險程度。然而，盡管水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估方法取得了顯著進(jìn)展，但仍存在諸多不足，為此對基于組合隸屬函數(shù)的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估方法進(jìn)行研究具有重要意義。

1 構(gòu)建水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系

水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害類型：區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害類型，如滑坡、泥石流、地面沉降、崩塌等[3]。不同類型的地質(zhì)災(zāi)害具有不同的形成機(jī)理、影響因素和危害程度，對于不同類型地質(zhì)災(zāi)害類型，賦予不同的數(shù)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(zāi)害規(guī)模：地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模是影響其危險性的重要因素。規(guī)模較大的地質(zhì)災(zāi)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(zāi)害的潛在規(guī)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(fā)生概率：通過統(tǒng)計分析歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)、地質(zhì)環(huán)境條件、氣象條件等因素，可以預(yù)測未來地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率。

四是影響范圍：災(zāi)害發(fā)生時可能波及的區(qū)域。評估時需要考慮災(zāi)害的擴(kuò)散路徑、影響距離和可能受影響的對象（如建筑物、道路、農(nóng)田等）。

五是危害程度：災(zāi)害發(fā)生時可能造成的損失和傷害程度。評估時需要考慮災(zāi)害對人員安全、財產(chǎn)安全、生態(tài)環(huán)境等方面的影響。

六是地質(zhì)環(huán)境條件：考慮地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、水文地質(zhì)條件等因素評估地質(zhì)災(zāi)害。

七是觸發(fā)因素：能夠引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)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(qū)域內(nèi)可能受到地質(zhì)災(zāi)害影響的對象的脆弱性，評估其抵抗地質(zhì)災(zāi)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(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估指標(biāo)，危險性評價指標(biāo)體系如圖1所示。

根據(jù)圖1，指標(biāo)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(biāo)體系；V表示地質(zhì)災(zāi)害類型；M表示災(zāi)害規(guī)模；G表示影響范圍；K表示危害程度；L表示發(fā)生概率；X表示地質(zhì)環(huán)境條件；Z表示脆弱性；Q表示觸發(fā)因素。

2 確定指標(biāo)權(quán)重

考慮到每個指標(biāo)對水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)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(biāo)賦權(quán)，利用權(quán)重系數(shù)表征指標(biāo)對評估目標(biāo)的重要程度。層次分析法通過構(gòu)建層次化的組織結(jié)構(gòu)梳理這些子問題之間的關(guān)系，在具體實施的過程中，依據(jù)各指標(biāo)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)及其相互隸屬程度，將指標(biāo)按照不同的維度和層次進(jìn)行細(xì)致劃分與歸類，對劃分后的指標(biāo)相對重要性進(jìn)行量化評估[4]。通過構(gòu)建判斷矩陣，決策者需要對同一層次內(nèi)的各個因素進(jìn)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(jìn)行數(shù)學(xué)處理，提取其特征向量來近似表示各因素的權(quán)重分布，公式如下。

Wi=aij（2）

式（2）中，Wi表示評價指標(biāo)體系中第i個指標(biāo)權(quán)重系數(shù)；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(biāo)體系中所有指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估奠定基礎(chǔ)。

3 基于組合隸屬函數(shù)的危險性量化評估

利用組合隸屬函數(shù)對體系中各項指標(biāo)綜合分析，量化水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性。在評價體系的構(gòu)建中，由于評價目標(biāo)的多樣性，相應(yīng)的評價準(zhǔn)則也存在顯著的差異性。為了確保水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)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(biāo)準(zhǔn)等級，以量化形式清晰界定。

（3）

式（3）中，V表示水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估標(biāo)準(zhǔn)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(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性指數(shù)[6]。為了確保評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，確立合理的權(quán)重分配及指標(biāo)間的隸屬關(guān)系，采用組合隸屬函數(shù)對指標(biāo)綜合評價，通過構(gòu)建特定形狀的隸屬度函數(shù)（如中間型、梯形、鐘形、雙S形等）求解各指標(biāo)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(quán)重分配與指標(biāo)的組合隸屬函數(shù)值；m表示隸屬度函數(shù)種類；O表示組合隸屬函數(shù)集；rm表示第m個隸屬函數(shù)求解得到的函數(shù)值[7]。利用以上公式計算出各個指標(biāo)與權(quán)重分類的隸屬關(guān)系值，將其代入綜合評估函數(shù)中，計算出水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性指數(shù)，公式如下。

ε=pi·Wi·xi（5）

式（5）中，xi表示評估指標(biāo)值。將計算出的危險性指數(shù)代入公式（3），即可得到危險性等級，以此實現(xiàn)基于組合隸屬函數(shù)的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估。

4 試驗論證

4.1 試驗準(zhǔn)備與設(shè)計

為了驗證以上提出的基于組合隸屬函數(shù)的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估方法的性能，選擇7個地區(qū)作為試驗對象，收集了7個地區(qū)水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)信息，利用本研究設(shè)計方法對7個地區(qū)水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估，按照以上對評價指標(biāo)權(quán)重和隸屬度評價，隨機(jī)選取1個樣本，其危險性評估結(jié)果見表1。

為了凸顯本研究方法的優(yōu)勢，并且使此次研究具有一定的參考性和學(xué)術(shù)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(biāo)選擇配評估偏差，偏差=危險性指數(shù)評估值－實際危險性指數(shù)，偏差越大，則說明水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估精度越低，通過對比該項指標(biāo)，評價設(shè)計方法在水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估場景中的精準(zhǔn)度。

4.2 試驗結(jié)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(qū)的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行了評估，并將評估偏差結(jié)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(qū)的評估表現(xiàn)。

由表2中詳細(xì)列出的數(shù)據(jù)可以看出，各種設(shè)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(xiàn)了各方法在地質(zhì)災(zāi)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(qū)的評估中，其誤差值僅僅為0.001，這是一個極其微小的數(shù)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(shè)計的方法在本次試驗中展現(xiàn)出最小的偏差值，其準(zhǔn)確性顯著優(yōu)于其他兩種方法，偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它們的表現(xiàn)。這一結(jié)果不僅證明了本研究方法可以實現(xiàn)對災(zāi)害危險性精準(zhǔn)評估，具有良好的可行性和適用性，還進(jìn)一步彰顯了其在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

本研究深入探討了基于組合隸屬函數(shù)的水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害危險性評估方法，通過融合多種評估指標(biāo)和構(gòu)建科學(xué)的隸屬函數(shù)體系，提高了地質(zhì)災(zāi)害危險性評估的準(zhǔn)確性和可靠性。該研究不僅是對傳統(tǒng)評估方法的一次重要補(bǔ)充和創(chuàng)新，還是應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下水工環(huán)地質(zhì)災(zāi)害挑戰(zhàn)的有益嘗試。構(gòu)建組合隸屬函數(shù)，有效解決了單一評估指標(biāo)難以全面反映地質(zhì)災(zāi)害危險性的問題。組合隸屬函數(shù)能夠綜合考慮地質(zhì)、水文、環(huán)境等方面的因素，通過合理的權(quán)重分配和函數(shù)組合，實現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)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(xué)性和客觀性，還為工程建設(shè)和災(zāi)害防治提供了更為精準(zhǔn)的依據(jù)。未來，本研究的方法仍有進(jìn)一步拓展和優(yōu)化的空間。可以繼續(xù)深化對組合隸屬函數(shù)的研究，探索更多種類的隸屬函數(shù)及其組合方式，以適應(yīng)不同地區(qū)、不同類型地質(zhì)災(zāi)害的評估需求。通過引入先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具和算法，可以進(jìn)一步提升評估的精度和效率。隨著不斷深化研究，完善和優(yōu)化評估方法，為應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下的地質(zhì)災(zāi)害挑戰(zhàn)貢獻(xiàn)更大的力量。

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