基于確定性系數模型的地質災害論文范文

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1基于CF的因子量化

影響地質災害的因子紛繁復雜，描述方式多以定性、不統一的方式表達，不能直接進行數學計算，如工程地質巖組(如堅硬至軟弱薄層－層塊狀碎屑巖夾碳酸鹽巖巖組)，以離線定性表達形式存在;坡度(如25°)、年均雨量(如1000～1200mm)等，雖以連續形式存在，但數值量綱不同，所在區間不同，仍然不能直接進行數學計算。信息定量化統一表達是實現區域評價的難點和基礎。前人有的依據豐富的專家經驗分類分段賦值的方式實現因子量化［12］，也有的通過引入不確定性推理中的確定性系數模型(CF)實現因子量化。確定性系數模型(CF)是一個概率函數，最早由Shortliffe和Buchanan(1975)提出［13］，由Heckerman(1986)進行了改進［14］，用來分析影響某一事件發生的各因子的敏感性。蘭恒星將CF概率函數計算方法成功應用到區域性滑坡的因子敏感性分析之中［15］。CF函數，具體表示為。式中:PPa為事件(地質災害)在數據a類中發生的條件概率，應用時為數據類a中存在的地質災害個數與數據類a面積的比值;PPs為地質災害在整個研究區A中發生的先驗概率，可以表示為整個研究區的地質災害的個數與研究區面積的比值。CF的變化區間為。正值代表事件發生確定性的增長，即地質災害發生的確定性高，地質環境條件差;負值代表確定性的降低，即地質災害發生的確定性低，地質環境條件好;CF值接近于0，說明確定性居中，不能確定地質環境的優劣。采用確定性系數開展因子量化的基本假定是，在具備已知發生地質災害地區的相似環境條件時，未來本區的斜坡就有可能發生類似的地質災害。通過確定性系數函數，將地質災害各影響因子實現了同區間的定量化，該方法實現了復雜多因子數據的同區間定量化的問題，并可合并計算。

2多因子疊加確定權重法

確定性系數(CF)實現了地質災害各影響因子的定量化表達，從確定性系數(CF)函數公式(1)可見，某單元格的每個因子的CF值直接代表了該因子對地質災害多發與否的貢獻值。從該物理意義出發，通過各因子之間的CF值數學統計計算，就有可能因此確定各因子之間相對權重的大小。因此，本文通過各因子CF值疊加相減的方法，提出了一種權重確定方法，命名為基于CF的多因子疊加確定權重法。具體的計算方法和步驟如下:

2.1影響因子CF值疊加計算通過將參與區域評價的地質災害各影響因子逐一疊加計算，可以表達為參與合并計算的因子圖層對地質災害的綜合貢獻值。如果所有因子圖層均參與疊加計算，則得到的就是所有因子圖層的總貢獻;如果參與疊加計算的是其中的兩個因子，則結果即為這兩個因子的綜合貢獻。

2.2某影響因子CF值的貢獻計算當計算某因子圖層的CF值的貢獻時，可根據式(3)計算該圖層的CF值貢獻。此步驟計算中也可以排除重復因子的貢獻。

2.3計算各因子權重根據式(4)，計算每個因子的相對貢獻大小，最后經歸一化后得到各因子的權重。

3模型方法應用

國家級區域地質災害氣象預警第二代模型方法———顯式統計預警模型，是一種考慮地質環境變化與降雨參數等多因素迭加建立預警判據模型的方法。模型中將地質環境區域評價量化為“地質災害潛勢度”。根據式(6)，以10km×10km的網格進行剖分，分區開展地質災害潛勢度計算(圖1)，7個大區分別為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個縣市調查成果中崩滑流災害點(17萬多個)作為歷史災害點(圖2)，選取17個地質災害影響因子(表1)參與計算，分別為斷層斷裂、水系河流、年均雨量、年均氣溫、地震烈度、蒸發量、巖土體類型、第四系成因類型、水文地質類型、海拔高程、地形起伏、地貌類型、植被覆蓋類型、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模型(CF)實現因子的同區間量化，以C區的地形起伏因子和巖土體類型因子為例，兩個因子的分段及CF量化結果見圖3和圖4。

地形起伏度是影響斜坡穩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力狀態，控制著斜坡的穩定性。在C區(東南區)區域研究中，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，由圖3中CF值計算結果，該區域最有利于地質災害發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災害的發生。斜坡巖土體類型作為地質災害發生的物質基礎，是影響斜坡穩定的最重要因素，直接決定著斜坡巖土體的強度和應力分布，是變形破壞的基礎。根據C區(東南區)的地質環境特征，將巖土體類型因子分為火成巖、碎屑巖、變質巖、碳酸鹽巖、砂質土和其他土六類，由圖4中CF值計算結果，該區域最有利于地質災害發生的巖土體類型為火成巖(0.348)，其次為變質巖(0.106)。根據各因子CF量化結果，采用上節中“多因子疊加確定權重法”分區計算各影響因子權重見表2。由于選取因子較多(17個)，每個因子的權重相對較小，權重差偏小。17個因子的平均因子權重應為1/17，即0.06，因此當某個因子權重超過0.06時，可以認為該因子為地質災害的敏感因子。如地震烈度圖層在B區、C區、E區的權重最小，分別為0.02、0、0，而在D區的地震烈度權重較高(0.07)，F區的地震烈度權重較高(0.10)，B區和C區地形起伏因子的權重最高，分別為0.12和0.17，均符合經驗認識。將各區潛勢度的計算結果，與歷史災害點的分布情況進行對比分析，校驗潛勢度是否能夠體現地質環境的優劣程度，以C區(東南區)和D區(西南區)為例，見圖5和圖6，其中橫坐標為各網格單元的潛勢度值，縱坐標為各網格單元內的平均災害點密度。在各區范圍內，隨著潛勢度值從高向低，地質災害點的密度逐步減少，反映了地質災害潛勢度大的區域歷史災害點分布頻率大，地質災害潛勢度值小的區域，歷史災害點分布頻率少，即地質災害潛勢度值的大小能夠反映歷史地質災害點的多少，能夠反映地質背景環境條件的優劣。因此，驗證了基于CF的多因子疊加確定權重法的有效性和實用性。

4結論

本文提出了基于CF的多因子疊加確定權重法，并以區域地質災害氣象預警中地質災害潛勢度計算進行驗證。(1)區域地質災害評價研究中，影響地質災害的因子紛繁復雜，描述方式多以定性、不統一的方式表達，不能直接進行數學計算，可以通過引入不確定性推理中的確定性系數模型(CF)實現復雜多因子數據的同區間量化。(2)確定性系數(CF)實現了地質災害各影響因子的定量化表達，且每個因子的CF值直接代表了該因子對地質災害多發與否的貢獻值。從該物理意義出發，提出了基于CF的多因子疊加確定權重法。該方法可分三步完成:1)基于CF的地質災害各影響因子量化，使得各影響因子取值均介于0～1;2)所有影響因子逐級疊加計算，計算所有因子的相對貢獻值;除某計算因子外，其他所有影響因子的逐級疊加計算，得到除某計算因子外的其他所有因子的相對貢獻值;3)通過相減的方法，得到某計算因子的相對貢獻值，并歸一化處理得到該因子的權重。(3)通過區域地質災害氣象預警中地質環境指標(地質災害潛勢度)的計算，驗證了該方法的有效性和實用性。

作者：劉艷輝劉傳正唐燦溫銘生連建發單位：中國地質環境監測院國土資源部地質災害應急技術指導中中國科學院地質與地球物理研究所