基于物元可拓法的某库区地质灾害危险性评价

张加家,　张发明,　黄　宇

(1.河海大学 地球科学与工程学院, 南京 210098; 2.广西水利电力勘测设计研究院, 南宁 530023)



基于物元可拓法的某库区地质灾害危险性评价

张加家1,张发明1,黄宇2

(1.河海大学 地球科学与工程学院, 南京 210098; 2.广西水利电力勘测设计研究院, 南宁 530023)

为准确评价库区地质灾害危险性,基于物元可拓法的基本原理和计算步骤,以某水电站库区为例,选取地形坡度、地层岩性、地质构造、岸坡结构、水文地质条件、现有地质灾害分布、地质灾害危害对象为评价指标,并对每个评价指标分别进行归一量化。基于专家打分和层次分析法,确定各评价指标的权重,其中,地质灾害危害对象指标由专家直接赋值,以突出地质灾害危害性。将库区划分为2 000 m×2 000 m规格的基本评价单元,提取各单元数据,利用Excel和VBA编制评价程序,借助计算机批量评价库区全部单元的危险性等级。结果表明,采用物元可拓法进行库区地质灾害危险性评价是有效可行的。

地质灾害; 物元可拓法; 库区; 危险性评价

我国西南地区水能资源丰富,开发条件好,是水电工程建设的主要区域。近年来,由于清洁能源需求量增长强劲,在该地区新开工建设了一批大型、特大型水电工程,主要集中在金沙江、澜沧江、雅砻江、大渡河、岷江和怒江等流域。受该地区特殊地域、地质环境影响,水电建设面临诸多困难与挑战。伴随着第四纪青藏高原的快速隆升,这一地区受到强烈影响,不仅塑造了高山峡谷的基本地貌形态和河谷的演变历史,也决定了该地区地壳的内动力条件,新构造运动,地震活动规律,地壳浅表层改造,第四纪沉积、剥蚀及降雨分布,最终决定了我国西南地区与人类活动有关的基本地质环境。一方面,澜沧江、怒江、金沙江等河谷强烈快速下切,河谷两侧高陡边坡上大规模崩塌、滑坡屡有发生;另一方面,高地应力环境和活动断裂的出现,使地壳内动力条件异常活跃,地震频发,高地应力区由于深切卸荷形成的大型浅表生变形结构大量出现[1]。

受如此活跃的地壳及外动力因素影响,水电工程库区内滑坡、泥石流、山体崩塌等地质灾害频发,严重威胁水电枢纽的正常运转和人民群众生命财产安全。因此,合理准确地评价库区地质灾害危险性,对保障水电工程建设安全、运营正常及库区群众安居乐业具有重要意义。

物元可拓法始于20世纪80年代,由蔡文首次提出[2],是研究和处理各种矛盾问题的理论方法,贯穿于自然科学与社会科学。近30年来,物元可拓法已广泛应用于经济决策、管理控制、质量评价等诸多领域[3]。笔者主要探索其在某水电站库区地质灾害危险性评价中的应用。

1　物元可拓法

利用物元可拓法进行库区地质灾害危险性评价的基本思路是:首先将地质灾害危险性划分为四个等级(不危险、轻危险、较危险和危险),然后根据不同等级建立经典物元矩阵,基于获得的待评库区各评价指标建立节域矩阵,最后将评价指标代入各等级的矩阵中进行定量评价。若评价结果与某等级的关联度最大,则最接近于该等级[4]。

1.1待评物元

将所研究的库区地质灾害危险性记作M,危险性评价指标记作C,M关于C的量值记作V。这里,库区地质灾害危险性M、n个评价指标ci和对应的n个量值vi(i=1,2,…,n),称为有序三元组，R=(M,ci,vi)为n维物元[3-5],表示如下:

(1)

1.2经典域

根据物元理论,将各危险性评价等级关于每个评价指标所取的对应量值范围定义为经典域[5-6],记作R0j,

Roj=(M0j,ci,v0ji)=

(2)

式中:M0j——所确定的第j(j=1,2,…,m)个危险性评价等级;

v0ji——M0j关于评价指标ci的量值范围,v0ji=。

1.3节域

类似地,可以将危险性评价等级关于每个评价指标ci所取的对应量值范围定义为节域[5-6],记作Rp,

Rp=(P,ci,vpi)=

(3)

式中:P——库区地质灾害危险性评价等级的全体;

vp——P关于指标ci的量值范围,vpi=,对比经典域和节域的定义,可以得到v0ji⊆vpi。

1.4关联函数

关联函数[3]是表示被评价事物与某评价等级的隶属程度的函数,其数值即为关联度。针对不同性质的评价事物选用恰当的关联函数能够更好地体现隶属关系。文中选取的库区地质灾害危险性评价关联函数为

K0j(vi)——各评价指标vi关于各评价等级j的关联度。

1.5评价指标权重

权重ai反映各评价指标对于评价体系的重要程度,科学合理地确定各评价指标的权重将在很大程度上提高危险性评价结果的可靠性。常用的确定权重方法有熵值法、相关度法、直接法、层次分析法、比较矩阵法、环比评分法、模糊区间法、重要性排序法、二项系数加权和法、模糊子集法、交互式权系数调整法等。针对库区地质灾害危险性评价的特点,文中采用专家打分法和层次分析法计算权重ai。

1.6综合关联度与评价等级

综合关联度K0j(P)是待评库区单元的各评价指标关于每个评价等级j(i=1,2,…,m)的关联度K0j(vi)的加权值,表示如下:

(5)

综合关联度充分考虑了隶属关系和单项指标对整个危险性评价体系的影响,因此最后的评价结果更接近真实情况。

若

(6)

则将待评价库区单元P的地质灾害危险性评定为等级j。

2　工程实例

2.1水电站库区地质灾害概况

某水电站位于滇西澜沧江下游干流河段,主库长215 m。库区地貌属滇西纵谷山原区之中山峡谷亚区,总体地势北高南低,峰谷相对高差多大于1 000 m。库区河谷多呈“V”字型,岸坡坡度一般为30°～45°,局部大于45°,两岸冲沟发育,切割强烈。库区三大岩类均有出露,沉积岩主要为沉积碎屑岩夹少量碳酸盐岩;岩浆岩主要为华力西晚期至印支期花岗岩和玄武岩;变质岩以深变质的绢云母微晶片岩、石榴绿泥云英片岩为主。此外,河床、河漫滩、阶地、冲沟及库岸坡地带广泛分布有第四系堆积物。

受风化、卸荷及构造作用影响,库区地质灾害较发育,主要有滑坡、危岩、崩塌、泥石流等,其中,滑坡的分布范围广、危害性大,库区已发现较大规模的滑坡38个,一般在砂泥岩、花岗岩和变质岩分布区较发育。

2.2库区地质灾害危险性评价指标

与一般的区域地质灾害危险性评价方法有所不同,库区地质灾害危险性评价除分析地质灾害本身的易发性,还需评价地质灾害对水电站建筑物和库区居民点的危害性,即考虑易发性和危害性两方面的影响。结合前人研究成果和库区野外地质调查资料,选取地形坡度(c1)、地层岩性(c2)、地质构造(c3)、岸坡结构(c4)、水文地质条件(c5)、现有地质灾害分布(c6)、地质灾害危害对象(c7)七个评价指标,其中,除地质灾害危害对象属于地质灾害对生命财产的危害性范畴,其余均为地质灾害易发性影响因子。

此次评价采用四级分类评价体系,为方便综合评价,对各指标的量值进行归一化处理,得到各评价的量值范围(表1),再根据归一化指标确定库区地质灾害危险性评价分级标准(表2)。

表1库区地质灾害危险性评价指标量值范围

Table 1Range of evaluation indexes on geological hazard risk in reservoir region

表2　库区地质灾害危险性评价分级标准

Table 2Range of evaluation classification standards on geological hazard risk in reservoir region

评价指标评价分级标准不危险轻危险较危险危险c10.80～1.000.50～0.800.20～0.500～0.20c20.75～1.000.50～0.750.25～0.500～0.25c30.80～1.000.60～0.800.30～0.600～0.30c40.75～1.000.50～0.750.25～0.500～0.25c50.75～1.000.50～0.750.25～0.500～0.25c60.70～1.000.40～0.700.20～0.400～0.20c70.60～1.000.30～0.600.10～0.300～0.10

2.3各评价指标权重

库区内不同评价指标对地质灾害危险性评价的影响程度不一,确定评价指标和量值范围后,还需确定各评价指标的权重值。库区地质灾害评价,一方面关注地质灾害本身是否易发,另一方面也要评估地质灾害发生是否会对附近水电设施及居民生命财产造成损失,如果地质灾害即使发生,但造成的损失微乎其微,其危险性程度将大大降低。为突出地质灾害对居民点和工程建筑危害(地质灾害危害性)的重要性,首先采用专家打分法对地质灾害易发性和危害性两者权重进行赋值,权重值之和为1;然后,采用AHP层次分析法确定地质灾害易发性中的六个指标的权重[7]。通过专家打分法确定的地质灾害易发性和危害性权重分别为0.60和0.40,AHP层次分析法判断矩阵见表3。

表3地质灾害易发性指标权重AHP计算结果

Table 3Calculation of weights of geological hazard susceptibility evaluation indexes through AHP

评价指标c1c2c3c4c5c6WiWic11.000.502.000.501.500.500.760.10c22.001.004.001.003.001.001.700.24c30.500.251.000.250.750.250.420.06c42.001.004.001.003.001.001.700.24c50.670.331.330.331.000.330.570.08c62.003.004.001.003.001.002.040.28

显然,所构造的AHP判断矩阵为完全一致矩阵,计算所得权重值Wi(i=1,2,…,6)是合理有效的。

根据地质灾害易发性和危害性权重,可以计算七个评价指标的最终权重值ai,结果见表4。

表4库区地质灾害危险性评价指标权重

Table 4Weights of evaluation indexes on geological hazard in reservoir region

评价指标c1c2c3c4c5c6c7权重0.0640.1420.0350.1420.0470.1700.400

2.4待评物元

以澜沧江某水电站库区影像图为基础,根据库区面积选取2 000 m×2 000 m尺寸为评价单元,对每个单元中的所有单项评价指标分别量化赋值,最后得到待评物元集合。

2.5经典域和节域

根据表2,可得到物元可拓法的经典域R01、R02、R03、R04、R05和节域Rp,表达式如式(7)～(11)所示。

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

2.6危险性等级

利用Excel+VBA编制物元可拓法库区地质灾害危险性评价程序,将每个待评物元、经典域和节域数据按照格式写入表格中,然后调用程序对数据进行批量处理,即可得到待评单元的地质灾害危险性等级。如选取近坝库段某评价单元,得到物元矩阵

(12)

将数据文件导入程序,所得评价结果为三级,该单元地质灾害危险性等级为较危险,Excel评价界面如图1所示。

图1　Excel+VBA危险性评价程序界面

2.7评价结果

利用上述评价程序对全部库区单元进行评价,根据评价等级,分别在不同部位标注对应的危险性等级,最终形成库区地质灾害危险性评价分区图,部分效果见图2。

2.8评价效果验证

通过后期对库区地质灾害的野外调查,多数岸段的地质灾害评价结果符合实际,为生产单位采取防治措施提供了可靠的地质依据。

图2　库区地质灾害危险性评价部分效果

Fig. 2Part of geological hazard risk zoning map in reservoir

3　结束语

笔者以地形坡度、地层岩性、地质构造、岸坡结构、水文地质条件、现有地质灾害分布、地质灾害危害对象为评价指标,利用物元可拓法评价某库区地质灾害危险性。结果表明,采用物元可拓法进行库区地质灾害危险性评价是可行的,该方法具有计算过程简便、评价结果直观、利于编程实现等优点。当待评单元数目较多时,利用VBA等编程工具编制简单的评价程序,可以实现批量处理,极大地提高了工作效率。在确定库区地质灾害危险性评价指标权重时,单独对地质灾害危害对象指标赋权,可以突出地质灾害发生对工程设施和居民生命财产安全的影响,使评价结果更贴近生产实际,更具现实意义。

[1]黄润秋. 论中国西南地区水电开发工程地质问题及其研究对策[J]. 地质灾害与环境保护, 2002, 13(1): 1-5.

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[3]叶勇, 迟宝明, 施枫芝, 等. 物元可拓法在地下水环境质量评价中的应用[J]. 水土保持研究, 2007, 14(2): 52-54.

[4]尚敏, 陈剑平, 王征亮, 等. 向家河大桥库岸地质灾害危险性分区的可拓学评价[J]. 岩土力学, 2007, 28(11): 2445-2450.

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[6]黄祥志, 佘成学. 基于可拓理论的围岩稳定分类方法的研究[J]. 岩土力学, 2006, 27(10): 1800-1804, 1814.

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(编辑荀海鑫)

Geological hazard risk evaluation based on matter-element extension in hydropower station reservoir region

ZHANGJiajia1,ZHANGFaming1,HUANGYu2

(1.School of Earth Science & Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2.Guangxi Water & Power Design Institute, Nanning 530023, China)

Aimed at an accurate evaluation of geological hazard risk in a reservoir region, this paper, based on the basic theory and calculation steps of matter-element extension and exemplified by a hydropower station reservoir area, introduces the determination and normalization of 7 evaluation indexes, such as slope gradient, formation lithology, geological structure, bank slope structure, hydrogeological condition, existing geological hazard, and objects exposed to geological hazard. The determination and normalization involve the expert estimation and AHP to determine the weights of these evaluation indexes, in the course of which, the experts’ direct assignment of object indexes of geological hazard underscores the geological hazard risk. The process consists of dividing the reservoir region into a grid of 2 000 m×2 000 m element, processing every element data, developing the evaluation program by Excel with VBA, and performing the batch evaluation of the risk level of whole unit in the reservoir region using computers. The result verifies the feasible and effective use of matter-element extension in geological hazard risk evaluation in the hydropower station reservoir.

geological hazard; matter-element extension; reservoir region; risk evaluation

2013-04-01;

2013-07-15

张加家(1990-),男,江苏省宿豫人,硕士,研究方向:岩体结构与工程稳定,E-mail:blackblue@vip.qq.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.021

P642.22

1671-0118(2013)05-0491-05

A