基于模糊数学法评价滇西保山地区麻榔河泥石流沟的危险性.pdf

第 3 1 卷第 2 3期 2 0 1 2年 3月 地质通报 GE0LoGI CAL BU L LETI N OF CHI NA Vo1 31 N o s 2 3 M a r ， 2 01 2 基于模糊数学法评价滇西保 山地区麻榔河 泥石流沟的危险性 杨 艳 ， 张绪教 ， 叶培 盛 ， 胡 Y A NG Ya n ， Z HA NG Xu - j i a o ， Y E 悦 ， 吴 中海 2 Pe is h e ng 2 ， H U Yu e ， W U Zh o n gh a i 1 中国地质大学地球科 学与资源学院， 北京 1 0 0 0 8 3 ； 2 中国地质科 学院 地质 力学研究所 ， 北京 1 0 0 0 8 1 1 F a c u h y o fE a r t h S c ie n c e a n d R e s o u r c e s ， C h in a U n i v e r s i t y ofG e o s c ie n c e s ， B e o i n g 1 0 0 0 8 3 , C h i n a ,“ 2 I n s t i t u t e o fG e o me c h a n i c s ， C h i n e s e Ac a d e m y o fG e o l o g i c a l S c ie n c e s ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 ， C h i n a 摘要 ： 通过野外 实地调查云 南省保 山市怒 江东岸麻榔 河泥石流的发育特征 ， 并对其 洪积 物进行 光释 光( OS L ) 测年 ， 认 为是 一个 年轻的泥石流沟 ， 危 险性较大。 在 此基础上 ， 依据 泥石 流发 生的影响 因素具有复杂性 和模糊性 的特点 ， 采 用模糊数 学法对其危险 性进行综合评判。选取 7个因子作为泥石流危险度 评价 的主要 关联 因子 ， 评价 结果 与野外调查的 实际情况相符 ， 属于 中度危 险 ( ) 同时指 出了评价过程 中的 2个关键 点： 建立权 重集和确 定隶属度 。建立权重集的方法采 用“ 理想点” 的距 离之和极 小化 为 目标来优化确定 ， 隶属度利用半梯 形分布模 型原理设计隶属函数来 实现。 经过反复的 实验 计算， 证 实此方法可操作性 强， 结果更 符 合 实 际。 关键词 ： 模糊数 学； 麻榔 河泥石流 ； 危险度评价 ； 滇西 中图分类号 ： P 6 4 2 2 3 文献标志码 ： A 文章编号： 1 6 7 1 2 5 5 2 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 3 0 3 5 1 - 0 5 Ya n g Y， Zh a n g X J , Ye P S， Hu Y , W u Z H F u z z y c o mp r e h e n s iv e e v a l u a ti o n f o r r i s k a s s e s s me n t o f t h e M a l a n g h e d e b r i s flo w g u l l y in B a o s h a n a r e a ， w e s t e r n Y u n n a n P r o v in c e G e o l o g i c a l B u l l e t in o f C h in a , 2 0 1 2 ， 3 1 ( 2 3 ) ： 3 5 1 - 3 5 5 Ab s t r a c t ： T h r o u g h i n v e s tig a t i o n o f t h e c h a r a c t e ris tic s o f t h e Mal a n g h e d e b r i s fl o w o n t h e e a s t b a n k o f t h e Nu j ia n g Ri v e r i n B a o s h a n Cit y ， Yu n n a n P r o v in c e ， a n d d e t e r min a t io n o f t h e a g e o f t h e d i l u v iu m b y OS L ， t h is p a p e r h o l d s t h a t the d e b ri s fl o w g l l y is y o u n g a n d da ng e r o us Ac c o r d ing t O t h e c omp l e x it y a nd r an do mne s s o f s pe c ific c t or s whi c h c o nt r o l a n d a ffe c t t he da ng e r o us d e g r e e o f the d e bri s fl o ws ，t h e f u z z y c o mp r e h e n s iv e e v a l u a ti o n wa s a d o p t e d t O e v a l u a t e t h et al n e s s o f t h e d e b ri s fl o wI n t h is p a p e r ， s e v e n f a c t o r s we r e c h os e n a s t h e ma in r e l e v a nt f a c t o r s The e v a l u a ti o n r e s u l t is t he s a m e a N t ha t o f t he fi e l d inv e s ti g a ti o n，a n d t h e f a t a l ne s s is in t he de g r e e o f mo d e r a t e r is k ( 1 1 I ) T wo k e y p o i n t s i n t h e e v a l u a tio n p r o c e s s a r e p o i n t e d o u t in t hi s p a p e r ， i e ， t h e e s t a b l is h me n t o f t h e w e i g h t s e t s a n d t h e d e t e r min a t io n o f t h e d e g r e e o f m e mb e r s hi p Th e first p o in t is a c h ie v e d a n d o p ti miz e d b y min imiz in g t h e d is t a n c e s u mma t io n b e t we e n“ id e a l p o in t s ” ；a n d t h e s e c o n d is imp l e m e n t e d t h r o u g h t h e m e mb e rs h ip f u n c ti o n d e s ig n e d o n t h e b a s is o f t h e h a l f t r a p e z o id d is t r ib u ti o n mo d e 1 Re p e a t e d e x p e ri me n t s h a v e c o n fir m e d t h a t t h is me t h o d is wo r k a b l e an d mo r e p r a c ti c al t h a n o t h e r me t h o d s Ke y wo r ds ： f u z z y c o mpr e he ns iv e e v alu a ti o n；M ala ng h e de bri s fl ow； r is k ass e s s me nt ； we s t e rn Yu nn an Pr ov inc e 模糊综合评判法是模糊数学的一个分支 ，应用 非常广泛【1 _ 。其核心思想是利用参数之间的双重不 确定性替代数学假设基础上的解析关系，选定主要 关联因子后 。对判断的事物进行综合评价的一种方 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 5 1 0 ； 修订 日期 ： 2 0 1 1 -1 2 - 3 0 资助项目 ： 中国地质 调查局项 目 云南 1 ： 5万马厂 幅、 道街 坝幅区域地质调查 ( 编号 ： 1 2 1 2 0 1 0 7 8 4 0 0 4 ) 和 泛亚铁路大理至瑞丽沿线地质 构造综合研究 ( 编号 ： 1 2 1 2 0 1 0 8 1 4 0 5 4 ) 作者简介 ： 杨艳 ( 1 9 8 2 一) ， 女 ， 在读博士 ， 从事生态地质学研究。E ma i l ： l y _ y a n g y a n 1 6 3 c o in 通讯作者 ： 张绪教 ( 1 9 6 4 一) ， 男 ， 博士 ， 副教授 ， 从事地貌与第 四纪地质 、 新构造运动的教学 与科研工作 。E - ma il ： z h a n g x j c u g b e d u C n 3 5 2 她质通报 G EO LO GI C AL BU L LET I N O F C HI NA 2 0 1 2年 法 。这种方法被广泛地用在旅游 、 军事 、 经济、 工业、 比赛等诸多领域 ， 目前被许多研究者应用在地质 灾 害的危险性评价 中 6 - 9 ， 其中在滑坡评价中应用得 较多。结果表明该方法具有较好的适用性 。 目前泥石流评价主要考虑影 响泥石流的因素 然后按统一 的标准进行打分 ，对照标准确定泥石流 的危险性【 f 0 _ 。由于打分具有很强的主观性 ， 无统一 的打分标准 。故泥石流之 问无可比性 。从 1 9 6 5年 Z a d d e h L 发表 模糊集论 后 ， 陆续 有学者开始用模 糊数学方法处理风险问题 ， 1 9 9 8年鞠鲁奥确定 了模 糊风险评价的法则， 之后随着科技的进步和发展 。 自然灾害的评估在理论和实践方面都取得了一定的 成 果 。 考虑影响泥石流发生的因素具有复杂性和随机 性的特点 采用模糊数学评判法对云南省保 山市怒 江东岸麻榔河泥石流的危险度进行评价，以预测其 发展趋势 ， 为防灾减灾提供科学依据。 云南省保山市怒江两岸地质灾害频发 ，许多学 者从不同的角度对其进行 了研究 ，大多侧重于区域 性的区划分析 ， 取得了一定的成果 1 5 1 q ， 但对于泥石 流的危险性评价报道得 比较少 。本文选择怒江东岸 具有代表性的麻榔河泥石流沟作为研究对象 ，野外 调查发现 ， 该泥石流沟正在发育 ， 且危险性较大 ， 常 常冲毁道路 ， 影响交通。 1 麻榔河泥石流沟 的特征和成灾条件 麻榔河泥石流沟( 图 1 ) 位于云南省保 山市怒江 东岸珀当村北 ，泥石流属于典型的山坡型中型泥石 流 ， 沟内洪积阶地发育 ， 沟 口北侧 自然出露洪积物剖 面， 沟壁很陡， 达 7 0 o ， 出露老的砾石层 ， 坡高 4 m， 陡 坡坡脚由于崩塌作用形成倒石堆，为泥石流的形成 提供了丰富的物源。沟 口南侧陡壁高 6 5 m， 有粗大 的砾石层 砾石定向性差 ， 细的砾石层有一定的定向 性 ， 磨圆较好 ， 反映泥石流沟发育具有间歇性 。在沟 北侧剖面的洪积物中取样测年 ，经 中国地震局地壳 应力研究所新年代学实验室在 Da y b r e a k 2 2 0 0仪器 上完成光释光 ( OS L ) 测年( 赵俊香 2 0 0 9 ) ， 可信度较 高 。 OS L测年结果为 1 0 1 5 k a O 3 4 k a B P ，结合野外 观测洪积物的胶结程度 、风化强度 ，推测全新世以 来 ， 距今 1 0 0 k a 发生 了一次规模较大的泥石流， 并且 现在仍处于活跃期。 麻榔河泥石流沟为年轻的泥石流沟 ，从以往泥 石流发生的频率看， 属高频泥石流沟 。 性质为稀性泥 石流 ， 汇水面积大， 流通 区纵降 比大 ， 堆积区开阔。 在 暴雨条件下 ，激发产生大规模泥石流灾害的危险性 大大增加。泥石流沟的成灾条件叙述如下 。 ( 1 ) 地形地貌条件 麻榔河泥石流沟地形总体上属于构造剥蚀 中切 割 中低 山丘陵地形 。沟顶标 高 1 2 1 4 m沟底标 高 9 5 4 m，高差 2 6 0 m，泥石流一次冲出方量约为 0 9 1 0 4 m3 ， 切割深度 5 0 0 - 1 0 0 0 m， 山脊呈猪背状 ， 河谷稍 开阔。 河谷断面多数仍显示 v字形 ， 谷底宽缓 ， 宽度 大于 1 5 0 m； 两侧岸坡度 3 0 5 0 o ， 局部 出现陡崖 ， 近 直 立 。 麻榔河泥石流沟流域形态汇水区、 流通区、 堆积 区分区明显( 图 2 ) 。 汇水区面积达 1 1 9 3 4 8 5 9 m ， 整个 沟域 内总纵降比为 1 0 6 4 ，流通区纵降 比最大 ， 为 1 3 ， 从上游 向下游沟道逐渐变缓 ， 至流通 区沟道纵 坡降为 5 3 5 ，泥石流出沟 口后呈喇叭状一直延伸 到潞江 ， 致使此段现代怒江变窄 ， 向西迁移。 ( 2 ) 流域水源条件 区内气候温和 ，兼具大陆性气候和海洋性气候 的特点 ， 既受北上海洋性季风的控制 ， 也受 内陆青藏 高原南下气流的影响。 低纬度、 高海拔和复杂多样的 地形地貌 ， 使研究区气候“ 一山分四季 ， 十里不同天” 的特征明显 。 全区多年平均气温 1 5 9 C 极端最高气 温 3 2 3 C， 最低气温- 3 5 。 麻榔河泥石 流沟 中常年有水 径流 主要 接受 大气降水和地下水的补 给 ， 支流发育 ， 水 系呈树枝 状 ， 沟北侧 支流多余南侧 ， 无常年 流水 。 多属 于季 节性冲沟。 全区多年平均降雨量 9 6 6 5 mm，多年平均降雨 1 3 数 1 8 7 d ， 降雨变差系数 C 值为 0 1 6 ， 多年平均蒸 发量 1 6 1 1 1 m m， 平均相对湿度 7 5 。研究区降雨大 多集中在 5 1 0月 ， 大雨 、 暴雨较多。 高强度的降雨成 为引发泥石流的重要因素 。为泥石流暴发提供 了充 分 的水源条件。 ( 3 ) 松散物源条件 麻 榔河 泥石 流 沟发 育 于侏 罗 系 中统 勐 戛 组 ( J 2 m) 、 柳 湾 组 ( J 2 1 ) 中 ， 两 侧坡 积 层 较 厚 ， 主 要 分 布第 四系残坡积层 ，结构较 松散 ，植被 发育 ， 常 见 滑坡 、 崩 塌 ( 图 3 ) 、 不 稳定 斜坡 等 外力 地 质 灾 害 为 泥石流 的发 育提供 了大量的潜在 的松散 固 体物 源 。 3 5 4 地 质通 报 GEO L OGI C AL B UL L E T I N oF C HI NA 2 0 1 2年 权重集的选取直接影 响评判的准确与奄 ， 模糊 数学评判的权重集研究直到现在没有统一的数学方 法 大部分都根据经验主观确定或通过专家打分确 定。本文选用“ 理想点” 的距离之和极小化为 目标 ， 优化确定权重集的方法堋。其公式表示为 ： M ) = e E (x 一 “ ) 8 ( 1 ) 其 中， t t = 表示第 i个 因素时的分布函数对称轴 n一 1 参数 M ； = ! ， 通常可取 0 0 5 k O 2 。 l 厂 据以上建立 的优化模型 。 利用复合形法进行优 化计算 ， 优化精度为 1 0 ， 优化后得到的权重集为 ： A= O 2 8 6 ， 0 1 1 9 ， O 1 4 3 ， 0 0 7 1 ， O 1 6 7 ， O 1 4 2 ， 0 2 3 8 2 3 确定 评价 集和 隶属 度 参照参考文献 7 中对泥石流危 险度 的分级标 准 ， 将泥石流划分为 4 个等级 ： 无危险 、 轻度危险、 中 度危险、 高度危险 ， 即 = ( V ， ： ， ， V ) ， 来建立麻榔 河泥石流沟的评价集 ， 评价标准见表 2 。 隶属度 的确定是模糊综合评价的关键 ， 目前 还没有统一 的公式 。本文采用隶属度函数 的模型 ， 建立此模 型需要一定的技巧和判别 ，需要反复多 次的修改 。在此利用半梯形分布模型原理设计隶 属 函数 。 根据各因素 的评价标准 ， 设计隶属 函数 如公 式 ( 2 ) ： y = 一 1 , C i S 1 c ， l 0， C 1 水 ffi -一 S 二 ,&C i l 0 ， S 3 f 0， 。 书 二 譬 1 0 ，C S 4 f 0 S y 水 C i- v , -t ， - a I 1 ， 4 c S ( 2) 式 中， S为评价集 的上下界线 ； G为各 因子实际值。 2 4 构 造 模糊评 判 矩阵 由麻榔河泥石流危险性评价各因子的实际取值 ( 表 1 ) 和隶属度函数公式 ( 2 ) 计算 ， 可求得评价因素 表 2各 因 子评 价 标 准 Ta b l e 2 El e v a t io n s t a n d a r d o f f a c t o r s 、 ， r J 一 一 、 ， L ， J、， Lr ， J 第 3 1 卷 第 2 3期 杨艳等 ： 基于模糊数学法评价滇西保山地区麻榔河泥石流沟 的危险性 3 5 5 对评价集 的隶属度 ， 从而建立泥石流危险度评 价模糊评判矩阵 R。 R= 1 0 0 0 0 7 0 0 9 2 O O 0 0 0 0 9 4 7 0 O 0 0 0 1 8 0 0 0 6 0 0 9 7 0 O 3 0 0 9 0 91 0 0 0 9 0 0 8 0 2 2 5 危 险度 综合判 别 将 A、 集合带 人危 险度综 合评判 集 B- A x R 中， 得到危险度综合评判集为： B = Ax R= 0 2 8 6 ， 0 2 7 4 ， 0 3 0 5 ， 2 2 0 2 根据最大隶属度 的原则 。麻榔河 泥石流沟 的 危险度基本上处于第 3级 ， 也就是中度危险 ， 这与 麻榔河泥石流沟 的实际情况相符 。按照 “ 贴近度 ” 原则 ， 根 据最大隶 属值 ， 左侧 大于 右侧 。 说 明危 险 度靠近轻度危险 。但 是 。 应注意避免人为因素 的影 响 以免人为影响为泥石流发生提供条件 ， 使其 发 生的可能性增大。 3 结论 ( 1 ) 在运用模糊评判法对 泥石流进行危险性评 价的过程 中， 应注意 2 个关键点 ： 权重集的建立和隶 属度的计算。 本文采用 “ 理想点” 的距离之和极小化 为 目标来优化确定权重集的方法进行计算 ，利用半 梯形分布模型原理设计隶属 函数 。比以往的专家打 分法更贴合实际 ， 经过反复的实验计算 ， 证明其可操 作性强 ， 适应性更好。 ( 2 ) 经过模糊评判法进行评价 ， 麻榔河泥石流沟 是正在发育的泥石流沟 ， 为中度危险( ) ， 与野外调 查 的结果一致 泥石流常冲毁公路 ， 影 响交通 ， 危险 性较大。此结果对认识麻榔河泥石流沟的发展趋势 和进行灾害防治提供了科学依据。 ( 3 ) 该区域正在修筑大理一瑞丽铁路， 在设计和 施工过程中经过此区域时，应注意泥石流对工程的 危胁 ， 同时避免人为因素增加泥石流发生的可能性 ， 应对此泥石流沟采取适 当的监测措施 。 致 谢 ：该研 究成 果 为地质 灾害研 究专题 小组 集 体 劳动的结晶， 对参与野外工作的其他成 员李宗敏、 陈洁、 张晋结等表示谢意。 参 考文 献 1 】 陈伟模糊数学在数学建模 中的应NIJ 数学的实践与认识， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 4 ) ：2 2 韩 国才， 澈丽木格模糊数学法在水环境质量评 价中的应用D 1 南水 北调与水利科技， 2 0 0 8 ， 6 ( 5 ) ： 1 0 0 1 0 4 【 3 张凤 玲， 王铁 基于 A HP和模糊 数学的旅游 景观生态环境 评价 l 中国管理信息化， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 2 4 ) ：9 6 9 8 黄浩 项 目投资的模糊多属性决策刚 经济师， 2 0 0 6 ， ( 4 ) ： 2 5 6 2 5 8 【 5 t笑岩 基于模糊综合评判的高校教学评估方法研究 渤海大学 学报( 自然科学 版) ，2 0 1 0 ， 3 1 0) ： 3 0 0 - 3 0 3 【 6 朵天 惠， 王永利， 陈鹏飞 茶 园沟泥石流易发性综 合评价卟 防灾减 灾学 报，2 0 1 0 ， 2 6 ( 4)：4 1 4 4 7 】 王春磊， 吴云刚， 隗锦涛 模糊综合评判 法在泥石流危险度评价 中的 应JlI 1 安全与环境工程， 2 0 1 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 1 4 1 6 霍张 丽， 梁收运 模糊数学 方法在 滑坡稳定性 评价 中的应用 西 北地震 学报 2 0 0 7 ， 2 9 ( 1 ) ：6 2 - 6 5 9 黄泽军， 肖炀皴 模糊数学在某滑坡稳定性评 价中的应用卟 山西建 筑， 2 0 0 9