基于确定性系数模型的地质灾害论文范文

1基于CF的因子量化

影响地质灾害的因子纷繁复杂，描述方式多以定性、不统一的方式表达，不能直接进行数学计算，如工程地质岩组(如坚硬至软弱薄层－层块状碎屑岩夹碳酸盐岩岩组)，以离线定性表达形式存在;坡度(如25°)、年均雨量(如1000～1200mm)等，虽以连续形式存在，但数值量纲不同，所在区间不同，仍然不能直接进行数学计算。信息定量化统一表达是实现区域评价的难点和基础。前人有的依据丰富的专家经验分类分段赋值的方式实现因子量化［12］，也有的通过引入不确定性推理中的确定性系数模型(CF)实现因子量化。确定性系数模型(CF)是一个概率函数，最早由Shortliffe和Buchanan(1975)提出［13］，由Heckerman(1986)进行了改进［14］，用来分析影响某一事件发生的各因子的敏感性。兰恒星将CF概率函数计算方法成功应用到区域性滑坡的因子敏感性分析之中［15］。CF函数，具体表示为。式中:PPa为事件(地质灾害)在数据a类中发生的条件概率，应用时为数据类a中存在的地质灾害个数与数据类a面积的比值;PPs为地质灾害在整个研究区A中发生的先验概率，可以表示为整个研究区的地质灾害的个数与研究区面积的比值。CF的变化区间为。正值代表事件发生确定性的增长，即地质灾害发生的确定性高，地质环境条件差;负值代表确定性的降低，即地质灾害发生的确定性低，地质环境条件好;CF值接近于0，说明确定性居中，不能确定地质环境的优劣。采用确定性系数开展因子量化的基本假定是，在具备已知发生地质灾害地区的相似环境条件时，未来本区的斜坡就有可能发生类似的地质灾害。通过确定性系数函数，将地质灾害各影响因子实现了同区间的定量化，该方法实现了复杂多因子数据的同区间定量化的问题，并可合并计算。

2多因子叠加确定权重法

确定性系数(CF)实现了地质灾害各影响因子的定量化表达，从确定性系数(CF)函数公式(1)可见，某单元格的每个因子的CF值直接代表了该因子对地质灾害多发与否的贡献值。从该物理意义出发，通过各因子之间的CF值数学统计计算，就有可能因此确定各因子之间相对权重的大小。因此，本文通过各因子CF值叠加相减的方法，提出了一种权重确定方法，命名为基于CF的多因子叠加确定权重法。具体的计算方法和步骤如下:

2.1影响因子CF值叠加计算通过将参与区域评价的地质灾害各影响因子逐一叠加计算，可以表达为参与合并计算的因子图层对地质灾害的综合贡献值。如果所有因子图层均参与叠加计算，则得到的就是所有因子图层的总贡献;如果参与叠加计算的是其中的两个因子，则结果即为这两个因子的综合贡献。

2.2某影响因子CF值的贡献计算当计算某因子图层的CF值的贡献时，可根据式(3)计算该图层的CF值贡献。此步骤计算中也可以排除重复因子的贡献。

2.3计算各因子权重根据式(4)，计算每个因子的相对贡献大小，最后经归一化后得到各因子的权重。

3模型方法应用

部级区域地质灾害气象预警第二代模型方法———显式统计预警模型，是一种考虑地质环境变化与降雨参数等多因素迭加建立预警判据模型的方法。模型中将地质环境区域评价量化为“地质灾害潜势度”。根据式(6)，以10km×10km的网格进行剖分，分区开展地质灾害潜势度计算(图1)，7个大区分别为A(东北)、B(华北)、C(东南)、D(西南)、E(黄土)、F(西北)、G(青藏)。其中选取2020个县市调查成果中崩滑流灾害点(17万多个)作为历史灾害点(图2)，选取17个地质灾害影响因子(表1)参与计算，分别为断层断裂、水系河流、年均雨量、年均气温、地震烈度、蒸发量、岩土体类型、第四系成因类型、水文地质类型、海拔高程、地形起伏、地貌类型、植被覆盖类型、人口密度、土壤侵蚀、第四系岩性和地层岩性。首先采用确定性系数模型(CF)实现因子的同区间量化，以C区的地形起伏因子和岩土体类型因子为例，两个因子的分段及CF量化结果见图3和图4。

地形起伏度是影响斜坡稳定性的最重要因素之一，起伏度的大小直接决定着斜坡的应力状态，控制着斜坡的稳定性。在C区(东南区)区域研究中，将地形起伏因子分为极大起伏、大起伏、中起伏、小起伏、丘陵和其他六类，由图3中CF值计算结果，该区域最有利于地质灾害发生的地形起伏度由大到小分别为大起伏(0.345)、中起伏(0.306)、小起伏(0.089)，而丘陵、其他、极大起伏不利于地质灾害的发生。斜坡岩土体类型作为地质灾害发生的物质基础，是影响斜坡稳定的最重要因素，直接决定着斜坡岩土体的强度和应力分布，是变形破坏的基础。根据C区(东南区)的地质环境特征，将岩土体类型因子分为火成岩、碎屑岩、变质岩、碳酸盐岩、砂质土和其他土六类，由图4中CF值计算结果，该区域最有利于地质灾害发生的岩土体类型为火成岩(0.348)，其次为变质岩(0.106)。根据各因子CF量化结果，采用上节中“多因子叠加确定权重法”分区计算各影响因子权重见表2。由于选取因子较多(17个)，每个因子的权重相对较小，权重差偏小。17个因子的平均因子权重应为1/17，即0.06，因此当某个因子权重超过0.06时，可以认为该因子为地质灾害的敏感因子。如地震烈度图层在B区、C区、E区的权重最小，分别为0.02、0、0，而在D区的地震烈度权重较高(0.07)，F区的地震烈度权重较高(0.10)，B区和C区地形起伏因子的权重最高，分别为0.12和0.17，均符合经验认识。将各区潜势度的计算结果，与历史灾害点的分布情况进行对比分析，校验潜势度是否能够体现地质环境的优劣程度，以C区(东南区)和D区(西南区)为例，见图5和图6，其中横坐标为各网格单元的潜势度值，纵坐标为各网格单元内的平均灾害点密度。在各区范围内，随着潜势度值从高向低，地质灾害点的密度逐步减少，反映了地质灾害潜势度大的区域历史灾害点分布频率大，地质灾害潜势度值小的区域，历史灾害点分布频率少，即地质灾害潜势度值的大小能够反映历史地质灾害点的多少，能够反映地质背景环境条件的优劣。因此，验证了基于CF的多因子叠加确定权重法的有效性和实用性。

4结论

本文提出了基于CF的多因子叠加确定权重法，并以区域地质灾害气象预警中地质灾害潜势度计算进行验证。(1)区域地质灾害评价研究中，影响地质灾害的因子纷繁复杂，描述方式多以定性、不统一的方式表达，不能直接进行数学计算，可以通过引入不确定性推理中的确定性系数模型(CF)实现复杂多因子数据的同区间量化。(2)确定性系数(CF)实现了地质灾害各影响因子的定量化表达，且每个因子的CF值直接代表了该因子对地质灾害多发与否的贡献值。从该物理意义出发，提出了基于CF的多因子叠加确定权重法。该方法可分三步完成:1)基于CF的地质灾害各影响因子量化，使得各影响因子取值均介于0～1;2)所有影响因子逐级叠加计算，计算所有因子的相对贡献值;除某计算因子外，其他所有影响因子的逐级叠加计算，得到除某计算因子外的其他所有因子的相对贡献值;3)通过相减的方法，得到某计算因子的相对贡献值，并归一化处理得到该因子的权重。(3)通过区域地质灾害气象预警中地质环境指标(地质灾害潜势度)的计算，验证了该方法的有效性和实用性。

作者：刘艳辉刘传正唐灿温铭生连建发单位：中国地质环境监测院国土资源部地质灾害应急技术指导中中国科学院地质与地球物理研究所