珠江口近岸海域浅层地质灾害区域风险模糊评价＊

孙 全，常方强，卢惠泉

（1.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛266100；2.国家海洋局第三海洋研究所，福建厦门361005；3.华侨大学土木工程学院，福建厦门361021）

珠江口近岸海域浅层地质灾害区域风险模糊评价＊

孙 全1，2，常方强3，卢惠泉2

（1.中国海洋大学海洋地球科学学院，山东青岛266100；2.国家海洋局第三海洋研究所，福建厦门361005；3.华侨大学土木工程学院，福建厦门361021）

珠江口地区是我国重要的经济圈，人类活动剧烈，其近岸区域地质环境复杂，区内灾害性地质因素广泛发育且类型多样。为了海底工程建设和维护的需要，对海底区域地质灾害进行风险评价，可掌握不同区域的灾害程度，有针对性的选择地质条件相对稳定的区域进行工程建设，绕避高风险不良地质地区，或在不良地质地区采取相应工程措施加以防治。本文运用模糊评价的方法，将珠江口近岸113°00′E～114°00′E，21°40′N～22°40′N的区域，按照2′×2′的网格大小划分为546个评价单元，对每个单元稳定程度逐一进行评价。评价结果表明：在研究区范围内，多数海域海床均为稳定区域，约占总评价区的58%；较不稳定区域包含该区多种地质灾害，约占研究区的25%；极不稳定区域所占范围较小，主要分布在研究区的东北和西北2个断层附近，该区域同时存在断层、洼地和浅层气，在工程建设时需着重注意。

海底地质灾害；风险模糊评价；珠江口

随着人类开发利用海洋的深入发展，世界各海洋国家都在实施新的海洋战略。作为自然灾害之一的海洋地质灾害，越来越受到人们的重视［1］。珠江口位于21°52′N～22°46′N，112°58′N～114°03′E，含伶仃洋，黄茅海和横琴岛、南水道附近水域［2］，其周边是以广州、深圳、香港、珠海和澳门为核心的珠三角都市区，是我国重要的经济圈，人类活动剧烈，沿岸桥梁、码头等基础设施建设迅速推进，海面船只过往繁密，海底各种管线密集。其近岸区域地质环境复杂，区内灾害性地质因素广泛发育且类型多样。对珠江口近岸海底区域地质灾害进行风险评价，把握不同区域的灾害程度，有针对性的选择地质条件相对稳定的区域进行工程建设，绕避高风险不良地质地区，或在不良地质地区采取相应工程措施加以防治。对于该区海洋工程规划、建设以及后期的维护，都具有十分重要的指导意义。

近年来，国际上对地质灾害风险评价的研究得到了长足发展［3－7］，尤其是在滑坡、泥石流等地质灾害危险性评价方面，更是百花齐放［8－12］。我国自然灾害风险评估研究也有广泛而迅速的发展，产生了多种风险评价的方法，具体包括模糊综合评价法［13－15］、灰色聚类法［16－17］、人工神经网络法、综合指数法和多元统计法等，其中以模糊综合评价法最为常用。目前关于区域地质灾害风险评价多集中在陆地上，海底地质灾害的风险评价相对较少。杜军、李培英等［13］将我国海岸带划分为2 882个评价单元，利用海岸带灾害地质图、地震动峰值加速度区划图和地貌图等数字化图层，采用模糊综合评判方法对海岸带灾害地质进行了稳定性区划。发现基本稳定岸段分布于我国杭州湾以北；不稳定岸段分布于福建广东交界地带和台湾岛西部；极不稳定岸段分布于台湾岛东部；较稳定岸段和较不稳定岸段则交错分布于我国海岸带其余部分［13］。黄玲玲等总结了海岸带地质灾害的评估理论和方法，认为未来海岸带地质灾害评估研究需要从研究海岸带地质灾害特殊性入手，采用多学科交叉的方法综合研究，以实现海岸带地质灾害评估定量化和管理空间化［18］。

影响海底地质灾害发育和发展的因素众多，要综合这诸多的影响因素并作出风险评价，得出一个较为客观合理的结论是比较困难的。由于人们知识背景和经验的不同导致的主观认识的差异性和地质灾害影响因素的复杂性和不确定性，对同一海域海底地质灾害风险评价得出一致的结论几乎是不可能的。与此同时，风险等级之间的界限以及影响因素的分级界限也存在不明确性和的模糊性。因此，模糊数学的方法对于刻画海底地质灾害风险性问题是较为实际可行的［19－21］。

本文首先对研究区进行评价单元划分，根据地震动峰值加速度、地质灾害分布图［1］和海底底质类型，重点针对灾害对海底管线和浅基础等地表工程的影响，采用最常用的模糊综合评价法对珠江口近岸地质灾害进行区域风险评价，得出珠江口近岸区域地质灾害发生的可能性。其中地质灾害分布图出自广州海洋地质调查局2004年完成的《珠江三角洲近岸海洋地质环境与地质灾害调查成果报告》，海底底质数据采用国家海洋局908专项底质调查最新成果。评价结果能比较客观真实地反映地质环境对人类工程活动的适宜程度：稳定则灾害可能性小，人类工程活动适宜性好；不稳定则灾害可能性大，适宜性差。评价结果可为该区的合理开发与工程建设提供技术支持。

1 评价原理

模糊综合评判是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或属性的相关因素，进而进行等级或类别评价。首先考虑2个模糊集合，即因素集和评判集。

建立因素集u＝｛u1，u2，…，um｝，其中u1，u2，…，um为评价影响珠江口近岸地质灾害危险性的各个致灾因素；评判集v＝｛v1，v2，…，vn｝，其中v1，v2，…，vn为划分的n级危险性评价指标。

根据影响珠江口近岸地质灾害因素的实测值选用合适的隶属函数，求出对评判集相应的隶属度，对单个因素ui（i＝1，2，…，m）作模糊评判，得到反映u和v的模糊关系的单因素评判矩阵：

在大量调查研究的基础上，建立因素权重的模糊矩阵A：

式中，ai为第i个因素ui所对应的权重，且满足1。通过权重矩阵A和模糊关系矩阵R的复合运算得到综合评判结果，即

式中，B为评判集v上的模糊子集，其因素bi是评判集v中的因素vi的隶属度，根据最大隶属度原则，其最大值对应的等级即为珠江口近岸地质灾害区域风险所属的等级。

2 评价思路

2.1 确定研究区域与网格化

珠江口位于广东省东南部，由珠江冲积形成，近岸存在着多种地质灾害，包括浅层气、沙波、断层、浅滩、陡坎、沟槽和埋藏古河道等。为了对近岸区域进行风险评价，首先需确定研究范围，根据实际调查结果及收集到的成果资料，确定研究范围为：东经113°00′～114°00′，北纬21°40′～22°40′。基于地质灾害类型的区域性效应和地质灾害密度的影响，本文按照2′×2′的网格大小将珠江口近岸划分为546个网格评价单位。

2.2 确定评价因素与分级标准

我国近岸地质灾害的致灾因素众多，但主要可分为四大类，即地震类、构造类、触发类和单元体类。具体每项包括：

（1）地震类是引起地质灾害的主要根源之一，其发生可直接或间接导致其它地质灾害的发生，本文主要根据地震动峰值加速度作为地震类的评价指标；

（2）构造类包括活动断层、泥火山、浅断层和陡坎等，断层直接切割基岩，在地震等活动诱发下，容易产生较大变形，引发灾害；

（3）触发类包括滑坡、泥流、崩塌、沙波、浅层气、砂土液化和侵蚀等，海底滑坡、泥流、崩塌和沙波的发生对工程危害性较大，可瞬间造成结构物的破坏；浅层气和砂土液化的破坏过程具有时间累积效应，危害相对较小；

（4）单元体类，包括埋藏古河道、洼地、沟槽、起伏基岩、底劈、软泥和浅滩等，该类为限制性地质条件，区别于前3种（前3种属于活动性地质灾害），它自身并不具有活动能力，但它的存在会对某些海洋工程建设起到制约作用，一些工程建设应当绕避该类单元体。

根据以上地质灾害因素及其产生的危害程度，将该区稳定程度划分为4个等级，即极不稳定、较不稳定、基本稳定和稳定，这4类评价指标构成了我国近岸地质灾害区域风险评价指标体系，见表1所示。

表1 评价指标体系及其分级Table 1 The evaluation index system and classification

2.3 隶属函数确定和权重分配

模糊数学基本方法是采用隶属度刻画事物间的模糊界限，这里采用公式法建立隶属度。通过建立代表隶属度和因素之间关系的隶属函数，将实测影响地质灾害稳定性的因素值代入隶属函数可得隶属度，本文采用“降半梯形”分布的隶属函数［22］：

式中，S1，S2，S3，S4分别是地质灾害风险分级的4个标准值；x为各个评价因素数值。

以上为可定量因子的隶属度确定方法，对于不可定量的因子，如存在某种地质灾害，则隶属度为1，否则为0。

各因素在对地质灾害风险程度的影响中所起的作用大小及重要性不同，综合评判时应对各因素赋予一定的权重。权重可根据专家估测法（德尔菲法）来确定［23］，专家估测法是依据若干专家的知识、智慧、经验、信息和价值观，对已拟合出的评判指标进行分析、判断、权衡并赋予相应权值。一般需经过多轮匿名调查，在专家意见比较一致的基础上，经组织对专家意见进行数据处理，检验专家意见的集中程度、离散程度和协调程度，达到要求后，得到各评判因素的权重。此外也可以通过试算法确定，大致对各评判因素估计1个权重，通过大量点试算，直到综合评判结果与实际基本相拟合。下面采用第一种方法确定影响地质灾害风险程度各因素的权重矩阵，综合12位海洋地质专家对各因素权重进行赋值，取其平均值：

地震类和构造类的权重较小，实际上当两者发生时，对于地表工程，如海底管线和浅基础的影响相对也较小；而触发类和单元体类的权重较大，触发类灾害一旦发生，可能直接导致海底工程的破坏，如滑坡、泥流和崩塌，其中触发类的稳定性和危害又比单元体的略大。由此可以看出，专家对权重的赋值结果与实际情况较为一致，具有一定合理性。

2.4 评价计算

对于某一评价网格单元，先求出该单元的评判矩阵（即模糊关系矩阵），如网格113°00′E～113°02′E和21°40′N～21°42′N形成的网格单元，地震加速度为0.1g，底质为黏土质粉砂，不易产生液化，且并未发现存在构造类、触发类和单元体类地质灾害，因此评判矩阵为：

通过与权重矩阵A进行复合运算，利用Matlab程序编程，得到综合评判结果，即：

根据最大隶属度原则，该单元稳定性隶属于第四等级，即属于稳定状态。

同理，网格113°50′E～113°52′E和22°22′N～22°24′N形成的网格单元，地震加速度为0.1g，底质为黏土质粉砂，不易产生液化，但发现存在活动断层构造类、浅层气触发类和洼地单元体类地质灾害，因此评判矩阵为：

通过与权重矩阵A进行复合运算，得到综合评判结果，即：

该单元稳定性隶属于第一等级，即属于极不稳定状态。

其它网格的评判原理与以上2个的相同，不再赘述。

3 评价结果与讨论

基于模糊综合评价结果，将各评价单元稳定性级别标绘于网格内，在珠江口近岸灾害地质环境综合分析的基础上，采用优势合并方法，即以占优势的网格群来代表不同区域的稳定性级别，对546个单元格进行分类合并处理，并由此编绘了珠江口近岸灾害地质稳定性区划图（见图1）。

从图1中可以看出，在研究区范围内，多数海域海床均为稳定区域，约占总评价区的58%。在稳定区域里，除分布有少量小型陡坎外，没有发现较大地质灾害类型，海底表层沉积物以黏土、砂质黏土和黏土质粉砂为主，这类沉积物在地震或极端海况下发生液化破坏的可能性仍较小，是属于较为稳定的土层，在工程建设选址时，可优先考虑。

图1 珠江口近岸地质灾害区域风险评价结果图Fig.1 Regional risk evaluation result of submarine geological hazard in the Pearl River estuary

较不稳定区域包含该区多种地质灾害，如泥火山、浅气层和底辟等，面积约占研究区的25%，海底表层沉积物以粉砂和砂质粉砂为主，在地震或极端海况下可能产生液化，在工程修建时需采取相应的防护措施。

极不稳定区域所占范围较小，分布在研究区的东北和西北附近，主要受珠江口2条断裂带、沙波、泥流等灾害影响，地层极不稳定，在工程建设时需考虑避让或着重防护。本文给出的珠江口海域海底稳定程度评价结果可供该区工程建设选址、设计与施工时参考使用。

［1］ 马胜中，陈太浩.珠江口近岸海洋地质灾害类型［J］.广东地质，2006，21（4）：13－21.

［2］ 中国海湾志编纂委员会.中国海湾志（第十四分册）［M］.北京：海洋出版社，1998.

［3］ Lucio Lirer，Livia Vitelli.Volcanic Risk assessment and mapping in the vesuvian area using GIS［J］.Natural Hazards，1998，17（1）：1－15.

［4］ Christopher S.Hitchcock.Mapping liquefaction hazards in Simi Vally，Veutura County California［J］.Environmental ＆Engineering Geoscience，1999，5（4）：441－458.

［5］ Brabb E E.Innovation Approaches to Landslide Hazard and Risk Mapping［C］.Toronto：Proc.of 4th ISL，1984：307－323.

［6］ Sevtap A，M Semith Yucemen.Reliability of lifeline networks with multiple sources under seismic hazard［J］.Natural Hazards，2000，21（1）：1－18.

［7］ G F Wiecaorek，B A Morgan，R H Campbell.Debris flow hazards in the Blue Ridge of Central Virginia［J］.Environmental ＆Engineering Geoscience，2000，6（1）：3－23.

［8］ Chung R M.Natural Disaster Studies［M］.Washington D.C.：Natural Academy Press，1994.

［9］ Marco Lazzari，Paolo Salvaneschi.Embedding ageographic information system in a decision support system for landslide hazard monitoring［J］.Natural Hazards，1999，20：185－195.

［10］ Scott B Miles，David K Keeper.Evaluation of seismic slope performance models using a regional case study［J］.Environmental＆Engineering Geoscience，2000，6（1）：25－39.

［11］ Ronald B Chase，Karl E Chase，Alan E Kehew，et al.Determining the kinematics of slope movement using low－cost monitoring and cross section balancing［J］.Environmental ＆Engineering Geoscience，2001，7（2）：193－203.

［12］ Van Westen C J，A C Seijmonsbergen，F Mantovan.Comparing landslide hazard evaluation：three case support system for landslide hazard monitoring［J］.Natural Hazards，1999，20：1－18.

［13］ 杜军，李培英，魏巍，等.中国海岸带灾害地质稳定性区划［J］.自然灾害学报，2008，17（4）：1－6.

［14］ 袁素凤.模糊综合评价高速公路建设工程地质灾害危险性［J］.灾害学，2009，24（2）：57－60.

［15］ 游桂芝，鲍大忠.贵州省六盘水市钟山区地质灾害危险性模糊评判［J］.中国地质灾害与防治学报，2009，20（4）：60－65.

［16］ 王汝正，王正新.模糊聚类分析在区域自然灾害区划的应用—以四川省为例［J］.灾害学，1993（1）：6－12.

［17］ 于远祥，杨勇，叶万军.灰色聚类分析在地质灾害综合区划中的应用［J］.煤田地质与勘探，2009，37（3）：45－48.

［18］ 黄玲玲，成建梅，刘军，等.海岸带地质灾害评估理论与方法研究进展［J］.水文地质工程地质，2009（1）：133－137.

［19］ 粱保松，曹殿立.模糊数学及其应用［M］.北京：科学出版社，2007.

［20］ 杨和雄，李崇文.模糊数学和它的应用［M］.天津：天津科学技术出版社，1993：148－184.

［21］ 闫满存，王光谦，李保生，等.基于模糊数学的广东沿海陆地地质环境区划［J］.地理学与国土研究，2000，16（4）：41－48.

［22］ 温世亿，李建林，杨学堂，等.卸荷高边坡稳定性分析的多级模糊综合评判［J］.岩土力学，2006，27（11）：2041－2044.

［23］ 薛新华，张我华，刘红军.砂土地震液化的模糊综合评判法［J］.重庆大学学报，2006，28（1）：55－59.

Regional Risk Evaluation of Shallow Geological Hazard by Fuzzy Evaluation Method in the Pearl River Estuary

SUN Quan1，2，CHANG Fang－Qiang3，LU Hui－Quan2
（1.College of Marine Geosciences，Ocean University of China，Qingdao 266100，China；2.Third Institute of Oceanography，SOA，Xiamen 361005，China；3.Faculty of Civil Engineering，Hua Qiao University，Xiamen 361021，China）

The area around Pearl River estuary is one of the most important economic zones in China where the effect of human activities is acute.The geological environment which is complex and various hazardous geological characteristics are distributed.For the sake of submarine infrastructures＇safety，both construction and maintenance，we need to evaluate the geological hazard risk.The hazard degree of different areas can be realized.Submarine infrastructures can keep away from those high risk areas.In case those areas with high risk could not be avoided，adequate engineering measures could be taken for disaster risk reduction.Using the fuzzy evaluation method，the author divided the area between 113°00′E～114°00′E and 21°40′N～22°40′N into 546 2′×2′squares.The results show that 58%of the research area is stable，while 25%of the research area is less stable.The distribution of unstable areas is near the northeast and northwest faults.Despite the fact that the unstable area is limited，we should pay more attention to these areas when design and construct submarine infrastructures.

submarine geological hazard；risk fuzzy evaluation method；Pearl River Estuary

P694

A

1672－5174（2012）1－2－131－05

国家海洋局908专项（908－02－03－03）资助

2010－12－02；

2011－11－02

孙 全（1980－），男，博士生，工程师，主要从事海洋地质灾害及海洋工程地质方面的工作。E－mail：engineers＠163.com

责任编辑 徐 环