基于地质数据库的城市区域性活动断裂带危险性评价

2023-11-04黄镇逢

西部探矿工程 2023年10期

黄镇逢

（广东省有色金属地质局水文地质队，广东广州 510800）

地质灾害会带来地质环境的恶化，并使人类遭受巨大损失[1]。研究地质灾害的形成根源时，区域性活动断裂带是一种必须考虑的因素，这种断裂带不仅是地裂缝等重大灾害的诱发根源，也是控制常见地质灾害实际分布情况的重要因素。与区域性活动断裂带相关的三大类地质灾害分别为活动断裂带次生灾害、活动断裂带缓慢活动灾害以及活动断裂带快速活动灾害。随着我国实施西部大开发战略，西部建设了大量高速公路，其规模可以说是前所未有，也使西部城市的经济进一步得到发展。然而该地区是频发地质灾害的区域，特别是城市区域性活动断裂带十分发育，为公路的建设与城市的发展带来极大阻碍与威胁，不仅带来了直接损失，也造成了很多间接性损失[2]。与此同时，我国其他地区的城市区域性活动断裂带也引发了很多地质灾害，“5.12”汶川、“4.14”玉树地震造成的巨大人员伤亡和财产损失让人记忆犹新，而造成如此重大损失的根源就是构筑物建在了活动断裂带上，从而给予我们深刻警示，城市建设选址首先应查明城市拟建区的地质结构，尤其是断裂构造，才能趋利避害，选择避让或提高防御级别，从而更有利于保障城市建设的安全。因此对城市区域性活动断裂带实施危险性评价是很有很大必要的。对于城市区域性活动断裂带危险性评价问题，很多国家都进行了大量研究，并取得了重要进展。在研究中，新方法、新技术的应用越来越深入和广泛，包括3S技术等，这些方法的应用，使评价结果变得更加全面。目前其研究方向主要朝着定量化发展，评价可靠性与评价精度都有待进一步提高。因此综合以往研究成果，提出一种基于地质数据库的城市区域性活动断裂带危险性评价方法。

1 城市区域性活动断裂带危险性评价

1.1 地质数据库构建

构建各地城市区域性活动断裂带相关的城市活动断裂带地质数据库，在数据库的构建中，首先需要对存在城市区域性活动断裂带的各地的基础地质进行调查，也就是实施地质填图。地质填图以穿越法为主，填图路线的布置大致垂直于地层或断层走向[3]。布设多条主干路线，调查人员统一参与主干路线地质填图，统一分层标志，统一野外工作方法。对区内主要地质界线、重要标志层等实施追索观测。其中线距、点距根据野外实际情况布置，一般点距不大于线距。在第四系大面积分布区，以河流阶地两侧或已开挖基坑为重点布置填图路线。在地质填图中，还要对人类工程活动情况进行同步记录。

接着实施城市区域性活动断裂带的野外调查。使用的物探方法是浅层地震多次迭加法，也就是采用6次覆盖观测系统进行测量。在测量中根据试验成果确定偏移距。以时间剖面图上反射波组的实际反射情况为依据推测断裂构造的具体位置，之后布设物探验证钻孔进行钻探验证[4]，其中钻孔孔位及标高采用Garmin佳明errex201xGPS进行现场测放，钻孔采用劈芯法，采取一半岩芯作为样品，样长5~8cm，对其实施单轴抗压强度试验。

将调查获取数据作为构建城市活动断裂带地质数据库的基础数据，通过ArcSDE数据库引擎将以上基础数据以统一的数据模型形式存储至PostgreSQL 关系数据库中，实现数据的统一管理，完成城市活动断裂带地质数据库的搭建。搭建的数据库构造具体如图1所示。

其中数据预处理指的是数据质量检查，主要是对数据情况、时间精度以及数据完整性进行检查，经过数据质量检查后再将数据存储至PostgreSQL 关系数据库中。

1.2 构建评价模型

根据构建的地质数据库对一级评价指标进行选取，包括已发生的地质灾害与潜在地质灾害情况、人类工程活动情况、工程与水文地质条件、岩性与地层构造情况、地形地貌情况，并根据地质数据库数据对各一级评价指标进行详细划分，确定二级评价指标，完成城市区域性活动断裂带危险性评价模型的构建。构建的评价模型具体如表1所示。

表1 构建的评价模型

完成评价模型的构建后，利用模型实施城市区域性活动断裂带危险性评价。

1.3 指标权重的确定与评价的定量描述

计算各指标权重，通过可拓学将城市区域性活动断裂带危险性评价的对象、指标及指标权值构成一个整体，利用可拓集合的关联函数值实现评价结果的定量描述[5]。

在各指标权重的计算中，使用的方法为因子分析法。具体步骤如下：

（1）查阅文献，对指标相关数据进行收集。

（2）对收集数据实施预处理，具体包括坐标统一处理、缺失值处理、标准化处理。

在相关数据的坐标统一处理中，使用的坐标平移方法具体如下式：

式中：A——平移的直线距离；

——平移的坐标距离；

X——平移的横坐标距离；

Y——平移的纵坐标距离；

——该空间实体的原坐标位置；

——该空间实体平移后的坐标位置；

X2——平移中第二个坐标中的横坐标；

Y2——平移中第二个坐标中的纵坐标；

X1——平移中第一个坐标中的横坐标；

Y1——平移中第一个坐标中的纵坐标。

在缺失值处理中，使用高维映射法将缺失值补全。在标准化处理中，使用z-score 标准化处理方法将量纲消除。具体步骤如下：

①计算各指标的标准差，用si来表示；

②计算各指标的数学期望值，用xi来表示；

③实施标准化处理，具体如下式：

式中：xij——实际变量值；

zij——标准化处理以后的变量值。

④对调逆指标前的正负号。

（3）对数据指标之间的相关系数进行计算，对选取的指标是否能够实施因子分析进行判断，能够实施因子分析的前提条件是指标间的关联性较强[6]。

（4）在关联性较强的情况下，对公共因子进行选取。在选取中首先对各因子的初始载荷矩阵进行计算，并对相关系数构成的矩阵的特征向量与特征根进行计算，综合两种计算结果获得因子的累积贡献率。根据累积贡献率对公共因子进行选取，确定因子个数。

（5）计算公共因子得分，根据计算结果计算各因子的对应方差贡献率值，并将该值作为评价中的权重值。

接着利用可拓学思想定义评价中的待评物元、经典域、节域。其中经典域用Foij来表示，是指危险性评价等级关于评价指标的规定量化范围。节域是指危险性全体评价等级关于评价指标的量值隶属度化范围，用Dqj来表示。将城市区域性活动断裂带危险性用物元O来表示，称为待评物元。

通过下式计算城市区域性活动断裂带危险性这一评价单元q与危险度等级之间的关联函数值：

式中：cj——评价单元q关于区划指标的量值；

γ(.)——关联阈值。

根据关联函数值与指标权值计算评价单元q关于危险性等级i的实际关联度值。根据计算的关联度值对危险性等级进行计算，完成区域性活动断裂带的危险性评价。

2 评价案例测试

2.1 实验过程

对于设计的基于地质数据库的城市区域性活动断裂带危险性评价方法，通过其应用对其评价性能进行测试。将其应用于城市区域性活动断裂带比较发育的某地区中，利用该方法对实验地区的活动断裂带进行危险性评价。实验地区的崩塌、滑坡主要分布于工作区北东侧的低山、丘陵区，因此可以判定其区域性活动断裂带主要发育于北东侧。由于该地区已经遭受过多次地质灾害，因此对其区域性活动断裂带实施危险性评价是很有必要的。

首先构建该地区的城市活动断裂带地质数据库，分别实施该地区的基础地质调查与区域性活动断裂带的野外调查，将调查数据作为基础数据完成地质数据库的构建。接着构建评价模型，通过因子分析法计算实验地区的指标权重，计算结果如表2所示。