基于组合隶属函数的水工环地质灾害危险性评估方法研究

摘 要：由于现行方法在水工环地质灾害危险性评估中应用效果不佳，评估偏差比较大，对基于组合隶属函数的水工环地质灾害危险性评估方法进行研究。选择地质灾害类型、灾害规模、发生概率、影响范围、危害程度、地质环境条件、触发因素和脆弱性作为指标构建危险性评估指标体系，利用层次分析法对评估指标赋权，采用组合隶属函数对指标综合分析，量化水工环地质灾害危险性系数，确定危险等级，实现灾害危险性评估。经试验证明，设计方法评估偏差不超过0.01，可以实现对灾害危险性精准评估，具有良好的可行性和适用性。

关键词：组合隶属函数；地质灾害；指标体系；层次分析法

中图分类号：P694 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）11–0-03

我国地理条件复杂多样，尤其是山地、丘陵地区及大江大河沿岸，水工环地质灾害频发，给社会带来了巨大的经济损失和安全隐患。因此，对水工环地质灾害危险性进行科学、系统的评估，具有重要的现实意义。随着水利工程建设的不断推进，尤其是大型水电站、水库、堤防等工程的兴建，对地质环境的影响日益显著。水利工程建设过程中的开挖、填筑、排水等活动，都可能改变地质结构和水文条件，进而诱发或加剧地质灾害。因此，在水利工程建设的前期阶段，对地质灾害危险性进行科学评估，是保障工程安全、预防灾害发生的重要手段。

任正情等[1]提出了基于信息量和Newmark模型的评估方法，融合了信息量法评估地震灾害易发性和Newmark模型预测滑坡位移的原理，通过综合地质、地形等信息，量化评估地震引发的地质灾害危险程度。杜银山等[2]提出了基于AHP—信息量法的评估方法，利用层次分析法（AHP）确定评价指标权重，结合信息量法量化各因子对灾害的贡献，综合评估地质灾害危险程度。然而，尽管水工环地质灾害危险性评估方法取得了显著进展，但仍存在诸多不足，为此对基于组合隶属函数的水工环地质灾害危险性评估方法进行研究具有重要意义。

1 构建水工环地质灾害危险性评价指标体系

水工环地质灾害危险性受到多方面影响，具体包含以下8个因素。

一是地质灾害类型：区域内可能发生的地质灾害类型，如滑坡、泥石流、地面沉降、崩塌等[3]。不同类型的地质灾害具有不同的形成机理、影响因素和危害程度，对于不同类型地质灾害类型，赋予不同的数值，滑坡用1表示，泥石流用2表示，地面沉降用3表示，崩塌用4表示。

二是灾害规模：地质灾害的规模是影响其危险性的重要因素。规模较大的地质灾害往往具有更大的破坏力和更广的影响范围。评估时需要考虑灾害的潜在规模，包括滑坡体的体积、泥石流的流量和流速、地面沉降的面积和深度等。

三是发生概率：通过统计分析历史灾害数据、地质环境条件、气象条件等因素，可以预测未来地质灾害的发生概率。

四是影响范围：灾害发生时可能波及的区域。评估时需要考虑灾害的扩散路径、影响距离和可能受影响的对象（如建筑物、道路、农田等）。

五是危害程度：灾害发生时可能造成的损失和伤害程度。评估时需要考虑灾害对人员安全、财产安全、生态环境等方面的影响。

六是地质环境条件：考虑地形地貌、地质构造、岩性、水文地质条件等因素评估地质灾害。

七是触发因素：能够引发地质灾害发生的外部条件，如降雨、地震、人类活动等。

八是脆弱性：对评估区域内可能受到地质灾害影响的对象的脆弱性，评估其抵抗地质灾害的能力和可能遭受的损失程度。将以上8个因素作为水工环地质灾害危险性评估指标，危险性评价指标体系如图1所示。

根据图1，指标体系用公式（1）表示。

H={V，M，G，K，L，X，Z，Q}（1）

式（1）中，H表示指标体系；V表示地质灾害类型；M表示灾害规模；G表示影响范围；K表示危害程度；L表示发生概率；X表示地质环境条件；Z表示脆弱性；Q表示触发因素。

2 确定指标权重

考虑到每个指标对水工环地质灾害危险性的影响程度不同，为了保证评估精度，采用层次分析法对指标赋权，利用权重系数表征指标对评估目标的重要程度。层次分析法通过构建层次化的组织结构梳理这些子问题之间的关系，在具体实施的过程中，依据各指标之间的内在逻辑关联及其相互隶属程度，将指标按照不同的维度和层次进行细致划分与归类，对划分后的指标相对重要性进行量化评估[4]。通过构建判断矩阵，决策者需要对同一层次内的各个因素进行两两比较，以判断其相对重要性，矩阵中的每个元素都代表两个因素之间的相对重要性比值，采用特征向量法，即通过对判断矩阵进行数学处理，提取其特征向量来近似表示各因素的权重分布，公式如下。

Wi=aij（2）

式（2）中，Wi表示评价指标体系中第i个指标权重系数；aij表示判断矩阵中元素ai相对于元素aj的重要程度；aij表示判断矩阵的特征向量[5]。利用以上公式计算出指标体系中所有指标的权重系数，为后续地质灾害危险性评估奠定基础。

3 基于组合隶属函数的危险性量化评估

利用组合隶属函数对体系中各项指标综合分析，量化水工环地质灾害危险性。在评价体系的构建中，由于评价目标的多样性，相应的评价准则也存在显著的差异性。为了确保水工环地质灾害危险性评估过程的针对性和有效性，将其划分为3个层次化的标准等级，以量化形式清晰界定。

（3）

式（3）中，V表示水工环地质灾害危险性评估标准等级；C表示低危险；A表示中等危险；N表示高危险；ε表示水工环地质灾害危险性指数[6]。为了确保评价结果的准确性和科学性，确立合理的权重分配及指标间的隶属关系，采用组合隶属函数对指标综合评价，通过构建特定形状的隶属度函数（如中间型、梯形、钟形、双S形等）求解各指标对于不同评价等级的隶属程度，公式如下。

p=Wirm（4）

式（4）中，p表示权重分配与指标的组合隶属函数值；m表示隶属度函数种类；O表示组合隶属函数集；rm表示第m个隶属函数求解得到的函数值[7]。利用以上公式计算出各个指标与权重分类的隶属关系值，将其代入综合评估函数中，计算出水工环地质灾害危险性指数，公式如下。

ε=pi·Wi·xi（5）

式（5）中，xi表示评估指标值。将计算出的危险性指数代入公式（3），即可得到危险性等级，以此实现基于组合隶属函数的水工环地质灾害危险性评估。

4 试验论证

4.1 试验准备与设计

为了验证以上提出的基于组合隶属函数的水工环地质灾害危险性评估方法的性能，选择7个地区作为试验对象，收集了7个地区水工环地质灾害数据信息，利用本研究设计方法对7个地区水工环地质灾害危险性评估，按照以上对评价指标权重和隶属度评价，随机选取1个样本，其危险性评估结果见表1。

为了凸显本研究方法的优势，并且使此次研究具有一定的参考性和学术性价值，将本研究方法与任正情等提出的基于信息量和Newmark模型的评估方法，以及杜银山等提出的基于AHP—信息量法的评估方法对比，对比指标选择配评估偏差，偏差=危险性指数评估值－实际危险性指数，偏差越大，则说明水工环地质灾害危险性评估精度越低，通过对比该项指标，评价设计方法在水工环地质灾害危险性评估场景中的精准度。

4.2 试验结果与讨论

在此次试验中，本实验采用了三种不同的方法对7个地区的水工环地质灾害危险性进行了评估，并将评估偏差结果汇总于表2中。通过对比分析，可以看到每种方法在各个地区的评估表现。

由表2中详细列出的数据可以看出，各种设计方法的评估偏差均保持在极低的水平，均未超过0.01的阈值，这体现了各方法在地质灾害评估中的高精度要求。值得一提的是，本研究所提出的方法在对第5地区的评估中，其误差值仅仅为0.001，这是一个极其微小的数值，几乎可以忽略不计。与基于信息量和Newmark模型的评估方法以及基于AHP—信息量法的评估方法相比，本研究设计的方法在本次试验中展现出最小的偏差值，其准确性显著优于其他两种方法，偏差远远低于它们的表现。这一结果不仅证明了本研究方法可以实现对灾害危险性精准评估，具有良好的可行性和适用性，还进一步彰显了其在地质灾害风险评估领域的潜在应用价值。

5 结束语

本研究深入探讨了基于组合隶属函数的水工环地质灾害危险性评估方法，通过融合多种评估指标和构建科学的隶属函数体系，提高了地质灾害危险性评估的准确性和可靠性。该研究不仅是对传统评估方法的一次重要补充和创新，还是应对复杂地质环境条件下水工环地质灾害挑战的有益尝试。构建组合隶属函数，有效解决了单一评估指标难以全面反映地质灾害危险性的问题。组合隶属函数能够综合考虑地质、水文、环境等方面的因素，通过合理的权重分配和函数组合，实现对地质灾害危险性的全面、量化评估。这种方法不仅提高了评估的科学性和客观性，还为工程建设和灾害防治提供了更为精准的依据。未来，本研究的方法仍有进一步拓展和优化的空间。可以继续深化对组合隶属函数的研究，探索更多种类的隶属函数及其组合方式，以适应不同地区、不同类型地质灾害的评估需求。通过引入先进的数学工具和算法，可以进一步提升评估的精度和效率。随着不断深化研究，完善和优化评估方法，为应对复杂地质环境条件下的地质灾害挑战贡献更大的力量。

参考文献

[1] 任正情，刘传奇，陈成名，等.基于信息量和Newmark模型的地震地质灾害危险性评价：以安徽省六安市霍山县落儿岭地区为例[J].安徽地质，2023，33（4）：292-297.

[2] 杜银山，王雅宁.基于AHP-信息量法的怀柔区琉璃庙镇地质灾害危险性评价[J].科技创新与应用，2024，14（19）：103-106.

[3] 李天珍.甘肃省某能源项目工程地质灾害危险性评估及防治措施研究[J].工程技术研究，2024，9（10）：171-173.

[4] 贾彬誉，李宇翔.基于信息量法和GIS技术的竹山县上庸镇滑坡地质灾害危险性评价研究[J].北方交通，2024（4）：41 -44，48.

[5] 孙晓悦，郝仕龙，翟文华，等.基于组合方法的多尺度地质灾害危险性评价：以河北高阳县为例[J].地质灾害与环境保护，2024，35（1）：48-54.

[6] 孙伟伟，许雪洁.S40宁国至枞阳高速公路池州段建设工程地质灾害危险性评估[J].地下水，2024，46（1）：155-158.

[7] 于开宁，吴涛，魏爱华，等.基于AHP-突变理论组合模型的地质灾害危险性评价：以河北平山县为例[J].中国地质灾害与防治学报，2023，34（2）：146-155.