矿山地质灾害损失灰色关联分析研究

2022-09-21 15:14:42 来源:写作指导

矿山地质灾害损失灰色关联分析研究

由于灰色系统理论可对一个系统的发展变化态势提供量化的度量,适合进行动态历程分析,而且灰色关联分析还可弥补常用数理统计方法如回归分析、主成分分析和因子分析等方法对数据量要求大的缺点,其对样本量的多少和样本有无规律同样适用,且计算简单、分析结果适用可行,并可揭示因素关系的强弱程度,得到关联度对各比较序列的优劣顺序[8]。因此,本文针对湖北省矿山开发引发的地质灾害,主要包含四类主要的地质灾害———滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷,结合地质灾害引起的人员伤亡人数和直接经济损失数据,运用灰色关联分析模型对引起人员伤亡和直接经济损失的主要地质灾害影响因素进行了分析,以为地质灾害防治提供依据。

研究区域概况

湖北省矿产资源现状湖北省位于长江中游区域,地跨秦岭—大别和扬子准地台两大一级成矿区带,地层发育齐全,地质构造复杂,岩浆活动频繁,变质作用广泛,是我国著名的铁、铜、磷、石膏和岩盐等矿产资源集中区。矿山采掘业的发展,极大地促进了湖北省矿产品加工业及其相关基础工业的发展[6]。湖北省矿产资源开发利用程度总体上较高,截至2009年,已发现149个矿种、188个亚矿种,分别占我国已发现171个矿种和237个亚矿种总数的87.13%和79.32%。目前湖北省已查明资源储量的矿种共计92种、亚矿种105个,如果按全国统一标准计算,湖北省保有矿产资源储量潜在总值及每平方千米潜在总值分别为14720亿元、791.41万元,均居全国第14位,而人均矿产资源储量潜在总值达2.425万元,居全国第17位①。

湖北省矿山地质灾害概况湖北省矿产资源的大量开发利用,加之省内地质条件复杂、降雨丰沛、人类工程活动强烈等因素,造成了全省地质灾害发生种类多,既有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、岩溶塌陷和突水等突发性的地质灾害,又有水土流失、地面沉降和地裂缝等缓发性地质灾害,是我国地质灾害多发省份之一[7],其中,尤以崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷地质灾害发生最为频繁、破坏性最强。已有研究数据显示,2003年是湖北省突发性地质灾害最为严重的一年,共发生地质灾害561起,其中滑坡405起、崩塌88起、地面塌17陷62起、泥石流6起,造成29人死亡、11人失踪、6人受伤,直接经济损失达46856.21万元。同时,地质灾害分布还具有区域类型多样、分散发育和局部类型单一、集中发育的特点。湖北省地质灾害分布主要受地形地貌条件控制,其地域分带性明显,崩塌、滑坡、泥石流主要集中分布在西部山区,尤以长江及其支流沿岸最为严重,岩溶地面塌陷、采空区地面沉陷则主要聚集于鄂东南、鄂中地区,全省地质灾害隐患点(段)共5657处,分布在68个县(市、区)内②。

灰色关联分析模型

灰色关联分析模型(GreyRelationalAnalysis,GRA)的基本思想主要是以两个系统之间的数据序列为基础,按其发展趋势的相似或相异程度,根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。若几何曲线的形状越接近,相应序列之间的关联度就越大,反之就越小,并依此可以判断引起该系统发展的主要因素和次要因素[9]。灰色关联分析的步骤如下:2.1母序列与子序列的确定首先以原始数据为基础,确定因变量序列和自变量序列,并设因变量序列为母序列,即参考序列为Y′(t)={y′(k)|k=1,2,…,n};设自变量序列为子序列,即比较序列为X′i(t)={x′i(k)|k=1,2,…,n}(i=1,2,…,N)。2.2数据序列的无量纲化处理对原始数据的无量纲化处理一般有标准化、初值化和平均化3种处理方式以保证母序列与子序列数据的量纲统一,同时也保证各变量因素能处在同一比较标准之上,进而消除量纲带来的分析误差。本文采用标准化处理,即Y(k)=y′(k)-珔yσ,Xi(k)=x′i-珚xis′i,则标准化后的母序列和子序列分别为Y(k)和Xi(k)。2.3差序列的计算差序列是指母序列与其余各子序列对应期的绝对差值:Δi(k)=|y-xi(k)|,可通过比较计算确定最大绝对差值Δmax和最小绝对差值Δmin。2.4关联系数的计算关联系数的计算公式为ξi(k)=minimink|y(k)-xi(k)|+ρmaximaxk|y(k)-xi(k)||y(k)-xi(k)|+ρmaximaxk|y(k)-xi(k)|(1)式中:εi(k)为序列Y(t)和Xi(t)时刻k的关联系数;|y(k)-xi(k)|=Δi(k)为Y(t)和Xi(t)在时刻k的绝对差值;minimink|y(k)-xi(k)|=Δmin为最小绝对差值;maximaxk|y(k)-xi(k)|=Δmax为最大绝对差值;ρ为分辨系数,当ρ越小时,分辨率就越大,取值区间为ρ∈[0,1],一般认为ρ≤0.5463时均满足分析要求,具体可根据情况取值在0.5或0.5以下。2.5关联度的计算通过关联系数的计算可以求得母序列与子序列的关联程度,即关联度。关联度的计算可以采用平均值算法,也可以采用加权平均算法,采用平均值算法的关联度计算公式为ri=1n∑nk=1ξi(k)=1n[ξi(1)+ξi(2)+…+ξi(n)]2.6关联度的排序关联度越大,说明子序列与母序列变化的态势越一致,则表明该序列对母序列的影响也就越大。如若r1>r2,则Y′(t)与X′1(t)的关联度大于Y′(t)与X′2(t)的关联度,认为母序列Y′(t)与子序列X′1(t)更相似。

湖北省各类地质灾害与伤亡人数及直接经济损失的灰色关联分析

本文选取湖北省1999—2010年地质灾害中的伤亡人数、造成的直接经济损失以及各类地质灾害(主要包括滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷)发生起数数据,并将地质灾害中的伤亡人数数据序列设为母序列Y′1(t),地质灾害造成的直接经济损失数据序列设为母序列Y′2(t);各类地质灾害数据序列中的滑坡数据序列设为子序列X′1(t),崩塌数据序列设为子序 列X′2(t),泥 石 流 数 据 序 列 设 为 子 序 列X′3(t),地面塌陷数据序列设为子序列X′4(t)。具体原始数据如表1所示。#p#分页标题#e#

原始数据的标准化处理通过对原始数据进行标准化处理,可得到新的数据序列———无量纲数据序列,见表2(表略)。3.2母序列与子序列的差序列计算标准化处理后母序列为Y1(t)和Y2(t),子序列为X1(t)、X2(t)、X3(t)和X4(t),根据公式Δi(k)=|y-xi(k)|计算差序列,可得到:伤亡人数与各类地质灾害的差序列为mintmink|y1(k)-xi(k)|=Δmin1=0.00016,maximaxk|y1(k)-xi(k)|=Δmax1=2.8915;直接经济损失与各类地质灾害的差序 列 为mintmink|y2(k)-xi(k)|= Δmin2=0.00845,maximaxk|y2(k)-xi(k)|=Δmax2=3.99606。3.3灰色关联系数和灰色关联度的计算分辨系数ρ一般取值为0.5,本文根据分辨系数越小、分辨率越大,选取ρ=0.1,计算地质灾害伤亡人数与各类地质灾害的关联系数ξ1i(k)(k=1,2,…,12),并根据公式(2)求得灰色关联度见表3,其中r11=0.3110,r12=0.3052,r13=0.4379,r14=0.3115,经过排序为r13>r14>r11>r12;同时计算地质灾害直接经济损失与各类地质灾害的关联系数ξ2i(k)(k=1,2,…,12),并根据公式(2)求得灰色关联度见表3,其中r21=0.5065,r22=0.4631,r23=0.4879,r24=0.3655,经过排序为r21>r23>r22>r24。3.4灰色关联分析通过对湖北省矿山地质灾害造成的人员伤亡及直接经济损失与各类地质灾害的灰色关联分析,可以看出:(1)由地质灾害造成的伤亡人数与各类地质灾害的灰色关联度分析可知:湖北省矿山地质灾害类型中泥石流X′3(t)与人员伤亡Y′1(t)关联度最高,为r13=0.4379,从总体上看,虽然泥石流在湖北省发生的总起数数目不大,但是由于其爆发突然和来势凶猛等特点,会迅速冲进周边乡镇,摧毁房屋、工厂及其他设施场所,并且毁坏土地,造成村毁人亡的灾难,因此需要引起高度重视。另外,湖北省矿山地质灾害中滑坡、崩塌以及地面塌陷也在一定程度上对人民的生命构成了威胁,亦应引起重视。其次为地面塌陷X′4(t)、滑坡X′1(t)和崩塌X′2(t),关联度分 别 为r14=0.3115、r11=0.3110和r12=0.3052,此三类地质灾害与人员伤亡Y′1(t)关联度相差不大;按照关联度大小,可将各类地质灾害排序为泥石流X′3(t)>地面塌陷X′4(t)>滑坡X′1(t)>崩塌X′2(t)。表明泥石流在湖北省矿产资源开发过程中对人民的生命财产安全构成了很大的威胁。(2)由地质灾害造成的直接经济损失与各类地质灾害的灰色关联度分析可知,湖北省矿山地质灾害类型中滑坡X′1(t)与地质灾害造成的直接经济损失Y′2(t)关联度最高,为r21=0.5065,其次为泥石流X′3(t)和崩塌X′2(t),关联度分别为r23=0.4879和r22=0.4631,略小于滑坡X′1(t),其中地面塌陷X′4(t)与直接经济损失的关联度明显小于其余3类矿山地质灾害,关联度为r24=0.3655,表明滑坡、泥石流和崩塌在较大程度上影响到了湖北省整体经济的发展;按照关联度大小,可将各类地质灾害排序为滑坡X′1(t)>泥石流X′3(t)>崩塌X′2(t)>地面塌陷X′4(t)。(3)滑坡、泥石流和崩塌对湖北省生产建设的危害巨大[10,11],常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大的损失,有的甚至是毁灭性的灾难。这些地质灾害发生在乡村则摧毁农田、房舍、伤害人畜、毁坏森林、道路以及农业机械设施和水利水电设施等,发生在城镇则摧毁工厂、学校、机关单位等,并毁坏各种设施,造成停电、停水、停工等不利于正常生产运作的危害[12]。

对策与建议

针对湖北省不同类型的矿山地质灾害对人员伤亡和直接经济损失不同程度的影响,提出以下防治对策与建议:

(1)从微观层面上,湖北省矿山地质灾害中泥石流对人民生命安全的威胁最大,滑坡、崩塌和地面塌陷也有一定程度的威胁,同时除地面塌陷造成的直接经济损失相对较小之外,滑坡、泥石流和崩塌都造成了巨大的经济损失,因此应结合湖北省矿山地质灾害的区域分布实际情况,一是崩塌、滑坡、泥石流主要集中分布在西部山区,尤以长江及其支流沿岸最为严重,二是岩溶地面塌陷、采空区地面沉陷则主要聚集于鄂东南、鄂中地区,主要分布在武汉、黄石、大冶、阳新、鄂州、咸宁、应城等地,着重加强这些区域的地质灾害防治工作[13]。

具体措施如下:①对于滑坡,应通过减轻或消除水的危害,防止雨水汇集冲刷,同时采取降低边坡滑坡区域分层高度和增加分层个数,并放缓坡脚以及降低堆积高度等措施来进行滑坡地质灾害的防治;②对于崩塌,对存在大量的风化破碎或软结构面的地段应采取降低台阶高度或放缓边坡来减轻其自重等措施来进行崩塌地质灾害的防治;③对于泥石流,应以拦挡为主,并以排泄疏导为辅,根据地质条件在容易发生泥石流的区域修筑拦截坝以对该区域范围内的松散物质进行封固,同时应在合理位置修建沟渠,以便一旦发生泥石流时能将泥石流及时排出;④对于地面塌陷,应采用充填复垦法,利用矿区附近的煤矸石、粉煤灰以及露天矿剥离物等可以利用的充填材料对塌陷部位进行充填,进行废物循环利用[14,15]。

(2)从宏观层面上,应当在完成湖北省全省地质灾害调查和建成全省地质灾害数据库系统的基础上,对一些严重阻碍经济发展和危害人民生命财产安全的重大地质灾害隐患点实施勘查、监测和治理,并组织开展县(市)地质灾害防治规划、地质灾害调查与区划等项工作,大力贯彻实行矿山地质灾害危险性评估制度,从管理体系、法规体系入手,规范矿产开发与地质环境相关的行为,强化地质环境保护意识,理顺地质灾害防治程序[16]。同时,针对湖北省地质灾害点多、面广、危害大、多在汛期发生的特点,应当制定和完善地质灾害防灾预案制度、地质灾害速报制度、地质灾害险情巡查制度、地质灾害汛期值班制度,以期及早发现灾情,把损失降低到最小程度。#p#分页标题#e#

本文作者:吕军 尹伟锋 单位:武汉中国地质大学经济管理学院