珠江口近岸海域淺層地質災害區域風險模糊評價＊

孫 全，常方強，盧惠泉

（1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東青島266100；2.國家海洋局第三海洋研究所，福建廈門361005；3.華僑大學土木工程學院，福建廈門361021）

珠江口近岸海域淺層地質災害區域風險模糊評價＊

孫 全1，2，常方強3，盧惠泉2

（1.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東青島266100；2.國家海洋局第三海洋研究所，福建廈門361005；3.華僑大學土木工程學院，福建廈門361021）

珠江口地區是我國重要的經濟圈，人類活動劇烈，其近岸區域地質環境復雜，區內災害性地質因素廣泛發育且類型多樣。為了海底工程建設和維護的需要，對海底區域地質災害進行風險評價，可掌握不同區域的災害程度，有針對性的選擇地質條件相對穩定的區域進行工程建設，繞避高風險不良地質地區，或在不良地質地區采取相應工程措施加以防治。本文運用模糊評價的方法，將珠江口近岸113°00′E～114°00′E，21°40′N～22°40′N的區域，按照2′×2′的網格大小劃分為546個評價單元，對每個單元穩定程度逐一進行評價。評價結果表明：在研究區范圍內，多數海域海床均為穩定區域，約占總評價區的58%；較不穩定區域包含該區多種地質災害，約占研究區的25%；極不穩定區域所占范圍較小，主要分布在研究區的東北和西北2個斷層附近，該區域同時存在斷層、洼地和淺層氣，在工程建設時需著重注意。

海底地質災害；風險模糊評價；珠江口

隨著人類開發利用海洋的深入發展，世界各海洋國家都在實施新的海洋戰略。作為自然災害之一的海洋地質災害，越來越受到人們的重視［1］。珠江口位于21°52′N～22°46′N，112°58′N～114°03′E，含伶仃洋，黃茅海和橫琴島、南水道附近水域［2］，其周邊是以廣州、深圳、香港、珠海和澳門為核心的珠三角都市區，是我國重要的經濟圈，人類活動劇烈，沿岸橋梁、碼頭等基礎設施建設迅速推進，海面船只過往繁密，海底各種管線密集。其近岸區域地質環境復雜，區內災害性地質因素廣泛發育且類型多樣。對珠江口近岸海底區域地質災害進行風險評價，把握不同區域的災害程度，有針對性的選擇地質條件相對穩定的區域進行工程建設，繞避高風險不良地質地區，或在不良地質地區采取相應工程措施加以防治。對于該區海洋工程規劃、建設以及后期的維護，都具有十分重要的指導意義。

近年來，國際上對地質災害風險評價的研究得到了長足發展［3－7］，尤其是在滑坡、泥石流等地質災害危險性評價方面，更是百花齊放［8－12］。我國自然災害風險評估研究也有廣泛而迅速的發展，產生了多種風險評價的方法，具體包括模糊綜合評價法［13－15］、灰色聚類法［16－17］、人工神經網絡法、綜合指數法和多元統計法等，其中以模糊綜合評價法最為常用。目前關于區域地質災害風險評價多集中在陸地上，海底地質災害的風險評價相對較少。杜軍、李培英等［13］將我國海岸帶劃分為2 882個評價單元，利用海岸帶災害地質圖、地震動峰值加速度區劃圖和地貌圖等數字化圖層，采用模糊綜合評判方法對海岸帶災害地質進行了穩定性區劃。發現基本穩定岸段分布于我國杭州灣以北；不穩定岸段分布于福建廣東交界地帶和臺灣島西部；極不穩定岸段分布于臺灣島東部；較穩定岸段和較不穩定岸段則交錯分布于我國海岸帶其余部分［13］。黃玲玲等總結了海岸帶地質災害的評估理論和方法，認為未來海岸帶地質災害評估研究需要從研究海岸帶地質災害特殊性入手，采用多學科交叉的方法綜合研究，以實現海岸帶地質災害評估定量化和管理空間化［18］。

影響海底地質災害發育和發展的因素眾多，要綜合這諸多的影響因素并作出風險評價，得出一個較為客觀合理的結論是比較困難的。由于人們知識背景和經驗的不同導致的主觀認識的差異性和地質災害影響因素的復雜性和不確定性，對同一海域海底地質災害風險評價得出一致的結論幾乎是不可能的。與此同時，風險等級之間的界限以及影響因素的分級界限也存在不明確性和的模糊性。因此，模糊數學的方法對于刻畫海底地質災害風險性問題是較為實際可行的［19－21］。

本文首先對研究區進行評價單元劃分，根據地震動峰值加速度、地質災害分布圖［1］和海底底質類型，重點針對災害對海底管線和淺基礎等地表工程的影響，采用最常用的模糊綜合評價法對珠江口近岸地質災害進行區域風險評價，得出珠江口近岸區域地質災害發生的可能性。其中地質災害分布圖出自廣州海洋地質調查局2004年完成的《珠江三角洲近岸海洋地質環境與地質災害調查成果報告》，海底底質數據采用國家海洋局908專項底質調查最新成果。評價結果能比較客觀真實地反映地質環境對人類工程活動的適宜程度：穩定則災害可能性小，人類工程活動適宜性好；不穩定則災害可能性大，適宜性差。評價結果可為該區的合理開發與工程建設提供技術支持。

1 評價原理

模糊綜合評判是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，綜合考慮被評事物或屬性的相關因素，進而進行等級或類別評價。首先考慮2個模糊集合，即因素集和評判集。

建立因素集u＝｛u1，u2，…，um｝，其中u1，u2，…，um為評價影響珠江口近岸地質災害危險性的各個致災因素；評判集v＝｛v1，v2，…，vn｝，其中v1，v2，…，vn為劃分的n級危險性評價指標。

根據影響珠江口近岸地質災害因素的實測值選用合適的隸屬函數，求出對評判集相應的隸屬度，對單個因素ui（i＝1，2，…，m）作模糊評判，得到反映u和v的模糊關系的單因素評判矩陣：

在大量調查研究的基礎上，建立因素權重的模糊矩陣A：

式中，ai為第i個因素ui所對應的權重，且滿足1。通過權重矩陣A和模糊關系矩陣R的復合運算得到綜合評判結果，即

式中，B為評判集v上的模糊子集，其因素bi是評判集v中的因素vi的隸屬度，根據最大隸屬度原則，其最大值對應的等級即為珠江口近岸地質災害區域風險所屬的等級。

2 評價思路

2.1 確定研究區域與網格化

珠江口位于廣東省東南部，由珠江沖積形成，近岸存在著多種地質災害，包括淺層氣、沙波、斷層、淺灘、陡坎、溝槽和埋藏古河道等。為了對近岸區域進行風險評價，首先需確定研究范圍，根據實際調查結果及收集到的成果資料，確定研究范圍為：東經113°00′～114°00′，北緯21°40′～22°40′?；诘刭|災害類型的區域性效應和地質災害密度的影響，本文按照2′×2′的網格大小將珠江口近岸劃分為546個網格評價單位。

2.2 確定評價因素與分級標準

我國近岸地質災害的致災因素眾多，但主要可分為四大類，即地震類、構造類、觸發類和單元體類。具體每項包括：

（1）地震類是引起地質災害的主要根源之一，其發生可直接或間接導致其它地質災害的發生，本文主要根據地震動峰值加速度作為地震類的評價指標；

（2）構造類包括活動斷層、泥火山、淺斷層和陡坎等，斷層直接切割基巖，在地震等活動誘發下，容易產生較大變形，引發災害；

（3）觸發類包括滑坡、泥流、崩塌、沙波、淺層氣、砂土液化和侵蝕等，海底滑坡、泥流、崩塌和沙波的發生對工程危害性較大，可瞬間造成結構物的破壞；淺層氣和砂土液化的破壞過程具有時間累積效應，危害相對較??；

（4）單元體類，包括埋藏古河道、洼地、溝槽、起伏基巖、底劈、軟泥和淺灘等，該類為限制性地質條件，區別于前3種（前3種屬于活動性地質災害），它自身并不具有活動能力，但它的存在會對某些海洋工程建設起到制約作用，一些工程建設應當繞避該類單元體。

根據以上地質災害因素及其產生的危害程度，將該區穩定程度劃分為4個等級，即極不穩定、較不穩定、基本穩定和穩定，這4類評價指標構成了我國近岸地質災害區域風險評價指標體系，見表1所示。

表1 評價指標體系及其分級Table 1 The evaluation index system and classification

2.3 隸屬函數確定和權重分配

模糊數學基本方法是采用隸屬度刻畫事物間的模糊界限，這里采用公式法建立隸屬度。通過建立代表隸屬度和因素之間關系的隸屬函數，將實測影響地質災害穩定性的因素值代入隸屬函數可得隸屬度，本文采用“降半梯形”分布的隸屬函數［22］：

式中，S1，S2，S3，S4分別是地質災害風險分級的4個標準值；x為各個評價因素數值。

以上為可定量因子的隸屬度確定方法，對于不可定量的因子，如存在某種地質災害，則隸屬度為1，否則為0。

各因素在對地質災害風險程度的影響中所起的作用大小及重要性不同，綜合評判時應對各因素賦予一定的權重。權重可根據專家估測法（德爾菲法）來確定［23］，專家估測法是依據若干專家的知識、智慧、經驗、信息和價值觀，對已擬合出的評判指標進行分析、判斷、權衡并賦予相應權值。一般需經過多輪匿名調查，在專家意見比較一致的基礎上，經組織對專家意見進行數據處理，檢驗專家意見的集中程度、離散程度和協調程度，達到要求后，得到各評判因素的權重。此外也可以通過試算法確定，大致對各評判因素估計1個權重，通過大量點試算，直到綜合評判結果與實際基本相擬合。下面采用第一種方法確定影響地質災害風險程度各因素的權重矩陣，綜合12位海洋地質專家對各因素權重進行賦值，取其平均值：

地震類和構造類的權重較小，實際上當兩者發生時，對于地表工程，如海底管線和淺基礎的影響相對也較??；而觸發類和單元體類的權重較大，觸發類災害一旦發生，可能直接導致海底工程的破壞，如滑坡、泥流和崩塌，其中觸發類的穩定性和危害又比單元體的略大。由此可以看出，專家對權重的賦值結果與實際情況較為一致，具有一定合理性。

2.4 評價計算

對于某一評價網格單元，先求出該單元的評判矩陣（即模糊關系矩陣），如網格113°00′E～113°02′E和21°40′N～21°42′N形成的網格單元，地震加速度為0.1g，底質為黏土質粉砂，不易產生液化，且并未發現存在構造類、觸發類和單元體類地質災害，因此評判矩陣為：

通過與權重矩陣A進行復合運算，利用Matlab程序編程，得到綜合評判結果，即：

根據最大隸屬度原則，該單元穩定性隸屬于第四等級，即屬于穩定狀態。

同理，網格113°50′E～113°52′E和22°22′N～22°24′N形成的網格單元，地震加速度為0.1g，底質為黏土質粉砂，不易產生液化，但發現存在活動斷層構造類、淺層氣觸發類和洼地單元體類地質災害，因此評判矩陣為：

通過與權重矩陣A進行復合運算，得到綜合評判結果，即：

該單元穩定性隸屬于第一等級，即屬于極不穩定狀態。

其它網格的評判原理與以上2個的相同，不再贅述。

3 評價結果與討論

基于模糊綜合評價結果，將各評價單元穩定性級別標繪于網格內，在珠江口近岸災害地質環境綜合分析的基礎上，采用優勢合并方法，即以占優勢的網格群來代表不同區域的穩定性級別，對546個單元格進行分類合并處理，并由此編繪了珠江口近岸災害地質穩定性區劃圖（見圖1）。

從圖1中可以看出，在研究區范圍內，多數海域海床均為穩定區域，約占總評價區的58%。在穩定區域里，除分布有少量小型陡坎外，沒有發現較大地質災害類型，海底表層沉積物以黏土、砂質黏土和黏土質粉砂為主，這類沉積物在地震或極端海況下發生液化破壞的可能性仍較小，是屬于較為穩定的土層，在工程建設選址時，可優先考慮。

圖1 珠江口近岸地質災害區域風險評價結果圖Fig.1 Regional risk evaluation result of submarine geological hazard in the Pearl River estuary

較不穩定區域包含該區多種地質災害，如泥火山、淺氣層和底辟等，面積約占研究區的25%，海底表層沉積物以粉砂和砂質粉砂為主，在地震或極端海況下可能產生液化，在工程修建時需采取相應的防護措施。

極不穩定區域所占范圍較小，分布在研究區的東北和西北附近，主要受珠江口2條斷裂帶、沙波、泥流等災害影響，地層極不穩定，在工程建設時需考慮避讓或著重防護。本文給出的珠江口海域海底穩定程度評價結果可供該區工程建設選址、設計與施工時參考使用。

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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

國家海洋局908專項（908－02－03－03）資助

2010－12－02；

2011－11－02

孫 全（1980－），男，博士生，工程師，主要從事海洋地質災害及海洋工程地質方面的工作。E－mail：engineers＠163.com

責任編輯 徐 環