CN101726750A - 地裂缝评价的“三图法” - Google Patents
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Abstract
本发明地裂缝评价的“三图法”，首先进行地裂缝危险性评价与区划，形成地裂缝危险性分区图；其次进行地裂缝易损性评价与区划，形成地裂缝易损性分区图；最后形成地裂缝危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划。克服了现有技术无法充分反映灾害的自然和社会属性、无法综合定量评价地裂缝灾害的缺陷，首次定义了地质灾害危害性(hazardness)的概念，首次提出了进行地质灾害危害性评价的观点。提供了地裂缝成因的室内相似材料物理仿真模拟试验方法；首次以非线性思想研究了地裂缝和构造、地貌、地震的结构特征——分形特征；首次将人工神经网络(ANN)和地理信息系统(GIS)耦合技术应用在地裂缝危险性评价中。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种地质灾害评价的方法，尤其是一种地裂缝地质灾害评价的“三图法”。
背景技术
地裂缝作为一种由内、外营力以及人类活动等因素的作用引发的表生地质灾害现象，与地质历史上的断裂构造相比，它是人们能直接观测到的构造断裂活动，在世界许多国家普遍存在，其灾害发生频率与规模逐年加剧，已成为一种区域性地质灾害的主要灾种。对它们的研究，可反演地质历史中老构造的活动轨迹，为减轻人们的生命财产损失做出贡献，具有重要的理论意义和实用价值。我国区域性地裂缝灾害相当严重，在冀、晋、陕、吉、鲁、豫、皖、湘、黔、赣、粤、桂、川共13省均有其造成破坏的报道，据王景明统计估算，截止至1998年初，全国由地裂缝灾害所造成的经济损失为91.3亿元。因而，尽早查清地裂缝灾害的分布特征，搞清地裂缝形成机理，了解地裂缝的活动规律，评价地裂缝的危险性与承灾区的易损性，全面认识地裂缝的危害性，对制定减灾规划，部署防治工程，提高灾害管理水平具有十分重要的理论指导意义和实用价值。
国外对地裂缝研究最多的国家是美国，主要形成了三种观点。最初Leonard在1929年提出了地裂缝的构造成因说，他从地震角度分析了1927.9.12出现于亚利桑纳州Picacho城附近的地裂缝及相距13km的Ei Tiro Mine的地面异常破裂的成因，认为是1927.9.11发生于亚利桑纳州东南部Tucso城附近的地震活动导致了地层破裂或诱发了已有破裂面的重新复活。五十年代起提出了地下水开采成因观点，被大多数地裂缝研究者所接受，并先后提出了许多不同的成因机理解释，其中具有代表性的有Feth在1951年提出的不均匀沉降机理。Fletcher(1954)等提出的渗透应力拖曳机理、Neal等(1968)提出的失水收缩机理和Bouwer(1977)提出的刚性折裂机理；七十年代末以来，Holzer等提出了地裂缝的构造与地下水开采复合成因观点，随着研究的深入及大量长期观测资料的积累，人们在比较普遍接受地裂缝的构造及地面沉降复合成因观点的同时，也深深认识到地裂缝成因机理的多样性和复杂性。
我国区域性地裂缝灾害主要发生于汾渭地堑、郯庐断裂带、华北平原及大别山北麓断裂系等几个新构造活动区域。其中汾渭地堑是我国地裂缝灾害最严重的区域，其发生时间和空间分布的区域性特点最为典型，对这一地区的研究工作做的也较多。有关西安、大同、临汾地裂缝灾害的综合研究(陕西地矿局等，1987，1990；刘玉海等，1991；国家地震局地质研究所，1992，中国矿业大学，1998)显示，作为一种构造区域内的共生地质现象，汾渭地堑地裂缝区域构造背景是明显的，地裂缝的发生与区域性构造活动的强化相伴生，地裂缝的分布和力学形态也反映出基底构造的主控作用。另一方面，汾渭地堑地裂缝也与人类活动的加剧(地下水过量开采)及发育的特殊环境等表现有普遍性关联特性。
灾害评价作为灾害研究领域中一门新的边缘学科，是为了满足政府和保险等减灾行业对掌握各种灾害风险程度的迫切需要而开始出现的，是近几十年来随着灾害损失的日益严重和相关学科的迅速发展而兴起的。地质灾害，通常指由于地质作用引起的人民生命财产损失的灾害。地质灾害按照我国的定义划分，可划分为6种类型。据统计，每年全世界因灾害造成的直接和间接经济损失达850～1200亿美元。我国是世界上灾害最严重的国家之一。90年代以来，我国每年灾害造成的直接经济损失高达数百亿元至数千亿元，相当国民生产总值(GNP)的3％～6％，造成数千至1万人的死亡。因此地质灾害已成为严重制约地区地方经济及社会发展的重要因素，甚至严重影响了中国经济社会的可持续发展。
地质灾害评价的基本任务是分析地质灾害活动程度、破坏损失程度、减灾效益及灾害的可防治性，地质灾害评价内容可概括为4个方面：危险性评价、易损性评价、破坏损失评价、防治工程评价。危险性评价和易损性评价是灾情评估的基础。地质灾害危险性评价是正确认识地质灾害的危险性背景，地质灾害形成的影响因子，主控因子及发生频率和危险性分区，是地质灾害自然属性特征的体现；而揭示的是地质灾害承灾区的社会经济属性。
近年来，在国家支持下，有关部门和专家开始进行地质灾害评价方面的工作，从理论和实践上为地质灾害评价提供了有益的经验。1998年张梁等探索建立了地质灾害灾情评估系统，利用人口密度、土地价值损失、建筑物破坏三项指标，对西安地裂缝和大同地裂缝灾害灾情进行初步评估。但由于目前尚难找出符合当地实际状况的各项损失指标，因此计算出的地裂缝灾害经济损失，与当地地裂缝灾害的实际损失和前人估算的损失相关较远。如张梁等用自行确定的三项损失指标估算的大同地裂缝现实总损失为4000万元；确定西安地裂缝的建筑和土地两项损失为6220万元，是前者估算的7.5倍；据彭建兵等(1992年)估算西安地裂缝总损失为9.75亿元，是前者估算值的15.7倍，各方估算损失相差悬殊，表明目前所有地裂缝灾害灾情评估方法尚不成熟，有待深入探寻可行方法。
多年来对地裂缝研究已经取得了许多可喜的成果，特别是在地裂缝的几何学与运动学特征、地质背景及其地球物理与地球化学特征、古地裂缝与地震的关系、断层活动与过量抽汲深层承压水等致裂因素以及地裂缝活动性规律的预报预测等问题方面，进行了深入的研究和探讨，但仍存在以下问题：
1.虽然人们对地裂缝的成因进行了大量的研究，并取得了多方面成果，但对在致裂成因中构造活动和抽汲深层承压水何者为主导因素的认识上尚未统一，而且对具体的形成机理研究还处于分析推理阶段。对于众多专家提出的各种成因机理，采取什么样的方法加以验证，这是地裂缝研究的一个必不可少的方面，也是地裂缝减灾防灾措施制订的基础。
2.地裂缝及其所处环境是一个非线性动力系统，具有复杂的结构，它的演化过程是一个自组织临界过程，地裂缝的形成和发展受到构造、地下水、地层和地貌等多种因素的影响，不表现为线性函数的关系。过去对地裂缝的定量描述以及预测预报工作中多只考虑单一因素，而在近年来对地裂缝的多因素影响研究则主要采用线性方法，无法对影响地裂缝的各种因素之间的关系进行准确的描述，更不能保证其预报结果的可靠性。
3.在地质灾害评价方面，虽然单独进行了一些地质灾害的危险性和承灾区易损性的评价工作，但主要以定性或半定量评价工作为主，无法充分反映灾害的自然和社会属性，无法根据灾害的危险性和易损性评价结果，综合定量地评价地质灾害对人类生存环境所造成的危害，而且由于各人选取的评价因子和评价模型的不同，所得出的结果也各不相同。
现有技术的上述单独进行的地质灾害的危险性和承灾区易损性的评价工作，主要以定性或半定量评价工作为主，无法充分反映灾害的自然和社会属性，无法根据灾害的危险性和易损性评价结果综合定量地评价地质灾害对人类生存环境所造成的危害性；而且由于各人选取的评价因子和评价模型的不同，所得出的结果相差悬殊，表明目前所有地质灾害灾情评估方法尚不成熟，有待深入探寻可行方法。
地质灾害定量评价是实施防灾、减灾工作的基础依据。长期以来，政府和保险等减灾行业迫切需要综合定量地评价地质灾害对人类生存环境所造成的危害。
经过长期的研究和实践，本发明满足了上述政府和保险等减灾行业的需求。
发明内容
本发明目的之一在于，克服现有技术的不足，提供一种能够综合反映地裂缝灾害的自然和社会属性、综合定量地评价地裂缝灾害对人类生存环境所造成的危害的地裂缝灾害评价方法。
本发明进一步的目的在于，提供一种地裂缝成因的室内相似材料物理仿真模拟试验方法。
本发明更进一步的目的还在于，提供一种地裂缝受构造、地下水、地层、地貌、地震等多因素影响的非线性评价研究方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：地裂缝评价的“三图法”，包括以下步骤：
1.进行地裂缝危险性评价与区划，形成地裂缝危险性分区图；
危险性评价是地质灾害自然属性特征的体现。因此，进行地裂缝危险性评价，首先要进行地裂缝成因及发育环境的研究，定性分析并提出地裂缝成因机制概念模型。
其次，设计物理模拟试验模型，进行室内相似材料物理仿真模拟，以验证上述的地裂缝成因机制概念模型。
再次，进行地裂缝发育系统的非线性分形研究。采用箱形覆盖法，计算地裂缝和构造、地貌、地震的分维值，判断地裂缝、地震、地貌的形成与构造活动的关系。
最后，应用地理信息系统(GIS)与人工神经网络(ANN)耦合技术，定量研究地裂缝灾害的自然属性。
所述的地裂缝危险性评价与区划，划分为三个区域：危险区、过渡区、安全区；应用GIS的输出模块加以整理，可得地裂缝危险性分区图。
2.进行地裂缝易损性评价与区划，形成地裂缝易损性分区图；
易损性评价是地裂缝灾害社会属性特征的体现。因此，进行地裂缝易损性评价，首先要进行承灾体的损失估计。
其次，选取易损性评价指标。通过对承灾区地裂缝灾害调查研究，根据承灾体分布特征和当地社会、经济、环境和城市建设发展状况，确定涉及社会和经济发展的易损性评价指标。
再次，应用地理信息系统(GIS)与层次分析法(AHP)耦合理论与方法，定量研究地裂缝灾害发生的社会属性。
最后，根据地理信息系统(GIS)与层次分析法(AHP)耦合模型运算的结果，按照频数分布找出阈值(分组临界值)，然后利用空间操作与分析功能，对研究区进行地裂缝灾害易损性分区，编制易损性分区图。
3.形成地裂缝危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划。
应用地理信息系统(GIS)技术，根据多源地学信息复合叠加原理，综合地裂缝的自然和社会属性，综合定量地评价地裂缝危害性。
地质灾害危害性(hazardness)是一个地区在一定时期内可能发生的某种地质灾害活动所造成的损害程度的综合反映。所述的地裂缝危害性是一个地区在一定时期内可能发生的地裂缝灾害活动所造成的损害程度的综合反映。一个地区一定时期内是否会发生地裂缝灾害，即决定于地裂缝灾害的危险性，即灾害密度、规模和频次等特征，又取决于承灾区的易损性，即承灾区密度和抗灾能力等。
地裂缝灾害危害性研究综合考虑这两方面因素，灾害危害性＝危险性*易损性……。
所述的应用地理信息系统(GIS)技术，根据多源地学信息复合叠加原理，综合地裂缝灾害的自然和社会属性，综合定量地评价地裂缝灾害危害性，是叠加上述的地裂缝灾害的危险性分区图与易损性分区图，形成地裂缝灾害危害性分区图，进行危害性评价与区划。
由于采用了上述的地裂缝评价的“三图法”技术方案，本发明具有的有益效果在于：
1.克服了现有技术主要以定性或半定量评价工作为主，无法充分反映灾害的自然和社会属性，无法根据灾害的危险性和易损性评价结果综合定量地评价地裂缝灾害的缺陷，首次定义了地质灾害危害性(hazardness)的概念，首次提出了进行地质灾害危害性评价的观点。灾害危害性评价综合全面地定量反映了地质灾害的自然和社会经济属性，对全面认识地质灾害程度，制定减灾规划，部署防治工程，提高灾害管理水平具有十分重要的意义。
2.提供了一种地裂缝成因的室内相似材料物理仿真模拟试验方法，再现了地裂缝形成发育的基本规律和主控因素，表明地下水超采与构造活动都会在地表形成拉张应力，引起地裂缝产生与发展，而构造活动对地裂缝的影响相对地下水开采的影响要大。
3.首次以非线性思想研究了地裂缝和构造、地貌、地震的结构特征——分形特征，通过计算它们的分维值，发现了地裂缝、地震、地貌的形成都与构造活动有密切关系。
4.首次将人工神经网络(ANN)和地理信息系统(GIS)耦合技术应用在地裂缝危险性评价中。在采用GIS技术对榆次地裂缝致灾因子进行量化的基础上，建立了四输入、一输出和一个隐含层的反向传播BP神经网络模型，以期更准确的描述地裂缝各影响因子对地裂缝形成的影响。利用该模型进行了榆次地裂缝灾害危险性评价，并利用GIS将研究区按照危险性系数分区。
附图说明
附图1，本发明的地裂缝评价的“三图法”工作流程图。
附图2，本发明的某地地裂缝分布示意图。
附图3，本发明的某地地裂缝构造成因力学机制概念模型示意图。
附图4，本发明的模型I。
附图5，本发明的模型II。
附图6，本发明的断层量化子专题层图。
附图7，本发明的地下水流场量化子专题层图。
附图8，本发明的地层量化子专题层图。
附图9，本发明的地貌流场量化子专题层图。
附图10，本发明的BP人工神经网络结构图。
附图11，本发明的危险性评价分区图。
附图12，本发明的某地地裂缝易损性评价层次结构模型示意图。
附图13，本发明的某地地裂缝易损性评价分区图
附图14，本发明的某地地裂缝危害性评价分区图
图中：
10-断陷盆地，11-一级塬面，12-二级塬面，13-隐伏断层A，14-隐伏断层B，15-隐伏断层C，16-隐伏断层D，17-地表破裂，18-工矿居民点。
20-第四系，21-断层，22-基岩，23-含水层，24-土体。
30-输入层，31-隐含层，32-输出层。
40-危险区，41-过渡区，42-安全区。
50-危险性小且易损性小区，51-危险性小易损性中等区，52-危险性小但易损性大区，53-危险性中等易损性小区，54-危险性中等且易损性中等区，55-危险性中等但易损性大区，56-危险性大但易损性小区，57-危险性大易损性中等区，58-危险性大且易损性大区。
具体实施例
下面将结合附图对本发明作详细描述。
实施例1：
参照附图1，本发明一种地裂缝评价的“三图法”的具体实施技术方案包括以下步骤：
1.进行地裂缝危险性评价分区，形成地裂缝危险性分区图；
危险性评价是地质灾害自然属性特征的体现。因此，进行地裂缝危险性评价，首先要进行地裂缝成因及发育环境的研究，定性分析并提出地裂缝成因机制概念模型。
所述的进行地裂缝成因及发育环境的研究，包括承灾区构造条件、地下水开采和介质环境等方面的研究。
所述的构造条件的研究，包括区域构造和基底构造的研究。
所述的区域构造的研究，包括地震活动和地壳形变的研究。
所述的基底构造的研究，包括基底断裂分布和基底断裂活动性质的研究。
所述的地下水开采的研究，包括地下水位和降落漏斗的研究。
所述的介质环境的研究，包括地层特征和地貌特征的研究。
其次，设计物理模拟试验模型，进行室内相似材料物理仿真模拟，以验证上述的地裂缝成因机制概念模型。
所述的物理模拟试验模型，包括两个：模型I和模型II。
所述的模型I模拟地下水超采漏斗与地裂缝关系；
所述的模型II模拟断裂构造错动与地裂缝关系。通过对两次模拟试验结果对比分析，探讨地裂缝的形成机理。
再次，进行地裂缝发育系统的非线性分形研究。采用箱形覆盖法，计算地裂缝和构造、地貌、地震的分维值，判断地裂缝、地震、地貌的形成与构造活动的关系。
最后，应用地理信息系统(GIS)与人工神经网络(ANN)耦合技术，定量研究地裂缝灾害的自然属性。
所述的应用地理信息系统(GIS)与人工神经网络(ANN)耦合技术，定量研究地裂缝灾害的自然属性，是运用地理信息系统(GIS)技术建立地学信息的各个子专题层图，然后耦合以工程技术手段模拟人脑神经网络结构和功能特征的人工神经网络(Artificial NeuralNetwork，ANN)技术，构建出地裂缝灾害非线性评价模型。
所述的地学信息的各个子专题层图，是各个主要致灾因子的量化图。
所述的各个主要致灾因子，是指影响地裂缝灾害的各因子，包括：断层，地下水流场，地层及地貌类型等。
所述的各个主要致灾因子的量化图，包括：断层量化子专题层图，地下水流场量化子专题层图，地层量化子专题层图及地貌类型量化子专题层图等。
所述的地裂缝灾害非线性评价模型，选用BP网络模型，该BP网络模型包括输入层、隐含层和输出层三层。
将研究区构造、水位、地层和地貌数字量化专题层结果输入模型，启动模拟评价系统，计算出地裂缝危险性指数(FC)，将模型输出值FC按照频数分布找出阈值(分组临界值)，然后利用空间操作与分析功能可得地裂缝危险性评价分区。
所述的地裂缝危险性评价分区，划分为三个区域：危险区、过渡区、安全区。
应用GIS的输出模块加以整理，可得地裂缝危险性分区图。
2.进行地裂缝易损性评价分区，形成地裂缝易损性分区图；
易损性评价是地裂缝灾害社会属性特征的体现。因此，进行地裂缝易损性评价，首先要进行承灾体的损失估计。
所述的承灾体的损失估计，至少包括按成本价值损失核算的土地价值损失、建筑物破坏损失、城市道路破坏损失以及企业减停产损失等。
其次，选取易损性评价指标。通过对承灾区地裂缝灾害调查研究，根据承灾体分布特征和当地社会、经济、环境和城市建设发展状况，确定涉及社会和经济发展的易损性评价指标。
所述的易损性评价指标，至少包括土地、建筑物、城市道路和交通线路(铁路或公路)等。
再次，应用地理信息系统(GIS)与层次分析法(AHP)耦合理论与方法，定量研究地裂缝灾害发生的社会属性。
应用地理信息系统(GIS)建立上述的各个评价指标的量化子专题层图，包括：土地价值损失、建筑物破坏损失、城市道路损失和交通线路(铁路或公路)损失量化子专题层图；然后应用层次分析法(AHP)，确定上述的易损性各评价指标的权重系数；最后，经过与实际情况的拟合分析，建立地裂缝灾害易损性评价的评价决策模型。
最后，根据地理信息系统(GIS)与层次分析法(AHP)耦合模型运算的结果，按照频数分布找出阈值(分组临界值)，然后利用空间操作与分析功能，对研究区进行地裂缝灾害易损性分区，绘制易损性分区图。
3.形成地裂缝危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划。
应用地理信息系统(GIS)技术，根据多源地学信息复合叠加原理，综合地裂缝的自然和社会属性，综合定量地评价地裂缝危害性。
地质灾害危害性(hazardness)是一个地区在一定时期内可能发生的某种地质灾害活动所造成的损害程度的综合反映。所述的地裂缝危害性是一个地区在一定时期内可能发生的地裂缝灾害活动所造成的损害程度的综合反映。一个地区一定时期内是否会发生地裂缝灾害，即决定于地裂缝灾害的危险性，即灾害密度、规模和频次等特征，又取决于承灾区的易损性，即承灾区密度和抗灾能力等。
地裂缝灾害危害性研究综合考虑这两方面因素，灾害危害性＝危险性*易损性……。
所述的应用地理信息系统(GIS)技术，根据多源地学信息复合叠加原理，综合地裂缝灾害的自然和社会属性，综合定量地评价地裂缝灾害危害性，是叠加上述的地裂缝灾害的危险性分区图与易损性分区图，形成地裂缝灾害危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划。
所述的叠加上述的地裂缝灾害的危险性分区图与易损性分区图，形成地裂缝灾害危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划，是假定在危险性评价分区图中划分出两个区域，即有两个空间对象，分别为危险区和安全区；在易损性评价分区图中也划分出两个区域，分别为易损区、安全区；应用GIS的多源信息复合叠加功能，将危险性分区图与易损性分区图叠加，生成四个新的空间对象，形成危害性分区图。
在危害性分区图中，每个对象有三个基本属性：危险性、易损性和危害性，它们分别为：当危险性高，易损性也高时，危害性为最高；危险性高，易损性低时，危害性为较高；危险性低，易损性高时，危害性较低；危险性为低，易损性也低时，危害性最低。
实施例2：
参照附图2-7，下面以某地地裂缝为例，详细论述本发明地裂缝评价的“三图法”的具体实施技术：
1.进行地裂缝危险性评价分区，形成地裂缝危险性分区图；
首先要进行地裂缝成因及发育环境的研究，定性分析并提出地裂缝成因机制概念模型。
所述的进行地裂缝成因及发育环境的研究，包括承灾区构造条件、地下水开采和介质环境等方面的研究。
该地地处断陷盆地10的边缘地带，以西、西北是地势较高的一级塬面11和二级塬面12，所以区内地质构造的主要特征是隐伏断层发育。目前查明的隐伏断层有4条隐伏断层A13、隐伏断层B14、隐伏断层C15、隐伏断层D16。
隐伏断层A13是断陷盆地10东北边界上的边界断裂，呈NNW-SSE方向延伸穿越两条铁路线的交汇地带(图中未示出)，该隐伏断层A13全长约34km，断层面西倾，倾角较大，为西盘下降的正断层，断层落差北段较大，最大达800m以上，向南逐渐变小，最小处仅为数十米。上盘以南端为中心，呈枢纽状下沉。该隐伏断层A13的空间展布位置主要依据上下盘基岩面埋藏深度的急剧变化来确定。作为边界断裂的隐伏断层A13，上盘的下降幅度很大，因此对下盘的牵引、拖曳作用也很强，从而形成了断层下盘中的NWW-SEE方向的引张应力场。根据新生界底板(N2)在边山阶地相对高程为400米和盆地新生界底板埋深达600米的勘探数据，可以推断，隐伏断层A13的累积断距为1000米，其平均活动速率为0.07毫米/年。
隐伏断层B14，走向NNW，全长约20km。断层面倾向西，为西盘下降的正断层。据钻孔揭露，断层东盘(下盘)25m深处，见上新统顶面，西盘(上盘)上新统顶面的埋藏深度达125m，表明该隐伏断层B14落差在100m以上，并说明该隐伏断层B14在上新世之后仍有活动。
隐伏断层C15，走向NNW，倾向SWW，全长约4km，为为西盘下降的隐伏正断层，落差120m。隐伏断层C15以东为一级塬面11和二级塬面12，在三叠系下统基岩之上普遍有上新统地层分布，局部有更新统地层。隐伏断层C15以西逐渐过渡为洪积倾斜平原，海拔高程800～860m，为相对沉积区，地势平坦，冲沟不发育。
隐伏断层D16走向NE30°，位于隐伏断层A13与隐伏断层B14两断层之间的断块上。初步估计落差仅数十米，是隐伏断层A13、隐伏断层B14顺时扭动的派生产物。
该地地裂缝分布区，其平面展布呈断续状，具有一定的分带性和严格的方向性。就其延展的方向性而言，以近南北向为主，北东向次之，东西向为少数，且基本上与研究区的主要断裂构造平行。出露的地表破裂17以张裂为特征，并组合呈平行状排列，未发现水平或垂向的位错痕迹。同时，地表破裂17仅在浅表发育，属于无根破裂，破裂尖灭的深度一般为2~3m，最深不超5~6m。地裂缝的形成与发展具有一定的周期性。在一年的连续观测中，多数观测点的变化呈缓慢张开-缓慢合拢过程，张开量在0.5~0.2mm。即在冬季，随着温度的降低裂缝缓慢张开，相反在夏季，随着温度的升高裂缝又缓慢的合拢。
该地所处的地堑系是由一系列右行斜列的断陷盆地构成的，盆地之间都有一条“传递带”，使盆地相互沟通。“传递带”的作用是使断陷盆地的纵向延伸突然中辍，然后把伸展运动传递到相邻的盆地中。隐伏断层A13断层就属于“传递带”的组成部分，它一方面截断了断陷盆地10，使断陷盆地10不能继续向NE方向延伸，另一方面把断陷盆地10的伸展运动传递到相邻的盆地中。这种作用，除使隐伏断层A13具有较强的左旋倾滑特性外，上盘的强烈断陷，又使下盘受到了较强烈的SWW--NEE方向的牵引、拉伸，隐伏断层A13下盘基岩面向NWW方向倾斜和NNW向的阶梯状正断层(，隐伏断层C15)就是这一地应力产生的构造形迹。这些构造变动又进一步控制了新生界的堆积与分布，以及地形、地貌特征。
隐伏断层A13的左旋倾滑运动，使隐伏断层A13与隐伏断层B14两断层之间的断块受到了左旋扭动作用，在此应力作用下，断块上极易产生与隐伏断层A13、隐伏断层B14斜交的张断裂。隐伏断层D16便是这种应力作用的产物。
在基底扭动运动情况下，受其拖曳作用，上覆的第四系20松散地层将产生扭动拉张变形。根据类似力学过程的模拟实验结果及相应的构造作用过程的力学解析观点，受基底扭动作用，上部地层最容易形成的破裂变形将是张破裂。
目前查明的地裂缝密集带，主要分布在隐伏断层B14与隐伏断层D16的上盘靠近断层线的部位，地裂缝带的延展方向以南北向为主，北东向次之，与断层走向平行。我们认为局部地应力场及其引起的构造活动是控制地裂缝形成的重要因素之一，隐伏断层A13的左旋走滑运动引起了地裂缝的产生，其成因机制概念模型如附图3所示。
通过对该地地裂缝发育规律的研究，我们认为局部地应力场及其形成的地质构造是控制该地地裂缝形成的重要因素，地下水超采是地裂缝产生与发展的诱发因素，地层和地貌是该地地裂缝的主要影响因子。
设计物理模拟试验模型，进行室内相似材料物理仿真模拟，以验证上述的地裂缝成因机制概念模型。物理模拟试验模型包括两个：模型I和模型II。模型I模拟地下水超采漏斗与地裂缝关系；模型II模拟断裂构造错动与地裂缝关系。通过对两次模拟试验结果对比分析，探讨地裂缝的形成机理。
试验中模型的变形破裂过程与实际情况基本吻合，证明了构造活动与地下水开采对地裂缝的形成和发展具有重要的影响，通过两次试验结果对比可以看出，当地特殊的地质条件对地裂缝出现位置具有较大的影响，地下水开采造成的裂缝在宽度与发育速度上相对较小，断层活动对地裂缝产生的影响相对较大。试验结果说明，室内相似材料物理仿真模拟试验是地裂缝研究的一个确实可行的实验方法。
分形是一种局部与整体之间存在的某种相似的形，反映了自然界中很广泛一类物质的基本属性。分形的突出特点是无特征尺度，分形的核心是自相似性。
采用箱形覆盖法，可以计算出该地地裂缝和构造、地貌、地震的分维值分别为1.1659、1.1975、1.2154和1.7916，发现地裂缝、地震、地貌的形成都与构造活动有密切关系；将地裂缝的分维值与构造分维值相比较，可以得出以下结论：(1)地裂缝分维值(1.1659)与断层分维值(1.1975)非常接近，与地裂缝形态和断层形态在空间上的相似特征相一致，同属于剪切走滑性质，进一步反映构造条件对地裂缝形成的影响；(2)地裂缝分维值小于断层分维值，说明地裂缝的复杂程度和活动性都小于断层。
该地地裂缝的形成与当地的应力场的变化有着密切的关系，它与地震的关系也是密不可分的。以分形理论对地裂缝与地震的关系进行了研究，计算了1978、1979、1982、1989、1993、1996和1997地裂缝产生前后地震分维值的变化，发现在1978、1979、1982、1996和1997年地裂缝出现前地震分维值产生了降维的现象，并且地裂缝出现后地震分维值升高；只有在1989和1993年不符合这一特征。因此认为地震分维值的变化与地裂缝产生时间具有一定的联系，可以利用地震分维值的变化来预测地裂缝的产生。
最后，应用地理信息系统(GIS)与人工神经网络(ANN)耦合技术，定量研究地裂缝灾害的自然属性。运用地理信息系统(GIS)技术建立地学信息的各个子专题层图，然后耦合以工程技术手段模拟人脑神经网络结构和功能特征的人工神经网络(Artificial Neural Network，ANN)技术，构建出地裂缝灾害非线性评价模型。
这些地学信息的各个子专题层图，是指影响地裂缝灾害的各因子，包括：断层，地下水流场，地层及地貌类型等，其量化图包括：断层量化子专题层图(附图6，图中数字为量化值)，地下水流场量化子专题层图(附图7，其中数字为量化值)，地层量化子专题层图(附图8，图中数字为量化值)及地貌类型量化子专题层图(附图9，图中数字为量化值)等。
根据对该地地裂缝灾害的综合研究，选用BP网络模型(附图10)，包括三层：即输入层、隐含层和输出层。由于三层网络中引入了中间隐含层，每个隐含神经元可以按不同的方法来划分输入空间，它能够抽取输入空间中包含的某些特征，从而形成更为复杂的分类区域，这就大大提高了神经网络的分类能力。模型仿真模拟识别的计算参数见表1。
表1人工神经网络模拟识别的参数
| 参数 | J＝1 | J＝2 | J＝3 | J＝4 |
| W1j | -9.302644979967 | -16.679688791697 | -29.435276044219 | -41.687649440928 |
| W2j | 14.300488110297 | -19.486698697923 | .814471945064 | -17.712228440687 |
| W3j | -75.351356076339 | 103.278466590833 | 28.638411751431 | -52.270693665768 |
| W4j | -4.064020009095 | -1.770943768163 | -2.025587023532 | -4.050806233685 |
| Vj | 7.733460525636 | -1.143994543959 | 5.546384014609 | -53.252873251031 |
将研究区构造、水位、地层和地貌数字量化专题层结果输入模型，启动模拟评价系统，计算出地裂缝危险性指数(FC)，将模型输出值FC按照频数分布找出阈值(分组临界值)，然后利用空间操作与分析功能可得地裂缝危险性评价分区，划分为三个区域：危险区、过渡区、安全区。应用GIS的输出模块加以整理，可得地裂缝危险性分区图(附图11)。
2.进行地裂缝易损性评价分区，形成地裂缝易损性分区图；
易损性评价是地裂缝灾害社会属性特征的体现。因此，进行地裂缝易损性评价，首先要进行承灾体的损失估计。该地地裂缝承灾体主要是土地、建筑物和城市道路，其内部财产的损失和人员伤亡极少，可忽略不计。因此，对地裂缝灾害经济损失值按成本价值损失核算，计算土地价值损失为9323.728万元、建筑物破坏损失为3688.6万元、城市道路破坏损失102.6万元和由于建筑物破坏导致的企业减停产损失2331万元，总计为1.5446亿元。
通过对该地地裂缝灾害调查研究，我们确定了土地价值损失、建筑物破坏损失、城市道路损失和铁路损失四项易损性评价指标。
应用地理信息系统(GIS)建立上述的各个评价指标的量化子专题层图，包括：土地价值损失、建筑物破坏损失、城市道路损失和铁路损失量化子专题层图；然后应用层次分析法(AHP)，确定上述的易损性各评价指标的权重系数；最后，经过与实际情况的拟合分析，建立地裂缝灾害易损性评价的评价决策模型(附图12)。
根据易损性指数(Y(ρ)I)公式：Y(ρ)I＝WL·EL+WS·ES+WR·ER+WN·EN(式中：、EL、ES、ER、EN分别表示土地、建筑物、铁路、城市道路要素，WL、WS、WR、WN分别为土地、建筑物、铁路城市道路相应的权重)，通过层次决策分析法确定各因素的权重值分别为：WL为0.0955、WS为0.16、WR为0.4675、WN为0.277。根据综合评价模型运算的结果，按照频数分布找出阈值(分组临界值)，然后利用空间操作与分析功能，对研究区进行地裂缝易损性分区，绘制易损性分区图(附图13)。
3.形成地裂缝危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划。
危害性定义：地质灾害危害性(hazardness)是一个地区在一定时期内可能发生的某种地质灾害活动所造成的损害程度的综合反映。所述的地裂缝危害性是一个地区在一定时期内可能发生的地裂缝灾害活动所造成的损害程度的综合反映。一个地区一定时期内是否会发生地裂缝灾害，即决定于地裂缝灾害的危险性，即灾害密度、规模和频次等特征，又取决于承灾区的易损性，即承灾区密度和抗灾能力等。
地裂缝灾害危害性研究综合考虑这两方面因素，灾害危害性＝危险性*易损性……。
应用地理信息系统(GIS)技术，根据多源地学信息复合叠加原理，综合地裂缝灾害的自然和社会属性，综合定量地评价地裂缝灾害危害性，叠加上述的地裂缝灾害的危险性分区图与易损性分区图，形成地裂缝灾害危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划，是假定在危险性评价分区图中划分出两个区域，即有两个空间对象，分别为危险区和安全区；在易损性评价分区图中也划分出两个区域，分别为易损区、安全区；应用GIS的多源信息复合叠加功能，将危险性分区图与易损性分区图叠加，生成四个新的空间对象，形成危害性分区图(附图14)。
在危害性分区图中，每个对象有三个基本属性：危险性、易损性和危害性，它们分别为：当危险性高，易损性也高时，危害性为最高；危险性高，易损性低时，危害性为较高；危险性低，易损性高时，危害性较低；危险性为低，易损性也低时，危害性最低。
Claims (22)
1.地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：技术方案包括以下步骤：
(1)进行地裂缝危险性评价与区划，形成地裂缝危险性分区图；
(2)进行地裂缝易损性评价与区划，形成地裂缝易损性分区图；
(3)形成地裂缝危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划。
2.根据权利要求1所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的进行地裂缝危险性评价与区划，形成地裂缝危险性分区图，包括以下步骤：
首先要进行地裂缝成因及发育环境的研究，定性分析并提出地裂缝成因机制概念模型；
其次，设计物理模拟试验模型，进行室内相似材料物理仿真模拟，以验证上述的地裂缝成因机制概念模型；
再次，进行地裂缝发育系统的非线性分形研究。采用箱形覆盖法，计算地裂缝和构造、地貌、地震的分维值，判断地裂缝、地震、地貌的形成与构造活动的关系；
最后，应用地理信息系统(GIS)与人工神经网络(ANN)耦合技术，定量研究地裂缝灾害的自然属性。
3.根据权利要求2所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的进行地裂缝成因及发育环境的研究，包括承灾区构造条件、地下水开采和介质环境等方面的研究。
4.根据权利要求3所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的构造条件的研究，包括区域构造和基底构造的研究。
5.根据权利要求4所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的区域构造的研究，包括地震活动和地壳形变的研究。
6.根据权利要求4所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的基底构造的研究，包括基底断裂分布和基底断裂活动性质的研究。
7.根据权利要求3所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的地下水开采的研究，包括地下水位和降落漏斗的研究。
8.根据权利要求3所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的介质环境的研究，包括地层特征和地貌特征的研究。
9.根据权利要求2所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的物理模拟试验模型，包括两个：模拟地下水超采漏斗与地裂缝关系的模型I和模拟断裂构造错动与地裂缝关系的模型II。
10.根据权利要求2所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的应用地理信息系统(GIS)与人工神经网络(ANN)耦合技术，定量研究地裂缝灾害的自然属性，是运用地理信息系统(GIS)技术建立地学信息的各个子专题层图，然后耦合以工程技术手段模拟人脑神经网络结构和功能特征的人工神经网络(Artificial Neural Network，ANN)技术，构建出地裂缝灾害非线性评价模型。
11.根据权利要求10所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的地学信息的各个子专题层图，是各个主要致灾因子的量化图。
12.根据权利要求11所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的各个主要致灾因子，是指影响地裂缝灾害的各因子，包括：断层，地下水流场，地层及地貌类型等。
13.根据权利要求11所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的各个主要致灾因子的量化图，包括：断层量化子专题层图，地下水流场量化子专题层图，地层量化子专题层图及地貌类型量化子专题层图等。
14.根据权利要求11所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的地裂缝灾害非线性评价模型，选用BP网络模型，该BP网络模型包括输入层、隐含层和输出层三层。
15.根据权利要求1、2所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的所述的地裂缝危险性评价与区划，划分为三个区域：危险区、过渡区、安全区；应用GIS的输出模块加以整理，可得地裂缝危险性分区图。
16.根据权利要求1所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：进行地裂缝易损性评价与区划，形成地裂缝易损性分区图，包括以下步骤：
首先要进行承灾体的损失估计；
其次，选取易损性评价指标。通过对承灾区地裂缝灾害调查研究，根据承灾体分布特征和当地社会、经济、环境和城市建设发展状况，确定涉及社会和经济发展的易损性评价指标；
再次，应用地理信息系统(GIS)与层次分析法(AHP)耦合理论与方法，定量研究地裂缝灾害发生的社会属性；
应用地理信息系统(GIS)建立上述的各个评价指标的量化子专题层图，包括：土地价值损失、建筑物破坏损失、城市道路损失和交通线路(铁路或公路)损失量化子专题层图；然后应用层次分析法(AHP)，确定上述的易损性各评价指标的权重系数；最后，经过与实际情况的拟合分析，建立地裂缝灾害易损性评价的评价决策模型；
最后，根据地理信息系统(GIS)与层次分析法(AHP)耦合模型运算的结果，按照频数分布找出阈值(分组临界值)，然后利用空间操作与分析功能，对研究区进行地裂缝灾害易损性分区，绘制易损性分区图。
17.根据权利要求16所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的承灾体的损失估计，至少包括按成本价值损失核算的土地价值损失、建筑物破坏损失、城市道路破坏损失以及企业减停产损失。
18.根据权利要求16所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的易损性评价指标，至少包括土地、建筑物、城市道路和交通线路(铁路或公路)。
19.根据权利要求1所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的地裂缝危害性是一个地区在一定时期内可能发生的地裂缝灾害活动所造成的损害程度的综合反映；地裂缝灾害危害性研究综合考虑这两方面因素，灾害危害性＝危险性*易损性……。
20.根据权利要求1所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的形成地裂缝危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划，是叠加上述的地裂缝灾害的危险性分区图与易损性分区图，形成地裂缝灾害危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划。
21.根据权利要求20所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：所述的叠加上述的地裂缝灾害的危险性分区图与易损性分区图，形成地裂缝灾害危害性分区图，进行地裂缝危害性评价与区划，是假定在危险性评价分区图中划分出两个区域，即有两个空间对象，分别为危险区和安全区；在易损性评价分区图中也划分出两个区域，分别为易损区、安全区；应用GIS的多源信息复合叠加功能，将危险性分区图与易损性分区图叠加，生成四个新的空间对象，形成危害性分区图。
22.根据权利要求1、20所述的地裂缝评价的“三图法”，其特征在于：在危害性分区图中，每个对象有三个基本属性：危险性、易损性和危害性，它们分别为：当危险性高，易损性也高时，危害性为最高；危险性高，易损性低时，危害性为较高；危险性低，易损性高时，危害性较低；危险性为低，易损性也低时，危害性最低。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20100609 |