基于神经网络模型的都(江堰)四(姑娘山)线泥石流易发性评价研究

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拟建都江堰至四姑娘山轨道交通项目(以下简称都四线)跨越第二阶梯与第一阶梯的过渡区域,受龙门山断裂带的影响,区内沟壑纵横、山高坡陡、地质构造复杂、新构造运动强烈、地震活动频繁,导致区内泥石流灾害频发。在汶川、芦山地震后形成的大量松散物源参与下,泥石流的规模和破坏力更是成倍增加。另外,加上各类极端降雨条件和人类工程活动的影响,区内泥石流沟发育数量众多,传统的监测预警方法表现出工作量和投保比均较大的瓶颈,不仅阻碍了都四线的建设,而且对区内人民的生命财产形成潜在威胁。本文以拟建都四线所在区域的1599km~2为研究区,通过现场调查、遥感解译、资料收集等研究方法识别出区内共有96条泥石流沟,同时建立96条沟的详细资料库。基于资料库进行统计、分析后,认识到区内以发育小流域、陡坡降的中型泥石流为主,总体上表现为沿河流两岸、山脉两侧及山间盆地周边的山前带广泛分布,并具有冲淤特征明显、随降雨集中区密集发育的特点。基于神经网络成熟的理论基础和广泛的应用案例,结合研究区泥石流发育特征,选取流域面积、主沟长、平均坡降、最大、最小高程、最大高差、静储量、动储量、1h雨强共9个易发性评价因子,构建了以多层感知器为基础的泥石流易发性评价模型。模型输入和输出层分别代表9个评价因子和3个等级的易发程度,中间层采用Sigmoid、tanh、Re LU和Leaky Re LU为激活函数并配置不同数量的隐藏层。通过使用66条泥石流沟数据对模型进行训练后得到了4个不同激活函数下的最佳泥石流易发性评价模型。为了验证所得模型的适用性,对研究区剩余的30条泥石流沟,使用训练所得模型进行易发性评价,Leaky Re LU激活函数模型得到了19条沟属中等易发,11条沟属轻度易发的结果,与数量化评分法所得结果吻合度高达0.8889。另外,平均影响值法的验证结果表明评价因子的选取合理性较高。最终得出:Leaky Re LU激活函数模型对于研究区的泥石流易发性具有最佳的稳定性和较高的准确率,且不易出现梯度消失和过拟合现象,可以对研究区的泥石流进行快速、准确的易发性判别,据此可针对易发等级较高的泥石流沟进一步实施详细勘查或有针对性的“一沟一策”监测预警方案,不仅可节省大量的人力物力,且最大限度保障了都四线及研究区人民的生命财产安全。
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