模糊数学方法在城市工程地质环境区划中的应用——以抚顺市城区为例.pdf

第3 8 卷第5 期吉林大学学报 地球科学版 V 0 1 ．3 8N o ．5 2 0 0 8 年9 月J o u r n a lo fJ i l i nU n i v e r s i t y E a r t hS c i e n c eE d i t i o n S e p ．2 0 0 8 模糊数学方法在城市工程地质环境区划中的应用 以抚顺市城区为例 陈力，梁海安，张文娟，荣帆 吉林大学建设工程学院，长春 1 3 0 0 2 6 摘要在对抚顺市城区地质分析的基础上，通过定性分析和类比方法，选取地质构造、地形地貌、地层 条件、地下水条件和不良物理地质作用作为评价因子。利用模糊数学方法对城市工程地质环境质量进行综 合评价分析，将抚顺市城区划为3 个工程地质环境质量区工程地质环境质量差区 I ；工程地质环境质 量较差区 I I ；工程地质环境质量一般区 n 1 ，为抚顺城市规划提供依据。 关键词模糊数学方法；地质分析；影响因子；工程地质环境质量；抚顺市 中图分类号P 6 4 2 ．5文献标识码A文章编号1 6 7 1 5 8 8 8 2 0 0 8 0 5 0 8 3 7 一0 4 A p p l i c a t i o no fF u z z yM a t h e m a t i c si nD i v i s i o no fE n g i n e e r i n g G e o - E n v i r o n m e n to fC i t i e s ‘_ _ 。。A nE x a m p l eo fF u s h u nC i t y C H E NL i ，L I A N GH a i - a n ，Z H A N GW e n - j u a n ，R o N GF a n C o l l e g eo fC o n s t r u c t i o nE n g i n e e r i n g ，J i l i nU n i v e r s i t y ，C h a n g c h u n1 3 0 0 2 6 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n da n a l o g ，t h ea u t h o r ss e l e c tt h eg e o l o g i c a ls t r u c t u r e ， t o p o g r a p h y ，s t r a t a ，g r o u n d w a t e rc o n d i t i o n sa n dh a r m f u lg e o l o g i c a ld i s a s t e r sa sag e o l o g i c a le v a l u a t i o n f a c t o r ．T h ea u t h o r sa n a l y z ea n de v a l u a t et h ee n g i n e e r i n gg e o l o g ye n v i r o n m e n tq u a l i t yo fF u s h u nr e g i o n t h r o u g ht h em e t h o do ff u z z ym a t h e m a t i c so nt h eb a s i so fi t sg e o l o g i c a la n a l y s i s ，a n dt h ee n g i n e e r i n gg e o e n v i r o n m e n ti nF u s h u nr e g i o ni sd i v i d e di n t ot h r e ez o n e s t h eb a de n g i n e e r i n gg e o e n v i r o n m e n tq u a l i t y z o n e I ；t h ep o o re n g i n e e r i n gg e o - e n v i r o n m e n tq u a l i t yz o n e Ⅱ ；t h eg e n e r a le n g i n e e r i n gg e o e n v i r o n - m e n tq u a l i t yz o n e Ⅲ ．I tp r o v i d e se n g i n e e r i n gg e o l o g ye n v i r o n m e n tb a c k g r o u n ds u p p o r tf o rp l a n n i n g w o r ko fr e s o u r c ee x p l o i t i n ga n de n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s ． K e yw o r d s f u z z ym a t h e m a t i c s ；g e o l o g i c a la n a l y s i s ；e f f e c t i n gf a c t o r ；e n g i n e e r i n gg e o - e n v i r o n m e n t q u a l i t y ；F u s h u nC i t y 地质环境质量评价是一项复杂的系统工程，由 于影响质量评价的因素众多且十分复杂，各因素的 影响程度也不尽相同，其相互间又存在着一定的关 连性。而作为衡量质量好坏的各因素标志及界线很 不清晰，即作为外延也是非常模糊的，各种因素的影 响很难用经典数学模型加以统一量度，也很难将复 杂的影响因素综合成一个因素进行评价‘。对于这 种复杂的系统问题，模糊数学的理论和方法使其得 到了更合理的解决。本文运用模糊数学方法，以工 程地质环境稳定性作为工程地质环境质量的综合指 标嘲，对抚顺市城区工程地质环境进行区划。 收稿日期2 0 0 7 1 2 2 7 基金项目2 0 0 7 国务院高级发展论坛项目 作者简介陈力 1 9 5 8 一 ，女，辽宁抚顺人，副教授，博士，主要从事岩土工程研究，E - m a i l e h e n l i j l u ．e d u ．a l l 。 万方数据 8 3 8 吉林大学学报 地球科学版 第3 8 卷 l 模糊综合评判的数学模型 根据模糊数学理论，模糊综合评判可用A R B 模式描述。其中，A 为输入，即参评因子权重集， 是一个r X m 阶行矩阵 m 为参评因子总数 ；R 为 模糊变换器，即由各单因子评价行矩阵组成r n 珂 阶模糊关系矩阵 ”为评价级别数 ，B 为输出，即为 综合评价阶结果，称为评价矩阵，为一个r 竹阶行 矩阵口可] 。可见，模糊综合评判就是对拟评判的对象 选定一些主要因素，先进行单因素综合评判，评价结 果构成模糊关系矩阵R ，再考虑诸因素在总评判中 的地位 即权重集A ，求取R 和A 的合成过程。 1 ．1 建立因素集 1 ．1 ．1 参评因子选择 抚顺市浑河断裂是区内的主干断裂，呈北东东 向展布，横贯全区，对区域构造起主导作用。地质构 造条件十分复杂，断裂、褶皱构造十分发育。区内经 过数十年露天采矿作业，形成巨型采场及矸石山、舍 场，区域内下伏基岩较为复杂，既有玄武岩、片麻岩 等广泛分布，也有厚层煤层、页岩等大面积赋存，煤 炭开采形成人工地貌对地质环境产生巨大影响。地 下水水位变化将引起周围地面下沉，主要原因有两 点一是地下水位的降低使得上部岩体中产生缝隙， 在岩体的自重和地面工程的作用下而产生沉降，二 是地下水在岩体中渗流时使岩体产生液化或潜蚀。 对地面建筑物破坏强烈，足形成这一地区地质灾害 的主要内在因素之一。通过定性分析和类比方法， 在控制环境地质条件的因素中，选取地质构造、地形 地貌、地层条件、地下水条件，不良物理地质作用作 为评价因子。 因素集U 一{ 地质构造，地形地貌，地层条件，地 下水条件，不良物理地质作用} 。 1 ．1 ．2参评因子的量化处理 参评因子的鼍化处理，按工程地质环境质量一 般区 Ⅲ 、工程地质环境质量较差区 I I 、工程地质 环境质量差区 I 3 级划分。各定性参评因子均量 化成3 个离散数据。 地质构造对浑河断裂主干断裂带 F ，、F 。A 断 裂，以及F 3 5 、F 4 5 、F 、F 4 3 、F 3 9 、F 2 、F 3 、F 5 、F 6 、F 7 、F 8 、 F 。。、F ”，、F ，。、F ，。断层 ，将其量化为5 ；对浑河主 干断裂临近地区及F 。，、F 。断裂带，将其量化为3 ；对 浑河断裂影响较小地区及F s ，、F 。z 、F 。。断层影响地 区，将其量化为1 。 地形地貌对堆积地形及负地形9 0 ～一4 0 0 m ，同时地形坡度大于6 0 。的单元，将其量化为3 ；对 侵蚀堆积地形及堆积地形地面高程6 5 ～2 3 7m ，坡 度角为6 0 。～3 0 。的单元，将其量化为2 1 对剥蚀地形 及剥蚀堆积地形，地面高程一般6 0 ～9 0m ，地形坡 度平缓的单元，将其量化为1 。 地层条件对块状次硬一坚硬火山岩火山碎屑 岩岩类，将其量化为1 ；对层状、碎裂软质一次硬沉 积岩类将其昔化为2 ；对各类土体，昔化为4 。 地下水条件根据水位埋深及地下水侵蚀性， 将单井 泉 涌水量10 0 0 ～50 0 0m 3 ／d ，重碳酸～钠 钙型重碳酸型地下水条件，量化为4 ；单井 泉 涌水 量l O O ～l0 0 0m 3 ／d ，重碳酸一钠钙型，量化为2 ；单 井 泉 涌水量小于1 0 0m 3 ／d ，量化为0 ．5 。 不良物理地质作用对发育有地裂缝，滑坡，及 地表沉陷单元，将其量化为4 ；对发育有砂土液化， 软弱土夹层等物理地质灾害单元，将其量化为2 ；对 地裂缝，滑坡，砂土液化，软弱土夹层等不发育单元， 将其量化为1 。 1 ．2 建立评价集及分级标准 目前因素集中的指标都具有一定的评价标准， 因此采用规范标准确定评价集，将环境地质风险性 划分为3 个等级。评价集B 为 B 一{ 工程地质环境质量一般区 1 1 I ，工程地质 环境质量较差区 1 1 ，工程地质环境质量差区 I } 。 参评因子的分级标准取值是在各因子指标评价 分级的基础上，采用相关分析和打分的方法综合确 定，确定各参评因子的评价标准 表1 。 1 ．3隶属函数 根据模糊集理论，各参评因子的实际值对各级 环境地质质量的隶属程度用隶属度“ z 来刻画 隶 属度越大，隶属资格越高 ，隶属度用隶属函数表示。 这里隶属函数选用线性隶属函数，计算公式如下 f 1 ， z ≤f 』， “1 z f 2 』一z ／ f 2 』一C l j ，C U z f 卸， 【0， z ≥c 2 f ； f 1 ， z ≤c l j ，z ≥f 3 j ， 比2 z 一{ z c 1 』 ／ c 2 』一f l j ，c , 1 』 z z ≥f 巧； f 0 ， z ≤C 2 ，， U 3 z { z c 鼬 ／ c 3 j f 2 J ，c 2 』 z c 3 』， 【1 ， z ≥C 3 j 。 1 万方数据 第5 期陈力。等模糊数学方法在城市丁程地质环境区划中的应用以抚顺市城区为例8 3 9 式中z 为各参评因子的实际值；c l J 为分级标准 i 1 ，2 ，3 ；歹 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ；“l z 、“2 z 、“3 z 分别为 z 项评价因子属于I 、Ⅱ、Ⅲ级环境地质风险性分级 隶属度。 表l工程地质环境区划分级标准 T a b l el F a c t o rf o re v a l u a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r d 1 ．4建立模糊关系矩阵 根据上述隶属函数，对每一个单元的所有参评 因子，分别计算其隶属度，建立各自的模糊关系矩阵 R R U 1 3 U 2 3 U 3 3 U 4 3 U 5 3 2 1 ．5 建立权重集 由于参评因子对环境地质问题反映程度不同， 特别是因目的不同，侧重点也不同，所以在进行评价 中，应对各参评因子给予适当权重。这里根据实际 情况和资料的详细程度，选择城区环境地质问题特 征显著的若干区域，经过反复试算，确定权重集A A { C t l口2口3口4口5 } ， 计算公式为 5 口； Ⅳ，∑w i 1 式中W f X f ／s i ，S ， c f l c i 2 c ；3 ／3 。X ，为第i 个参评因子的实际值m 。、C 孙％为第i 个参评因子 属于I 、Ⅱ、Ⅲ级环境质量的评价标准，口i 为参评因 子的实际权重。 1 ．6 综合评判模型及单元划分 综合评价是求权重矩阵A 与模糊关系矩阵B 的合成。合成的方法本次选用因素突出型“M ④ ”。在A R B 中，B { b 1b 2b 。} 。 2 实例计算 以抚顺市东露天矿南帮某区为例。该单元不在 浑河主干断裂地区，临近F 。、F ，，为堆积地形，临近 东露天矿采场；地层条件以玄武岩为主，夹页岩、泥 岩，地下水类型主要为基岩类孔隙裂隙水，单井 泉 涌水量 1 0m 3 ／d 。将其量化处理成原始数据矩阵 X 4 ．32 ．62 ．10 ．51 ．6 。 1 隶属度计算 地质构造隶属度f 2 f 一3 z 4 ．3 c 3 f 5 。由 1 式算得地质构造隶属度为U z 一 O0 ．3 5 0 ．6 5 ，地形地貌隶属度为“ z 一 0 0 ．4 0 0 ．6 0 ，地层条件隶属度为“ z 0 0 ．9 5 0 ．0 5 ，地下水条件隶属度为“ z 一 1 0 O ，不 良物理地质作用隶属度为“ z 一 1 0 O 。 2 建立模糊数学关系矩阵 按上述计算的各参评因子的隶属度，依次排列 成5 3 阶模糊数学关系矩阵R R O0 ．3 5O ．6 5 O 0 ．4 00 ．6 0 OO ．9 5O ．0 5 1OO lOO 3 确定权重值 用上述单元数据，先算出权重集A ，得W L4 31 ．3 00 ．9 10 ．2 30 ．6 9 ，再和经验与实 际条件相比较进行修正，综合得A A 1 ．4 5 1 ．3 00 ．8 50 ．3 10 ．6 3 。 4 采用“M o ”模型，求A 与R 的合成 B A R 一 O ．9 4 1 ．8 4 1 ．7 7 ， 将合成结果归一化后，得 B 6 。b 2b 3 一 0 ．2 10 ．4 00 ．3 9 。 根据评判矩阵B ，该单元隶属度分别为0 ．0 7 、 0 ．4 8 、0 ．4 5 。按最大隶属度原则，将该单元划归为工 程地质环境较差区 1 1 图1 o 3 结论与建议 1 工程地质环境质量差区 I 主要分布于抚 顺市东西露天矿及龙风矿老虎台矿一带，该区域不 宜进行重大工程建设，要对该区域内做好工程地质 环境监测工作。 2 工程地质环境质量较差区 1 1 主要分布于 浑河南岸，西露天矿及老虎台、龙风矿北部区域，由 1 2 2 1 2 3 4 5 “ “ “ “ “ I 2 3 4 5 乱 “ “ 甜 “ 万方数据 8 4 0 吉林大学学报 地球科学版第3 8 卷 E 王习』 捏地质环境质量差区 1 必 Y 落豁避陋 疳≯。沙y⑥ 圈上程地质环境质量较差区 I I ，国I 广] 上程地质环境质晕一般区 I I I 沙 箩纩 、 ， 蜒 √ 二。 弓隶，、～c 多l l 。 瓜童 ／一二多 ；2 ’3 0 “／ 墨夕 一 孵赢杂瞩螽 ／一 、、、、一 烈萌弦法b 、 娩垒，7鼷．- - T 二p - 一鬻菠獗J d ，一 籀芏 1 [ 一L LL L L L L LL L L 闺 爹幽湖 ， 毪螨 二 捶 ／ 麓瓣拙 _ L ．L ．L LL L LL L L．L LL j 州氯 F ‘i 秣．．棚 ／ F l ～ ‰／多豸涩 爵芏百工罄篷蓬甜L L 【L LL LL LL L LL L L L琵2牲{ 延E {| 彩KLLLL L LL L L．L LL一L L lL LL LL LL L 毡趔L．L L L 飞 旌 一L 1 ．．．．一【．．．．I ．．． 睦忙 L ．．．LL ，．L LL一LL ， L t 壮．L ；。蚰』厂 囝 一L L一L U L L L．L LL一L I L L L LL L LL L L．山D 、 √、一I ．．．．1 ．．．．L L L L L L 厂 也瓣敏沏 V 、， ．．．J ．J b 。、L 4 I 4 9’4 33 ” ] 1 2 3 。55 ’1 5 ” 图1抚顺市城区工程地质环境质量区划围 F i g ．1 D i v i s i o n so fe n g i n e e r i n gg e o - e n v i r o n m e n ti nF u s h u nC i t y 北向南地下水迳流对西露天矿坑北帮的稳定产生不 良的影响，建议采取有效措施，阻止地下水对西露天 矿坑北帮软弱岩层的浸泡。 3 浑河北岸大面积冲洪积河谷平原具有较好 的工程地质及水文地质条件，是城市发展建设的较 好区域，为工程地质环境质量一般区 Ⅲ 。 模糊数学在城市工程地质环境质量研究所取得 的成果，对城市建设和发展规划提出的建议只是方 向性的，在实施工程前必须进行大比例尺详细勘 察，防止和减少失误。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 1 [ 2 ] [ 3 ] 孙宗勋，黄鼎成，詹文欢，等．南沙群岛工程地质环境分 区与质量评价[ J ] ．工程地质学报，2 0 0 3 ，6 1 3 6 4 3 ． S U NZ o n g - x u n ，H U A N GD i n g - c h e n g ，Z H A NW e n - h u a n ，e ta 1 ．D i v i s i o na n dq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o no fe n g i - 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