模糊数学方法在城市工程地质环境区划中的应用——以抚.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 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 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 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 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 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 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 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y 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 L L L L LL L LL L L L 琵2牲 延E 彩KLLLL L LL L L L LL一L L l L L L L L 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 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 n e e r i n gg e o e n v i r o n m e n to nN a n s h aI s l a n d s J J o u r n a l o fE n g i n e e r i n gG e o l o g y 2 0 0 3 6 1 3 6 4 3 周爱国 蔡鹤生 地质环境质量评价理论与应用E M 武汉 中国地质大学出版社 1 9 9 8 Z H O UA i g u o C A IH e s h e n g T h e o r yo fg e o l o g ye n v i r o n m e n tq u a l i t ya n a l y s i sa n di t sa p p l i c a t i o n s M W u h a n C h i n aU n i v e r s i t yo fG e o s c i e n c e sP r e s s 1 9 9 8 胡艳欣 任茂昆 地质环境质量的模糊评价 J 西部 探矿工程 2 0 0 3 1 0 2 1 6 9 1 7 0 H UY a n x i n R E NM a o k u n F u z z ym a t h e m a t i c se v a l u a t i o no fg e o l o g i c a le n v i r o n m e n tq u a l i t y J W e s t C h i n aE x p l o r a t i o nE n g i n e e r i n g 2 0 0 3 1 0 2 1 6 9 一 1 7 0 4 3 李士勇 T 程模糊数学及应用 M 哈尔滨 哈尔滨工 业大学出版社 2 0 0 4 L IS h i y o n g E n g i n e e r i n gf u z z ym a t h e m a t i c sa n di t s a p p l i c a t i o n s M H a r b i n H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g yP r e s s 2 0 0 4 5 钦丽娟 曹剑峰 平建华 等 模糊数学在郑州市水资 源价值评价中的应用 J 吉林大学学报 地球科学 版 2 0 0 5 3 5 4 4 8 7 4 9 0 Q I NL i j u a n C A OJ i a n f e n g P I N GJ i a n h u a e ta 1 A p p l i c a t i