模糊數(shù)學(xué)在地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

范毅 陳科平 文武飛

摘? 要? ?隨著長沙市城市的不斷發(fā)展及擴(kuò)容，地下空間的開發(fā)利用已成為城市發(fā)展的必然選擇，而地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)對(duì)地下空間開發(fā)利用起著至關(guān)重要的作用。本文在綜合考慮影響長沙市地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境影響因素基礎(chǔ)上，采用模糊綜合評(píng)判模型，對(duì)地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞? 模糊數(shù)學(xué);地下空間;地質(zhì)環(huán)境適宜性;長沙市

中圖分類號(hào)： P642.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5603（2020）03-42-6

Abstract： With the continuous development and expansion of Changsha city， the development and utilization of underground space has become an inevitable choice of urban development， and the geological environment suitability zoning plays a vital role in the development and utilization of underground space. Based on the comprehensive consideration of the factors affecting the geological environment of Changsha underground space development， this paper adopts a fuzzy comprehensive evaluation model to comprehensively evaluate the suitability of underground space development and utilization of geological environment.

Keywords： fuzzy mathematics; underground space; geological environment suitability; Changsha

在城市現(xiàn)代化發(fā)展中，地下空間成為城市空間拓展的重要后備資源，地下空間資源的開發(fā)利用，應(yīng)當(dāng)科學(xué)、合理、有序地進(jìn)行。但地下空間的開發(fā)利用受到地質(zhì)條件、水文條件、巖土類型、地面空間類型、已有建筑物及地下設(shè)施、施工技術(shù)等諸多因素的影響和制約，且其具有不可逆性。因此，針對(duì)當(dāng)前地下空間資源開發(fā)利用過程中存在的問題，十分需要對(duì)其做出科學(xué)的評(píng)價(jià)，本文以長沙市為例，首先篩選了地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境的影響因素指標(biāo)體系，對(duì)定量指標(biāo)和定性指標(biāo)分別采用不同的降半梯形隸屬函數(shù)和梯形隸屬函數(shù)進(jìn)行處理，并采用合理的梯形模糊數(shù)定權(quán)法確定了各指標(biāo)的權(quán)重;然后運(yùn)用模糊綜合評(píng)判模型，對(duì)長沙市地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)。

1? 研究區(qū)范圍

長沙市為湖南省的省會(huì)，也是我國中部區(qū)域性中心城市，本文研究范圍涵蓋長沙市建成區(qū)及2020年規(guī)劃區(qū)（含湘江新區(qū)核心區(qū)）[1]，行政范圍涉及長沙市開福區(qū)、雨花區(qū)、芙蓉區(qū)、天心區(qū)全區(qū)以及岳麓區(qū)、望城區(qū)、寧鄉(xiāng)市、長沙縣的一部分，面積總計(jì)1576km2。

2? 地質(zhì)環(huán)境影響因素分析

根據(jù)長沙市基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)相關(guān)資料[2，3]，對(duì)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境基本特征進(jìn)行了全面分析研究，確定長沙市地下空間開發(fā)利用適宜性影響因素分為7個(gè)一級(jí)影響因子及16個(gè)二級(jí)影響因子[4-6]，一級(jí)影響因子為地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土體類型及組合、水文地質(zhì)、不良地質(zhì)作用、生態(tài)敏感性條件以及地下空間現(xiàn)狀條件。二級(jí)影響因子為地形坡度、斷裂密度、斷裂活動(dòng)性、土體類型及組合、巖體強(qiáng)度、地下水埋深、含水層富水性特征、地下水的腐蝕性、巖溶、流砂、填土層厚度、地表水保護(hù)、生態(tài)綠地保護(hù)、地下水保護(hù)和地質(zhì)遺跡、文物保護(hù)、現(xiàn)狀及影響范圍。將地下空間適宜性劃分為四個(gè)等級(jí)，適宜性好、適宜性較好、適宜性較差、適宜性差。建立長沙市地下空間開發(fā)利用適宜性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

3? 評(píng)價(jià)方法介紹

模糊綜合評(píng)判法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法，該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論把定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)化為定量評(píng)價(jià)，即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體評(píng)價(jià)[7]。運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法評(píng)價(jià)地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性的步驟為：①將研究區(qū)坐標(biāo)化和網(wǎng)格化，即先將研究區(qū)坐標(biāo)化，分成1km×1km的網(wǎng)格;②構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和準(zhǔn)則;③采用梯形模糊數(shù)定權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，建立權(quán)重集;④采用梯形隸屬函數(shù)確定各區(qū)域評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度，量化后作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入;⑤按照最大隸屬度原則通過模糊綜合評(píng)判判定各區(qū)域網(wǎng)格地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性等級(jí);⑥將所有網(wǎng)格按適宜性級(jí)別連片得到適宜性分區(qū)圖。

4? 評(píng)價(jià)過程

4.1 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

將研究區(qū)運(yùn)用柵格數(shù)據(jù)處理方法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，取1km×1km為最小評(píng)價(jià)分析單元格，將全區(qū)劃分為1754個(gè)單元網(wǎng)格。

4.2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確立

采用梯形模糊定權(quán)法確立權(quán)重[8-10]。梯形模糊定權(quán)法采用5個(gè)等級(jí)的模糊評(píng)價(jià)語言表示因子的重要性，權(quán)重的模糊詞匯包括很低（VL）、低（L）、中等（M）、高（H）、很高（VH），分別用梯形模糊數(shù)（0，3，3，3）、（0，3，3，5）、（0，5，5，7）、（5，7，7，10）、（7，10，10，10）來表示。

由4位專家組成專家組在平權(quán)決策的基礎(chǔ)上，即每位專家的決策權(quán)重為Rt=1/4（t=1，2，3，4），用表中的模糊詞匯對(duì)表中的各指標(biāo)相對(duì)重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并計(jì)算專家組綜合權(quán)重。計(jì)算結(jié)果如表2、表3，由表建立如下權(quán)重集：

二級(jí)模糊綜合評(píng)判權(quán)向量為：0=（0.064，0.134，0.149，0.180，0235，0.134，0.104）一級(jí)模糊綜合評(píng)判實(shí)際權(quán)向量：

=（0.064，0.078，0.056，0.070，0.079，0.072，0.072，0.036，0.101，0.071，0.064，0.030，0.027，0.039，0.039，0.104）

4.3 評(píng)價(jià)因子隸屬度的確定

由表1可以看出，所選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)有兩種：定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。地形坡度、斷裂密度、地下水埋深、填土厚度、現(xiàn)狀及影響范圍5個(gè)定量指標(biāo)采用梯形隸屬函數(shù)確定隸屬度，即下式所示：

對(duì)于定性指標(biāo)按照一定準(zhǔn)則進(jìn)行量化處理，采用分級(jí)法評(píng)定其模糊矩陣[8]，將影響因子分為四個(gè)等級(jí)：好Ⅰ（0.2）、較好Ⅱ（0.4）、較差Ⅲ（0.7）、差Ⅲ（0.9），按照賦值標(biāo)準(zhǔn)給出評(píng)定值，并采用梯形隸屬函數(shù)構(gòu)造函數(shù)如下：

將各區(qū)域內(nèi)的評(píng)價(jià)因子量化后作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入如圖1：

通過各因子隸屬函數(shù)計(jì)算各因子隸屬度，得到隸屬度評(píng)判結(jié)果。

以長沙市天心區(qū)暮云街道云塘社區(qū)服務(wù)中心所在地單元網(wǎng)格為例，計(jì)算各評(píng)價(jià)因子隸屬度。其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)取值及隸屬度見表4。

該區(qū)域隸屬度評(píng)判結(jié)果

4.4模糊綜合評(píng)判

通過一級(jí)模糊綜合評(píng)判實(shí)際權(quán)向量與隸屬度評(píng)判結(jié)果的復(fù)合運(yùn)算，可得到綜合評(píng)判結(jié)果，即

按最大隸屬度原則，在矩陣中取最大值，即單元最大隸屬度

長沙市天心區(qū)暮云街道云塘社區(qū)服務(wù)中心所在地單元網(wǎng)格綜合評(píng)判結(jié)果，按最大隸屬度原則，該區(qū)域適宜性等級(jí)為適宜性好。

5? 評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)研究區(qū)各單元網(wǎng)格進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，得到單個(gè)評(píng)判結(jié)果，將所有網(wǎng)格按適宜性級(jí)別連片成圖。

本次研究將地鐵（已有、在建及規(guī)劃）、已有城市地下綜合商業(yè)圈（國金中心、五一廣場(chǎng)、芙蓉廣場(chǎng)、東塘、侯家塘）、生態(tài)綠地（岳麓山風(fēng)景區(qū)）、歷史文化及文物保護(hù)單位（馬王堆漢墓、西漢長沙王室墓、開福寺、天心閣）及地下水源保護(hù)區(qū)（白沙井）、主要河流（湘江、瀏陽河、撈刀河）作為敏感因子，將距離敏感因子分布區(qū)10m范圍以內(nèi)的適宜性級(jí)別直接劃為適宜性差區(qū)。最終得到長沙市地下空間地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)分區(qū)圖（見圖2）。

由圖2可知，研究區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性好的面積為550.72km2，占總面積的34.94%，主要分布在岳麓區(qū)東方紅鎮(zhèn)-望城區(qū)黃金園街道一帶、開福區(qū)撈刀河鎮(zhèn)以北、雨花區(qū)洞井街道;適宜性較好的面積為735.2km2，占總面積的46.65%，主要分布在長沙縣、岳麓區(qū)坪塘-含浦一帶、雨花區(qū)同升街道;適宜性較差的面積為180.44km2，占總面積的11.46%，主要分布在望城區(qū)高塘嶺-寧鄉(xiāng)市金州一帶、開福區(qū)、芙蓉區(qū);適宜性差的面積為109.47km2，占總面積的6.95%，主要分布在望城區(qū)烏山、雨花區(qū)跳馬鎮(zhèn)。

6? 結(jié)語

（1）采用模糊綜合評(píng)判法對(duì)地下空間開發(fā)利用適宜性運(yùn)用模糊語言進(jìn)行不同程度的評(píng)價(jià)，可以得到較為理想、符合實(shí)際的結(jié)果。

（2）長沙市地下空間開發(fā)利用適宜性好及較好區(qū)面積1285.92 km2，占比達(dá)到81.59%，適合大力開發(fā)地下空間資源，開發(fā)過程中應(yīng)注意巖溶、斷裂等不良地質(zhì)作用的影響，防止突水、塌陷災(zāi)害發(fā)生。

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