模糊綜合評判在拉薩地溫開發(fā)地質(zhì)環(huán)境評價中的應用

羅水蓮，馬利群，謝烈平

（成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，成都610081 ）

模糊綜合評判在拉薩地溫開發(fā)地質(zhì)環(huán)境評價中的應用

羅水蓮，馬利群，謝烈平

（成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)中心，成都610081 ）

影響拉薩市淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的因素主要有地質(zhì)環(huán)境背景、第四系及含水層因素、水量環(huán)境因素、水質(zhì)環(huán)境因素等四大類，對四大類影響因素及其下一級因子進行層次分析和模糊數(shù)學模型的構(gòu)建，確定其隸屬度函數(shù)，計算各因子的權(quán)重值。利用GIS的屬性賦值與空間分析，對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價區(qū)進行網(wǎng)格劃分，計算出各網(wǎng)格單元的模糊質(zhì)量指數(shù)值，繪制了模糊質(zhì)量指數(shù)等值線，在此基礎(chǔ)上對拉薩市淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進行了評價。

地質(zhì)環(huán)境；層次分析；模糊質(zhì)量指數(shù)；拉薩

淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價是衡量地質(zhì)環(huán)境條件對淺層地溫能開發(fā)建設(shè)的適宜性程度，對利用淺層地溫能具有重要意義。由于地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價要考慮多因素、多層次的相互作用，具有影響因子多、各因子的作用和地位不相同、同一因子在不同的地質(zhì)環(huán)境條件下所起的作用也不盡相同的特點，因此需要采用綜合評價方法。綜合評價的基本思想是將地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)分解成幾個子系統(tǒng)，然后對各個子系統(tǒng)分別選取評價因子，將各評價單元評價因子的相應指標值按權(quán)重進行疊加，得出各評價單元綜合評價指標即地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)。

由于地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分級界線具有一定的模糊性，采用模糊數(shù)學方法評價較合理，應用中采用二級模糊綜合評判，它克服了以往模糊綜合評價結(jié)果的不連續(xù)性而帶來的評價結(jié)果非此即彼的缺陷，具有定量化程度和可信度較高，且具有連續(xù)性的特點。

1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響因素分析

1.1 淺層地溫能

淺層地溫能是蘊藏在地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中具有開發(fā)利用價值的熱能。淺層地溫能的開發(fā)方式分為兩類，即地源熱泵系統(tǒng)和地下水源熱泵系統(tǒng)，地源熱泵系統(tǒng)以巖土體、地下水或地表水為低溫熱源，由水源熱泵機組、淺層地溫能交換系統(tǒng)、建筑物內(nèi)系統(tǒng)組成的空調(diào)系統(tǒng)；地下水源熱泵系統(tǒng)是通過地下水進行熱交換的熱泵系統(tǒng)。

1.2 影響因素分析

從淺層地溫能的兩類開發(fā)方式分析，淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣主要取決于地質(zhì)環(huán)境背景條件、區(qū)域環(huán)境地質(zhì)問題、淺層地溫能開發(fā)層的儲水空間（第四系及含水層）、淺層地溫能開發(fā)層的儲水能力（水量環(huán)境）及影響淺層地溫能開發(fā)設(shè)備運行的地下水水質(zhì)環(huán)境。

地質(zhì)環(huán)境背景條件、區(qū)域環(huán)境地質(zhì)問題包括的內(nèi)容很多，在拉薩市對淺層地溫能開發(fā)有影響的因素主要地形坡度、區(qū)域地殼穩(wěn)定性、各種地質(zhì)災害。

人類生存與工程活動適宜在一定的地形坡度區(qū)域，在這個區(qū)域內(nèi)，人們耕種、建筑各類構(gòu)筑物都適宜。地形坡度大于這個區(qū)域，人類的生活成本就會大幅增加，甚至是不可能生存。對于淺層地溫能的開發(fā)也不例外，淺層地溫能開發(fā)的適宜坡度應為0-35°，在這個地形坡度內(nèi)，其坡度越小，其開發(fā)成本也會越小。區(qū)域地殼穩(wěn)定性對淺層地溫的開發(fā)影響也比較顯著，在地震活動頻繁，地震烈度較大的區(qū)域內(nèi)，開發(fā)淺層地溫能的建設(shè)及各種設(shè)施均會受到影響。地質(zhì)災害存在及其危險區(qū)域影響地面地表的各類建筑物，同樣也影響淺層地溫能的開發(fā)區(qū)。因此，地質(zhì)環(huán)境背景影響因素中，地形坡度越小，其淺層地溫能的開發(fā)條件越好；地震活動頻率越小、地震烈度越小，越適宜于淺層地溫能的開發(fā)。在滑坡、崩塌、泥石流、塌陷及不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災害發(fā)生地段及其危險區(qū)內(nèi)，淺層地溫能的開發(fā)條件差，地質(zhì)災害的影響區(qū)外，淺層地溫能的開發(fā)條件好。

淺層地溫能蘊藏于地表以下一定深度范圍內(nèi)巖土體、地下水和地表水中，第四系松散層其儲水能力強，滲透系數(shù)大，便于熱交換；其厚度越大，熱交換量越多。因此第四系厚度及含水層總厚度對淺層地溫能開發(fā)的影響較大，其厚度大，有利于淺層地溫能的開發(fā)。但是第四系中卵石層的存在對地埋管熱泵式開發(fā)較為不利，地埋管熱泵式開發(fā)要求第四系中卵石層厚度要小，卵石層厚度越小對地埋管熱泵式開發(fā)條件越好。淺層地溫能開發(fā)層的儲水能力（水量環(huán)境）方面，在儲水能力強的巖土體中，直接利用地下水中蘊藏的熱量，進行淺層地溫能開發(fā)，因此含水層的單位涌水量越大，越有利于淺層地溫能的開發(fā)。當?shù)谒南邓缮佑幸幌潞穸龋畬雍穸刃?，單位涌水量小時，可利用第四系松散層的儲水能力，利用地層吸水能力，交換巖土體中的熱量，達到開發(fā)淺層地溫能的目的。因此巖土體的回灌率越大，越利于開發(fā)淺層地溫能。地下水位年下降幅大小對淺層地溫能開發(fā)也有一定影響，其降幅越大，淺層地溫能的開發(fā)條件越差。

地下水水質(zhì)環(huán)境情況對淺層地溫能開發(fā)影響主要在設(shè)備運行方面。國家地下水質(zhì)量標準中將地下水質(zhì)量劃分為五類，一、二、三類水中各組分含量適用于集中式生活飲用水水源及工、農(nóng)業(yè)用水。隨著水質(zhì)類別的提高，水質(zhì)變差，水中渾濁度以及其它組分含量大，易沉淀于開發(fā)設(shè)備中，影響開發(fā)設(shè)備的運行，對開發(fā)淺導溫能也不利；同樣地下水受污染與地下水易結(jié)垢也是影響開發(fā)設(shè)備的運行，從而影響淺層地溫能的開發(fā)。

2 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量因素層次分析法

2.1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響因素的層次性

影響地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的因子具有層次性特征。地質(zhì)環(huán)境背景條件、區(qū)域環(huán)境地質(zhì)問題、淺層地溫能開發(fā)層的儲水空間（第四系及含水層）、淺層地溫能開發(fā)層的儲水能力（水量環(huán)境）及地下水水質(zhì)環(huán)境是第一層次的因子，它們又包含有幾個第二層次的因子，如地質(zhì)環(huán)境背景條件包含地形坡度、區(qū)域地殼穩(wěn)定性、地質(zhì)災害等，而第二層次因子中又可能包含幾個

表1 影響淺層地溫能開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價因子

表2 影響淺層地溫能開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價參評因子量化分級

第三層次甚至更低層次因子。為避免參評因子過多，致使各因子的權(quán)重分配過小，主要因子作用不突出，進而造成評價結(jié)果失真，本次評價采用兩個層次評價（二級評價）即可。由于影響淺層地溫能開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的因素較多，為突出主要因子的作用，避免參評因子過多造成評價結(jié)果失真，每個一級評價因子下以選取3個二級評價因子，共選取12個二級評價因子進行評價（表1）。

2.2 評價指標的量化分級

評價因子按其對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量正負效應的不同可分為正效應因子（正因子）和負效應因子（負因子）。所謂正效應因子指地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量隨因子指標值的增大而變好，如單位涌水量等；負效應因子指地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量隨因子指標值的增大而變差，如地形坡度、區(qū)域穩(wěn)定性的地震烈度等等。正、負因子指標的量化方法不同，負因子直接采用其特征值，正因子采用特征值倒數(shù)或其它變數(shù)（表2）。

2.3 評價因子權(quán)值的確定

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價因子的貢獻大小不同，對各因子具有權(quán)衡輕重作用程度的數(shù)值稱為權(quán)值，因此求權(quán)值的過程就是對不同因子間重要性程度的分析過程。權(quán)值的確定有多種方法，如層次分析法、專家直接經(jīng)驗法、調(diào)查統(tǒng)計法等。其中層次分析法是較為理想的分析方法，它是通過組織經(jīng)驗豐富的專家，集中群體智慧，對各評價因子的相對重要性進行評估打分，然后通過層次分析運算得出各評價因子權(quán)重。拉薩市淺層地溫能開發(fā)綜合地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價因子權(quán)值采用層次分析法確定。

3 模糊質(zhì)量指數(shù)與模糊數(shù)學模型的構(gòu)建

3.1 模糊質(zhì)量指數(shù)

利用GIS的屬性賦值與空間分析，對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價區(qū)進行網(wǎng)格劃分，在劃分出的每個網(wǎng)格內(nèi)，根據(jù)選定的地質(zhì)環(huán)境因子,建立因子隸屬度函數(shù)和評價矩陣, 并進行模糊綜合運算，計算出各網(wǎng)格單元的模糊質(zhì)量指數(shù)（FQI）值，模糊質(zhì)量指數(shù)（FQI）值的大小反映劃分的網(wǎng)格內(nèi)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)劣，F(xiàn)QI值越小，評價網(wǎng)格內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量越好，反之FQI值越大，評價網(wǎng)格內(nèi)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量越差。

FQI=1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬優(yōu)等

1＜FQI≤ 2 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬良好；2＜FQI≤3 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬中等；3＜FQI≤4 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬較差；4＜FQI≤5 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量屬差

3.2 給出評價因子集

根據(jù)對評價區(qū)淺層地溫能開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響因子的系統(tǒng)分析，給出評價因子集：

3.3 給出地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級集

3.4 評價因子隸屬度的確定

隸屬度是反映評價指標隸屬于各種地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)的程度，一般由隸屬函數(shù)確定，它是用來定量描述評價因子對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級別隸屬程度大小的函數(shù)形式。由于影響地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量因素的相互作用、影響及地質(zhì)環(huán)境本身的復雜性和模糊性特點，針對拉薩市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響因素特征，構(gòu)造半梯形分布隸屬函數(shù)。下面以地質(zhì)環(huán)境背景與環(huán)境地質(zhì)災害中的二級因子地形坡度為例構(gòu)建的隸屬函數(shù)如式（1）。

式（1）中 x1,x2,x3,x4,x5為評價因子指標分級界限值，x為評價單元實際統(tǒng)計值。

式（1）中U代表各因子，如地形坡度其隸屬函數(shù)式如式（2）。

表3 一級評價因子權(quán)重取值

表4 二級評價因子權(quán)重取值

3.5 建立因子評價矩陣

利用建立的各因子的隸屬函數(shù)對諸因子進行評價，其結(jié)果為評價集V的模糊子集,對于第i個因子，其評價集為

因U與V 之間存在模糊關(guān)系R，選定的12個因子的評價矩陣為

3.6 模糊矩陣復合運算

二級因子評價通過建立單因子評價矩陣Ri及權(quán)值分配矩陣U，經(jīng)模糊運算可得評價結(jié)果分別為:

并組成一級評價矩陣：

一級評價因子權(quán)得向量為：U=(u1,u2,u3, u4,)，一級因子向量與一級評價矩陣之間，運行模糊運算，可得一級評價結(jié)果：E1=U·V =(e1,e2,e3,e4,e5)

采用下式計算出模糊質(zhì)量指數(shù)（FQI）值：

圖1 拉薩市淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價分區(qū)圖

4 評價結(jié)果

通過對拉薩市淺層地溫能開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境影響因素的分析，構(gòu)建模糊數(shù)學模型, 計算劃分的各網(wǎng)格單元的模糊質(zhì)量指數(shù)值(FQI)，利用MAPGIS的數(shù)字地面模型子系統(tǒng)，對拉薩市評價區(qū)繪制了模糊質(zhì)量指數(shù)等值線，劃分出環(huán)境質(zhì)量評價分區(qū)圖（圖1）。

從拉薩市淺層地溫能地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價圖看出，開發(fā)淺層地溫能的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量差和較差區(qū)分布在山前和溝谷內(nèi)的滑坡、泥石流及崩塌分布區(qū)前緣，易于受地質(zhì)災害的影響區(qū)。地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量中等區(qū)位于較差區(qū)的外圍，少量位地山前，該區(qū)受地質(zhì)災的影響為中等。而地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好和優(yōu)等區(qū)分布于拉薩河谷兩岸，該區(qū)內(nèi)地形相對平坦，區(qū)域地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定，地質(zhì)災害少，第四系厚度大，水量豐富，地下水水質(zhì)較好，適宜于淺層地溫能開發(fā)。

5 結(jié)語

1）影響淺層地溫能開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素很多，本次評價第一層次考慮了地質(zhì)環(huán)境背景與環(huán)境地質(zhì)災害、第四系及含水層環(huán)境、水量環(huán)境及水質(zhì)環(huán)境四大因素，第二層次選擇地形坡度、地質(zhì)災害等十二個因素的影響。

2）本次評價的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量是針對淺層地溫能開發(fā)利用方面而進行，因其考慮的因素不同，針對的問題不同，因此與一般意義上的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量有所區(qū)別，評價的結(jié)果也不同。

3）本次評價是在分析各種因素、構(gòu)建模糊數(shù)學模型，通過大量的網(wǎng)格單元計算作出的，評價結(jié)果具有連續(xù)分布的特點，且利用計算機成圖，其結(jié)果對淺層地溫能的開發(fā)具有一定的指導意義。

[1] 淺層地熱能勘查評價規(guī)范[S]. DZT0225-2009

[2] 全國重點城市淺層地溫能調(diào)查評價技術(shù)要求[S]. 中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所 2011

[3] 徐建國, 馬震, 張濤, 朱恒華. 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價的二級模糊指數(shù)法 —以山東省環(huán)渤海地區(qū)為例[Z].

[4] 吳敦毅, 哀法松, 模糊綜合評價在地下水水質(zhì)綜合評價中的應用[J]. 勘察科學技術(shù), 1991(6)

[5] 蔣火華, 朱建平, 梁德華, 吳貞麗. 綜合污染指數(shù)評價與水質(zhì)類別判定的關(guān)系[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 1999, 15（6）

[6] 劉運通, 胡江碧. 模糊評判的數(shù)學模型及其參數(shù)估計[J]. 北京工業(yè)學學報, 2001, 27（1）.

[7] 韓小明, 張曉梅, 王瑞, 李曉青, 丁禮江, 田玉川. 地球化學等值線圖生成方法研究及相關(guān)軟件使用對比 2007, 25（3）.

[8] 劉建華, 如何利用DEM 在ArcGIS中制作坡度分級圖[J]. 測繪與空間地理信息 2011, 34（1）

The Application of Fuzzy Comprehensive Evaluation Method to the Geological Environmental Assessment during Development of the Lhasa Geothermal Field

LUO Shui-lian MA Li-qun XIE Lie-ping
(Chengdu Center of Hydrogeology and Engineering Geology, Chengdu 610081)

This paper has a discussion on the application of fuzzy comprehensive evaluation method to the geological environmental assessment during development of the Lhasa Geothermal Field. Quality of geological environment is affected by geological setting, Quaternary, aquifer, water content and quality. The geological environment quality assessment areas are divided into cells by means of attribute assignment and space GIS, fuzzy quality indexes for each cells index are calculated and fuzzy quality index contour lines are drawn. Accordingly, a fuzzy mathematical model is established in order to assess quality of geological environment during development of the Lhasa Geothermal Field.

geological environment; quality assessment; fuzzy quality index; Lhasa Geothermal Field

O213.9

A

1006-0995（2014）04-0632-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.04.037

2013-08-02

羅水蓮（1965-），女，四川成都人，高級工程師，水文工程地質(zhì)、GIS應用