基于模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法的珠海某填海造地區(qū)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)

(廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080)

濱海城市為解決發(fā)展過程土地資源日趨枯竭這一問題，通過填海造地工程在近海岸灘涂區(qū)擴(kuò)展地表土地資源，以滿足人類社會(huì)發(fā)展的需求。與此同時(shí)也面臨一系列地質(zhì)環(huán)境問題，諸如軟土地基沉降、河道水位升高而引起的洪澇災(zāi)害等。

為確定地質(zhì)環(huán)境對(duì)填海造地工程的適宜程度，更好地指導(dǎo)地質(zhì)環(huán)境開發(fā)利用，減少和避免地質(zhì)環(huán)境問題的出現(xiàn)，開展地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)工作變得尤為重要。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于珠江三角洲南端，珠海市西南部濱海平原，包括乾務(wù)—三灶、鶴州南墾區(qū)及橫琴島以西的濱海區(qū)域，多為上世紀(jì)80年代后圍海造陸工程形成的，其中圍海造地面積約226.96 km2。

研究區(qū)氣候溫和濕潤(rùn)，多年平均氣溫22.3℃，最高氣溫38.5℃，最低氣溫2.5℃，日溫差較??；4-9月盛行東南季風(fēng)，為雨季，降雨量約占全年的85%，10月—次年3月盛行東北季風(fēng)，為旱季。

2 評(píng)價(jià)方法

本次填海造地區(qū)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)是涉及多層次、多種因素作用的空間綜合決策問題。目前在適宜性評(píng)價(jià)中運(yùn)用較多的方法和理論有因素比較法[1]、多元統(tǒng)計(jì)判別[2]、模糊灰色聚類[3]、模糊綜合評(píng)判[4]、專家聚類法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

由于影響地質(zhì)環(huán)境的因素較多，各影響因素具有不確定性，而且地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級(jí)界限以及影響因素的分級(jí)界限也存在不明確，即作為外延也是非常模糊的，帶有很大的模糊性。所以，模糊數(shù)學(xué)是刻畫這類問題較為合理的方法[5][6]。

因此，本文采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法對(duì)填海造地區(qū)進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)。

圖1 地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)程序

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

設(shè)評(píng)價(jià)指標(biāo)集合U={u1，u2，…，um}，i=1,2，...，m；評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)集合V={v1，v2，…，vn}，j=1,2，…，n。在地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)中，U是一個(gè)模糊向量，而V則是一個(gè)矩陣。

評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間的模糊關(guān)系可以用模糊關(guān)系矩陣R來表示。

根據(jù)模糊關(guān)系的定義，rij表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)可以被評(píng)為第j級(jí)的可能性，即ui對(duì)于vj的隸屬度。

2.2 隸屬函數(shù)的確定

隸屬函數(shù)的確定方法有很多種，在評(píng)價(jià)實(shí)際工作中，梯形分布的隸屬函數(shù)應(yīng)用最為廣泛，具體關(guān)系式如下：

式中：uⅠ(x)，uⅡ(x)，… un+1(x)分別為評(píng)價(jià)因素x對(duì)一級(jí)、二級(jí)、…、n級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度；而x1，x2，…，xn+1分別為一級(jí)、二級(jí)、…、n+1級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的代表值。

2.3 綜合隸屬度計(jì)算

由權(quán)向量與模糊矩陣進(jìn)行合成得到綜合隸屬度B，其合成表達(dá)式為：

式中評(píng)價(jià)因素權(quán)重A=(a1，a2，…，am)，a1，a2，…，am分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)u1，u2，…，um的權(quán)重，且滿足a1+a2+…+am=1；R為模糊關(guān)系矩陣。

其中合成算子很多，根據(jù)模糊集的運(yùn)算方法，本文采用加權(quán)平均模型計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果向量B的值。

3 評(píng)價(jià)過程

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

地質(zhì)環(huán)境對(duì)工程建設(shè)活動(dòng)的適宜程度主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[7]：

(1)地質(zhì)環(huán)境對(duì)人類工程建設(shè)的適宜程度，包括地形地貌、區(qū)域構(gòu)造、工程地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)條件等對(duì)工程建設(shè)的滿意程度；

(2)地質(zhì)環(huán)境災(zāi)害發(fā)育程度，包括海水入侵、水土流失、崩塌、滑坡、泥石流、軟基沉降以及巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模、頻度和強(qiáng)度等。

本文分別由地形地貌、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、地殼穩(wěn)定性及地質(zhì)災(zāi)害五個(gè)環(huán)境質(zhì)量層面來進(jìn)行分析，并選取其中主要影響因子作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。具體地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量層面及其指標(biāo)體系的構(gòu)建見表1。

3.2 地質(zhì)環(huán)境適宜性分級(jí)

從地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)分析中可以看出，地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣并不具有絕對(duì)含義，而是對(duì)適宜程度的反映。目前在地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)研究中，應(yīng)用較多的質(zhì)量分級(jí)方法為邏輯信息分類法。

本文采用四值邏輯分類體系將填海造地區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境適宜性劃分為四級(jí)，即：優(yōu)等、良好、中等和差。

3.3 評(píng)價(jià)因子量化分級(jí)

首先，在對(duì)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，找出各評(píng)價(jià)因子最優(yōu)和最差的兩個(gè)極限值，劃定指標(biāo)的級(jí)差范圍；其次，根據(jù)確定的指標(biāo)分級(jí)值，在兩個(gè)極限值之間，按取差原則，以閩限遞增或遞減規(guī)律取值劃分出四個(gè)級(jí)別。具體如表2所示。

表1 填海造地區(qū)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其涵義

3.4 評(píng)價(jià)因子權(quán)重

評(píng)價(jià)因子的權(quán)重則根據(jù)層次分析法確定。首先對(duì)所選取的主要評(píng)價(jià)因子按照九標(biāo)度兩兩對(duì)比得到比較矩陣，然后根據(jù)比較矩陣計(jì)算權(quán)重，最后通過對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若矩陣具有滿意的一致性，則認(rèn)為各因子的權(quán)重可以滿足評(píng)價(jià)的要求。具體評(píng)價(jià)因子權(quán)重表如表2所示。

表2 評(píng)價(jià)因子量化表

圖2 填海造地區(qū)地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)圖

3.5 評(píng)價(jià)結(jié)果輸出

將研究區(qū)劃分為200 m×200 m的方格，每個(gè)方格作為一個(gè)評(píng)價(jià)單元，將各個(gè)評(píng)價(jià)因子的量化值分配到不同評(píng)價(jià)單元上，然后借助計(jì)算機(jī)對(duì)其模糊關(guān)系矩陣及權(quán)重向量矩陣進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)分級(jí)，確定各評(píng)價(jià)單元的等級(jí)，最后用Mapgis生成等值線圖，經(jīng)線條優(yōu)化后生成適宜性分區(qū)圖(見圖2)，將填海造地區(qū)地質(zhì)環(huán)境適宜性劃分為四級(jí)，即：優(yōu)等區(qū)、良好區(qū)、中等區(qū)和差區(qū)。

3.5.1 地質(zhì)環(huán)境適宜性優(yōu)等區(qū)

零星分布在大霖山和黃竹山、攔浪山山前一帶，面積1.35 km2，占評(píng)價(jià)區(qū)填海造地區(qū)總面積的0.6%。一般地面坡度為7°～15°，地形起伏不大；地下水位埋深較大，且地下水主要接受丘陵區(qū)裂隙水補(bǔ)給，腐蝕性較弱；地基土主要為殘坡積土，軟土層厚度較小，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。

3.5.2 地質(zhì)環(huán)境適宜性良好區(qū)

主要分布在研究區(qū)內(nèi)山前及丘間位置，面積為29.23 km2，占填海造地區(qū)總面積的12.9%。地面坡度為7°～15°，局部為15°～25°，整體地形起伏不大；地基土以殘坡積土為主，雖有軟土分布，但軟土層厚度不大，地下水埋深較大，工程地質(zhì)條件較好；同時(shí)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)。該區(qū)域多為村莊聚集地，地勢(shì)較低，較為開闊。

3.5.3 地質(zhì)環(huán)境適宜性中等區(qū)

廣泛分布在研究區(qū)范圍內(nèi)，面積為140.61 km2，占填海造地區(qū)總面積的61.9%。地面坡度普遍為7°～15°，地形起伏較?。粎^(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)；而導(dǎo)致其地質(zhì)環(huán)境適宜性較差的主要因素是軟土層厚度較大，厚度不均勻，在圍海造地工程后，區(qū)內(nèi)軟基沉降地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)且頻發(fā)，工程地質(zhì)條件較差。

3.6 地質(zhì)環(huán)境適宜性差區(qū)

主要分布在雞啼門、磨刀門水道兩側(cè)及紅旗鎮(zhèn)成德圍—紅旗變電站一帶、三灶鎮(zhèn)斜尾新村—鵝頸咀一帶，面積為55.77 km2，占填海造地區(qū)總面積的24.6%。地面坡度為7°～15°，地形起伏較?。粎^(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，屬構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)；軟土發(fā)育厚度大，且成土?xí)r間短，工程地質(zhì)條件較差；局部地段為咸水區(qū)，地下水對(duì)鋼筋腐蝕性較強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文通過地形地貌、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、地殼穩(wěn)定性及地質(zhì)災(zāi)害五個(gè)環(huán)境質(zhì)量層面確定7個(gè)評(píng)價(jià)因子，利用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法，借助計(jì)算機(jī)及Mapgis功能，對(duì)剖分的評(píng)價(jià)單元格進(jìn)行評(píng)價(jià)因子量化賦值及計(jì)算，最終將填海造地區(qū)劃分為地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)、較適宜區(qū)、適宜性中等區(qū)、適宜性差區(qū)。

(2)從分析結(jié)果看：研究區(qū)內(nèi)填海造地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境適宜性多為中等—差，主要是因?yàn)檐浲翆雍穸容^大，成土?xí)r間相對(duì)較短，工程地質(zhì)條件差，局部地段為咸水區(qū)，地下水具備一定腐蝕性。

(3)在進(jìn)行重大工程建筑時(shí)，應(yīng)盡量避開地質(zhì)環(huán)境適宜性差區(qū)，而在地質(zhì)環(huán)境適宜性中等區(qū)內(nèi)進(jìn)行工程建筑時(shí)，則需注重注意軟基沉降問題，可采用真空預(yù)壓聯(lián)合堆載預(yù)壓法等方法進(jìn)行軟基加固。