模糊數學在地下空間開發利用地質環境適宜性評價中的應用

范毅 陳科平 文武飛

摘? 要? ?隨著長沙市城市的不斷發展及擴容，地下空間的開發利用已成為城市發展的必然選擇，而地質環境適宜性分區對地下空間開發利用起著至關重要的作用。本文在綜合考慮影響長沙市地下空間開發的地質環境影響因素基礎上，采用模糊綜合評判模型，對地下空間開發利用地質環境適宜性進行綜合評價。

關鍵詞? 模糊數學;地下空間;地質環境適宜性;長沙市

中圖分類號： P642.5 文獻標識碼：A

文章編號：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

在城市現代化發展中，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利用，應當科學、合理、有序地進行。但地下空間的開發利用受到地質條件、水文條件、巖土類型、地面空間類型、已有建筑物及地下設施、施工技術等諸多因素的影響和制約，且其具有不可逆性。因此，針對當前地下空間資源開發利用過程中存在的問題，十分需要對其做出科學的評價，本文以長沙市為例，首先篩選了地下空間開發地質環境的影響因素指標體系，對定量指標和定性指標分別采用不同的降半梯形隸屬函數和梯形隸屬函數進行處理，并采用合理的梯形模糊數定權法確定了各指標的權重;然后運用模糊綜合評判模型，對長沙市地下空間開發地質適宜性進行了定量評價。

1? 研究區范圍

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

2? 地質環境影響因素分析

根據長沙市基礎地質、工程地質、水文地質及環境地質相關資料[2，3]，對研究區地質環境基本特征進行了全面分析研究，確定長沙市地下空間開發利用適宜性影響因素分為7個一級影響因子及16個二級影響因子[4-6]，一級影響因子為地形地貌、地質構造、巖土體類型及組合、水文地質、不良地質作用、生態敏感性條件以及地下空間現狀條件。二級影響因子為地形坡度、斷裂密度、斷裂活動性、土體類型及組合、巖體強度、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、生態綠地保護、地下水保護和地質遺跡、文物保護、現狀及影響范圍。將地下空間適宜性劃分為四個等級，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利用適宜性綜合評價指標體系和分級標準，如表1所示。

3? 評價方法介紹

模糊綜合評判法是一種基于模糊數學的綜合評價方法，該方法根據模糊數學的隸屬度理論把定性評價轉化為定量評價，即用模糊數學對受到多種因素制約的事物或對象做出一個總體評價[7]。運用模糊綜合評判法評價地下空間開發利用地質環境適宜性的步驟為：①將研究區坐標化和網格化，即先將研究區坐標化，分成1km×1km的網格;②構建評價指標體系和準則;③采用梯形模糊數定權法確定指標權重，建立權重集;④采用梯形隸屬函數確定各區域評價指標隸屬度，量化后作為基礎數據輸入;⑤按照最大隸屬度原則通過模糊綜合評判判定各區域網格地下空間開發利用地質環境適宜性等級;⑥將所有網格按適宜性級別連片得到適宜性分區圖。

4? 評價過程

4.1 評價單元劃分

將研究區運用柵格數據處理方法對研究區進行網格剖分，取1km×1km為最小評價分析單元格，將全區劃分為1754個單元網格。

4.2 評價因子權重確立

采用梯形模糊定權法確立權重[8-10]。梯形模糊定權法采用5個等級的模糊評價語言表示因子的重要性，權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（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決策的基礎上，即每位專家的決策權重為Rt=1/4（t=1，2，3，4），用表中的模糊詞匯對表中的各指標相對重要性進行評價，并計算專家組綜合權重。計算結果如表2、表3，由表建立如下權重集：

二級模糊綜合評判權向量為：0=（0.064，0.134，0.149，0.180，0235，0.134，0.104）一級模糊綜合評判實際權向量：

=（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 評價因子隸屬度的確定

由表1可以看出，所選取的評價指標有兩種：定量指標和定性指標。地形坡度、斷裂密度、地下水埋深、填土厚度、現狀及影響范圍5個定量指標采用梯形隸屬函數確定隸屬度，即下式所示：

對于定性指標按照一定準則進行量化處理，采用分級法評定其模糊矩陣[8]，將影響因子分為四個等級：好Ⅰ（0.2）、較好Ⅱ（0.4）、較差Ⅲ（0.7）、差Ⅲ（0.9），按照賦值標準給出評定值，并采用梯形隸屬函數構造函數如下：

將各區域內的評價因子量化后作為基礎數據輸入如圖1：

通過各因子隸屬函數計算各因子隸屬度，得到隸屬度評判結果。

以長沙市天心區暮云街道云塘社區服務中心所在地單元網格為例，計算各評價因子隸屬度。其基礎數據取值及隸屬度見表4。

該區域隸屬度評判結果

4.4模糊綜合評判

通過一級模糊綜合評判實際權向量與隸屬度評判結果的復合運算，可得到綜合評判結果，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

長沙市天心區暮云街道云塘社區服務中心所在地單元網格綜合評判結果，按最大隸屬度原則，該區域適宜性等級為適宜性好。

5? 評價結果

對研究區各單元網格進行模糊綜合評判，得到單個評判結果，將所有網格按適宜性級別連片成圖。

本次研究將地鐵（已有、在建及規劃）、已有城市地下綜合商業圈（國金中心、五一廣場、芙蓉廣場、東塘、侯家塘）、生態綠地（岳麓山風景區）、歷史文化及文物保護單位（馬王堆漢墓、西漢長沙王室墓、開福寺、天心閣）及地下水源保護區（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10m范圍以內的適宜性級別直接劃為適宜性差區。最終得到長沙市地下空間地質環境適宜性評價分區圖（見圖2）。

由圖2可知，研究區地下空間開發利用適宜性好的面積為550.72km2，占總面積的34.94%，主要分布在岳麓區東方紅鎮-望城區黃金園街道一帶、開福區撈刀河鎮以北、雨花區洞井街道;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、岳麓區坪塘-含浦一帶、雨花區同升街道;適宜性較差的面積為180.44km2，占總面積的11.46%，主要分布在望城區高塘嶺-寧鄉市金州一帶、開福區、芙蓉區;適宜性差的面積為109.47km2，占總面積的6.95%，主要分布在望城區烏山、雨花區跳馬鎮。

6? 結語

（1）采用模糊綜合評判法對地下空間開發利用適宜性運用模糊語言進行不同程度的評價，可以得到較為理想、符合實際的結果。

（2）長沙市地下空間開發利用適宜性好及較好區面積1285.92 km2，占比達到81.59%，適合大力開發地下空間資源，開發過程中應注意巖溶、斷裂等不良地質作用的影響，防止突水、塌陷災害發生。

參考文獻/References

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