模糊理論在臨沂城區生態地質環境評價中的應用

袁春鴻，焦麗香，張慧，岳慶杰，郭加朋

(1.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014；2.濟南市國土資源局，山東 濟南 250014；3.山東省國土資源資料檔案館，山東 濟南 250013)

0 引言

臨沂市是魯東南地區的重要城市之一。近年來隨著經濟的快速發展和城市的大規模建設，出現了一系列環境地質問題，比如水土體污染、地質災害加劇、生態環境惡化等等，不僅嚴重破壞了自然生態環境，而且給人民生產和生活帶來重大損失，制約著國民經濟的可持續發展和人民生活質量的進一步改善[1]。

根據《山東省臨沂市城區生態建設地質環境調查與保護可行性研究報告》[注]①袁春鴻、李家田、甄學貞等，山東省臨沂市城區生態建設地質環境調查與保護可行性研究報告，2006年。，生態地質環境評價是多因素的綜合評價，其評價因素較多，而且各因素又無法全部精確確定，既有定量的又有定性的，表現出程度不一的模糊性，如人類工程活動情況、地質災害的發育情況等均為模糊概念，其間無明顯界限，致使對因素的狀態及因素重要程度難以確定，僅僅借助于經驗方法或現場判斷并不能使問題得到圓滿的解決，為此將歸屬于具有“模糊性”的非確定性問題[2]。由于目前國內外尚無生態地質環境評價規范和標準，而傳統的定量分析法難以描述這一具有“模糊性”的過程，由此可利用模糊數學法進行生態地質環境綜合評價。

1 生態地質環境評價模糊評判系統

1.1 數學模型

A·R=B

式中：A—參加評價因子的權重歸一化處理后構成的1×m階行矩陣；R—模糊變換器，是一個由各單因子評價行矩陣組成的m×n階模糊關系矩陣；B—綜合評判結果，是一個1×n階行矩陣。

1.2 評判因素選取

根據國家標準、行業規范、前人成果以及區內生態地質環境條件，確定出臨沂生態地質環境的綜合評價因素為土壤環境質量、地下水環境質量、工程地質環境質量和植被覆蓋度4類。

1.3 評判集確定

生態地質環境綜合評價[3]的模糊評判集主要考慮4種可能出現的結果，即優、良好、一般、較差。若以B1表示優、B2表示良好、B3表示一般、B4表示較差，則相應評判集為：

B=[B1B2B3B4]

1.4 隸屬度確定

模糊評判的優越性在于該法考慮到評判邊界的模糊性這一特性，因此，在確定某因素對應于評判集中某等級的隸屬度即構造單因素模糊矩陣時，須首先通過某種方法構造出該因素的隸屬函數，通過函數確定該值。對于定量因素可直接由隸屬函數求得，而對定性描述的因素，則可對其進行適當處理，如按分級法從高到低依次取不同數值，然后再通過構造隸屬函數求其隸屬度(0

式中：ui1，ui2，ui3，ui4分別為某評價因子對于Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ 4個級別的隸屬度；xi為某因子的實測值；S1，S2，S3，S4為相應于評價因子Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ級的標準值，有界限值的采用界限值，區間值的采用中值。

1.5 確定權重集

權重的確定方法有多種，該文根據區內生態地質環境特點，采用超標加權法確定各評價因子的權重，建立行矩陣A。

用超標加權法計算各評價因子的權重，公式為：

式中：Wi—某因子的權重；Xi—i因子的實測值；Si—i因子各級標準值的平均值，即：

Wi=1/4(Si1+Si2+Si3+Si4)

由于計算出的權重可能出現大于1的情況，因此可作歸一化處理，公式為：

最終可得出權重行矩陣：

1.6 綜合評判

綜合評判是兩個模糊矩陣的復合運算，類似于普通矩陣乘法。

2 臨沂市城區生態地質環境綜合評價

2.1 基本概況

2.1.1 構造

臨沂市在大地構造單元上屬中朝準地臺的一部分，區內斷裂構造主要有沂沭斷裂帶的安丘-莒縣、沂水-湯頭及鄌郚-葛溝3大主干斷裂和蒙山斷裂、汶泗斷裂、巖坡斷裂等(圖1)，斷裂活動強烈，是歷史上地震強烈活動區。該區地震動峰值加速度為0.15～0.20g，對應地震基本烈度值為Ⅶ—Ⅷ度，區域地殼屬于較不穩定區。

圖1 臨沂市城區地質構造圖1—工作區范圍；2—斷裂；3—河流

2.1.2 地貌

圖2 臨沂市城區地貌圖1—溶蝕—剝蝕丘陵；2—剝蝕—溶蝕丘陵；3—剝蝕平原；4—剝蝕—溶蝕平原；5—沖積—洪積平原；6—分區界線；7—工作區位置

臨沂市地處魯中南山區的南緣，區內地貌類型可分為丘陵和平原兩大類型(圖2)，北部、西部及西南部為丘陵，占研究區面積的23.4%；其他地區為沿沂河兩岸分布的山前沖洪積平原，占研究區面積的76.6%，地勢總的由西北向東南傾斜，地形坡度3°～5°。區內植被覆蓋率超過60%。

2.1.3 土壤

臨沂市土壤類型主要是褐土、潮土、砂姜黑土、水稻土。區內淺層土壤質量較好，均達到了Ⅰ類標準，未受污染；深層土壤局部砷、鎳含量較高，受到了輕度污染，達到了Ⅱ類質量標準。

2.1.4 水體

臨沂市境內水資源豐富，主要有沂河、沭河、祊河、涑河等河流，均屬淮河流域的沂河水系。目前地表水體均已受到不同程度的污染，沂河上游、密家墩北的裂隙泉水和祊河下游污染最輕，為微污染；新陷泥河水污染最重，為重污染；其余均為輕污染。

區內地下水分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水及基巖裂隙水4個類型。區內淺層地下水已受到不同程度的污染，現狀條件下分為良好、較好、較差和極差4個質量區。良好區主要分布在湯河鄉大程子河—周家官莊—管家嶺—三官廟一帶、羅莊鎮孫家岑石附近和河東區桃園附近，是區內良好的地下水源；較好區：主要分布在蘭山區和河東區周邊的郊區，所占面積較大，由于遠離城區，又無大的工礦企業，區內地下水質較好。較差區主要分布在祊河和沂河之間、祊河西岸，河東區鄭旺鄉—相公鎮一帶和白莊鄉—羅莊鎮一帶，范圍較大，由于距城區較近，又受工礦企業排放的污水影響，該區地下水質較差。極差區主要分布在羅莊礦區、臨沂城區西北，在河東區邵八湖—相公鎮西—芝麻墩—梅家埠一帶呈條帶狀分布，其余地段均呈點狀分布。該區水質較差，主要超標離子有總硬度、硝酸鹽和亞硝酸鹽等。

2.2 模糊評判

首先，根據生態地質環境質量等級劃分表(表1)和隸屬函數公式，構造各因素隸屬函數[5]。有了各因素隸屬函數后，根據前述的地質條件及所構造的隸屬函數可求出其相應與各等級的隸屬度，進而得出模糊關系矩陣R。

然后，根據前述的超標加權法得出權重矩陣。

在模糊關系矩陣R和權重矩陣A計算的基礎上，進行2個模糊矩陣的復合運算，即A·R=B，計算方法類似于普通矩陣乘法。

表1 四大因素綜合指標的等級劃分

最后，根據以最大隸屬度確定級別的原則[6](即某級標準的隸屬度最大，該因子就定為某級)，即可得出生態地質環境模糊評判結果(表2)。并根據評價結果把工作區劃分為優區、良好區、一般區和較差區(圖3)。

優區：在工作區內分布面積不大，主要在城區附近和河東區后相莊附近，區內土壤環境未受到污染，地下水環境質量良好，工程地質環境質量基本穩定，是區內良好的生態地質環境區。

良好區：該區分布面積較大，主要在蘭山區和河東區的外圍地區，由于遠離城區，區內土壤環境質量和地下水環境質量均較好，人類工程活動較少，工程地質環境質量基本穩定。

表2 生態地質環境綜合評價結果

圖3 綜合評價分區圖1—優區；2—良好區；3—一般區；4—較差區；5—綜合區分界線

一般區：主要分布于湯河鄉大程子河、羅莊鎮西部和沂河右岸，區內土壤環境和地下水環境質量較好，但是破壞生態地質環境的人類工程活動較強烈，使得該區工程地質環境質量較不穩定。

較差區：該區主要分布于工業發達的羅莊區和沂河右岸的河東區，在臨沂城西和祊河沿岸呈點狀分布，區內人類工程活動強烈、生態環境地質問題發育集中，主要環境地質問題有巖溶塌陷、采煤塌陷、砂土液化、地下水超采漏斗、地下水污染等。

3 結論

生態地質環境評價是多因素的綜合評價，如果將所有信息進行單層次評判，由于評價因素多，其中有的權重必然很小，各類因素標準不一，必然會造成信息損失和評價結果失真[6]。該文根據前人的研究結果、國家規范以及研究區實際情況，提出了4大類較能反映生態地質環境質量的指標，根據模糊數學評判原理建立一套綜合考慮生態、地質、環境和人類工程活動等因素的評判系統。實踐證明，這一方法是可行的。雖然研究工作在一定程度上就生態地質環境評價方法進行了研究，但還存在一些有待進一步研究和完善的問題。如評價指標的進一步優化，各指標對評判集中各種可能出現結果的隸屬度取值，各因素以及每一類指標的權重分配等等。不過，作為一種生態地質環境評價方法，確實能夠獲得比較滿意的結果，也為生態地質環境的評價提供了一個評價工具。

參考文獻：

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