模糊综合评判在拉萨地温开发地质环境评价中的应用

罗水莲，马利群，谢烈平

（成都水文地质工程地质中心，成都610081 ）

模糊综合评判在拉萨地温开发地质环境评价中的应用

罗水莲，马利群，谢烈平

（成都水文地质工程地质中心，成都610081 ）

影响拉萨市浅层地温能地质环境质量的因素主要有地质环境背景、第四系及含水层因素、水量环境因素、水质环境因素等四大类，对四大类影响因素及其下一级因子进行层次分析和模糊数学模型的构建，确定其隶属度函数，计算各因子的权重值。利用GIS的属性赋值与空间分析，对地质环境质量评价区进行网格划分，计算出各网格单元的模糊质量指数值，绘制了模糊质量指数等值线，在此基础上对拉萨市浅层地温能地质环境质量进行了评价。

地质环境；层次分析；模糊质量指数；拉萨

浅层地温能地质环境质量评价是衡量地质环境条件对浅层地温能开发建设的适宜性程度，对利用浅层地温能具有重要意义。由于地质环境质量评价要考虑多因素、多层次的相互作用，具有影响因子多、各因子的作用和地位不相同、同一因子在不同的地质环境条件下所起的作用也不尽相同的特点，因此需要采用综合评价方法。综合评价的基本思想是将地质环境系统分解成几个子系统，然后对各个子系统分别选取评价因子，将各评价单元评价因子的相应指标值按权重进行叠加，得出各评价单元综合评价指标即地质环境质量指数。

由于地质环境质量分级界线具有一定的模糊性，采用模糊数学方法评价较合理，应用中采用二级模糊综合评判，它克服了以往模糊综合评价结果的不连续性而带来的评价结果非此即彼的缺陷，具有定量化程度和可信度较高，且具有连续性的特点。

1 地质环境质量影响因素分析

1.1 浅层地温能

浅层地温能是蕴藏在地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中具有开发利用价值的热能。浅层地温能的开发方式分为两类，即地源热泵系统和地下水源热泵系统，地源热泵系统以岩土体、地下水或地表水为低温热源，由水源热泵机组、浅层地温能交换系统、建筑物内系统组成的空调系统；地下水源热泵系统是通过地下水进行热交换的热泵系统。

1.2 影响因素分析

从浅层地温能的两类开发方式分析，浅层地温能地质环境质量的优劣主要取决于地质环境背景条件、区域环境地质问题、浅层地温能开发层的储水空间（第四系及含水层）、浅层地温能开发层的储水能力（水量环境）及影响浅层地温能开发设备运行的地下水水质环境。

地质环境背景条件、区域环境地质问题包括的内容很多，在拉萨市对浅层地温能开发有影响的因素主要地形坡度、区域地壳稳定性、各种地质灾害。

人类生存与工程活动适宜在一定的地形坡度区域，在这个区域内，人们耕种、建筑各类构筑物都适宜。地形坡度大于这个区域，人类的生活成本就会大幅增加，甚至是不可能生存。对于浅层地温能的开发也不例外，浅层地温能开发的适宜坡度应为0-35°，在这个地形坡度内，其坡度越小，其开发成本也会越小。区域地壳稳定性对浅层地温的开发影响也比较显著，在地震活动频繁，地震烈度较大的区域内，开发浅层地温能的建设及各种设施均会受到影响。地质灾害存在及其危险区域影响地面地表的各类建筑物，同样也影响浅层地温能的开发区。因此，地质环境背景影响因素中，地形坡度越小，其浅层地温能的开发条件越好；地震活动频率越小、地震烈度越小，越适宜于浅层地温能的开发。在滑坡、崩塌、泥石流、塌陷及不稳定斜坡等地质灾害发生地段及其危险区内，浅层地温能的开发条件差，地质灾害的影响区外，浅层地温能的开发条件好。

浅层地温能蕴藏于地表以下一定深度范围内岩土体、地下水和地表水中，第四系松散层其储水能力强，渗透系数大，便于热交换；其厚度越大，热交换量越多。因此第四系厚度及含水层总厚度对浅层地温能开发的影响较大，其厚度大，有利于浅层地温能的开发。但是第四系中卵石层的存在对地埋管热泵式开发较为不利，地埋管热泵式开发要求第四系中卵石层厚度要小，卵石层厚度越小对地埋管热泵式开发条件越好。浅层地温能开发层的储水能力（水量环境）方面，在储水能力强的岩土体中，直接利用地下水中蕴藏的热量，进行浅层地温能开发，因此含水层的单位涌水量越大，越有利于浅层地温能的开发。当第四系松散层有一下厚度，含水层厚度小，单位涌水量小时，可利用第四系松散层的储水能力，利用地层吸水能力，交换岩土体中的热量，达到开发浅层地温能的目的。因此岩土体的回灌率越大，越利于开发浅层地温能。地下水位年下降幅大小对浅层地温能开发也有一定影响，其降幅越大，浅层地温能的开发条件越差。

地下水水质环境情况对浅层地温能开发影响主要在设备运行方面。国家地下水质量标准中将地下水质量划分为五类，一、二、三类水中各组分含量适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水。随着水质类别的提高，水质变差，水中浑浊度以及其它组分含量大，易沉淀于开发设备中，影响开发设备的运行，对开发浅导温能也不利；同样地下水受污染与地下水易结垢也是影响开发设备的运行，从而影响浅层地温能的开发。

2 地质环境质量因素层次分析法

2.1 地质环境质量影响因素的层次性

影响地质环境质量的因子具有层次性特征。地质环境背景条件、区域环境地质问题、浅层地温能开发层的储水空间（第四系及含水层）、浅层地温能开发层的储水能力（水量环境）及地下水水质环境是第一层次的因子，它们又包含有几个第二层次的因子，如地质环境背景条件包含地形坡度、区域地壳稳定性、地质灾害等，而第二层次因子中又可能包含几个

表1 影响浅层地温能开发的地质环境质量评价因子

表2 影响浅层地温能开发的地质环境质量评价参评因子量化分级

第三层次甚至更低层次因子。为避免参评因子过多，致使各因子的权重分配过小，主要因子作用不突出，进而造成评价结果失真，本次评价采用两个层次评价（二级评价）即可。由于影响浅层地温能开发地质环境质量的因素较多，为突出主要因子的作用，避免参评因子过多造成评价结果失真，每个一级评价因子下以选取3个二级评价因子，共选取12个二级评价因子进行评价（表1）。

2.2 评价指标的量化分级

评价因子按其对地质环境质量正负效应的不同可分为正效应因子（正因子）和负效应因子（负因子）。所谓正效应因子指地质环境质量随因子指标值的增大而变好，如单位涌水量等；负效应因子指地质环境质量随因子指标值的增大而变差，如地形坡度、区域稳定性的地震烈度等等。正、负因子指标的量化方法不同，负因子直接采用其特征值，正因子采用特征值倒数或其它变数（表2）。

2.3 评价因子权值的确定

地质环境质量评价因子的贡献大小不同，对各因子具有权衡轻重作用程度的数值称为权值，因此求权值的过程就是对不同因子间重要性程度的分析过程。权值的确定有多种方法，如层次分析法、专家直接经验法、调查统计法等。其中层次分析法是较为理想的分析方法，它是通过组织经验丰富的专家，集中群体智慧，对各评价因子的相对重要性进行评估打分，然后通过层次分析运算得出各评价因子权重。拉萨市浅层地温能开发综合地质环境质量评价因子权值采用层次分析法确定。

3 模糊质量指数与模糊数学模型的构建

3.1 模糊质量指数

利用GIS的属性赋值与空间分析，对地质环境质量评价区进行网格划分，在划分出的每个网格内，根据选定的地质环境因子,建立因子隶属度函数和评价矩阵, 并进行模糊综合运算，计算出各网格单元的模糊质量指数（FQI）值，模糊质量指数（FQI）值的大小反映划分的网格内地质环境质量的优劣，FQI值越小，评价网格内的地质环境质量越好，反之FQI值越大，评价网格内地质环境质量越差。

FQI=1 地质环境质量属优等

1＜FQI≤ 2 地质环境质量属良好；2＜FQI≤3 地质环境质量属中等；3＜FQI≤4 地质环境质量属较差；4＜FQI≤5 地质环境质量属差

3.2 给出评价因子集

根据对评价区浅层地温能开发地质环境质量影响因子的系统分析，给出评价因子集：

3.3 给出地质环境质量等级集

3.4 评价因子隶属度的确定

隶属度是反映评价指标隶属于各种地质环境状态的程度，一般由隶属函数确定，它是用来定量描述评价因子对地质环境质量级别隶属程度大小的函数形式。由于影响地质环境质量因素的相互作用、影响及地质环境本身的复杂性和模糊性特点，针对拉萨市地质环境质量影响因素特征，构造半梯形分布隶属函数。下面以地质环境背景与环境地质灾害中的二级因子地形坡度为例构建的隶属函数如式（1）。

式（1）中 x1,x2,x3,x4,x5为评价因子指标分级界限值，x为评价单元实际统计值。

式（1）中U代表各因子，如地形坡度其隶属函数式如式（2）。

表3 一级评价因子权重取值

表4 二级评价因子权重取值

3.5 建立因子评价矩阵

利用建立的各因子的隶属函数对诸因子进行评价，其结果为评价集V的模糊子集,对于第i个因子，其评价集为

因U与V 之间存在模糊关系R，选定的12个因子的评价矩阵为

3.6 模糊矩阵复合运算

二级因子评价通过建立单因子评价矩阵Ri及权值分配矩阵U，经模糊运算可得评价结果分别为:

并组成一级评价矩阵：

一级评价因子权得向量为：U=(u1,u2,u3, u4,)，一级因子向量与一级评价矩阵之间，运行模糊运算，可得一级评价结果：E1=U·V =(e1,e2,e3,e4,e5)

采用下式计算出模糊质量指数（FQI）值：

图1 拉萨市浅层地温能地质环境质量评价分区图

4 评价结果

通过对拉萨市浅层地温能开发利用地质环境影响因素的分析，构建模糊数学模型, 计算划分的各网格单元的模糊质量指数值(FQI)，利用MAPGIS的数字地面模型子系统，对拉萨市评价区绘制了模糊质量指数等值线，划分出环境质量评价分区图（图1）。

从拉萨市浅层地温能地质环境质量评价图看出，开发浅层地温能的地质环境质量差和较差区分布在山前和沟谷内的滑坡、泥石流及崩塌分布区前缘，易于受地质灾害的影响区。地质环境质量中等区位于较差区的外围，少量位地山前，该区受地质灾的影响为中等。而地质环境质量良好和优等区分布于拉萨河谷两岸，该区内地形相对平坦，区域地质环境稳定，地质灾害少，第四系厚度大，水量丰富，地下水水质较好，适宜于浅层地温能开发。

5 结语

1）影响浅层地温能开发的地质环境因素很多，本次评价第一层次考虑了地质环境背景与环境地质灾害、第四系及含水层环境、水量环境及水质环境四大因素，第二层次选择地形坡度、地质灾害等十二个因素的影响。

2）本次评价的地质环境质量是针对浅层地温能开发利用方面而进行，因其考虑的因素不同，针对的问题不同，因此与一般意义上的地质环境质量有所区别，评价的结果也不同。

3）本次评价是在分析各种因素、构建模糊数学模型，通过大量的网格单元计算作出的，评价结果具有连续分布的特点，且利用计算机成图，其结果对浅层地温能的开发具有一定的指导意义。

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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

罗水莲（1965-），女，四川成都人，高级工程师，水文工程地质、GIS应用