模糊数学在地下空间开发利用地质环境适宜性评价中的应用

范毅 陈科平 文武飞

摘  要   随着长沙市城市的不断发展及扩容，地下空间的开发利用已成为城市发展的必然选择，而地质环境适宜性分区对地下空间开发利用起着至关重要的作用。本文在综合考虑影响长沙市地下空间开发的地质环境影响因素基础上，采用模糊综合评判模型，对地下空间开发利用地质环境适宜性进行综合评价。

关键词  模糊数学;地下空间;地质环境适宜性;长沙市

中图分类号： P642.5 文献标识码：A

文章编号：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

在城市現代化发展中，地下空间成为城市空间拓展的重要后备资源，地下空间资源的开发利用，应当科学、合理、有序地进行。但地下空间的开发利用受到地质条件、水文条件、岩土类型、地面空间类型、已有建筑物及地下设施、施工技术等诸多因素的影响和制约，且其具有不可逆性。因此，针对当前地下空间资源开发利用过程中存在的问题，十分需要对其做出科学的评价，本文以长沙市为例，首先筛选了地下空间开发地质环境的影响因素指标体系，对定量指标和定性指标分别采用不同的降半梯形隶属函数和梯形隶属函数进行处理，并采用合理的梯形模糊数定权法确定了各指标的权重;然后运用模糊综合评判模型，对长沙市地下空间开发地质适宜性进行了定量评价。

1  研究区范围

长沙市为湖南省的省会，也是我国中部区域性中心城市，本文研究范围涵盖长沙市建成区及2020年规划区（含湘江新区核心区）[1]，行政范围涉及长沙市开福区、雨花区、芙蓉区、天心区全区以及岳麓区、望城区、宁乡市、长沙县的一部分，面积总计1576km2。

2  地质环境影响因素分析

根据长沙市基础地质、工程地质、水文地质及环境地质相关资料[2，3]，对研究区地质环境基本特征进行了全面分析研究，确定长沙市地下空间开发利用适宜性影响因素分为7个一级影响因子及16个二级影响因子[4-6]，一级影响因子为地形地貌、地质构造、岩土体类型及组合、水文地质、不良地质作用、生态敏感性条件以及地下空间现状条件。二级影响因子为地形坡度、断裂密度、断裂活动性、土体类型及组合、岩体强度、地下水埋深、含水层富水性特征、地下水的腐蚀性、岩溶、流砂、填土层厚度、地表水保护、生态绿地保护、地下水保护和地质遗迹、文物保护、现状及影响范围。将地下空间适宜性划分为四个等级，适宜性好、适宜性较好、适宜性较差、适宜性差。建立长沙市地下空间开发利用适宜性综合评价指标体系和分级标准，如表1所示。

3  评价方法介绍

模糊综合评判法是一种基于模糊数学的综合评价方法，该方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体评价[7]。运用模糊综合评判法评价地下空间开发利用地质环境适宜性的步骤为：①将研究区坐标化和网格化，即先将研究区坐标化，分成1km×1km的网格;②构建评价指标体系和准则;③采用梯形模糊数定权法确定指标权重，建立权重集;④采用梯形隶属函数确定各区域评价指标隶属度，量化后作为基础数据输入;⑤按照最大隶属度原则通过模糊综合评判判定各区域网格地下空间开发利用地质环境适宜性等级;⑥将所有网格按适宜性级别连片得到适宜性分区图。

4  评价过程

4.1 评价单元划分

将研究区运用栅格数据处理方法对研究区进行网格剖分，取1km×1km为最小评价分析单元格，将全区划分为1754个单元网格。

4.2 评价因子权重确立

采用梯形模糊定权法确立权重[8-10]。梯形模糊定权法采用5个等级的模糊评价语言表示因子的重要性，权重的模糊词汇包括很低（VL）、低（L）、中等（M）、高（H）、很高（VH），分别用梯形模糊数（0，3，3，3）、（0，3，3，5）、（0，5，5，7）、（5，7，7，10）、（7，10，10，10）来表示。

由4位专家组成专家组在平权决策的基础上，即每位专家的决策权重为Rt=1/4（t=1，2，3，4），用表中的模糊词汇对表中的各指标相对重要性进行评价，并计算专家组综合权重。计算结果如表2、表3，由表建立如下权重集：

二级模糊综合评判权向量为：0=（0.064，0.134，0.149，0.180，0235，0.134，0.104）一级模糊综合评判实际权向量：

=（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 評价因子隶属度的确定

由表1可以看出，所选取的评价指标有两种：定量指标和定性指标。地形坡度、断裂密度、地下水埋深、填土厚度、现状及影响范围5个定量指标采用梯形隶属函数确定隶属度，即下式所示：

对于定性指标按照一定准则进行量化处理，采用分级法评定其模糊矩阵[8]，将影响因子分为四个等级：好Ⅰ（0.2）、较好Ⅱ（0.4）、较差Ⅲ（0.7）、差Ⅲ（0.9），按照赋值标准给出评定值，并采用梯形隶属函数构造函数如下：

将各区域内的评价因子量化后作为基础数据输入如图1：

通过各因子隶属函数计算各因子隶属度，得到隶属度评判结果。

以长沙市天心区暮云街道云塘社区服务中心所在地单元网格为例，计算各评价因子隶属度。其基础数据取值及隶属度见表4。

该区域隶属度评判结果

4.4模糊综合评判

通过一级模糊综合评判实际权向量与隶属度评判结果的复合运算，可得到综合评判结果，即

按最大隶属度原则，在矩阵中取最大值，即单元最大隶属度

长沙市天心区暮云街道云塘社区服务中心所在地单元网格综合评判结果，按最大隶属度原则，该区域适宜性等级为适宜性好。

5  评价结果

对研究区各单元网格进行模糊综合评判，得到单个评判结果，将所有网格按适宜性级别连片成图。

本次研究将地铁（已有、在建及规划）、已有城市地下综合商业圈（国金中心、五一广场、芙蓉广场、东塘、侯家塘）、生态绿地（岳麓山风景区）、历史文化及文物保护单位（马王堆汉墓、西汉长沙王室墓、开福寺、天心阁）及地下水源保护区（白沙井）、主要河流（湘江、浏阳河、捞刀河）作为敏感因子，将距离敏感因子分布区10m范围以内的适宜性级别直接划为适宜性差区。最终得到长沙市地下空间地质环境适宜性评价分区图（见图2）。

由图2可知，研究区地下空间开发利用适宜性好的面积为550.72km2，占总面积的34.94%，主要分布在岳麓区东方红镇-望城区黄金园街道一带、开福区捞刀河镇以北、雨花区洞井街道;适宜性较好的面积为735.2km2，占总面积的46.65%，主要分布在长沙县、岳麓区坪塘-含浦一带、雨花区同升街道;适宜性较差的面积为180.44km2，占总面积的11.46%，主要分布在望城区高塘岭-宁乡市金州一带、开福区、芙蓉区;适宜性差的面积为109.47km2，占总面积的6.95%，主要分布在望城区乌山、雨花区跳马镇。

6  结语

（1）采用模糊综合评判法对地下空间开发利用适宜性运用模糊语言进行不同程度的评价，可以得到较为理想、符合实际的结果。

（2）长沙市地下空间开发利用适宜性好及较好区面积1285.92 km2，占比达到81.59%，适合大力开发地下空间资源，开发过程中应注意岩溶、断裂等不良地质作用的影响，防止突水、塌陷灾害发生。

参考文献/References

[1] 长沙市规划局.长沙市城市总体规划（2003-2020年）（2014年修订）[R].2014.

[2] 湖南省地质调查院.长株潭城市群地质环境调查与区划成果报告[R].2016.

[3] 龚玲兰，奚小双.湖南长沙市的城市地质环境调查[J].地球与环境，2006.

[4] 邓佩如，关欣，李巧云.长沙市城市地下空间开发利用的地质因素分析[J].安徽农业科学，2015.

[5] 廖建三，彭卫平，林本海.影响广州市浅层地下空间开发利用的地质因素分析及分区评价[J].岩石力学与工程学报，2006.

[6] 宁国民，陈国金，徐绍宇，等.武汉城市地下空间工程地质研究[J].水文地质工程地质，2006.

[7] 谢季坚，刘承平.模糊数学方法及其应用（第四版）[M].武汉：华中科技大学大学出版社，2013.

[8] 潘朝，吴立，左清军，等.基于模糊数学的武汉市地下空间开发利用地质适宜性评价[J].安全与环境工程，2013.

[9] 卢阳，胡修文，郭礼波，等.模糊综合评判法在隧道地质超前预报中的应用[J].安全与环境工程，2010.

[10] 何衍兴，王琴，蒋瑛.模糊综合评价在建筑施工安全评价中的应用[J].安全与环境工程，2011.