婁新剛,孫艷榮,鄒孔業(yè)

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院,遼寧鞍山114000)

基于GIS的海城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

婁新剛,孫艷榮,鄒孔業(yè)

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局地質(zhì)勘查研究院,遼寧鞍山114000)

基于地理信息系統(tǒng) (GIS)和多級(jí)模糊模式識(shí)別模型,建立了海城市空間數(shù)據(jù)庫和地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模型;綜合考慮地形坡度、工程地質(zhì)巖組 、巖土體結(jié)構(gòu)類型、地下水位 、植被發(fā)育情況、月平均降雨量、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度等因素,用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)值;應(yīng)用評(píng)價(jià)模型對(duì)海城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),把海城市地質(zhì)環(huán)境劃分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)質(zhì)量級(jí)別。

地理信息系統(tǒng);地質(zhì)環(huán)境;評(píng)價(jià)模型;多級(jí)模糊模式識(shí)別模型

海城市位于遼寧省鞍山市西南約50km。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地質(zhì)環(huán)境與自然生態(tài)環(huán)境脆弱,加之濫砍亂挖的人為作用,使該市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量嚴(yán)重惡化,滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問題十分突出,不僅制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展,而且還嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)的安全?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng) (GIS)對(duì)該縣進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià),以期為該市地質(zhì)災(zāi)害防治及生態(tài)地質(zhì)環(huán)境保護(hù),提供合理地規(guī)劃及參考依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

海城市地質(zhì)構(gòu)造屬于遼東地塊與下遼河斷陷東側(cè)上升、西側(cè)階梯狀下降,區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,表現(xiàn)為明顯的間歇性抬升運(yùn)動(dòng)。在此背景下,海城市存在多種構(gòu)造形跡,地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜,各種斷裂和褶皺構(gòu)造發(fā)育,使巖石破碎和構(gòu)造節(jié)理裂隙發(fā)育,加強(qiáng)了巖石物理風(fēng)化作用。

海城市地殼區(qū)域穩(wěn)定性較差,其西北鄰近郯廬地震帶的北段,東南鄰近新釜地震帶,而20世紀(jì)70年代以來,這兩條地震帶均多次發(fā)生較強(qiáng)地震,波及該市,加強(qiáng)了巖體和山坡穩(wěn)定性的破壞,對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的形成和發(fā)展起到了促進(jìn)作用。如1975年2月海城發(fā)生7.3級(jí)強(qiáng)烈地震,引發(fā)了一系列山體滑坡、崩塌、地面塌陷 (巖溶塌陷)、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害。

2 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在對(duì)資料進(jìn)行分析后 ,通過兩兩比較法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行篩選優(yōu)化,選取地形坡度、工程地質(zhì)巖組、巖土體結(jié)構(gòu)類型、地下水位、植被發(fā)育情況、月平均降雨量 、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度等為主要評(píng)價(jià)指標(biāo) 。地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分為優(yōu)、良、中、差4個(gè)等級(jí),相應(yīng)地將評(píng)價(jià)指標(biāo)也用 4級(jí)來描述,建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 (表 1)。

表1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算中,采用層次分析法來確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,具體步驟如下:

(1)構(gòu)造判斷矩陣。對(duì)于z1,z2,…,zn個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),由專家組運(yùn)用兩兩比較得判斷矩陣 Z。

(2)將判斷矩陣按行求

(3)歸一化

(4)求最大特征值

(5)進(jìn)行一致性和隨機(jī)性檢驗(yàn)

式中:C.I為一致性指標(biāo);n為矩陣階數(shù);R.I為平均隨機(jī)一致性指標(biāo);C.R為隨機(jī)一致性比率。只有當(dāng) C.R<0.10時(shí),求出的權(quán)值才比較合理。

通過計(jì)算 ,得出各指標(biāo)的權(quán)重見表2。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.2 評(píng)價(jià)模型

評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型采用由陳守煜提出的多級(jí)模糊模式識(shí)別模型,其以相對(duì)級(jí)別特征值作為判斷或識(shí)別的依據(jù),克服了最大隸屬度原則所不適用的地方,而且以相對(duì)隸屬度、隸屬函數(shù)為基礎(chǔ)理論,使隸屬度、隸屬函數(shù)的計(jì)算更容易。實(shí)現(xiàn)步驟為:

(1)規(guī)格化處理。設(shè)某樣本需要對(duì)模糊子集A進(jìn)行識(shí)別,樣本的m個(gè)指標(biāo)組成的特征向量為

式中:xi為樣本指標(biāo) i的特征值;i= 1,2,…,m。

如樣本依據(jù) m個(gè)指標(biāo)c個(gè)級(jí)別的已知指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行識(shí)別,則有指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣

式中:Yih為指標(biāo)i級(jí)別h的標(biāo)準(zhǔn)特征值;h=1,2…,c;i=1,2,…,m。

則遞減型指標(biāo)對(duì)A的相對(duì)隸屬度

h級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值對(duì)A的相對(duì)隸屬度

遞增型指標(biāo)對(duì)A的相對(duì)隸屬度

h級(jí)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)特征值,對(duì)A的相對(duì)隸屬度

(2)求最優(yōu)相對(duì)隸屬度向量。樣本對(duì)A的各個(gè)級(jí)別相對(duì)隸屬度矩陣

式中 :uh為樣本對(duì)A的級(jí)別h的相對(duì)隸屬度,按式 (10)求解

式中:a、b為樣本級(jí)別區(qū)間范圍;wi為樣本指標(biāo)i的權(quán)重;p為距離參數(shù) ,p=1為海明距離,P=2為歐氏距離;dh為廣義權(quán)距離。

(3)求級(jí)別特征值。相對(duì)級(jí)別特征值為級(jí)別變量h以對(duì)應(yīng)的相對(duì)隸屬度為權(quán)重的總和,即

式中:Hu為相對(duì)級(jí)別特征值,是描述狀態(tài)或級(jí)別的無量綱數(shù),且1≤Hu≤c。由于其利用了全部相對(duì)隸屬度信息,其判斷結(jié)論比最大隸屬度原則更符合實(shí)際情況。因此,可應(yīng)用相對(duì)級(jí)別特征值來判定此樣本屬于何種級(jí)別。

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

用C++Builder 6.0開發(fā)的評(píng)價(jià)模型,對(duì)海城市進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境的質(zhì)量評(píng)價(jià),將評(píng)價(jià)分為四大區(qū)8個(gè)亞區(qū)。分區(qū)結(jié)果見海城市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分區(qū)表 (表3)。

表3 海城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)表

續(xù)表3

3 結(jié)語

綜合考慮地形坡度、工程地質(zhì)巖組 、巖土體結(jié)構(gòu)類型地下水位 、植被發(fā)育的情況、月平均降雨量、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度等指標(biāo) ,運(yùn)用層次分析法確定各權(quán)值;采用多級(jí)模糊模式識(shí)別模型,對(duì)海城市進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià),把海城市地質(zhì)環(huán)境劃分為優(yōu) 、良、中、差4個(gè)級(jí)別。評(píng)價(jià)結(jié)果,為海城市地質(zhì)環(huán)境的開發(fā)、利用和保護(hù)以及地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防,提供了一定的參考依據(jù)。

[1] 趙 振,谷光裕.海城地震孕育的地球物理環(huán)境的討論[J].東北地震研究,1996,12(4):11-16.

[2] 王景明,王春梅,劉 科.地裂縫及其災(zāi)害研究的新進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2001,16(3):303-313.

[3] 田大佑.地質(zhì)災(zāi)害防治與制度建設(shè) [J].湖北地礦,2000,14(3、4):64-66.

[4] 張開平.滑坡泥石流治理探討 [J].水土保持研究,2000,7(3):174-176.

[5] 鹿愛莉,曹清華,薛全全.建立地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目社會(huì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 [J].資源·產(chǎn)業(yè),2003,5(4):16-18.

[6] 柳 源.建立具有中國特色的地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)預(yù)警系統(tǒng) [J].資源·產(chǎn)業(yè),2003,5(2):56-57.

[7] 袁紹武.塌陷防治與可持續(xù)發(fā)展 [J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào).1997,8(增刊):29-33.

[8] 李 毅,李蘅,張靜.我國礦山地質(zhì)災(zāi)害主要類型和勘查防治方法 [J].礦產(chǎn)與地質(zhì),2004,18(101):62-64.

[9] 楊裕云,楊紅剛,吳有才.與地下水作用有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2004(增刊):1-7.

[10] 張 梁,張業(yè)成,羅圓華.地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情評(píng)估理論與實(shí)踐[M].北京:地質(zhì)出版社,2004,45-120.

[11] 崔德田,夏宗仁.鞍山國土資源 [M].沈陽:遼寧人民出版社,1992,17-42.

[12] 縣 (市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求實(shí)施細(xì)則.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,2001.

[13] 康志勇.鞍山市“九五”時(shí)期地礦成果匯編 (1996-2000)[C].鞍山,遼寧冶金地質(zhì)勘查局,2001.

[14] Lalliana Mualchin,Ellis L.Krinitzsky.A new and defective regu2 lation in California for protecting critical buildings from earth2 quakes[J].Engineering Geology,69(2003):415-419.

Geoenvironmental quality assessment of H aicheng county based on GIS

LOU Xin2gang,SUN Yan2rong,ZOU Kong2ye
(Liaoning Province Geological Exploration Bureau Metallurgy Research Institute of Geological Exploration,Anshan 114000,China)

Based on GIS and the model of multiclass fuzzy pattern recognition,the spatial database in Haicheng county and geoenvironmental quality assessment model are established.By considering such fac2 tors as terrain slope,engineering geological rock groups,structural type of rock and soil mass,ground water level,vegetation growth conditions,monthly precipitation,intensity of human engineering activi2 ties,the geoenvironmental quality in Haicheng county is assessed comprehensively with the assessment mode1.The geoenvironment quality is classified into four classes:best,good,moderate,and worst.The assessment result can provide rational plan and referenee basis for the prevention and control Of geolog2 ical hazards and the protection of ecological geoenvironment.

geographical information system;geoenvironment;assessment model;model of multi2 class fuzzy pattern recognition

X32

A

1004-4051(2010)02-0082-04

2009-10-25

婁新剛 (1980-),男,助理工程師,專門從事水工環(huán)地質(zhì)專業(yè)技術(shù)工作,曾參與各類勘查、科研、找水、打井等項(xiàng)目十余個(gè)。