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地质环境质量评价的二级模糊指数法 地质环境质量评价的二级模糊指数法 以山东省环渤海地区为例 徐建国 1 马震2 张涛1 朱恒华1 （1.山东省地质调查院,济南 250013；2.天津地质矿产研究所,天津 300170） 摘要摘要地质环境质量评价是环境地质研究领域的难点之一，本文在充分吸取了前人评价经验的基础上，根据地 质环境质量影响因素较多、 评价因子具有层次性、 评价结果定量化难度大等特点， 提出了二级模糊指数评价方法。 采用该方法所求取的评价结果具有连续性， 定量化程度和可信度较高， 更有利于进行地质环境质量的分析和计算 机成图，便于在环境地质评价领域广泛应用。文中并以山东省环渤海地区为例，将全区划分为 3 个环境地质区、 36 个亚区、679 个网格单元，计算了各网格单元的模糊质量指数值，最后绘制了模糊质量指数等值线，在此基础 上对全区地质环境质量进行了评价，并对该评价方法的合理性进行了评述。 关键词关键词地质环境 质量评价 模糊质量指数 隶属度 1 引言 1 引言 地质环境质量评价是衡量地质环境条件对区域性综合开发或某种开发建设的适宜性程度， 对国民经济建设和区域环境规划有重要意义， 该项工作一直是环境地质研究领域的难点之一。 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，其中模糊 综合评判法较为有效， 已广泛应用于环境评价领域。 本文所提出的模糊质量指数就是通过模糊运 算求出的一种综合质量指数， 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。 2 二级模糊指数法的原理与方法 2 二级模糊指数法的原理与方法 2.1 基本原理 影响地质环境质量的因子具有层次性特征。一般说，地质环境背景条件、区域环境地质问题 和人类工程活动是第一层次的因子， 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、植被覆盖率、地下水资源量等，而第二层次因子中又可能包含几 个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，一般进行两个层次评价（二级评价）即可。 二级评价是对两个层次进行综合评价， 即先对第二层次因子进行综合评价， 在此基础上再对 第一层次因子进行评价，它克服了以往一级模糊质量评价中评价因子单一，主次不分的缺点，使 1 评价结果更合理。 2.2 方法步骤 2.2.1 评价单元的划分 由于地质环境系统存在层次性，且不同系统、子系统的环境质量影响因子不同，所以应首先 对评价单元进行层次性划分，一般划分为环境地质区、环境地质亚区和评价网格单元 3 个级别。 环境地质区一般以地形地貌、 区域地质环境特征作为主要划分依据， 亚区则以环境地质问题 发育规律为主要依据划分。以环渤海山东地区为例，划分为胶东低山丘陵环境地质区（Ⅰ） 、鲁 中南山前冲洪积平原环境地质区（Ⅱ）和鲁北冲积海积平原环境地质区（Ⅲ）3 个区，以环境地 质问题与地质灾害分布为主要依据划分为 36 个亚区，其中崩滑流、地面塌陷、地裂缝为主环境 地质亚区 6 个，区域地下水位降落漏斗、土地盐渍化为主环境地质亚区 1 个，海（咸）水入侵、 地下水污染、区域地下水位下降漏斗为主环境地质亚区 25 个，土地盐渍化为主环境地质亚区 1 个，地质灾害微弱或不发育亚区 3 个，分区情况见图 1。 图 1 山东省环渤海地区环境地质分区图 评价网格单元一般按公里网划分，环渤海山东地区单元规格取 10 km10 km。由于不同的 环境地质区、亚区要分开评价，所以剖分网格有完整网格和非完整网格两类，非完整网格是指为 环境地质区、亚区分界线所切割，面积小于 10 km10 km 的网格单元。全区共划分为 679 个网 格单元，其中完整网格 552 个，非完整网格 127 个。 2.2.2 评价因子的选取 正确选择评价因子是真实地揭示地质环境质量优劣的前提和基础， 评价因子体系是由若干个 单项评价因子组成的层次分明的有机整体。环渤海山东地区一级评价因子选取地质环境背景条 件、环境地质问题与地质灾害、人类工程活动 3 个，由于影响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 3～4 个二 级评价因子为宜。环渤海山东地区环境地质问题种类较多，且不同的环境地质区、亚区影响地质 2 环境质量的主要环境地质问题类型不同， 所以不同的环境地质亚区应选取对该区地质环境质量影 响较大的前 3 个主要环境地质问题作为二级评价因子，共选取 10 个二级评价因子（表 1） 。 2.2.3 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，如地下水天然资源量、植 被覆盖率等；负效应因子指地质环境质量随因子指标值的增大而变差，如海水入侵面积、人口密 度等。 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） 。 表 1 评价因子体系组成与参评因子选取表 相应于各评价因子的指标量化分级一般采用五值逻辑分类法， 通过对地质环境质量影响因子 数据的统计分析，确定因子最优和最差 2 个极限值，划定指标的级差范围，在两个极限值之间， 按一定的级差， 以阈值递减或递增规律取值来实现量化分级。 在评价单元因子指标量化时应以统 一大小的网格作为基本评价单元， 其它规格剖分单元和非完整剖分单元在指标量化时， 部分指标 要根据面积比进行相应的换算。 如对于海水入侵评价因子， 其评价指标应换算成标准单元海水入 侵面积，非完整剖分单元指标量化采取以下公式 X S海侵S/S非 式中 X 海水入侵因子评价指标 环境地质区 一级因子二级因子 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 备 注 地形坡度 ★ ★ ★ 地下水天然资源量 ★ ★ ★ 区域地壳稳定性 ★ ★ ★ 地质环境 背景条件 植被覆盖率 ★ ★ ★ 崩滑流、地面塌陷、地裂缝 海岸侵蚀 浅层地下水质量 海水入侵 土壤盐碱化 环境地质 问题与地 质灾害 深层地下水降落漏斗 人口密度 ★ ★ ★ 单位面积国民生产总值 ★ ★ ★ 人类工程 活动 重大工程建设 ★ ★ ★ 1、不同的环境 地质亚区内， 按环 境地质问题对亚 区环境质量影响 程度的大小取前3 个作为参评因子， 付予相应的权重， 其它因子权重视 为 0。 2、★表示该指 标为必选， 表示 该指标为可选。 3 S海侵非完整网格海水入侵面积 S 完整网格面积 S非 非完整网格面积 表 2 参评指标选取与指标量化分级值表 2.2.4 评价因子权值的确定 指标量化分级值 二级因子 因子类型 指标量化方法指标单位 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 地形坡度 负因子 坡度值 无 0.09 0.14 0.27 0.47 0.70 地下水天然资源量 正因子 资源模数倒数（10 4m3/akm2）-1 0.02 0.03 0.05 0.10 0.20 区域地壳稳定性 负因子 稳定性分级值无 0.4 0.5 0.6 0.8 0.95 植被覆盖率 正因子 1植被覆盖率无 0.10 0.25 0.50 0.75 0.90 崩滑流、 地面塌陷、 地裂缝 负因子 分布密度 个/100km 2 0 1 3 5 7 海岸侵蚀 负因子 侵蚀速率 m/a 0 0.5 1 1.5 2 地下水质量 负因子 质量分级 无 1 2 3 4 5 海水入侵 负因子 入侵面积 Km 2/100km2 0 2 5 10 20 土壤盐碱化 负因子 盐碱化程度 无 1 2 3 4 5 区域地下水漏斗 负因子 最大水位埋深m 30 40 50 70 100 人口密度 负因子 人口密度 无 200 200 500 800 1000 国民经济指标 负因子 国民生产总值亿元/100km 2 10 30 50 80 100 个/100km 2 0 1 2 3 重大工程建设 负因子 重大工程数量4 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，如专家直接经验法、调查统计法、层次分析法等，其中层次分析法 是较为理想的分析方法，它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。 山东环渤海地区评价因子权值采 用层次分析法确定，各参评因子权重见表 3、表 4。 4 表 3 一级评价因子权重取值表 表 4 二级评价因子因子权重取值表 环境地质亚区 评 评价因子 地质环境背景条件环境地质问题与地质灾害人类工程活动 权重 0.17 0.66 0.17 权 重 备 注 崩滑流、地面塌陷、地裂缝0.90 浅层地下水质量 0.09 崩滑流、地面塌陷、地 裂缝为主环境地质亚区 海岸侵蚀 0.01 海水入侵 0.40 浅层地下水质量 0.40 海水入侵、地下水污染、 地下水位降落漏斗为主 环境地质亚区 海岸侵蚀 0.20 区域地下水位降漏斗 0.45 浅层地下水质量 0.35 区域地下水位降落漏 斗、土地盐渍化为主环 境地质亚区 土地盐渍化 0.20 土地盐渍化 0.49 浅层地下水质量 0.50 地形坡度、地下 水天然资源量、 区 域 地 壳 稳 定 性、植被覆盖率 因子权重依次为 0.125、 0.50、 0.25、 0.125。 人口密度、国民 经济指标、重大 工程建设因子权 重依次为 0.25、 0.25、0.50。 土壤盐渍化为主环境地 质亚区 海岸侵蚀 0.01 2.2.5 模糊数学模型的构建 （1）给出评价因子集 根据对评价区地质环境质量影响因子的系统分析，给出评价因子集 U{u1,u2,,u10} 式中 u1,u2,,u10代表评价因子。 （2）给出地质环境质量等级集 V{v1,v2,v3,v4,v5} 式中 v1,v2,v3,v4,v5代表不同的地质环境质量等级优等、良好、中等、较差、差。 （3）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 5 互作用、影响及地质环境本身的复杂性和模糊性特点，目前在环境质量评价研究中，一般对离散 型因素按照专家经验给出隶属度； 对于连续性变化的定量指标采用线性隶属函数、 正态分布函数 等。目前较常用的是线性隶属函数法，即针对地质环境质量影响因素特征，构造半梯形分布隶属 函数如下 xx xxx xx xx xx xU 2 21 1 12 2 1 0 1 〉 ≤〈 ≤ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ − − xx xx xx xx xx xx xx xU x x xx 32 21 31 23 3 12 1 2 , 0 ≤ ≤≤ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ − − − − ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤≤ ≤〈 ≥≤ − − − − xx x xx x U x xxx xxx x xx xx o x 43 32 42 34 4 23 2 3 , ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤≤ ≤〈 ≥≤ − − − − xx x xx x x x xxx xxx x xx x o xU 54 43 53 45 5 34 3 4 ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ 〉 ≤〈 ≤ − − 5 54 4 45 45 1 xx xxx xx xx xx o xU 式中 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。 （4）建立因子评价矩阵 6 利用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 Ri{Ri1，Ri2，Ri3，Ri4 ,Ri5} 式中 i 分别代表评价指标序号。 因U和V之间存在模糊关系R，故单因子评价矩阵为 510 105102101 252221 151211 ... ............ ... ... r rrr rrr rrr Rij ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ （5）建立评价因子权值A A（a1,a2,,a10） 式中 a1,a2,,a10代表 10 个评价因子的权值，各指标权值应满足下列关系 ,,,,, 32101 1 ≥∑ iaa i m i i ,10 2.2.6 模糊矩阵复合运算 模糊矩阵复合运算的方法很多，常用的有以下 3 种 ① “主因素突出型” ，即 M∧,∨模型； ② “半主因素突出型”即 M,∨模型； ③“加权平均型” ，即 M,模型。 根据不同级别评价因子对地质环境质量影响程度和特点不同，应采用不同的复合运算方法。 二级评价采用 M,∨模型，一级评价采用 M,模型，最终形成模糊质量指数（Fuzzy Quality Index） 。 二级评价通过建立单因子评价矩阵R及权值分配矩阵A，经模糊运算可得评价结果分别为 B1 A1R1b11,b12,b13,b14,b15 B2 A2R2b21,b22,b23,b24,b25 B3 A3R3b31,b32,b33,b34,b35 以上 3 组评价结果可组合成一级评价矩阵为 7 B ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ bbb bbb bbb 353231 252221 151211 ... ... ... 一级评价因子权重向量为 Aa1,a2,a3 采用“加权平均型” ，即M,运算方法，可求得评价结果E EABe1,e2,e3,e4 ,e5 最后采用下式求得模糊质量指数FQI,该指数全面应用等级模糊向量E的信息，且在数值上 具有连续性 FQIFQI/ j e j k j ∑ 5 1 ∑ 5 1j k jb 式中 j 为等级数，k 为参数，k2，3，4， 这样模糊质量指数实际上反映了评价单元地质环境质量的好坏，FQI 值越大，地质环境质量 越差。 根据 FQI 值对评价区地质环境质量进行分区，分区标准为 地质环境质量优等区 FQI1 地质环境质量良好区 1FQI≤2 地质环境质量中等区 2FQI≤3 地质环境质量较差区 3FQI≤4 地质环境质量差区 4FQI≤5 整个评价工作程序见图 2。 3 评价结果 3 评价结果 评价中对区内逐个评价单元进行统计计算， 确定评价指标值和权重， 采用微机编程进行模糊 运算，并用 MAPGIS 软件自动生成 FQI 等值线图，然后根据环境地质评价单元实际情况对等值线 进行必要的修正， 使评价结果更符合研究区实际情况； 最后根据 FQI 等值线图对评价区地质环境 质量进行分区（见图 3） 。 从评价成果图看出， 地质环境质量差区、 较差区分布于黄河三角洲、 莱州湾沿岸， 界河河谷， 莱州市南部崩滑流分布区，栖霞市南部崩滑流分布区，栖霞市东北部地面塌陷、崩滑流分布区， 其中质量差区位于黄河三角洲沿岸和上述各区中心部位。 地质环境质量中等区、 良好区分布于质 8 一 级 评 价 因 子 评 价 矩 阵 一级模糊矩阵复合运算 M, 评价单元模糊质量综合指数（FQI）计算 地质环境质量评价图 模型构建 成果输出 环境地质分区 网格单元剖分 建立评价指标体系 评价单元指标统计 建立地质环境条件二级 评价因子评价矩阵 建立环境地质问题二级评价因 子评价矩阵 建立人类工程活动二级 评价因子评价矩阵 读入评价指标量化分级值及评价指标权重 模 糊 运 算 二 级 模 糊 矩 阵 复 合 运 算 M,∨ 地 质 环 境 质 量 等 级 模 糊 向 量 图 2 地质环境质量评价工作程序图 量较差区外围、 黄泛平原区和部分河谷和河流入海口滨海平原。 地质环境质量优等区和良好区分 布于胶东半岛低山丘陵区、 鲁中南山前冲洪积平原南部和黄泛平原的乐陵惠民一带、 商河县西 部。 评价结果与工作区地质环境现状基本一致， 质量差区地质环境背景条件较差， 地质灾害较发 育，地质环境破坏较强烈，如黄河三角洲沿岸地区为无淡水区水环境差，且海岸侵蚀速率为全区 之寇，评价结果与现状相符。优等区地质环境背景条件良好，水环境优良，无较大污染源，地质 9 灾害稀少，评价结果与现状相吻合。评价结果表明，本次地质环境质量评价所采用的评价指标、 指标量化方法和评价模型的建立是比较合理的。 图 3 山东环渤海地区地质环境质量评价图 4 结语4 结语 （1）本方法充分考虑了地质环境系统和评价因子的层次性，从两个层次上进行生态地质环 境质量综合评价，使评价结果更合理。 （2）本方法所求取的评价结果具有连续分布的特点，更有利于进行地质环境质量的分析和 计算机成图，便于在环境地质评价领域广泛应用。 （3）结合实例分析，证明采用该方法进行地质环境质量分析，评价结果与研究区实际情况 是相符的，本文所提出的评价方法、评价指标确定和量化方法是合理的，这对于其它地区的环境 地质评价具有借鉴意义。 参 考 文 献 参 考 文 献 [1] 冯德益,楼世博,林命周.模糊数学方法与应用,北京,地震出版社,1983. [2] 吴敦敖,袁法松.模糊综合评价在地下水水质综合评价中的应用,勘察科学技术,1991,（6）14-18. [3] 闫满存,李华梅,王光谦.广东沿海陆地地质环境质量定量评价研究,工程地质学报,2000,08（04）416-424. [4] 毛同夏,石宏仁,张丽君.区域地质环境的定量评价和预测,地学前缘,1996,3（1-2）144-146. [5] 李顺,王红旗,陈家军.环境影响二级模糊综合评价法的研究,水文地质工程地质,2002,238-40. 基金项目国土资源大调查项目环渤海地区地下水资源与环境地质调查评价， （200112400005） 。 10 作者简介徐建国（1965－） ，学士学位，高级工程师，主要从事水文地质环境地质调查研究工作，联系方式 05316556973，E－mailxjg_2008 the Two Distinction Fuzzy Index in Geo-environment Quality Assessment Taking the Area Around the Bo Sea of Shandong Province for Example 1 XU Jian-guo ，MA Zhen2，ZHANG Tao1，ZHU Heng-hua1 1.Shandong Geologycal Survey Jinan 250013; Institute of Geology and Minerral Resources of Tianjin Tianjin 300170 Abstract The geo-environment quality uation is one of the most difficult problems in the environgeology field. The writer of the article gives a called “Tow-distinction Fuzzy Index”to do the uation according to the turth that the geo-environment has lots of influential factors and the factors of the uation can be divided into many layer levels and it’s difficult to quantify the result of the uation by absorbing the experience of the er researches.The result of the uation by this has a character of continuity,high-quantification,high-reliability and it’s easy to show the drawings on computer.So the can be widely used all across the environgeology uation field.This article takes the aera around the Bo Sea for example,divides the aera into 3 regions and 36 secondary regions and 379 grid cells and then figures out the fuzzy quality index of each grid cell and finally draws the fuzzy quality index isolines.Finally,the writer uates the geo-environment quality of all the area according to the and comments on the rationality of the . Key words geo-environment,quality assesment,fuzzy quality index,grade of membership 11