可拓聚类预测在矿山地质环境质量预测评价中的应用_亢亢

λ ij =
∑(xj/ bij)
n
( 5)
式 中 j 为评价因子 , j = 1 , … , n ; i 代表类 别 , i = 1 , … , m 。 待测样本 p 0 对 i 类的隶属度为 Ki( p 0)= K i(xj ) ij ∑λ
n
( 6)
j= 1
111
Vol . 13 No . 2 安 全 与 环 境 学 报 第 13 卷第 2 期 1. 4 待测样本 p0 所属类别的判定 根据最 大关联原则 确定所属 类别 , 若 Ki = maxK i( p 0), i = 1 , 2 , … , m , 则判定样本 p0 属于 i 类 。 面积而定 , 水 污 染 和 土壤 污 染 浓 度根 据 2005 —2009 年 监 测 值 , 采用指数平滑法计算得趋势年的预测值 ; 矿产开发指标参 照开发利用方案给出因 子值[ 9] 。 由表 1 可以看出 , Ⅰ 级和 Ⅳ 级所对 应的是 大于 或者小 于 某个数值 , 并不是确定值 , 为方 便量化 , 需要 对指标 影响等 级 的最大值及最小值的取 值论域进行处 理 , 见 表 2 。 实 践表明 , 矿山地质环境质量会 随着影 响因子的 大小而 变化 , 且取 值范 围大的因子比取Fra Baidu bibliotek范围小的因子 更占优势 。 为了避免因子间 干扰 , 先对各待测样本进 行归一 化处理 , 将其 线性调 整为[ 0 , 1] 之间的取值[ 10 -11] 。 3. 3 经典域和节域的建立 矿山地质环境质量 评判等 级 Ⅰ 级 、Ⅱ 级 、Ⅲ 级 、Ⅳ级分 别 记为 I1 、 I2 、 I3 、 I 4 , 相应 的 影 响 因子 分 别 记 为 c1 , c2 , … , c25 。结合物 元概念 , 由表 1 和 2 结合归 一化处理 结果 , 构 造矿 山地质环境质量预测评 价中各程度等级的经典物元 。
j= 1
1 可拓聚类预测的物元模型
设 Ii(i = 1 , 2 , … , m)为 P 的 m 个子集 , Ii P 。对任何 待测对象 p ∈ P , 用下 面的步 骤判断 p 归属的 子集 Ii , 并计 ＊收稿日期 :2012 -06 - 21
作者简介 : 亢亢 , 硕士研究生 , 从事环境地 质研究 ; 高建国( 通信作 者) , 教授 , 博士 , 从事地质资源与地质工程研究 , youcan988 @126 . com 。
摘 要 : 根据 矿山地质 环境变异 类型及趋势 , 选取地 质背景 、地 质灾 害 、水土环境破坏 、矿产开发和水文植被 5 要素构建 矿区地质 环境质 量综合评价指标体系 , 从中选取 25 个指标 作为矿山 地质环境 质量预 测评价因子 , 构建经典域物元和节域物元 , 将可拓聚 类预测方 法应用 到矿山地质环境质量预测评价中 。 以云南省昭通市毛坪铅锌矿为例 , 对矿山开采 5 a 后的地质环境质量进行 预测评价 。 结果表 明 , 可拓聚 类预测通过变量控制物元变化 , 可根据需要用不同的方法确定变量以 构造各样本经典域和节域物元 , 评价结果符合实际 。 关键词 : 环境工程学 ; 环境地质 ; 矿山 地质环境 ; 可 拓集合 ; 聚 类分析 ; 铅锌矿 ; 毛坪 中图分类号 : P66 文献标识码 : A DOI : 10 . 3969/ j . issn . 1009 -6094 . 2013. 02. 024
[ 7]
。 因此 , 适时掌 握研究 区地质 环境
的发展动向 , 对研究区进行地质环境质量预测 评价势在必行 。
3 矿山地质环境质量预测评价的可拓聚 类物元模 型建立
利用可拓学理论建立矿山地质环境质量预测评价的物元 模型 。 首先 用聚类分析法对矿山地质环境质量等级及其影响 因子进行分类 , 然后建立相应的经典域物元和节域物元 , 描述 各类别与影 响因子的模式 , 计算 待测样 本与各 类别之 间的关 联度和各影 响因素的权系 数 , 最 后计算 矿山地 质环境 质量的 影响因素特征值 , 即可利 用可拓 聚类物 元模型 判断矿 山地质 环境质量优劣程度 , 得到预测结果 [ 8] 。 3. 1 评价单元的划分 为符合研究区实际 , 按 1 km ×1 km 的 范围将研 究区划分 为 35 个评价单元 。 3. 2 评价因子选取及等级标准 通过对研究区地质环境 进行综 合调查 分析 , 针对研 究区 现状存在的 变异类型 , 选取地 质背景 、地质 灾害 、水土环 境破 坏 、矿产开发和水文植被 条件作 为影响 矿山地 质环境 质量评 价的主要因 素 , 从中选 取岩石 抗风化 系数 、断层密 度 、沟 床纵 坡降 、泥石流物源量 、水土流失面积 、工业场地占地面积 、植被 覆盖率等 25 个影响因 素作为 毛坪铅 锌矿矿 山地 质环境 质量 评价指标 , 见表 1 。 本文以《 区域环境地质调查总则( 试行) 》、 《 全国矿山地质 环境调查技术要求实施细则( 修订稿) 》 为指导 , 结合研究区实 际情况 , 以矿山存在的地 质环境 问题的 严重程 度来表 征矿区 地质环境质量的优劣 , 并划分为 “ 好”(Ⅰ 级)、 “ 较 好”(Ⅱ 级)、 “ 较差”(Ⅲ 级) 和“ 差”(Ⅳ级) 4 个 等级 。 各评价 因子的 取值原 则: 地质背景和水文植被指标 5 a 后相 对现状基本 不变 , 沿用 现状值 ; 对于地质灾害 指标 , 以其现 状为基 础 , 变 异规律 为指 导 , 选取工程岩组 、地 形地貌 、地 质构造和 人类工 程活动 作为 敏感性因子 , 利用 MAPGIS 的空间 分析功 能 , 求 取评价 单元内 地质灾害发 生的确定性系数 , 建立 CF 逻辑 回归模 型 , 得到趋 势年的预测数值 ; 对于水土环境破坏指标 , 地下水位下降根据 开采深度计算 , 水土流失 面积在 现状基 础上视 矿业活 动占地
Ⅰ级
Ⅱ级
Ⅲ级
Ⅳ级
>0. 8 0. 6～ 0. 8 <0. 5 0. 5～ 1. 0 <30 30～ 50
0. 4 ～ 0. 6 <0. 4 1. 0 ～ 1. 5 >1. 5 50 ～ 70 >70
式中 x1 , x 2 , … , xn 分别为待测样本的 n 个评价因子的值 。 1. 2 关联函数值确定 根据距的定义 , 待测样本各因子与各类的关联度为 -ρ (xj , X ij) X ij xj ∈ X ij
( 4) ρ (xj , X ij) xj X ij ρ (xj , X Pj)-ρ (xj , Xij) 式中 ρ (xj , X ij) = xj -( a ij + bij) /2 -( bij - aij) /2 ; / 2 -( ρ (xj , XPj)= xj -(aPj + b Pj) bPj - aPj) /2 ( i = 1, 2, …, m ; j = 1 , 2 , … , n)。 1. 3 权系数确定和隶属度计算 采用比重权数法确 定权系数 。 每个因子的权系数为 (xj/ bij )
式 中 X P 1 , … , X Pn 分别为 P 关于 c1 , c2 , … , cn 的取值范围 , 即 P 的节域 , 其相应经典域的并集为 U < a ij , bij >。
i= 1
待测样本形成的物 元设为 Rx , 则 p0 Rx =( p 0 , C , x)= c1 c2 cn x1 x2 xn ( 3)
P
c1 c2 cn
cn X Pn < aP 1 , b P1 > < aP 2 , b P2 > < aPn , b Pn >
m
( 2)
0 引 言
21 世纪以前 , 矿 山 地质 环境 的研 究以 经验 指导 为主 , 着 重于定性分析 , 其结果信息反映不全面 , 在工程设计上应用不 方便 。 21 世纪以来 , 矿山地质 环境研究 从内容 到手段 都有了 巨大的进步 , 进 入一 个 以数 学模 型定 量研 究为 主的 阶 段[ 1] 。 然而 , 仅仅用定量模型处 理诸如 矿山地 质环境 这类开 放复杂 的系统 , 忽视人们在实践中积累起来的宝贵经验 , 很多时候都 得不到符合实际的结果 。 因此 , 探索一套预测方法 , 将地质环 境质量的定 性与定量评价 有机结合 , 以 现场测 试和人 们的经 验知识对地 质环境质量的 影响因素 进行量 化 , 选用合 适的数 学模型进行定量评价已成为矿山地质环境系统研究的目标和 任务 。 可拓学是采用形式化模型来研究事物拓展的可能性和可 拓规律的科学方法 , 它的 两大基 本理论 是物元 理论和 可拓集 合理论 。 可拓学的逻 辑细胞 是物元 , 在对 客观事 物研究 过程 中 , 综合多个变量作为一个物元进行分析 , 从定性和定量两个 角度去研究 解决问题 , 为 矿山地 质环境 的预测 研究提 供了一 种新的途径[ 2 -6] 。 本文应用可拓学理论和方法对 云南省昭通 市毛坪铅锌矿山地质环境质量进行预测评价 。 K i( xj)=
表 1 矿山地质环境质量评价指标体系表 Table 1 Standard value of indexes for mining geol ogical environmental quality evaluation 参评因素 岩石抗风化系数 c1 断层密度 c 2 /( km·km -2) 沟床纵坡降 c3/ % 汇水面积 c 4 / km 2 节理密度 c 5 /( km·km -2) 相对高差 c 6/ m 崩塌体积 c 7 / ×10 m
4 4 3 3 3
2 矿山概况
毛坪铅锌矿( 原昭通市铅锌矿) 始建于 1956 年 , 2006 、2009 年先后两次 进行 整合 , 不 断扩 大开 采规 模 , 加上 矿区 山 高坡 陡 , 松散物源丰富 , 暴雨集中 , 民采严重 , 导致矿山地质环境问 题较严重 。 随着矿山开发强度的加大 , 采矿废石 、弃渣积存量 增加 , 采选矿活动对地质环境的扰动增强 , 将使矿山地质环境 发生严重变异 。 现状条件下 , 矿山存在如滑坡 、崩塌 、泥 石流 、 地面塌陷 、水土流失 、土地占用与破坏 、地下水位下降 、水污染 和土壤污染等 多种 地质 环境 变异 类型 。 随 着矿 业活 动 的增 强 , 矿山地质环境将发 生程度 不同 、方式不 一的变 异 , 严 重威 胁着矿山的生产和运营
Ii
c1 c2 cn
cn X in < a i1 , bi 1 > < a i2 , bi 2 > < ain , bin > ( 1)
式中 c1 , c2 , … , cn 为 Ii 的 特征向 量 ; X i 1 , … , X in 分别为 c1 , c2 , … , cn 的取值范围 , 即为经典域 , X ij =< a ij , bij >( i = 1, 2, … , m ; j = 1 , 2 , … , n) 。令 P RP =( P , C , XP)= c1 c2 X P1 X P2 =
第 13 卷第 2 期 安 全 与 环 境 学 报 Vol . 13 No . 2 2013 年 4 月 Journal of Safety and Environment Apr . , 2013
文章编号 : 1009-6094( 2013) 02 -0111 -06
算 p 隶属于任一子集 Ii 的程度 。 1. 1 经典域和节域确定 令 Ii Ri =(Ii , C , X )= c1 c2 X i1 X i2 =
可拓聚类预测在矿山地质环境 质量预测评价中的应用 ＊
亢 亢 1 , 赵晓林2 , 高建国 1
( 1 昆明理工大学国土资 源工程学院 , 昆明 650093 ; 2 云南省设计院 , 昆明 650051)