模糊聚类分析在地下工程地质环境质量评价中的应用

摘要 ：城 市工程地质环境 质量评价 方法主要 有积 分值 法、指数模 型法、敏 感因子模 型法、基 于层次分析法 的模 糊综合评价法 、和灰 色聚类评 价法。鉴于各评价 因素数值 空间分布的不连贯性和地质环境特性的不确定性 ， 本文讨论模糊聚类分析 法在 于地下空问开发有关的地质环境质量评价 中的应用。 关键词 ：地下工程 ；地质环境 ；模糊聚类 系统 中图分类号：Ｘ１ １ ４ ；Ｏ２ 文献标识码 ：Ａ １ 文章编 号：１ ０— ９ ５（ ０ １ ２ ０２ — ４ ０ ６ ０９ ２ １ ）０－ ２ ８ ０
２ 地 下 工 程地 质 环 境 质 量 评 价 与预 测
环境 质量 评价研究 始 于 ７ ０年代 ，并 形成 了具 有 中国特色 的城 市工程地质 环境评 价理论 ，概括起来 有
收稿 日期 ：２ １ － ６ ３ ０ ０ ０－ ０
作者简介 ：魏 永耀 （ ９ ９ ，男 ，南京 人 ，硕士 ，主 要从 事 工程 地 质 及环 境 地质 方 面 的工 作 １ ７ 一）
ＤＯＸ ０３ ６ ／．ｓ ．０ ６ ９ ５２ ．２０ ２ ：１ ．９ ９ｊｓｎ１ ０ －０ ９ ．０１ ０ ．０ ６ ｉ １
城市 地质 调查 中环境 地质 问题 的核心 是环境 工程地 质 问题 ，它是 由人类 工程 活动引起 的地质 环境新
变异 。２ ０世纪 ７ 代 以来 ，随着世界 各 国城 市化进 程的加快 ， ０年 人们 开始致 力于地 下空间 的大规 模开发利 用 。但是 ， 下工 程建设 一般都 在市 区内，在其施工 过程 中常常会 引起 周 围地层 的位 移 、变形 、沉降与塌 地 陷 等环境地 质效应 ， 周 围各 种地下设 施 以及 城市道 路 的路 基 、路面 等都 可能构成 不 同程度 的危害，已经 对
指 数模 型法 ：比较 简单 常用 的方 法 ，即按 一 定 的标 准 给予评 价 区域（ 或评 价单元 ） 中所有 的环境 要素 的
不 同评 价 因子 一定 的评 价值 ，再加 权求 和 。其数 学模 式为 ：
Ｉ＝ ∑ ｗ￣ ∑ ｕ ｐ
ｉ 』 ＝１ ＝ｌ
式 中 ：Ｉ ｋ —ｋ评 价单 元 的地质 环境 质量 指数 ；Ｐ一 该 评价 单元之 中 ｉ 价要 素 中 ｊ Ｏ 评 评价 因子 的性状 数 据 取值 （ 评分值 ） ；ｗｉ 该评 价单 元 中 ｉ ｊ 一 评价 要素 中 Ｊ 价 因子 的权 值 ，表示 各环 境 因子在子 系统 中 以及 评 各 子系统 在整个 评 价系统 的相 对重 要性 ，可 采用专 家 打分法 。
城市地质工作 内容扩大到水 、土污染调查评价 ，城市废弃物危害的调查评价 ，以及地质相关资源潜力和 开发利用的勘查评价。 Ｏ ７ 年代西班牙许多城市开展了用于城市规划的 １ ．万的岩土填图工作， ／５ ２ 荷兰开展 了土地复垦对地面沉降影响的研究。８ ０年代国外城市地质工作主要是电子自动化填图，城市地质工作开 始引用 计算机 编 图技术 ，提 高了地质工作 的质量 。９ ０年代初 期英 国地 质调查 局启动 了 “ 伦敦计 算机化地 下与地 表项 目” ， 目的是用 于土 地规 划 、土木工程 建设 以及解 决地质 和环境 问题 的各种 主题 图件。加拿 大地质 调查局 利用 ＧＳ系统 完成 了各 类地 图的数字化 。此 时城市地质 工作 的重点 已转 向城市 的可持续发 Ｉ 展 方 向。２ １世纪 开始整 体考察 城市地 质问题 ，制定适 当 的指标 体系来 表征城市 地质质 量 ，进而建立 和健 全 相应 的监测 系统 ，并 将其纳 入城 市环境 总体管理 的轨道 。 我 国的城 市地质环 境研究 起步 较晚 ，于 ２ ０世 纪 ６ ０年代 开始 于北 方一些 缺水 城市 。从 ２ ０世纪 ８ ０年 代 开始 ，随着 我 国国 民经济 的发展 ，建筑 业 的规 范化 ，岩 土工程地 质 问题 也越来 越受 到重视 ，尤其是 城 市岩 土工 程地 质 问题 已发 展成 为专 门学科 ，即城 市岩 土工 程地 质学 。它是 专 门研究 、评价 城市 布局 、建 设 、土地 区划及 运 营等有 关的原 生地 质环境 质量 ，分析城 市地 质作用 、地 质环境特 点 ，预测城 市可能存 在的工 程地 质 问题 ，并 提 出防 治对策 。使城 市建设 与地质 环境 达到最 佳组 合的应用 地质学 ，是服务 于城 市建设 的工程 地质学 分支 。 国在 １９ 我 ９ ９年 开始 的国土资源大 调查 中将 城市地质 调查列 为一项重要 任务…。
城市 地下空 间 开发 引起 的工程 环境 地质 灾害 具有 突发性 、潜 在性 、隐蔽性 、社会 性等 特点 ＿１ １ ，如 ３ 隧道 推进产 生 的地 面沉降 及对周 边 建（ ） 物 的影 响 、抽 取地 下水 而 引起 地 面沉 降及对 地下 建（ ）筑 （ 构 筑 构 包 括地下 空 间 、 地下 管线 等 物 的影 响 、沉 桩挤 土作 用时 对邻 近建 筑物 的破坏 作用 、机器 振动 、地铁 列车运
一
型 、水 环境影 响 、人类 活 动反馈 这 四类 主题要 素反 映 的城市 工程地 质环 境质 量等 级 。 ２ ２确定 环境 质量 体 系评价 因子 ． 由于地 质环境 质量 评价 中要 尽可 能考 虑更 多 的地 质信 息 ，即尽 可能 多地将 影 响地质 环境 质量 的各地 质环境 要素选 作评 价要 素 ，将各 环境 要素 中 的各 环境 因子都选 作评 价 因子 ，它不 同于大 气环境 质 量评价 和地 面水环境 质量 评价 中仅 选择 几个评 价 因子 。地质 环境 质量 评价 因子 的合理 选取 ，评 价指标 体 系 的科 学建立 ，是做 到对 地质 环境 质量 客 观评价 的前 提下 ，通 过前述 的分 析 ，可能将 众 环境 因子进 行分 类 ，略 去一般 因子 ， 选择 重要 因子 参 与评价 。 因而选 定 的城市 地下 空 间地质 环境 问题评 价 因子为 ：场地 断裂分 布 、
１ 国内外城市地质环境研究现状
国外城 市地质 工作始 于 ２ 世 纪初 ， ０ 加拿 大皇家 协会 曾发 表过关 于地质对 城市 中心 的意义 和重要性认 识 的论 文 。２ ０世 纪 ２ ０年代 末期 ，德 国出版 了用 于城市 规划 的特 殊土壤 图 ，用来 支持城市 规划 。二次大 战 后 ，德 国 、捷 克和荷 兰等 国家 实施 了系统 的城 市地 质填 图 ，以指导城 市规划 与建设 。２ 纪 ６— ０年代 ， ０世 ０７
质量评 价 中 ，由于对地 质环 境 系统分 析不 够 ，而过 分地 相信数 学模 型 ，反而使 评 价结果 不尽 合理 。模 型 是实 际的概 化 ，只有对 所研 究 的系统 的构 成 、结构 等有 了深 刻认识 和对 大量 实 际资料 数据 的 占有 ，以及 掌握 了实 际问题 的变化 规 律 ，才 能从 实 际系统 中抽 象 出反映 实 际变化过 程 的概念 模型来 。所 以 ，要想从
一
定 的评分值 ，再 累加 求 和 ，即 ： ，
』＝ ｌ
；
Ⅵｉ 一厶 “ ｖ
式 中 ： Ｍｉ ｉ － 评价单 元地 质环 境质 量 ；ｉ ｉ 价单 元 中 Ｊ ｉ 评 — 评价 因子评 分值 ；ｎ 评价 因子 总数 。这 种 一
方 法 由于是人 为评 价 ，主观 影响太 大 缺乏 客观性 ，因而不 能很 真实 地反 映实 际情况 。
极其 复杂 多变 的不确定 性 的地质 环境 系统 中抽 象 出客观 全面 的概 念模 型是具 有相 当难度 的 ，它要 求我们 对 所研 究 的地质 环境进 行深 入 系统 的研究 。 首 先收集 研究 区的文献 资料 、工 程地 质调 查与测 绘 、工程 地 质勘察 、区域地 质报告 、研 究 区规划文 件 及 图件等 资料 ，进 行研 区的环 境质 量体 系研究 ，确定 影 响 因素 的种类 和评 价 因子 。根 据 已有 的研究 ， 城 市工 程地 质环境 质量 的 总貌 ，是 由工程 地质 环境最 重要 的两 个方 面 内容决 定 的 ，即资源与 制约 。资源 是指 地质 矿产类 资 源 、水 资源 、建 筑材 料资 源等 ；二 是指 土地 资源 。制约 由其 动力地 质作 用 、岩土类
敏感 因子 分析 模 型法 ：用 于必 须客 观地 反 映敏感 性 因子 的影 响 ，敏感 性 是指人 类 活动对 不 同 的环境
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四川 地质学报
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因子产生 的影 响的大 小 ，突 出这个 敏感性 因素对整 体质量 的贡献 ，来 建立敏 感因子模 型 。 模糊 聚类 分析 法 ：在 环境科 学领 域 中 ，由于各分类 指标数 值 的不确定性 、分 界的不确 定性 ，所 以广 泛 地采用 模糊 聚类 来解决 这类 问题 ，模糊 聚类分 析方 法能一 定 限度 地克 服人为 清晰化 的不足 。实际上 它
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模糊聚类分析在地下工程地质环境质量评价 中的应用
魏 永 耀 ，成 月 佳 ，刘
（．江苏省地质调查研 究院，南京 １
建 ，龚 绪 龙 ｔ
２ ０４ ；２江苏省测绘产 品质 量监督检验站，南京 ２ ０ １） １０ ９ ． １０ ３
岩土承 载力 、岩 土压缩 性 、回填 土厚 度 、地 下水 位埋 深 、外界 人工 因素 。 ２３选 择评 价方 法 ．
目前用 于城 市工程 地质 环境 质量评 价方 法 主要有 积分 值法 、指 数模 型法 、敏感 因子 模型法 、层 次分 析模 糊综 合评 价法 、和 灰色 聚类评 价 法 。 积 分值法 ：最 简单 的一 种 ，即按 照一定 的标 准 给予评 价 区域 ，所 有 的环境 要 素的不 同评价 因子 要有
出现并 且 孕育诸 多环境 工程 地质 问题 。城市 建设所 涉及 的地下 工程地 质环境 和引起 的环境 工程地质 问题 日趋复 杂严 重 ，因此对 城市 地质调 查 中地下工 程地质 环境评 价工 作 的精 度要求 越来越 高 ，传统 的定性 评
价方法 己难 以满足 城市 规划建 设 和国土 资源合 理开发 使用 的需求 ，寻求 一种科 学准确 的工程地 质环境 评 价 方法势 在必行 。 结合 多年 的环境地 质及岩 土工程勘 查工作 实际，提 出城 市地质调查 中地下 工程地质环 境 质量 评价 的方法 及应用 ，供 同行 参考 。
行振 动荷 载 、车辆荷 载 、波浪 或地 震力及 剪 切力反 复作 用下 产生 液化 或大量 震 陷变形 等 。与地下 空 间开 发有关 的环 境地 质 问题 ，关 系到整个 工程 的 质量 、投 资和进 度 。因此对 地 下工程 潜在 的环 境地质 作用 的 研究显 得非 常必 要而且 意 义重 大 。 ２１环境质 量体 系分 析研 究 ． 由于地 质环境 的特 殊性 ，科 学 、合理 地评 定和 预测 其质量 有很 大难 度 ，以至 于在一 些 区域地 质环境
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模糊 聚类 分析 在地 下工 程地 质环 境质量 评价 中的应用 如下几个 方 面 ：１８ ９７年谭 周 地教 授提 出 的工程 地质 环境 稳 定性评 价 理论 ；１８ 杨 闽中 、 ９９年 方鸿 琪教授
提 出的城 市工 程地 质环境 预测 评价 理论 ¨ ； ９ ５ 王 思敬教 授提 出 了工程地 质环 境 系统分 析评价 理论 ［ 。 １９ 年 ４ １ 不 同的评 价理论 往 往采用 不 同 的评 价指 标和 评价 方法 ，主要 有模 糊综 合评 判法 、灰 色聚类 、逐 步判别 分 析 、聚类 分析 、模糊 聚类 、多 目标 加权 法 、模式识 别 法 、层 次 分析法 、信 息量统 计 法 、德 尔菲 法等 ［８。 ５１ －