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147、薛禹群、谢春红、吴吉春、刘培民、时洪文，1991，海水入侵、咸淡水界面运移规律研究，南京：南京大学出版社。 148、张宗祜、沈照理、薛禹群、…吴吉春等19人著，2000，华北平原地下水环境演化，地质出版社。 149、张阿根、魏子新…吴吉春等11人著，2005，中国地面沉降，上海科学技术出版社。 *150、吴吉春、薛禹群主编，2009，地下水动力学（专业规范核心课程教材），中国水利水电出版社。 *151、吴吉春、张景飞、孙媛媛主编，2009，水环境化学（专业规范核心课程教材），中国水利水电出版社。 152、中国地下水科学战略研究小组著（吴吉春为小组成员），2009，中国地下水科学的机遇与挑战，科学出版社。
——以小秦岭矿区为例
邢永强1 郑钊2 宋锋1 薛良伟1 王卫1
（1.河南省国土资源科学研究院，郑州 450016；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072）
《信阳师范学院学报》（自然科学版），文章编号：1003-0972-(2008)-02-0240-03
摘要 应用多级模糊识别模型进行矿山地质环境评价，克服最大隶属度原则所不适用的地方，而且以相对隶属度、隶属函数为基础，使隶属度、隶属函数的计算更加容易。建立了矿山地质环境评价模型，并应用于小秦岭矿区地质环境质量综合评价中，评价结果显示，该方法对矿山地质环境评价可行、可靠。
关键词多级模糊识别模型 地质环境评价 小秦岭
矿山地质环境评价的数学方法有多种，如地理信息系统（GIS）、BP人工神经网络、灰色系统理论、模糊数学方法等都是较为常用的评价方法，这些方法各有其优缺点（田婧等，2007）。矿山地质环境质量评价是解决评价对象的多指标模式识别和排序问题，模糊数学理论中的最大隶属度原则在此问题中得到了广泛的应用。然而，最大隶属度原则有时忽略某些信息，导致结果失真。陈守煜（1998）提出的多级模糊识别模型以相对级别特征值作为判断或识别的依据，克服了最大隶属度原则所不适用的地方，使隶属度、隶属函数的计算更容易。因此，笔者采用多级模糊识别模型来评价某典型矿山的地质环境状况。
1 模糊识别模型介绍
1.1 指标相对隶属度公式
设某样本需要对模糊子集A进行识别，样本m个指标组成的特征向量为X=(x1x2…xixm)T，其中：xi为样本指标i 的特征值，i=1，2，…，m。
如样本依据m个指标c个级别的已知指标标准特征值进行识别，则有指标标准特征值矩阵：
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
式中：yih为指标i级别h的标准特征值，h=1，2，…，c，i=1，2，…，m。
通常将从1级至c级指标标准特征值减小称为指标递减型；从1级至c级指标标准特征值增加称为指标递增型，则递减型指标对A的相对隶属度（隶属函数）为
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
h级指标标准特征值对A的相对隶属度为
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
递增型指标对A的相对隶属度（隶属函数）为
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
h级指标标准特征值对A的相对隶属度为
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
1.2 模糊识别模型的建立
通过隶属度分别把指标与指标标准特征值矩阵变换为A的指标与指标标准特征值的相对隶属度矩阵：
R=(r1r2… rm)T=(ri)
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
设样本A的各个级别相对隶属度矩阵为
U=(u1u2…uc)T=(uh)
式中：uh为样本对A的级别h相对隶属度，h=1，2，…，c。
由样本在级别区间[a，b]范围内，故矩阵U应满足规一化约束条件： uh=1，同时应有uh=0，且h＜a或h＞b。
为了求解样本对模糊概念A的级别h的最优相对隶属度，建立目标函数：
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
求解
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
求得模糊识别模型为
环境·生态·水文·岩土：理论探讨与应用实践
1.3 相对级别特征值的求解
设级别变量h以对应的相对隶属度为权重，其总和H(u)= uh·h，称为相对级别特征值或相对状态特征值。
相对级别特征值H(u)是一个描述状态或级别的无量纲数，且1≤H(u)≤c，相对级别特征值由于利用了全部相对隶属度信息，其判断结论比最大隶属度原则更符合实际情况。据此，可应用相对级别特征值H(u)反馈得到相应的级别，对样本作出归属何种级别的判定。
2 应用实例
2.1 研究区概况
小秦岭矿区位于河南省西部灵宝市境内的豫、陕、晋三省交界处，矿业经济发展很快，矿区内有国家和地方黄金企业数十家，矿山坑口数千个，矿业已成为灵宝市的支柱产业。然而，由于当地矿业资源的管理、开发体制不健全，小秦岭矿区矿业资源又作为淘金者的首选目标，该地区在淘金者的乱采滥挖下，不可再生的矿业资源和矿区地质环境遭到了严重的破坏。此外，人为的破坏还给该地区带来了崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。因此，运用适当的方法对小秦岭矿区地质环境进行综合评价，对以后矿山恢复治理工作有重要的指导意义。
2.2 评价单元划分
结合对小秦岭矿区的实地调研结果，并遵照客观、公正、科学地反映矿区地质环境区域差异的原则，将评价区划分了87个评价单元。采用先定性分析矿区的主要地质环境问题，并综合考虑地形地貌特征、水系发育特征、人类活动强度等因素，对矿区内问题比较突出地区划定评价单元网格；对于其余地区，则按照3km×3km的正方形网格来划分评价单元，在单元划分的同时还注意与行政界域、水系界域的相互包容以及对边缘单元、小单元的适当合并。此外，在遵循地质环境客观特征的基础上，还考虑到兼顾局部特殊要求的情况，如在豫陕两省交界的地区则按照行政分区边界来划定。划分结果如下：单元dx1和dx2为大西峪区间；w1～w4为文峪区间；单元z1～z3为枣香峪区间；单元dh1～dh3为大湖峪区间；单元zy为藏马峪和阎家峪区间；单元f为夫夫峪区间；单元g为观音峪区间；单元j为荆山峪区间；单元i1～i10为苍珠峪、白花峪、枪马峪、杨砦峪、朱家峪相应的区间；单元1～61是按照正方形网格与各类界域边界交汇并进行适当合并或裁减的评价单元。
2.3 矿区地质环境质量评价指标分级
在综合比较成天翔等（2007）、徐友宁等（2003）、蔡斌等（2006）关于选取评价指标研究成果的基础上，从小秦岭矿区地质环境现状条件出发，综合考虑研究区自然条件、人类活动影响、资料收集情况等因素，选择了地表坡度、岩土体抗侵蚀性、植被覆盖率、年降水量、地质灾害、水土流失、地表水污染、人类工程活动强度、矿渣堆积量9个评价指标。
对于选取的评价指标，按照地质环境质量“优”、“良”、“中”、“差”、“极差”划分为5个级别，各级别相应指标的标准值如表1所示。
表1 小秦岭矿区地质环境评价指标分级标准 Table1 Index classification standard of geology environmental in Xiaoqinling field
2.4 确定权重系数
目前系数确定的方法很多，大致可分为德尔菲、层次分析等主观赋权法和主成分分析、因子分析等客观赋权法，运用主观赋权法掺杂了决策者的主观随意性，而运用客观赋权法却缺乏决策者的意愿，故本次研究采用主观赋权与客观赋权相结合的方法，先由主成分—因子分析赋权法计算出一组初始权重，再带入评价模型进行计算，如果计算结果合理则直接采用该指标权重，如果计算结果差别较大，则在初始权重的基础上再进行适当微调，最终求出一组合理的权重系数，如表2所示。
表2 评价指标的权重系数 Table2 Weighing coefficient of evaluation index
2.5 小秦岭矿区地质环境评价结果及分析
用VB语言编制相应的计算程序、开发评价模型，结合各单元评价指标的量值和小秦岭矿区实地调研情况，给定地质环境质量评价的最终结果，见表3和图1。
表3 小秦岭矿区地质环境质量评价结果 Table3 Evaluative result of geologic environmental quality in Xiaoqinling field
图1 小秦岭矿区地质环境质量评价效果图
将该评价结果与已知物元分析法评价结果相比较，仅有39号、55号、58号、dx2号、i5号、dh3号单元评价结果有偏差，且偏差在允许范围内。
3 结论
多级模糊识别模型分析较物元分析、模糊理论分析等方法计算简便，又克服了最大隶属度原则所不适用的地方。该方法用于矿山地质环境评价，对属于相同级别的检测单元间的差别亦可分区，可以直接看出各单元环境质量的优劣程度，从而为环境治理工作提供更直接的信息。实践证明，用该方法对矿山地质环境进行评价可行、可靠。
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Research of Multi-Classification Fuzzy Pattern Recognition Model in Mine Geological Quality Evaluation
—The Case of the Mine in Xiaoqinling Field
Xing Yong-qiang1，Zheng Zhao2，Song Feng1，Xue Liang-wei1，Wang Wei1
（1.Henan Land and Resources Research Institute，Zhengzhou 450016；2.College of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072）
Abstract：Based on the relative membership degree and function，the model of multi-classification fuzzy pattern recognition is applied in assessment of mine geo-environment quality，which counteracts the defects of maximum membership degree law and makes it easier to calculate the relative membership degree and function.The paper has established assessment model of geo-environment quality and uses it to assess the mine geo-environment quality of Xiaoqinling field.The result indicates that the method is feasible and reliable.
Key words：multi-classification fuzzy pattern recognition model；geological environment evaluation；Xiaoqinling field
现学术兼职为教育部地质工程教学指导委员会委员、中国地质学会工程地质专业委员会委员、中国地质学会地质灾害专业委员会委员、中国科协滑坡专业委员会委员、中国地学哲学研究会理事、陕西省水电工程学会常务理事兼勘测专委会主任委员、西安市地震学会副理事长、陕西省地质学会理事、《工程地质学报》编委、《水文地质工程地质》编委、《灾害学》副主编。自80年代晚期开始，先后主持完成了渭河盆地及西安市、黄河积石峡、黄河黑山峡、福建厦门等重大城市及重大工程场地的区域稳定工程地质的研究工作。通过10多年的工程实践和理论探索，逐步将区域稳定工程地质推进到区域稳定动力学研究的层面上，系统地提出了区域深层稳定动力学、区域浅层稳定动力学、区域表层稳定动力学、区域活动构造动力学、区域地震动力学的区域稳定动力学研究的理论体系和区域非稳定动力学环境下的地震工程效应、岩体失稳效应、建筑物断错效应的定量分析评价方法体系。自90年代以来，先后主持完成过黄河积石峡及黑山峡、四川宝兴河、陕西黑河、山西运城——三门峡高速公路、川藏公路等大型水电工程和交通工程的高陡岩体边坡的稳定性研究工作。研究中注重高陡边坡岩体变形破坏的动力学机制、动力学过程、稳定性评价与预测，以及防治优化设计等方面的研究，并逐步形成了系统的理论与方法技术体系。其中，在积石峡库区发现并厘定了“高速飞行弹射型滑坡”及其动力学机制；在陕西黑河坝址发现并厘定了“侧翼锁固的旋转变形体”及其动力学机制；在四川宝兴河发现并厘定了“剪抽式滑坡”及其动力学机制。多年来，先后在陕西关中地区、黄河中上游地区、陕南山区以及黄土高原地区开展过大量的地质灾害研究工作。以渭河盆地为案例，揭示并发现了活动断层对地质灾害的控制规律；在滑坡灾害研究方面，先后为黑河水库工程解决了库区、坝址的一系列滑坡稳定性计算及防治设计问题；在四川宝兴河大板桥滑坡研究中，探讨了利用滑体筑坝的可能性，为滑坡体的工程利用研究提供了新思路。目前正在承担着交通部“探测湿陷性黄土暗穴技术研究”、中国地调局“西部地区地裂缝与地面沉降调查”及陕西省交通厅“陕南地区公路地质灾害预测评价信息系统”等重大项目的研究工作。
1.矿井水文地质条件综合勘查技术
该技术主要由水文地质测绘、钻探、试验、物探、化探和遥感等技术构成，服务于煤矿建井前的水文地质条件勘查，生产阶段的水文地质补充勘探和矿井充水水源、通道及其他专门问题的探查，是研究矿井水害形成条件必不可少的技术手段。其中，钻探也是疏放水钻孔、注浆钻孔等成孔的必要手段。
2.渗流理论与矿井涌水量的计算
矿井涌水量计算是以地下水渗流理论为基础的。在实际应用中，可分为正常用水量计算和最大突水量计算两大类。
(1)在传统渗流理论的基础上，各种数学方法被大量应用到矿井涌水量的计算中，但大多不够成熟。
(2)2D数值模拟法和3D数值模拟法是目前矿井涌水量计算应用的最高水平。
(3)理论与实际应用严重脱节，许多矿区仍主要采用比较粗略的水文地质比拟法。
3.矿井水害的形成机制
不断深化对矿井水害形成机制的认识，特别是对底板突水机理和控制性影响因素的认识，是矿井水害防治的重要理论基础，也是当前研究的热点之一。由于林南仓矿区水文地质条件复杂且差别较大，所以应开展进一步或具有普遍意义的水文地质规律的研究。
4.突水预报预警技术
矿井突水预测预警对于矿井水害防治具有至关重要的意义，如果能够准确预测可能发生的突水事故，矿井防治水工作将发生革命性的变化。实现临突预警是矿井突水预测预警研究期望达到的目标。通过监测突水前兆因素的有关参数变化，建立突水发生标准的识别模型，对突水的发生做出判断，并及时发出预警信号。
5.矿井水害的灾后治理技术
矿井突水发生后的灾后治理技术主要包括突水水源的快速判别技术、突水水量的估算方法、高精度定位钻孔实施技术、突水通道注浆封堵技术等。
6.矿井水综合利用技术
传统的矿井水害防治工作充分重视了水的灾害性一面，而忽略了水的资源性一面。按照资源与环境协调发展的观念，钱鸣高院士提出了“绿色开采”的概念，并已形成广泛和重要的影响。水资源保护性开采是“绿色开采”的主要内容之一，它是指在防治矿井水害的同时，必须重视和强调水资源地保护和利用。
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