基于地質(zhì)環(huán)境要素的地下空間利用適宜性評價

劉運來，吳江鵬 ，彭培宇，章廣成，朱 銳

(1.贛州高速公路有限責(zé)任公司，江西 贛州 341000；2.江西省交通科學(xué)研究院，南昌 330200；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074； 4.武漢市勘測設(shè)計研究院，武漢 430022)

基于地質(zhì)環(huán)境要素的地下空間利用適宜性評價

劉運來1，吳江鵬2，彭培宇1，章廣成3，朱 銳4

(1.贛州高速公路有限責(zé)任公司，江西 贛州 341000；2.江西省交通科學(xué)研究院，南昌 330200；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074； 4.武漢市勘測設(shè)計研究院，武漢 430022)

城市地質(zhì)環(huán)境條件直接控制地下空間開發(fā)利用的難易程度，決定了地下工程的整體安全性和經(jīng)濟性，是地下空間開發(fā)利用評價的核心要素。武漢市地下空間開發(fā)利用受區(qū)域內(nèi)地形地貌、巖土體條件、水文地質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地震效應(yīng)、不良地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害等眾多因素的影響。在收集武漢市主城區(qū)大量鉆孔數(shù)據(jù)以及其它工程地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，建立了地下空間利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系?；谠u價標(biāo)度以及群體判斷矩陣的優(yōu)化，建立了改進(jìn)的地下空間開發(fā)利用適宜性評價模型，并結(jié)合MAPGIS平臺進(jìn)行二次開發(fā)對武漢市主城區(qū)淺層(0～15 m)地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性展開綜合評價。評價結(jié)果表明：評價區(qū)域內(nèi)地下空間開發(fā)利用適宜性整體較好，適宜性差區(qū)域主要集中于漢口、武昌以及青山區(qū)靠近長江、漢江兩岸的沖積平原等地，其評價結(jié)果亦可為武漢市主城區(qū)地下空間開發(fā)利用的整體規(guī)劃提供指導(dǎo)與借鑒。

武漢市主城區(qū);地下空間;開發(fā)利用； 地質(zhì)環(huán)境； 適宜性評價;改進(jìn)的層次分析法

1 研究背景

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人口急劇膨脹、交通擁堵等問題已經(jīng)嚴(yán)重制約了現(xiàn)代城市經(jīng)濟社會快速發(fā)展的步伐，城市地下空間有效合理的開發(fā)利用已成為城市實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一[1]。城市地下空間的開發(fā)利用受地質(zhì)環(huán)境條件的制約[2]，不合理的地下空間開發(fā)利用將導(dǎo)致嚴(yán)重的工程地質(zhì)問題[3]，因此，對城市地下空間開發(fā)利用進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境適宜性評價顯得尤為重要。

從地質(zhì)環(huán)境角度看，武漢市地層巖性及地質(zhì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，第四系軟土呈分布廣、厚度大、靈敏度高等特征。武漢市水文地質(zhì)條件復(fù)雜[4]，淺層地下空間賦存有多層地下水，且承壓水豐富，另外，主城區(qū)內(nèi)有碳酸鹽巖分布，并已經(jīng)發(fā)生多起巖溶塌陷事故。因此，與敏感地質(zhì)體(軟土、脹縮性土、巖溶等)相關(guān)的不良地質(zhì)問題逐漸成為制約武漢市地下空間利用的主要影響因素。針對上述問題，基于現(xiàn)有的地質(zhì)調(diào)查及大量的鉆孔數(shù)據(jù)資料，研究不同工程地質(zhì)分區(qū)內(nèi)各巖土層的特征，分析城市地下空間開發(fā)利用的關(guān)鍵影響因素，建立適合武漢市主城區(qū)的地質(zhì)環(huán)境適宜性評價體系，對武漢市主城區(qū)淺層地下空間(0～15 m)進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)評價，評價結(jié)果可為城市地下空間開發(fā)利用提供支撐與指導(dǎo)。

2 評價指標(biāo)體系的建立

城市地下空間適宜性評價是由多種因素、多層因子組成的復(fù)雜系統(tǒng)，因此需建立能夠代表地下空間開發(fā)利用適宜性評價的性質(zhì)和方向的指標(biāo)體系，并構(gòu)建適應(yīng)的評估數(shù)學(xué)模型，從而得出適宜性評價結(jié)果。本文基于武漢市勘察數(shù)據(jù)以及收集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，綜合考慮地形地貌、巖土體類型、水文地質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地震效應(yīng)、不良地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害等影響因素，建立了適用于武漢市主城區(qū)地下空間開發(fā)利用的評價指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系Fig.1 Index system for evaluating the suitability of geological environment

3 改進(jìn)的評價方法

目前，對城市地下空間的評價方法主要有普通層次分析法[5]、灰色評估法[6]、模糊數(shù)學(xué)法[7]等。城市地下空間開發(fā)利用適宜性是由多種因素、多層影響因子組成的多層次復(fù)雜系統(tǒng)，建立遞階層次的結(jié)構(gòu)模型有利于對該復(fù)雜決策問題進(jìn)行深入分析[8]，其基本步驟如下：①建立遞階層次結(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)體系；②構(gòu)造判斷矩陣；③一致性檢驗；④確定各指標(biāo)綜合權(quán)重參數(shù)。

3.1 評價標(biāo)度的優(yōu)化

層次分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于步驟②中的利用標(biāo)度法構(gòu)造兩兩群體判斷矩陣。在構(gòu)造判斷矩陣過程中，給出的兩兩指標(biāo)之間的相對重要性程度應(yīng)滿足合理性以及傳遞性原則。但在實際應(yīng)用中，Saaty標(biāo)度法存在傳遞性差以及判斷矩陣與專家的思維一致性不等價等缺點，主要是因為該標(biāo)度評分與專家的語言描述不相符所致[9-10]，因此傳統(tǒng)的Saaty標(biāo)度法不適用于地下空間開發(fā)利用適宜性評價指標(biāo)之間的相對重要程度判斷尺度，因此本文采用一種指數(shù)標(biāo)度對評價尺度進(jìn)行優(yōu)化。該指數(shù)標(biāo)度方法與其他標(biāo)度方法相比，具有標(biāo)度值劃分合理以及良好判斷傳遞性等特點[11]，適用于構(gòu)建地下空間開發(fā)利用適宜性判斷矩陣，指數(shù)標(biāo)度含義如表1所示。

表1 指數(shù)標(biāo)度及含義Table 1 Scales of indexes and their connotations

3.2 群體判斷矩陣的優(yōu)化

由于影響地下空間開發(fā)利用適宜性評價因素的復(fù)雜性以及專家對問題的認(rèn)識不同，專家打分的結(jié)果不可能完全一致，且構(gòu)造的判斷矩陣均需通過一致性檢驗，專家需循環(huán)多次構(gòu)造判斷矩陣來滿足這一條件，結(jié)果將導(dǎo)致專家判斷準(zhǔn)則發(fā)生偏移，再次構(gòu)造的判斷矩陣在很大程度上已經(jīng)失去其實際意義。針對該方法的缺陷，本文采用最優(yōu)傳遞矩陣對判斷矩陣進(jìn)行優(yōu)化，避免了多次循環(huán)式的專家調(diào)查。其最優(yōu)群體判斷矩陣表達(dá)式及其權(quán)重向量表達(dá)式[12]分別為：

(1)

(2)

式中：n為權(quán)向量的維數(shù)；m為專家給出的群體判斷矩陣的數(shù)量；(aij)n×n為群體判斷矩陣；W*為最優(yōu)傳遞矩陣權(quán)向量；Ai*為最優(yōu)傳遞矩陣第i列元素之和(i=1,2,…,n)。采用式(1)及式(2)對群體判斷矩陣進(jìn)行計算，即可得武漢市主城區(qū)淺層地下空間開發(fā)利用適宜性評價指標(biāo)的權(quán)重，如表2所示。

表2 評價指標(biāo)體系權(quán)重參數(shù)Table 2 Weight parameters of evaluation index system

3.3 最不利等級判別法

根據(jù)指標(biāo)因子的評價等級，選擇最低級別作為評價結(jié)果的等級。在不良地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害因素評價中，對于砂土液化、軟土層厚度等問題，僅考慮有砂土以及軟土的情況，其他土層給的評分值均較高，在運用評價數(shù)學(xué)模型進(jìn)行疊加運算過程中有不良工程地質(zhì)問題的區(qū)域的評價值過于平均化，與實際情況不符。因此，對于不良地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害評價指標(biāo)應(yīng)采用最不利等級判別法進(jìn)行評價。

4 評估模型及評價標(biāo)準(zhǔn)

4.1 評估數(shù)學(xué)模型

本文針對建立的地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系，結(jié)合改進(jìn)的層次分析法，提出相應(yīng)的地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價數(shù)學(xué)模型表達(dá)式。

(1) 由指標(biāo)層到準(zhǔn)則層的評價結(jié)果為

(3)

式中：Ii為第i個準(zhǔn)則層中指標(biāo)因素的評價結(jié)果；wij為第i個準(zhǔn)則層中第j項指標(biāo)因素的權(quán)重；uij為第i個準(zhǔn)則層中第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化評價值；m為第i個準(zhǔn)則層中對應(yīng)的指標(biāo)因素的總數(shù)；min(uij)為采用最不利等級判別法時準(zhǔn)則層的評價結(jié)果。

(2) 由準(zhǔn)則層至目標(biāo)層的評價結(jié)果總得分為

(4)

式中：S為目標(biāo)層評價結(jié)果總得分(0≤S≤1)；wi為第i個準(zhǔn)則層的權(quán)重。

根據(jù)評價結(jié)果總得分S的大小，將武漢市主城區(qū)地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)劃分為5個等級，見表3。

表3 評價結(jié)果等級劃分Table 3 Classification of evaluation result

表4 指標(biāo)量化評價標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Quantitative values of indexes

4.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

對受多源復(fù)雜因素綜合影響的地下空間開發(fā)利用適宜性進(jìn)行評價，需解決評價指標(biāo)因素之間規(guī)范化與標(biāo)準(zhǔn)化問題。本文結(jié)合武漢市的具體特點，參照相關(guān)規(guī)范并同時借鑒其他城市地下空間適宜性評價標(biāo)準(zhǔn)，建立了符合武漢市主城區(qū)實際情況的評價分級標(biāo)準(zhǔn)，對于定性指標(biāo)，可采用專家打分法取得梯度均勻的評估等級，根據(jù)等分原理給出相應(yīng)的評估標(biāo)準(zhǔn)值如表4所示。

對于定量型的評價指標(biāo)，對地下空間開發(fā)利用適宜性的影響多為連續(xù)型函數(shù)，并且在各個等級變化區(qū)間內(nèi)呈直線變化，因此對這類評價指標(biāo)可采用線性函數(shù)對指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)評價指標(biāo)對評價結(jié)果的影響方式(正相關(guān)以及負(fù)相關(guān))選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化公式。

當(dāng)?shù)趈項指標(biāo)為正相關(guān)指標(biāo)時，其標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(5)

當(dāng)?shù)趈項指標(biāo)為負(fù)相關(guān)指標(biāo)時，其標(biāo)準(zhǔn)化公式為

(6)

5 模型應(yīng)用及評價結(jié)果

本文基于MAPGISK9平臺進(jìn)行二次開發(fā)，建立適宜性評價系統(tǒng)，并根據(jù)其空間分析及可視化功能，以武漢市主城區(qū)1∶25 000工程地質(zhì)圖為底圖，對主城區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格數(shù)為640×600，共384 000個單元格，通過確定評價指標(biāo)體系和定義計算函數(shù)等步驟，將各評價指標(biāo)按照建立的評價數(shù)學(xué)模型進(jìn)行疊加運算，最終生成武漢市主城區(qū)淺層(0～15m)地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)評價結(jié)果，見圖2。評價范圍為武漢市主城區(qū)陸域面積，水域部分不作評價，評價結(jié)果匯總見表5。

注：圖2為北京54坐標(biāo)系圖2 武漢市主城區(qū)淺層(0～15 m)地下空間適宜性評價分區(qū)Fig.2 Zoning of suitability evaluation for the shallow (0-15m) underground space in the main urban area of Wuhan表5 淺層地下空間開發(fā)利用適宜性評價匯總Table 5 Summary of the suitability evaluation result for the development and utilization of shallow underground space

深度范圍適宜性很差適宜性差適宜性中適宜性良適宜性優(yōu)面積/km2所占比例/%面積/km2所占比例/%面積/km2所占比例/%面積/km2所占比例/%面積/km2所占比例/%淺層(0～15m)——77.3912.53200.6132.48289.4446.8550.278.14

該評價結(jié)果可相對表征武漢市主城區(qū)地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)的準(zhǔn)確性，評價結(jié)果表明：

(1) 總體上看，武漢市主城區(qū)的地下空間開發(fā)利用適宜性整體較好，淺層地下空間開發(fā)利用適宜性評價結(jié)果主要為適宜性中(Ⅲ類區(qū))和適宜性良(Ⅱ類區(qū))，適宜性差(Ⅳ類區(qū))和適宜性優(yōu)(Ⅰ類區(qū))所占的比例較少，其評價分區(qū)統(tǒng)計結(jié)果見表5。根據(jù)本文的評價標(biāo)準(zhǔn)及綜合評價結(jié)果，評價區(qū)域范圍內(nèi)無適宜性很差(Ⅴ類區(qū))的區(qū)域。

(2) 武漢市主城區(qū)東南部青山區(qū)、洪山區(qū)等地的崗地及丘陵區(qū)以及漢陽大部分區(qū)域的巖土體條件及水文地質(zhì)條件較好，淺層地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境條件較好，制約該區(qū)域地下空間開發(fā)利用的主要影響因素為不良地質(zhì)條件，如脹縮性土層等問題。

(3) 適宜性差區(qū)域(Ⅳ類區(qū))主要分布于漢口、武昌以及青山區(qū)靠近長江、漢江兩岸的沖積平原等地，該區(qū)域軟土分布范圍較廣，水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，且?guī)r溶塌陷問題較嚴(yán)重，不利于地下空間開發(fā)利用。

6 結(jié) 論

(1) 以武漢市原始巖土工程勘察數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析影響武漢市主城區(qū)地下空間開發(fā)利用適宜性的主要因素，并通過建立地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系以及相應(yīng)的評價數(shù)學(xué)模型，對武漢市主城區(qū)淺層地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性展開綜合評價，其評價結(jié)果準(zhǔn)確、合理。

(2) 根據(jù)淺層地下空間評價結(jié)果中適宜性差以及適宜性較差分布區(qū)域分析可知，軟土問題、水文地質(zhì)、巖溶問題是影響武漢市主城區(qū)地下空間開發(fā)利用的主要影響因素，因此在地下空間開發(fā)利用過程中需要重點查明，重點防范。

(3) 該評價結(jié)果基于武漢市地質(zhì)環(huán)境條件，在詳細(xì)規(guī)劃階段，還必須重點考慮地面建筑物及地下工程、社會經(jīng)濟發(fā)展條件等因素的影響。武漢市中心城區(qū)地面及地下建筑條件十分復(fù)雜，人口密集，交通擁堵，是地下空間開發(fā)利用的重點區(qū)域，因此對這類區(qū)域的地下空間進(jìn)行開發(fā)利用時需加強綜合評價工作。

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(編輯：劉運飛)

Suitability Evaluation for the Utilization of Underground Space inConsideration of Geo-environmental Factors

LIU Yun-lai1, WU Jiang-peng2, PENG Pei-yu1, ZHANG Guang-cheng3, ZHU Rui4

(1.Ganzhou Expressway Co., Ltd., Ganzhou 341000, China; 2.Jiangxi Transportation Institute, Nanchang 330200,China; 3. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China;4.Wuhan Survey Design and Research Institute, Wuhan 430022,China)

Urban geological environment is a core factor in evaluating underground space utilization as it directly affects the utilization difficulty and determines the overall safety and economy of underground project. The underground space utilization in Wuhan city is affected by many factors inclusive of landform, rock and soil condition, hydrology, geological structure and seismic effect, as well as adverse geology and geological disasters. In this article, the suitability of geological environment in the utilization of shallow (0-15m) underground space in the main urban area of Wuhan city is evaluated. An index system is constructed according to a large number of drilling dataand other engineering geological data. On this basis, an improved model for suitability evaluation is built based on optimizing evaluation scales and group judgment matrix, and then the evaluation result is obtained through secondary development with MAPGIS platform. Results show that the geological environment in the study area has overall a good suitability for underground space utilization, and poor suitability regions are mainly concentrated in Hankou, Wuchang, and Qingshan closed to the alluvial plains of the Changjiang River and the Hanjiang River. The evaluation results could also offer guidance and reference to the overall planning of underground space utilization of Wuhan.

main urban area of Wuhan; underground space; utilization and development; geological environment; suitability evaluation; improved analytic hierarchy process

2016-03-04 ；

2016-03-28

江西省交通運輸廳重點工程科技項目(2015C0067，2015C0017，2015C0018)

劉運來(1969-)，男，江西吉安人，教授級高級工程師，碩士，從事巖土體穩(wěn)定性分析研究，(電話)15170036226(電子信箱)807597075@qq.com。

章廣成(1980-)，男，湖北荊州人，副教授，博士，研究方向為巖土體穩(wěn)定性分析與評價等，(電話)15623240027(電子信箱)zhangguangc@foxmail.com。

10.11988/ckyyb.20160182

2017,34(5):58-62,67

TU91

A

1001-5485(2017)05-0058-05