基于多種方法的城鎮(zhèn)建設(shè)地質(zhì)適宜性分級評價

陳 瑩，李國新*，郝 強(qiáng),2，劉冬勤，沈 軍，錢利軍，黃孝斌

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院國土空間應(yīng)用研究中心，樂山 614000；2.同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，上海 200092；3.湖北省地質(zhì)局第一地質(zhì)大隊，大冶 435100)

城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)應(yīng)立足本地資源稟賦，體現(xiàn)本地優(yōu)勢和特色為依據(jù)[1-3]。湖北省黃石市具有近千年的礦業(yè)開采歷史，作為典型的資源枯竭型城市，在城市轉(zhuǎn)型和城市化進(jìn)程不斷加快的條件下，所帶來的建設(shè)用地需求量逐漸增加成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素，如何最大限度實現(xiàn)城市建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)化配置，探尋有效解決實際困境的評價方法顯得尤為重要。

近些年來，Delphi和層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)不斷改良出現(xiàn)激勵與懲罰型變權(quán)、專家打分綜合評判等變型，并提出了反向傳播(back propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、加權(quán)綜合指數(shù)法、灰度聚類及模糊綜合評價等新方法[4-6]，特別是模糊綜合評價能有效地消除主觀因素導(dǎo)致的結(jié)果可靠性降低的問題，其與遙感影像解譯和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)技術(shù)相結(jié)合在建設(shè)用地適宜性評價中日趨受到中外學(xué)者的關(guān)注和重視[3，7-8]。

在眾多方法中固然有其各自優(yōu)缺點，以往的評價中往往要求參評因子全面，選取評價方法合理，而實際應(yīng)用中地質(zhì)條件千差萬別，沒有放之四海皆準(zhǔn)的評價方法，如何做到因地制宜實非易事。現(xiàn)以大冶湖生態(tài)新區(qū)(核心區(qū))為例，提出全新的多方法分級評價，以確保評價結(jié)果的真實可靠性，提出可復(fù)制方案為地方規(guī)劃、新型城鎮(zhèn)建設(shè)、管理和下一步的國土空間規(guī)劃中的城鎮(zhèn)建設(shè)適宜性評價提供地學(xué)保障和可參照性范例。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 自然地理概況

大冶湖生態(tài)新區(qū)(核心區(qū))地處湖北省大冶市東部，南鄰大冶湖，東靠長江，位于大冶湖生態(tài)新區(qū)的西北部，北至大棋路，東至慶洪路，南至大冶湖，西至武(漢)黃(石)城際鐵路，總用地面積為22 km2(圖1)。為典型的中緯度亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)氣候冬冷夏熱、四季分明、雨量充沛。根據(jù)大冶市氣象站資料顯示，年平均氣溫17.57 ℃，最高氣溫38.8 ℃，極端最低氣溫為-10 ℃，當(dāng)?shù)貧鉁刈罡咴路菔瞧咴?，平均氣?9.2 ℃，氣溫最低月份為一月，平均氣溫為4.3 ℃。

圖1 黃石大冶湖生態(tài)新區(qū)(核心區(qū))交通位置圖

1.2 主要地質(zhì)環(huán)境問題

大冶湖作為典型的斷陷湖，其早期河谷伸入丘陵崗地，受新構(gòu)造運動沉降影響，江水倒灌河口淤塞，沉降洼地積水成湖，加之20世紀(jì)40～80年代圍湖造田造成湖泊面積迅速縮小。軟土體含水量高，一般在30%～47%；孔隙比在0.88～1.28；液性指數(shù)為0.96～1.49，具中高壓縮性，且有機(jī)物含量較高，地基承載力較低，該土層一般不能作為建筑物地基持力層，研究區(qū)主要控制因素特征如圖2所示。

圖2 研究區(qū)軟土厚度、地基承載力5 m、基巖埋深和洪水淹沒可能性分區(qū)圖

大冶湖兩岸，地勢較低，湖岸80%范圍為湖垸，防洪要求較高，近年來盡管人工墊高地勢，靠近湖區(qū)外圍擴(kuò)展水面形成人工湖，供休閑娛樂，但其效果不甚明顯。由于80年代至今，人類影響繼續(xù)加劇湖泊水面面積和容積不同程度的減小，地下水位埋藏較淺，洪水淹沒可能性較高[9]，如圖3所示為1980年湖區(qū)范圍，現(xiàn)今研究區(qū)位置多位于湖平面以下，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 大冶湖生態(tài)新區(qū)(核心區(qū))20世紀(jì)80年代湖區(qū)面積復(fù)原圖

表1 大冶湖水位、面積、容積變化一覽表

1.3 數(shù)據(jù)來源

采用的主要數(shù)據(jù)來源于數(shù)字高程地圖(DEM)、2014年高分二號(GF-2)影像資料、大冶縣志、規(guī)劃資料及本次工作開展及收集的地勘資料，其中共統(tǒng)計了877口鉆井，60件巖土試驗，15件地下水全分析及240土壤樣品數(shù)據(jù)。

2 研究方法

在地質(zhì)適宜性評價中，運用的方法繁多，各具優(yōu)勢又存在諸多不足，最主要的矛盾是沒有可以套用的范式，在遵循全面性、合理性、主導(dǎo)性、科學(xué)性等評價原則的基礎(chǔ)上，采用多方法-分段式-后驗證的方式，來彌補(bǔ)方法上的不足，確保結(jié)果的真實性及方法上的可操作性和可復(fù)制性，評價方法示意圖如圖4所示。

圖4 分級評價安全、適宜、優(yōu)化關(guān)系示意圖

2.1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價

2.1.1 構(gòu)建指標(biāo)體系

通過野外工作得到的認(rèn)識，并與當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)地質(zhì)專家共同研究，從水文、工程地質(zhì)兩方面選取特殊性土層厚度、地基承載力(5 m)、基巖埋深和洪水淹沒可能性共4個評價指標(biāo)因子作為重要因子，等級劃分結(jié)果如表2所示。

表2 研究區(qū)重要因子及其等級劃分

2.1.2 確定權(quán)重

(1)層次分析法定權(quán)。選定對評價區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件熟悉的6名專家以及3名規(guī)劃部門專家，按表3所示的T.L.Satty 1-9標(biāo)度，兩兩比較列出判斷矩陣[11-12]，4個評價要素洪水淹沒可能、地基承載力、特殊巖土厚度、基巖埋深的權(quán)重結(jié)果如表3所示。

表3 AHP法專家打分表

對上述得出的綜合判斷矩陣經(jīng)DPS計算按AHP法求出權(quán)值，經(jīng)隨機(jī)一致性檢驗，最大特征根λmax=4.010 4，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=0.886 2。檢驗公式為

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中：CI為一致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)；CR為隨機(jī)一致性比率。

CR=0.003 9<0.10，判斷矩陣符合一致性檢驗，上述權(quán)值具有合理性。

(2)激勵型變權(quán)。AHP法定權(quán)盡管可以突出主因，但專家打分時往往主觀上過度看中一些因素，而又無法區(qū)分各因素之間的內(nèi)在聯(lián)系的大小，如同為工程地質(zhì)條件的特殊性軟土厚度與基巖埋深具有一定的正相關(guān)性，而在定權(quán)時把它們孤立起來顯然是不科學(xué)的，故在AHP法定權(quán)后，對洪水淹沒可能(B1v)進(jìn)行激勵型變權(quán)，公式為

B1v=B1expβ1/(B1expβ1+B2expβ2+

B3expβ3+B4expβ4)

(3)

式(3)中：β1、β2、β3、β4起調(diào)節(jié)作用，值越大，對相應(yīng)要素激勵越大,這里取β1=0.8，β2=β3=β4=0.5。最終權(quán)重如表4所示。

表4 激勵型變權(quán)后最終權(quán)重

2.1.3 選取數(shù)學(xué)模型

目前，針對建設(shè)用地地質(zhì)適宜性評價常用的經(jīng)典評價數(shù)學(xué)模型有十幾種，更有為單一地區(qū)進(jìn)行具有針對性的數(shù)學(xué)建模。其中較為主流的方法除20世紀(jì)50年代的Delphi、70年代的AHP法、80年代的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法外，還有在各領(lǐng)域應(yīng)用較多的評價方法，如水土環(huán)境中應(yīng)用較多的內(nèi)梅羅指數(shù)法，環(huán)境評價中推薦的W值法，《城鄉(xiāng)規(guī)劃工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(CJJ 57—2012)的多因子加權(quán)綜合指數(shù)法及被認(rèn)為較為科學(xué)的灰度聚類和模糊綜合評價等諸多方法[12-15]。

(1)W值綜合指數(shù)模型。W值法易用于評價因子較少，主要因子突出的評價，并具較為簡單和直觀的特征，但在應(yīng)用中由于沒有權(quán)重和隸屬度的應(yīng)用，往往出現(xiàn)屬性差異不大、但質(zhì)量分級結(jié)果卻明顯不同的缺點，評價結(jié)果如圖5(a)所示。

(2)加權(quán)綜合指數(shù)評價模型。該方法在工程方面應(yīng)用較為廣泛，不同于W值法把因子等同看待，引入權(quán)重的概念可以將評價因子的數(shù)量大大擴(kuò)充，考慮多重因子對結(jié)果的影響，但在權(quán)重的確定及在因子數(shù)量的管控上人為影響較大，并且常因參評因子較多而主控因子不突出，未消除因子相關(guān)性及核心問題導(dǎo)致出現(xiàn)偏頗的情況，評價結(jié)果如圖5(b)所示。

(3)模糊綜合評價。模糊綜合評價計算較為復(fù)雜，目前在理論上認(rèn)為其是比較科學(xué)、合理、貼近實際的量化評價，引入隸屬度的概念，通過精確的數(shù)字手段處理模糊的評價對象，評價結(jié)果如圖5(c)所示。

3 研究結(jié)果

3.1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價

3.1.1 評價結(jié)果

(1)W值綜合指數(shù)模型。數(shù)學(xué)模型為

(4)

式(4)中：S為參與評價因子的總數(shù)目；N為與上下標(biāo)共同表示某類因子的評價結(jié)果；n10、n8、n6、n4分別為被評為10、8、6、4分的因子數(shù)目。

(2)加權(quán)綜合指數(shù)評價模型。數(shù)學(xué)模型為

(5)

式(5)中:Ik為地質(zhì)適宜性指數(shù)；Pi為因子性狀數(shù)據(jù)值；Wi為因子權(quán)值；z為因子總數(shù)。

(3)模糊綜合評價。數(shù)學(xué)模型為

(6)

3.1.2 評價后驗證

(1)室內(nèi)分析。從圖6中可以看出，加權(quán)綜合指數(shù)和模糊綜合評價得到的基本適宜區(qū)和不適宜區(qū)一致程度相對較高，集中分布在新橋兒以南、烏泥灘以北，沙包咀西北部及下湖周-大咀頭-長咀壢以南地區(qū)。僅較適宜區(qū)略有差異，在模糊綜合評價中舒家壢及其以南地區(qū)、戴家垅-大咀頭一線、東南部沙包咀以北多為較適宜；從圖5(b)中可以看出，舒家壢及其以南地區(qū)、戴家垅-大咀頭一線為適宜區(qū)，而東南部沙包咀以北多為基本適宜區(qū)。通過結(jié)果比對可以看出，加權(quán)綜合指數(shù)和模糊評價一致程度較高，而W值法相對其他兩種方法差異性較大。

圖5 W值綜合指數(shù)模型、加權(quán)綜合指數(shù)模型和模糊綜合評價分區(qū)圖

圖6 研究區(qū)不同模型評價結(jié)果面積百分比圖

(2)野外實地驗證。在地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量(二級)評價后，為驗證評價結(jié)果，對研究區(qū)進(jìn)行了評價后驗證，發(fā)現(xiàn)在東區(qū)北部地質(zhì)適宜性較好，已建的奧林匹克中心未見不良地質(zhì)現(xiàn)象，地質(zhì)適宜性較好，符合加權(quán)和模糊評價結(jié)果，而東南部地區(qū)奧林匹克公園、黃石地質(zhì)館和大冶特色館一線局部地區(qū)見有地面不均勻沉降引起的建筑物和道路變形，其他地區(qū)未見明顯地質(zhì)環(huán)境問題，故針對研究區(qū)適宜性評價結(jié)果加權(quán)綜合指數(shù)>模糊綜合評價>W值法，如圖7所示。

圖7 研究區(qū)東南部地面不均勻沉降及中南部軟土引起道路變形

3.2 建設(shè)用地優(yōu)化利用評價

根據(jù)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價方法確定權(quán)重，并選取加權(quán)綜合指數(shù)模型作為建設(shè)用地優(yōu)化利用評價模型。黃石大冶湖生態(tài)新區(qū)(核心區(qū))以打造山水相間、綠色發(fā)展為主線，故本次評價不考慮Ⅱ、Ⅲ類工業(yè)用地，對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價為“不適宜”直接劃為生態(tài)綠地，對不滿足《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 72—2017)中重型高層建筑、普通民用及(Ⅰ類)工業(yè)建筑建設(shè)用地的，暫劃為其他用地[16]，如圖8所示。

圖8 建設(shè)用地優(yōu)化利用評價圖

大冶湖生態(tài)新區(qū)(核心區(qū))建設(shè)用地地質(zhì)優(yōu)化利用評價結(jié)果顯示，較適宜及以上面積為16.2 km2，從工程建設(shè)地質(zhì)角度上講，區(qū)內(nèi)土地能滿足規(guī)劃用地,并針對各區(qū)域地質(zhì)條件及存在問題提供了真實可靠的結(jié)果，如表5所示。

表5 基于優(yōu)化利用評價的適合規(guī)劃建設(shè)用地分布表

4 結(jié)論

(1)通過野外驗證表明，選取指標(biāo)體系和評價方法合理，在工程選址、設(shè)施規(guī)劃建設(shè)及土地利用優(yōu)化上，應(yīng)重點考慮軟土厚度和洪水淹沒可能性因子對城市建設(shè)和擴(kuò)容后的排水問題。

(2)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境與大冶湖演化變遷關(guān)系密切，受控于20世紀(jì)40—80年代圍湖造田影響較大，北部詹家-林家咀一線地質(zhì)環(huán)境較好符合重型高層建筑用地要求；東側(cè)舒家壢、鼻孔梁，劉浦咀一帶次之；東南部臨湖區(qū)及下湖周-上錯咀一線在工程建設(shè)中應(yīng)重點考慮潛在的軟基沉降、洪水淹沒可能性風(fēng)險。

(3)整體而言，研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境總體良好，符合普通民用及以上建設(shè)用地面積占比達(dá)全區(qū)面積的73%，且成片性較好，滿足近期城市發(fā)展的規(guī)劃用地需求。

在一定程度上彌補(bǔ)以往建設(shè)用地地質(zhì)適宜性評價的不足，突破主觀因素或無法量化導(dǎo)致的權(quán)重應(yīng)用的局限性，通過實例證實并非最復(fù)雜理論即為最優(yōu)方案，然而，僅對大冶生態(tài)新區(qū)(核心區(qū))進(jìn)行了實例分析，在其他尺度和地域有效性有待進(jìn)一步驗證。