保山市隆陽區(qū)城市綜合管廊工程建設(shè)適宜性評價

李洪偉，徐世光，劉金宇，姚一鳴

（1.云南地礦工程勘察集團公司，昆明 650041；2.云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局（云南省地質(zhì)礦產(chǎn)局），昆明 650011；3.昆明理工大學國土資源工程學院，昆明 650093）

1 引言

城市是人們生產(chǎn)生活和社會經(jīng)濟發(fā)展的重要載體，也是現(xiàn)代文明發(fā)展的象征[1]。與城市的地表工程建設(shè)受到的關(guān)注程度相對比，城市地下空間資源的社會價值、經(jīng)濟價值、生態(tài)價值等方面還沒有受到人們的充分重視。作為地上空間的延伸，地下空間雖然是城市開發(fā)的新方向，但是迄今為止，針對城市綜合管廊工程建設(shè)沒有形成完整的評價系統(tǒng)，大多是盲目開發(fā)和碎片式開發(fā)，往往導(dǎo)致地下空間資源的浪費和地下建筑的破壞。因此，通過科學的方法開展城市地質(zhì)環(huán)境特征研究，建立統(tǒng)一化、標準化、規(guī)范化的評價體系，對城市綜合管廊工程建設(shè)的適宜性進行相應(yīng)的分析，提供科學合理的決策和實踐指導(dǎo)，對于解決城市可持續(xù)發(fā)展問題是非常有意義的。

國外關(guān)于城市地下空間的研究始于20 世紀初[2]。直到80年代，城市地下空間的理論水平才提升到新的高度與水平。Jaakko[3]以基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境條件為主，提出了地下空間利用深度的概念。Daniel J.Boivin[4]綜合考慮了地面坡度、基巖性質(zhì)和沉積物厚度等因素建立了相對完善的地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫。Ronka[5]等提出了參照巖體的物理力學性質(zhì)對巖石區(qū)建設(shè)難度，劃分了該區(qū)域的城市地下空間開發(fā)適宜性等級。De Rienzo F[6]等人利用GIS 技術(shù)，建立了三維地質(zhì)體模型，更加直觀地展示了都靈的地下三維結(jié)構(gòu)。James[7]等人通過二維水文地質(zhì)數(shù)據(jù)和三維工程地質(zhì)模型的擬合，探討了英國倫敦Earls Court 的地下空間適宜性問題，為城市地下空間總體規(guī)劃提供了依據(jù)。

與國外相比，我國城市地下空間研究工作開展較晚。祝文君[8]以北京市舊城區(qū)為例，運用了層次分析法理論，建立了首個地下空間分層調(diào)查與評價模型。姜云[9]等人將定量定性評價相結(jié)合，建立綜合評價體系，用以評估城市地下空間的容量。歐剛[10]以南寧市地下空間的開發(fā)和利用現(xiàn)狀為切入點，基于模糊綜合評判理論，對南寧市地下空間利用與開發(fā)的適宜性進行了評價。梁曉輝[11]采用AHP-Fuzzy 方法建立了地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價模型，結(jié)合GIS 平臺，對調(diào)查區(qū)的地下空間適宜性進行了綜合評價與分析，并提供了相對合理的基礎(chǔ)地質(zhì)建議。程子騰[12]運用灰色馬爾可夫預(yù)測法結(jié)合層次分析法，對荊州市地下開發(fā)利用的適宜性進行了綜合評價且提出了相應(yīng)的規(guī)劃建議及思路。岳志輝[13]采用灰色綜合評價模型，從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖土體、地理位置和不良地質(zhì)5 個方面，對地下空間開發(fā)的適宜性進行宏觀分析并得到地下空間適宜性分區(qū)結(jié)果。徐斌[14]提出了變權(quán)理論，對淡水透鏡體和軟土問題進行了針對性研究。通過變權(quán)前后對比分析及優(yōu)化，得出了科學合理的地下空間適宜性評價結(jié)果。郭震[15]結(jié)合自然地理、經(jīng)濟、技術(shù)、環(huán)境、社會、交通建設(shè)6 個方面，選取土質(zhì)均勻性、地基承載力、地下水等38 個指標作為因子，基于指標因子屬性信息熵組合的粗糙集理論，構(gòu)建了一套可直接運用于綜合管廊工程的適宜性評價指標體系。章夢霞[16]以濟南市為例結(jié)合地質(zhì)數(shù)據(jù)建立三維地質(zhì)模型和各指標二維矢量數(shù)據(jù)圖，采用二維、三維耦合分析將該研究區(qū)地下空間開發(fā)適宜性進行分區(qū)。近年來，我國學者提出了較為新穎的變權(quán)理論、信息熵理論及加權(quán)函數(shù)理論等數(shù)學方法，由此得出的地下空間適宜性評價結(jié)果將更加合理及準確。

根據(jù)城市地下空間工程建設(shè)的形式差異，綜合考慮了地形地貌條件、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、人類工程活動、不良地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害、活動斷裂及地震效應(yīng)7 個方面，建立了一套用于評價城市地下空間建設(shè)的適宜性評價指標體系。隨后，選取保山市隆陽區(qū)城市規(guī)劃區(qū)作為研究區(qū)，基于ArcMap 二維分析功能以及MapGIS 10.3、EVS 三維地質(zhì)建模功能，直觀展示該研究區(qū)的地質(zhì)狀況，分析研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件及主要地質(zhì)問題，得出對研究區(qū)地下空間建設(shè)影響較大的主要指標因子。最后，采用層次分析法結(jié)合專家打分法進行權(quán)重計算，突出主要指標因子，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入EVS 數(shù)值建模模塊，建立城市地下空間建設(shè)適宜性分區(qū)三維模型，并結(jié)合三維模型進行相關(guān)的評價分析。

2 城市綜合管廊工程適宜性評價指標體系構(gòu)建

以評價城市地下空間建設(shè)的適宜性為目的，運用層次分析法確定評價指標體系的結(jié)構(gòu)模型。引入灰色關(guān)聯(lián)度理論，形成灰色層次分析法，用以評價城市綜合管廊工程建設(shè)的適宜性。具體步驟如下：構(gòu)建層次分析模型→評價指標標準化處理→確定指標權(quán)重→建立二級指標評價矩陣→建立灰色關(guān)聯(lián)度評價矩陣→確定一級指標評價向量→確定綜合評價結(jié)果。

2.1 構(gòu)建層次分析模型

依據(jù)目標層、準則層和指標層可構(gòu)建完整的層次分析模型。

目標層是指最終目標，應(yīng)用于本次研究即為城市綜合管廊工程建設(shè)適宜性評價。

準則層是指為解決目標層的中間環(huán)節(jié)而提出的特定方案，應(yīng)用于本次研究則為地形地貌條件、工程地質(zhì)條件等8 個一級評價因子。

指標層是指為解決某一特定方案所采用的各種具體解決方案，應(yīng)用于本次研究則為地貌類型、巖土體類型、地基承載力等30 個二級評價因子。

2.2 評價指標標準化處理

由于層次評價模型中存在大量不同性質(zhì)、不同計量單位的評價因子，故將綜合評價計算量化處理成[0，1]的數(shù)值。理論上，適合城市地下空間工程建設(shè)的區(qū)域，則其歸一化值更接近1；不適合城市地下空間建設(shè)的區(qū)域，則其歸一化值更接近0。因此，將本次評價結(jié)果歸一化賦值：不適宜賦值0～0.25、較不適宜賦值0.25～0.5、較適宜賦值0.5～0.75、適宜賦值0.75～1，具體賦值分級見表1。

表1 評價結(jié)果分級標準一覽表

2.3 確定指標權(quán)重

權(quán)重值是基于評價對象評價因子重要性的分配賦值，通常受評價因素本身的重要性、評價者的主觀意見和決策者的評價思維的影響。故本次研究采用層次分析法確定評價指標的權(quán)重值。

2.3.1 構(gòu)造判斷矩陣

對同一層級的評價因子兩兩進行比較判斷，構(gòu)成指標判斷矩陣A=[aij]，其中i，j∈（1,2，…，n），n 為指標因子評價層對應(yīng)的指標數(shù)量。

式中，aij為指標i 相對于指標j 的重要性，并且規(guī)定aij＞0；aij=1/aji(i≠j)；aii=1。

2.3.2 一致性檢驗及權(quán)重的計算

用和積法對判斷矩陣的每一列進行歸一化，得到矩陣A。

將矩陣A 每一行相加，得到矩陣C：

將得到的矩陣C 再進行歸一化處理，得到各指標的權(quán)重向量矩陣C：

式中，Ci為第i 個指標的權(quán)重向量矩陣。

計算判斷矩陣A 的最大特征根λmax：

式中，wi為各指標的權(quán)重。

一致性檢驗指標CI：

需要找出對應(yīng)于m 的平均一致性指標RI，矩陣階數(shù)越大，就會越容易出現(xiàn)一致性偏離。

從而得到一致性比例CR：

對于一階、二階矩陣RI 為0 時，不需檢驗；當階數(shù)大于3時，如果CR＜0.1，需要將判斷矩陣重新調(diào)整直到判斷矩陣通過一致性檢驗。

2.4 建立二級指標評價矩陣

按照劃分的評價等級對標準化后二級評價因子進行評價。假設(shè)共有m 個二級指標集，每個二級指標集有n 個評價指標，其中i=1，2，…，m；j=1，2，…，n，從而可以構(gòu)建二級指標評價矩陣D。

2.5 建立灰色關(guān)聯(lián)度評價矩陣

當評價因子趨于1 時，灰色關(guān)聯(lián)理論的評價結(jié)果精度和質(zhì)量都會較高，故可將參考指標設(shè)置為d0=(d01，d02，d03，…，d0m)=（1，1，1，…，1）。

當二級評價指標dij越接近參考指標集d0，評價結(jié)果越好。公式（9）可用于計算dij和d0之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

其中，P 為分辨系數(shù)，用于減小最小二極差過大引起的數(shù)值失真，一般取[0，1]之間的值。為了使評價結(jié)果的差異更加明顯，P 取0.2。則二級指標各點的灰色關(guān)聯(lián)度為：

其中，rij=r（dij，d0）j，則相應(yīng)的二級指標灰色關(guān)聯(lián)度評價矩陣為：

2.6 確定一級指標評價向量

二級指標權(quán)重向量與二級灰色關(guān)聯(lián)度評價矩陣相乘可得到一級指標灰色關(guān)聯(lián)度評價矩陣，再將一級指標權(quán)重向量與一級指標灰色關(guān)聯(lián)度評價矩陣相乘得到一級指標評價向量。

一級指標灰色關(guān)聯(lián)度評價矩陣為：

一級指標評價向量為：

2.7 確定綜合評價結(jié)果

為便于得出最終評價結(jié)果，將一級指標評價向量做歸一化處理，即：

3 應(yīng)用案例

3.1 研究區(qū)范圍

保山市隆陽區(qū)位于云南省西部，橫斷山脈南段，位于東經(jīng)98°43′～99°26′，北緯24°46′～25°38′。東南鄰近保山市昌寧縣和大理白族自治州永平縣，南接保山市龍陵、施甸兩縣，西與保山市騰沖市相連，北與怒傈僳族自治江州瀘水市、大理白族自治州云龍縣交界。呈南北向近似長橢圓形，長31 km，寬7 至10 km 不等，面積約245 km2，平均海拔約1 600 m，地勢整體西北高東南低。主要河流有東河、西大溝河和西溝河（見圖1）。

圖1 研究區(qū)位置圖

3.2 工程地質(zhì)條件

3.2.1 地形地貌

保山市隆陽區(qū)境內(nèi)山脈起伏盤錯，最高海拔3 655.9 m，最低海拔648 m。研究區(qū)位于保山盆地中部，根據(jù)研究區(qū)范圍、地貌、巖土、高程及成因特征，得出研究區(qū)域內(nèi)共有6 個地貌單元：中山陡坡型，峰從洼地型，溶蝕殘丘型，湖積平原，蝕余臺地，洪積扇裙。

3.2.2 地層與構(gòu)造

隆陽區(qū)內(nèi)地層出露比較齊全，寒武系至第四系地層均有出露，保山盆地周邊出露寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系和三疊系等地層。在研究區(qū)域內(nèi)，由于區(qū)域變質(zhì)作用、巖漿活動等，北東向、北北東向、近南北向的同向斷裂均較為發(fā)育。影響研究區(qū)地下空間建設(shè)的主要斷裂有搬家寨斷裂（F1）、巖箐斷裂（F2）、李家寺組斷裂（F3）、中嶺崗斷裂（F4）及臥佛寺斷裂（F5）。

3.2.3 特殊土特性

1）軟土特性

研究區(qū)內(nèi)軟土厚度0.8～11.1 m，均值3.51 m，主要集中在1.83～3.89 m 范圍內(nèi)。主要分布在研究區(qū)北部的保山第十中學及青華海周邊；局部分布于老城區(qū)保山學院、保山客運站及保山糧食局附近，西南部白馬廟一帶，東南部工貿(mào)園區(qū)部分地區(qū)。

2）膨脹土特性

研究區(qū)膨脹土局部膨脹裂隙十分發(fā)育，呈鱗片狀分化，旱季地裂發(fā)育。膨脹土厚度0.5～25.1 m，均值7.34 m，主要集中在2.96～12.80 m 范圍內(nèi)。主要分布在研究區(qū)東部工貿(mào)園區(qū)及青陽片區(qū)；局部分布于老城區(qū)學府路東段及梨花路周邊區(qū)域。

3）紅黏土特性

研究區(qū)地基土局部形成大面積的紅黏土，厚度1.1～25.1 m，均值6.64 m，主要集中在3.5～10.7 m 范圍內(nèi)。主要分布在研究區(qū)東部工貿(mào)園區(qū)及青陽片區(qū)；局部分布于老城區(qū)學府路東段、第三人民醫(yī)院及梨花路周邊區(qū)域，北部馬家莊一帶。

3.2.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)的區(qū)域水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，地下水及含水層的特性不僅受到斷裂構(gòu)造、地層巖性和巖相的影響，還受到地形、地貌、氣象等諸多因素的制約。其中，斷裂構(gòu)造起主導(dǎo)作用，區(qū)內(nèi)主要斷裂構(gòu)造直接控制著不同含水層的分布，二級斷裂構(gòu)造則制約或影響著地下水的富集和運移。

3.2.5 不良地質(zhì)作用

研究區(qū)不良地質(zhì)作用主要有填土：雜填土、素填土及人工填土。填土厚度在0.4～24.2 m 范圍，平均厚度2.73 m。根據(jù)其平面分布特征，可看出在東部大部分區(qū)域及西北部部分區(qū)域填土厚度較大，中部區(qū)域則因湖積相、洪積相的存在，其填土厚度較薄。

3.3 適宜性建模及分區(qū)步驟分析

基于EVS 軟件對研究區(qū)綜合管廊工程建設(shè)進行適宜性分區(qū)綜合評價。其數(shù)值建模步驟：

1）首先對原始項目評價因子歸一化賦值得到的數(shù)據(jù)進行分析、整理和合并，并將項目坐標、高程、歸一化賦值得分及評價深度等數(shù)據(jù)錄入Excel 文檔中。

2）在EVS 中，AIDV 用于統(tǒng)計所有在高程范圍內(nèi)的數(shù)值數(shù)據(jù)。將制作完成的Excel 文檔導(dǎo)入EVS 軟件，并對數(shù)據(jù)進行劃分處理，得到AIDV 形式的數(shù)據(jù)文件。

3）將賦予空間數(shù)據(jù)屬性的AIDV 文件置入EVS 建模模塊，生成三維數(shù)值模型。再根據(jù)量化賦值的等級，對數(shù)據(jù)進行篩選分級，賦予不同的屬性后，即可得到研究區(qū)綜合管廊工程建設(shè)適宜性的EVS 三維空間數(shù)值模型。

3.4 城市綜合管廊工程適宜性分區(qū)與分析

3.4.1 城市綜合管廊工程適宜性分區(qū)

依據(jù)灰色綜合評價處理及自然斷點法分類后的綜合管廊工程適宜性三維空間分區(qū)模型見圖2。

圖2 綜合管廊工程適宜性分區(qū)模型

3.4.2 城市綜合管廊工程適宜性分析

1）適宜區(qū)

適宜區(qū)占綜合管廊工程建設(shè)區(qū)的37.19%，主要分布于西部保山第三人民醫(yī)院、太保公園一帶；中北部青華海附近；東部青陽片區(qū)及工藝園區(qū)周邊。

該區(qū)自然高程相對高，整體地勢相對平坦，地層結(jié)構(gòu)單一。地下水腐蝕性弱，地下水位埋深較深，含水層累計厚度小、頂板埋深深、富水性差。且填土埋深淺，現(xiàn)有地下建筑少，施工技術(shù)相對簡單，受軟土震陷及砂土液化影響也相對小。綜合考慮該區(qū)適宜進行城市綜合管廊工程建設(shè)。

2）較適宜區(qū)

較適宜區(qū)占綜合管廊工程建設(shè)區(qū)的17.34%，主要分布在研究區(qū)西部老城區(qū)西側(cè)永昌街道一帶；研究區(qū)中北部青華海外圍區(qū)域；東部青陽鎮(zhèn)與工業(yè)園區(qū)之間。

該區(qū)自然高程相對較高，整體地勢相對較平坦，巖土體性質(zhì)較好，管廊抗滑移、抗傾覆、抗隆起穩(wěn)定性較好。地下水腐蝕性較弱，含水層累計厚度較小、頂板埋深較深、富水性較差。受活動斷裂影響較小，軟土震陷及砂土液化影響也相對小。綜合考慮該區(qū)較適宜進行城市綜合管廊工程建設(shè)。

3）較不適宜區(qū)

較不適宜區(qū)占綜合管廊工程建設(shè)區(qū)的17.41%，主要分布于研究區(qū)北部南壩區(qū)域、老城區(qū)中部杭瑞高速左側(cè)及老城區(qū)北部海棠路周邊；其余零星分布于岱官屯、化美村等地區(qū)。

該區(qū)自然高程相對較低，巖土體類型較復(fù)雜，均勻性也較差。地下水具腐蝕性，區(qū)域內(nèi)整體地下水位較淺，含水層累計厚度較厚、富水性好，含水層問題較為突出。同時填土性質(zhì)較差，存在潛在巖溶塌陷問題。現(xiàn)有地下建筑較集中，施工難度大，部分區(qū)域受活動斷裂影響。綜合考慮該區(qū)較不適宜進行城市綜合管廊工程建設(shè)。

4）不適宜區(qū)

不適宜區(qū)占綜合管廊工程建設(shè)區(qū)的28.06%，主要分布在研究區(qū)中部武家屯、沈家屯、永鑄村、漢莊鎮(zhèn)區(qū)域；西南部白馬廟一帶；老城區(qū)中部保岫西路與九龍路交叉口一帶；北部惠通路與白塔路之間區(qū)域。其余零星分布的不適宜區(qū)為文物與古建筑保護區(qū)。

該區(qū)自然高程低，巖土體類型復(fù)雜，均勻性差，地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。地下水位埋深淺，地下水腐蝕性強，含水層累計厚度大、頂板埋深淺、富水性強，主要問題是含水層問題。漢莊鎮(zhèn)及白馬廟一帶存在潛在巖溶塌陷問題且受活動斷裂影響大。綜合考慮該區(qū)不適宜進行城市綜合管廊工程建設(shè)。

4 結(jié)論

本文運用灰色層次分析法理論等構(gòu)建出城市綜合管廊工程建設(shè)的適宜性評價指標體系。再根據(jù)其評價指標體系，選取了保山市隆陽區(qū)城市規(guī)劃區(qū)為本次研究的典型區(qū)，建立研究區(qū)城市綜合管廊工程建設(shè)適宜性三維模型，進行研究區(qū)城市綜合管廊工程適宜性綜合評價，對于城市綜合管廊工程建設(shè)的合理規(guī)劃與可持續(xù)發(fā)展提出了科學合理的地學建議。主要研究成果如下：

1）建立城市綜合管廊工程建設(shè)適宜性體系，分別從地形地貌條件、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、人類工程活動、地質(zhì)災(zāi)害、不良地質(zhì)作用、活動斷裂及地震效應(yīng)及敏感因子八個方面選取評價因子，。并對保山市隆陽區(qū)進行了城市綜合管廊工程建設(shè)適宜性評價，結(jié)果與實際情況一致，評價因子選取也較為合理。

2）通過對保山市隆陽區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)環(huán)境條件資料、海量的鉆孔數(shù)據(jù)及試驗成果的分析研究，探討了不同評價因子對研究區(qū)城市綜合管廊工程建設(shè)的影響程度，影響程度從大到小依次為：水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、人類工程活動、活動斷裂及地震效應(yīng)、地質(zhì)災(zāi)害、不良地質(zhì)作用、地形地貌。

3）基于EVS 軟件建立研究區(qū)綜合管廊工程建設(shè)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價分區(qū)模型，三維空間模型清晰地展示了研究區(qū)適宜性評價結(jié)果，將評價結(jié)果劃分為4 個等級（適宜區(qū)、較適宜區(qū)、較不適宜區(qū)、不適宜區(qū)），并分析各評價等級的區(qū)域特征，給出相應(yīng)的城市綜合管廊建設(shè)建議。