模糊综合评判法在宁德城市地下空间适宜性评价中的应用

2019-01-10林才秀

福建地质 2018年4期

林才秀

(福建省第四地质大队，宁德，352100)

城市地下空间资源的开发利用，已成为世界城市发展趋势关注问题，并以此作为衡量城市现代化的重要标志[1]。宁德市人口密度及城市容量适中，但由于原城市地面基础设施用地的相对不足或布局欠合理，目前宁德主城区已出现道路资源饱和，交通系统局部出现拥堵，人居环境品质逐渐下降等问题。开展地下空间开发利用适宜性评价，对合理规划、利用城市地下空间资源，挖掘地下空间资源扩充及完善基础性城市功能，同时对已经开发的地下空间利用形式，从后续规划上进行合理约束及规范，对促进城市进行自我更新提升、逐步迈向可持续发展模式意义重大。

地下空间开发利用的适宜性评价是指地质环境质量评价中，选择影响地下空间开发利用的地形(地貌)、水文地质、工程地质、环境地质和周边建筑及既有地下构筑物等条件，展开分析研究，综合判断地下空间开发利用的地质环境条件和施工与防护等工程施工的难易程度，圈定地下空间开发利用适宜性分区的空间分布，为地下空间开发利用布局规划提供地质科学依据。笔者在“宁德城市地质调查”项目研究成果基础上，基于宁德城市地质数据分析评价与三维可视化系统基础上进行各专业数据的分析和综合评价，在二维、三维分析功能的支持下，根据不同专业的应用需求，采取适当分析因子、合理的评价模型，可建立各专业的应用功能[2]；可以更合理判断出影响地下空间开发利用主要因素，其对这些影响因素的定性分析更为可靠、真实。

1 评价模型体系构建

以平原区为例，地下空间开发深度为0～-15 m，施工工艺面状以明挖为主，线状以盾构施工为主。基于城市水文地质、工程地质、环境地质条件下多要素的综合评价，选择地形(地貌)、工程地质、水文地质、环境地质等方面评价因素，依据一定的评判原则，划分为评价总目标层、一级指标、二级指标、三级指标，并逐层逐级赋权重指标，建立评价模型体系(表1)。

表1 地下空间开发利用适宜性评价指标体系

2 评价方法与工具

城市地下空间资源开发利用适宜性评价内涵是一种对属性、准则具有模糊特征数据集的综合评判。研究选择基于MapGis K9定制开发的“福建省城市地质服务系统”和“模糊综合评判方法”数学评价模型。

2.1 模糊综合评判法

模糊综合评判法是在模糊的环境中,考虑到影响事物的多种因素,基于某种目的对该事物做出的综合判断和决策,是一种以模糊数学推理为主的定性与定量相结合、精确与非精确相统一的分析评判方法。该方法通过建立合适的综合评价数学模型将多个评价指标综合成为一个整体的综合评价指标作为综合评价的依据，从而得到相应的评价结果[3]。基于评价单元(即格网)获取各指标评分和权重量化得分。并采用多目标线性加权函数法进行评价，其数学模型公式：

式中：Zj—评价某地下空间单元适宜性综合指判值；P—评价因子数；Wi—某因子权重值；aij—某单元评价因子取值；Zj得分越大，表示地下空间适宜性越好。

综上所述，在对众多的评价因子进行综合时，对各个变量具有权衡轻重作用的数值称为权值(也称为权重)。其反映不同评价因子间重要性程度的差异[4]。

2.2 评价工具

基于MapGis K9定制开发的“福建省城市地质信息服务系统”，主要为城市地质数据管理与维护子系统、城市地质数据分析评价子系统、城市地质数据三维建模子系统和城市地质数据三维展示子系统等4个功能模块。借助该系统的功能开展以下几个方面应用工作。

2.2.1 数据建库

运用“城市地质数据管理与维护子系统”的数据整合、数据检查、钻孔标准化、数据建库等功能。将工程地质、水文地质钻孔相关数据全部录入建库；然后，进行统一钻孔数据空间投影地理坐标系、统一工程地质岩(层)组和钻孔数据标准化等一系列操作，确保一手资料的真实性。

2.2.2 统计分析制图

运用“城市地质数据分析评价子系统”的二维基础数据组织统计、地质数据出图等功能，对标准化后的数据按评价指标依次分类提取、统计，编制相应的单要素点位数据图。采用多元回归分析是研究多个变量之间关系的回归分析方法，按因变量和自变量的数量对应关系可划分为一个因变量对多个自变量的回归分析及多个因变量对多个自变量的回归分析[5]。按回归模型类型可划分为线性回归分析和非线性回归分析[6]。

2.2.3 评价指标量化

评价指标采集是将赋有属性值的单要素点位数据图，运用系统中的地质成图功能分析，将其转换生成赋有单要素指标属性值的指标评价图，如主城区地下水腐蚀性分析分区评价及基础埋深分区评价，根据各个指标评分标准进行打分。地下空间开发利用适宜性评价指标量化标准(表2)。

表2 宁德主城区地下空间适宜性评价指标评分标准

2.2.4 评价计算

借用系统中具有可扩展的模式入手，提供可定义、可扩展的多专业评价模型定义的评价模块功能，选择相应的评价模型和评价方法后，导入已准备好的评价指标图，作为评价指标因子。依次输入各个评价指标因子的权重值和评价等级划分区间值。系统能够自动生成如评价分区图等一类的评价结果。

3 评价指标

3.1 地形(地貌)条件

评价区总体以西部地势较高，东部沿海地势低，形成三面环山的滨海山地型城市。海岸线漫长曲折、港湾众多。依据地貌成因类型、标高与切割深度，可将区内地貌划分为丘陵地貌、冲洪积平原、海积平原等3个地貌区。

3.2 工程地质条件

(1)土体抗剪强度是由滑动面上土的黏聚力和内摩擦角2部分组成，二者大小反映土的抗剪强度。在地下空间开发过程中，黏聚力和内摩擦角通常破坏围岩初始平衡状态，使围岩应力重新改变，形成新的应力状态，直接影响围岩的稳定性。易引起地面沉降问题，地面沉降反过来同时又对地下空间的正常使用造成影响。

(2)土体压缩性是指土在压力作用下土的体积减小。在地下空间开发过程中，由于透水性大的饱和无黏性土，其压缩过程在短时间内结束。黏性土的透水性低，饱和黏性土中的水分排出需要时间较前者长的多，压缩性是随着时间增加而增长的过程。因此在地下空间开发过程中，由于地面建筑地基各点的土质不同和荷载差异，地基沉降过程也不同，长期影响地下工程域内的地面变形。

(3)岩土体组合是指依据某区域内工程地质岩(层)组分布数量，划分为单层、双层和多层等组合，单层地下空间开发的难度相对低，双层和多层考虑到隧道围岩等级(图1)和土层竖向分布不均匀性(图2)(图1中的剖面A-A')，增加地下空间开发施工的难度与边坡失稳的不确定性。

图1 宁德主城区0～-15 m围岩等级分区分布图Fig.1 Distribution map of 0～-15m surrounding rock cassification in the main urban zone of Ningde city 1—围岩类别Ⅱ；2—围岩类别Ⅲ；3—围岩类别Ⅳ；4—围岩类别Ⅴ；5—围岩类别Ⅵ；6—水文地质钻孔；7—工程地质钻孔；8—剖面线

图2 A-A′线工程地质剖面图Fig.2 Engineering geological profile map of line A-A′1—填土；2—淤泥；3—黏土；4—粉砂；5—含卵石粉质黏土；6—卵石；7—粗砂；8—残积黏性土；9—全风化花岗岩；10—强风化花岗岩；11—中风化花岗岩；12—弱风化花岗岩

(4)软土厚度：软土是指天然孔隙比大于或等于1.0，且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。其通常会导致地基产生失稳和不均匀变形，对构筑物的地基要求高。一般来说，软土层越厚，对地下空间的开发越不利。

对于不同的城市，软土厚度的量化标准与土质均匀性类似，其对城市地下空间开发的影响程度不会因城市的不同而不同[7]。

3.3 水文地质条件

(1)含水层厚度：地下水含水层越厚，富水性等级越高。宁德主城区内主要松散岩类含水层岩性主要为砂砾卵石(图3)(图1中的剖面B-B')，其水量随着厚度增大而增加，在基坑开挖和隧道施工中，常因施工中切割含水层，或者地下水的水位受到施工或地表水、河水补给以及因潮汐水位涨跌影响到地下水水位摆动，造成地下水流失而引起基坑或隧道涌水、变形或路面沉陷等灾害事故。

图3 B-B′线水文地质剖面图Fig.3 Hydrogeology profile map of Line B-B′1—填土；2—长乐组淤泥；3—龙海组砂砾卵石；4—粉质黏土、残积黏性土；5—侵入岩类

(2)地下水位埋深：地下水位埋藏浅、水量丰富且与地表水有较强的水力联系，该城市大部分地表建筑物地基和地下建筑物都分布第四纪松散层中，水位埋深一般小于1.5 m。沿溪流地段，含水砂砾层被溪流切割，地下水与地表水有直接水力联系，水量丰富，对浅层地下工程排水带来一定困难，因而松散岩类孔隙水对浅层地下空间开发的影响甚大。

(3)含水层渗透系数：由于含水层透水性不同，在基坑开挖和隧道施工中，常因施工切割含水层，透水性高的土层易发生基坑或隧道涌水，造成基坑失稳，增加施工难度。

3.4 环境地质条件

(1)地质灾害是指不良地质现象，如滑坡、崩塌、泥石流等。评价区内堆积平原区面积约69.30 km2，占总评价面积32.23%，属于地质灾害不易发区，对地下空间开发影响较小；然而，在丘陵地区或山麓一带地下空间开发，容易造成边坡失稳而引发的崩塌、滑坡等地质灾害。

(2)基础埋深是指城市建筑地基基础类型和埋藏深度，一般基础埋藏深度越深，地下空间开发难度越大，包括已开发利用的地下空间范围，一般无改造计划的可视为地下空间资源不可利用；反之，地下空间开发较有利。

(3)周边环境是指城市建设现状。在重点文物保护区、景观保护区、重点建筑群区等范围内，无改造计划的可视为地下空间资源不可利用。

综上所述，由于各个评价指标对地下空间开发过程中的影响程度是一个定性和定量、模糊与精确判断过程，参考其影响程度奉献值从低至高，依次对指标评分取值从0～9分，取值越大对地下空间开发越有利，反之，则对地下空间开发越不利。

4 权重分析及评价等级

(1)以计算适宜性评价指标体系的一级指标权重值为例。根据“层次分析定权法”的判断矩阵标度及其含义(表3)，经专家调查评判，构建“专家—层次分析定权法”的综合判断矩阵(表4)，层次分析平均随机一致性指标值(表5)对所得的综合判断矩阵按层次排序法求权值，先假设有一同阶正则向量A，使得存在XA=λmaxA，解此特征方程所得的向量A经正规化后即为各评价因子的权值，由于客观事物的复杂及对事物认识的片面性，构造的判断矩阵不一定是一致性矩阵(也不强求是一致性矩阵)，但当偏离一致性过大时，会导致一些问题的产生。因此得到λmax后，还需进行一致性和随机性检验。检验公式：

CI=(λmax-n)/(n-1)

CR=CI/RI

式中：CI为随机一致性指标；λmax为最大特征根；n为矩阵阶数；RI为平均随机一致性指标，CR为随机一致性比率，当CR<0.10 时，判断矩阵才具有满意的一致性，所获取值才比较合理。

表3 层次分析定权法的判断矩阵标度及其含义

表4 专家-层次分析定权法的综合判断矩阵

表5 层次分析平均随机一致性指标值

采用方根法解特征方程：XA=λmaxA。

求得权重W{0.06，0.52，0.28，0.14 }，λmax=4.14，CI=0.05，CR=0.05，通过一致性校验。

综上所述，在递阶层次结构下，根据所规定的相对标度，依靠决策的判断，分别构建二级指标和三级指标的综合判断矩阵，采用“层次分析定权法”最终得出各项评价指标权重。

图4 宁德主城区0～-15 m浅层地下空间开发利用适宜性评价分区图Fig.4 Partition map of suitability evaluation for exploitation and utilization of 0--15m shallow underground space

(2)对各个评价指标评价分值进行区属性赋值，利用 MapGis K9的评价模型功能，输入已确定的各个指标权重值，根据地下空间资源开发利用适宜性评价模型计算综合评判值，然后依据评价单元指标综合评判值编制综合评价等级分区图。根据评价模型计算结果，选择模糊子集计算公式，厘定评价等级分区阈值：0～5.0为适宜性差，5.1～7.0适宜性较差，7.1～8.5适宜性较好，8.5～10适宜性好。

5 评价成果

宁德主城区地下空间评价区总面积约215 km2，0～-15 m浅层次地下空间适宜性评价成果图(图4)

福建省第四地质大队，宁德主城区地下空间开发利用适宜性评价报告，2017。

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Ⅰ区：适宜性好，主要分布在镜台山、寨顶、雷东岩等地的丘陵台地地貌，以及城南镇一带山前冲洪积平原地貌等地区，面积约为39.25 km2，占总面积的19.17%。围岩等级为Ⅱ～Ⅲ类，地下水具微腐蚀性，对明挖施工常用的边坡支护方法有自然放坡、喷锚、桩锚等。

Ⅱ区：适宜性较好，主要分布在七都、六都以及漳湾和金涵乡等的冲洪积平原和山前海积平原地段，以及贵岐—车里湾一带围垦区内，面积约61.75 km2，占总面积30.16%。第四系土层厚度一般为10.0 m，局部为10～15.0 m；围岩等级Ⅳ～Ⅵ类，以碎石土和老的黏土为主，富水性中等-贫乏，地下水具微-中等腐蚀性。对于明挖基坑，根据周边地区建筑施工的经验，边坡支护方法采用土钉墙、水泥土挡墙、排桩式挡墙等，或其结合喷混凝土支护等；地下水排放主要采用集水明排法，或结合井点降水法，防止侧壁坍塌、出现管涌现象。

Ⅲ区：适宜性较差，主要分布在鸟屿、官沪、横屿等区域，面积约24.50 km2，占总面积11.97%。在海积平原及围垦地区，围岩等级为Ⅵ类，以淤泥和淤泥质土为主，软土层厚度为5～10.0 m，局部可达15.0 m；富水性贫乏，地下水具强腐蚀性，工程地质条件较差；对于明挖的施工，根据地区建筑施工经验，边坡支护多采用钢板桩加内支撑支护，或采用结合放坡喷混凝土支护等措施，地下水采用集水明排法，要注意软土塌陷、渗漏、流泥、流砂等工程问题。

Ⅳ区：适宜性差，分布在三屿、七都溪入海口航道、西陂塘、东湖塘、下凡—大门山—贵岐一带地表水域、深基础建筑群区以及滨海地区，面积约79.25 km2，总面积38.71%。该区域工程地质条件差，在建筑群区，大部分高层建筑物基础埋深大于15 m，地下空间已无法再建；在滨海淤泥地段，围岩等级为Ⅵ类，以淤泥和淤泥质土为主，软土厚度大于15.0 m，局部达25.0 m，容易发生地表坍塌、施工机械陷落等事故，水质具强腐蚀性，基岩埋深较深，稳定性差，工程造价昂贵。