基于多种方法的城镇建设地质适宜性分级评价

陈 莹，李国新*，郝 强,2，刘冬勤，沈 军，钱利军，黄孝斌

(1.成都理工大学工程技术学院国土空间应用研究中心，乐山 614000；2.同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092；3.湖北省地质局第一地质大队，大冶 435100)

城市化进程的不断推进应立足本地资源禀赋，体现本地优势和特色为依据[1-3]。湖北省黄石市具有近千年的矿业开采历史，作为典型的资源枯竭型城市，在城市转型和城市化进程不断加快的条件下，所带来的建设用地需求量逐渐增加成为制约其发展的关键因素，如何最大限度实现城市建设与地质环境的优化配置，探寻有效解决实际困境的评价方法显得尤为重要。

近些年来，Delphi和层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)不断改良出现激励与惩罚型变权、专家打分综合评判等变型，并提出了反向传播(back propagation，BP)神经网络法、加权综合指数法、灰度聚类及模糊综合评价等新方法[4-6]，特别是模糊综合评价能有效地消除主观因素导致的结果可靠性降低的问题，其与遥感影像解译和地理信息系统(geographic information system，GIS)技术相结合在建设用地适宜性评价中日趋受到中外学者的关注和重视[3，7-8]。

在众多方法中固然有其各自优缺点，以往的评价中往往要求参评因子全面，选取评价方法合理，而实际应用中地质条件千差万别，没有放之四海皆准的评价方法，如何做到因地制宜实非易事。现以大冶湖生态新区(核心区)为例，提出全新的多方法分级评价，以确保评价结果的真实可靠性，提出可复制方案为地方规划、新型城镇建设、管理和下一步的国土空间规划中的城镇建设适宜性评价提供地学保障和可参照性范例。

1 研究区概况与数据来源

1.1 自然地理概况

大冶湖生态新区(核心区)地处湖北省大冶市东部，南邻大冶湖，东靠长江，位于大冶湖生态新区的西北部，北至大棋路，东至庆洪路，南至大冶湖，西至武(汉)黄(石)城际铁路，总用地面积为22 km2(图1)。为典型的中纬度亚热带大陆性季风气候区，区内气候冬冷夏热、四季分明、雨量充沛。根据大冶市气象站资料显示，年平均气温17.57 ℃，最高气温38.8 ℃，极端最低气温为-10 ℃，当地气温最高月份是七月，平均气温29.2 ℃，气温最低月份为一月，平均气温为4.3 ℃。

图1 黄石大冶湖生态新区(核心区)交通位置图

1.2 主要地质环境问题

大冶湖作为典型的断陷湖，其早期河谷伸入丘陵岗地，受新构造运动沉降影响，江水倒灌河口淤塞，沉降洼地积水成湖，加之20世纪40～80年代围湖造田造成湖泊面积迅速缩小。软土体含水量高，一般在30%～47%；孔隙比在0.88～1.28；液性指数为0.96～1.49，具中高压缩性，且有机物含量较高，地基承载力较低，该土层一般不能作为建筑物地基持力层，研究区主要控制因素特征如图2所示。

图2 研究区软土厚度、地基承载力5 m、基岩埋深和洪水淹没可能性分区图

大冶湖两岸，地势较低，湖岸80%范围为湖垸，防洪要求较高，近年来尽管人工垫高地势，靠近湖区外围扩展水面形成人工湖，供休闲娱乐，但其效果不甚明显。由于80年代至今，人类影响继续加剧湖泊水面面积和容积不同程度的减小，地下水位埋藏较浅，洪水淹没可能性较高[9]，如图3所示为1980年湖区范围，现今研究区位置多位于湖平面以下，详细数据如表1所示。

图3 大冶湖生态新区(核心区)20世纪80年代湖区面积复原图

表1 大冶湖水位、面积、容积变化一览表

1.3 数据来源

采用的主要数据来源于数字高程地图(DEM)、2014年高分二号(GF-2)影像资料、大冶县志、规划资料及本次工作开展及收集的地勘资料，其中共统计了877口钻井，60件岩土试验，15件地下水全分析及240土壤样品数据。

2 研究方法

在地质适宜性评价中，运用的方法繁多，各具优势又存在诸多不足，最主要的矛盾是没有可以套用的范式，在遵循全面性、合理性、主导性、科学性等评价原则的基础上，采用多方法-分段式-后验证的方式，来弥补方法上的不足，确保结果的真实性及方法上的可操作性和可复制性，评价方法示意图如图4所示。

图4 分级评价安全、适宜、优化关系示意图

2.1 地质环境质量评价

2.1.1 构建指标体系

通过野外工作得到的认识，并与当地有关地质专家共同研究，从水文、工程地质两方面选取特殊性土层厚度、地基承载力(5 m)、基岩埋深和洪水淹没可能性共4个评价指标因子作为重要因子，等级划分结果如表2所示。

表2 研究区重要因子及其等级划分

2.1.2 确定权重

(1)层次分析法定权。选定对评价区域地质环境条件熟悉的6名专家以及3名规划部门专家，按表3所示的T.L.Satty 1-9标度，两两比较列出判断矩阵[11-12]，4个评价要素洪水淹没可能、地基承载力、特殊岩土厚度、基岩埋深的权重结果如表3所示。

表3 AHP法专家打分表

对上述得出的综合判断矩阵经DPS计算按AHP法求出权值，经随机一致性检验，最大特征根λmax=4.010 4，平均随机一致性指标RI=0.886 2。检验公式为

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中：CI为一致性指标；n为矩阵阶数；CR为随机一致性比率。

CR=0.003 9<0.10，判断矩阵符合一致性检验，上述权值具有合理性。

(2)激励型变权。AHP法定权尽管可以突出主因，但专家打分时往往主观上过度看中一些因素，而又无法区分各因素之间的内在联系的大小，如同为工程地质条件的特殊性软土厚度与基岩埋深具有一定的正相关性，而在定权时把它们孤立起来显然是不科学的，故在AHP法定权后，对洪水淹没可能(B1v)进行激励型变权，公式为

B1v=B1expβ1/(B1expβ1+B2expβ2+

B3expβ3+B4expβ4)

(3)

式(3)中：β1、β2、β3、β4起调节作用，值越大，对相应要素激励越大,这里取β1=0.8，β2=β3=β4=0.5。最终权重如表4所示。

表4 激励型变权后最终权重

2.1.3 选取数学模型

目前，针对建设用地地质适宜性评价常用的经典评价数学模型有十几种，更有为单一地区进行具有针对性的数学建模。其中较为主流的方法除20世纪50年代的Delphi、70年代的AHP法、80年代的BP神经网络法外，还有在各领域应用较多的评价方法，如水土环境中应用较多的内梅罗指数法，环境评价中推荐的W值法，《城乡规划工程地质勘察规范》(CJJ 57—2012)的多因子加权综合指数法及被认为较为科学的灰度聚类和模糊综合评价等诸多方法[12-15]。

(1)W值综合指数模型。W值法易用于评价因子较少，主要因子突出的评价，并具较为简单和直观的特征，但在应用中由于没有权重和隶属度的应用，往往出现属性差异不大、但质量分级结果却明显不同的缺点，评价结果如图5(a)所示。

(2)加权综合指数评价模型。该方法在工程方面应用较为广泛，不同于W值法把因子等同看待，引入权重的概念可以将评价因子的数量大大扩充，考虑多重因子对结果的影响，但在权重的确定及在因子数量的管控上人为影响较大，并且常因参评因子较多而主控因子不突出，未消除因子相关性及核心问题导致出现偏颇的情况，评价结果如图5(b)所示。

(3)模糊综合评价。模糊综合评价计算较为复杂，目前在理论上认为其是比较科学、合理、贴近实际的量化评价，引入隶属度的概念，通过精确的数字手段处理模糊的评价对象，评价结果如图5(c)所示。

3 研究结果

3.1 地质环境质量评价

3.1.1 评价结果

(1)W值综合指数模型。数学模型为

(4)

式(4)中：S为参与评价因子的总数目；N为与上下标共同表示某类因子的评价结果；n10、n8、n6、n4分别为被评为10、8、6、4分的因子数目。

(2)加权综合指数评价模型。数学模型为

(5)

式(5)中:Ik为地质适宜性指数；Pi为因子性状数据值；Wi为因子权值；z为因子总数。

(3)模糊综合评价。数学模型为

(6)

3.1.2 评价后验证

(1)室内分析。从图6中可以看出，加权综合指数和模糊综合评价得到的基本适宜区和不适宜区一致程度相对较高，集中分布在新桥儿以南、乌泥滩以北，沙包咀西北部及下湖周-大咀头-长咀坜以南地区。仅较适宜区略有差异，在模糊综合评价中舒家坜及其以南地区、戴家垅-大咀头一线、东南部沙包咀以北多为较适宜；从图5(b)中可以看出，舒家坜及其以南地区、戴家垅-大咀头一线为适宜区，而东南部沙包咀以北多为基本适宜区。通过结果比对可以看出，加权综合指数和模糊评价一致程度较高，而W值法相对其他两种方法差异性较大。

图5 W值综合指数模型、加权综合指数模型和模糊综合评价分区图

图6 研究区不同模型评价结果面积百分比图

(2)野外实地验证。在地质环境质量(二级)评价后，为验证评价结果，对研究区进行了评价后验证，发现在东区北部地质适宜性较好，已建的奥林匹克中心未见不良地质现象，地质适宜性较好，符合加权和模糊评价结果，而东南部地区奥林匹克公园、黄石地质馆和大冶特色馆一线局部地区见有地面不均匀沉降引起的建筑物和道路变形，其他地区未见明显地质环境问题，故针对研究区适宜性评价结果加权综合指数>模糊综合评价>W值法，如图7所示。

图7 研究区东南部地面不均匀沉降及中南部软土引起道路变形

3.2 建设用地优化利用评价

根据地质环境质量评价方法确定权重，并选取加权综合指数模型作为建设用地优化利用评价模型。黄石大冶湖生态新区(核心区)以打造山水相间、绿色发展为主线，故本次评价不考虑Ⅱ、Ⅲ类工业用地，对地质环境质量评价为“不适宜”直接划为生态绿地，对不满足《高层建筑岩土工程勘察标准》(JGJ/T 72—2017)中重型高层建筑、普通民用及(Ⅰ类)工业建筑建设用地的，暂划为其他用地[16]，如图8所示。

图8 建设用地优化利用评价图

大冶湖生态新区(核心区)建设用地地质优化利用评价结果显示，较适宜及以上面积为16.2 km2，从工程建设地质角度上讲，区内土地能满足规划用地,并针对各区域地质条件及存在问题提供了真实可靠的结果，如表5所示。

表5 基于优化利用评价的适合规划建设用地分布表

4 结论

(1)通过野外验证表明，选取指标体系和评价方法合理，在工程选址、设施规划建设及土地利用优化上，应重点考虑软土厚度和洪水淹没可能性因子对城市建设和扩容后的排水问题。

(2)研究区地质环境与大冶湖演化变迁关系密切，受控于20世纪40—80年代围湖造田影响较大，北部詹家-林家咀一线地质环境较好符合重型高层建筑用地要求；东侧舒家坜、鼻孔梁，刘浦咀一带次之；东南部临湖区及下湖周-上错咀一线在工程建设中应重点考虑潜在的软基沉降、洪水淹没可能性风险。

(3)整体而言，研究区地质环境总体良好，符合普通民用及以上建设用地面积占比达全区面积的73%，且成片性较好，满足近期城市发展的规划用地需求。

在一定程度上弥补以往建设用地地质适宜性评价的不足，突破主观因素或无法量化导致的权重应用的局限性，通过实例证实并非最复杂理论即为最优方案，然而，仅对大冶生态新区(核心区)进行了实例分析，在其他尺度和地域有效性有待进一步验证。