基于層次分析法的城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)

基于層次分析法的城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)

城市地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)是一個(gè)綜合性的巖石工程問(wèn)題。適應(yīng)性評(píng)價(jià)包括區(qū)域地質(zhì)、地形、土壤條件等標(biāo)準(zhǔn)。每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)包含許多指標(biāo)元素，包括確定的指標(biāo)元素（如巖石超載），以及不確定的指標(biāo)元素（如砂土粉）的影響。城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)與傳統(tǒng)的城市地質(zhì)環(huán)境方式有所區(qū)別,由于其中包含的影響因素更多,評(píng)價(jià)難度更大,因而如何更加科學(xué)、客觀、真實(shí)地評(píng)價(jià)地下空間開(kāi)發(fā)區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境適宜程度是一個(gè)十分有意義的課題。本文首先篩選地質(zhì)環(huán)境的影響指標(biāo)體系,在采用層次分析法確定各指標(biāo)因素權(quán)重的基礎(chǔ)之上,運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法,綜合考慮各確定性和非確定性因素,從而獲得一個(gè)定量的綜合評(píng)判結(jié)果,用以評(píng)價(jià)南寧市各區(qū)域地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜程度。1地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析1.1城市工程地質(zhì)建設(shè)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)因素選取城市地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)是一個(gè)多層次、多因素的復(fù)雜系統(tǒng),影響和控制地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量?jī)?yōu)劣的因素很多,在選取中,結(jié)合南寧市城市工程地質(zhì)特點(diǎn)按分級(jí)、分序、抓主、淡次的原則,將其地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量因素劃分為主次級(jí),如表1所示。1.2評(píng)價(jià)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)價(jià)值由于各次一級(jí)因素的提取和奉獻(xiàn)度大小是一個(gè)模糊概念和模糊判斷過(guò)程,為便于分析必須先建立各次一級(jí)因素?cái)?shù)值化準(zhǔn)則及對(duì)應(yīng)取值,如表2所示。2建立評(píng)價(jià)模型，確定指標(biāo)要素的權(quán)重值2.1評(píng)價(jià)模型的建立采用層次分析法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的最低層,即各個(gè)指標(biāo)因素相對(duì)于最高層的相對(duì)重要性總排序權(quán)重,該權(quán)值計(jì)算的分析模型如圖1所示。2.2因素矩陣構(gòu)造根據(jù)圖1所建立的層次結(jié)構(gòu)模型[8,9,10,11,12,13,14],將同一層的因素與上一層中某個(gè)因素兩兩成對(duì)比較,采用l～9及其倒數(shù)標(biāo)度其重要性,構(gòu)造出判斷矩陣,如表3～8所示。2.3層次單排序檢驗(yàn)運(yùn)用方根法確定同一層次各因素相對(duì)于上一層次某元素相對(duì)重要性的排序權(quán)重WB、WC,同時(shí)求出最大特征根λmax,這一過(guò)程稱(chēng)為“層次單排序”。為使構(gòu)造的判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性,還需進(jìn)行一致性檢驗(yàn),即當(dāng)隨機(jī)一致性比率CR滿(mǎn)足:CR=CI/RI<0.1時(shí),稱(chēng)層次單排序結(jié)果具有滿(mǎn)意的一致性,其中RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),為一致性指標(biāo),由CI=(λmax-n)/(n-1)確定(n是判斷矩陣的階數(shù))。由表3～8可以看出,各層次單排序權(quán)重及所構(gòu)造的各判斷矩陣均具有滿(mǎn)意的一致性。2.4層次總排序一致性檢驗(yàn)在計(jì)算出某一層次相對(duì)于上一層次某一元素的單排序權(quán)重后,再將上一層次該元素本身的權(quán)重加權(quán)綜合,即可計(jì)算得到處于評(píng)價(jià)指標(biāo)體系指標(biāo)層的各指標(biāo)因素相對(duì)于最高層的相對(duì)重要性權(quán)重,即指標(biāo)因素總權(quán)重,這一過(guò)程稱(chēng)為“層次總排序”。為保證其可信度,層次總排序也應(yīng)進(jìn)行一致性檢驗(yàn),當(dāng)層次總排序隨機(jī)一致性比率CR滿(mǎn)足:CR=∑K=15WBK?CIK∑K=15WBK?RIK<0.1時(shí),稱(chēng)層次總排序結(jié)果具有滿(mǎn)意的一致性,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。指標(biāo)因素總權(quán)重的大小表明該因素對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)的影響程度。由表9得到W=(0.0519,0.2595,0.0169,0.0090,0.0478,0.0906,0.0906,0.0906,0.0705,0.0141,0.0705,0.0705,0.0360,0.0509,0.0606,0.0606),由此可見(jiàn):B1(地質(zhì)結(jié)構(gòu))對(duì)目標(biāo)(最佳適宜區(qū))評(píng)價(jià)的影響最為顯著,C4(地形坡度)對(duì)目標(biāo)評(píng)價(jià)的影響程度最低。3貴陽(yáng)地下空間開(kāi)發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適應(yīng)性模糊性綜合評(píng)價(jià)3.1評(píng)價(jià)因素集的建立模糊綜合評(píng)判法是對(duì)受多種因素影響的事物做出全面評(píng)判的一種十分有效的方法。為對(duì)南寧市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性做出評(píng)價(jià),首先應(yīng)建立相應(yīng)的評(píng)判因素集,為此將圖1中地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的16個(gè)指標(biāo)因素作為地質(zhì)環(huán)境適宜性的評(píng)判因素集,即U={C1,C2,C3,…,C16}。3.2單因素法v令地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)集為上的連續(xù)區(qū)間,城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性Ⅰ級(jí)(0.75≤Bj<1);Ⅱ級(jí)(0.5≤Bj<0.75);Ⅲ級(jí)(0.25≤Bj<0.5);Ⅳ級(jí)(0≤Bj<0.25)分別是最適宜、適宜、次適宜及不適宜4個(gè)等級(jí)。對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)集中的各指標(biāo)分別作出單因素評(píng)判,由此得到對(duì)應(yīng)因素在V上的隸屬度αi:0≤αi≤1(i=1,2,…,12)。αi的大小表明該因素對(duì)“城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性?xún)?yōu)劣程度”這一模糊概念的符合程度,并規(guī)定某個(gè)因素的隸屬度αi越大,表明該項(xiàng)因素越接近最佳適宜區(qū)的目標(biāo),反之則越背離最佳適宜區(qū)的目標(biāo)。3.2.1各單項(xiàng)隸屬度計(jì)算數(shù)學(xué)模型是建立隸屬度函數(shù)的基礎(chǔ),反映各單項(xiàng)因素隸屬城市地下空間地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)的關(guān)鍵,U中的C4、C6、C7、C8、C9、C10、C11為確定性因素,對(duì)各單項(xiàng)指標(biāo)歸類(lèi)分序,根據(jù)各因素的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特征,采用右(降)半梯形隸屬函數(shù)式(1)、左(升)半梯形隸屬函數(shù)式(2)及三角形分布隸屬函數(shù)式(3)共3種數(shù)學(xué)模型函數(shù)確定這些因素的隸屬度。αi(x)=?????1?0≤x<a;b?xb?a,a≤x≤b;0,x>b。(1)αi(x)=?????0?0≤a;x?ab?a,a<x≤b;1,x≤b。(2)αi(x)=???????0?0≤x或x≥c;x?ab?a,a<x<b;c?xc?a,b≤x<c。(3)3.2.2專(zhuān)家評(píng)分法。在百分制的基礎(chǔ)上確定各U中的C1、C2、C3、C5、C12、C13、C14、C15、C16為非確定性因素。由于這些因素受個(gè)人主觀判斷的影響頗大,取值是離散的,因此采用專(zhuān)家評(píng)分法按照百分制給出評(píng)分,然后采用式(4)計(jì)算得到該因素的隸屬度αi=di+(N?2)pi+gi100N。(4)式中:αi—某非確定性因素Ci的隸屬度;pi—N位專(zhuān)家對(duì)Ci評(píng)分的平均值;di—對(duì)Ci的評(píng)分中低于pi的所有評(píng)分的平均值;gi—對(duì)Ci的評(píng)分中高于pi的所有評(píng)分的平均值。3.3地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)模型南寧市城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性模糊綜合評(píng)價(jià)所選用“多因素綜合評(píng)價(jià)”是通過(guò)AHP法進(jìn)行的,其概念模型最終是反映次一級(jí)因素對(duì)地質(zhì)環(huán)境適宜性的控制程度。因此模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算所用的模糊矩陣直接由16個(gè)次一級(jí)因素的4個(gè)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)級(jí)隸屬度值按行排列,形成一個(gè)16×4階矩陣,其矩陣形式為其中:n=16;Rj為地質(zhì)環(huán)境第j級(jí)適宜區(qū)(j=1,2,3,4)的模糊判斷向量,由該級(jí)地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)中所有因素的隸屬度構(gòu)成,Rj=(α1j,α2j,α3j…αnj)T;αij為第i個(gè)此一級(jí)影響因子對(duì)第j級(jí)地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)的控制度。3.4地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果為了讓各影響因子對(duì)地質(zhì)環(huán)境適宜性影響程度均能反映出來(lái),必須綜合考慮評(píng)價(jià)因素集中各因素的權(quán)重和隸屬度,采用普通的矩陣乘法作出地質(zhì)環(huán)境適宜性等級(jí)的模糊綜合評(píng)判B=WR=(B1,B2,…,Bj)。(6)其中,Bj(j=1,2,3,4)對(duì)應(yīng)待評(píng)價(jià)的地質(zhì)單元適宜性的模糊綜合評(píng)判結(jié)果。模糊綜合評(píng)判Bj也應(yīng)是評(píng)價(jià)集V上的一個(gè)模糊子集,根據(jù)3.2節(jié)建立的地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)集,計(jì)算結(jié)果取Bj中極大值所在區(qū)為該評(píng)價(jià)單元地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級(jí)別區(qū)。3.5評(píng)價(jià)指標(biāo)體系確定及量化在進(jìn)行南寧市城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)之前,進(jìn)行工程地質(zhì)分區(qū)是十分有必要的,因?yàn)檫@是適宜性評(píng)價(jià)區(qū)劃的基礎(chǔ)。其地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)圖繪制的具體操作步驟如下:1)將研究區(qū)坐標(biāo)化和網(wǎng)格化。本次評(píng)價(jià)范圍以1∶10萬(wàn)工程地質(zhì)圖為底圖,基本方法是先將南寧市區(qū)研究區(qū)坐標(biāo)化,再將其研究區(qū)域面積約200km2劃分為200塊1000m×1000m的正方形網(wǎng)格工作單元;2)根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重較大者,亦以對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用影響起控制作用的單因素為準(zhǔn),繪制等值線(xiàn)及閾值圖;3)參考有關(guān)南寧市區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)、工程地質(zhì)勘察、巖土設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃等文獻(xiàn)資料,將各區(qū)域內(nèi)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系量化后作為AHP模型數(shù)據(jù)輸入,再根據(jù)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果判定該區(qū)域地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性等級(jí);4)將所有網(wǎng)格按適宜性級(jí)別連片成圖,最后得到南寧市城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性區(qū)劃(圖2),其地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)特征及評(píng)價(jià)見(jiàn)表10。4評(píng)價(jià)分析結(jié)果本文以南寧市1∶10萬(wàn)工程地質(zhì)圖為底圖,選取市區(qū)已建地下工程區(qū)為評(píng)價(jià)單元進(jìn)行驗(yàn)證,根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,再與現(xiàn)場(chǎng)踏勘、調(diào)研及施工反饋信息等所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,反復(fù)驗(yàn)證其評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性。計(jì)算過(guò)程中首先確定每個(gè)單元地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)特征值,再按上述模型進(jìn)行樣本訓(xùn)練,之后再判斷其余樣本的歸屬問(wèn)題,根據(jù)輸出結(jié)果,判定樣本屬于哪一類(lèi)地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)。鑒于篇幅有限,下面以南寧新華街人防工程為例介紹其評(píng)價(jià)分析結(jié)果。針對(duì)該地下工程,將其區(qū)域地質(zhì)環(huán)境指標(biāo)付諸于評(píng)價(jià)模型加以運(yùn)用,得到該地質(zhì)單元的模糊綜合評(píng)判計(jì)算:B=WR=(B1,B2,…,Bj)=(0.6435,0.1312,0.4561,0.3201),計(jì)算結(jié)果取其所得值中極大值為該評(píng)價(jià)單元地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量級(jí)別區(qū),即取B2=0.6435,則對(duì)應(yīng)的地質(zhì)環(huán)境適宜性是適宜區(qū)(Ⅱ)。南寧新華街人防工程位于南寧市最繁華的商業(yè)地段,街道兩旁有百貨大樓、南寧書(shū)城、裕豐商廈、鉆石廣場(chǎng)等商業(yè)大樓。現(xiàn)場(chǎng)踏勘、調(diào)研及施工反饋信息等所獲數(shù)據(jù)顯示該工程為地下一層全埋式,該工程全長(zhǎng)約600m,共劃分為6個(gè)防護(hù)單元。場(chǎng)地上覆地層主要由人工堆填的瀝青混凝土地面及填土,第四系河流沖積成因的粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉細(xì)砂、圓礫等組成,下伏基巖為第三系湖相沉積泥巖。場(chǎng)地內(nèi)第四系覆蓋層賦存兩層地下水:第1層主要賦存于雜填土中,屬上層滯水,埋藏較淺,3.0～5.5m不等;第2層地下水主要賦存于第四系地層中,屬孔隙水,具承壓性,水量較豐富,靜止穩(wěn)定水位一般埋深在6.90～8.90m。該工程地質(zhì)環(huán)境及施工反饋信息均與表10中南寧市城市地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境次適宜區(qū)(Ⅲ)的特征相吻合。5類(lèi)地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)文中將適宜性劃分為最適宜、適宜、次適宜及不適宜4個(gè)等級(jí),評(píng)價(jià)結(jié)果顯示其各占研究區(qū)域面積的百分比依次約為20%、30%、40%、10%。Ⅰ類(lèi)地質(zhì)環(huán)境最適宜區(qū),主要分布在南寧市區(qū)的高階地松散土亞區(qū),如江南留村、沙井站等,該區(qū)分布在邕江高級(jí)階地以上,階地呈平臺(tái)狀,保存較完整,土體二元結(jié)構(gòu),上部為粘性土,下部為礫質(zhì)土,總厚度為15～20m,基本不受地下水影響,該區(qū)地基承載力高,地下水綜合污染指數(shù)小,除了個(gè)別地段邊坡、路堤不穩(wěn)定外,一般無(wú)其他環(huán)境工程地質(zhì)問(wèn)題發(fā)生,高層建筑的樁基及地下室宜放在下部礫質(zhì)土層上,是地下空間開(kāi)發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量好的地區(qū)。Ⅱ類(lèi)地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū),主要分布在南寧市區(qū)的低階地松散土亞區(qū)的Ⅱ級(jí)階地,該區(qū)域低階地的高程約73～85m,階地被侵蝕微弱,界面寬闊平坦,地層屬于河流沖積層,土體二元結(jié)構(gòu),上為粘性土,下為礫質(zhì)土20～30m,局部為軟土層夾粉砂,地下水位對(duì)其影響較弱。Ⅲ類(lèi)地質(zhì)環(huán)境次適宜區(qū)主要分布在Ⅰ級(jí)階地,地面較平坦,上部粘土、亞粘土,厚度5～8m,局部含脹縮土,中部普遍分布有軟土,局部含液化砂土,局部低洼地段受洪水影響?？紫端哂腥醭袎盒再|(zhì),與邕江具有直接水力聯(lián)系,富水性較好,地下工程受地下水影響嚴(yán)重。綜上可見(jiàn),南寧市地質(zhì)條件復(fù)雜,地質(zhì)災(zāi)害隱患嚴(yán)重,為規(guī)避建設(shè)風(fēng)險(xiǎn),使淺層地下空間開(kāi)發(fā)投資更具科學(xué)性,必須重視對(duì)南寧巖土地質(zhì)條件的研究并就主要影響因素進(jìn)行剖析,為地下空間的合理規(guī)劃、建設(shè)提供重要依據(jù)。南寧市城市地下空間開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)在Ⅰ、Ⅱ階地,第四系松軟土體的工程性質(zhì)、地下水、膨脹土、軟巖及活動(dòng)斷裂的發(fā)育分布特征是影響淺層地下空間開(kāi)發(fā)利用的主要地質(zhì)因素,根據(jù)上述主控因素的分布規(guī)律及對(duì)地下工程建造影響的方式和強(qiáng)度,將南寧市地下空間開(kāi)發(fā)利用劃