寧波市地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價

趙團芝，侯艷聲，胡新鋒

（寧波市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，寧波 315042）

寧波市地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價

趙團芝，侯艷聲，胡新鋒

（寧波市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，寧波 315042）

隨著城市化建設(shè)快速推進(jìn)，地下空間資源開發(fā)是解決城市土地資源緊張的合理途徑，而地質(zhì)環(huán)境適宜性評價對地下空間的開發(fā)利用具有至關(guān)重要的作用。本文分析了城市地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價的影響因素，運用層次分析法確定巖土體特征、水文地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)問題、技術(shù)經(jīng)濟等指標(biāo)因素的權(quán)重，建立模糊綜合評價模型，定量評價寧波東部新城淺層（-15～ 0m）和中層(-30 ～ -15m)的地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜程度。評價結(jié)果顯示，東部新城地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性等級分為Ⅱ級較適宜和Ⅲ級較不適宜，并根據(jù)不同的適宜等級提出了地下空間開發(fā)利用方式，為寧波東部新城的地下空間開發(fā)利用提供依據(jù)。

地下空間；地質(zhì)環(huán)境；適宜性評價；模糊綜合評判；寧波市

0 前言

1 評價區(qū)范圍及單元劃分

東部新城作為寧波未來的政治、經(jīng)濟、文化和商業(yè)中心，是城市向東發(fā)展最為重要的一個區(qū)域。其地理范圍西起世紀(jì)大道，東至東外環(huán)，南至鐵路，北至通途路，核心區(qū)面積8.45km2，總面積15.85km2。根據(jù)《寧波市地下空間開發(fā)利用管理辦法》規(guī)定，寧波市地下空間劃分為淺層、中層和深層。淺層開發(fā)深度為0～-15m，民用建筑與地下服務(wù)設(shè)施主要利用的空間域；近期中層開發(fā)深度為-15～-30m,為地鐵及大型地下設(shè)施利用的空間域；中遠(yuǎn)期深層開發(fā)深度-30～-50m及-50m以上,寧波地區(qū)對該深度開發(fā)利用很少，故此次評價暫不涉及。

為了便于對東部新城各區(qū)域進(jìn)行地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價，以東部新城相關(guān)道路為分界線，同時考慮單元地質(zhì)條件相似性，對評價區(qū)進(jìn)行單元劃分，共劃分了36個評價單元。

2 評價方法

20世紀(jì)80年代初，我國學(xué)者汪培莊最早提出了綜合評判模型。隨后，針對實際應(yīng)用中模糊綜合評判模型常遇到的一些問題，一些學(xué)者等對其進(jìn)行了改進(jìn)，可采用多層次模糊綜合評判模型和廣義合成運算的模糊綜合評判模型，使得模糊綜合評判方法在實踐中得到了廣泛地應(yīng)用。模糊綜合評判法是模糊數(shù)學(xué)的一種應(yīng)用方法，它以模糊集合論為理論基礎(chǔ)，運用模糊變化原理和最大隸屬度原則將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，從多個因素對被評價事物隸屬度等級狀況進(jìn)行綜合評判，其評判流程如圖1所示。

圖1 模糊綜合評判流程圖Fig. 1 Flow chart of fuzzy comprehensive evaluation

3 地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價

3.1 確定評價集及評語集

城市地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境評價系統(tǒng)是一個多層次、多因素的復(fù)雜系統(tǒng)，影響和控制地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的因素較多。在進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境影響分析時，綜合考慮評價區(qū)工程地質(zhì)特征、地下工程現(xiàn)狀調(diào)查成果、地下空間開發(fā)利用的工程經(jīng)驗、國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)規(guī)范和專家咨詢，按照分級、分序、抓主、淡次原則，構(gòu)建可地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價的因素集U為：

U={u1，u2，u3，u4}={巖土體特征，水文地質(zhì)條件，環(huán)境地質(zhì)問題，技術(shù)經(jīng)濟}

模型的計算水位與觀測水位都在設(shè)定誤差內(nèi)，該模型基本能反映相應(yīng)條件下的地下水流場，所建模型合理可信。由模型可知地下水整體從北東流向南。

而u1={u11，u12，u13}={土質(zhì)均勻性，軟土厚度，巖性組合}

其他各主題因素集依次類推，逐級反映了影響因素的層次性。由于各次一級因素的提取和奉獻(xiàn)度大小是一個模糊概念和模糊判斷過程，為便于分析必須先建立各次一級因素數(shù)值化準(zhǔn)則及對應(yīng)取值，如表1。

根據(jù)評價模型計算結(jié)果的大小對地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行等級劃分，建立評語集V如下：

V={v1，v2，v3，v4}={適宜，較適宜，較不適宜，不適宜}={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}

采用分值區(qū)間平均分配的原則，令地質(zhì)環(huán)境適宜性評價集為[0，1]上的連續(xù)區(qū)間，地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性Ⅰ級（0.75≤Bj＜1）; Ⅱ級（0. 5≤Bj＜0.75）; Ⅲ級（0. 25≤Bj＜0.5）; Ⅳ級（0≤Bj＜0.25）。

3.2 評價因素權(quán)重確定

對于權(quán)重值的確定，目前，大多由專家憑經(jīng)驗給出，人為干擾較為嚴(yán)重，導(dǎo)致評判結(jié)果的出入。本文在模糊綜合評價中采用層次分析法來確定權(quán)重，此方法具有較強的邏輯性、實用性和系統(tǒng)性，并能準(zhǔn)確地得出各評價指標(biāo)的權(quán)系數(shù)。在對淺層地下空間開發(fā)利用適宜性評價中，采用專家打分和層次分析法構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，計算各評價指標(biāo)的相對權(quán)重，得出各級評價指標(biāo)的權(quán)重集見表2。

為使構(gòu)造的判斷矩陣具有滿意的一致性，還需進(jìn)行一致性檢驗。表2中層次總排序隨機一致性比率CR滿足：CR=0.028＜0.1 ，層次總排序結(jié)果具有滿意的一致性。

根據(jù)表2權(quán)重的具體計算結(jié)果，建立各評價指標(biāo)權(quán)重集W：

W={ Wi}={0.0551，0.1818，0.1, 0.0452，0.1001，0.0289，0.064, 0.0976，0.0307，0.1549, 0.0708，0.0708}

一級模糊綜合評判權(quán)向量：WB=（0.3369， 0.2382，0.2833， 0.1416）

表1 地質(zhì)環(huán)境評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)及對應(yīng)取值Tab. 1 Grading standards and corresponding value in geological environmental factors evaluation

表2 各級影響因素權(quán)重統(tǒng)計及一致性檢驗Tab. 2 Weight statistics and consistency test of infuencing factors at all levels

指標(biāo)因素總權(quán)重的大小表明該因素對地下空間開發(fā)的影響程度。由此可知，B1（巖土體特征）對目標(biāo)評價的影響較顯著，C6（地下水腐蝕性）對目標(biāo)評價的影響程度最低。

3.3 評價因素隸屬度確定

根據(jù)模糊理論，各單因素對各等級的隸屬程度，是用隸屬函數(shù)表示。從表1對地質(zhì)環(huán)境影響因素分析可知，所選取的評價指標(biāo)有定性指標(biāo)和定量指標(biāo)。為了便于計算，假定表1所列的各單因素的隸屬函數(shù)相同，均服從線性分析。在參考有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)造隸屬函數(shù)如下：

3.4 建立模糊判斷矩陣

地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性模糊綜合評價所選用“多因素綜合評價”，其概念模型最終是反映次一級因素對地質(zhì)環(huán)境適宜性的控制程度。因此，模糊綜合評價計算所用的模糊矩陣直接由12個次一級因素的4個地質(zhì)環(huán)境適宜性評價級隸屬度值按行排列，形成12×4階矩陣，其模糊判斷矩陣為

其中：n=12；Rj為地質(zhì)環(huán)境第j級適宜區(qū)（j=1，2，3，4）的模糊向量，由該級地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)中所有因素的隸屬度構(gòu)成，Rj=（r1j，r2j，r3j，...，rnj）T；rij為第i個次一級影響因素對第j級地質(zhì)環(huán)境適宜區(qū)的控制度。

3.5 模糊綜合評價

模糊綜合評判的原理是模糊變換，而模糊變換運算的關(guān)鍵是確立模糊合成算子。常見的模糊合成算子有主因素決定型、主因素突出型、不均衡平均型和加權(quán)平均型。由于加權(quán)平均型對所有因素依權(quán)重大小均衡兼顧，適用于兼顧考慮整體因素的綜合評價，在進(jìn)行地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價時，要考慮不同指標(biāo)對整體評價的影響，因此，本文選取加權(quán)平均型進(jìn)行模糊綜合運算，將評判因素權(quán)重集W與模糊判斷矩陣R進(jìn)行模糊綜合運算W R，其中，“ ”代表模糊合成算子，東部新城淺層地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性綜合評價結(jié)果見表3。

表3 東部新城淺層地下空間適宜性評價結(jié)果Tab.3 Suitability evaluation results of shallow underground space in eastern new city

中層評價的方法、步驟與淺層評價相同，評價結(jié)果見表4。在中層地下空間開發(fā)評價過程中，雖然潛水和地下水腐蝕性對中層地下空間的開發(fā)利用影響較小，但為了保持與淺層評價的一致性，將水文地質(zhì)條件在4個指標(biāo)中的權(quán)重保持不變，按相應(yīng)比例適當(dāng)提高含水層厚度和承壓水埋深的權(quán)重。

表4 東部新城中層地下空間適宜性評價結(jié)果Tab.4 Suitability evaluation results of middle underground space in eastern new city

3.6 地質(zhì)環(huán)境適宜性評價分區(qū)

根據(jù)評價模型計算結(jié)果的大小對地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行等級劃分。為了保證各單元評價的合理性，結(jié)合寧波市地質(zhì)環(huán)境特點和分值區(qū)間平均分配的原則，對各級隸屬度乘于相應(yīng)的賦分值1、0.67、0.33和0，再相加得到相應(yīng)的總分值。根據(jù)總分值確定各等級區(qū)間為：Ⅰ級區(qū)間：0.8～1.0，Ⅱ級0.6～0.8，Ⅲ級0.4～0.6，Ⅳ級0.0～0.4，以對部分單元模糊層次評價結(jié)論進(jìn)行適當(dāng)修正，并在表3淺層和表4中層地下空間適宜性評價結(jié)果數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用Arcgis繪制相應(yīng)的評價結(jié)果圖，見圖2、3所示。從圖中可以看出，東部新城無論是淺層還是中層，地下空間開發(fā)利用均無適宜區(qū)，藍(lán)色區(qū)域表示較適宜區(qū)，可以較為充分地進(jìn)行淺層地下空間開發(fā)；黃色區(qū)域為較不適宜區(qū)，在該區(qū)域通過相關(guān)的工程技術(shù)措施也可實現(xiàn)地下空間的開發(fā)利用，但相對于淺層而言，開發(fā)技術(shù)要求更高，分布面積更大。

圖2 淺層適宜性評價圖Fig.2 Shallow suitability evaluation map

圖3 中層適宜性評價圖Fig.3 Middle suitability evaluation map

4 結(jié)論

（1）城市地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性受到多種因素的影響，影響寧波市東部新城地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)環(huán)境適宜性的因素總體上分為巖土體特征、水文地質(zhì)條件、環(huán)境地質(zhì)問題和技術(shù)經(jīng)濟等，但各個因素對適宜性的影響程度不同，巖土體特征對東部新城適宜性評價較顯著，而地下水腐蝕影響較小。

（2）地下空間開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評價很難用某個確切的關(guān)系表達(dá)，而在充分利用城市地形測繪、工程地質(zhì)勘察、城市規(guī)劃建設(shè)等第一手資料，采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判方法對地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性運用模糊語言進(jìn)行不同程度的評價，可以得到較為理想、合理的結(jié)果。

（3）運用模糊綜合評價模型，對寧波市東部新城地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行定量評價，并利用Arcgis繪制了評價結(jié)果分區(qū)圖，得到了評價區(qū)適宜性等級為Ⅱ級與Ⅲ級。對于Ⅱ級較適宜區(qū)，該區(qū)工程地質(zhì)條件較好，采取合適的處理方法加固第四系松軟土體，可興建各類地下工程。基坑體系較為安全，但需引起關(guān)注，各方應(yīng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行密切關(guān)注，分析下一步發(fā)展趨勢。施工技術(shù)難度一般，造價較高。對于Ⅲ級較不適宜區(qū)，該區(qū)工程地質(zhì)條件較差，地下工程建造應(yīng)采取合理的施工工藝和防水止水措施。常用的明挖基坑支護(hù)方法有：排樁、樁錨支護(hù)+樁間止水、地下連續(xù)墻、重力水泥土墻。對淺埋暗挖工程，應(yīng)嚴(yán)格注意松軟土層塌陷問題，應(yīng)采取合適的方法加固第四系軟土層，做好防水措施。施工技術(shù)難度較高，造價較高。

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Geological Environment Suitability Assessment of Underground Space Development in Ningbo City

ZHAO Tuanzhi, HOU Yansheng, HU Xinfeng
(Ningbo Monitoring Station for Geological Environment, Ningbo 315042)

With the rapid advance of urbanization construction, the development of underground space resources is a reasonable way to solve the problem of urban land resources, and the geological environment suitability assessment plays an important role in the development and utilization of underground space. The factors which infuence the geological environment suitability assessment of underground space are analyzed, analytic hierarchy process is adopted to determines weights of index factors from rock and soil characteristics, hydrogeological conditions, environmental geological problems and technical economy, the fuzzy comprehensive evaluation model is built to evaluate the suitable intensity of the development for the shallow(-15~0 m) and the middle (-30~-15m) underground space in eastern new city. The evaluation results show the geological environment suitability of underground space development in eastern new city can be divided into two grades: the more suitable and the less suitable. The methods of underground space development are put forward according to different suitable grades. The study can provide references for the development and utilization of underground space in eastern new city of Ningbo.

Underground space; Geological environment; Suitability assessment; Fuzzy synthetic discrimination; Ningbo city

TU42

A

1007-1903（2016）04-0088-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.04.017

項目來源：寧波市政府重點科研項目（NBTC2012CG-1002）

趙團芝(1982- )，男，碩士，工程師，主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等工作。E-mail：zhaotuanzhi@163.com。