基于多種方法的城鎮建設地質適宜性分級評價

陳 瑩，李國新*，郝 強,2，劉冬勤，沈 軍，錢利軍，黃孝斌

(1.成都理工大學工程技術學院國土空間應用研究中心，樂山 614000；2.同濟大學海洋與地球科學學院，上海 200092；3.湖北省地質局第一地質大隊，大冶 435100)

城市化進程的不斷推進應立足本地資源稟賦，體現本地優勢和特色為依據[1-3]。湖北省黃石市具有近千年的礦業開采歷史，作為典型的資源枯竭型城市，在城市轉型和城市化進程不斷加快的條件下，所帶來的建設用地需求量逐漸增加成為制約其發展的關鍵因素，如何最大限度實現城市建設與地質環境的優化配置，探尋有效解決實際困境的評價方法顯得尤為重要。

近些年來，Delphi和層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)不斷改良出現激勵與懲罰型變權、專家打分綜合評判等變型，并提出了反向傳播(back propagation，BP)神經網絡法、加權綜合指數法、灰度聚類及模糊綜合評價等新方法[4-6]，特別是模糊綜合評價能有效地消除主觀因素導致的結果可靠性降低的問題，其與遙感影像解譯和地理信息系統(geographic information system，GIS)技術相結合在建設用地適宜性評價中日趨受到中外學者的關注和重視[3，7-8]。

在眾多方法中固然有其各自優缺點，以往的評價中往往要求參評因子全面，選取評價方法合理，而實際應用中地質條件千差萬別，沒有放之四海皆準的評價方法，如何做到因地制宜實非易事。現以大冶湖生態新區(核心區)為例，提出全新的多方法分級評價，以確保評價結果的真實可靠性，提出可復制方案為地方規劃、新型城鎮建設、管理和下一步的國土空間規劃中的城鎮建設適宜性評價提供地學保障和可參照性范例。

1 研究區概況與數據來源

1.1 自然地理概況

大冶湖生態新區(核心區)地處湖北省大冶市東部，南鄰大冶湖，東靠長江，位于大冶湖生態新區的西北部，北至大棋路，東至慶洪路，南至大冶湖，西至武(漢)黃(石)城際鐵路，總用地面積為22 km2(圖1)。為典型的中緯度亞熱帶大陸性季風氣候區，區內氣候冬冷夏熱、四季分明、雨量充沛。根據大冶市氣象站資料顯示，年平均氣溫17.57 ℃，最高氣溫38.8 ℃，極端最低氣溫為-10 ℃，當地氣溫最高月份是七月，平均氣溫29.2 ℃，氣溫最低月份為一月，平均氣溫為4.3 ℃。

圖1 黃石大冶湖生態新區(核心區)交通位置圖

1.2 主要地質環境問題

大冶湖作為典型的斷陷湖，其早期河谷伸入丘陵崗地，受新構造運動沉降影響，江水倒灌河口淤塞，沉降洼地積水成湖，加之20世紀40～80年代圍湖造田造成湖泊面積迅速縮小。軟土體含水量高，一般在30%～47%；孔隙比在0.88～1.28；液性指數為0.96～1.49，具中高壓縮性，且有機物含量較高，地基承載力較低，該土層一般不能作為建筑物地基持力層，研究區主要控制因素特征如圖2所示。

圖2 研究區軟土厚度、地基承載力5 m、基巖埋深和洪水淹沒可能性分區圖

大冶湖兩岸，地勢較低，湖岸80%范圍為湖垸，防洪要求較高，近年來盡管人工墊高地勢，靠近湖區外圍擴展水面形成人工湖，供休閑娛樂，但其效果不甚明顯。由于80年代至今，人類影響繼續加劇湖泊水面面積和容積不同程度的減小，地下水位埋藏較淺，洪水淹沒可能性較高[9]，如圖3所示為1980年湖區范圍，現今研究區位置多位于湖平面以下，詳細數據如表1所示。

圖3 大冶湖生態新區(核心區)20世紀80年代湖區面積復原圖

表1 大冶湖水位、面積、容積變化一覽表

1.3 數據來源

采用的主要數據來源于數字高程地圖(DEM)、2014年高分二號(GF-2)影像資料、大冶縣志、規劃資料及本次工作開展及收集的地勘資料，其中共統計了877口鉆井，60件巖土試驗，15件地下水全分析及240土壤樣品數據。

2 研究方法

在地質適宜性評價中，運用的方法繁多，各具優勢又存在諸多不足，最主要的矛盾是沒有可以套用的范式，在遵循全面性、合理性、主導性、科學性等評價原則的基礎上，采用多方法-分段式-后驗證的方式，來彌補方法上的不足，確保結果的真實性及方法上的可操作性和可復制性，評價方法示意圖如圖4所示。

圖4 分級評價安全、適宜、優化關系示意圖

2.1 地質環境質量評價

2.1.1 構建指標體系

通過野外工作得到的認識，并與當地有關地質專家共同研究，從水文、工程地質兩方面選取特殊性土層厚度、地基承載力(5 m)、基巖埋深和洪水淹沒可能性共4個評價指標因子作為重要因子，等級劃分結果如表2所示。

表2 研究區重要因子及其等級劃分

2.1.2 確定權重

(1)層次分析法定權。選定對評價區域地質環境條件熟悉的6名專家以及3名規劃部門專家，按表3所示的T.L.Satty 1-9標度，兩兩比較列出判斷矩陣[11-12]，4個評價要素洪水淹沒可能、地基承載力、特殊巖土厚度、基巖埋深的權重結果如表3所示。

表3 AHP法專家打分表

對上述得出的綜合判斷矩陣經DPS計算按AHP法求出權值，經隨機一致性檢驗，最大特征根λmax=4.010 4，平均隨機一致性指標RI=0.886 2。檢驗公式為

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

CR=CI/RI

(2)

式中：CI為一致性指標；n為矩陣階數；CR為隨機一致性比率。

CR=0.003 9<0.10，判斷矩陣符合一致性檢驗，上述權值具有合理性。

(2)激勵型變權。AHP法定權盡管可以突出主因，但專家打分時往往主觀上過度看中一些因素，而又無法區分各因素之間的內在聯系的大小，如同為工程地質條件的特殊性軟土厚度與基巖埋深具有一定的正相關性，而在定權時把它們孤立起來顯然是不科學的，故在AHP法定權后，對洪水淹沒可能(B1v)進行激勵型變權，公式為

B1v=B1expβ1/(B1expβ1+B2expβ2+

B3expβ3+B4expβ4)

(3)

式(3)中：β1、β2、β3、β4起調節作用，值越大，對相應要素激勵越大,這里取β1=0.8，β2=β3=β4=0.5。最終權重如表4所示。

表4 激勵型變權后最終權重

2.1.3 選取數學模型

目前，針對建設用地地質適宜性評價常用的經典評價數學模型有十幾種，更有為單一地區進行具有針對性的數學建模。其中較為主流的方法除20世紀50年代的Delphi、70年代的AHP法、80年代的BP神經網絡法外，還有在各領域應用較多的評價方法，如水土環境中應用較多的內梅羅指數法，環境評價中推薦的W值法，《城鄉規劃工程地質勘察規范》(CJJ 57—2012)的多因子加權綜合指數法及被認為較為科學的灰度聚類和模糊綜合評價等諸多方法[12-15]。

(1)W值綜合指數模型。W值法易用于評價因子較少，主要因子突出的評價，并具較為簡單和直觀的特征，但在應用中由于沒有權重和隸屬度的應用，往往出現屬性差異不大、但質量分級結果卻明顯不同的缺點，評價結果如圖5(a)所示。

(2)加權綜合指數評價模型。該方法在工程方面應用較為廣泛，不同于W值法把因子等同看待，引入權重的概念可以將評價因子的數量大大擴充，考慮多重因子對結果的影響，但在權重的確定及在因子數量的管控上人為影響較大，并且常因參評因子較多而主控因子不突出，未消除因子相關性及核心問題導致出現偏頗的情況，評價結果如圖5(b)所示。

(3)模糊綜合評價。模糊綜合評價計算較為復雜，目前在理論上認為其是比較科學、合理、貼近實際的量化評價，引入隸屬度的概念，通過精確的數字手段處理模糊的評價對象，評價結果如圖5(c)所示。

3 研究結果

3.1 地質環境質量評價

3.1.1 評價結果

(1)W值綜合指數模型。數學模型為

(4)

式(4)中：S為參與評價因子的總數目；N為與上下標共同表示某類因子的評價結果；n10、n8、n6、n4分別為被評為10、8、6、4分的因子數目。

(2)加權綜合指數評價模型。數學模型為

(5)

式(5)中:Ik為地質適宜性指數；Pi為因子性狀數據值；Wi為因子權值；z為因子總數。

(3)模糊綜合評價。數學模型為

(6)

3.1.2 評價后驗證

(1)室內分析。從圖6中可以看出，加權綜合指數和模糊綜合評價得到的基本適宜區和不適宜區一致程度相對較高，集中分布在新橋兒以南、烏泥灘以北，沙包咀西北部及下湖周-大咀頭-長咀壢以南地區。僅較適宜區略有差異，在模糊綜合評價中舒家壢及其以南地區、戴家垅-大咀頭一線、東南部沙包咀以北多為較適宜；從圖5(b)中可以看出，舒家壢及其以南地區、戴家垅-大咀頭一線為適宜區，而東南部沙包咀以北多為基本適宜區。通過結果比對可以看出，加權綜合指數和模糊評價一致程度較高，而W值法相對其他兩種方法差異性較大。

圖5 W值綜合指數模型、加權綜合指數模型和模糊綜合評價分區圖

圖6 研究區不同模型評價結果面積百分比圖

(2)野外實地驗證。在地質環境質量(二級)評價后，為驗證評價結果，對研究區進行了評價后驗證，發現在東區北部地質適宜性較好，已建的奧林匹克中心未見不良地質現象，地質適宜性較好，符合加權和模糊評價結果，而東南部地區奧林匹克公園、黃石地質館和大冶特色館一線局部地區見有地面不均勻沉降引起的建筑物和道路變形，其他地區未見明顯地質環境問題，故針對研究區適宜性評價結果加權綜合指數>模糊綜合評價>W值法，如圖7所示。

圖7 研究區東南部地面不均勻沉降及中南部軟土引起道路變形

3.2 建設用地優化利用評價

根據地質環境質量評價方法確定權重，并選取加權綜合指數模型作為建設用地優化利用評價模型。黃石大冶湖生態新區(核心區)以打造山水相間、綠色發展為主線，故本次評價不考慮Ⅱ、Ⅲ類工業用地，對地質環境質量評價為“不適宜”直接劃為生態綠地，對不滿足《高層建筑巖土工程勘察標準》(JGJ/T 72—2017)中重型高層建筑、普通民用及(Ⅰ類)工業建筑建設用地的，暫劃為其他用地[16]，如圖8所示。

圖8 建設用地優化利用評價圖

大冶湖生態新區(核心區)建設用地地質優化利用評價結果顯示，較適宜及以上面積為16.2 km2，從工程建設地質角度上講，區內土地能滿足規劃用地,并針對各區域地質條件及存在問題提供了真實可靠的結果，如表5所示。

表5 基于優化利用評價的適合規劃建設用地分布表

4 結論

(1)通過野外驗證表明，選取指標體系和評價方法合理，在工程選址、設施規劃建設及土地利用優化上，應重點考慮軟土厚度和洪水淹沒可能性因子對城市建設和擴容后的排水問題。

(2)研究區地質環境與大冶湖演化變遷關系密切，受控于20世紀40—80年代圍湖造田影響較大，北部詹家-林家咀一線地質環境較好符合重型高層建筑用地要求；東側舒家壢、鼻孔梁，劉浦咀一帶次之；東南部臨湖區及下湖周-上錯咀一線在工程建設中應重點考慮潛在的軟基沉降、洪水淹沒可能性風險。

(3)整體而言，研究區地質環境總體良好，符合普通民用及以上建設用地面積占比達全區面積的73%，且成片性較好，滿足近期城市發展的規劃用地需求。

在一定程度上彌補以往建設用地地質適宜性評價的不足，突破主觀因素或無法量化導致的權重應用的局限性，通過實例證實并非最復雜理論即為最優方案，然而，僅對大冶生態新區(核心區)進行了實例分析，在其他尺度和地域有效性有待進一步驗證。