劉 洪, 陳福春, 陳 剛

(1.國土資源部 地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室,江蘇 南京 210018; 2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210018)

基于地質(zhì)環(huán)境的建設(shè)用地適宜性模糊評價

劉 洪1,2, 陳福春1,2, 陳 剛1,2

(1.國土資源部 地裂縫地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室,江蘇 南京 210018; 2.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210018)

建設(shè)用地適宜性評價作為地質(zhì)災(zāi)害危險性評估工作的重要內(nèi)容,根據(jù)其地質(zhì)災(zāi)害的危險性和防治工程的復(fù)雜程度進(jìn)行評價,為建設(shè)項目的規(guī)劃選址提供科學(xué)依據(jù)。從地質(zhì)環(huán)境出發(fā),建立建設(shè)用地適宜性的模糊評價模型,并以無錫市區(qū)為例,進(jìn)行建設(shè)用地適宜性的分區(qū)評價。

地質(zhì)環(huán)境;建設(shè)用地;適宜性;模糊評價

建設(shè)用地是指建造建筑物、構(gòu)筑物的土地,包括城鎮(zhèn)建設(shè)用地、村莊建設(shè)用地、工礦用地、交通用地、水利工程用地、公用設(shè)施用地、旅游用地及軍事設(shè)施用地等。隨著中國近年來城鎮(zhèn)化速度的不斷加快,由城鎮(zhèn)建設(shè)帶來的人地矛盾、人居安全、生態(tài)環(huán)境等問題日益增多,由于缺乏科學(xué)合理的論證,很多地方的建設(shè)用地開發(fā)上存在盲目、無序的狀況,一方面造成了生態(tài)環(huán)境的惡化,另一方面對建設(shè)用地的可持續(xù)利用埋下了隱患。

作為城鎮(zhèn)規(guī)劃和工程建設(shè)項目前期工作的重要組成部分,建設(shè)用地適宜性評價主要為城鎮(zhèn)規(guī)劃和工程建設(shè)項目選址和布局提供科學(xué)依據(jù)。影響建設(shè)用地適宜性的因素很多,涉及到自然、社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、工程技術(shù)等眾多方面,是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。作為建設(shè)用地的物質(zhì)基礎(chǔ),地質(zhì)環(huán)境是人類一切生活和工程活動的載體和基本環(huán)境,本文以地質(zhì)環(huán)境條件為基礎(chǔ),采用模糊評價法對無錫市區(qū)的建設(shè)用地適宜性進(jìn)行了評價。

1 評價方法

建設(shè)用地適宜性評價是一個多因素、多方面耦合作用的復(fù)雜系統(tǒng),評價方法很多,目前還沒有統(tǒng)一的評價規(guī)程和系統(tǒng),采用的是土地適宜性和地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價的方法和體系,前人也做了一些相關(guān)的研究[1-8],主要有模糊判別法、灰色理論法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、層次分析法等。

模糊判別法是一種半定量的數(shù)學(xué)方法,采用模糊判別法對建設(shè)用地進(jìn)行綜合評價,能夠彌補(bǔ)人為定性分析的不足,提高評價結(jié)果的可信度,具有一定的合理性和優(yōu)越性。本文通過對無錫市區(qū)進(jìn)行建設(shè)用地適宜性模糊判別模型的運(yùn)用,取得了較好的效果。

2 模糊判別原理

模糊判別是根據(jù)多變量對事物進(jìn)行評價的一種方法,可以用數(shù)學(xué)公式表示如下:

A*R=B

式中:A為輸入,它是由參加評價因子的權(quán)重經(jīng)過歸一化處理得到的一個由ai組成的(1×m)階行矩陣;R為模糊變換器,它是由各變量對各等級標(biāo)準(zhǔn)因子的隸屬度rij組成的一個(m×n)階模糊關(guān)系矩陣;B為輸出,是綜合評判的結(jié)果,是一個由bi組成的(1×n)階行矩陣;m為評價因子數(shù)；n為評價等級個數(shù)。

由此可見,模糊判別就是對擬評判的對象選定一些主要因素,先進(jìn)行單因素綜合評判,評價結(jié)果構(gòu)成模糊關(guān)系矩陣,再考慮各因素在總評判中的地位(即權(quán)重集A),求取R和A合成的過程。

建設(shè)用地適宜性的模糊數(shù)學(xué)判別的基本思路是基于建設(shè)用地適宜性以及影響因素、因子邊界的模糊性,通過建立評價指標(biāo)體系、指標(biāo)量化分級體系、指標(biāo)權(quán)重分配體系、構(gòu)造模糊判別模型,進(jìn)而對建設(shè)用地適宜性進(jìn)行判別。

3 評價過程

3.1 地質(zhì)環(huán)境概況

無錫市區(qū)的地貌類型分為低山丘陵和沖湖積平原兩大類。低山丘陵主要分布在西部的惠山、陽山和西南部環(huán)太湖地區(qū),為基巖出露區(qū),巖性主要由砂巖、粉砂巖和泥巖組成,地基承載力高、變形小,地下水埋深大,工程地質(zhì)條件良好,但地形起伏大,露天采礦、道路和房屋建設(shè)等切坡現(xiàn)象嚴(yán)重,崩塌、滑坡災(zāi)害較發(fā)育。沖湖積平原分布在北部、東部的廣大地區(qū),包括高亢平原、沖湖積平原和湖沼積平原,地形平坦,第四系松散層厚度大,承壓含水層發(fā)育,歷史上由于長期超量開采深層地下水,引發(fā)了地面沉降和伴生的地裂縫災(zāi)害。2000年蘇錫常地區(qū)地下水禁采后,無錫市區(qū)的地下水位穩(wěn)步回升,地面沉降速率趨于減緩。沖湖積平原的局部分布有軟土等特殊類土,地基承載力較低,工程地質(zhì)性質(zhì)較差;堰橋、錫北、查橋、厚橋、錢橋、胡埭、濱湖、華莊、羊尖等平原區(qū)分布有隱伏巖溶地層,巖性為三疊系、二疊系石灰?guī)r,上覆第四紀(jì)松散層厚度<10～170 m不等,錫山區(qū)的厚橋嵩山村歷史上曾經(jīng)有巖溶地下水開采,引發(fā)了巖溶地面塌陷。

3.2 評價單元劃分

運(yùn)用柵格數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行網(wǎng)格剖分,單元面積選取1 km×1 km,為了提高評價結(jié)果的精度,將地貌分區(qū)、地質(zhì)環(huán)境分區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)界線也作為剖分單元界線。

3.3 評價等級劃分

目前還沒有建設(shè)用地適宜性評價的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),本文采用《地質(zhì)災(zāi)害危險性評估技術(shù)要求(試行)》中的分級標(biāo)準(zhǔn),將建設(shè)用地適宜性分為適宜、基本適宜和適宜差三個等級,并分別賦值為1、5、10。

3.4 評價因子選擇

影響建設(shè)用地適宜性的因素很多,主要有氣象水文、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害、人類工程活動等,各因素又受眾多次一級因子的影響,是一個多層次、多級別、包含多因素的復(fù)雜系統(tǒng)。在實際工作中很難建立一個包含所有因素的模型,如果參與評價的因子過多,既會增加計算的工作量,也會影響代表性。本次評價通過定性分析和類比方法,并根據(jù)無錫市地質(zhì)環(huán)境條件,選擇地形地貌、淺部巖土體工程地質(zhì)條件、地質(zhì)災(zāi)害、人類工程活動作為建設(shè)用地適宜性評價的一級因子。其中地形地貌又分為地形形態(tài)、坡度2個次級因子,淺部巖土體工程地質(zhì)條件又分為工程地質(zhì)巖組、巖體結(jié)構(gòu)類型、土體結(jié)構(gòu)類型3個次級因子。

3.4.1 地形地貌

地形地貌條件對工程建設(shè)有著廣泛的影響,不僅制約用地選擇和布局,也影響建筑工程實施的難易程度。其影響因素又包括高程、坡向、坡度等,其中地形起伏、坡度對建設(shè)用地的影響和制約性較大。一般而言,地形起伏大、坡度大的地區(qū)工程建設(shè)難度就大,建設(shè)成本就越高。另外,對于低山丘陵地區(qū),遭受泥石流和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大;地勢低的平原區(qū)不僅會遭受洪澇威脅,造成土地濕化嚴(yán)重、農(nóng)田漬害加劇的后果,而且容易成為各類污水的積聚地,水土污染問題突出,建設(shè)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量均受到極大影響。

3.4.2 淺部巖土體工程地質(zhì)條件

建設(shè)用地淺部的巖土體構(gòu)成了各類建(構(gòu))筑物的地基基礎(chǔ),其工程地質(zhì)條件直接影響建(構(gòu))筑物的穩(wěn)定程度、高度、施工難度以及造價的高低。根據(jù)淺部巖土體的組成,又分為工程地質(zhì)巖組、巖體結(jié)構(gòu)類型、土體結(jié)構(gòu)類型3個次級因子。

3.4.3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和危險性

地質(zhì)災(zāi)害是破壞建筑物、限制建設(shè)用地適宜性的主要因素。建設(shè)用地范圍內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育和危害程度都嚴(yán)重影響著建筑物和人員的安全。在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行工程建設(shè),不僅對建筑物的防災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)要求高、費用大,而且風(fēng)險也比較大。

3.4.4 破壞地質(zhì)環(huán)境的人類工程活動

作為人類一切工程活動的載體,地質(zhì)環(huán)境具有脆弱性、難以恢復(fù)性甚至是不可恢復(fù)性,隨著人類工程活動空間和規(guī)模的增大,其對地質(zhì)環(huán)境的影響與改造日益劇增,導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),強(qiáng)度和危害增大,嚴(yán)重威脅到工程建設(shè)的安全。

對于無錫市區(qū)而言,破壞地質(zhì)環(huán)境的人類工程活動主要有低山丘陵區(qū)的露天采礦、切坡修路、建房和平原區(qū)的地下水開采等,低山丘陵區(qū)的建房、修路等工程建設(shè)的切坡,容易引發(fā)滑坡、崩塌災(zāi)害;平原區(qū)深層地下水和巖溶地下水的開采,引發(fā)了地面沉降、地裂縫和巖溶地面塌陷災(zāi)害。

3.5 評價模型

據(jù)此,建立的無錫市區(qū)建設(shè)用地適宜性評價系統(tǒng)如圖1所示,確定了建設(shè)用地適宜性的影響因素,給出評價因子集,即:U={U1,U2,U3,……U7}。其中:U1,U2,U3,……U7分別代表地形形態(tài)、坡度、工程地質(zhì)巖組、巖體結(jié)構(gòu)類型、土體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和危險性、破壞地質(zhì)環(huán)境的人類工程活動7個評價因子。

圖1 建設(shè)用地適宜性評價模型Fig.1 Evaluation model of construction land suitability

3.6 評價因子的標(biāo)準(zhǔn)化

為滿足模糊綜合評判運(yùn)算的要求,需對上述各評價因子定量化,依據(jù)各因子對建設(shè)用地適宜性的影響程度,并結(jié)合有關(guān)類似問題的處理方法,將上述綜合評判因子集各因子,就適宜、基本適宜和適宜性差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化因子取值(表1)。

3.7 確定評價因子權(quán)重(A)

A=ai(i=1,2,3,…,7)

表1 建設(shè)用地適宜性評價指標(biāo)表

式中:a1,a2,a3,……a7分別代表地形形態(tài)、坡度等7個評價因子的權(quán)重。各因子的權(quán)重應(yīng)該滿足下列關(guān)系:

各因子權(quán)重值的大小反映了各因子對建設(shè)用地適宜性的影響程度,計算權(quán)重就是計算各評價因子對建設(shè)用地適宜性影響程度大小,其賦值方法很多,主要有層次分析法、指數(shù)超標(biāo)法、對比法、比例法、環(huán)比法、邏輯法、專家調(diào)查法(Delphi法)、加權(quán)評分法、目標(biāo)規(guī)劃法等[9-13],本文采用層次分析法確定各評價因子的權(quán)重值,步驟如下。

3.7.1 構(gòu)造判別矩陣

對于評價因子,運(yùn)用九標(biāo)度法兩兩比較得到判斷矩陣T,Uij表示因子ui對因子uj的相對重要性,Uij的取值按表2進(jìn)行,得到評價因子判別矩陣標(biāo)度值(表3)。

3.7.2 一致性和隨機(jī)性檢驗

C.I=(λmax-n)/(n-1)

C.R=C.I/R.I

式中:C.I為一致性指標(biāo);λmax為最大特征根;n為矩陣的階數(shù);R.I為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),對于1～9階判別矩陣,R.I的值分別為0,0,0.58,0.90,1.12,1.24,1.32,1.41,1.45;C.R為隨機(jī)一致性比率。只有C.R<0.10時,計算出的權(quán)重值才比較合理。

表2 因子判別矩陣標(biāo)準(zhǔn)及其含義

表3 評價因子判別矩陣標(biāo)度值

3.7.3 確定評價因子的權(quán)重

經(jīng)過計算,判別矩陣的最大特征根λmax=7.763 8,一致性指標(biāo)C.I=0.125 8,隨機(jī)一致性比率C.R=0.127 3/1.32=0.096 4<0.10,判別矩陣滿足一致性要求,分別計算各層次判別矩陣的最大特征根所對應(yīng)的特征向量,并進(jìn)行歸一化處理,即可得到各評價因子的權(quán)重。

通過計算,得出各因子的權(quán)重如表4。

表4 評價因子權(quán)重表

3.8 隸屬度函數(shù)的確定

隸屬度是反映評價指標(biāo)隸屬于各級建設(shè)用地適宜性的程度,一般由隸屬度函數(shù)來確定,隸屬度函數(shù)是用來定量描述評價因子對建設(shè)用地適宜性級別隸屬程度大小的函數(shù)形式。參照前人有關(guān)隸屬度函數(shù)構(gòu)造的經(jīng)驗,針對無錫市區(qū)建設(shè)用地適宜性的影響因素、評價因子構(gòu)成特征,構(gòu)造了半梯形分布的隸屬度函數(shù),如下:

式中:Yi為第i種評價因子對應(yīng)于X1、X2、X3所規(guī)定的那一級標(biāo)準(zhǔn)的隸屬度;X為第i種因子的評價分級賦值;X1、X2、X3為某評價因子建設(shè)用地適宜性分界值。隸屬度函數(shù)y(x)曲線圖見圖2。

圖2 隸屬度函數(shù)曲線圖Fig.2 Curve of membership function

根據(jù)上述隸屬度函數(shù),利用建設(shè)用地適宜性的分級標(biāo)準(zhǔn),可以得到每個評價單元7個因子的隸屬度,得到一個7×3階的矩陣:

適宜 基本適宜 適宜性差

式中:i分別代表地形形態(tài)、坡度等7個評價因子。

3.9 模糊矩陣復(fù)合運(yùn)算

B=A*R= Max Min(ai,rij)

=∨(ai∧rij)=bj=(b1,b2,b3)

式中:1,2,3分別代表建設(shè)用地適宜性的三個等級,即:適宜、基本適宜和適宜性差三個等級;*為模糊變換算子。綜合評判是兩個模糊矩陣A和R的復(fù)合運(yùn)算,為突出主因子,本文選擇取小取大法進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算。經(jīng)過上述計算得到兩個模糊矩陣A和R后,采用取小取大計算法得到行矩陣B,然后根據(jù)最大隸屬度原則,選取其中最大值對應(yīng)的級別作為建設(shè)用地適宜性的等級。

4 評價結(jié)果

根據(jù)上述模糊評價模型分別對無錫市區(qū)每個評價單元的建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評價,結(jié)果見圖3。

圖3 無錫市區(qū)建設(shè)用地適宜性分區(qū)圖Fig.3 Zone map of construction land suitability in Wuxi areas

4.1 適宜區(qū)

分布在市區(qū)的中部、東部及西南部地區(qū),面積約835.77 km2,占無錫市區(qū)總面積的65%左右。地貌類型為沖湖積平原,淺部土體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,主要為粘土、粉質(zhì)粘土,軟土局部發(fā)育,厚度<2 m,天然地基土條件良好。由于歷史上的地下水開采,曾發(fā)生輕—中度的地面沉降災(zāi)害。適宜進(jìn)行城鎮(zhèn)規(guī)劃和各類工程項目建設(shè),在工程建設(shè)中,需要重視局部低洼地區(qū)分布的溝塘相的淤泥和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土,做好軟土地基的防治。

4.2 基本適宜區(qū)

分布在低山丘陵的山前崗地和東港鎮(zhèn)的西北、鴻山鎮(zhèn)等沖湖積平原區(qū),面積188.21 km2,占無錫市區(qū)總面積的15%左右。

低山丘陵的山前崗地地形略有起伏,第四紀(jì)地層厚度一般<50 m,淺部土體主要為含礫粉質(zhì)粘土,工程地質(zhì)性質(zhì)差異較大,天然地基土條件一般—較好,局部較差。在工程建設(shè)中,需要控制場地平整等切坡的高度、坡度和處理軟硬土層結(jié)合部位的地基不均勻沉降問題。

吼山、嵩山、查橋等山體周邊為隱伏巖溶分布區(qū),隱伏灰?guī)r埋藏深度在30～50 m之間,為三疊系、二疊系灰?guī)r,巖溶發(fā)育程度中等,上覆第四紀(jì)松散層以粘性土為主,天然地基土條件良好。工程建設(shè)中要詳細(xì)查明巖溶發(fā)育程度,進(jìn)行巖溶地基穩(wěn)定性評價并采取相應(yīng)的地基處理措施,預(yù)防可能發(fā)生的巖溶地面塌陷。

東港鎮(zhèn)的西北、鴻山鎮(zhèn)等沖湖積平原水網(wǎng)化程度較高,軟土較發(fā)育,厚度2～5 m,地面沉降輕—中度發(fā)生。工程建設(shè)中,需要進(jìn)行相應(yīng)的填高以提高地面高程,并配套相應(yīng)的疏排水工程,同時對不良的軟土地基進(jìn)行必要的改良處理。

4.3 適宜性差區(qū)

主要分布在環(huán)太湖等地的低山丘陵區(qū)、西北部的沖湖積平原及錫山區(qū)的厚橋、查橋地區(qū),面積約255.02 km2,占無錫市區(qū)陸地總面積的20%左右。

環(huán)太湖等地的低山丘陵區(qū)地形起伏較大,坡度一般在30°左右,局部可達(dá)50°,溝谷發(fā)育。山體巖性多為志留系茅山組砂巖,較破碎,坡頂松散殘坡積層厚度大。由于露天采礦和切坡建房、修路等工程活動,切坡現(xiàn)象非常普遍,多處存在滑坡、崩塌隱患,受雨水沖刷和振動后,容易發(fā)生滑坡和崩塌災(zāi)害。進(jìn)行工程建設(shè)時要合理進(jìn)行切坡,控制切坡的高度、坡度,并設(shè)計相應(yīng)的防治工程,防止崩塌、滑坡災(zāi)害的發(fā)生。

西北部的沖湖積平原,地勢低平,軟土及孔隙含水層發(fā)育,軟土層的厚度>5 m,由于歷史上地下水超量開采,地面沉降輕度—嚴(yán)重發(fā)生,惠山區(qū)的堰橋、石塘灣和錫山區(qū)的東亭等地由于差異沉降引發(fā)了地裂縫災(zāi)害,對道路和建(構(gòu))筑物造成了嚴(yán)重破壞。工程建設(shè)中需重新復(fù)核和適當(dāng)提高地面高程,設(shè)計配套的防洪排澇工程,做好軟土地基改良處理;新建工程必須避開地裂縫影響帶,地裂縫影響帶外側(cè)的工程建設(shè)必須采取相應(yīng)的地基處理和基礎(chǔ)加固措施,消除地裂縫災(zāi)害的潛在危害。

錫山區(qū)的厚橋、查橋地區(qū)為山前崗地和沖湖積平原,隱伏灰?guī)r發(fā)育,巖性為三疊系石灰?guī)r,巖溶發(fā)育,上覆第四系松散層厚度多<10 m,巖性為粉質(zhì)粘土夾粉土、中細(xì)砂夾粉土、礫砂土,由于巖溶地下水開采已引發(fā)地面塌陷。工程建設(shè)中要詳細(xì)查明巖溶發(fā)育程度,進(jìn)行巖溶地基穩(wěn)定性評價并采取相應(yīng)的地基處理措施,預(yù)防可能發(fā)生的巖溶地面塌陷。

5 結(jié)語

在實際應(yīng)用中,建設(shè)用地的適宜性不僅與地質(zhì)環(huán)境條件有關(guān),還與建設(shè)用地的氣候條件、交通狀況、周圍環(huán)境、綠化狀況、基礎(chǔ)設(shè)施條件、城市的建設(shè)現(xiàn)狀與特點、景區(qū)與古建筑的保護(hù)、農(nóng)耕地保護(hù)政策等多方面因素有關(guān),本例中評價因子的選取僅考慮了建設(shè)用地的地質(zhì)環(huán)境條件,沒有考慮建設(shè)用地的社會經(jīng)濟(jì)等要素,具有一定局限性。而且,不同用地功能的建設(shè)用地適宜性評價,由于評價對象和評價目的的不同,在評價因子的選擇、權(quán)重的確定、評價等級的劃分上,存在明顯的差異性,在實際應(yīng)用中需要具體問題具體分析。

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(責(zé)任編輯：陳文寶)

Fuzzy Evaluation of Construction Land Suitability Basedon the Geological Environment

LIU Hong1,2, CHEN Fuchun1,2, CHEN Gang1,2

(1.KeyLaboratoryofEarthFissuresGeologicalDisaster,MinistryofLandandResources,Nanjing,Jiangsu210018; 2.GeologicalSurveyofJiangsuProvince,Nanjing,Jiangsu210018)

As an important part of geological disaster assessment,it is necessary to evaluate construction land suitability depending on the danger of geological disasters and complexity of geological disasters prevention project,which provide a scientific basis for the planning and site selection of construction project. Based on the geological environment,this paper establishes the fuzzy evaluation model of construction land suitability, takes Wuxi city as example,and carries out construction land suitability zoning assessment.

geological environment; construction land; suitability; fuzzy evaluation

2015-06-19;改回日期:2015-12-25

劉洪(1973-),男,高級工程師,水工環(huán)地質(zhì)專業(yè),從事水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查和評價工作。E-mail:liuhong1973@126.com

X14; F301

A

1671-1211(2016)04-0645-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.023

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1529.050.html 數(shù)字出版日期:2016-07-07 15:29