馬 莎，劉聰聰，張潤華，王甲怡，呂敦玉

(1.華北水利水電大學地球科學與工程學院，鄭州 450046；2.中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061)

隨著中國城市化進程的不斷推進，用地緊張、交通擁堵、空氣污染等“城市病”問題日益凸顯，嚴重制約著城市發(fā)展[1]。為了解決“城市病”問題，契合綠色發(fā)展理念[2]，大力推動城市地下空間開發(fā)利用已成為大勢所趨。

近年來，中外學者從不同角度采用層次分析法對多個城市地下空間開發(fā)適應(yīng)性進行評價。Hou等[3]從城市發(fā)展規(guī)劃的角度，引入三維地質(zhì)模型，采用模糊層次分析法對廣東佛山地下空間資源進行評價，分析了研究區(qū)的地下空間開發(fā)適宜性。Lu等[4]采用模糊層次分析法和優(yōu)劣解距離法對研究區(qū)進行評價，分析了影響地下空間開發(fā)因素的層次結(jié)構(gòu)，評價了多層地下空間開發(fā)適宜性。郭曉靜等[5]采用線性加權(quán)函數(shù)結(jié)合層次分析法對鄭州市地質(zhì)環(huán)境進行適宜性評價，給出適宜性好區(qū)占研究區(qū)面積的76%的結(jié)論；夏偉強等[6]根據(jù)青島市的地質(zhì)條件采用模糊層次分析法，對青島市主城區(qū)淺層地下空間開發(fā)適宜性進行評價，并預測了地下空間開發(fā)時可能出現(xiàn)的問題；吳炳華等[7]采用層次分析法和模糊綜合評判法對寧波市淺層、中層地下空間開發(fā)適宜性進行了評價，結(jié)果表明淺層地下空間開發(fā)適宜性以較好及以上為主，中層地下空間開發(fā)適宜性以較差及以下為主；夏友等[8]采用層次分析法確定評價指標權(quán)重，運用敏感因子-綜合指數(shù)評價模型對鄭州市地下空間資源開發(fā)進行適宜性評價，結(jié)果表明鄭州市地下空間適宜區(qū)占研究區(qū)面積的一半左右，總體情況較好。王學良等[9]利用專家-層次分析法確定指標權(quán)重，按照適宜性由優(yōu)到差5個級別對阿拉善區(qū)域工程地質(zhì)適宜性進行評價，評價結(jié)果為阿拉善預選區(qū)高放廢物處置適宜性地段選取提供了依據(jù)。張彬等[10]采用層次分析法確定指標權(quán)重對東部沿海地區(qū)地下水封油庫建造適宜性進行評價，其評價結(jié)果為油庫科學選址提供了參考依據(jù)。夏昆昆等[11]采用層次分析法對研究區(qū)居民點進行適宜性評價，結(jié)果表明基本適宜和較適宜地區(qū)占比最多，適宜區(qū)僅占5.09%。張懿等[12]采用改進層次分析對沐撫滑坡進行場地適宜性評價，其評價結(jié)果與現(xiàn)場定性判別一致，證實了改進層次分析法在適宜性評價應(yīng)用上的可行性。

上述研究充分發(fā)揮了層次分析法解決多目標復雜問題的優(yōu)點，但其在確定權(quán)重方面存在較強的主觀性，直接影響地下空間開發(fā)適宜性評價的客觀性和可靠性，且評價結(jié)果多以數(shù)據(jù)和文字表述，缺乏評價區(qū)域的適宜性評價圖示。

鄭州市是國家發(fā)改委和住建部支持建設(shè)的新一輪中心城市[13]，是中原經(jīng)濟發(fā)展的龍頭，“城市病”問題的日益凸顯嚴重阻礙了鄭州市可持續(xù)發(fā)展的腳步，因此開發(fā)地下空間已成為大勢所趨、民心所向[14]。由于地下空間開發(fā)具有不可逆性，其規(guī)劃需要慎重且具有前瞻性[15]，因此對鄭州市地下空間開發(fā)進行適宜性評價，是對地下空間合理、有序開發(fā)的前提和基礎(chǔ)。

因此，針對上述問題，以鄭州市為例，基于其地質(zhì)環(huán)境條件，綜合考慮影響地下空間開發(fā)的主要地質(zhì)因素，建立多層次評價指標體系；提出熵權(quán)-層次分析法，實現(xiàn)客觀的計算評價指標的權(quán)重，運用模糊綜合評判法分析研究區(qū)地下空間開發(fā)的適宜性程度，并結(jié)合ArcGIS空間分析功能生成鄭州市地下空間開發(fā)適宜性評價圖，從而實現(xiàn)鄭州市地下空間適宜性評價的客觀性和可靠性，為客觀準確地進行地下空間適宜性評價提供參考。

1 評價方法

1.1 熵權(quán)-層次分析法

層次分析法依賴社會調(diào)查表、專家打分[16]構(gòu)建判斷矩陣，主觀性較強，熵權(quán)-層次分析法客觀地建立判斷矩陣并計算權(quán)重，有效避免了人為因素的影響。

1.1.1 主要思路

采用熵權(quán)法計算指標層中各指標的權(quán)重，將權(quán)重結(jié)果成對比較，構(gòu)建判斷矩陣，以此代替專家打分構(gòu)建的判斷矩陣。熵權(quán)法基于原始數(shù)據(jù)的離散程度賦予權(quán)重，同時可以對有差異的數(shù)據(jù)進行強化和弱化，從而全面反映各類信息，充分發(fā)揮了熵權(quán)法客觀性和適應(yīng)性強的特點，層次分析法具有解決多目標、多層次問題的優(yōu)越性，該方法將熵權(quán)法和層次分析法有機的結(jié)合，較為客觀地計算指標權(quán)重，有效減少人為主觀性和隨意性對構(gòu)建判斷矩陣的影響。

1.1.2 具體步驟

(1)篩選評價指標，確立評價對象，以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建矩陣，采用極值法對矩陣進行標準化處理，得到標準化矩陣，極值法計算公式如下。

對于正向因素，計算公式為

(1)

對于負向因素，計算公式為

(2)

式中:aij為原始數(shù)據(jù)；rij為標準化值。

(2)使用熵權(quán)法計算各指標的熵值和權(quán)重，計算公式為

(3)

(4)

(3)將權(quán)重結(jié)果成對比較，構(gòu)建判斷矩陣，結(jié)合層次分析法中的9級評價尺度[16]，調(diào)整判斷矩陣。

(4)采用幾何平均法求解準則層和因素層判斷矩陣的最大特征值λmax，并計算準則層和因素層權(quán)重wci、wui，計算公式為

(5)

(6)

(5)對判斷矩陣進行一致性檢驗，計算一致性比例(consistence ratio, CR)。

(6)依據(jù)層次結(jié)構(gòu)中的遞階關(guān)系，計算各因素對系統(tǒng)目標的總權(quán)重wzi，以確定層次結(jié)構(gòu)中最低層對系統(tǒng)目標的重要度。計算公式為

wzi=wciwui

(7)

1.2 模糊綜合評判法

模糊綜合評判法是以模糊數(shù)學和模糊統(tǒng)計為基礎(chǔ)，對受多種影響因素制約的目標做出總體評價，該方法以結(jié)果清晰明了、實用性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在多因素模糊性問題中，Bi為模糊評判向量[17-18]，表達式為

Bi=wi×F

(8)

式中：wi為熵權(quán)-層次分析法計算得到的各指標權(quán)重；F為模糊判斷矩陣；×為模糊運算。

1.3 ArcGIS的空間分析功能

ArcGIS能夠客觀描述各種數(shù)據(jù)，可以根據(jù)不同的需求對數(shù)據(jù)進行分析處理[19]。在地下空間開發(fā)適宜性綜合評價中，利用ArcGIS的空間分析功能，對地下空間開發(fā)適宜性進行分析處理，完成適宜性分區(qū)圖，使評價結(jié)果更加清晰、直觀。

2 適宜性評價指標體系

2.1 篩選評價指標

鄭州市位于華北平原西南部邊緣地帶，地勢西南高、東北低，第四紀地層發(fā)育，地面為第四紀松散堆積物覆蓋。依據(jù)重要性、科學性和數(shù)據(jù)可得性原則，通過對鄭州市的地質(zhì)調(diào)查資料研究，結(jié)合鄭州市工程事故原因及防治措施，可確定影響鄭州市淺層地下空間開發(fā)的指標為地層巖性特征、巖土體特征、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)現(xiàn)象、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境地質(zhì)條件。

2.2 影響因素分析

2.2.1 地層巖性特征

鄭州市第四紀地層發(fā)育，第四紀松散堆積物覆蓋了整個鄭州市區(qū)，總厚度約280 m，其沉積環(huán)境復雜，主要有風積、沖洪積、沖湖積和人工堆積等。根據(jù)鄭州市地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，將鄭州市第四紀地質(zhì)概況列于表1中，鄭州市淺層地下空間開發(fā)主要在更新世土層內(nèi)。

表1 鄭州市第四紀地質(zhì)概況表

地層巖性特征指標由巖性組合、軟土層厚度、砂土液化勢、圍巖等級4個因素組成。軟土層承載力較小，易發(fā)生地基沉降變形，造成地基破壞；砂土液化會導致地基喪失承載力，造成建筑物出現(xiàn)傾倒、開裂和下沉等問題，損害建筑物；圍巖等級表示巖土體的完整程度，是進行支護設(shè)計和選擇施工方法的重要依據(jù)。

2.2.2 巖土體特征

鄭州市淺層土體以第四紀雜填土、黏性土和砂土為主，考慮第四紀土體的巖土體特征，選取工程設(shè)計中使用的土體物理力學指標作為評價因素，即土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量和土層等效剪切波速。這些因素對地下空間開發(fā)的影響主要表現(xiàn)在以下方面。

(1)土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角是土體抗剪強度的主要組成部分，一般來說土體的抗剪強度越大，基坑支護相對簡單、工程造價較低，有利于地下空間開發(fā)。

(2)土層等效剪切波速和壓縮模量常應(yīng)用在建筑場地的判別和地基沉降量的預測中，建筑場地越有利，地基沉降量越小，越適宜進行地下空間開發(fā)。對于建筑場地不利地段、地基沉降量大的地區(qū)，需要采取相應(yīng)的措施才可以進行地下空間開發(fā)。

2.2.3 水文地質(zhì)條件

鄭州市東西淺層含水層存在差異，東部含水層主要由第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)組成；西部含水層以中更新統(tǒng)為主，并有下更新統(tǒng)和上第三系存在。鄭州市主要含水巖組可劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖巖溶裂隙水和碎屑巖類裂隙孔隙水，其中以松散巖類孔隙水為主要含水巖組，其水文地質(zhì)條件較復雜。影響水文地質(zhì)條件的因素主要是地下水埋深和滲透系數(shù)，其對城市地下空間開發(fā)的影響體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)在施工過程中，進行基坑降水和設(shè)置止水帷幕會影響地下水的流場，可能引發(fā)管涌和流土等滲透破壞，影響基坑的穩(wěn)定性。

(2)施工完成后地下水回升或者豐水期的到來，會對地下工程產(chǎn)生浮托作用[20]，可能造成地下工程失穩(wěn)破壞。

(3)后期使用過程中，為防止地下水滲透或者通過毛細作用進入地下建筑內(nèi)部，影響其正常使用，需作相應(yīng)的防滲措施。

2.2.4 不良地質(zhì)現(xiàn)象

與鄭州市地下空間開發(fā)密切相關(guān)的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要是斷層構(gòu)造，根據(jù)鄭州市區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料，鄭州市斷層構(gòu)造呈隱伏狀態(tài)，其主要斷層如表2所示。

表2 鄭州市斷層概況

斷層附近的巖土體在地質(zhì)構(gòu)造作用下，原有巖石發(fā)生錯動、巖土體破碎，形成地下水流通的通道。在進行地下空間開發(fā)中需要提高工程安全等級，做好排水防滲工作，避免發(fā)生塌陷和涌水等工程問題。

2.2.5 地形地貌

鄭州市地貌按形態(tài)可劃分為丘陵崗地、波狀平原、傾斜平原和泛濫平原4類。丘陵崗地地面起伏、沖溝發(fā)育，主要分布在北三環(huán)、齊禮閆附近；波狀平原地面波狀起伏，沖溝發(fā)育一般，呈南北向或北東向展布，主要分布在西三環(huán)和五一公園周圍區(qū)域；傾斜平原地面平坦，呈南北向展布，主要分布在鄭州火車站、馮莊附近。泛濫平原地面平坦開闊，沖溝不發(fā)育，主要分布在鳳凰臺、燕莊等區(qū)域。不同地形地貌對地下空間的開發(fā)影響程度不同，其中傾斜平原和泛濫平原較適合進行地下空間開發(fā)。

2.2.6 地質(zhì)構(gòu)造

在選擇建筑場地進行地下空間開發(fā)時，應(yīng)根據(jù)地震活動情況和地震地質(zhì)的有關(guān)資料，選擇抗震有利地段，對危險地段需要避開。按照相關(guān)規(guī)范要求，為減輕地震對建筑的破壞，減少人員傷亡，需要對建筑物進行抗震設(shè)計[21]，抗震設(shè)防烈度和地震峰值加速度是進行抗震設(shè)計的重要指標。故選取歷史最大震級、抗震設(shè)防烈度和地震峰值加速度作為地質(zhì)構(gòu)造的主要影響因素。

2.2.7 環(huán)境地質(zhì)條件

依據(jù)鄭州市的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，結(jié)合環(huán)境地質(zhì)條件，選擇地質(zhì)災害、地裂縫和地面沉降速率作為影響因素。環(huán)境地質(zhì)條件對地下工程施工和后期運營的影響如下。

(1)地質(zhì)災害具有難以預測性和突發(fā)性，一旦發(fā)生會嚴重危害施工人員的安全，同時可能會造成基坑失穩(wěn)、建筑物傾斜倒塌等重大工程事故。

(2)地裂縫和地面沉降的發(fā)生初始不易察覺，容易被忽略，但是一旦發(fā)生范圍較大，后果嚴重，往往會對地下工程造成直接破壞。

2.3 評價指標體系

立足于影響地下空間開發(fā)的主要地質(zhì)因素分析結(jié)果，篩選各級評價指標，以地下空間開發(fā)適宜性為目標層(Z)，以工程地質(zhì)條件和區(qū)域地質(zhì)條件作為準則層(Ai)，選取地層巖性特征、巖土體特征、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)現(xiàn)象、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境地質(zhì)條件作為指標層(Ci)，各指標層下選擇若干影響因素作為因素層，最終確定7個指標、19個因素，采用層次分析法建立了鄭州市地下空間開發(fā)適宜性評價指標體系，如表3所示。

表3 鄭州市地下空間開發(fā)適宜性評價指標體系

3 鄭州市地下空間開發(fā)適宜性綜合評價

3.1 評價標準

參考《城市規(guī)劃工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[22]，根據(jù)鄭州市地質(zhì)條件和地質(zhì)因素評價值[23-24]，將地質(zhì)環(huán)境對鄭州市地下空間開發(fā)的適宜性等級分為4級，即地下空間開發(fā)非常適宜區(qū)(Ⅰ區(qū))、適宜區(qū)(Ⅱ區(qū))、一般適宜區(qū)(Ⅲ區(qū))和不適宜區(qū)(Ⅳ區(qū))，故地質(zhì)環(huán)境因素對地下空間開發(fā)適宜性模糊綜合評判評語集為

V=(V1，V2，V3，V4)=(非常適宜區(qū)，適宜區(qū)，一般適宜區(qū)，不適宜區(qū))

(9)

Ⅰ區(qū)地質(zhì)條件好，非常適合地下空間開發(fā)；Ⅱ區(qū)地質(zhì)條件較好，進行地下空間開發(fā)時需要考慮止水、排水問題，工程造價較高；Ⅲ區(qū)地質(zhì)條件一般，可以進行地下空間的開發(fā)，但是其施工難度、工程造價、工程安全等級都較高；Ⅳ區(qū)地質(zhì)條件復雜，不適宜進行地下空間的開發(fā)，應(yīng)盡量避開此區(qū)域。

3.2 評價因素權(quán)重計算

考慮樣本點分布的均勻性和數(shù)據(jù)的可得性，結(jié)合鄭州市城市軌道交通勘測數(shù)據(jù)及站點分布信息，以鄭州市內(nèi)35個采樣點實測信息為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(圖1)，采用熵權(quán)-層次分析法計算權(quán)重并進行一致性檢驗，以工程地質(zhì)條件A1為例進行說明。

圖1 采樣點位置圖

采用熵權(quán)法對由35點原始數(shù)據(jù)構(gòu)成的原始矩陣進行標準化處理，并計算指標層、因素層的熵值H及權(quán)重w如表4所示。

表4 工程地質(zhì)條件A1的熵值及權(quán)重

按照上述方法計算區(qū)域地質(zhì)條件A2中各指標的熵值及權(quán)重，將準則層A1、A2各指標權(quán)重兩兩相比得到準則層判斷矩陣和各指標權(quán)重wci如表5、表6所示。

(1)準則層A1指標:地層巖性特征C1、巖土體特征C2、水文地質(zhì)條件C3、不良地質(zhì)現(xiàn)象C4，其判斷矩陣和各指標權(quán)重wci如表5所示。

表5 工程地質(zhì)條件A1的判斷矩陣

分析結(jié)果表明，λmax=4.001 3，CR=0.000 4<0.1，通過一致性檢驗，所選指標有效。

鄭州市淺層地下空間開發(fā)主要在第四紀地層中，進行地下空間開發(fā)主要涉及地基持力層的選擇和巖土體的支護與加固等[6]，權(quán)重分析結(jié)果表明，地層巖性特征C1和巖土體特征C2所占權(quán)重較大，對地下空間開發(fā)影響較大，符合鄭州市的實際工程情況。

(2)準則層A2指標:地形地貌C5、地質(zhì)構(gòu)造C6、環(huán)境地質(zhì)條件C7，其判斷矩陣和各指標權(quán)重wci如表6所示。

表6 區(qū)域地質(zhì)條件A2的判斷矩陣

分析結(jié)果表明，λmax=3.012 5，CR=0.010 8<0.1，通過一致性檢驗，所選指標有效。

研究區(qū)多為泛濫平原和傾斜平原，地面起伏波動不大，地形地貌C5對地下空間開發(fā)影響較小，所占權(quán)重較小；而地質(zhì)構(gòu)造C6和環(huán)境地質(zhì)條件C7對地下工程的安全等級和工程造價影響較大，所占權(quán)重較大，對地下空間開發(fā)影響較大，與當?shù)貙嶋H工程經(jīng)驗相符。

按照上述方法和步驟，計算因素層中各因素的權(quán)重wui，依據(jù)層次結(jié)構(gòu)中的遞階關(guān)系計算各因素在準則層所占權(quán)重wzi，計算結(jié)果列于表7。

表7 評價因素權(quán)重

3.3 評價結(jié)果

根據(jù)模糊綜合評判理論[18]，確定35個樣本點(Pi為樣本點序號，i=1，2，…，35)構(gòu)成的鄭州市地下空間開發(fā)適宜性評價的因素集Ui和指標集Ci，確立多級模糊評判模型。按照評價指標的特征，由隸屬度函數(shù)和相應(yīng)準則確定定量指標和定性指標的隸屬度，構(gòu)建模糊判斷矩陣。按照模糊運算法則，計算多級模糊評判結(jié)果(模糊評判向量Bi)列于表8中。

表8 模糊綜合評判結(jié)果

3.4 基于ArcGIS的地下空間開發(fā)適宜性分區(qū)圖

根據(jù)模糊評判結(jié)果，結(jié)合中國重要城市地下綜合體規(guī)劃開發(fā)面積和鄭州市地下空間實際需求，以鄭州市路網(wǎng)圖為底圖，將研究區(qū)劃分為35個 2.6 km×2.5 km的網(wǎng)格，按照模糊綜合評判評語集，將樣本點劃分為不同的適宜性等級。通過ArcGIS生成地下空間開發(fā)適宜性分區(qū)圖(圖2)。

圖2 鄭州市地下空間開發(fā)適宜性分區(qū)圖

根據(jù)鄭州市地下空間適宜性分開發(fā)區(qū)圖，對地下空間開發(fā)適宜性分區(qū)特征分析如表9所示。

表9 鄭州市地下空間開發(fā)適宜性分區(qū)特征

4 結(jié)論

(1)綜合考慮鄭州市地層巖性特征、巖土體特征、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)現(xiàn)象、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境地質(zhì)條件等主要影響指標，構(gòu)建了7個指標共19個因素的鄭州市地下空間開發(fā)適宜性評價指標體系，較全面、合理地考慮了地質(zhì)環(huán)境條件對地下空間開發(fā)適宜性的影響。

(2)提出了客觀計算權(quán)重的熵權(quán)-層次分析法，對指標層和因素層進行權(quán)重計算，結(jié)果表明，地層巖性特征、巖土體特征、地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境地質(zhì)條件對鄭州市地下空間開發(fā)影響較大，地形地貌等因素對鄭州市地下空間開發(fā)影響較小，與當?shù)貙嶋H工程經(jīng)驗相符。

(3)鄭州市地下空間開發(fā)非常適宜區(qū)、適宜區(qū)、一般適宜區(qū)和不適宜區(qū)分別占研究區(qū)面積的22.64%、34.41%、35.90%、7.05%，不適宜區(qū)占比較小，總體上，鄭州市大部分地區(qū)適宜進行地下空間開發(fā)，其優(yōu)越的地質(zhì)條件是鄭州市大力推進地下空間開發(fā)的良好基礎(chǔ)。

(4)該評價結(jié)果是基于鄭州市地質(zhì)環(huán)境條件得到的，關(guān)于人文因素如經(jīng)濟、交通、商業(yè)等對地下空間開發(fā)的影響，及其與地質(zhì)環(huán)境條件對地下空間開發(fā)的綜合影響，仍需深入研究。