李 景
(福建省地質(zhì)調(diào)查研究院,福州,350013)
近年來(lái),我國(guó)實(shí)行地下空間資源開(kāi)發(fā)利用激勵(lì)政策,如何科學(xué)合理開(kāi)發(fā)利用城市地下空間資源成為迫切需要解決的課題,特別是從地質(zhì)環(huán)境條件的角度開(kāi)展濱海城市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而,國(guó)內(nèi)專(zhuān)門(mén)針對(duì)濱海城市的地下空間開(kāi)發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)較少。因此,探討一套適合于濱海城市的地下空間開(kāi)發(fā)利用適用性指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)模型以及權(quán)重確定方法具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。目前,城市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)的方法主要有地質(zhì)綜合分析法、綜合指數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)方法等[1,2]。而確定各指標(biāo)權(quán)重的方法主要有專(zhuān)家打分法、層次分析法、改進(jìn)層次分析法、變權(quán)法以及權(quán)重反分析等方法[3,4]。由專(zhuān)家打分法與層次分析法的確定的權(quán)重往往存在主觀性偏大的缺陷,而采用權(quán)重反分析的方法恰好能克服這一不足。
筆者將權(quán)重反分析法運(yùn)用在福建濱海城市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)中,充分利用福州、廈門(mén)、漳州、寧德4個(gè)城市的適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果等資料,反分析指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重,最后結(jié)合平潭 綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)的地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)對(duì)評(píng)價(jià)模型、指標(biāo)體系、權(quán)重進(jìn)行應(yīng)用。
合理選擇評(píng)價(jià)目標(biāo)起主導(dǎo)作用,比較穩(wěn)定、可量化表示的參評(píng)因子是評(píng)價(jià)工作的關(guān)鍵[5]。因此,筆者通過(guò)對(duì)濱海地區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景的研究,歸納出對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)起主導(dǎo)作用的區(qū)域穩(wěn)定性、工程災(zāi)害及地質(zhì)環(huán)境破壞、地下水、巖土類(lèi)型及其工程性質(zhì)4個(gè)一級(jí)指標(biāo)。這4個(gè)一級(jí)指標(biāo)反映地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀,其對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用的制約主要體現(xiàn)在地下空間開(kāi)發(fā)需要較大的工程費(fèi)用投入。在二級(jí)指標(biāo)的選取上,參照已經(jīng)完成地下空間開(kāi)發(fā)適宜性評(píng)價(jià)的福州市(閩江口地區(qū))、廈門(mén)市、寧德市和漳州市的經(jīng)驗(yàn),選擇相對(duì)權(quán)重較大的、對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響相對(duì)大的二級(jí)指標(biāo)。
分別對(duì)每個(gè)二級(jí)指標(biāo)賦評(píng)分值,二級(jí)指標(biāo)的評(píng)分值根據(jù)各指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按1~4賦值,對(duì)適宜性?xún)?yōu)的等級(jí)賦值4,適宜性良的等級(jí)賦值3,適宜性中的等級(jí)賦值2,適宜性差的等級(jí)賦值1。
1.2.1 區(qū)域穩(wěn)定性
區(qū)域穩(wěn)定性、活動(dòng)斷裂構(gòu)造對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用具有較大的影響,選取地震烈度、斷裂帶2個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)(表1)。
表1 區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分級(jí)和評(píng)分值
1.2.2 工程災(zāi)害及地質(zhì)環(huán)境破壞
已有建筑對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)有一定的影響,尤其是樁基礎(chǔ)。此外,在濱海城市進(jìn)行地鐵施工等地下空間的開(kāi)發(fā),由于存在較厚的軟土層,必須考慮到地面沉降問(wèn)題,部分濱海地區(qū)存在較厚的飽和狀態(tài)的粉細(xì)砂,存在砂土液化的可能性。選取樁基和潛在工程地質(zhì)問(wèn)題(包括地面沉降、砂土液化)2個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)(表2)。
表2 工程災(zāi)害及地質(zhì)環(huán)境破壞評(píng)價(jià)分級(jí)和評(píng)分值
Table 2 Classification and score value the of engineering disaster and geoloical environmental damage
一級(jí)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)分級(jí)評(píng)分值(Cij)工程災(zāi)害及地質(zhì)環(huán)境破壞(B2)樁基(C3)不存在樁基2存在樁基1地面沉降、砂土液化(C4)不存在地面沉降和砂土液化2存在地面沉降或砂土液化1
1.2.3 地下水
地下水對(duì)地下構(gòu)筑物產(chǎn)生較大的上浮力,如果防水措施或抗浮措施不力,可能引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞[6],因此地下水埋深越淺對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用越不利。同時(shí),在地下水的富水性方面,單井涌水量越大,富水性越好,城市軌道交通的區(qū)間隧道和站點(diǎn)基坑越易引發(fā)涌水,水量越豐富對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)利用越不利。選取水位埋深、富水性、滲透性、腐蝕性4個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)行評(píng)價(jià)(表3)。
表3 地下水評(píng)價(jià)分級(jí)和評(píng)分值
1.2.4 巖土類(lèi)型及其工程性質(zhì)
巖土體類(lèi)型方面,淤泥質(zhì)土、孤石是濱海城市地下空間開(kāi)發(fā)的制約因素,一般情況下,淤泥質(zhì)土厚度越大,對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)越不利。而殘坡積層與強(qiáng)風(fēng)化巖中存在的孤石不利于地鐵盾構(gòu)施工,也對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)不利。選取巖土體類(lèi)型、飽和單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整程度3個(gè)二級(jí)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)(表4)。
采用基于加權(quán)平均法的綜合指數(shù)模型,通過(guò)引入2級(jí)權(quán)重來(lái)體現(xiàn)各指標(biāo)對(duì)適宜性評(píng)價(jià)指數(shù)影響的程度。由一級(jí)指標(biāo)(Bi)到適宜性指數(shù)(I)的評(píng)分結(jié)果為:
(1)
式中:I為適宜性指數(shù)總評(píng)分值;Wi為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重;Bi為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)的評(píng)分值。由二級(jí)指標(biāo)到一級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)結(jié)果:
(2)
式中:Wij為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的第j項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重;Cij為第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)對(duì)應(yīng)第j項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)分值。
表4 巖土類(lèi)型及其工程性質(zhì)評(píng)價(jià)分級(jí)和評(píng)分值
主要研究對(duì)象為城市軌道交通密切相關(guān)的次淺層地下空間(即埋深為-10~-30 m),按照適宜性指數(shù),將評(píng)價(jià)區(qū)劃分為4個(gè)區(qū),即適宜性?xún)?yōu)區(qū)(Ⅰ)、適宜性良區(qū)(Ⅱ)、適宜性中區(qū)(Ⅲ)、適宜性差區(qū)(Ⅳ)(表5)。
表5 評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分
反分析是根據(jù)被研究對(duì)象的理論模型和一些先驗(yàn)信息來(lái)求解其逆問(wèn)題的過(guò)程[7]。權(quán)重是指某指標(biāo)在整體評(píng)價(jià)中的相對(duì)重要程度。權(quán)重反分析法就是在已知實(shí)際適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)、評(píng)價(jià)指標(biāo)及函數(shù)關(guān)系的前提下,依據(jù)一定的方法來(lái)求取評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。
采用逆法作為反分析的求解方法,即把函數(shù)關(guān)系表達(dá)成待求權(quán)重的顯函數(shù),代入適宜性指數(shù)和各指標(biāo)的評(píng)分值,直接求解各指標(biāo)權(quán)重。
一級(jí)指標(biāo)權(quán)重反分析數(shù)學(xué)模型如下:
(3)
同理二級(jí)權(quán)重反分析數(shù)學(xué)模型如下:
(4)
收集福建濱海區(qū)域的福州、廈門(mén)、漳州、寧德4個(gè)城市的地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)資料,根據(jù)前面的表達(dá)式和賦值,由已知濱海區(qū)域城市的地下空間適宜性評(píng)價(jià)等級(jí),反算權(quán)重。由于4個(gè)城市的地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)采用的指標(biāo)體系不同,評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)方法不同,所以在此次權(quán)重反分析中,統(tǒng)一按照表1~4的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其分級(jí)賦值,充分利用4個(gè)城市的地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果,用統(tǒng)一的適宜性評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)反算各指標(biāo)的權(quán)重。
根據(jù)福州、廈門(mén)、寧德、漳州的4個(gè)城市樣本數(shù)據(jù)(表6),由一級(jí)指標(biāo)權(quán)重反分析數(shù)學(xué)模型(3),用消元法解四元一次方程組,可計(jì)算得出(W1,W2,W3,W4)=(0.194, 0.045, 0.186, 0.571)。
表6 權(quán)重反分析原始數(shù)據(jù)
同理,根據(jù)一級(jí)指標(biāo)評(píng)分值以及二級(jí)指標(biāo)的評(píng)分值,運(yùn)用二級(jí)權(quán)重反分析數(shù)學(xué)模型(4),代入11個(gè)樣本數(shù)據(jù),計(jì)算二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重:
(W11,W12)=(0.5,0.5)
(W21,W22)=(0.6,0.4)
(W31,W32,W33,W34)=(0.63,0.23,0.08,0.06);
(W41,W42,W43)=(0.6,0.2,0.2)。
平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)的主島面積為324.13 km2。平潭島東北部的君山,巖體以堅(jiān)硬的凝灰?guī)r、凝灰熔巖為主;平潭島的東南部澳前鎮(zhèn),巖體以堅(jiān)硬的中細(xì)粒黑云母正長(zhǎng)花崗巖為主;平潭島的西部幸福洋組團(tuán),土體以海積的淤泥、淤泥質(zhì)土為主;平潭島的北部長(zhǎng)江澳,表層土體以風(fēng)積粉細(xì)砂為主。松散巖類(lèi)孔隙水在區(qū)內(nèi)廣泛分布,含水層主要由第四系全新統(tǒng)海積粉細(xì)砂、中細(xì)砂,含礫中粗砂等組成,透水性好,含水層厚度一般為9~19.67 m,地下水位埋深一般為0.70~1.42 m。全島已開(kāi)發(fā)地下空間面積約420萬(wàn)m2,且現(xiàn)狀地下空間開(kāi)發(fā)利用較分散。
將平潭島綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)用網(wǎng)格化,分成100 m×100 m的方格,利用上述評(píng)價(jià)模型(1)(2),代入上述權(quán)重反分析得到的一級(jí)指標(biāo)權(quán)重及二級(jí)指標(biāo)權(quán)重。疊加運(yùn)計(jì)算各方格的適宜性評(píng)價(jià)總得分,最后將所有網(wǎng)格按適宜性評(píng)價(jià)總得分的級(jí)別,連片成圖,將平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)劃分為4個(gè)區(qū),即適宜性?xún)?yōu)區(qū)(Ⅰ)、適宜性良區(qū)(Ⅱ)、適宜性中區(qū)(Ⅲ)、適宜性差區(qū)(Ⅳ)(圖1)。
適宜性?xún)?yōu)區(qū):主要分布于西北的白青、蘇澳地區(qū),以及北部的君山一帶,為丘陵區(qū)域總面積約103.44 km2。
適宜性良區(qū):主要為潭城組團(tuán)、流水小城鎮(zhèn)以及區(qū)內(nèi)丘陵區(qū)與平原區(qū)的過(guò)渡地帶,總面積約103.54 km2。
適宜性中區(qū):主要在主島北部的蘆洋鄉(xiāng)大面積分布,是現(xiàn)階段平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)重點(diǎn)規(guī)劃開(kāi)發(fā)建設(shè)的區(qū)域,總面積約107.95 km2。
適宜性差區(qū):主要分布在竹嶼組團(tuán)和幸福洋組團(tuán)的局部軟土震陷區(qū)、砂土液化區(qū),總面積約0.84 km2。
圖1 平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)次淺層地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)分區(qū)圖
(1)基于濱海城市地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn),選取對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)起主導(dǎo)作用的區(qū)域穩(wěn)定性、工程災(zāi)害及地質(zhì)環(huán)境破壞、地下水、巖土類(lèi)型及其工程性質(zhì)4個(gè)一級(jí)指標(biāo),構(gòu)建起適用于濱海城市的含11項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并且建立加權(quán)平均法的綜合指數(shù)評(píng)價(jià)模型。
(2) 運(yùn)用指標(biāo)權(quán)重反分析法,依據(jù)福州市、廈門(mén)市、漳州市、寧德市的地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)成果,計(jì)算出一級(jí)指標(biāo)權(quán)重及二級(jí)指標(biāo)權(quán)重,以平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)地下空間適宜性評(píng)價(jià)為例,對(duì)反分析得到的權(quán)重進(jìn)行應(yīng)用。
(3) 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)模型及其指標(biāo)權(quán)重應(yīng)用于平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià),結(jié)果表明其可行性和可靠性較高,可為其他濱海城市地下空間開(kāi)發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)提供參考。