基于地質環境的建設用地適宜性模糊評價

劉 洪, 陳福春, 陳 剛

(1.國土資源部 地裂縫地質災害重點實驗室,江蘇 南京 210018; 2.江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210018)

基于地質環境的建設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 地裂縫地質災害重點實驗室,江蘇 南京 210018; 2.江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210018)

建設用地適宜性評價作為地質災害危險性評估工作的重要內容,根據其地質災害的危險性和防治工程的復雜程度進行評價,為建設項目的規劃選址提供科學依據。從地質環境出發,建立建設用地適宜性的模糊評價模型,并以無錫市區為例,進行建設用地適宜性的分區評價。

地質環境;建設用地;適宜性;模糊評價

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

作為城鎮規劃和工程建設項目前期工作的重要組成部分,建設用地適宜性評價主要為城鎮規劃和工程建設項目選址和布局提供科學依據。影響建設用地適宜性的因素很多,涉及到自然、社會、經濟、環境、工程技術等眾多方面,是一個復雜的系統工程。作為建設用地的物質基礎,地質環境是人類一切生活和工程活動的載體和基本環境,本文以地質環境條件為基礎,采用模糊評價法對無錫市區的建設用地適宜性進行了評價。

1 評價方法

建設用地適宜性評價是一個多因素、多方面耦合作用的復雜系統,評價方法很多,目前還沒有統一的評價規程和系統,采用的是土地適宜性和地質環境質量評價的方法和體系,前人也做了一些相關的研究[1-8],主要有模糊判別法、灰色理論法、人工神經網絡法、層次分析法等。

模糊判別法是一種半定量的數學方法,采用模糊判別法對建設用地進行綜合評價,能夠彌補人為定性分析的不足,提高評價結果的可信度,具有一定的合理性和優越性。本文通過對無錫市區進行建設用地適宜性模糊判別模型的運用,取得了較好的效果。

2 模糊判別原理

模糊判別是根據多變量對事物進行評價的一種方法,可以用數學公式表示如下:

A*R=B

式中:A為輸入,它是由參加評價因子的權重經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準因子的隸屬度rij組成的一個(m×n)階模糊關系矩陣;B為輸出,是綜合評判的結果,是一個由bi組成的(1×n)階行矩陣;m為評價因子數；n為評價等級個數。

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,先進行單因素綜合評判,評價結果構成模糊關系矩陣,再考慮各因素在總評判中的地位(即權重集A),求取R和A合成的過程。

建設用地適宜性的模糊數學判別的基本思路是基于建設用地適宜性以及影響因素、因子邊界的模糊性,通過建立評價指標體系、指標量化分級體系、指標權重分配體系、構造模糊判別模型,進而對建設用地適宜性進行判別。

3 評價過程

3.1 地質環境概況

無錫市區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、陽山和西南部環太湖地區,為基巖出露區,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,工程地質條件良好,但地形起伏大,露天采礦、道路和房屋建設等切坡現象嚴重,崩塌、滑坡災害較發育。沖湖積平原分布在北部、東部的廣大地區,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,承壓含水層發育,歷史上由于長期超量開采深層地下水,引發了地面沉降和伴生的地裂縫災害。2000年蘇錫常地區地下水禁采后,無錫市區的地下水位穩步回升,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,工程地質性質較差;堰橋、錫北、查橋、厚橋、錢橋、胡埭、濱湖、華莊、羊尖等平原區分布有隱伏巖溶地層,巖性為三疊系、二疊系石灰巖,上覆第四紀松散層厚度<10～170 m不等,錫山區的厚橋嵩山村歷史上曾經有巖溶地下水開采,引發了巖溶地面塌陷。

3.2 評價單元劃分

運用柵格數據處理方法進行網格剖分,單元面積選取1 km×1 km,為了提高評價結果的精度,將地貌分區、地質環境分區、地質災害易發分區界線也作為剖分單元界線。

3.3 評價等級劃分

目前還沒有建設用地適宜性評價的統一標準,本文采用《地質災害危險性評估技術要求(試行)》中的分級標準,將建設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、地質構造、地震、水文地質、工程地質、地質災害、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、包含多因素的復雜系統。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,并根據無錫市地質環境條件,選擇地形地貌、淺部巖土體工程地質條件、地質災害、人類工程活動作為建設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、坡度2個次級因子,淺部巖土體工程地質條件又分為工程地質巖組、巖體結構類型、土體結構類型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、坡度大的地區工程建設難度就大,建設成本就越高。另外,對于低山丘陵地區,遭受泥石流和滑坡等地質災害的可能性較大;地勢低的平原區不僅會遭受洪澇威脅,造成土地濕化嚴重、農田漬害加劇的后果,而且容易成為各類污水的積聚地,水土污染問題突出,建設環境和生態環境的質量均受到極大影響。

3.4.2 淺部巖土體工程地質條件

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

3.4.3 地質災害發育程度和危險性

地質災害是破壞建筑物、限制建設用地適宜性的主要因素。建設用地范圍內的地質災害發育和危害程度都嚴重影響著建筑物和人員的安全。在地質災害易發區進行工程建設,不僅對建筑物的防災標準要求高、費用大,而且風險也比較大。

3.4.4 破壞地質環境的人類工程活動

作為人類一切工程活動的載體,地質環境具有脆弱性、難以恢復性甚至是不可恢復性,隨著人類工程活動空間和規模的增大,其對地質環境的影響與改造日益劇增,導致地質災害頻發,強度和危害增大,嚴重威脅到工程建設的安全。

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

3.5 評價模型

據此,建立的無錫市區建設用地適宜性評價系統如圖1所示,確定了建設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、坡度、工程地質巖組、巖體結構類型、土體結構類型、地質災害發育程度和危險性、破壞地質環境的人類工程活動7個評價因子。

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

3.6 評價因子的標準化

為滿足模糊綜合評判運算的要求,需對上述各評價因子定量化,依據各因子對建設用地適宜性的影響程度,并結合有關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行標準化因子取值(表1)。

3.7 確定評價因子權重(A)

A=ai(i=1,2,3,…,7)

表1 建設用地適宜性評價指標表

式中:a1,a2,a3,……a7分別代表地形形態、坡度等7個評價因子的權重。各因子的權重應該滿足下列關系:

各因子權重值的大小反映了各因子對建設用地適宜性的影響程度,計算權重就是計算各評價因子對建設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、指數超標法、對比法、比例法、環比法、邏輯法、專家調查法(Delphi法)、加權評分法、目標規劃法等[9-13],本文采用層次分析法確定各評價因子的權重值,步驟如下。

3.7.1 構造判別矩陣

對于評價因子,運用九標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進行,得到評價因子判別矩陣標度值(表3)。

3.7.2 一致性和隨機性檢驗

C.I=(λmax-n)/(n-1)

C.R=C.I/R.I

式中:C.I為一致性指標;λmax為最大特征根;n為矩陣的階數;R.I為平均隨機一致性指標,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為隨機一致性比率。只有C.R<0.10時,計算出的權重值才比較合理。

表2 因子判別矩陣標準及其含義

表3 評價因子判別矩陣標度值

3.7.3 確定評價因子的權重

經過計算,判別矩陣的最大特征根λmax=7.763 8,一致性指標C.I=0.125 8,隨機一致性比率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的特征向量,并進行歸一化處理,即可得到各評價因子的權重。

通過計算,得出各因子的權重如表4。

表4 評價因子權重表

3.8 隸屬度函數的確定

隸屬度是反映評價指標隸屬于各級建設用地適宜性的程度,一般由隸屬度函數來確定,隸屬度函數是用來定量描述評價因子對建設用地適宜性級別隸屬程度大小的函數形式。參照前人有關隸屬度函數構造的經驗,針對無錫市區建設用地適宜性的影響因素、評價因子構成特征,構造了半梯形分布的隸屬度函數,如下:

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

圖2 隸屬度函數曲線圖Fig.2 Curve of membership function

根據上述隸屬度函數,利用建設用地適宜性的分級標準,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、坡度等7個評價因子。

3.9 模糊矩陣復合運算

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的復合運算,為突出主因子,本文選擇取小取大法進行復合運算。經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,然后根據最大隸屬度原則,選取其中最大值對應的級別作為建設用地適宜性的等級。

4 評價結果

根據上述模糊評價模型分別對無錫市區每個評價單元的建設用地適宜性進行評價,結果見圖3。

圖3 無錫市區建設用地適宜性分區圖Fig.3 Zone map of construction land suitability in Wuxi areas

4.1 適宜區

分布在市區的中部、東部及西南部地區,面積約835.77 km2,占無錫市區總面積的65%左右。地貌類型為沖湖積平原,淺部土體結構比較穩定,主要為粘土、粉質粘土,軟土局部發育,厚度<2 m,天然地基土條件良好。由于歷史上的地下水開采,曾發生輕—中度的地面沉降災害。適宜進行城鎮規劃和各類工程項目建設,在工程建設中,需要重視局部低洼地區分布的溝塘相的淤泥和淤泥質粉質粘土,做好軟土地基的防治。

4.2 基本適宜區

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

低山丘陵的山前崗地地形略有起伏,第四紀地層厚度一般<50 m,淺部土體主要為含礫粉質粘土,工程地質性質差異較大,天然地基土條件一般—較好,局部較差。在工程建設中,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,隱伏灰巖埋藏深度在30～50 m之間,為三疊系、二疊系灰巖,巖溶發育程度中等,上覆第四紀松散層以粘性土為主,天然地基土條件良好。工程建設中要詳細查明巖溶發育程度,進行巖溶地基穩定性評價并采取相應的地基處理措施,預防可能發生的巖溶地面塌陷。

東港鎮的西北、鴻山鎮等沖湖積平原水網化程度較高,軟土較發育,厚度2～5 m,地面沉降輕—中度發生。工程建設中,需要進行相應的填高以提高地面高程,并配套相應的疏排水工程,同時對不良的軟土地基進行必要的改良處理。

4.3 適宜性差區

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

環太湖等地的低山丘陵區地形起伏較大,坡度一般在30°左右,局部可達50°,溝谷發育。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,容易發生滑坡和崩塌災害。進行工程建設時要合理進行切坡,控制切坡的高度、坡度,并設計相應的防治工程,防止崩塌、滑坡災害的發生。

西北部的沖湖積平原,地勢低平,軟土及孔隙含水層發育,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—嚴重發生,惠山區的堰橋、石塘灣和錫山區的東亭等地由于差異沉降引發了地裂縫災害,對道路和建(構)筑物造成了嚴重破壞。工程建設中需重新復核和適當提高地面高程,設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,地裂縫影響帶外側的工程建設必須采取相應的地基處理和基礎加固措施,消除地裂縫災害的潛在危害。

錫山區的厚橋、查橋地區為山前崗地和沖湖積平原,隱伏灰巖發育,巖性為三疊系石灰巖,巖溶發育,上覆第四系松散層厚度多<10 m,巖性為粉質粘土夾粉土、中細砂夾粉土、礫砂土,由于巖溶地下水開采已引發地面塌陷。工程建設中要詳細查明巖溶發育程度,進行巖溶地基穩定性評價并采取相應的地基處理措施,預防可能發生的巖溶地面塌陷。

5 結語

在實際應用中,建設用地的適宜性不僅與地質環境條件有關,還與建設用地的氣候條件、交通狀況、周圍環境、綠化狀況、基礎設施條件、城市的建設現狀與特點、景區與古建筑的保護、農耕地保護政策等多方面因素有關,本例中評價因子的選取僅考慮了建設用地的地質環境條件,沒有考慮建設用地的社會經濟等要素,具有一定局限性。而且,不同用地功能的建設用地適宜性評價,由于評價對象和評價目的的不同,在評價因子的選擇、權重的確定、評價等級的劃分上,存在明顯的差異性,在實際應用中需要具體問題具體分析。

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(責任編輯：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,水工環地質專業,從事水工環地質調查和評價工作。E-mail:liuhong1973@126.com

X14; F301

A

1671-1211(2016)04-0645-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.023

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1529.050.html 數字出版日期:2016-07-07 15:29