基于模糊數(shù)學(xué)和改進(jìn)層次的地下空間評(píng)價(jià)

朱恒華，劉婭楠，賈超*，王瑋，狄勝同，劉治政，楊霄，劉柏含，李虎，唐俊平

（1.山東省地質(zhì)調(diào)查院，濟(jì)南 250013；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院，武漢 430074；3.山東大學(xué) 海洋研究院，山東 青島 266237；4.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250101)

1 引言

目前，關(guān)于地下空間適宜性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)成共識(shí)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼采用層次分析法、綜合疊加法分析了地下空間適宜性的主要影響因素[1-2]，運(yùn)用專家問(wèn)卷調(diào)查法、熵權(quán)法等方法進(jìn)行了大量的賦權(quán)研究[3-4]，建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、可拓法等數(shù)學(xué)模型[5-7]。總的來(lái)說(shuō)，地下空間適宜性評(píng)價(jià)方法還處于完善階段，存在指標(biāo)定權(quán)方法相對(duì)單一、評(píng)估結(jié)果不夠客觀等問(wèn)題。

基于模糊數(shù)學(xué)和改進(jìn)層次分析法建立數(shù)學(xué)模型，開展考慮地形地貌、水文地質(zhì)等綜合因素的地下空間適宜性評(píng)價(jià)研究，可以為地下空間的建設(shè)工程項(xiàng)目規(guī)劃選址、方案設(shè)計(jì)等提供理論依據(jù)，避免或減輕各種潛在的地質(zhì)災(zāi)害和工程活動(dòng)導(dǎo)致的次生災(zāi)害所帶來(lái)的損失。

2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 建立指標(biāo)體系

從地形地貌、水文地質(zhì)條件等5個(gè)角度出發(fā)，共選取32個(gè)典型指標(biāo)構(gòu)建適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[8-9]。將其適宜性程度劃分為優(yōu)秀、良好、中等和不適宜4個(gè)級(jí)別進(jìn)行打分評(píng)價(jià)（見表1）。

表1 地下空間適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

邀請(qǐng)地下空間研究領(lǐng)域的3名專家，運(yùn)用改進(jìn)層次分析法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行打分。構(gòu)造比較判斷矩陣，分別計(jì)算各指標(biāo)相對(duì)于另一指標(biāo)的權(quán)重值，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，確定不一致的允許范圍。最終得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值（見表2）。

表2 地下空間適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)量化分析，可以得到適宜性評(píng)價(jià)因素集到模糊評(píng)語(yǔ)集的模糊關(guān)系矩陣R。將建立的模糊關(guān)系矩陣R和權(quán)值分配集W相乘，根據(jù)模糊運(yùn)算矩陣即可得到評(píng)價(jià)結(jié)果B，計(jì)算公式如下：

評(píng)價(jià)結(jié)果B中元素bj（j=1,2,…,n）表示第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)。參考地下空間適宜性評(píng)價(jià)現(xiàn)有研究成果，采用5級(jí)分類將評(píng)價(jià)結(jié)果分為：適宜、較適宜、中等適宜、較不適宜和不適宜5個(gè)等級(jí)。根據(jù)最大隸屬度原則判斷綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，最終可以確定評(píng)價(jià)結(jié)果的等級(jí)[10-11]，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究區(qū)域的模糊綜合評(píng)價(jià)。

3 適宜性評(píng)價(jià)

3.1 研究區(qū)概況

本文選取山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換先行區(qū)為研究對(duì)象，應(yīng)用評(píng)價(jià)模型對(duì)區(qū)域地下空間適宜性進(jìn)行分析。研究區(qū)位于濟(jì)南市黃河北岸沖積平原地區(qū)，范圍涉及1區(qū)1縣的8個(gè)街道，規(guī)劃面積約733 km2，地下空間需求較為迫切（見圖1）。

圖1 研究區(qū)范圍圖示意圖

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

利用Arc GIS軟件強(qiáng)大的分析計(jì)算功能，依據(jù)確定的權(quán)重將研究區(qū)的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行疊加計(jì)算，以3'×3'大小的網(wǎng)格單元繪制出區(qū)域城市地下空間開發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)圖，并對(duì)其適宜性進(jìn)行分類劃分（見圖2）。

圖2 研究區(qū)地下空間適宜性評(píng)價(jià)圖

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)城市地下空間開發(fā)利用總體較為適宜。適宜區(qū)主要位于典型區(qū)北部，大多具有地形平坦、工程地質(zhì)條件良好等特點(diǎn)。不適宜區(qū)主要位于黃河沿岸和中南部濟(jì)陽(yáng)煤礦采礦范圍，受河流流經(jīng)和采空塌陷影響較大。研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)，較不適宜區(qū)多位于地表河流發(fā)育區(qū)和濟(jì)陽(yáng)煤礦周邊區(qū)域。分析結(jié)果基本符合區(qū)域?qū)嶋H情況，模型構(gòu)建較為合理。

4 結(jié)論

1）結(jié)合國(guó)內(nèi)外地下空間適宜性評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀，從地形地貌、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)、城市發(fā)展?fàn)顩r5個(gè)方面出發(fā)，選取了32個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行建模分析。所選指標(biāo)能夠較為全面、客觀地對(duì)地下空間進(jìn)行分析，為地下空間適宜性提供評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2）基于模糊數(shù)學(xué)和改進(jìn)層次分析法建立了地下空間適宜性評(píng)價(jià)模型，能夠客觀反映適宜性等級(jí)的模糊性和連續(xù)性，在很大程度上降低了主觀因素的影響。通過(guò)改進(jìn)層次分析法和可信度檢驗(yàn)，模型的可信度得到了提高，評(píng)價(jià)結(jié)果更科學(xué)、準(zhǔn)確。

3）運(yùn)用本文模型評(píng)價(jià)山東省新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換先行區(qū)地下空間適宜性，通過(guò)Arc GIS平臺(tái)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行可視化分析，所得結(jié)果基本符合實(shí)際，模型構(gòu)建較為合理，可以用于評(píng)估地下空間適宜性，能夠?yàn)榈叵鹿こ探ㄔO(shè)提供一定的理論支撐。