徐飛飛,陳劍文,李俊瑩,王石林,何 盈
(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,湖北 武漢 430060)
地下空間是指在地表以下具有一定規(guī)模的天然的或人造的空間[1]。隨著城市資源的供需逐漸出現(xiàn)矛盾,城市地下空間資源開(kāi)發(fā)利用恰好能有效地滿足其中部分需求,因此城市地下空間開(kāi)發(fā)利用逐步受到研究者的關(guān)注,而城市地下空間開(kāi)發(fā)利用及其規(guī)劃設(shè)計(jì)離不開(kāi)前期的地質(zhì)調(diào)查和地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)[2],要完成整片區(qū)域的地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià),其中較為關(guān)鍵的問(wèn)題是解決好評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取及量化、綜合指標(biāo)賦權(quán)問(wèn)題以及選取合適的評(píng)價(jià)方法及模型等[3]。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用最為廣泛的評(píng)價(jià)方法為模糊綜合層次分析法[4-5];同時(shí)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,以及GIS和 MATLAB等軟件的成熟及廣泛應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上越來(lái)越多的評(píng)價(jià)方法和模型被提出并應(yīng)用于地下空間開(kāi)發(fā)利用的適宜性評(píng)價(jià)中,如可拓理論[6]、權(quán)重反分析法[7]、模糊集層次分析理論[8]、三維地質(zhì)建模評(píng)價(jià)[9]等評(píng)價(jià)模型。
但上述模糊綜合層次分析依賴專家及個(gè)人經(jīng)驗(yàn),主觀性過(guò)大,使得評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性難以保證;可拓模型在評(píng)價(jià)過(guò)程中受指標(biāo)取值的影響較大,一旦數(shù)值不合理,整個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)較大誤差。而近期基于有限區(qū)間云模型[10-13]構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)模型能較好地解決評(píng)價(jià)指標(biāo)的隨機(jī)性和模糊性問(wèn)題,可顯著提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,目前常被運(yùn)用于圍巖穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性、地面塌陷危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中;但在地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)中云模型的應(yīng)用還十分少見(jiàn)。為此,本文將引入有限區(qū)間云模型(CM),結(jié)合模糊綜合層次分析法、最大隸屬度原則分別完成對(duì)研究區(qū)地下空間的適宜性評(píng)價(jià)研究,通過(guò)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況的對(duì)比分析,以驗(yàn)證該模型在城市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)中的實(shí)用性與可靠性。
云模型(cloud model,CM)最早由李德毅院士等[14]在1995年提出,它是一種通過(guò)數(shù)學(xué)方法統(tǒng)籌考慮模糊性和確定性,并在兩者之間尋求映射關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)定性評(píng)價(jià)與定量數(shù)據(jù)互相轉(zhuǎn)化的重要方式。
設(shè)U是一種定量論域,在U上有定性概念O,若存在論域中某一數(shù)值xi,同時(shí)xi是定性概念O的一次隨機(jī)實(shí)現(xiàn),則xi對(duì)定性概念O的隸屬度μ(xi)是具有穩(wěn)定性傾向的隨機(jī)數(shù),每個(gè)點(diǎn)[xi,μ(xi)]稱為一個(gè)云滴,xi在論域U上的隸屬度分布稱為云。
利用期望Ex、熵En和超熵He作為云模型的特征值來(lái)表征云這一概念。其中,期望Ex表示的是定性概念論域區(qū)間的中心值;熵En用來(lái)綜合度量定性概念的模糊性和隨機(jī)性;超熵He描述熵的不確定性度量,表征云滴的離散程度。
正向有限區(qū)間云發(fā)生器是實(shí)現(xiàn)定性概念轉(zhuǎn)化為定量概念最主要的媒介,利用有限區(qū)間云模型特征參數(shù)(Ex,En,He)結(jié)合指標(biāo)等級(jí)特征和想要生成的云滴數(shù)N,可得到由N個(gè)云滴組成的定量值以及云滴圖[14]如圖1所示。若云滴x滿足x~N(Ex,En′2),其中En′2~N(Ex,En′2),則x對(duì)定性概念L的確定度可通過(guò)下式得出[15]:
(1)
傳統(tǒng)層次分析法(analytic hierachy process,AHP)采用1~9重要性標(biāo)度構(gòu)建比較矩陣計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重,而AHP用1~9的整數(shù)或其倒數(shù)進(jìn)行對(duì)比判斷會(huì)使模糊數(shù)學(xué)方法變得精確,將不能體現(xiàn)評(píng)價(jià)因子本身的模糊性和隨機(jī)性;同時(shí)AHP法在計(jì)算過(guò)程中對(duì)于多專家決策常采用和法、特征根法、幾何平均法求解判斷矩陣,從而會(huì)導(dǎo)致某些專家的主觀影響過(guò)大,甚至需要重新匯總收集意見(jiàn),故本文將引入云模型改進(jìn)AHP法完成指標(biāo)權(quán)重賦值。
類比傳統(tǒng)AHP法的1~9重要性標(biāo)度,以9朵云模型建立重要性標(biāo)度,參照黃金分割法[16]進(jìn)行劃分(表1),并通過(guò)MATLAB軟件實(shí)現(xiàn),得到兩兩比較重要性的云滴圖如圖1所示。

表1 重要性標(biāo)度定義
采用群體決策時(shí),不同決策專家以浮動(dòng)云的方式進(jìn)行集結(jié),集結(jié)方法如式(2)~(4):
(2)
(3)
(4)
式中:λi表示第i個(gè)專家的權(quán)重,屬于可調(diào)整值;Exi、Eni、Hei分別表示第i個(gè)專家重要度云模型的期望、熵、超熵。
利用上述集結(jié)算法,可以構(gòu)建因素間重要性比較矩陣,其中對(duì)角線標(biāo)度按下式計(jì)算,以此構(gòu)建云模型綜合判斷矩陣,對(duì)角線標(biāo)度計(jì)算公式為:
(5)
利用方根法計(jì)算求解評(píng)價(jià)因子隨機(jī)性和模糊性的相對(duì)權(quán)重W′(Exi′,Eni′,Hei′),并進(jìn)行一致性檢驗(yàn),使其滿足<0.1;最后依據(jù)逐層求解法,完成整個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重計(jì)算。指標(biāo)相對(duì)權(quán)重W′(Exi′,Eni′,Hei′)的計(jì)算公式如下:
(6)
(7)
(8)
(9)
在城市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)過(guò)程中,常采用一些具有模糊性和不確定性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其開(kāi)發(fā)利用適宜性進(jìn)行評(píng)判,如開(kāi)發(fā)適宜性好、開(kāi)發(fā)適宜性較好、開(kāi)發(fā)適宜性中等、開(kāi)發(fā)適宜性差等,其中每個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)中都可由本行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的定量區(qū)間來(lái)表示,如具有雙邊約束限制的[N1,N2]等級(jí)區(qū)間T,則相應(yīng)的云特征參數(shù)的計(jì)算方程如下:
(10)
(11)
HeT=λEnT
(12)
式中:ExT、EnT和HeT分別為等級(jí)區(qū)間T的3個(gè)特征值;N1和N2分別為等級(jí)區(qū)間的上、下界值;γ為有限區(qū)間內(nèi)正態(tài)密度函數(shù)的階數(shù),本文[γ]取6;λ為經(jīng)驗(yàn)值,本文取0.015。
1.3.1 CM-最大隸屬度評(píng)價(jià)模型建立
依據(jù)正向云模型,通過(guò)式(1)計(jì)算單因子確定度,并結(jié)合CM-AHP權(quán)重賦值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值,兩者相乘即可得評(píng)價(jià)區(qū)域綜合確定度,以此判斷研究區(qū)域地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性等級(jí),具體流程如圖2所示。

圖2 云模型最大隸屬度評(píng)價(jià)流程圖Fig.2 Evaluation flow chart of CM-maximum membership
首先確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并量化指標(biāo),通過(guò)正向云模型計(jì)算云模型特征值,通過(guò)正向云發(fā)生器生成各評(píng)價(jià)指標(biāo)的云圖,結(jié)合云圖計(jì)算各評(píng)價(jià)因子的確定度;然后結(jié)合CM-AHP法計(jì)算所得權(quán)重矩陣,通過(guò)運(yùn)算解得指標(biāo)綜合確定度;最后依據(jù)最大隸屬度原則即可計(jì)算得出研究區(qū)域地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性等級(jí)。
1.3.2 CM-模糊綜合評(píng)價(jià)模型建立
結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)理論,將評(píng)價(jià)區(qū)間劃分為4個(gè)區(qū)域,并賦于每個(gè)區(qū)間一個(gè)隸屬云,由實(shí)際數(shù)據(jù)確定指標(biāo)因素的確定度,可以獲得含有m個(gè)云模型的評(píng)價(jià)矩陣B;再結(jié)合CM-AHP法計(jì)算所得權(quán)重矩陣W,通過(guò)計(jì)算可得綜合評(píng)價(jià)云模型R,將所得的云模型通過(guò)MATLAB軟件以浮動(dòng)云形式顯示于評(píng)價(jià)云模型中,可以明顯判斷出其評(píng)價(jià)結(jié)果,建立的CM-模糊綜合評(píng)價(jià)模型如下:
(13)
(14)
研究區(qū)地形較為平坦,為近海平原地帶,地形起伏較小,地貌單元集中。目前研究區(qū)為待開(kāi)發(fā)區(qū),已有相關(guān)規(guī)劃正在建設(shè)中,基本無(wú)人工填土,基巖為花崗巖,基巖以上有一定程度的全風(fēng)化花崗巖、殘積土等。
該區(qū)域淺層主要利用形式為綜合管廊、地下步行街、公共商業(yè)區(qū)、市政管線、地下道路、公共停車場(chǎng)、辦公用房、公共建筑等,綜合考慮該地區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)潛力主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為地形地貌、土的性質(zhì)、地下水腐蝕性、地質(zhì)災(zāi)害影響等,分別選取地形地貌、巖土體性質(zhì)、水文地質(zhì)要素、地質(zhì)災(zāi)害、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件五大類14個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),并通過(guò)層次分析法構(gòu)建研究區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,將其定義為普通因子,見(jiàn)圖3。而將在某種程度下由于自然或人為因素不允許開(kāi)發(fā)的因子定為敏感因子,本文主要考慮將風(fēng)暴潮、活動(dòng)斷裂范圍、環(huán)境和文物保護(hù)區(qū)定為敏感因子,見(jiàn)圖3。

圖3 研究區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation index system for suitability of the development and utilization of underground space

表2 普通評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)
先通過(guò)CM-AHP法完成對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦權(quán),其中部分賦權(quán)計(jì)算過(guò)程如表3至表6所示;然后通過(guò)云集結(jié)對(duì)3位專家的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行集結(jié)并構(gòu)造判斷矩陣,各層均經(jīng)一致性檢驗(yàn)得到相對(duì)層權(quán)重;最后依據(jù)AHP法中的逐層求解法,計(jì)算得到評(píng)價(jià)指標(biāo)最終權(quán)重結(jié)果,見(jiàn)表6。

表3 適宜性評(píng)價(jià)判斷矩陣A1-B

表4 適宜性評(píng)價(jià)判斷矩陣B2-C

表5 適宜性評(píng)價(jià)判斷矩陣B3-C

表6 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表
依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦權(quán)計(jì)算過(guò)程及結(jié)果可知:通過(guò)CM-AHP法,能快速地完成專家群體決策的集結(jié)工作,并在構(gòu)建判斷矩陣時(shí)避免了因使用1~9的整數(shù)或其倒數(shù)進(jìn)行判斷而使模糊數(shù)學(xué)方法變得精確;而運(yùn)用云模型使最終計(jì)算結(jié)果保留了自身的模糊性和隨機(jī)性,同時(shí)減小了個(gè)別專家的主觀意向,也綜合考慮了各位專家的意見(jiàn),使各位專家意見(jiàn)得到充分體現(xiàn),使評(píng)價(jià)指標(biāo)最終權(quán)重結(jié)果更加可靠。
以研究區(qū)4個(gè)區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,分別運(yùn)用第1.3節(jié)中的兩種結(jié)合云模型的評(píng)價(jià)模型對(duì)研究區(qū)地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。
2.4.1 CM-最大隸屬度評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與分析
依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征值,并通過(guò)正向云模型可生成各評(píng)價(jià)指標(biāo)云圖,用于計(jì)算單因子確定度,部分云圖如圖4所示。

圖4 部分評(píng)價(jià)指標(biāo)云圖Fig.4 Cloud chart of some evaluation indicators
依據(jù)式(1),并采用最大隸屬度原則,計(jì)算研究區(qū)4個(gè)區(qū)域綜合確定等級(jí),其結(jié)果見(jiàn)表7,計(jì)算所得研究區(qū)4個(gè)區(qū)域地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性等級(jí)分別為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)。

表7 綜合確定度評(píng)價(jià)結(jié)果
2.4.2 CM-模糊綜合評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與分析
以模糊綜合理論的隸屬度確定為依據(jù),以10分制進(jìn)行隸屬度劃分[18],分別對(duì)應(yīng)4個(gè)區(qū)間隸屬等級(jí)云,如表8所示。
誠(chéng)龍先生是慣打野槍的,如匕首投槍,刺貪刺虐入木三分。為清官樹(shù)碑,為貪官畫(huà)像,幾乎篇篇不離諷刺與諷喻,時(shí)時(shí)不忘警醒與警示。作者之用心,可謂良苦。

表8 評(píng)價(jià)等級(jí)及云數(shù)字特征
最終計(jì)算得到研究區(qū)4個(gè)區(qū)域浮動(dòng)云模型分別為R1(6.687 3,0.405 7,0.005 9)、R2(5.126 9,0.385 4,0.005 6)、R3(3.204 6,0.355 8,0.005 2)、R4(5.276 1,0.373 7,0.005 5)。在MATLAB軟件中將浮動(dòng)云模型與綜合評(píng)價(jià)云模型進(jìn)行對(duì)比分析(圖5),可知4個(gè)區(qū)域地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)等級(jí)分別對(duì)應(yīng)Ⅱ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅱ級(jí)。

圖5 評(píng)價(jià)結(jié)果示意圖Fig.5 Diagram of evaluation result
將上述兩種評(píng)價(jià)模型的評(píng)價(jià)結(jié)果與研究區(qū)地下空間實(shí)際開(kāi)發(fā)情況進(jìn)行對(duì)比(表9),通過(guò)分析評(píng)價(jià)過(guò)程與評(píng)價(jià)結(jié)果可知:在數(shù)據(jù)完善的地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)中,CM-最大隸屬度評(píng)價(jià)模型更加適用,該評(píng)價(jià)模型通過(guò)云模型確定單因子確定度,使評(píng)價(jià)因子保持了本身的模糊性與隨機(jī)性,通過(guò)計(jì)算綜合確定度也考慮了各評(píng)價(jià)因子的不確定性,最終計(jì)算得到的評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合實(shí)際情況;而CM-模糊綜合評(píng)價(jià)模型更加適用于多決策模式下,通過(guò)統(tǒng)一的評(píng)價(jià)范圍,采用集結(jié)云集結(jié)多種決策方式進(jìn)行評(píng)價(jià),例如多專家統(tǒng)一評(píng)分范圍下的評(píng)價(jià)等級(jí)確定,如“堤壩”“圍巖”“邊坡穩(wěn)定性”評(píng)價(jià)中,但相對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)量化區(qū)間不同、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)且難以統(tǒng)一歸一化的城市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)不是很適用。

表9 綜合評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析
本文運(yùn)用上述CM-最大隸屬度評(píng)價(jià)模型完成了對(duì)三亞市中央商務(wù)區(qū)淺層地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性的評(píng)價(jià),其中敏感因子如風(fēng)暴潮、活動(dòng)斷裂范圍、環(huán)境和文物保護(hù)區(qū)等直接劃定為不適宜開(kāi)發(fā)區(qū)域(Ⅴ級(jí))或開(kāi)發(fā)適宜性差區(qū)域(Ⅳ級(jí));并結(jié)合GIS及MATLAB軟件進(jìn)行批量分區(qū)運(yùn)算,最終得到的評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示。圖6反映了該地區(qū)淺層地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性的總體情況,研究區(qū)共劃分為以下5個(gè)開(kāi)發(fā)利用適宜性等級(jí):

圖6 三亞市中央商務(wù)區(qū)淺層地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果分區(qū)圖Fig.6 Partition map of suitability evaluation results for the development and utilization of shallow underground space in the central business district of Sanya City
1) 不適宜開(kāi)發(fā)區(qū)域(Ⅴ)。在活動(dòng)斷裂的影響范圍內(nèi),受活斷層等地質(zhì)災(zāi)害的影響,故不適宜開(kāi)發(fā)地下空間。
2) 開(kāi)發(fā)適宜性差區(qū)域(Ⅳ)。地基承載差,存在軟土區(qū)域、環(huán)境和文物保護(hù)區(qū)、水源地保護(hù)區(qū)等,對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)將造成較大的不利影響,因此該區(qū)域不適宜開(kāi)發(fā)重要性工程,可開(kāi)發(fā)如倉(cāng)儲(chǔ)空間、物流空間等設(shè)施。
3) 開(kāi)發(fā)適宜性中等區(qū)域(Ⅲ)。該區(qū)域巖體整體較破碎,工程地質(zhì)條件較差,且土體價(jià)格稍低,無(wú)軌道交通節(jié)點(diǎn),社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素影響較弱,導(dǎo)致地下空間開(kāi)發(fā)潛力評(píng)價(jià)結(jié)果為中等。
4) 開(kāi)發(fā)適宜性較好區(qū)域(Ⅱ)。該區(qū)域含水層埋深較淺,對(duì)地下空間的推動(dòng)力較強(qiáng),且工程地質(zhì)條件較好,但社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素影響稍弱,對(duì)地下空間開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)力稍小,故地下空間開(kāi)發(fā)潛力較好。
5) 開(kāi)發(fā)適宜性好區(qū)域(Ⅰ)。該區(qū)域地質(zhì)承載力好,含水層埋深較深,含水層厚度較小,且位于三亞總體規(guī)劃一軸范圍區(qū)域,有強(qiáng)烈的經(jīng)濟(jì)推動(dòng)作用,適宜大規(guī)模地開(kāi)發(fā)地下空間。
1) 將城市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系劃分為普通因子和敏感因子,引進(jìn)云模型(CM)改進(jìn)層次分析法(AHP),構(gòu)建CM-AHP賦權(quán)法并通過(guò)集結(jié)云可以快速準(zhǔn)確地完成專家群體決策的集結(jié),以云標(biāo)度代替?zhèn)鹘y(tǒng)AHP法1~9整數(shù)標(biāo)度可以體現(xiàn)數(shù)據(jù)的模糊性和隨機(jī)性,能減少個(gè)別專家主觀意向的影響,能綜合考慮每位專家的意見(jiàn),并充分體現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果的不確定性。
2) 構(gòu)建的CM-最大隸屬度評(píng)價(jià)模型更適用于城市地下空間開(kāi)發(fā)利用適宜性的評(píng)價(jià),該評(píng)價(jià)模型計(jì)算單因子確定度時(shí)綜合考慮了評(píng)價(jià)因子本身的模糊性和隨機(jī)性,所得的綜合確定度結(jié)果更符合實(shí)際情況,并綜合考慮了評(píng)價(jià)的不確定性,較傳統(tǒng)方法更為適用、可靠。
3) 構(gòu)建的CM-模糊綜合評(píng)價(jià)模型更加適用于通過(guò)專家群體決策的綜合評(píng)價(jià)中,它通過(guò)云集結(jié)可以快速計(jì)算得出其浮動(dòng)云模型,其評(píng)價(jià)結(jié)果綜合考慮了其本身的模糊性和隨機(jī)性,具備較大的借鑒價(jià)值。
4) 在指標(biāo)賦權(quán)完成和綜合考慮了敏感因子所帶來(lái)影響的基礎(chǔ)上,運(yùn)用CM-最大隸屬度評(píng)價(jià)模型完成了對(duì)三亞市中央商務(wù)區(qū)淺層地下空間開(kāi)發(fā)利用的適宜性評(píng)價(jià),通過(guò)與當(dāng)?shù)貙?shí)際地質(zhì)條件及實(shí)際開(kāi)發(fā)情況的對(duì)比分析,充分驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)模型的實(shí)用性與可靠性。