基于权重反分析的福建滨海城市地下空间开发适宜性评价

李 景

(福建省地质调查研究院，福州，350013)

近年来，我国实行地下空间资源开发利用激励政策，如何科学合理开发利用城市地下空间资源成为迫切需要解决的课题，特别是从地质环境条件的角度开展滨海城市地下空间开发利用适宜性评价具有重要的现实意义。然而，国内专门针对滨海城市的地下空间开发利用地质环境适宜性评价较少。因此，探讨一套适合于滨海城市的地下空间开发利用适用性指标体系、评价模型以及权重确定方法具有重要的理论和实践价值。目前，城市地下空间开发利用适宜性评价的方法主要有地质综合分析法、综合指数法、模糊综合评价方法等[1，2]。而确定各指标权重的方法主要有专家打分法、层次分析法、改进层次分析法、变权法以及权重反分析等方法[3，4]。由专家打分法与层次分析法的确定的权重往往存在主观性偏大的缺陷，而采用权重反分析的方法恰好能克服这一不足。

笔者将权重反分析法运用在福建滨海城市地下空间开发利用适宜性评价中，充分利用福州、厦门、漳州、宁德4个城市的适宜性评价结果等资料，反分析指标体系中各指标的权重，最后结合平潭 综合实验区的地下空间开发利用适宜性评价对评价模型、指标体系、权重进行应用。

1 评价方法与过程

1.1 指标的选取

合理选择评价目标起主导作用，比较稳定、可量化表示的参评因子是评价工作的关键[5]。因此，笔者通过对滨海地区地质环境背景的研究，归纳出对地下空间开发利用适宜性评价起主导作用的区域稳定性、工程灾害及地质环境破坏、地下水、岩土类型及其工程性质4个一级指标。这4个一级指标反映地质环境现状，其对地下空间开发利用的制约主要体现在地下空间开发需要较大的工程费用投入。在二级指标的选取上，参照已经完成地下空间开发适宜性评价的福州市(闽江口地区)、厦门市、宁德市和漳州市的经验，选择相对权重较大的、对评价结果影响相对大的二级指标。

1.2 各指标的评分

分别对每个二级指标赋评分值，二级指标的评分值根据各指标的评价标准按1～4赋值，对适宜性优的等级赋值4，适宜性良的等级赋值3，适宜性中的等级赋值2，适宜性差的等级赋值1。

1.2.1 区域稳定性

区域稳定性、活动断裂构造对地下空间开发利用具有较大的影响，选取地震烈度、断裂带2个二级指标对其进行评价(表1)。

表1 区域稳定性评价分级和评分值

1.2.2 工程灾害及地质环境破坏

已有建筑对地下空间的开发有一定的影响，尤其是桩基础。此外，在滨海城市进行地铁施工等地下空间的开发，由于存在较厚的软土层，必须考虑到地面沉降问题，部分滨海地区存在较厚的饱和状态的粉细砂，存在砂土液化的可能性。选取桩基和潜在工程地质问题(包括地面沉降、砂土液化)2个二级指标对其进行评价(表2)。

表2 工程灾害及地质环境破坏评价分级和评分值

Table 2 Classification and score value the of engineering disaster and geoloical environmental damage

一级指标二级指标评价分级评分值(Cij)工程灾害及地质环境破坏(B2)桩基(C3)不存在桩基2存在桩基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

地下水对地下构筑物产生较大的上浮力，如果防水措施或抗浮措施不力，可能引发结构破坏[6]，因此地下水埋深越浅对地下空间开发利用越不利。同时，在地下水的富水性方面，单井涌水量越大，富水性越好，城市轨道交通的区间隧道和站点基坑越易引发涌水，水量越丰富对地下空间的开发利用越不利。选取水位埋深、富水性、渗透性、腐蚀性4个二级指标对地下空间的开发利用进行评价(表3)。

表3 地下水评价分级和评分值

1.2.4 岩土类型及其工程性质

岩土体类型方面，淤泥质土、孤石是滨海城市地下空间开发的制约因素，一般情况下，淤泥质土厚度越大，对地下空间开发越不利。而残坡积层与强风化岩中存在的孤石不利于地铁盾构施工，也对地下空间开发不利。选取岩土体类型、饱和单轴抗压强度、岩体完整程度3个二级指标对其进行评价(表4)。

1.3 评价模型

采用基于加权平均法的综合指数模型，通过引入2级权重来体现各指标对适宜性评价指数影响的程度。由一级指标(Bi)到适宜性指数(I)的评分结果为：

(1)

式中:I为适宜性指数总评分值；Wi为第i个一级指标的权重；Bi为第i个一级指标的评分值。由二级指标到一级指标的评价结果：

(2)

式中：Wij为第i个一级指标对应的第j项二级指标的权重；Cij为第i个一级指标对应第j项二级指标的评分值。

表4 岩土类型及其工程性质评价分级和评分值

1.4 评价结果等级划分

主要研究对象为城市轨道交通密切相关的次浅层地下空间(即埋深为-10～-30 m)，按照适宜性指数，将评价区划分为4个区，即适宜性优区(Ⅰ)、适宜性良区(Ⅱ)、适宜性中区(Ⅲ)、适宜性差区(Ⅳ)(表5)。

表5 评价结果等级划分

2 指标权重反分析法

2.1 权重反分析理论

反分析是根据被研究对象的理论模型和一些先验信息来求解其逆问题的过程[7]。权重是指某指标在整体评价中的相对重要程度。权重反分析法就是在已知实际适宜性评价等级、评价指标及函数关系的前提下，依据一定的方法来求取评价指标的权重。

采用逆法作为反分析的求解方法，即把函数关系表达成待求权重的显函数，代入适宜性指数和各指标的评分值，直接求解各指标权重。

一级指标权重反分析数学模型如下：

(3)

同理二级权重反分析数学模型如下：

(4)

2.2 评价指标权重确定

收集福建滨海区域的福州、厦门、漳州、宁德4个城市的地下空间开发利用适宜性评价资料，根据前面的表达式和赋值，由已知滨海区域城市的地下空间适宜性评价等级，反算权重。由于4个城市的地下空间开发利用适宜性评价采用的指标体系不同，评价标准、评价方法不同，所以在此次权重反分析中，统一按照表1～4的评价指标体系及其分级赋值，充分利用4个城市的地下空间开发利用适宜性评价结果，用统一的适宜性评价分级标准来反算各指标的权重。

2.3 计算一级指标的权重

根据福州、厦门、宁德、漳州的4个城市样本数据(表6)，由一级指标权重反分析数学模型(3)，用消元法解四元一次方程组，可计算得出(W1,W2,W3,W4)=(0.194, 0.045, 0.186, 0.571)。

表6 权重反分析原始数据

2.4 计算二级指标的权重

同理，根据一级指标评分值以及二级指标的评分值，运用二级权重反分析数学模型(4)，代入11个样本数据，计算二级指标的权重：

(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)。

3 实例应用

3.1 研究区概况

平潭综合实验区的主岛面积为324.13 km2。平潭岛东北部的君山，岩体以坚硬的凝灰岩、凝灰熔岩为主；平潭岛的东南部澳前镇，岩体以坚硬的中细粒黑云母正长花岗岩为主；平潭岛的西部幸福洋组团，土体以海积的淤泥、淤泥质土为主；平潭岛的北部长江澳，表层土体以风积粉细砂为主。松散岩类孔隙水在区内广泛分布，含水层主要由第四系全新统海积粉细砂、中细砂，含砾中粗砂等组成，透水性好，含水层厚度一般为9～19.67 m，地下水位埋深一般为0.70～1.42 m。全岛已开发地下空间面积约420万m2，且现状地下空间开发利用较分散。

3.2 地下空间适宜性评价

将平潭岛综合实验区用网格化，分成100 m×100 m的方格，利用上述评价模型(1)(2)，代入上述权重反分析得到的一级指标权重及二级指标权重。叠加运计算各方格的适宜性评价总得分，最后将所有网格按适宜性评价总得分的级别，连片成图，将平潭综合实验区划分为4个区，即适宜性优区(Ⅰ)、适宜性良区(Ⅱ)、适宜性中区(Ⅲ)、适宜性差区(Ⅳ)(图1)。

适宜性优区：主要分布于西北的白青、苏澳地区，以及北部的君山一带，为丘陵区域总面积约103.44 km2。

适宜性良区：主要为潭城组团、流水小城镇以及区内丘陵区与平原区的过渡地带，总面积约103.54 km2。

适宜性中区：主要在主岛北部的芦洋乡大面积分布，是现阶段平潭综合实验区重点规划开发建设的区域，总面积约107.95 km2。

适宜性差区：主要分布在竹屿组团和幸福洋组团的局部软土震陷区、砂土液化区，总面积约0.84 km2。

图1 平潭综合实验区次浅层地下空间开发利用适宜性评价分区图

4 结论

(1)基于滨海城市地质环境的特点，选取对地下空间开发利用适宜性评价起主导作用的区域稳定性、工程灾害及地质环境破坏、地下水、岩土类型及其工程性质4个一级指标，构建起适用于滨海城市的含11项二级指标的评价指标体系，并且建立加权平均法的综合指数评价模型。

(2) 运用指标权重反分析法，依据福州市、厦门市、漳州市、宁德市的地下空间开发利用适宜性评价成果，计算出一级指标权重及二级指标权重，以平潭综合实验区地下空间适宜性评价为例，对反分析得到的权重进行应用。

(3) 评价指标体系、评价模型及其指标权重应用于平潭综合实验区地下空间开发利用地质环境适宜性评价，结果表明其可行性和可靠性较高，可为其他滨海城市地下空间开发利用地质环境适宜性评价提供参考。