最终稿(已按专家意见修改)地下空间与工程学报——基于AHP的地下空间开发利用适宜性评价

第卷第期地下空间与工程学报Vol.2009年月ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering.2009基于AHP的地下空间开发利用适宜性评价彭建1,2柳昆1,2郑付涛3李晓军2彭芳乐1,2（1同济大学地下空间研究中心，上海200092，2同济大学地下建筑与工程系，上海200092，3常州市规划设计院，常州，213003）摘要：地下空间是城市的重要自然资源，其开发利用适宜性评价是编制城市地下空间规划的重要基础条件。本文针对城市地下空间资源开发利用影响因素的多源复杂性问题，以岩土工程勘察原始数据为基础，采用层次分析法和专家问卷调查法，选择多目标线性加权函数法数学模型，建立了一套适用于某地级市地下空间开发利用适宜性分区的评价模型，且利用ArcGIS叠加生成了最终适宜性评价图,旨在为后续的地下空间规划提供理论依据。关键词：地下空间开发利用；适宜性；层次分析法；评价模型；ArcGIS中图分类号：文献标识码：文章编号：EvaluationfortheSuitabilityofUndergroundSpaceExploitationandUtilizationBasedonAHPPENGJian1,2,LIUKun1,2,ZHENGFutao3,LIXiaojun2,PENGFangle1,2,(1ResearchCentreforUndergroundSpaceofTongjiUniversity)(2UndergroundConstructionandEngineeringDepartmentofTongjiUniversity)(3ChangzhouCityPlanningandDesignInstitute)Abstract:Undergroundspaceisoneofimportantnaturalresources.Theevaluationofthesuitabilityofitsexploitationandutilizationissignificantandoneofbasicconditionsofconstitutingplanningofurbanundergroundspace.Thispaper,aimingatmulti-fountainheadandcomplexproblemsofinfluencingfactorsofundergroundspaceexploitationandutilization,basedontheproductionofgeotechnicalengineeringinvestigation,adoptsanalyticalhierarchyprocess(AHP)andexpertquestionnairesurveymethod.Furthermore,itselectsmathematicmodelofmulti-targetslinearweightedfunctionmethod,andsetsupevaluationmodelofzoningofthesuitabilityofonecity’sundergroundspaceexploitationandutilization,andgetsthefinalevaluationfigureofthesuitabilitywithArcGIS,forthepurposeofprovidingtheoreticwarrantiesforplanningofundergroundspace.Keywords:UndergroundSpaceExploitationandUtilization(USEU),suitability,AHP,evaluationmodel；ArcGIS收稿日期：第一作者简介：彭建（1985.7-），男，四川安岳人，硕士研究生，主要从事地下空间开发利用规划及其研究。E-mail：[e-mail]通讯作者简介：彭芳乐，男，1965年生，江西萍乡人，教授，博士生导师.，主要从事岩土力学、基础工程及地下空间与工程等方面的研究工作。E-mail:[e-mail]基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAJ27B02）地下空间与工程学报第卷1引言近年来，伴随着城市社会与经济的快速发展，城市中心区的交通、环境、用地紧缺等问题也越来越突出。因此，为了缓解这些城市矛盾，从根本上解决城市的交通、环境、用地紧缺等问题，开发利用城市地下空间已势在必行。开发利用地下空间，就首先要制订科学的地下空间开发利用规划；保障其有序合理的健康发展，就需要充分尊重地下空间作为自然资源的基本属性。因此，在认清目前地下空间资源开发利用过程中存在问题的前提下，对未开发的地下空间资源做出科学的评价，确定出满足城市发展需要的地下空间开发利用适宜性的分布情况就势在必行。地下空间开发利用的适宜性评价是指在对地下空间资源的地质、水文、地形及地下空间开发利用现状等条件进行分析和研究的基础上，地下空间开发利用的工程难度的总体判断和分类，目的是为地下空间开发利用总体规划和详细规划的编制提供依据。2层次分析法对多源复杂影响因素作用的地下空间开发利用进行评价，必须解决评价要素的不同属性、不同度量标准、不同定性与定量标准等的统一化和规范化问题，一般应对复杂因素构成的整体问题进行层次分解和重新构造，建立多目标的综合评价指标体系和模型，从而指导和规范地下空间资源评价的内容和过程，提高其作为规划编制和资源开发战略制定依据的科学性。在这一指导思想下，本文采用基于层次分析法的思路分析和构造地下空间资源评价模型和体系。层次分析法（analyticalhierarchyprocess，AHP）由美国运筹学家、匹兹堡大学教授萨蒂于1980年作为一种管理工具为处理多目标环境问题而引进的[1]。工作程序如下。(1)确定判断矩阵。确定参与定权的环境因子后，可以基本上按照专家打分法的步骤进行。①对所评价的地质环境进行过较长时间研究并有一定认识的技术人员组成的专家组，向他们详细说明判断矩阵的概念、含义，以及判断的方法。②列出所有评价因子的判断矩阵表格，按评价因子个数确定表格的列与行数。③发给每个参与评价者一份上述表格，按④～⑧反复核对、填写，直至没有成员进行变动为止。④要求每个成员按T．L．Saaty1—9-标度(如表1)两两比较后得出各自的判断矩阵。⑤要求所有的成员对各自的判断矩阵进行核实，看是否能反映自己的看法，如果发现有不妥之处，应重新构造判断矩阵，直至满意为止。⑥把每个成员的表格集中起来，综合专家组成员构造的判断矩阵为综合判断矩阵，并将其公布至全体成员征求意见。⑦专家组成员若有意见，则请其修改自己构造的判断矩阵。⑧集中修改过的判断矩阵，再综合后将其公布至全体成员征求意见，直至所有的专家对综合判断矩阵没有意见为止，求得的判断矩阵即为最终判断矩阵[2]。表1层次分析定权法的判断矩阵标度及其含义Table1Identificationandmeaningofjudgingmatrixintheexpert-analytichierarchyweightingprocess标度含义1表示两个因素相比．具有同等重要性3表示两个因素相比，一个比另一个稍微重要5表示两个因素相比，一个比另一个明显重要7表示两个因素相比，一个比另一个强烈重要9表示两个因素相比，一个比另一个极端重要2，4，6，8上述两相邻判断之中值，表示重要性判断之间的过渡性倒数因素i与j比较判断得到bij,因素j与i比较判断得到bji=1/bij(2)层次分析法确定权值。先假设有一同阶正则向量A，使得存在maxXAA，解此特征方程所得的A经正规化后即为各评价因子的权值。由于客观事物的复杂及对事物认识的片面性，构造的判断矩阵不一定是一致性矩阵(也不强求是一致性矩阵)，但当偏离一致性过大时，会导致一些问题的产生。因此得到max后，还需进行一致性和随机性检验。检验公式为max1nCIn，CICRRI，(1)式中：CI为一致性指标；max为最大特征根；n为矩阵阶数；RI为平均随机一致性指标，取值见表2；CR为随机一致性比率．只有当0.10CR时，判断矩阵才具有满意的一致性，所获取值才比较合理[3]。表2层次分析法的平均随机一致性指标值Table2Averagestochasticconsistentindexintheanalytichierarchyprocess矩阵阶数(n)123456789平均随机一致性指标值RI0.000.000.520.891.111.251.351.401.453评价模型3.1总体评价数学模型根据层次分析法的基本原则，对地下空间开发利用适宜性评价，可采用多目标线性加权函数建立评价的总体数学模型，见(2)式。2009年第期彭建，等：基于层次分析法和ArcGIS的地下空间开发利用适宜性评价11mniijjiSABC，(2)式中：S为评价目标总得分（01S）；iA为第i个单项指标的量化分值；iB为第i个单项指标的权重；jC为第j个主题的权重。3.2指标体系在对地下空间资源开发利用难度及费用的分析基础上，初拟评价指标体系，再通过专家问卷调查的方法对评价指标体系进行修正和完善，最终确定城市地下空间开发利用适宜性评价的指标体系，如图1。图1城市地下空间开发利用适宜性评价指标体系[4][5][6][7]Fig.1IndexsystemofevaluationforthesuitabilityofurbanUSEU3.3指标的量化（1）地面标高城市地形对城市地下空间开发利用的影响较小，如果地质条件允许且无地质灾害影响，无论何种地形条件都是可以开发地下空间的。但是在暴雨较多的城市，地势低洼地区易形成临时积水区。在山谷及其地势低洼的地区，出于预防水灾的考虑，地下空间规划布局的出入口位置的选择、出入口结构以及相应的防排水工程措施应当慎重考虑[8]。结合某地级市防洪规划，指标量化如表3-a。（2）地面坡度地形条件对城市空间布局、道路走向具有重要影响，对地下空间的开发方式和空间布局走向等也有十分重要的影响。地形坡度对地下空间与地表界面连接的空间形式有重要影响。在平原地形区，地下空间须采用垂直下挖方式施工，与地面空间采用垂直交通方式联系,多采用明挖法，施工难度不高，造价较低；在地形坡度为10％至30％的地区，可采用侧面挖掘的靠坡式地下空间形式，适合丘陵山体较多的城市地区，可采用矿山法、暗挖法等，施工难度一般，但造价相对较高；当地形坡度较大时，宜采用矿山法开发地下空间，局部形成入口，内部岩土体形成洞室结构，要求内部空间必须有足够的岩土体支撑，可用于交通隧道、停车、仓储或个别公共建筑使用。一般来说，施工难度大，造价很高。指标量化如表3-b。（3）地基土均匀性土层越均匀，地下空间开发的难度相对就越低，故地下空间在同一土层或压缩模量接近的相邻土层中开发就更理想。故对地基土均匀性的优劣用相邻土层压缩模量的方差进行分级，根据规范[9]量化如表3-c。（4）地基承载力土体和岩体是城市地下空间存在的环境介质，因此地下空间的开发利用与地基承载力有很大的关系。土体的承载力越大，地下空间开发利用的支护措施就相对更简单，地下结构更稳定。影响岩层地基承载力的工程性质主要是岩石强度。岩石的强度越高，承载力越大；但强度过高，岩石的挖掘难度也会增大，使工程开挖费用提高[10]。根据该地级市城市总体规划之地下空间开发利用规划，本文把地基承载力分为浅层（0～-20m）、中层（-20～-40m）、深层（-40m以下）。由于深层地下空间不是规划期内地下空间开发的重点区域，故对之不做研究。同时由于普通区域地基承载力分布图是描述某一标高上而不是一区间内的土层地基承载力的分布情况，故对浅层、中层各层土的地基承载力按土层厚度求加权平均值，以衡量浅层和中层的总体地基承载力，量化如表3-d。（5）潜水埋深潜水对