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喀斯特山地城市軌道交通線路選線綜合評價研究

王鵬耀  周靜  易莉

摘要：喀斯特山地城市因其特殊的地形地貌特征，導致城市地形高低起伏、落差較大，地下溶洞較多，地下水豐富，建設用地較少、較分散，道路狹窄且不規(guī)則，市政區(qū)域地下管線錯綜復雜，造成喀斯特山地城市修建軌道交通難度較高。采用科學、合理的指標體系對軌道交通線路方案進行評價決策，能夠使軌道交通這一重大基礎設施達到適應規(guī)劃、方便出行、適應城市地形地貌、節(jié)約投資、工程實施安全方便、環(huán)境影響小的目的，實現(xiàn)最佳綜合效益。本文以貴陽市為例，對喀斯特山地城市軌道交通線路選線綜合評價進行研究，旨在為喀斯特山地城市軌道交通線路選線提供理論與實踐指導。

關鍵詞：喀斯特；山地城市；軌道交通；線路選線；評價指標體系；AHP；模糊綜合評價法

一、研究背景

喀斯特地貌（Karst Landform），是地下水與地表水對可溶性巖石溶蝕與沉淀，侵蝕與沉積，以及重力崩塌、坍塌、堆積等作用形成的地貌，中國稱之為巖溶地貌，為中國五大造型地貌之一^[1]。

喀斯特地貌（Karst Landform）示意圖

山地城市（Mountain cities），國外又叫斜面城市或坡地城市，可以理解為修建在傾斜的山坡地面上的城市^[2]。山地城市一般包含狹義和廣義兩種類型：狹義山地城市是指城市選址修建在傾斜的山地坡面上，如重慶、蘭州、延安、拉薩、香港等城市^[3]；有些城市盡管修建在平坦的地域，但因其周圍地貌條件復雜，從而對城市的空間發(fā)展、布局結構、氣候環(huán)境及交通組織產生影響，即廣義山地城市，這類城市也視為山地城市，如昆明、貴陽、杭州、南京等^[4]。

喀斯特山地城市是指同時具有喀斯特地貌和山地城市特征的城市。

城市軌道交通是一項投資大、涉及面廣、綜合性強的基礎設施項目。它的建設對城市發(fā)展將產生長遠影響，是城市發(fā)展的百年大計。然而，在城市軌道交通項目中，選線專業(yè)是工程設計的前置專業(yè)，大部分設計工作需在選線工作完成后才能開展，線路方案的優(yōu)劣直接影響著工程的投資和設計，屬于決策性影響因素。目前，國內外開展城市軌道交通線路選線的研究工作不多，專門針對喀斯特山地城市軌道交通線路選線的研究更少，故開展喀斯特山地城市軌道交通線路選線研究工作很有必要。

二、影響因素分析

影響喀斯特山地城市軌道交通線路選線的因素很多，宏觀因素如城市規(guī)劃，微觀因素如站點地質條件和管網(wǎng)情況，均會對站點選址起到不同程度的影響。根據(jù)城市軌道交通線路工程規(guī)范要求及城市軌道交通選線常規(guī)外部要素，結合貴陽市軌道交通1、2、3號線一期工程實施及調研情況，并根據(jù)軌道交通專家對于喀斯特地區(qū)建設意見等，分析總結出影響喀斯特山地城市軌道交通線路選線的主要因素如下：

(一)地形地貌和地質條件

喀斯特山地城市地形起伏大，而軌道交通線路縱坡又必須滿足相關規(guī)范和運營特點，故喀斯特山地城市地形會對軌道交通線路縱坡選擇產生影響。此外，由于喀斯特山地城市巖溶強烈發(fā)育，施工中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)巖溶破碎帶、大型溶洞和溶腔、巖溶管道水和暗河，這對軌道交通線路走向、車站選址、車站埋深等將產生較大影響。

(二)城市規(guī)劃及建設情況

1.城市規(guī)劃

與喀斯特山地城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃及線路選線等有關的城市規(guī)劃主要有城市總體規(guī)劃、城市土地利用規(guī)劃。與城市總體規(guī)劃是否相符，會直接影響軌道交通項目是否能通過審批。與土地利用規(guī)劃的協(xié)調度，會影響喀斯特山地城市軌道交通線路前期手續(xù)辦理周期及工程建設費用。

2.城市建設

與城市建設的結合，會對軌道交通線路局部走向產生影響。因此，軌道交通線路選線應與城市建設相結合是規(guī)劃決策層的常規(guī)建議。若在選線階段沒有考慮城市建設因素，而在后期決策過程中要求軌道交通與城市建設結合，則對線路方案會產生一定影響。國內近十年結合城市規(guī)劃實施的軌道交通TOD模式（以公共交通為導向的發(fā)展模式）就是與城市建設的深度融合。與TOD發(fā)展規(guī)劃、新區(qū)發(fā)展等計劃的匹配性會直接影響項目客流條件和投資效益。

(三)城市經(jīng)濟實力

城市經(jīng)濟實力決定了軌道交通線路制式的選擇、線路的敷設方式，并影響項目是否可以開工建設。根據(jù)《國務院辦公廳關于進一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設管理的意見》（國辦發(fā)〔2018〕52號），軌道交通線路制式的選擇與當?shù)刎斦杖胂⑾⑾嚓P。同時，國辦發(fā)52號文要求，城市政府應建立透明規(guī)范的資本金及運營維護資金投入長效機制，確保城市軌道交通項目建設資金及時足額到位。軌道交通線路敷設方式不同，其造價也大不相同，城市的經(jīng)濟發(fā)展，財政收入對軌道交通線路敷設方式也是有很大影響。

(四)客流吸引條件

客流吸引條件會直接影響軌道交通線路走向及車站的選址。運送乘客是軌道交通最重要的功能，客流的多少是影響軌道交通線路選線最直接的因素之一。在線路走向選擇時，應充分考慮沿線既有和規(guī)劃的主要客流集散點以及各類交通樞紐，并應與城市綜合交通網(wǎng)絡規(guī)劃相協(xié)調，以利于最大限度地吸引客流，方便乘客出行。

(五)工程實施條件

工程實施條件對軌道交通線路局部走向會產生影響。在拆遷難度較大、下穿建（構）筑物多、交通疏解難等復雜的工程實施條件下，會導致軌道交通建設成本大幅增加，建設周期延長，施工風險增大，故通常會通過調整線路方案來降低各種風險。

(六)社會效益

在軌道交通選線階段，應考慮軌道交通產生的社會效益，比如緩解交通擁堵、增加就業(yè)崗位、帶動區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展、節(jié)約能源及保護環(huán)境等?？紤]社會效益因素后，會對軌道交通線路走向、曲線半徑和坡度設置等產生影響。

(七)生態(tài)環(huán)境因素

軌道交通線路的走向和敷設方式還受制于生態(tài)環(huán)境因素?？λ固厣降爻鞘猩鷳B(tài)環(huán)境較為脆弱，在軌道交通選線階段，為保護環(huán)境，需盡量避繞森林公園、水源保護區(qū)及風景名勝區(qū)等，從而使線路走向發(fā)生改變。

三、評價指標體系

(一)評價指標選取原則

1.系統(tǒng)性原則

評價體系要能全面并系統(tǒng)性地反映喀斯特山地城市軌道交通線路選線的特點。在選擇多項指標構建評價體系時，要分析各指標是否能夠全面反映評價對象各方面的特征，同時各指標之間是否相互協(xié)調、相互補充。

2.科學性原則

評價體系的建立需遵守客觀科學的原則?？茖W性的原則一方面是指評價指標之間關系協(xié)調，不能出現(xiàn)相互矛盾或相互沖突的情況；另一方面，評價的標準要充分結合喀斯特山地城市的特點，以實際經(jīng)驗做修正，不能主觀臆斷。

3.定性和定量指標相結合的原則

喀斯特山地城市軌道交通線路選線的影響因素，有定量因素，也有定性因素，若要使綜合評價更具客觀性，就必須堅持定量和定性指標相結合的原則，這樣才能既有利于系統(tǒng)模型的處理，又可彌補單純定量評價的不足以及數(shù)據(jù)本身存在的某些缺陷。

4.個性與共性結合的原則

喀斯特山地城市軌道交通線路選線評價指標體系，與平原城市、山地城市的軌道交通線路選線評價指標體系有共性的指標，但也需結合喀斯特山地城市的特點，找出喀斯特山地城市的個性指標，比如地形地貌、地質條件等因素。

5.獨立性原則

在選取指標時，應保證指標之間的獨立性，避免指標相容。但有些指標既不完全相容，也不完全獨立，即指標之間有相關性時，這樣的指標是允許存在的。因此，指標的選取既要全面又要精煉，要對喀斯特山地城市軌道交通線路選線方案的評價具有明顯的敏感性。

6.簡易和實用性原則

評價指標體系既要言簡意賅、易于掌握、避免繁瑣，又要具備實際應用功能和較強的可操作性。避免指標中顯見的包含關系，對隱含的相對關系，要在模型中以適當方法加以消除。

(二)評價指標體系確定

本文對喀斯特山地城市軌道交通線路選線評價指標選取原則、主要影響因素、評價標準等進行研究，提出喀斯特山地城市軌道交通線路選線評價的相關指標，建立初步的評價體系，并形成調查問卷。根據(jù)德爾菲法，發(fā)放電子問卷、紙質問卷，咨詢貴陽市軌道交通建設單位、設計單位、研究院所等相關單位的專家意見。通過對專家進行問卷調查，歸納整理專家對指標的意見，調整指標體系，最終形成喀斯特山地城市軌道交通線路選線評價指標體系（26個指標），具體指標見表1。

表1 喀斯特山地城市軌道交通線路選線評價指標體系

四、AHP—模糊綜合評價模型

(一)AHP—模糊綜合評價模型構建

本文所構建的AHP—模糊綜合評價模型由兩部分構成，即層次分析法和模糊綜合評價法兩個部分。

其中，第一部分層次分析法是在構建指標體系的基礎上對其進行分層處理，劃分結構層次，確定目標層、準則層、指標層的結構體系；再進行專家咨詢，采用1—9比例標度方法，對兩兩指標的相對重要性進行定性的分析，構造判斷矩陣，并求得矩陣最大特征值，之后再進行一致性檢驗，最終得到各指標的權重系數(shù)。第二部分采用多層次模糊綜合評價法，對指標數(shù)據(jù)進行歸一化處理，然后進行分層綜合評判，再進行高層綜合評判，最終得出評價結論，從而實現(xiàn)對喀斯特山地城市軌道交通線路選線的綜合評價，評價模型如圖1所示。

圖1 AHP－模糊綜合評價模型

(二)評價指標的權重確定

評價指標的權重通過層次分析法來完成。運用AHP法，主要按以下步驟進行。

1.建立層次結構

根據(jù)對問題的了解和初步分析，把體系中涉及的因素按性質分層次排列，如圖2所示。

圖2 AHP 遞階層次結構示意圖

2.標度確定

目前的評分方法有很多種，本次研究常用的1-9標度法，即將相互重要程度用數(shù)值表示出來,寫成判斷矩陣。其中9級標度判斷矩陣及其含義見表2所示。

表2  1-9級標度表

3.建立判斷矩陣

利用A_i與Aj比值為a_ij ,A_j與A_i相比的判斷為a_ji=1/a_ij ,得到一個n×n的判斷矩陣A=(a_ij)n×n。

4.指標權重的計算

對于矩陣A，先算出其最大特征值

和權向量T，并進行一致性檢驗，得出一致性指標CI、隨機一致性指標RI和隨機一致性比率CR，當CR<0.1時，表明判斷矩陣具有一定的一致性。

對于1-9階判斷矩，RI的值如表3所示。

表3  RI平均隨機一致性指標

5.計算指標層各項指標的綜合權重

通過專家組問卷調查形成最終評價指標體系，再邀請專家組填寫的方式，采用1-9級標度方法（表3）設置填寫值，使指標體系中同一層次的因素進行相對重要性的兩兩比較，最終得出專家組對各指標的判斷值。根據(jù)判斷值構建出各個層次相對重要性的矩陣，運用Yaahp軟件計算并得出各個指標的權重。各項指標的權重還需要用隨機一致性比率（CR）進行檢測。只有當CR<0.1時，表明判斷矩陣具有一定的一致性。

(三)綜合評價步驟

1.評價因素集合的確定

評價指標確定后，將評價因素組成一個因素集合B，B={B₁，B₂，B₃，…，B_n}，其中，B_i(i=1，2，3，…，n）為評價指標因素，n為同一層次上評價因素的個數(shù) 。

2.定性指標與定量指標的無量綱處理

對于定性指標，通過收集評價對象的基礎資料，并制作調查問卷，通過整理計算，得出評價對象各個定性指標的平均分，最后再利用Z-score標準化方法對各指標平均分進行無量綱處理，即歸一化處理。

對于定量指標，通過收集評價對象定量指標的實際值，再利用Z-score標準化方法對各指標實際值進行無量綱處理。

3.分層綜合評判

首先利用無量綱處理后的結果構建同一準測層下的單因素評判矩陣R，再構建同一準測層下的單因素的權重矩陣A，利用模型公式B=AoR計算，其中o表示模糊算子M（·，+），即先乘后加算子。

4.高層次綜合評判

對目標層下面的各準測層因素進行綜合評判，方法同分層綜合評判一樣。

5.綜合評判結果分析

根據(jù)最終得到的分值大小，可以評判各評價對象各指標的優(yōu)良情況，分值越大，說明指標越好，最后還可以對整個方案進行總體評價，分值越大，方案越優(yōu)。

五、貴陽市軌道交通線路選線綜合評價

(一)評價體系指標權重總體分析

通過前述分析，對已建立的評價指標體系，按照層次分析法，建立判斷矩陣，通過發(fā)放問卷調查，整合各專家的矩陣表，取得平均數(shù)，使用計算機軟件yaahp得出貴陽市城市軌道交通線路選線評價指標體系權重列表（見表4）。

表4 貴陽市城市軌道交通線路選線評價指標體系權重列表

通過一致性指標（CI）與平均隨機一致性指標（RI）的比較，對該權重列表進行一致性判別。經(jīng)檢驗判別一致性比例小于0.1，說明該指標數(shù)據(jù)真實可靠，評價體系合理，各項指標可以作為貴陽市城市軌道交通線路選線評價指標。

(二)模糊綜合評價法的因素集確定

根據(jù)前述分析得到的模糊綜合評價因素集如下：

(三)定性指標與定量指標的無量綱處理

1.定性指標無量綱處理

通過收集分析貴陽市軌道交通1號線、2號線、3號線一期的初步設計、環(huán)境影響評價報告、水土保持報告、客流預測報告、節(jié)能報告、地質災害報告及用地預審等資料，制作出貴陽市軌道交通1號線、2號線一期、3號線一期線路選線評價的調查問卷，并發(fā)放給貴陽市城市軌道交通集團有限公司員工調查。通過整理計算，得出貴陽市軌道交通1號線、2號線、3號線一期工程各個定性指標的平均分，最后再利用Z-score標準化方法對各指標平均分進行無量綱處理。

2.定量指標無量綱處理

通過收集分析貴陽市軌道交通1號線、2號線、3號線一期的初步設計、客流預測報告等，得出各線路定量指標的實際值，再利用Z-score標準化方法對各指標實際值進行無量綱處理（詳見表5）。

表5 貴陽市軌道交通線路選線評價指標無量綱處理匯總表

(四)分層綜合評判

(五)高層次綜合評判

由此可知，貴陽市軌道交通1號線、2號線、3號線一期工程線路選線綜合評價按照分值排序為：貴陽市軌道交通3號線一期、貴陽市軌道交通2號線、貴陽市軌道交通1號線。

(六)評價結果分析

結合各指標的權重分析，對于整個線路選線綜合評價，3號線一期線路方案最優(yōu)，2號線線路方案次之，最后為1號線線路方案。從前面的研究可知，按照權重的大小排序，各準則層的重要性依次為城市規(guī)劃、客流吸引條件、地形地貌條件、工程投資和工程實施條件、環(huán)境影響、社會效益?，F(xiàn)從最重要的城市規(guī)劃、客流吸引條件、地形地貌條件來分析3條線路中的最優(yōu)線路。

在城市規(guī)劃方面，1號線、2號線、3號線一期都非常契合貴陽市的城市發(fā)展方向，與城市總體規(guī)劃相符合，同時帶動沿線土地集約開發(fā)，與土地利用發(fā)展相協(xié)調，各條線路差距較小。在客流吸引方面，3號線一期工程是貴陽市南北向主要的骨干線，串聯(lián)貴陽市主要區(qū)域有花溪區(qū)、經(jīng)開區(qū)、云巖區(qū)、南明區(qū)、烏當區(qū)。覆蓋了城市的主要客流廊道，且線路近期全日客運量為3條線路中最大的，其次為2號線，1號線客流為3條線路中最小的。在地形地貌方面，2號線最小曲線半徑（300≤ R≤400）最少，1號線次之，3號線一期最多。同時，對于大于25‰的坡度，3號線一期最少，2號線次之，1號線最多。另外，1號線和2號線都從觀山湖區(qū)到老城區(qū)，線路落差大，存在長大坡道，3號線一期線路無長大坡道。在地形地貌方面，2號線最優(yōu)，3號線次之，最后為1號線。最后結合各指標權重進行綜合分析得出，3號線一期線路方案最優(yōu)，2號線線路方案次之，最后為1號線線路方案。

六、結束語

本文運用AHP－模糊綜合評價法對喀斯特山地城市軌道交通線路選線建立綜合評價模型。并以貴陽市為例，以該評價模型對貴陽市軌道交通1號線、2號線、3號線一期線路選線進行綜合評價，準則層中七個主要影響因素重要性依次為：城市規(guī)劃（權重為0.2719）、客流吸引條件（權重為0.2429）、地形地貌條件（權重為0.1684）、工程投資（權重為0.1071）、工程實施條件（權重為0.1071）、環(huán)境影響（權重為0.0618）、社會效益（權重為0.0408）。

對于B1地形地貌條件，2號線最優(yōu)，3號線一期次之，最后為1號線；對于B2城市規(guī)劃，1號線最優(yōu)，3號線一期次之，最后為2號線；對于B3工程投資，1號線最優(yōu)，2號線次之，最后為3號線一期；對于B4客流吸引條件，3號線一期最優(yōu)，2號線次之，最后為1號線；對于B5工程實施條件，2號線最優(yōu)，3號線一期次之，最后為1號線；對于B6社會效益，3號線一期最優(yōu)，2號線次之，最后為1號線；對于B7環(huán)境影響，2號線最優(yōu)，1號線次之，最后為3號線一期。經(jīng)過綜合評價后得出，3號線一期線路方案最優(yōu)，2號線線路方案次之，最后為1號線線路方案。

參考文獻

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注：原文載自《中國咨詢》2022年第7期，本次發(fā)表作者做了修改。文中圖片來源于網(wǎng)絡。