區域地質環境復雜程度評價

李源亮，任光明，范榮全，王 猛，李惠民，李 暢

區域地質環境復雜程度評價

李源亮1，2，任光明2，范榮全3，王 猛4，李惠民2，李 暢2

（1.廣西交通設計集團有限公司，南寧 530011；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都610059；3.國網四川省電力公司，成都 610041；4.四川省地質調查院遙感中心，成都 610081）

宏觀分析區域地質環境復雜程度能有效指導長距離線狀工程規劃選線、指導城鎮規劃選址。以往地質環境復雜程度評價主要針對小區域，其評價方案在應用于大區域時受到一定限制。本文總結提出了區域地質環境復雜程度評價的指導性原則，針對地學研究中長期存在的地層巖性復雜程度難以量化的特點，引入信息熵的概念，利用“地層巖性信息熵”實現了復雜程度的量化評價。以四川為例，選取地形地貌、地層巖性、凍土、斷裂構造、區域穩定性、氣象等6類10項指標，利用AHP法計算指標權重，基于GIS平臺對境內地質環境復雜程度進行分析。研究方法對區域地質環境評價具有參考價值，成果可為四川境內長距離線狀工程規劃提供參考。

地質環境；復雜程度；地層巖性信息熵；四川地質；層次分析法

地質環境以巖石圈為主體、由水圈和大氣圈共同組成，組成要素的多樣性決定了其復雜程度的地區差異性。地質復雜地區環境脆弱，易發生地質災害，工程勘察、設計、施工乃至后期運營維護的難度大，工程造價高；而地質環境簡單地區建設難度小、造價低。對地質環境復雜程度進行分級是開展地質調查、長距離線狀工程規劃的重要參考。

人們很早就認識到不同地區之間地質環境復雜程度具有差異性，但對其系統研究相對較少，類似研究主要針對地質環境質量評價[1~2]。二者在一定程度上具有相關性，但嚴格來說，地質環境復雜程度與環境質量的概念差異明顯。“復雜程度”是地質環境組成要素多樣性、變化性的體現。“質量”是對人的需求而言的，是人類出于自身生存和發展的需要對事物優劣程度的判斷。

本文對涉及地質環境復雜程度評價的有關規范、文獻進行回顧，吸收優點、改進不足；在此基礎上總結區域地質環境復雜程度評價的指導性原則；引入“信息熵”的概念，解決了長期以來地層巖性復雜程度難以量化描述的問題。針對四川地質環境的特點，提出一套相應的評價指標；在GIS技術的支撐下對四川地質環境復雜程度進行分析評價。

1 研究現狀

有關地質環境復雜程度分級的行業規范較多，研究文獻相對較少。如電力部門《500KV架空送電線路勘測技術規程》（DL-T 5122）考慮地貌、地層結構及特殊巖土等5項因素，將地質環境劃分為“簡單”、“中等”、“復雜”3個級別。國土部門《地質災害危險性評估規范》（DZ/T 0286）采用地形地貌、巖土體工程地質性質、地質構造等7項指標，遵循“就高不就低”原則，同樣將地質環境劃分成“簡單”、“中等”、“復雜”3個級別。闕金聲等[3]以地形地貌、斷裂、巖體結構等9項因素作為指標，利用可拓評判法對某山莊建設用地地質環境復雜程度進行了3級劃分。張舒堯[4]考慮了地形、巖性與構造、人工活動等因素的影響，利用AHP法計算權重，評價了輸變電工程地質環境復雜程度。

回顧現有的相關文獻及規范，可以發現關于地質環境復雜程度評價具有如下特點：

1）適用于工民建場地、線狀工程等，場地及線路走廊帶面積相對較小，可以充分開展實地調查，比如輸電線路勘測要求地質人員必須對每個塔位的地質條件進行實地調查。

2）地質環境復雜程度級別都采用“簡單”、“中等”、“復雜”3級標準。

3）評價指標都考慮了地形地貌、地層巖性、水文地質、災害及不良地質、區域穩定性等因素的影響。

4）對少數簡單、易獲取的指標（如坡度、地震烈度）采用定量劃分；對地層巖性等難以量化的指標采用定性評價，常見“巖性巖相復雜多樣”、“變化較大”、“變化小”等定性表述方式。

由此可見，上述針對工程場地、線狀走廊帶等小區域的評價方案在運用于大區域（例如省級區域）地質環境復雜程度評價時將受到如下限制：

1）指標體系不能照搬應用于大區域，否則將出現部分指標（如地下水、坡體結構等重要要素）無法獲取的情況。

2）對大區域而言，“簡單”、“中等”、“復雜”3級劃分方案過于粗略，不能很好反映區域地質環境復雜程度的差異性和多樣性。

3）盡管現有方案提倡定性與定量相結合，但仍以定性判斷為主。小區域因調查研究程度高，采用定性評價是可行的；但對大區域而言，受經驗及認識差異的影響，過度依賴定性判斷會使評價誤差偏大、結果過于籠統空泛。

受技術手段的限制，以往多是在資料分析、踏勘調查的基礎上，在報告中以文字描述、CAD制圖等形式進行籠統分區描述，難以高效、精細的給出每個點位的評價結果。

為適應大區域地質環境復雜程度評價的需要，建立一套普適性的指導原則和評價方法十分必要和緊迫。本文在指標選取及量化處理方面做了一些突破，利用AHP法計算指標權重，基于GIS平臺開展評價工作；結合四川地質環境復雜程度評價對方法及技術流程進行闡述。

2 指導原則

區域地質環境復雜程度評價應遵循以下原則：

1）針對性：地質環境是一個復雜的巨系統，不同地區具有其獨特性，因此指標選取必須具有針對性，做到科學、合理、系統、層次。

2）可行性：要求評價指標數據來源有可行性，數據質量可靠。部分已有研究考慮了斜坡巖體結構、控制性結構面、地下水含水層數量、甚至特殊巖土層厚度等因素，雖然看似周全，但是對大區域地質環境復雜程度評價而言，這些指標基本沒有數據支持，不具備可行性。

3）定性與定量并重：定性與定量并重：地球科學的復雜性決定了它的研究方法必須走定性與定量相結合的道路，對定性分析的嗤之以鼻、對定量評價的盲目崇拜都是不可取的。在定性認識的基礎上應盡量利用量化指標來描述影響因子，指標權重宜根據地區特點和研究目的由專家經驗、AHP法確定。

4）評價工作宜基于GIS平臺開展：相較傳統CAD平臺，GIS在地學數據管理、空間分析等方面的優勢可以取得事半功倍的效果。

3 四川地質環境復雜程度評價

3.1 指標選取、量化與分級

遵循上述原則，針對四川地質環境的特點，選取地形地貌、地層巖性與凍土、斷裂構造、區域穩定性及氣象等6類10項指標對四川地質環境復雜程度進行評價。

各指標具有不同的物理意義及數學量值，例如坡度以度（°）為單位，數值介于0~90°；高程以米（m）為單位，四川境內數值介于76~7 143m。指標間不能直接進行疊加計算，應先對量化指標進行分級，在統一標度范圍進行綜合評價，分級標準主要參考相關規范（規程）、研究文獻或自然間斷點分級法確定。采用“1”、“2”、“3”、“4”四個數值表示4個等級，某項指標數值越大表示其使地質環境越趨于復雜。

3.1.1 地形地貌

地形地貌是地表呈現出的高低起伏、傾斜陡緩的各種形態和樣貌，選用高程、斜坡坡度、地勢起伏度3個指標描述地形地貌特征。選用ASTER GDEM高程數據，分辨率30m。由DEM經GIS平臺進行空間得到四川全境坡度數據。

地勢起伏度定義為某點一定大小的鄰域范圍內最高點與最低點的高差[5]，反映地勢高低起伏形態。由定義可知：某點鄰域大小不同，對應起伏度也不相同。研究表明對特定地區，必定存在最佳鄰域統計單元。據均值變點法基本原理[6]，統計發現四川地勢起伏度的最佳領域統計單元為邊長2 160m的方形單元。基于DEM，利用GIS平臺的鄰域分析功能加工形成四川地勢起伏度數據。

境內海拔在76~7 143m之間，隨高程增加，“高寒”、“氧氣稀薄”等一系列問題會越來越嚴重，地質環境趨于復雜；以1 000m、3 500m、5 000m為間斷值將研究區分為低山、中山、高山、極高山等4個級別（圖1），分別賦予分值1~4分值。以10°、30°、50°為間隔將地形分為平坦、中-緩坡、陡坡、極陡坡4個級別（圖2）并分別賦予分值。地勢起伏度以200m、500m、1000m為間隔將其分為微-低起伏、低起伏、中起伏、高起伏4個級別（圖3）并賦予1~4分。具體劃分方案及依據見表1。

表1 評價指標(因素集)體系分級量化(評價集)及權重

圖1 高程分級賦值

圖2 坡度分級賦值

圖3 地勢起伏度分級賦值

3.1.2 基于信息熵的地層巖性量化及分級

回顧已有文獻及規范，不難發現地層巖性復雜程度是最難量化描述的指標之一。已有研究對地層巖性復雜程度多采用“復雜多變”、“相對單一”等定性描述，評價結果過度依賴于地質專家的經驗。

對地層巖性復雜的理解：①一定大小的統計單元內出現的地層及巖性類型數量眾多；②相同數量條件下，同類地層及巖性分布不連續，具有離散、間隔分布的特點。

對統計單元內地層數量和分布結構復雜性的認識有助于啟發我們轉向其他領域以尋求一種可供參考的地層復雜程度量化評價方法。

事實上，信息熵在土地利用結構評價中的成功運用為我們提供了借鑒。土地利用結構指一定區域內各種用地類型之間的比例關系或結構特征，李江、周子英等學者引入信息熵的概念實現了對土地結構復雜程度的量化評價[9~10]。受其啟發，考慮到土地結構與地層結構具有某種程度上的相似性，在地層巖性復雜程度量化描述中可引入信息熵的概念。

建立在概率論基礎上的信息熵定義為：

（式1）

式中：P為樣本空間某個事件出現的概率，為比例系數。對一定大小的統計單元而言，這種概率可用面積比代替，記統計單元面積為，單元內某地層的面積為S，則上式中的P=S/S；系數由單元內離散分布的地層組個數()定義，，由于>1時，式中對數項小于0，為方便考慮，在前加一個負號使得值大于0。最終地層信息熵定義為：

以四川1∶50萬數字地質圖為基礎數據，以巖石地層單位——地層“組”為地層分辨率，可以較好反映巖性的空間變化特征。統計單元網格大小與地勢起伏度最佳分析單元大小一致，均為邊長2160m的方形網格。借助GIS平臺的空間分析功能實現地層復雜程度信息熵的計算，計算的值在0~17.725之間。

基于自然間斷點分類法，以Z值0.5、2、4為間隔將其分為“簡單”、“中等”、“復雜”、“非常復雜”4個級別（圖4），分別賦予分值。

圖4 地層巖性復雜程度分級賦值

圖5 細化后的凍土分布圖

3.1.3凍土

凍土是溫度在0°C 或0°C 以下且含有冰的各種巖土體[11]。凍土中賦存有豐富的地下冰，對地溫極為敏感，“凍脹”和“融沉”是凍土區工程建設常見的兩大危害。四川地域廣闊，高寒地區廣泛發育的凍土使得其成為地質環境復雜程度評價中不能忽視的因素。

凍土數據獲取自“中國西部環境與生態科學數據中心”，由施雅風和米德編制。原始數據中季節凍土在川西地區分布極為廣泛，如果以“季節凍土”大類來考慮分級和賦值，則很難反映出季節凍土的地區的差異性。考慮到季節凍土“冬凍夏融”是高、低地溫循環作用的結果，因此可以利用一年時間段內的地溫變化幅度對原始季節凍土數據進行細化。基于這種認識，以季度為單位，定義年地溫極差為最熱季度（夏季）白晝平均地溫T與最冷季度（冬季）夜晚平均地溫T之差，即T=T-T。某地值越大，在一年內的地溫變化幅度越大，經歷的低溫越低、高溫越高，季節性凍土的凍結和融化都將更加強烈、復雜。

地溫數據選用2015年Modis遙感數據，獲取自NASA陸地過程分布式數據檔案中心。按上述原則計算的值介于5℃~59℃，以30℃為間隔對季節凍土進行分級，得到細化后的凍土分布（圖5）。

高山多年凍土和島狀多年凍土對地質環境復雜程度的影響最大，均賦予4分；≥30℃的季節凍土主要分布于川西北高寒地區，凍結時間較長，凍結深度較大，凍融循環較強烈，賦予3分；<30℃的季節凍土主要分布于川西南亞熱帶季風氣候區，凍結時間和凍結深度相對較小，賦予2分；瞬時結冰與凍土分布于川東及川西部分河谷，凍結程度小，持續時間短，賦予1分。具體劃分方案見表1。

3.1.4斷裂構造

斷裂破壞了地殼巖體的完整性，其影響帶內巖體力學性質較差，斜坡易變形、失穩；區域活斷裂往往是強烈地震的孕震構造。四川境內斷裂構造發育且活動性強，發育著名的“Y”字形斷裂體系、金沙江斷裂等。

基于1∶50萬斷裂構造圖，采用斷裂線密度、距斷裂距離兩個指標反映斷裂的影響。斷裂線密度在0~0.285km/km2之間，基于自然間斷點分類法，以0.03、0.07、0.12作為間斷值，劃分為4個級別。距斷裂距離采用300m、800m、5000m作為間隔值，劃分為4個級別；并按距離斷裂越近、地質環境越復雜的原則，分別賦予分值。具體方案見表1。

3.1.5區域穩定性

區域穩定性是以內動力為主導、內外動力共同作用下地殼及其表層的相對穩定程度。地震活動是影響區域穩定性的重要因素之一，可用地震烈度、地震動峰值加速度等加以描述。這里采用《中國地震動參數區劃圖》中的地震動峰值加速度作為區域穩定性的評價指標。

對地震動峰值加速度A的分級方案為：

①A=0.05g：分值1分；對應地震烈度＜=Ⅵ度；

②A=0.1g：分值 2分；對應地震烈度Ⅶ度；

③A=0.15g：分值3分；對應地震烈度Ⅶ度；

④A≥0.2g：分值4分；對應地震烈度≥Ⅷ度。

3.1.6氣象指標

降雨作為一種重要的氣象指標，也是極為常見的誘災因子。選取多年年均降雨量及24小時雨量作為氣象指標；數據依據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》加工而成。

多年年均降雨量總體上反映了降雨的長期特征，其值在600~1200mm之間，以700mm、850mm、1000mm為間隔值將其分為4個級別，依次賦予1~4分值。具體劃分方案見表1。

24小時雨量反映了短時最大降雨特征，強降雨是重要的地質災害誘發因素。參考相關研究[11]，以25mm、50mm、100mm為間斷將其劃分為小雨及中雨、大雨、暴雨、大暴雨4個級別，依次賦予1~4的分值。具體方案見表1。

3.2 指標權重計算

基于GIS的地質環境復雜程度評價，其基本原理是將影響因子的分級量化指標用一張張專題圖層表示，基于GIS平臺進行加權疊加計算得到地質環境復雜程度指數。因此確定評價指標的權重極為關鍵。選用層次分析法（AHP）計算指標權重。AHP法通過構建指標兩兩比較的層次判別矩陣，以矩陣最大特征根對應的向量元素作為權重，具有目標明確、簡潔實用、集定性分析與定量評價于一體的優點，已得到大量的成功運用。

利用AHP法計算的指標權重見表1。

3.3 地質環境復雜程度分級

對指標進行加權疊加計算，利用自然間斷點分類法將復雜程度分為“簡單”、“中等”、“復雜”、“非常復雜”4個級別（圖6）。總體而言，境內地質環境具有東部相對簡單、西部相對復雜的宏觀特點。

圖6 四川地質環境復雜程度分區

川東地區以丘陵地貌為主；第四系、侏羅系等地層出露廣泛且分布穩定；處于揚子準地臺，地殼穩定，無區域性深大斷裂；僅川東北及川東南局部地區地質環境復雜。

廣元、成都、雅安、樂山一線以西的川西地區地質環境總體比較復雜。處于“非常復雜”級別的地區主要受區域斷裂控制，如中東部龍門山斷裂、西北鮮水河斷裂、南部安寧河斷裂以及西部金沙江斷裂區域；這些斷裂發育地區同時具有山高谷深、岸坡陡峻、巖性巖相復雜多變的綜合特點。

西部地質環境簡單-中等地區主要位于川西北、甘孜州南部等區；這些地區海拔普遍較高，以高平原、低起伏山地為主；出露地層分布比較連續；遠離區域性活動斷裂，地震風險小；降雨稀少；普遍發育季節凍土，部分地區發育多年凍土。

局部來看，在“復雜”、“非常復雜”的包圍圈中零散分布著一些地質環境“簡單-中等”的河谷平原、山間盆地，往往是山區城鎮、聚居點所在地。但復雜地質環境包圍下的這些地區并不全是“安全島”。

2017年6月24日清晨，受降雨誘發，阿壩州茂縣新磨村突發特大型山體滑坡，造成下方村莊被埋的慘痛災害事件。滑坡區地處復雜-非常復雜的地質環境（圖7、圖8），地形高陡突兀，斷層從滑源區直接切過、巖體破碎；下方河谷聚集區地質環境復雜程度中等。回看事故前的影像：滑坡區山體長大裂縫清晰可見，河谷聚集區位于崩塌堆積體前緣，坡腳遍布滾落的巨石，這表明后山斜坡歷來存在地質災害隱患。這類地質環境復雜區值得引起重視！

圖7 茂縣6·24滑坡區地質環境復雜程度

可見，大區域地質環境復雜程度評價不僅對長距離線狀工程（如交通、輸電線路）規劃選線具有指導作用，對山區城鎮規劃選址亦有一定指導價值。

圖8 茂縣新磨村山體滑坡影像

4 結論

宏觀分析區域地質環境復雜程度能有效指導長距離線狀工程規劃選線、指導城鎮規劃選址。然而實踐發現：目前針對小區域工程場地、線狀工程走廊帶制定的地質環境復雜程度評價方案及方法不能很好的適用于大區域，本文的研究工作正是在這一背景下開展的。

1）現有方案及方法在運用于大區域評價時主要存在指標難以獲取、結果粗略空泛、誤差較大等問題；

2）在系統分析相關規范（文獻）的基礎上，提出了區域地質環境復雜程度評價的指導性原則：即指標選取應具有針對性和可行性、評價方法應堅持定性與定量并重、積極運用GIS技術；

3）通過引入信息熵理論，對地學研究中長期存在的地層巖性復雜程度難以量化描述的問題，初步實現了量化評價；基于GIS技術，利用1∶50萬地質圖制作形成四川地層復雜指數分區圖。

4）選取地形地貌、地層巖性、斷裂構造等6類10項指標，利用AHP法計算權重，對四川地質環境復雜程度進行了評價，揭示了四川境內地質環境的主要特征，為長距離線狀工程規劃、山區城鎮選址、地質調查提供了參考。相關研究成果[12]已在四川電網規劃中得到成功運用。

[1] 閆滿存，李華梅．區域地質環境質量評價研究的現狀與趨勢[J]．地球科學進展，1994，14(04)：58-63．

[2] 劉傳正，張明霞，劉艷輝．區域地質環境可持續利用評價體系初步研究[J]．地學前緣，2006，13(01)：242-245．

[3] 闕金聲，陳劍平．地質環境復雜程度可拓評判法[J]．煤田地質與勘探，2007，35(04)：58-61．

[4] 張舒堯．輸變電工程地質環境評價指標體系研究[D]．中國地質大學(北京)，2016．

[5] 涂漢明，劉振東．中國地勢起伏度研究[J]．測繪學報，1991，23(04)：311-319．

[6] 王玲，同小娟．基于變點分析的地形起伏度研究[J]．地理與地理信息科學，2007，23(06)：65-67．

[7] 高海拔高寒凍土的工程特性研究[R]．地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，2011

[8] 詹道江，葉守澤．工程水文學[M]．北京：中國水利水電出版社，2000．

[9] 李江，郭慶勝．基于信息熵的城市用地結構動態演變分析[J]．長江流域資源與環境，2002，11(05)：393-397．

[10] 周子英，段建南，梁春鳳．長沙市土地利用結構信息熵時空變化研究[J]．經濟地理，2012，32(04)：124-129．

[11] 程國棟．中國冰川學和凍土學研究40年進展和展望[J]．冰川凍土，1998，20(03)：21-34．

[12] 李源亮.川西地區地質災害危險性及工程地質環境質量對輸變電工程規劃影響研究[D]．成都理工大學，2018．

Evaluation of Regional Geological Environment Complexity

LI Yuan-liang1REN Guang-ming2FAN Rong-quan3WANG Meng4LI Hui-min2LI Chang2

(1-Guangxi Transportation Design Group Co. , Ltd., Nanning 530011; 2-State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 3- Sichuan Power Electric Corporation, State Grid, Chengdu 610041; 4-Remote Sensing Center, Sichuan Institute of Geological Survey, Chengdu 610081)

Macro analysis of regional geological environment complexity can effectively guide the planning and location of long-distance linear projects and urban planning. In the past, the evaluation of geological environment complexity was mainly aimed at small areas, and its evaluation scheme was restricted when applied to large areas. In view of this, this paper puts forward guiding principles of evaluation of regional geological environment complexity, using information entropy evaluating the complexity of stratigraphic lithology. Selecting 10 indicators from topography, stratigraphic lithology and frozen soil, faults, regional stability, meteorology and using the Analytic Hierarchy Process (AHP) for calculating index weights, geological environment complexity is analyzed based on the GIS platform. This research method is of value to the evaluation of regional geological environment. The results provide a basis for long distance linear engineering planning in Sichuan.

geological environment; complexity; information entropy of stratigraphic lithology; Sichuan geology; AHP

2019-01-20

國家電網公司科技項目資助（SGSCJY00JHJS201600026）

李源亮（1992-），男，貴州晴隆人，助理工程師，碩士，主要從事區域地質調查、巖土工程等方面的工作

P642.4

A

1006-0995（2020）01-0086-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.018