基于信息量法的黔中巖溶區地下空間利用適宜性評價

楊強, 李浩, 張鳴之, 李榮建, 華興, 丁偉翠

(1.中國地質環境監測院, 北京 100081; 2.西安理工大學巖土工程研究所, 西安 710048; 3.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心, 保定 071051; 4.貴州地質調查院, 貴陽 550000; 5.中國地質科學院, 北京 100037)

隨著中國城鎮化水平的不斷提高,由此引發的土地資源緊缺、建筑空間擁擠、城市交通堵塞、生態環境污染、城市防災能力薄弱等諸多影響城市可持續發展的問題日益突出[1-7]。城市地下空間的合理開發利用是解決“城市綜合征”的戰略選擇,是優化城市空間結構和管理格局、增強地上與地下建設有機聯系、促進地下空間與城市整體同步發展的必要措施,也是緩解城市資源緊張、改善城市環境、提升生活品質的必由之路,對于推動城市由外延擴張式向內涵提升式轉變,提高城市綜合承載能力和宜居水平,促進社會經濟可持續發展具有重要意義[8-11]。

地質環境條件是地下空間開發利用的載體,地形地貌、地質構造、地層巖性、巖土體條件、地質結構、水文地質及地質災害等諸多脆弱敏感因素制約著地下空間的開發利用,因此城市地下空間資源利用適宜性評價是城市地下空間規劃和合理開發利用的基礎[11-13],其中董英等[11]確定了城市地下空間開發利用的地質安全評價的主要內容,夏友等[12]將地質環境評價因子分為敏感因子、重要因子、一般因子,吳冰華等[13]詳細論述了敏感性因子對鄭州城市地下空間利用的影響。眾多學者在地下空間利用地質方面做了大量的研究,城市地下空間開發利用適宜性評價的方法主要有地質綜合分析法、模糊灰色聚類法、綜合指數法、專家聚類法、模糊綜合評判法、神經網絡法、灰色評估法、模糊數學法、多目標線性加權函數法等[12-17],而確定各指標權重的方法主要有專家打分法、層次分析法(analytical hierarchy process,APH法)、熵權-層次分析法、權重反分析法、變權法及多種方法組合實用[18-22],這些方法針對不同區域的地質環境特點,取得一定的探索。針對城市的地質環境條件,采用合適的評價方法,選取恰當的評價指標及權重是地下空間利用適宜性評價的關鍵。

中國巖溶地區分布廣泛,地質條件復雜,地下空間開發利用難度大、成本高[23-25],尤其是復雜的巖溶地下水問題,顧鴻宇等[26]也提出地下水對城市地下空間開發利用的關鍵制約因素。基于巖溶區地下空間利用的復雜性,目前國內對非巖溶區地下空間利用的研究較多,對巖溶區地下空間利用適宜性評價方法及評價指標體系的研究相對較少。現選擇黔中高原臺面貴安新區花溪大學城典型巖溶區作為研究對象,在綜合分析典型巖溶區地質環境條件的基礎上,選擇影響地下空間利用的主要因子,通過專家-層次分析法確定影響因子權重,建立適合于巖溶區的地下空間利用適宜性評價模型,基于ArcGIS平臺實現研究區分區、立體分層地下空間利用適宜性評價。以期使形成的典型巖溶區地下空間評價利用的模型與方法為同類地區地下空間利用評價提供方法借鑒,評價結果為典型區地下空間利用、國土空間規劃提供技術支撐。

1 研究區概況

貴州省貴安新區是國務院2014年批準設立的第八個國家級新區,位于貴陽市和安順市結合部,是黔中城市群核心地帶。貴安新區屬于新興新區,規劃建設處于起步實施階段,貴安新區“高端化、綠色化、集約化”戰略定位,“多層次、一體化”的軌道交通網絡體系構建以及地下綜合設施系統的規劃建設均對地下空間資源利用提出了迫切需求和極高要求,急需在地下空間規劃開發利用前,開展地下空間利用適宜性評價研究,為地下空間開發利用規劃建設提供技術支撐,更好的服務地下空間“規劃、建設、運營、管理”全過程。

花溪大學城典型巖溶區位于貴安新區黨武鎮擺牛村、擺仇院村、馬場地村、棟青樹村、下壩村一帶,面積約5 km2(圖1)。典型巖溶區屬云貴高原黔中山原地帶,為貴州中部二級高原夷平面地帶,屬低中山丘陵區;地形相對高差多小于100 m,最低海拔1 040 m,最高1 400 m;區內地面高度起伏不大,高原原面保存較為完整。區內地貌主要由巖溶丘陵和洼地組成,溶丘多成“饅頭”狀,低矮圓滑,相對高差多小于50 m;洼地多呈圓形或橢圓形,淺碟狀,多封閉,內有厚度不大的土層覆蓋,少數洼地成為小型匯水盆地或人工修建小型水庫,形成小面積的濕地。典型巖溶區地表水系較為發育,主要為珠江水系的花溪河流域,較大的地表溪流有擺牛河和下壩河,兩條小河在工作區東北部匯合,往東南注入漣江,年平均流量135 L/s。

區內出露地層有二疊系長興組、大隆組、三疊系大冶組和第四系,地層巖性主要為碳酸鹽巖(面積占95%)、碎屑巖和第四系黏土。區內地質構造以褶皺構造為主,斷裂不發育,構造形跡主要為走向近于南北的復式褶曲,在區內為黨武復式背斜。區內地下水系統為分散排泄地下水系統,含水巖組劃分為碳酸鹽巖巖溶水含水巖組、基巖裂隙水含水巖組、松散巖類孔隙水含水巖組;區內地下水埋深為1 148.7 ～ 1 232.1 m,地下水由南、北向中部流動,與地表徑流基本一致。區內工程地質巖組主要有松散松軟堆積層巖類、碳酸鹽巖類及碎屑巖類3個巖土體類型,松散松軟堆積層巖類有中偏高壓縮黏土類和低壓縮碎石類2個巖組,碳酸鹽巖類有強巖溶化碳酸鹽巖巖組、中等巖溶化碳酸鹽巖巖組,碎屑巖類主要是軟質巖。區內可溶巖大面積出露,巖體溶隙、裂隙發育,加之地下水運移溶蝕作用強烈,巖溶發育強烈,嚴重制約了地下空間的開發利用。

2 適宜性評價方法

典型巖溶區地下空間適宜性評價是立體多層、多種因素組成的復雜體系,需要根據典型巖溶區地質環境條件選擇適合的適宜性評價方法,并構建適應的評價模型,進而得出可靠的適宜性評價結果為地下空間開發利用提供依據。

2.1 適宜性評價地質模型

根據花溪大學城典型巖溶區地形地貌特征、地下空間規劃、地上地下空間利用特點,結合《城市地下空間規劃標準》(GB/T 51358—2019)中地下空間利用立體層位劃分,分析研究工程地質勘查40個鉆孔(6個控制孔,34個勘查孔)揭露的地層結構特征,結合地質雷達(超淺層0～20 m)、淺層地震(淺層10～60 m)、高密度電法(0～50 m)組合勘探的剖面,得出有效保護利用地下埋深為18 m左右的相對隔水泥巖層工程地質特性,將花溪大學城典型巖溶區地下空間利用概化為分半地下空間、淺層(-18～0 m)、次淺層(-18～35 m)開展適宜性評價(圖2)。

圖2 研究區地下空間利用適宜性評價地質模型Fig.2 Suitability evaluation model of underground space in Gui’an New Area

半地下空間受地形起伏程度(主要為溶丘、洼地)的影響,地下空間沒有明確的地上地下分界線,主要為地表的溶丘、溝谷、坡地等以上部分,本層主要功能為停車場地、綜合管廊、生活娛樂、公共步行通道、人防等設施,地下空間利用主要受地形地貌條件、工程地質條件、環境地質條件、水文地質條件、水生態環境影響。淺層空間位于地下-18 m左右隔水泥巖層頂板至半地下層底板,主要功能為地下交通廊道、物流通道、地下市政設施、商業服務場所等,主要受工程地質條件、環境地質條件、水文地質條件、水生態環境和地下及地表建筑利用情況影響。次淺層空間:位于地下-18 m左右隔水泥巖層底板至-35 m左右,主要功能為儲水廊道、數據中心等戰略基礎設施建設,主要受工程地質條件、環境地質條件、水文地質條件、水生態環境和地下及地表建筑利用情況影響。

2.2 適宜性評價指標體系及評價方法

對受多種因素影響的典型巖溶區地質空間進行適宜性評價,必須篩選出關鍵影響因子,建立評價指標體系,同時解決評價因子的統一化及規范化問題,對受復雜因素影響的地下空間利用問題進行層次分解和重建,建立科學、合理的評價指標體系。采用專家-層次分析法構建典型巖溶區地下空間利用適宜性評價指標體系[22-30],專家-層次分析法能夠把復雜問題中的各因素劃分成相關聯的有序層次,可以實現定量分析與定性分析相結合,是一種較好的權重確定方法,層次分析方法能將典型巖溶區地下空間利用的各因素劃分成相關聯的層次有序、條理清楚的多目標、多準則的評價體系,適宜于典型巖溶區地下空間利用評價。

2.2.1 評價因子選取

綜合分析典型巖溶區地下空間調查及工程地質勘查資料,研究區地下空間利用主要受到地質環境、生態環境及建設利用現狀控制。選取地形地貌、工程地質條件、環境地質條件、水文地質條件、水生態環境、地下空間利用現狀、地表空間利用現狀等因素作為評價因子,建立了花溪大學新城地下空間利用適宜性評價體系(圖3)采用專家-層次分析法對于地下空間利用的優劣性進行Ai賦值,分級賦值見表1。

表1 地下空間利用適宜性評價因子分級及賦值表Table 1 Grading table for evaluating the suitability of underground space utilization

圖3 地下空間利用評價指標體系Fig.3 Evaluation index system of underground space utilization

2.2.2 評價因子權重的確定

邀請20名在研究區長期從事綜合地質調查、地下空間利用、巖溶災害防治的專家對地下空間利用影響因素權重進行打分,結合層次分析法(APH)確定各影響因子權重。主要過程是通過構建判斷矩陣、重要性排序計算、一致性檢驗等方法計算地下空間利用影響因子所占的權重[28]。主要步驟如下。

步驟1構建判斷矩陣。

以A表示目標,Ui、Uj(i,j=1, 2,…,n)表示影響典型巖溶區地下空間評價的因素,Uij表示Ui對Uj的相對重要性數值,并由Uij組成A-U判斷矩陣P。

(1)

步驟2重要性排序。

根據判斷矩陣,求出其最大特征根λmax所對應的特征向量ω。所求得的特征向量ω經歸一化處理,得出各影響因素權重分配。

Pω=λmaxω

(2)

步驟3一致性檢驗。

判斷權重合理性,需要進行一致性檢驗。檢驗公式為

CR=CI/RI

(3)

式(3)中:CI=(λmax-n)/(n-1),CI為判斷矩陣一致性指標;λmax為最大特征根;n為矩陣階數;RI為判斷矩陣平均隨機一致性指標。1～9階的判斷矩陣的RI如表2所示。

表2 平均隨機一致性指標RI的值Table 2 Values of the average random consistency index RI

2.2.3 評價數學模型

采用多目標線性加權函數法,按照各目標的重要性賦予相應的權系數,然后對其線性組合進行優化求解多目標問題,對典型巖溶區地下空間利用進行適宜性評價。評價的數學模型為

(4)

式(4)中:D為評價目標總得分(0≤D≤1);Ai為第i個單項指標的量化分值;Bi為第i個單項指標的權重;Cj為第j個準則層指標的權重;n為指標層的指標數量;m為準則層的指標數量。

2.2.4 適宜性評價的實現

典型巖溶區地下空間利用適宜性評價是通過利用ArcGIS平臺實現的。ArcGIS是一套完整的GIS平臺產品,具有強大的圖件制作、空間分析、空間信息整合能力,能夠很好地完成地下空間利用適宜性評價分析。在ArcGIS平臺中將研究區劃分為不同的面單元,并通過評價結果對圖層中的不同分級進行賦值,利用ArcGIS的Weight Sum(權重求和)進行疊加計算,最后實現評價。首先對所有指標層進行分級,根據地下空間開發因素的貢獻賦值(Ai),設定0

Ii=∑AiWi

(5)

式(5)中:Ii為各層的適宜性評價指標值;Ai為各評價因子取值;Wi為各評價因子的權重取值。根據結果自動分級,通過反演校正得出評價結果,Ii得分越高,地下空間利用適宜性越好。

3 評價方法應用

應用建立的評價指標體系和評價方法對花溪大學城典型巖溶區半地下空間、淺層地下空間、次淺層地下空間進行地下空間利用適宜性評價。

3.1 評價指標權重

分層評價地下空間利用適宜性,首先需要確定評價指標層,然后利用層次分析法,構造判斷矩陣,滿足一致性檢驗后,對各個因素進行權重賦值(Wi),各分層評價指標層權重見表3,部分評價因子分級見圖4(半地下空間評價因子)。

表3 研究區各評價分層適宜性指標層權重賦值表Table 3 Weight assignments table of each evaluation stratum suitability index layer in the study area

圖4 部分評價因子分級圖Fig.4 Classification map of some evaluation factors

3.2 評價結果

在ArcGIS中運用圖層疊加功能,根據每個影響因子圖層的分級指標值,進行權重疊加成圖,成圖后對疊加進行圓滑及微小合并處理,形成最終的地下空間適宜性評價圖。地下空間利用適宜性評價分為適宜區、較適宜區、一般適宜性區、不適宜區4個等級,半地下、淺層、次淺層的評價結果如圖5和表4所示。

表4 地下空間利用適宜性評價結果表Table 4 Evaluation results table of suitability of underground space utilization

圖5 地下空間利用適宜性評價結果Fig.5 Evaluation results map of suitability of underground space utilization

3.2.1 半地下空間評價結果

適宜區占比75.51%,主要分布在下壩村、擺牛村一帶,地貌以溶丘洼地為主,斷裂構造不發育,鉆孔資料揭露附近巖心(巖體結構)相對完整,地下水水位較深,沒有巖溶塌陷等地質災害,基本沒有地表地下建筑設施,適宜地下空間的開發利用。較適宜區占比14.31%,主要分布溶丘與洼地過渡的緩丘地區,附近斷裂影響范圍較小,巖溶發育程度小,地下水位相對較深。一般適宜區占比9.72%,主要分布在黨武鎮及周邊自然村,地表相對高程較低,地形起伏度中等,巖體相對破碎,巖體中溶孔、溶蝕裂隙發育,局部泉水出露,地下水水位較淺;不適宜區占比0.46%,主要分布在研究區的北部,下壩村以西區域,受斷層影響較大,該區地下水水位相對較淺,開發利用難度較大。不適宜區主要集中在斷裂帶與巖溶塌陷點附近,在大冶組二段灰巖區,半地下空間利用主要受斷裂及巖溶塌陷影響。

3.2.2 淺層地下空間評價結果

適宜區占比67.02%,主要分布在擺牛村與黨武鎮下壩村一帶,區域內鉆孔揭示地下水位較深,巖溶不發育,工程地質巖組較堅硬,基本沒有地表水體,地上地下空間目前未被開發利用。較適宜區占比25.69%,主要零星分布在工作區內,面積較小,無不良地質作用,地形起伏度較大,開發利用成本較大。一般適宜區占比5.54%,主要分布在研究區中部和南部,區域內見有少量地表水體,巖石受褶皺和斷裂作用影響,相對破碎,地層產狀有一定起伏。不適宜區占比1.75%,分布在研究區擺牛村一小片區域,地下水水位較淺,見有地表水體,發育有巖溶溶蝕及小溶洞,開發利用難度大。

較半地下空間,適宜性的面積減少,不適宜面積增多,地下空間利用主要與深層的地下水涌出量、巖溶發育程度等因素相關。

3.2.3 次淺層空間評價結果

適宜區占比53.78%,主要分布在工作區中部,區域內-18 m存在隔水層,該區地形水文埋深較深,地層產狀緩,巖體較完整,未見地表與地下大規模開發利用適宜地下空間開發利用。較適宜區占比28.97%,主要分布在適宜區周邊,受構造影響,巖體相對破碎,地表水地下水對其開發影響較小。一般適宜區占比13.40%,主要分布在下壩村西,區域內鉆孔揭露巖溶較發育,鉆孔內涌水量相對較大,工程地質巖組較軟弱。不適宜區占比3.85%,零星分布在研究區各部,主要受巖溶塌陷和地下水條件影響。次淺層地下空間利用適宜性以適宜為主,但較適宜、一般適宜、不適宜比例增加,總體上次淺層地質環境條件稍差,地下工程建設施工難度大、成本高,地下工程建設時應采取合理的基坑圍護等措施,防范基坑涌水、巖溶塌陷等環境地質問題。

4 結論

基于花溪大學城典型巖溶區地形地貌、地質環境條件和建設現狀,概化出地下空間利用適宜性評價的地質模型,篩選出地下空間利用的主要影響因素,確定了評價因子權重。基于地下空間利用的地質模型,融合專家-層次分析法、多目標線性加權函數法,建立了典型巖溶區地下空間利用適宜性評價指標體系和評價數學模型,形成了較為實用、可靠的評價方法。在ArcGIS平臺上實現了典型巖溶區地下空間利用適宜性評價。得出如下結論。

(1)典型巖溶區地下空間利用的主要影響因素有地形地貌、工程地質條件、環境地質條件、水文地質條件、水生態環境、地下空間利用現狀及地表建筑利用現狀。

(2)采用的專家-層次分析法、多目標線性加權函數法和ArcGIS相結合的方法對黔中典型巖溶區地下空間利用適宜性進行評價,評價因子的程序化、關聯化、條理化更強,計算效率更高,評價結果更為直觀、科學、合理、準確,實用性和推廣性較強,為典型巖溶區地下空間利用評價方法提供了借鑒。

(3)半地下空間利用主要受地形起伏程度、斷裂構造、巖體相對破碎、巖溶塌陷影響;淺層地下空間利用主要受斷裂構造、巖石破碎程度、地下水補徑排條件及巖溶發育影響;次淺層地下空間利用主要受地下水補徑排條件、巖石破碎程度及巖溶發育影響。研究區三層地下空間適宜利用的區域占比較高,垂向上從上到下開發利用難度逐步增大,巖溶區地下空間開發利用主要受斷裂構造、巖石破碎程度、巖溶發育、地下水埋藏條件控制。

(4)提出的典型巖溶區地下空間利用適宜性評價方法為同類地區地下空間利用適宜評價提供了方法借鑒。評價結果為花溪大學城典型巖溶區地下空間利用規劃、地質環境問題工程處置、合理有效利用地下空間資源、保護生態環境提供了科學依據。