基于熵權TOPSIS分析法的鄭州市三維地質環境承載力評價

李政乾,李宏偉,趙 姍

(鄭州大學地球科學與技術學院,河南 鄭州450052)

隨著社會經濟的發展,城市地上空間開發趨于飽和,人地矛盾加劇,地上交通資源、水資源、居住生活條件等越來越緊張[1-2],向地下空間發展成為一種必然選擇[3]。城市地下空間是城市發展到一定階段的必然產物,如地下停車場、商場、人防工程、地鐵、隧道等。這些工程關乎城市長遠、穩定和可持續發展,也是保證居民生活質量的條件之一[4]。城市地下空間開發會受到工程地質、水文地質、地下空間開發現狀、社會等因素的影響和制約[5]。目前已有許多學者對城市地質環境進行了適宜性評價[6-7],對解決城市用地緊張、緩解交通擁擠、改善環境等起到了積極的作用。與此同時,開展地質環境承載力評價也是城市地下空間開發利用的重要方面,即結合地下空間開發現狀和資源質量等要素,分析出能夠支撐地下空間開發、建設的人類活動最大程度,支撐城市可持續健康發展的能力[8-11]。開展城市地質環境承載力評價,是保證地下空間合理開發利用和生態系統良性循環的基礎,是度量城市可持續健康發展能力的重要內容。因此,本文利用工程地質、水文地質、地下空間開發現狀、地表生態交通環境等數據,對鄭州市進行三維地質建模[12],結合三維地質模型對鄭州市地質環境進行承載力分析,以更直觀、有效地展現地質狀態,提高評價結果的實用性,為鄭州市地下空間開發提供參考。

1 研究區及數據

1.1 研究區與鉆孔分布

研究區北至黃河、東到鄭州市中牟縣人文路,西南以鄭州市繞城高速為界。該范圍內共有360個鉆孔,5835層巖土數據,鉆孔位置分布如圖1所示。

圖1 鄭州市鉆孔分布

1.2 工程地質要素

第四紀更新世形成的地層可分為全更新統、上更新統、中更新統、下更新統,見表1。

表1 工程地質概況

1.2.1 全更新統

全更新統廣泛分布于平原地區,大致以京廣鐵路為界分為東西兩個區域。在西部區域,中段缺失,上段為黑灰色的古土壤和淺黃色的粉土,下段為淺灰黃色、淺黃色的粉土及粉質黏土。在東部區域,上段為淺黃色的粉土、粉質黏土及泥質粉砂,交錯層理清晰;中段主要由淺黃色和灰黃色的細砂和中細砂組成,含有小礫石,夾雜著粉砂薄層,具有交錯和水平層理;下段為灰黃色、淺灰色的淤泥質黏土、粉土及淤泥質粉砂。

1.2.2 上更新統

上更新統分為兩段,上段包括黃土狀的粉土、粉砂,黃河沖積平原區則含有粉土、細砂、中細砂、中粗砂含礫,其中夾雜有黏土或粉土透鏡體;下段包括粉質黏土和粉土,顏色為黃色和黃褐色,下部為黃褐色、灰白色,含有細砂、中細砂和中砂。

1.2.3 中更新統

中更新統上段分布在市區及西南山區的河流沖洪積物中,巖性為粉質黏土夾砂層;下段為河湖相沉積,巖性為褐紅、褐黃色粉質黏土、黏土夾灰白、褐黃色細中砂、粉砂。

1.2.4 下更新統

下更新統上段巖性為黃綠、黃棕、淺棕紅色粉質黏土、黏土及細、中砂;下段巖性為棕紅、灰綠色厚層黏土、粉質黏土夾磚紅或銹黃色粉細砂,內含較多的混粒土和混粒砂。

1.3 水文地質要素

研究區以淺層地下水為主,儲存于第四系全新統、上更新統、中更新統沖積(局部為沖洪積)地層中,巖性為粉質黏土、粉土夾砂層;京廣鐵路以西,90～120 m以下為下更新統或新近系黏土與砂互層。頂板埋深由西部的20～40 m至東部的10 m左右;底板埋深:西部以新近系湖沖(洪)積中厚層含礫,中、粗砂為底界,埋深120～140 m,其中含水層厚度為40～60 m;東部以中更新世中部黃河沖積厚層中、細砂為界,埋深160 m左右,其中含水層厚度為50～110 m。

(1)富水性極強區,分布于東北部沿黃河一帶,頂板埋深5～10 m,局部小于5 m,底板埋深80～110 m,結構松散,滲透系數18.5～34.85 m/d,地下水位埋深一般為5～10 m。

(2)富水性強區,分布于花園口—祭城—圃田一帶,頂板埋深4～10 m,祭城至圃田等地為15～28 m,地下水位埋深一般為5～10 m,滲透系數一般為10～25 m/d。

(3)富水性中等區,京廣鐵路以東頂板埋深5～15 m,地下水位埋深一般為15～30 m,北部毛莊—老鴉陳一帶小于10 m。市區最大埋深28.1 m,已形成地下水位降落漏斗,滲透系數一般為10～25 m/d。京廣鐵路以西和研究區南部頂板埋深不一,淺者小于5 m(南曹鄉一帶),深者則大于30 m(須水—石佛一帶)。水位埋深變化大,一般為20～50 m,滲透系數為5.33～21.99 m/d。上街區北部(隴海鐵路以北)頂板埋深大于30 m,埋深隨地形起伏而變化,該區滲透系數一般大于5 m/d。

(4)富水性弱區,主要分布于三李和西北部邙山黃土塬區,水位埋深大于30 m,富水性差,一般滲透系數為4.15～8.04 m/d。

(5)富水性極弱區,分布于上街區隴海鐵路以南,屬黃土孔隙—裂隙水。水位埋深50～100 m,滲透系數為1.98～3.096 m/d。

2 地質模型構建

根據鄭州市DEM建立地表模型,在地表模型基礎上構建地質體,將地質體剖分為50 m×50 m×1 m的網格單元,共計9145萬個;將網格單元垂向拉伸30倍,調節地質體比例,剖分后的網格單元與鉆孔巖性建立關系;根據鉆孔巖性運用序貫指數模擬、變差函數在網格中進行三維插值,得到巖性地質模型;將插值后的網格單元按照系統組與地質特征分為不同區域,隨后添加水文地質要素、各影響因素至地質體,形成多要素地質模型。

2.1 地質要素建模

按照鄭州市地質系統組與地質特征分進行分類,包含每一個系統組土壤類別與結構性質,共31種巖性,同時包含土壤物理性質、埋藏深度、體積占比等。圖2、圖3為巖性地質模型。

圖2 巖性地質模型(俯視)

圖3 巖性地質模型(斜視)

根據鄭州市地下承壓水位與富水性構建模型。圖4、圖5分別表示鄭州市地下承壓水初見水位與富水性,其中藍色表示初見水位較淺區域與地下富水區較強區域,紅色表示初見水位較深區域與地下富水區較弱區域。

圖4 初見水位地質模型

圖5 富水性地質模型

2.2 影響因素建模

2.2.1 地下空間開發現狀

地下空間開發主要表現在建筑物地基、地下停車場、地下商場、人防工程、地鐵等設施。建筑物荷載由基礎傳遞到地基,并擴散衰減于更深、更遠的巖土中,其影響范圍是一個不規則的空間范圍。為了保證建筑物的穩定性,在對地下空間進行開發時,地基附近一般是不可開發的。因此地基周圍地質環境承載能力最弱,建筑地基是城市地下空間開發過程中存在最多、影響最廣的,其影響范圍見表2。地下停車場、地下商場、人防工程類似于建筑地基,在建筑地基影響范圍與深度的基礎上進行延深,埋藏于地下30 m左右范圍,承載力較弱區域為正下方,以及其下方與周邊一定緩沖區內。

2.2.2 地表生態交通環境

城市地下空間開發過程中需要對地表生態、交通留有一定空間,維持城市綠地存在,防止道路塌陷、破裂,其影響范圍見表3。

表3 城市綠地、交通對地下空間影響 m

2.2.3 城市地表水域

城市地表水域對城市生態、景觀、文化具有重要作用,因此城市規劃過程中一般對水域有一定的保護措施。在地下空間開發過程中,要考慮地表水域影響范圍,避免在施工過程中出現涌水,保護水生態環境。從地質環境承載力的角度考慮,地表水域與地下空間地質環境承載力呈負相關。鄭州市的地表水主要包括黃河、賈魯河、金水河、常莊水庫、龍湖等。表4為地表水域對下空間影響范圍。

表4 地表水系對地質環境影響范圍 m

綜上,對地下開發空間和地表生態地區及其緩沖區進行建模,結果如圖6所示。圖中淺黃色面代表鄭州市地層表面,灰黑色代表建筑物地基、地下商場、停車場等地下開發空間及其緩沖區,藍色代表河流、水庫、湖泊等,綠色代表公園、綠地,不同顏色線條代表鄭州市道路、高鐵、高速公路。

圖6 地下開發空間立體圖

3 研究方法與評價結果

3.1 指標因子選取

選取指標因子時,考慮地質環境的土壤物理性質、埋藏深度、體積占比、孔隙度、滲透率、地下富水性、地下水埋藏深度等,采用熵權TOPSIS分析法[13-15]進行評價。

對于地下開發空間、地表河流、水庫、公園、綠地等及其緩沖區,因其不可再開發,在地質模型中對其鏤空。評價指標見表5。其中,c類型指標表示運用熵權TOPSIS分析法進行指標評價,d類型指標表示開發空間及其緩沖區。

表5 地質環境承載力評價指標

3.2 地質環境承載力評價方法

熵權TOPSIS分析法大致可分為6步,分別為數據正向化、矩陣標準化、求取指標熵值、通過熵值計算權重、計算最優與最劣距離、計算得分,具體計算步驟如下。

(1)數據正向化,對于極小型數據且均為正數時,公式為

(1)

中間型數據,先輸入一個中間最優值xbest,再進行正向化,公式為

(2)

區間型數據,先輸入區間的下限a與上限b,再進行正向化,公式為

M=max(a-min(xi),max(xi)-b)

(3)

(4)

(2)正向化矩陣進行標準化,正向矩陣標準化是為了消除不同量綱的影響,公式為

(5)

為了消除資源環境承載力評價指標間的量綱及物理量等屬性的影響,需對收集的指標數據進行標準化,公式為

(6)

式中,yij為數據標準化處理后的值;xij為指標數據初始值;min(xij)為指標數據初始值的最小值;max(xij)為指標數據初始最大值。

(3)求評價指標的熵值,公式為

(7)

(8)

式中,Eij為指標的熵值,0≤Ej≤1;Pij為評價因子在指標中的比重,當Pij=0時,lnPij無意義,需要修正Pij,公式為

(9)

(4)通過熵值Ej計算出各指標權重值(見表6),公式為

表6 指標權重

(10)

(5)計算最優距離和最劣距離:

定義最大值,公式為

(11)

定義最小值,公式為

(12)

定義第i個(i=1,2,…,n)評價對象與最大值的距離,公式為

(13)

定義第i個(i=1,2,…,n)評價對象與最小值的距離,公式為

(14)

(6)計算得分,計算歸一化得分(見表7),公式為

表7 各區域得分

(15)

(16)

鄭州市地質環境承載能力等級劃分見表8,承載力空間分布如圖7、圖8所示。圖中藍色表示承載能力較強區域,紅色表示承載能力較弱區域,整體由藍色至紅色漸變,呈現北部沿河區域較弱、南部較強的趨勢。對于地下開發空間與地表生態環境及其緩沖區,因其不可再開發且需保護,承載能力最弱,在地質模型中將其鏤空。

表8 承載能力

圖7 地質環境承載力(俯視)

圖8 地質環境承載力圖(斜視)

4 結 語

本文運用鄭州市工程地質要素、水文地質要素進行三維地質建模,在模型基礎上構建城市地下開發空間和地表生態環境及其緩沖區,完整地表現出鄭州市地質情況,實現了三維地質建模與多種屬性信息的結合,形成了多要素地質模型。選取評價因子構建評價體系,通過熵權TOPSIS分析法得到指標權重并計算得分。對于各影響因素,因其已開發且需保護,將其承載能力定義為最弱,在地質模型中將其鏤空,得到鄭州市三維地質環境承載力情況。

結果表明,鄭州市已開發區域承載能力最弱,北部沿河區域承載能力較弱,城市中部承載能力適中,南部承載能力較強,為鄭州市地下空間開發提供了參考。鄭州市仍處于高速發展階段,希望結合更多實例數據,構建更加準確的模型,運用更加科學的分析方法以得到更加準確的結果。