北京城市地质安全保障服务系统在地质环境综合质量评价中的应用

李 潇，李 佳

（北京市地质调查研究院， 北京 100195）

北京城市地质安全保障服务系统在地质环境综合质量评价中的应用

李 潇，李 佳

（北京市地质调查研究院， 北京 100195）

根据北京市地质环境特点，应用北京城市地质安全保障服务系统的综合分析功能，采用层次分析法及综合指数模型，对北京市平原区的地质环境综合质量进行了评价研究。

地质环境评价；层次分析法；综合指数法；GIS

0 引言

随着北京市人口的快速增加，功能不断集聚，致使可用土地资源紧张，水资源、能源供应明显不足，地下空间开发隐患增多；地面沉降、突发性地质灾害、地下水污染等地质灾害日趋严重。地质资源安全与地质环境安全问题越来越成为北京可持续发展的瓶颈。北京城市地质环境问题主要指污染、地质灾害等，包括地下水污染、垃圾污染、地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷、地面塌陷、泥石流、滑坡、崩塌等；平原地区隐伏活动断裂对建筑物安全构成威胁；工程建设的加载和开挖，破坏了地壳表层的平衡，使工程设施产生沉降、位移、失稳等，也是地质环境问题带来的危害。

北京城市地质安全保障服务系统接入了地下水、地面沉降、地壳稳定性、突发性地质灾害、土壤地球化学、浅层地温能等各类地质专业数据库，具有基于GIS技术的专业分析系统和地质安全综合分析系统，集成了多种评价方法与技术，集专业数据查询、分析、展示功能为一体，为地质环境综合质量评价奠定了坚实的基础。本文采用了该系统的综合分析功能，选用了代表北京地质环境特点的几项指标，对北京市平原区的地质环境综合质量评价做了应用研究。

1 北京市地质环境影响因素及特点

北京处于太行山脉、燕山山脉与华北平原的交界地带，地理坐标为东经115°25′～117°30′，北纬39°28′～41°05′。全市按行政区划分为16个区（县），总面积为16410.54km2，其中平原面积6400 km2。西北部为中低山区，东南部是由各大水系冲洪积作用形成的平原，总体地势西北高，东南低。地质环境主要影响因素有以下几项。

1.1 地下水

目前，北京城市供水的三分之二来自于地下水，近30年来地下水开采量一直维持在26～28亿m3/a，1999年至2012年地下水量连续亏损，累计达62.41亿m3/a，超采严重。地下水持续高强度开采，引发了诸如水位持续下降、地下水降落漏斗、地面沉降、水质恶化等一系列环境地质问题。地下水的水质和水量是本文中地质环境综合评价的重要因子。

1.2 地质灾害

北京地区地质灾害主要有泥石流、崩（滑）塌、滑坡、隐伏岩溶塌陷、地面沉降、地裂缝、采空塌陷、砂土液化等。其中平原区主要以地面沉降和地裂缝较为严重。

目前北京市地面沉降总体上呈南北两个大区分布,并逐渐有两大区连接成片的趋势。北部沉降中心为昌平八仙庄，南区主要为榆垡－礼贤沉降区。

地裂缝主要位于顺义地区，分别位于顺义断裂和黄庄—高丽营断裂附近。总体上看，二者皆呈条带状分布，与断裂的分布有密切关系。

1.3 地壳稳定性

北京平原区由于经历了长期、多次的强烈地壳运动而发育多方向断裂，构成了复杂的断裂体系,其中以北东向断裂和北西向断裂为主。平原区黄庄－高丽营断裂（北段）、顺义断裂、南口－孙河断裂和夏垫断裂为全新世活动断裂，近期活动性趋势加剧。

1.4 土壤环境

北京整体土壤质量环境良好，平原区土壤一、二级质量区的面积占到90%以上，但是局部地区存在人为污染或自然源引起的土壤生态环境问题。城中心地区主要问题是Hg元素超标，但随着北京市能源使用方式政策的实施，中心城区土壤重金属污染逐年得到有效治理。此外，部分农产品基地土壤的Cd、Cr等重金属元素含量较高。

1.5 人类活动

近年来随着北京城市建设的迅猛发展，各种建设开挖过程中引起的流土流砂、边坡滑移、地面塌陷等灾害问题也日趋严重，人口膨胀带来的大量垃圾填埋对土壤环境及地下水环境也产生较大影响。

2 北京平原区地质环境综合质量评价方法

2.1 评价步骤

(1)收集北京市地质环境相关资料，对资料进行分类、筛选、分析。

(2)根据北京地质环境特点，从多个因素中选择具有代表性的影响因素作为评价因子。

(3)建立空间数据库，提取评价范围内各类评价因子的图层，图层包含空间数据与属性数据。本文中主要采用了北京市平原区地下水（第一含水层）质量分区图、地面沉降累计沉降量图、地壳稳定性分区图、土壤质量分区图、平原区地下水开采程度分区图等。

(4)根据评价目标，选择因子权重的计算方法，确定权重。本文采用层次分析法。

(5)选择评价的数学模型并计算，本文采用综合指数模型。

(6)制定评价分级标准，将计算结果按照标准分级，得出评价结果。

评价的流程如图1所示：

图1 评价流程图

2.2 评价因子的选择

从总体来说, 地质、地形地貌、气候、水文、植被、地下水、断裂分布及活动性、地震、岩土体性质、人为活动等都是控制各种地质灾害活动的基本条件。但是这些条件在区域的主次地位及所起作用不尽相同, 所以地质环境的评价指标也各异。

通过对北京市地质环境问题的分析和研究，选取地下水综合质量等级、地下水开采程度分级、地面累计沉降量、土壤环境质量等级、地壳稳定性5个指标作为评价因子。其中，地下水综合质量等级反映地下水的质量程度，地下水开采程度分级反映地下水的开采状况对地质环境的影响程度，地面累计沉降量反映平原区地质灾害的易发程度，土壤环境质量等级反映土壤受污染的程度，地壳稳定性反映活动断裂、地裂缝等对环境的影响程度。各评价因子的指数分级标准见表1。

表1 各评价因子的指数分级标准

2.3 评价方法的确定——层次分析法（简称AHP）

在地质环境综合评价中，权重反映不同评价因子间重要性程度的差异，权重的确定需要一个合理的完整的定权方法体系。层次分析法的指标权重是在重要性判断矩阵的基础上计算得到的并且可以分层确定，这极大减少了传统的人为定权的主观因素偏差和干扰。该法不仅没有削减原始要素的信息量，而且保持了指标权重判断的一致性，尤其适用于地质环境评价研究。

其基本思路是：①将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则的顺序分解为不同的层次结构。②采用Satty标度法构造两两相比判断矩阵。③计算矩阵的最大特征值及其对应的特征向量。④对层次排序及一致性进行检验。若满足一致性要求，即认为计算的最大特征根合理，其对应的特征向量即为要素权重，否则重新构造判断矩阵，反复计算至合理为止。

本文采用该法确定权重，评价因子及判断矩阵如表2所示。

表中数值按照5个因子的相互关系，根据Satty标度法赋值，取值范围为1～9。以地壳稳定性与地下水综合质量等级之间关系为例，认为地壳稳定性相对于地下水综合质量等级而言，前者比后者明显重要，因此标度取值为3。矩阵的其他取值类似。

确定判断矩阵之后，需进行一致性和随机性检验，

式中: C.I为一致性指标，n为矩阵阶数，λ_m ax为最大特征根，R.I为平均随机一致性指标，C.R为随机一致性比率。当C.R＜0.10时，判断矩阵才具有满意的一致性，认为计算所得的权值是合理的。否则，调整判断矩阵, 直到取得满意的一致性为止。

经计算，各评价因子的权值如表3所示：

2.4 数学模型选择——综合指数法

本文采用综合指数模型，先确定单个评价因子的指数，再按照表2-1中的分级标准给所有的评价因子赋予相应的分指数，再加权求和，计算地质环境综合指数，计算公式如下：

表2 各因子的判断矩阵

表3 各评价因子的权重计算结果

其中，S为综合指数，iU为各个评价因子的分指数（取值根据表1），iW为各个因子的权重值（取值根据表3），n为评价因子的总数，本文中n=5。

2.5 评价分级标准

根据计算所得的综合指数，将北京市地质环境质量从优到差分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4个级别。分级计算标准如表4所示，其中m ax表示综合指数的最大值。

3 应用北京城市地质安全保障服务系统的评价实现及结果分析

应用北京城市地质安全保障服务系统的专业分析系统，对各评价因子进行单指标评价，获取相应的评价分区图，并按照分级标准，分别赋予各因子相应的分指数。再将各图层导入地质环境质量评价模块（图2、图3），给定判断矩阵及分级标准，通过叠加分析与计算，最终得到评价结果（图4）。

图2 地质安全质量综合评价因子导入——地面累计沉降量图

图3 地质安全质量综合评价因子导入——地下水综合质量等级图

图4 系统应用评价结果示意图

（1）评价为Ⅰ级（优）的地区：基本无环境地质问题，地壳稳定性好；基本无地面沉降发生；地下水质量、土壤质量指标均为优。适宜城市发展建设，发展生态旅游及农林业。主要分布于密云县、昌平区、门头沟区、房山区及平谷区周边。

表4 北京地质环境质量安全综合评价等级表

（2）评价为Ⅱ级（良）的地区：存在地面沉降，但程度轻微；基本无活动断裂分布；地下水质量和土壤质量较好。该区适宜城市发展建设，适宜农业及林业发展。主要分布于怀柔区、密云县、顺义区、昌平区、丰台区、大兴区、海淀区的部分地区。

（3）评价为Ⅲ级（中）的地区：存在一定程度的地面沉降或存在活动断裂分布；存在一定程度的地下水污染和土壤污染，但危害较为轻微。该区较适宜城市发展建设，较适宜地下空间开发利用和绿化建设。主要分布于东城区、西城区、朝阳区、昌平区、通州区及大兴区。

（4）评价为Ⅳ级（差）的地区：存在活动断裂及地裂缝的分布；地面沉降灾害严重；存在一定程度的地下水污染、垃圾污染及土壤污染。该区不适宜大型工程建设，应主要作为城市绿化用地、城市休闲功能区进行建设。主要分布于昌平区、顺义区、平谷和通州区。

4 结论

对比以往地质工作成果，本文应用北京城市地质安全保障服务系统得到的评价结果较为客观的反映了实际情况，为今后北京地质环境综合质量评价工作更加方便、高效和准确奠定了良好的基础。地质环境质量的影响因素很多,它们既有其相对独立的特殊性，又客观存在着相互关联、相互影响的必然性和普遍性，人为认识也是评价结果的重要影响因素。随着各地质专业工作程度的不断加深、更多评价方法及模型的应用对比以及系统数据库的不断更新完善，该系统评价结果的准确性及精确程度将会得到不断提高，从而对城市建设及规划将更加具有实际参考价值。

［1］周爱国，周建伟，梁合诚等.地质环境评价［M］.武汉：中国地质大学出版社，2008.

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［3］北京市地质矿产勘查开发局、北京市地质调查研究院.《北京市多参数立体地质调查报告》，2009.

［4］北京市地质调查研究院.《北京市平原区活动断裂专项地质调查报告》，2013.

［5］北京市地质矿产勘查开发局、北京市地质调查研究院.北京城市地质［M］.中国大地出版社.2008.

［6］北京市地质矿产勘查开发局、北京市水文地质工程地质大队.北京地下水［M］.中国大地出版社.2008.

［7］北京市地质矿产勘查开发局、北京市地质研究所.北京地质灾害［M］.中国大地出版社.2008.

［8］邢怀学，葛伟亚，董志高等.基于GIS城市地质环境质量综合评价——以福州市为例［J］.上海地质，2010，（31）：20～23.

［9］孙杰，贾建业，詹文欢.区域地质环境质量综合评价及应用研究［J］.中国地质灾害与防治学报，2007，1（18）：73～76.

［10］颜世强，孟庆峰，董三强.基于GIS 的德州市地质环境质量综合评价［J］.中国矿业，2004，13（5）：17～19.

Com prehensive Geological Environment Assessment based on Beijing Geological Security Service System

LI Xiao, LI Jia

(Beijing Geological Survey, Beijing 100195)

According to the characteristics of the geological environment of Beijing, we have applied Beijing Geological Security Service System to evaluate the comprehensive geological environment quality of Beijing plain, and put forward to some corresponding suggestions for the planning and utilization.

Geological environment assessment；AHP；Composite index method；GIS

X820.2

A

1007-1903（2015）01-0043-05