基于三维GIS的第四系古河道沉积区工程建设适宜性评价研究

杨波，管后春，杨潘，侯香梦

(安徽省地质调查院，安徽 合肥 230001)

楚店集、高炉集、江集和望町集4幅1∶5万综合地质调查区位于安徽北部亳州市境内。区内主要为第四系厚层松散岩类覆盖，古河道较发育，地下水资源较为丰富，是主要的工业、生活用水来源。随着人类活动加剧，地下水水质、水资源量以及建设用地等自然资源逐渐成为当地建设、发展的限制因素。综合基础、工程、水文地质研究认识，运用三维建模、GIS等技术手段，开展50m以浅的工程建设适宜性定量评价研究，其成果可为当地发展远景规划以及经济开发区、重要城镇建设规划提出指导建议。

基于GIS技术的适宜性评价前人已开展不少研究。如浅层分析大多采用二维网格化技术开展(夏伟强等，2019；蒋旭等，2018；唐鑫等，2019；王振宇等，2019)。在中、深层分析中，地质体与评价因子的三维空间分布具有重要的赋值控制意义，需要通过三维模型进行空间约束。三维建模技术解决了二维平面在纵向上的信息缺失问题(李青元等，2016；屈红刚等，2015)，在此基础上发展而来的三维评价技术，通过三维网格化赋值、插值计算等方法，将三维模型由单一属性转为连续变化属性，使其能够更准确的反映因子内部变化趋势(章梦霞，2019；李静等，2016；郝爱兵等，2018；方寅琛等，2017)。

1 研究区地质背景

研究区地处黄淮海平原南缘，淮河二级支流涡河、西淝河呈南东向贯穿全区。区内地形地貌平坦，仅东北部有残丘分布和少量基岩出露，其他地区均为第四系地层覆盖。第四系从老到新依次为早更新世太和组、中更新世临泉组、中—晚更新世茆塘组以及晚更新世—全新世蚌埠组。地层总体呈北东向南西逐渐增厚，钻孔揭露最厚处达162.75 m。

地貌主要分构造剥蚀地貌和侵蚀堆积地貌两大类型。更新世主要为大面积沉降，中—晚期古河道较发育。全新世以上升为主，基本为冲积，在东部有少量的冲-洪积、残-坡积等(地貌特征见图1)。区内膨胀土广泛分布，自由膨胀率主要介于30%～60%。地下水资源较为丰富，主要为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水。

1.丘陵；2.岗地；3.河间地块；4.河漫滩；5.河漫沼泽；6.天然堤；7.决口扇；8.边滩；9.牛轭湖；10.河流图1 研究区地貌简图Fig.1 Landform map of the study area

2 研究数据与技术方法

2.1 主要研究数据

本次研究基于区内1∶5万综合地质调查开展，数据包括地质调查、钻探、岩土分析、水质分析数据，以及编制的各类图件等，较为全面、准确地控制了区内工程地质结构，反映了松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水这两大主要地下水类型的三维空间分布特征。主要研究数据见表1。

表1 主要研究数据表Tab.1 Main research data

2.2 建模与评价技术路线

(1)基于综合地质调查数据，结合专家经验构建全区50 m以浅地质结构模型，全面反映区域地质结构与地质体空间分布特征。

(2)根据实际情况，研究、确定综合评价因子，利用层次分析法对因子权重进行分析，构建综合评价指标体系与分析计算模型。

(3)对评价因子进行无量纲化处理并计算权重值。

(4)构建研究区三维网格模型，以地质模型为空间约束，基于单因子评价数据、矢量图数据等对网格单元进行综合赋值。

(5)依据评价指标体系与赋值因子进行计算，得出评价结果并分析。

3 三维地质建模

三维地质模型是地质信息的重要载体与研究对象，需基于多方面调查数据并结合地质认识联合构建。建模方法主要以地质钻孔、地质剖面为纵向约束，地形地质图、岩相古地理图、地层顶、底板等深分区图等为平面约束，分层构建地质单元。对推测区域基于专家认识，通过人机交互建模方式进行补充、完善。建模软件为MapGIS K9，主要建模流程见图2。

图2 建模主要流程图Fig.2 Main flow chart of modeling

本次工程地质建模单元划分以区域地质岩性分层为基础，依据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001(2009 版)，参考以往分层方案并结合调查实际情况确定，划分原则如下。

(1) 依据岩土体沉积时代和沉积环境，以岩性地层所属组别作为1级单元。

(2)基于土体性质和状态，结合土工实验参数，在1级单元内划分亚组。

(3)考虑工程地质层组在同一地貌单元内分布的连续性、普遍性，参考岩性地层中各组别内段的划分，对所分亚组的部分土体做进一步划分或合并。

年代岩性分层与工程分层对照见表2，构建的三维工程地质模型(图3)。

表2 岩性分层与工程分层对照表Tab.2 Comparison table of lithologic stratification and engineering stratification

4 工程建设适宜性评价

4.1 评价因子选取

选取评价因子时，主要考虑以下几方面：一是因子敏感性，根据影响大小分析起主要、次要作用的因子；二是因子差异性，即选择的因子之间保证相互独立，性质不重叠；三是综合分析，研究因子间的相互关系与影响(张彩红，2019)。

本次评价因子间相对重要性判断及因子选取运用了Delphi法进行分析。Delphi法在20世纪40年代由O.赫尔姆和N.达尔克首创，可综合多位专家的独立判断进行定性评价。通过此方法在综合考虑当地的地质条件以及多方面因素对工程建设的影响，设置了基础地质、工程地质、水文地质3类共9项评价因子。分别为地形地貌、地壳稳定、岩土特征、土体膨胀、水系水域、洪水淹没、地下水位、地下水质和地下水腐蚀性，共同组成评价指标体系。

4.2 评价因子评分标准

由于不同因子之间存在计量单位、数值范围等差异，为实现不同因子的统一评价计算，采用了无量纲化方式进行处理。评价因子根据实际情况，基于无量纲化标准进行分级赋分(标准见表3)。因子影响程度分为四级：“好级”(10分)、“较好级”(8分)、“一般级”(6分)、“差级”(3分)，数值越高代表评价因子影响越偏向正面。

1.粉砂夹粉土(Qbl);2.粉质黏土(Qbl);3.粉细砂(Qbl);4.粉质黏土(Qpm);5.粉细砂(Qpm);6.黏土(Qpm);7.粉质黏土(Qpl);8.粉细砂(Qpl);9.黏土(Qpl);10.粉质黏土(Qpt);11.粉细砂(Qpt);12.粉质黏土(Qpt)；13.茆塘期早期古河道；14.茆塘期中期古河道；15.茆塘期晚期古河道图3 研究区工程地质模型剖切图Fig.3 Section of geological engineering model in the study area

表3 评价因子无量纲评分与分级标准表Tab.3 Dimensionless score and grading standard of evaluation factors

4.3 评价因子权重分析

因子权重分析采用层次分析法计算，主要步骤为：①按类别构建层次结构。②在同一层次类别上按照重要程度对评价因子进行两两对比，构建判断矩阵。③计算单评价因子权重。④进行一致性检验(郑长远等，2010；龙睿等，2020；Man Hu et al.，2019)。

因子权重计算首先依据Delphi法判断得出的因子重要性级别构建矩阵，再运用AHP层次分析法进行详细计算(对比判断矩阵见表4、表5、表6)。权重计算结果经分析(计算结果见表7)，矩阵一致性检验结果为0.003 6，小于0.1，通过了一致性检验，说明因子权重赋值合理，构建的综合评价体系符合要求。

表4 地质条件评价因子判断矩阵表Tab.4 Evaluation factor judgment matrix of geological conditions

表5 工程地质评价因子判断矩阵表Tab.5 Evaluation factor judgment matrix of engineering geology

表6 水文地质评价因子判断矩阵表Tab.6 Evaluation factor judgment matrix of hydrogeology

表7 评价因子权重表Tab.7 Weight of evaluation factors

对评价因子进一步分析会发现，实际情况中地形地貌、洪水淹没这2项因子在近地表区域影响较大，随深度增加其影响会逐渐降低，同时还会影响到其它因子权重变化。因此，本次研究对因子以地表权重值为初始值，随深度变化进行变权处理。地形地貌、洪水淹没等受深度影响较大因子变权赋值按公式(1)计算，其他因子按公式2计算。

(1)

式中：Wj′——第j个评价因子地表权重值；

D——研究区深度最大值；

Di——第i个评价单元所处深度；

Wij——第i个单元格中第j个因子实际权重值；

(2)

式中：Vk′——第k个受深度影响较小评价因子地表权重值；

n——受深度影响较小因子数量；

Wj′——第j个受深度影响较大因子地表权重值；

Wij——第i个单元格中第j个因子实际权重值；

m——受深度影响较大因子数量；

Vij——第i个单元格中第k个因子实际权重值。

4.4 评价单元赋值

利用Surpac软件根据研究区拐点坐标构建全区50 m以浅三维属性模型。网格单元大小设置为250×250×2 m，共计986 493个单元。三维地质模型通过格式转换导入后作为地形地貌、地质结构与工程分层的三维约束条件参与赋值。

将无量纲化处理后的9个因子评分数据通过插值计算、空间相交分析、缓冲分析等方式分别赋予三维网格单元。所有单元集成9个因子评分数据，作为分析计算基本单位参与全区工程建设适宜性评价。

4.5 适宜性评价

为全面考虑各个因子对工程建设适宜性的影响，本次评价采用多因子综合指数评价法进行计算(张彩红,2019)。单因子评分指标分别按权重赋值进行加权叠加计算分析，(计算方法见公式3)，得到工程建设适宜性指标综合评分,再根据适宜性分级标准确定适宜性分级。

(3)

式中：Si——第i个单元格综合评价最终得分；

Wj——第j个评价因子权重值；

Xij——第j个评价因子在第i个单元格的无量纲化赋值。

工程建设适宜性分级标准基于综合评分数据，运用自然间断点分级法(jenks)分五级进行计算(陶春军等,2019)，因数据总量庞大，因此采用等间距抽稀法进行了适当处理。最终分级标准结合当地实际情况、专家经验以及数据自然断点分布综合考虑划定，分级标准见表8。

表8 工程建设适宜性分级标准表Tab.8 Classification standard of engineering construction suitability

4.6 评价结果与分析

对网格单元综合评分进行统计分析，“适宜性好”级单元格40 760个，占工作区总体积的4.13%，“适宜性较好”级单元格325 561个，占工作区总体积的33.01%，“适宜性一般”级单元格413 365个，占工作区总体积的41.90%，“适宜性较差”级单元格206 807个，占工作区总体积的20.96%，“适宜性差”级单元格无。各级区域空间分布见图4。

对综合评价结果和各单项因子利用皮尔逊相关系数(梁吉业等，2016)进行相关性分析，计算方法见公式(4)。发现综合评价结果与岩土特征因子相关性最强，其次为地下水水位、地下水腐蚀性、地下水水质、地壳稳定等因子，洪水淹没、水系水域、土体膨胀、地形地貌等因子相关性较弱(分析结果见图5)。

a.适宜性好级区域；b.适宜性较好级区域；c.适宜性一般级区域；d.适宜性较差级区域；e.综合适宜性评价；1.适宜性好；2.适宜性较好；3.适宜性一般；4.适宜性较差图4 工程建设适宜性评价三维模型图Fig.4 3D model of engineering construction suitability evaluation

图5 单因子与综合评价结果相关性分析图Fig.5 Correlation analysis between single factor and comprehensive evaluation results

(4)

式中：x——单项因子计算样本数据；

y——综合评价结果样本数据；

从“适宜性一般”区域模型与古河道模型对比中可以发现(图6)，二者的空间分布有着较高的一致性，说明古河道等特殊岩土体对当地工程建设有较大的负面影响。同时“适宜性一般”的部分区域受地下水相关因素影响也较大，导致评分较低，因此在工程规划、建设过程中应重点考虑上述因素。

图6 茆塘期古河道与适宜性一般区域对比图Fig.6 Comparison map of Maotang paleochannel and the area with general suitability

5 结论

本次研究以皖北第四系古河道沉积区为例，基于三维GIS技术开展了工程建设适宜性评价研究，得出以下结论。

(1) 研究区50 m以浅茆塘期古河道较发育，为评价其对工程建设影响，通过三维地质建模手段，利用多源数据联合专家经验共同约束建模，较为准确地刻画了区内主要地质结构、工程分层与古河道空间展布特征。通过空间相交分析、缓冲分析、插值计算等方法，解决了分析因子在三维空间属性赋值的体边界约束问题。

(2)运用Delphi法与AHP层次分析法确定了研究区工程建设相关的9项评价因子及其权重，通过多因子综合指数评价法构建了评价模型。借助三维GIS空间分析技术，综合评价并分级圈定了50 m以浅建设适宜区，通过三维模型进行了直观展示。

(3) 评价结果显示，研究区岩土体工程性质总体较好，适合开展工程建设活动。西淝河、涡河沿岸和西北部分区域建设适宜性一般，主要受河流洪水与地下水影响。地下中、深部的古河道分布区域总体建设适宜性一般，对中、低层建筑工程建设影响不大，但不利于高层建筑开发。