基于模糊综合法的南襄盆地场地规划建设地质适宜性评价

余 波， 王明起*， 陈杨露， 陈 诚， 李雪平

(1.湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034； 2.中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074)

中国现阶段正处于城市化和城镇化建设时期,因此场地的地质适宜性和选址安全性问题越来越受到人们的关注,目前很多学者和专家在这方面作出了突出贡献。叶斌等[1]重点分析了在城镇建设过程中用地适宜性评价的流程。杨子生[2]对山区城镇建设用地的地质适宜性进行评价。孙永亮等[3-5]采用模糊评判法分析了建设用地的适宜性。张璐等[6-7]评价了地下空间开发利用的地质适宜性。张堃等[8-11]采用GIS对场地进行地质适宜性评价。

南襄盆地是中国腹心地区之一，北部属河南省南阳市,南部属湖北省襄阳市。盆地内地基承载力高,环境地质问题相对较少,交通发达、河流密布、土地肥沃、资源富饶、人口密度适中,适合国家发展战略。但目前在该地区开展的地质环境质量以及地质适宜性评价研究工作还很少。

本文在分析研究区交通与自然地理条件、区域地质背景、环境地质问题、地质资源现状的基础上,利用MapGIS研发的评价模块,建立研究区场地规划建设地质适宜性评价指标体系,并进行地质适宜性评价。根据研究区地质环境情况,结合环境地质问题防治的原则与要求，分析研究区地质适宜性优劣成因。该研究成果可为研究区地质环境管理、场地规划、工程建设选址等提供依据。

1 区域地质背景

1.1 地理概况

南襄盆地四面环山，又有一些缺口,如方城、泌阳、随州、宜城等地(图1)。

图1 南襄盆地示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of Nanyang and Xiangyang Basin

南襄盆地春季天气复杂多变、晴阴不定,夏季湿热,秋季高爽,冬季干冷,四季分明。该盆地还是一个重要的分水岭,长江、黄河、淮河都在此分界。盆地内分布有汉江、汉江支流渭水河、唐白河、南河、蛮河、小清河及长江支流府河等河流，地表水系十分发育,为农业提灌创造了有利条件,但各支流受降雨及气象因素影响,流量变化极大。

1.2 地形地貌

南襄盆地四周环山,盆地的西北和西南部分布中山和低山,盆地的正东为丘陵所环抱,盆地边缘其他地段则主要为岗地和平原地带。研究区地貌以平原岗地为主，其次为丘陵，而低山、中山较少(表1)。

表1 研究区地貌类型统计表Table 1 Statistical table of geomorphic types in the research area

1.3 建造

南襄盆地位于秦岭造山带东段,地跨华北板块和扬子板块,地层出露较齐全。研究区中生代地层沿区域性断裂带呈近东西—北西向展布,多为陆相断陷盆地沉积,主要包括三叠系、侏罗系及白垩系地层。三叠系下统主要为浅海相灰岩、泥质灰岩,中上统主要为河流相砂岩、粉砂岩、泥岩。侏罗系主要出露上统,岩性主要为河流相砂岩、粉砂岩、泥岩等。白垩系岩性主要为砂质黏土岩、泥灰岩夹砂岩及砂砾岩。研究区新生代地层包括古近系、新近系、第四系。古近系岩性主要为含砾砂岩、砂岩,夹薄层状泥质粉砂岩、泥岩。新近系沉积过程很完整,岩性为砾岩、砂砾岩、粗粒砂岩、泥质中粒砂岩、砂质泥岩、泥质细砂岩、砂质泥岩等。全新统分布于现代主要河流及支流的两岸，岩性为砂砾石层、粉砂层、黏土质粉砂、粉砂质黏土及黏土,大部分为河流一级阶地和河床河漫滩沉积,部分为湖泊、沼泽、洪泛盆地沉积。

该区岩浆岩较发育,主要分布于青峰断裂以北地区,岩石种类较齐全。变质岩是南襄盆地出露最广泛的岩石,变质作用时限从太古宙延续到古生代末期,变质地层多呈近东西向的带状展布。

1.4 构造

根据区域地质构造特征,将研究区划分为3个一级构造单元、5个二级构造单元、11个三级构造单元和1个独立构造单元[12](图2)。

图2 研究区大地构造示意图(据参考文献[12]修编)Fig.2 Diagrammatic sketch of geotectonic in research area1.华北板块；2.中秦岭板块；3.扬子板块；4.华北陆块；5.北秦岭构造带；6.寨根—马山口微陆块；7.陡岭—赤眉微陆块；8.南秦岭构造带；9.盆地区；10.主要断层及编号；11.构造单元界线；①.洛南—栾川断裂；②.瓦学子—小罗沟断裂；③.朱阳关—夏馆断裂；④.丹凤—镇平断裂；⑤.木家垭—西峡断裂；⑥.小陡岭—田关断裂；⑦.尖怀寨—黄风垭断裂；⑧.城口—房县断裂；⑨.新城—黄陂断裂；⑩.丹霞寺—维摩寺断裂；.松扒—龟山断裂；.曲洼断裂；.新野断裂。

2 地质灾害及地质环境问题

2.1 山地地质灾害

研究区内发生的滑坡主要集中在地形陡峻的山区、强烈切割的斜坡地带、软硬岩层互层及构造强烈活动区,尤其是褶皱、断裂发育区。按滑坡体的物质组成可划分为土质滑坡和岩质滑坡2种，按动力学性质可分为牵引—推动型、推动型和加载—牵引型3种。滑坡主要分布于地形坡度>20°的地区,少量可达50°～60°；其临空面高度一般为数十米不等,大者可达数百米。

泥石流多发生在山高坡陡的中低山区,沟谷呈“V”字形,沟床纵向比降大；其次是发生在粗粒花岗岩、片麻岩、碳酸盐岩、碎屑岩发育且构造强烈活动区以及崩塌、滑坡发育区，崩塌、滑坡为泥石流的形成提供大量的固体松散物质,在降水作用下诱发形成。

2.2 高氟水问题

在研究区丘陵地带,主要发育变质岩系,母岩中含有大量的氟元素。当母岩风化后,氟元素降雨冲刷进入土体,并保留在土体上部。高氟水主要赋存于浅层地下水(10 m以浅)中,所处含水层为中更新统黏土孔隙裂隙水含水层。据调查,地下水中氟含量为1.06～7.10 mg/L,属水质较差级别。

高氟地下水主要分布于南阳市东部—新野—唐河环线、镇平县南部、邓州市中部及东部、桐柏县西北部、枣阳市杨垱镇及太平镇、老河口市洪山咀办事处等地区,分布区面积分别为1 154.36 km2、1 101.98 km2、224.50 km2、131.04 km2、200 km2、80 km2。

2.3 地下水污染

盆地内浅层地下水污染主要集中在河流一级阶地,特别是城市及其排污沟渠附近,包括南阳、襄阳、老河口、枣阳、邓州等城市。例如南阳市浅层地下水遭受严重污染,尤其是漏斗区内水质恶化,大量未经处理的工业废水排入地表水,使白河市区段严重污染,进而造成地下水污染状况加剧。

2.4 地下水降落漏斗

地下水是南襄盆地的重要供水水源,局部地下水井网密度大,开发利用强度高。由于缺乏有效的监控与管理,地下水超采严重，造成在区内形成了多处规模不同的地下水降落漏斗。根据本次调查,区内地下水降落漏斗主要有6处,分别是①南阳市区降落漏斗：枯水期漏斗中心水位为105.1 m(埋深21.22 m),丰水期漏斗中心水位为104.9 m(埋深21.40 m),为永久性漏斗；②新野—唐河地下水降落漏斗：形成于2012年,其漏斗区面积和中心水位埋深增长较快,2013年枯水期(5月)漏斗区面积为226.29 km2,漏斗中心最大水位埋深为6.57 m,与上年同期相比,面积增加了56.01 km2,漏斗中心水位下降了1.67 m；③襄阳市黄集镇地下水降落漏斗：该区地下水开采层位为新近系裂隙孔隙水和中更新统孔隙承压水,其中中更新统孔隙承压水含水层由南至北变薄,在黄集镇附近尖灭，因超采形成的漏斗呈椭圆形,面积约为10 km2；④枣阳市七方镇地下水降落漏斗：20世纪90年代以后,城镇居民生活用水和农业灌溉用水主要取自新近系裂隙孔隙水，因严重超采,所形成的地下水降落漏斗呈椭圆形,面积为11 km2；⑤襄阳市西工业区地下水降落漏斗：因多年大量开采地下水,形成地下水降落漏斗,漏斗呈椭圆形,长轴平行汉江河岸,漏斗区面积为6.9 km2；⑥襄阳市张湾—肖湾地下水降落漏斗：由于大量开采地下水形成地下水降落漏斗,漏斗呈长椭圆形,长轴平行于汉江河岸,漏斗区面积为33.86 km2,漏斗中心位于肖湾三队,中心水位已下降6 m。

3 地质适宜性评价

3.1 模糊数学法的原理

模糊数学法评价[13]主要是通过确定指标的权重值和建立指标模糊矩阵,根据计算得出的隶属度来划分评价等级。具体步骤如下[14]：

(1) 确定评价指标U={u1,u2,u3,…,um}(u为评价指标，m为指标数目)。

(2) 确定适宜性评价等级标准集合C={c1,c2,c3,…,cn}(c适宜性评价等级标准，n为评价等级数)。

(3) 确定各个评价指标权重向量W={w1,w2,w3,…,wm}(w为指标权重向量)。

(4) 进行实际评判,形成评判模糊矩阵R。

(5) 进行模糊转换，S=W×R,其中S={s1,s2,s3,…,sm}(S为模糊转换矩阵)。

(6) 得出归一化后的模糊变换结果S′={s′1,s′2,s′3,…,s′m}(S′为归一化后矩阵)。

(7) 根据隶属度法,对S′作出评判。

3.2 模糊综合法评判的过程

由于研究区范围包括盆地区和盆地周缘地区,将研究区划分成1 km×1 km评价格网单元,共计划分格网44 942个,其中盆缘区28 348个、盆地区16 594个。

3.2.1计算隶属度,建立指标模糊矩阵R

为了计算隶属度,首先需要建立评级指标体系。本文通过两两比较法确定研究区的评价指标,在评价指标确定后进行指标定量分析。参考国内外标准,将地质适宜性评价集划分为三个等级,即优、中等、差,分别将确定的指标进行量化分级,确定隶属函数,计算隶属度。

3.2.2建立两套评价指标体系

合理选择对评价目标起主导作用、比较稳定和可量化表示的评价因子是评价工作的关键。地质环境评价参评因子的选择原则为：①评价因子对研究区的场地规划建设的地质适宜性具有评价意义,尽可能全面反映地质环境质量状况；②评价因子可操作性强,所选的各指标易于采集和等级量化；③各评价因子具有显著的差异性。由于盆地区与盆缘区的地质问题不同，场地选址的目的性不一样，所以需要建立两套评价指标体系。

(1) 盆缘区评价指标体系。盆缘区场地规划建设地质适宜性评价指标体系如图3所示，该评价指标体系以安全、稳定为目标。参照相关领域专家组的经验，确定了南襄盆地盆缘区场地规划建设地质适宜性评价指标分级标准(表3)。

图3 盆缘区场地规划建设地质适宜性评价指标体系Fig.3 Geological suitability evaluation of site planning andconstructing index system in basin edge area

表3 盆缘区场地规划建设地质适宜性评价指标分级标准Table 3 Classification standard for geological suitabilityevaluation of site planning and constructing index in basin edge area

(2) 盆地区评价指标体系。盆地区场地规划建设地质适宜性评价体系如图4所示。该评价指标体系以宜居为目标,根本目的是为各级政府和有关部门制定经济发展计划、能源政策、大型工程项目及区域规划提供科学依据。盆地区场地规划建设地质适宜性评价指标分级标准，如表4所示。

图4 盆地区场地规划建设地质适宜性评价指标体系Fig.4 Geological suitability evaluation of site planning andconstructing index system in basin area

表4 盆地区场地规划建设地质适宜性评价指标分级标准Table 4 Classification standard of geological suitability evaluationof site planning and constructing index in basin area

3.2.3进行模糊矩阵归一化运算

采用隶属函数(rij)表示第i个评价因子(Ci)对应第j级指标基准值的隶属程度(0≤rij≤1)。当Ci≤j级值Cij时,其隶属度取0;当Ci≥j+1级值Cij+1时,其隶属度取1;当Ci介于j与j+1级指标值时,其隶属度按式(1)、式(2)内插法确定。

(1)

(2)

模糊矩阵归一化运算的目的是将每一个评价指标进行加权，通常采用加权乘积取最大值法[15]，公式如下：

(3)

通过模糊矩阵计算,得到各个评价单元格网的地质适宜性隶属度。通过比较每一个背景值的大小,即可确定评价的等级。

3.3 评价结果与分析

3.3.1评价结果

(1) 盆缘区评价结果。按盆缘区评价指标体系对盆缘区进行评价。根据评价模型计算获得每个单元格网得分,整理得到所有格网的综合评判隶属度,将盆缘区场地规划建设地质适宜性分为适宜性区、基本适宜性区、适宜性差区三个等级(表5，图5)。

表5 盆缘区适宜性评价区划统计Table 5 Assessment of zoning statistics for suitability evaluationin basin edge area

(2) 盆地区评价结果。按盆地区评价指标体系对盆地区进行评价。根据评价模型计算获得每个单元格网得分,整理得到所有格网的综合评判隶属度,将盆地区地质适宜性划分为适宜性区、基本适宜性区、适宜性差区(表6，图5)三个等级。

图5 场地规划建设地质适宜性评价图Fig.5 Geological suitability evaluation of site planning and constructing1.盆地适宜性区(Ⅰ1)；2.盆地基本适宜性区(Ⅱ1)；3.盆地适宜性差区(Ⅲ1)；4.盆缘适宜性区(Ⅰ2)；5.盆缘基本适宜性区(Ⅱ2)；6.盆缘适宜性差区(Ⅲ2)；7.水系；8.南水北调干渠；9.南襄盆地范围。

表6 盆地区适宜性评价区划统计Table 6 Assessment of zoning statistics for suitability evaluation in basin area

3.3.2评价成果分析

在盆地平原地区,由于坡度、高差变化不大,同时断裂分布较少,因此该地区的适宜性分区结果主要受河流和膨胀土类型所控制。而在盆地周缘地区,适宜性分区结果主要受地形地貌中坡度、高差因素所控制。

(1) 盆地适宜性区(Ⅰ1)。盆地适宜性区主要分布于距河流较远且膨胀土类型为弱膨胀土的地区。该分区占地面积约14 294 km2,占盆地区面积的86.14%。在该分区进行规划建设，引发地面沉降、膨胀土变形、地裂缝、地面不均匀沉降等地质灾害的可能性低,具有较高的安全性,适宜作为城市建筑用地。

(2) 盆地基本适宜性区(Ⅱ1)。盆地基本适宜性区主要位于河流、湖泊等水域周边。该分区占地面积约1 695 km2,占盆地区面积的10.21%。该区水系较发达,在取用水方面较为便利,但与此同时,在该区进行工程建设有可能引发地裂缝、地面不均匀沉陷等地质灾害,其安全稳定性一般,基本适宜作为城市建筑用地。

(3) 盆地适宜性差区(Ⅲ1)。盆地适宜性差区主要位于中等强度膨胀土分布区。该分区占地面积约605 km2,占盆地区面积的3.65%。该区安全稳定性较低,作为建筑用地适宜性差。

(4) 盆缘适宜性区(Ⅰ2)。盆缘适宜性区主要分布于丘陵地区且坡度<10°的区域。该分区占地面积约21 813 km2,占盆地周缘地区面积的76.95%。

(5) 盆缘基本适宜性区(Ⅱ2)。盆缘基本适宜性区主要分布于坡度10°～20°或高差较小的低山地区。该分区占地面积约4 139 km2,占盆地周缘地区面积的14.60 %。在采取一定安全防护措施的基础上,该区基本适宜进行工程建设施工,但在工程建设及建筑使用过程中必须采取适当的防治措施和预警措施,预防可能发生的山地地质灾害及不良地质现象。

(6) 盆缘适宜性差区(Ⅲ2)。盆缘适宜性差区主要分布于坡度>20°或高差较大的中山地区。该分区占地面积约2 396 km2,占盆地周缘地区面积的8.45%。该区坡度较陡或海拔较高,在工程建设过程中可能会引发崩塌、滑坡等山地地质灾害,故作为建筑用地适宜性差。建议在该区采取适当的山地地质灾害预警措施,以防治地质灾害带来的威胁。

4 结论与建议

4.1 结论

(1) 根据南襄盆地地质环境背景和存在的主要环境地质问题,建立了盆缘区、盆地区地质适宜性评价指标体系，分别对盆缘区、盆地区进行地质适宜性区划，将南襄盆地划分为盆地适宜性区、盆地基本适宜性区、盆地适宜性差区、盆缘适宜性区、盆缘基本适宜性区、盆缘适宜性差区等6个分区。

(2) 运用模糊综合评价方法对南襄盆地场地规划建设地质适宜性进行综合评判,评判结果与野外踏勘调查的结果基本一致,说明评价结果合理、可靠。

4.2 建议

(1) 通过对南襄盆地场地规划建设地质适宜性进行综合评价,建议将规划建设地质适宜性差区划定为禁止建设地区,作为生态培育、生态建设首选地；将规划建设地质基本适宜区划定为限制建设地区,根据地质环境条件和工程建设规模进一步划分控制等级,科学合理地引导开发建设行为；将规划建设地质适宜区作为城市发展优先选择的地区,但建设行为要科学合理地确定开发模式、规模和强度。

(2) 南襄盆地盆地区的地质环境问题主要是人类活动导致和诱发的渐进性地质环境问题,因此大部分地区适宜城市建设；盆地周缘地区主要以自然地质作用直接引发的泥石流、崩塌、滑坡等突发性地质环境问题为主,因此大部分地区适宜城市建设。建议在地质环境质量差区,根据突发地质灾害隐患特点,加强监测,防治措施以搬迁避让为主、工程防治为辅。