基于信息量法的黔中岩溶区地下空间利用适宜性评价

杨强, 李浩, 张鸣之, 李荣建, 华兴, 丁伟翠

(1.中国地质环境监测院, 北京 100081; 2.西安理工大学岩土工程研究所, 西安 710048; 3.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心, 保定 071051; 4.贵州地质调查院, 贵阳 550000; 5.中国地质科学院, 北京 100037)

随着中国城镇化水平的不断提高,由此引发的土地资源紧缺、建筑空间拥挤、城市交通堵塞、生态环境污染、城市防灾能力薄弱等诸多影响城市可持续发展的问题日益突出[1-7]。城市地下空间的合理开发利用是解决“城市综合征”的战略选择,是优化城市空间结构和管理格局、增强地上与地下建设有机联系、促进地下空间与城市整体同步发展的必要措施,也是缓解城市资源紧张、改善城市环境、提升生活品质的必由之路,对于推动城市由外延扩张式向内涵提升式转变,提高城市综合承载能力和宜居水平,促进社会经济可持续发展具有重要意义[8-11]。

地质环境条件是地下空间开发利用的载体,地形地貌、地质构造、地层岩性、岩土体条件、地质结构、水文地质及地质灾害等诸多脆弱敏感因素制约着地下空间的开发利用,因此城市地下空间资源利用适宜性评价是城市地下空间规划和合理开发利用的基础[11-13],其中董英等[11]确定了城市地下空间开发利用的地质安全评价的主要内容,夏友等[12]将地质环境评价因子分为敏感因子、重要因子、一般因子,吴冰华等[13]详细论述了敏感性因子对郑州城市地下空间利用的影响。众多学者在地下空间利用地质方面做了大量的研究,城市地下空间开发利用适宜性评价的方法主要有地质综合分析法、模糊灰色聚类法、综合指数法、专家聚类法、模糊综合评判法、神经网络法、灰色评估法、模糊数学法、多目标线性加权函数法等[12-17],而确定各指标权重的方法主要有专家打分法、层次分析法(analytical hierarchy process,APH法)、熵权-层次分析法、权重反分析法、变权法及多种方法组合实用[18-22],这些方法针对不同区域的地质环境特点,取得一定的探索。针对城市的地质环境条件,采用合适的评价方法,选取恰当的评价指标及权重是地下空间利用适宜性评价的关键。

中国岩溶地区分布广泛,地质条件复杂,地下空间开发利用难度大、成本高[23-25],尤其是复杂的岩溶地下水问题,顾鸿宇等[26]也提出地下水对城市地下空间开发利用的关键制约因素。基于岩溶区地下空间利用的复杂性,目前国内对非岩溶区地下空间利用的研究较多,对岩溶区地下空间利用适宜性评价方法及评价指标体系的研究相对较少。现选择黔中高原台面贵安新区花溪大学城典型岩溶区作为研究对象,在综合分析典型岩溶区地质环境条件的基础上,选择影响地下空间利用的主要因子,通过专家-层次分析法确定影响因子权重,建立适合于岩溶区的地下空间利用适宜性评价模型,基于ArcGIS平台实现研究区分区、立体分层地下空间利用适宜性评价。以期使形成的典型岩溶区地下空间评价利用的模型与方法为同类地区地下空间利用评价提供方法借鉴,评价结果为典型区地下空间利用、国土空间规划提供技术支撑。

1 研究区概况

贵州省贵安新区是国务院2014年批准设立的第八个国家级新区,位于贵阳市和安顺市结合部,是黔中城市群核心地带。贵安新区属于新兴新区,规划建设处于起步实施阶段,贵安新区“高端化、绿色化、集约化”战略定位,“多层次、一体化”的轨道交通网络体系构建以及地下综合设施系统的规划建设均对地下空间资源利用提出了迫切需求和极高要求,急需在地下空间规划开发利用前,开展地下空间利用适宜性评价研究,为地下空间开发利用规划建设提供技术支撑,更好的服务地下空间“规划、建设、运营、管理”全过程。

花溪大学城典型岩溶区位于贵安新区党武镇摆牛村、摆仇院村、马场地村、栋青树村、下坝村一带,面积约5 km2(图1)。典型岩溶区属云贵高原黔中山原地带,为贵州中部二级高原夷平面地带,属低中山丘陵区;地形相对高差多小于100 m,最低海拔1 040 m,最高1 400 m;区内地面高度起伏不大,高原原面保存较为完整。区内地貌主要由岩溶丘陵和洼地组成,溶丘多成“馒头”状,低矮圆滑,相对高差多小于50 m;洼地多呈圆形或椭圆形,浅碟状,多封闭,内有厚度不大的土层覆盖,少数洼地成为小型汇水盆地或人工修建小型水库,形成小面积的湿地。典型岩溶区地表水系较为发育,主要为珠江水系的花溪河流域,较大的地表溪流有摆牛河和下坝河,两条小河在工作区东北部汇合,往东南注入涟江,年平均流量135 L/s。

区内出露地层有二叠系长兴组、大隆组、三叠系大冶组和第四系,地层岩性主要为碳酸盐岩(面积占95%)、碎屑岩和第四系黏土。区内地质构造以褶皱构造为主,断裂不发育,构造形迹主要为走向近于南北的复式褶曲,在区内为党武复式背斜。区内地下水系统为分散排泄地下水系统,含水岩组划分为碳酸盐岩岩溶水含水岩组、基岩裂隙水含水岩组、松散岩类孔隙水含水岩组;区内地下水埋深为1 148.7 ～ 1 232.1 m,地下水由南、北向中部流动,与地表径流基本一致。区内工程地质岩组主要有松散松软堆积层岩类、碳酸盐岩类及碎屑岩类3个岩土体类型,松散松软堆积层岩类有中偏高压缩黏土类和低压缩碎石类2个岩组,碳酸盐岩类有强岩溶化碳酸盐岩岩组、中等岩溶化碳酸盐岩岩组,碎屑岩类主要是软质岩。区内可溶岩大面积出露,岩体溶隙、裂隙发育,加之地下水运移溶蚀作用强烈,岩溶发育强烈,严重制约了地下空间的开发利用。

2 适宜性评价方法

典型岩溶区地下空间适宜性评价是立体多层、多种因素组成的复杂体系,需要根据典型岩溶区地质环境条件选择适合的适宜性评价方法,并构建适应的评价模型,进而得出可靠的适宜性评价结果为地下空间开发利用提供依据。

2.1 适宜性评价地质模型

根据花溪大学城典型岩溶区地形地貌特征、地下空间规划、地上地下空间利用特点,结合《城市地下空间规划标准》(GB/T 51358—2019)中地下空间利用立体层位划分,分析研究工程地质勘查40个钻孔(6个控制孔,34个勘查孔)揭露的地层结构特征,结合地质雷达(超浅层0～20 m)、浅层地震(浅层10～60 m)、高密度电法(0～50 m)组合勘探的剖面,得出有效保护利用地下埋深为18 m左右的相对隔水泥岩层工程地质特性,将花溪大学城典型岩溶区地下空间利用概化为分半地下空间、浅层(-18～0 m)、次浅层(-18～35 m)开展适宜性评价(图2)。

图2 研究区地下空间利用适宜性评价地质模型Fig.2 Suitability evaluation model of underground space in Gui’an New Area

半地下空间受地形起伏程度(主要为溶丘、洼地)的影响,地下空间没有明确的地上地下分界线,主要为地表的溶丘、沟谷、坡地等以上部分,本层主要功能为停车场地、综合管廊、生活娱乐、公共步行通道、人防等设施,地下空间利用主要受地形地貌条件、工程地质条件、环境地质条件、水文地质条件、水生态环境影响。浅层空间位于地下-18 m左右隔水泥岩层顶板至半地下层底板,主要功能为地下交通廊道、物流通道、地下市政设施、商业服务场所等,主要受工程地质条件、环境地质条件、水文地质条件、水生态环境和地下及地表建筑利用情况影响。次浅层空间:位于地下-18 m左右隔水泥岩层底板至-35 m左右,主要功能为储水廊道、数据中心等战略基础设施建设,主要受工程地质条件、环境地质条件、水文地质条件、水生态环境和地下及地表建筑利用情况影响。

2.2 适宜性评价指标体系及评价方法

对受多种因素影响的典型岩溶区地质空间进行适宜性评价,必须筛选出关键影响因子,建立评价指标体系,同时解决评价因子的统一化及规范化问题,对受复杂因素影响的地下空间利用问题进行层次分解和重建,建立科学、合理的评价指标体系。采用专家-层次分析法构建典型岩溶区地下空间利用适宜性评价指标体系[22-30],专家-层次分析法能够把复杂问题中的各因素划分成相关联的有序层次,可以实现定量分析与定性分析相结合,是一种较好的权重确定方法,层次分析方法能将典型岩溶区地下空间利用的各因素划分成相关联的层次有序、条理清楚的多目标、多准则的评价体系,适宜于典型岩溶区地下空间利用评价。

2.2.1 评价因子选取

综合分析典型岩溶区地下空间调查及工程地质勘查资料,研究区地下空间利用主要受到地质环境、生态环境及建设利用现状控制。选取地形地貌、工程地质条件、环境地质条件、水文地质条件、水生态环境、地下空间利用现状、地表空间利用现状等因素作为评价因子,建立了花溪大学新城地下空间利用适宜性评价体系(图3)采用专家-层次分析法对于地下空间利用的优劣性进行Ai赋值,分级赋值见表1。

表1 地下空间利用适宜性评价因子分级及赋值表Table 1 Grading table for evaluating the suitability of underground space utilization

图3 地下空间利用评价指标体系Fig.3 Evaluation index system of underground space utilization

2.2.2 评价因子权重的确定

邀请20名在研究区长期从事综合地质调查、地下空间利用、岩溶灾害防治的专家对地下空间利用影响因素权重进行打分,结合层次分析法(APH)确定各影响因子权重。主要过程是通过构建判断矩阵、重要性排序计算、一致性检验等方法计算地下空间利用影响因子所占的权重[28]。主要步骤如下。

步骤1构建判断矩阵。

以A表示目标,Ui、Uj(i,j=1, 2,…,n)表示影响典型岩溶区地下空间评价的因素,Uij表示Ui对Uj的相对重要性数值,并由Uij组成A-U判断矩阵P。

(1)

步骤2重要性排序。

根据判断矩阵,求出其最大特征根λmax所对应的特征向量ω。所求得的特征向量ω经归一化处理,得出各影响因素权重分配。

Pω=λmaxω

(2)

步骤3一致性检验。

判断权重合理性,需要进行一致性检验。检验公式为

CR=CI/RI

(3)

式(3)中:CI=(λmax-n)/(n-1),CI为判断矩阵一致性指标;λmax为最大特征根;n为矩阵阶数;RI为判断矩阵平均随机一致性指标。1～9阶的判断矩阵的RI如表2所示。

表2 平均随机一致性指标RI的值Table 2 Values of the average random consistency index RI

2.2.3 评价数学模型

采用多目标线性加权函数法,按照各目标的重要性赋予相应的权系数,然后对其线性组合进行优化求解多目标问题,对典型岩溶区地下空间利用进行适宜性评价。评价的数学模型为

(4)

式(4)中:D为评价目标总得分(0≤D≤1);Ai为第i个单项指标的量化分值;Bi为第i个单项指标的权重;Cj为第j个准则层指标的权重;n为指标层的指标数量;m为准则层的指标数量。

2.2.4 适宜性评价的实现

典型岩溶区地下空间利用适宜性评价是通过利用ArcGIS平台实现的。ArcGIS是一套完整的GIS平台产品,具有强大的图件制作、空间分析、空间信息整合能力,能够很好地完成地下空间利用适宜性评价分析。在ArcGIS平台中将研究区划分为不同的面单元,并通过评价结果对图层中的不同分级进行赋值,利用ArcGIS的Weight Sum(权重求和)进行叠加计算,最后实现评价。首先对所有指标层进行分级,根据地下空间开发因素的贡献赋值(Ai),设定0

Ii=∑AiWi

(5)

式(5)中:Ii为各层的适宜性评价指标值;Ai为各评价因子取值;Wi为各评价因子的权重取值。根据结果自动分级,通过反演校正得出评价结果,Ii得分越高,地下空间利用适宜性越好。

3 评价方法应用

应用建立的评价指标体系和评价方法对花溪大学城典型岩溶区半地下空间、浅层地下空间、次浅层地下空间进行地下空间利用适宜性评价。

3.1 评价指标权重

分层评价地下空间利用适宜性,首先需要确定评价指标层,然后利用层次分析法,构造判断矩阵,满足一致性检验后,对各个因素进行权重赋值(Wi),各分层评价指标层权重见表3,部分评价因子分级见图4(半地下空间评价因子)。

表3 研究区各评价分层适宜性指标层权重赋值表Table 3 Weight assignments table of each evaluation stratum suitability index layer in the study area

图4 部分评价因子分级图Fig.4 Classification map of some evaluation factors

3.2 评价结果

在ArcGIS中运用图层叠加功能,根据每个影响因子图层的分级指标值,进行权重叠加成图,成图后对叠加进行圆滑及微小合并处理,形成最终的地下空间适宜性评价图。地下空间利用适宜性评价分为适宜区、较适宜区、一般适宜性区、不适宜区4个等级,半地下、浅层、次浅层的评价结果如图5和表4所示。

表4 地下空间利用适宜性评价结果表Table 4 Evaluation results table of suitability of underground space utilization

图5 地下空间利用适宜性评价结果Fig.5 Evaluation results map of suitability of underground space utilization

3.2.1 半地下空间评价结果

适宜区占比75.51%,主要分布在下坝村、摆牛村一带,地貌以溶丘洼地为主,断裂构造不发育,钻孔资料揭露附近岩心(岩体结构)相对完整,地下水水位较深,没有岩溶塌陷等地质灾害,基本没有地表地下建筑设施,适宜地下空间的开发利用。较适宜区占比14.31%,主要分布溶丘与洼地过渡的缓丘地区,附近断裂影响范围较小,岩溶发育程度小,地下水位相对较深。一般适宜区占比9.72%,主要分布在党武镇及周边自然村,地表相对高程较低,地形起伏度中等,岩体相对破碎,岩体中溶孔、溶蚀裂隙发育,局部泉水出露,地下水水位较浅;不适宜区占比0.46%,主要分布在研究区的北部,下坝村以西区域,受断层影响较大,该区地下水水位相对较浅,开发利用难度较大。不适宜区主要集中在断裂带与岩溶塌陷点附近,在大冶组二段灰岩区,半地下空间利用主要受断裂及岩溶塌陷影响。

3.2.2 浅层地下空间评价结果

适宜区占比67.02%,主要分布在摆牛村与党武镇下坝村一带,区域内钻孔揭示地下水位较深,岩溶不发育,工程地质岩组较坚硬,基本没有地表水体,地上地下空间目前未被开发利用。较适宜区占比25.69%,主要零星分布在工作区内,面积较小,无不良地质作用,地形起伏度较大,开发利用成本较大。一般适宜区占比5.54%,主要分布在研究区中部和南部,区域内见有少量地表水体,岩石受褶皱和断裂作用影响,相对破碎,地层产状有一定起伏。不适宜区占比1.75%,分布在研究区摆牛村一小片区域,地下水水位较浅,见有地表水体,发育有岩溶溶蚀及小溶洞,开发利用难度大。

较半地下空间,适宜性的面积减少,不适宜面积增多,地下空间利用主要与深层的地下水涌出量、岩溶发育程度等因素相关。

3.2.3 次浅层空间评价结果

适宜区占比53.78%,主要分布在工作区中部,区域内-18 m存在隔水层,该区地形水文埋深较深,地层产状缓,岩体较完整,未见地表与地下大规模开发利用适宜地下空间开发利用。较适宜区占比28.97%,主要分布在适宜区周边,受构造影响,岩体相对破碎,地表水地下水对其开发影响较小。一般适宜区占比13.40%,主要分布在下坝村西,区域内钻孔揭露岩溶较发育,钻孔内涌水量相对较大,工程地质岩组较软弱。不适宜区占比3.85%,零星分布在研究区各部,主要受岩溶塌陷和地下水条件影响。次浅层地下空间利用适宜性以适宜为主,但较适宜、一般适宜、不适宜比例增加,总体上次浅层地质环境条件稍差,地下工程建设施工难度大、成本高,地下工程建设时应采取合理的基坑围护等措施,防范基坑涌水、岩溶塌陷等环境地质问题。

4 结论

基于花溪大学城典型岩溶区地形地貌、地质环境条件和建设现状,概化出地下空间利用适宜性评价的地质模型,筛选出地下空间利用的主要影响因素,确定了评价因子权重。基于地下空间利用的地质模型,融合专家-层次分析法、多目标线性加权函数法,建立了典型岩溶区地下空间利用适宜性评价指标体系和评价数学模型,形成了较为实用、可靠的评价方法。在ArcGIS平台上实现了典型岩溶区地下空间利用适宜性评价。得出如下结论。

(1)典型岩溶区地下空间利用的主要影响因素有地形地貌、工程地质条件、环境地质条件、水文地质条件、水生态环境、地下空间利用现状及地表建筑利用现状。

(2)采用的专家-层次分析法、多目标线性加权函数法和ArcGIS相结合的方法对黔中典型岩溶区地下空间利用适宜性进行评价,评价因子的程序化、关联化、条理化更强,计算效率更高,评价结果更为直观、科学、合理、准确,实用性和推广性较强,为典型岩溶区地下空间利用评价方法提供了借鉴。

(3)半地下空间利用主要受地形起伏程度、断裂构造、岩体相对破碎、岩溶塌陷影响;浅层地下空间利用主要受断裂构造、岩石破碎程度、地下水补径排条件及岩溶发育影响;次浅层地下空间利用主要受地下水补径排条件、岩石破碎程度及岩溶发育影响。研究区三层地下空间适宜利用的区域占比较高,垂向上从上到下开发利用难度逐步增大,岩溶区地下空间开发利用主要受断裂构造、岩石破碎程度、岩溶发育、地下水埋藏条件控制。

(4)提出的典型岩溶区地下空间利用适宜性评价方法为同类地区地下空间利用适宜评价提供了方法借鉴。评价结果为花溪大学城典型岩溶区地下空间利用规划、地质环境问题工程处置、合理有效利用地下空间资源、保护生态环境提供了科学依据。