三亚崖州湾海域开发建设适宜性定量分析评价

覃茂刚, 曾维特, 龙根元, 陈 波, 汪贵锋,杨朝云, 张匡华, 邓思迪

(1. 海南省海洋地质资源与环境重点实验室, 海南 海口 570206;2. 海南省海洋地质调查研究院, 海南 海口 570206)

0 引言

崖州湾位于海南省三亚市,是我国古代海上丝绸之路出发和补给的重要港湾,也是海南的一处重要古文化遗址[图1(a)中红色标记处]。作为海南自贸港高科技发展先行区,崖州湾科技城濒临崖州湾,将着力打造南山港、南繁科技城、深海科技城、科教城和全球动植物种质资源引进中转基地。崖州湾海域作为城区运输、旅游和开发的潜力区,地理位置极为重要,然而近岸海域是典型的生态交错带和脆弱区,受自然因素和人为因素的影响较大[1]。崖州湾海域地质环境变化较大,主要原因是人类过度开发海岸带资源、用海工程规划设计不合理、缺乏环境保护意识等[2]。近年来,随着发展与环境冲突持续发生,地质环境问题逐渐引起大家的重视和关注。

前人对崖州湾及其近海海域地质环境研究做了大量工作:张从伟等[3]通过表层样进行分析,结果表明区内沉积物常量元素组分以SiO2、Al2O3、CaO为主;李强华等[4]采用DPSIR模型分析,认为2014—2018年三亚市海岸带生态安全情况总体向好;王世俊[5]开展崖州湾岸线变化过程模拟研究,认为近岸工程建设对整个崖州湾岸线产生了明显影响;瞿洪宝等[6]分析了崖州湾表层沉积物空间分布特征,并将其划分为3个沉积环境,其物源主要来自近岸侵蚀物质、宁远河输运物质及外海流输运物质;侯新文[7]采用专家聚类法对胶州湾海域建设工程地质环境进行适宜性评价,将其划分为良好、较好、较差和差区,并分析了各区的地质环境条件;Germain Boussarie[8]研究了海上风电开发和海洋生物保护之间的相互制约关系。

前人对三亚崖州湾海域的地质环境条件及开发建设有一定的研究,但鲜有基于崖州湾海域地质环境开展的评价。伴随着崖州湾科技城园区的建成、人口的增加和滨海旅游产业的发展,由陆向海开发的势头越来越强烈,而良好的生态和地质环境是实现社会稳定和经济发展的保障,因此对崖州湾海域开展以地质环境为基础的开发利用评价已刻不容缓。本文采用崖州湾海域前期的调查数据,从水深、坡度、沉积物环境质量、古河道或古湖泊面积、沙波面积、沙脊面积、软土面积和软土厚度8个方面,运用K-means聚类法、熵权法和层次分析法构建评价体系,并对结果作出分析和评价。此项研究可为崖州湾近海海域地质环境保护和开发利用规划提供对策建议,也可为类似区域开展评价提供方法和经验借鉴。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

崖州湾面朝南海,水域开阔,陆域地形两翼高、中间低,东南侧和西侧分别是向海凸出的南山角和角头鼻基岩岬角,海蚀地貌发育。湾顶有宁远河汇入,在入海口处形成沙坝—泻湖—潮汐的通道体系。受两侧凸起基岩岬角的限制,崖州湾与沿岸海湾泥沙交换较少,因此海域沉积物多来源于宁远河。崖州湾海岸线由两个次一级典型弧形海岸组成[6],湾区水深介于0～25 m,由岸线向海海水逐渐变深,南山角处坡度较大,海水急剧变深,其余地方坡度较缓[图1(b)]。

崖州湾陆域主要分布九所—南好构造带、崖城—万宁断裂带和马岭断裂,构造运动在印支期、燕山期和喜马拉雅期活动比较强烈,随后逐渐减弱。新构造运动较弱,主要是地热活动,有温泉出露。两翼主要发育侏罗世花岗岩和白垩统流纹岩、安山岩,中间则发育第四系全新统和更新统砾砂、砂、黏土等松散岩层[图1(c)]。

根据Folk三角形沉积物分类法,结合表层样分析结果和研究区海底地形特征,绘制出崖州湾海域底质类型分布图[图1(c)]。崖州湾海域表层沉积物总体上由岸向海颗粒逐渐变细,其中粉砂质砂(zS)沿岸线呈带状分布;砾质泥质砂(gmS)分布于崖州湾海域中部,自宁远河入海口向西南呈条带状展布,形成一条较粗的颗粒沉积带;砂质粉砂(sZ)分布范围最大,位于海域的东南和西北侧;粉砂(Z)分布于海域的东南部,被含砾泥质砂[(g)mS]分成两半;含砾泥质砂[(g)mS]分布范围最小,仅位于海域的西北角。崖州湾海域中西部为沉积物汇聚中心,宁远河入海物质、外海潮流输运物质及近岸侵蚀物质均向该处运移[6]。

1.2 数据来源

本文的实测数据来源于2015—2017年海南省海洋地质调查研究院承担的《海南岛海岸带综合地质调查与评价》项目。该项目调查比例尺为1∶50 000,物探测线按1×2 km布设,表层样站位按2×2 km布设;单道地震采用荷兰GeoSpark-2000J单道地震系统,电缆和电火花震源沉放深度0.5 m左右,电火花震源与水听器偏移距10 m,距船尾约30 m;采样频率1 000 Hz,记录长度800 ms,采集软件为GeoSuite Acquisition,海底表层取样使用箱式取样器或抓斗取样器;采用电感耦合等离子体质谱法测试铜、铅、锌、铬和镉,采用双道原子荧光法测定砷和汞,采用南方SDE-28S单波束测深仪测量水深,采用EdgeTech4200MP进行侧扫声呐测量;采用1984年世界大地坐标系统(World Geodetic System-1984,WGS-84)完成野外工作,利用SPSS和ArcGIS软件进行数据处理及制图。各工作手段和测试方法均按相关规范进行,符合质量要求。

2 研究方法

2.1 评价原则

(1) K-means聚类

K-means聚类方法是把相似的物体聚在一起,属于无监督学习,其算法简单、易懂,在处理大规模数据时效率较高。K-means聚类步骤是一个循环迭代的过程,用欧氏距离作为衡量数据对象间相似度的指标,相似度与数据对象间的距离成反比,即相似度越大,距离越小。它将多个样本分在多个类别中,通过多次迭代分析,逐次更新各聚类中心的值,直到每个数据到对应聚类中心的距离最小,没有任何变化,说明聚类函数已经收敛。具体计算过程见周天伦等[9]提供的计算方法,这里不再详述。

(2) 层次分析法

层次分析法是把复杂的问题分解为不同的层次,把人类的判断转化到若干因素两两之间重要度的比较上,从而把难于量化的定性判断转化为可操作的比较上面。它把评价因子按支配关系分组形成有序的递阶层次结构,并造两两比较的判断矩阵,然后计算各层因子的权重,整个过程体现了人类决策思维的基本特征,即主观权重[10]。具体计算过程见徐建华[11]提供的计算方法,这里不再详述。本研究以发放调查问卷的形式,邀请海洋地质、水工环地质和地球化学等专业的专家对评价因子进行打分,然后计算各个评价因子的主观权重。

(3) 熵权法

熵权法是一种常见的客观权重计算方法,它完全依靠评价因子的数据关系,构成判断矩阵计算各因子的权重。具体计算过程见李强华等[4]提供的计算方法,这里不再详述。

(4) 组合赋权

由于地质数据量大,难有规律可寻,本文先采用K-means聚类对数据分类,再采用层次分析法和熵权法依次计算各评价因子的主客观权重。由于层次分析法过于依赖专家经验,熵权法又只从实测数据出发,因此可通过式(1)对上述两种方法求得的权重进行优化拟合,从而最大限度地避免层次分析法主观认知与熵权法纯客观计算的缺点,形成一种主客观结合的科学评价方法[12]。

(1)

式中:Wj为组合权重;Woj为客观权重;Wsj为主观权重。

通过构建评价因子栅格图,将权重值赋值到栅格图中,利用ArcGIS空间分析中的栅格计算器对各评价指标进行叠加,最后构建研究区建设开发适宜性分区图。在叠加前需要统一单元格的大小,每个单元格存储权重值,单元格越小图层划分越精确,但单元格过小,数据量变大,会导致计算机卡顿,所以本研究采用李军等[13]提供的栅格大小计算公式[式(2)]。通过计算,确定单元格的大小为33 m×33 m,在研究区共划分出1 347 840个评价单元格。

Gs=7.49+0.000 6S-2.0×10-9S2+2.9×10-15S3

(2)

式中:Gs为栅格大小;S为底图比例尺分母,本文为50 000。

(5) 自然断点法

自然断点法是一种常见的地图分级算法。该方法参考了聚类的思想,通过寻找最大方差拟合优度来确定最优划分类别,使得组内尽量相似,组间尽量相异。该方法不仅能保证各类别样本数尽量相近,又不存在特定类别样本数过少所引起的过度分类,因此其在确定适宜性分区范围方面应用效果非常好[9]。

2.2 影响因素的选取

影响滨海建设开发的因素很多:李强华等[4]从驱动力系统、压力系统、状态系统、影响系统和响应系统等方面评价三亚市海岸带生态安全;黄健文[14]从历史灾害点密度、地形地貌、场地类别、断层分类、滑坡崩塌、液化土层、软土和工程活动8个方面评价乡村抗震防灾适宜性;耿文倩等[15]根据4个海洋物理化学环境指标(水深、流速、底质类型和水质、沉积物质量)评价海洋牧场的选址;侯新文[7]选取地貌、地层岩性、地质构造、水深、水动力条件、潜在地质灾害、岩土物理力学参数等7类影响因素,针对具体的开发用途,将评价结果应用于胶州湾海域填海工程、护岸工程、通讯电缆和排海管道等的选址。基于前人的成果,本次研究的适宜性是指适宜灯塔、海上风电场、测风塔及潮位站等桩基础工程和海底管线工程的建设项目。本文以研究问题为导向,结合研究区的海岸带调查实测数据,采用自上而下、逐层分解的方法,选取水深、坡度、沉积物环境质量、沙波面积、沙脊面积、古河道或古湖泊面积、软土面积和软土厚度作为本次研究区建设开发适宜性的影响因素(图2)。

(1) 水深影响分析

研究区水深6.15～24.7 m,呈条带状平行分布:中北部及东锣岛附近水深较浅,仅为6.15～10 m;两翼及研究区南部水深较深,为15～24.7 m。水深对工程建设影响较大,一般来说,水越深,工程前期勘察、设备安装及施工的难度越大,对建筑物稳定性的要求就越高,特别是工程的投入也越大。

(2) 坡度影响分析

研究区坡度0°～1.49°,总体地势较平缓。研究区两翼陆域发育流纹岩、花岗岩等基岩海岸,受地质条件的影响,较大的坡度位于研究区两侧。坡度越大,对建筑物基础的选型及施工的要求就越高。

(3) 沉积物环境质量影响分析

本文以尼梅罗综合指数作为沉积物环境质量影响的具体分析方法。尼梅罗综合指数是一种多因子综合评价方法,能较全面地反映沉积物环境的总体质量[16]。选取铜、铅、锌、铬、砷、汞和镉共7项重金属元素计算其尼梅罗综合指数,计算值介于0.24～1.22,高值位于研究区中北部,属于轻度污染。这片海域靠近港门港,有宁远河汇入,港口分布村镇、渔船、水产养殖等,这些人类活动为重金属提供了相应的物质来源。再加上地形影响,近岸侵蚀物质、宁远河输运物质及外海潮流物质均向该处运移汇集沉积下来[6],重金属对生态环境及常驻人员的健康有一定威胁。

(4)古河道或古湖泊影响分析

古河道或古湖泊主要发育在研究区东西两侧,中间零散分布,呈椭圆型或T型,面积0.16～30.36 km2,埋藏深度12～102 m,不对称U或V状,并呈多期发育,在古河道或古湖泊陡岸侧壁局部还存在重力滑塌现象(图3)。受水动力的影响,河道湖泊内的沉积物具有多变性,即粒度组分、分选程度、密度和承载力等物理力学性质都会发生很大变化[17],主要呈现较松散、孔隙大和承载力低等土质特征,在上覆荷载作用下容易造成沉降不均匀,从而引起建筑物局部开裂甚至倒塌。工程设计时需对古河道湖泊进行避让或采取地基加固等措施。

图3 SYZ6测线单道地震剖面图Fig.3 Single-channel seismic profile of line SYZ6

(5) 沙波影响分析

沙波发育于东锣岛南北两侧,面积16.93 km2,其形成和发育主要受潮流场控制。由于沙波具有活动性,其形态随水动力条件的变化而改变,沙波波壁越陡,其活动性越强,迁移速度越快[18]。在最大波高或50年一遇的波浪下,水深小于40 m的海底泥沙将发生较强烈运动[17]。因此,沙波不仅导致海底坎坷不平,给施工带来困难,还会导致管道和光缆移位,其砾砂运移会长期磨损输油管壁和建筑物基础,造成管道漏油和基础加快破损。

(6) 沙脊影响分析

沙脊主要发育于研究区的西侧,水深15～20 m处,近东西向排列,与潮流的方向平行。沙脊形态狭长,大小不一,长1～6 km,宽150～450 m,面积0.12～1.19 km2。沙脊常与侵蚀冲沟相间发育,形态可分为对称和不对称两种,二者形成凹凸强烈的对照地形。沙脊活动带来的海底冲刷和淤积会对工程施工造成影响,给海底管道和构筑物的稳定性带来极大威胁。

(7) 软土影响分析

软土主要分布在研究区的东西两侧,呈椭圆性,面积0.12～11.71 km2,厚度0～11 m。南山角附近海域软土分布面积最大,同时厚度也最大,其次是角头鼻附近海域。研究区软土呈深灰、灰黑色,流塑状,以淤泥为主,含贝壳碎屑,局部地段夹粉细砂、砾砂、粉土;其标准贯入试验击数(N63.5)小于4击,承载力特征值50～80 kPa,土工程性质差,承载力偏低。海底软土一般富含有机质,经生物分解为沼气或浅层气,藏匿于土体中且容易挥发,从而降低土体抗剪强度,给海洋工程造成危害。本次评价将软土影响因素具体量化为软土面积和软土厚度来分析,研究其空间分布特征及对工程稳定性的影响。一般来说,软土的面积和厚度越大,该区域的工程稳定性就越差,软土面积大但厚度小或软土面积小但厚度大,该区域工程稳定性相对好一点。

2.3 K-means聚类法分级

将水深、坡度和尼梅罗综合指数均转为栅格图,选择古河道或古湖泊、沙波、沙脊和软土面积,再将各个数值导入SPSS软件中,采用K-means聚类法进行分级;由于软土厚度具有连续性,选择单数进行分级。结果如下:

(1) 水深分级

水深共分为4级[图4(a)],呈长条状水平排列。其中,水深6.15～9.99 m为最浅区,分布在研究区中北部,靠近港门港及东锣岛附近,面积36.97 km2,主要为砂质粉砂、砾质泥质砂和粉砂质砂沉积;水深10.00～12.79 m则分布在最浅区的南侧和角头鼻一带,面积40.98 km2,主要为砂质粉砂和砾质泥质砂沉积;水深12.80～17.28 m主要分布在研究区的中间,小部分位于角头鼻一带,整体呈东窄西宽,面积37.87 km2,主要为砂质粉砂和砾质泥质砂沉积;水深17.29～24.78 m分布在研究区最南部,属研究区深水区域,面积102.84 km2,主要为砂质粉砂、粉砂和砾质泥质砂沉积。

(2) 坡度分级

研究区坡度共分为5级[图4(b)],总体坡度不大。其中,0°～0.07°主要分布于研究区中部,占有面积最大;0.08°～0.13°主要分布在研究区中间,零散分布在研究区两侧;0.14°～0.23°主要位于研究区两侧,零散分布在中间;0.24°～0.44°主要位于研究区两侧;0.45°～1.49°分布面积最小,仅分布于东锣岛附近。

(3) 沉积物环境质量分级

沉积物环境质量共分为5级[图4(c)]。其中,尼梅罗综合指数0.24～0.45分布的面积最大,主要位于研究区东南侧,该区的沉积物环境质量最好;其次是0.46～0.62,主要位于研究区西侧;0.63～0.85主要分布在研究区西南和中北部;0.86～1.22仅分布在研究区中北部,呈椭圆状,沉积物环境质量较差。

(4) 古河道或古湖泊面积分级

根据古河道湖泊的分布面积,共分为3级[图4(d)])。面积0.16～2.42 km2总共有6处,零散分布在研究区中部,呈椭圆形;6.68～11.73 km2呈长条状分布于研究区东南部;30.36 km2在研究区分布面积最大,呈T型分布在研究区西部。

(5) 沙波面积分级

研究区只有两处沙波[图4(e)],面积差别较大,分别为0.82 km2和16.12 km2,分为两级,分别位于东锣岛南北两侧。

(6) 沙脊面积分级

研究区沙脊共分为3级[图4(f)],面积分别为0.12～0.38 km2、0.45～0.70 km2和1.08～1.19 km2,分布区域大部分与沙波重叠。

(7) 软土分级

以研究区软土面积和厚度形成立体空间来评价软土的影响,一般来说软土的面积越大,厚度也越大。研究区软土面积总共分3级,分别是0.12～1.00 km2、2.69～2.80 km2和9.33～11.71 km2[图4(g)]);厚度则以1 m、3 m、5 m、7 m、9 m和11 m来分级[图4(h)]。

2.4 评价因子权重的确定

本文首先选取水深、坡度、沉积物环境质量、古河道或古湖泊面积、沙波面积、沙脊面积、软土面积和软土厚度共8个影响因素,采用K-means对其进行分级,前7个影响因素共划分了28个评价因子,软土厚度则用单数分了7级,总共划分了35个评价因子,并构造两两比较的判断矩阵。然后,采用层次分析法,通过专家打分计算各评价因子的主观权重,并采用熵权法计算各评价因子之间的相互关系,计算其客观权重。最后,根据式(1)计算各评价因子的组合权重(表1)。

表1 各影响因素权重

3 评价结果

选用ArcGIS软件中的栅格计算器对各评价因子进行叠加,接着用自然断点法将研究区分成五个区,分别是适宜性好、 较好、中等、较差和差区(表2、图5)。结果表明适宜性最好区位于研究区中北部,其次是中南部,两翼地质环境质量最差,中等区镶嵌分布于崖州湾的外缘。这五个区可为海上灯塔、测风塔、风电场及海底管线等工程用海建设和规划提供依据[19]。

适宜性好区面积71.39 km2,占研究区面积的33.04%,主要分布在研究区的中北部。该区水深6～20 m,坡度0°～1.41°,以砾质泥质砂和砂质粉砂沉积为主,局部地方有轻度污染,无沙波、沙脊、软土、古河道和古湖泊等地质灾害。该区离岸较近,周边有宁远河汇入,陆域地势平缓,为海积平原和冲积海积平原,主要发育第四系砂砾、砂和黏土等。该区地质环境较好,水深较浅,海底较平坦,后续开发选址时建议优先考虑。

适宜性较好区面积91.78 km2,占研究区面积的42.48%,主要分布在研究区的中南部和东锣岛附近。该区水深6～24 m,坡度0°～1.45°,以粉砂和砂质粉砂沉积为主,无污染、沙脊和沙波,仅局部有软土、古河道和古湖泊分布。整体水深较大,地质环境整体上较适宜性好区略差,可作为开发选址规划的备选区。

适宜性中等区面积16.50 km2,占研究区面积的7.63%,镶嵌分布于研究区两翼,又以西部居多。该区水深7～24 m,坡度0°～1.49°,以砾质泥质砂和砂质粉砂沉积为主,无污染,局部有沙波、沙脊、软土、古河道或古湖泊等地质灾害发育。地质环境较差,地质灾害的类型众多,不建议在此进行开发选址,如有开发,应重点考虑基础设施的选型。

适宜性较差区面积18.41 km2,占研究区面积的8.52%,主要分布在研究区的东西两侧。该区水深10～24 m,坡度0°～1.49°,沉积类型为砾质泥质砂和砂质粉砂,无污染,局部有沙波、沙脊、软土、古河道或古湖泊等地质灾害发育,又以古河道和古湖泊的面积最大。地质环境差,地质灾害较发育,不建议在此进行开发活动。

适宜性差区面积17.98 km2,占研究区面积的8.33%,主要分布在研究区的东西两侧。该区水深12～24 m,坡度0.2°～1.49°,沉积类型主要为砾质泥质砂,无污染,是沙波、沙脊、软土、古河道和古湖泊等地质灾害的高发地。水深较深,整体坡度较大,是地质环境最差区,不适宜在此进行开发活动。

4 讨论

(1) 影响三亚崖州湾海域建设开发适宜性的因素有很多,本文根据实际情况选取水深、坡度、沉积物环境质量、沙波面积、沙脊面积、古河道或古湖泊面积、软土面积和软土厚度为影响因素,再细分各评价因子。在实际评价过程中应根据工作条件、海洋环境因素和开发需求等,充分考虑现有工作条件下的地质环境因素,选取合适的因子开展研究,如渔业养殖区适宜性评价时应重点考虑海水水质质量、沉积物质量和生物质量等。

(2) 因子权重是衡量各影响因素对适宜性评价的重要指标,权重越大则影响越大。从权重分配结果来看,水深和无沙波沙脊、无古河道古湖泊区域所占比重较大(表1)。主观权重和客观权重也有所差异(图6):主观权重根据专家的认识判别所得,适宜范围较广,但存在考虑不全面的问题;客观权重根据因子间的相互关系所得,难以满足目标需求。例如,主观判别水深越小越好,得出权重具有一致性,但水浅的地方可能存在不良的地质条件,水深的地方也可能有很好的地质条件,无沙波、沙脊、古河道、古湖泊区域也存在同样的问题,客观权重就正好解决了这方面的矛盾。组合权重结合了两者的优点,当主客观权重趋向一致时,组合权重靠近两者的最大值或最小值,表明该因子很重要或很不重要;当主客观权重相反或差距较大时,组合权重则靠近两者的中间值。

图6 各影响因素权重折线图Fig.6 Line chart of weight of each influencing factor

(3) 研究区地震动峰值加速度为0.05g,地震动加速度反应谱特征周期0.35 s,方圆50 km范围内历史记录的地震除1982年崖县4.0级地震外,其余震级均小于4.0级,且该区地球物理资料表明无断层发育。综合分析认为研究区受地震影响较小,构造运动较弱,区域稳定性较好,因此未将此影响因素纳入评价体系。

(4) 外动力因素方面,海流、波浪、风暴潮等会给开发建设带来重要影响,其中波浪是崖州湾南山港航道航槽区域床沙输运的控制动力[20]。人类活动方面,近岸工程、偷采海砂、海底管线铺设等不合理的人类活动改变了海湾水动力条件,加剧了地质环境恶化。以上两方面均对海湾开发建设选址评价有重要影响,但受到资料与评价方法的限制,仅作为分析评价的定性因素,无法参与定量评价。

5 结论与建议

(1) 本文首先选取水深、坡度、沉积物环境质量、古河道或古湖泊面积、沙波面积、沙脊面积、软土面积和软土厚度共8个影响因素,并将其细分为35个评价因子;然后使用层次分析法和熵权法计算评价因子的主客观权重;最后用自然断点法划分了适宜性好、较好、中等、较差和差5个区,并分析了5个区的地质环境特征。

(2) 整体上适宜性好区位于研究区中北部,其次是中南部,两翼地质环境质量最差,中等区镶嵌分布于崖州湾的外缘。建议优先考虑适宜性好区进行规划开发,其次是适宜性较好区,进行适宜性中等区规划开发时应重点考虑基础设施的选型,适宜性较差区和差区不建议进行规划开发活动。

(3) 采用层次分析法计算评价因子的主观权重,熵权法则用来计算其客观权重,两者的结合能最大限度地避免模型的缺陷,形成一种主客观结合的海湾开发建设适宜性的科学评价方法。

(4) 崖州湾科技城规划打造“一港、三城、一基地”,致力于建设成为陆海统筹、开放创新、产业繁荣的先导科技新城,而本研究受资料限制,仅评价了崖州湾大于5 m水深海域的适宜性。为服务科技城规划定位和海陆统筹需要,建议加强5 m水深以浅海域的综合地质调查,收集陆域最新水工环地质资料,进行海陆地形、地质灾害资料融合分析研究,最终实现海陆全域开发建设的适宜性评价,服务于崖州科技城的规划建设和防灾减灾工作。