基于熵权TOPSIS分析法的郑州市三维地质环境承载力评价

李政乾,李宏伟,赵 姗

(郑州大学地球科学与技术学院,河南 郑州450052)

随着社会经济的发展,城市地上空间开发趋于饱和,人地矛盾加剧,地上交通资源、水资源、居住生活条件等越来越紧张[1-2],向地下空间发展成为一种必然选择[3]。城市地下空间是城市发展到一定阶段的必然产物,如地下停车场、商场、人防工程、地铁、隧道等。这些工程关乎城市长远、稳定和可持续发展,也是保证居民生活质量的条件之一[4]。城市地下空间开发会受到工程地质、水文地质、地下空间开发现状、社会等因素的影响和制约[5]。目前已有许多学者对城市地质环境进行了适宜性评价[6-7],对解决城市用地紧张、缓解交通拥挤、改善环境等起到了积极的作用。与此同时,开展地质环境承载力评价也是城市地下空间开发利用的重要方面,即结合地下空间开发现状和资源质量等要素,分析出能够支撑地下空间开发、建设的人类活动最大程度,支撑城市可持续健康发展的能力[8-11]。开展城市地质环境承载力评价,是保证地下空间合理开发利用和生态系统良性循环的基础,是度量城市可持续健康发展能力的重要内容。因此,本文利用工程地质、水文地质、地下空间开发现状、地表生态交通环境等数据,对郑州市进行三维地质建模[12],结合三维地质模型对郑州市地质环境进行承载力分析,以更直观、有效地展现地质状态,提高评价结果的实用性,为郑州市地下空间开发提供参考。

1 研究区及数据

1.1 研究区与钻孔分布

研究区北至黄河、东到郑州市中牟县人文路,西南以郑州市绕城高速为界。该范围内共有360个钻孔,5835层岩土数据,钻孔位置分布如图1所示。

图1 郑州市钻孔分布

1.2 工程地质要素

第四纪更新世形成的地层可分为全更新统、上更新统、中更新统、下更新统,见表1。

表1 工程地质概况

1.2.1 全更新统

全更新统广泛分布于平原地区,大致以京广铁路为界分为东西两个区域。在西部区域,中段缺失,上段为黑灰色的古土壤和浅黄色的粉土,下段为浅灰黄色、浅黄色的粉土及粉质黏土。在东部区域,上段为浅黄色的粉土、粉质黏土及泥质粉砂,交错层理清晰;中段主要由浅黄色和灰黄色的细砂和中细砂组成,含有小砾石,夹杂着粉砂薄层,具有交错和水平层理;下段为灰黄色、浅灰色的淤泥质黏土、粉土及淤泥质粉砂。

1.2.2 上更新统

上更新统分为两段,上段包括黄土状的粉土、粉砂,黄河冲积平原区则含有粉土、细砂、中细砂、中粗砂含砾,其中夹杂有黏土或粉土透镜体;下段包括粉质黏土和粉土,颜色为黄色和黄褐色,下部为黄褐色、灰白色,含有细砂、中细砂和中砂。

1.2.3 中更新统

中更新统上段分布在市区及西南山区的河流冲洪积物中,岩性为粉质黏土夹砂层;下段为河湖相沉积,岩性为褐红、褐黄色粉质黏土、黏土夹灰白、褐黄色细中砂、粉砂。

1.2.4 下更新统

下更新统上段岩性为黄绿、黄棕、浅棕红色粉质黏土、黏土及细、中砂;下段岩性为棕红、灰绿色厚层黏土、粉质黏土夹砖红或锈黄色粉细砂,内含较多的混粒土和混粒砂。

1.3 水文地质要素

研究区以浅层地下水为主,储存于第四系全新统、上更新统、中更新统冲积(局部为冲洪积)地层中,岩性为粉质黏土、粉土夹砂层;京广铁路以西,90～120 m以下为下更新统或新近系黏土与砂互层。顶板埋深由西部的20～40 m至东部的10 m左右;底板埋深:西部以新近系湖冲(洪)积中厚层含砾,中、粗砂为底界,埋深120～140 m,其中含水层厚度为40～60 m;东部以中更新世中部黄河冲积厚层中、细砂为界,埋深160 m左右,其中含水层厚度为50～110 m。

(1)富水性极强区,分布于东北部沿黄河一带,顶板埋深5～10 m,局部小于5 m,底板埋深80～110 m,结构松散,渗透系数18.5～34.85 m/d,地下水位埋深一般为5～10 m。

(2)富水性强区,分布于花园口—祭城—圃田一带,顶板埋深4～10 m,祭城至圃田等地为15～28 m,地下水位埋深一般为5～10 m,渗透系数一般为10～25 m/d。

(3)富水性中等区,京广铁路以东顶板埋深5～15 m,地下水位埋深一般为15～30 m,北部毛庄—老鸦陈一带小于10 m。市区最大埋深28.1 m,已形成地下水位降落漏斗,渗透系数一般为10～25 m/d。京广铁路以西和研究区南部顶板埋深不一,浅者小于5 m(南曹乡一带),深者则大于30 m(须水—石佛一带)。水位埋深变化大,一般为20～50 m,渗透系数为5.33～21.99 m/d。上街区北部(陇海铁路以北)顶板埋深大于30 m,埋深随地形起伏而变化,该区渗透系数一般大于5 m/d。

(4)富水性弱区,主要分布于三李和西北部邙山黄土塬区,水位埋深大于30 m,富水性差,一般渗透系数为4.15～8.04 m/d。

(5)富水性极弱区,分布于上街区陇海铁路以南,属黄土孔隙—裂隙水。水位埋深50～100 m,渗透系数为1.98～3.096 m/d。

2 地质模型构建

根据郑州市DEM建立地表模型,在地表模型基础上构建地质体,将地质体剖分为50 m×50 m×1 m的网格单元,共计9145万个;将网格单元垂向拉伸30倍,调节地质体比例,剖分后的网格单元与钻孔岩性建立关系;根据钻孔岩性运用序贯指数模拟、变差函数在网格中进行三维插值,得到岩性地质模型;将插值后的网格单元按照系统组与地质特征分为不同区域,随后添加水文地质要素、各影响因素至地质体,形成多要素地质模型。

2.1 地质要素建模

按照郑州市地质系统组与地质特征分进行分类,包含每一个系统组土壤类别与结构性质,共31种岩性,同时包含土壤物理性质、埋藏深度、体积占比等。图2、图3为岩性地质模型。

图2 岩性地质模型(俯视)

图3 岩性地质模型(斜视)

根据郑州市地下承压水位与富水性构建模型。图4、图5分别表示郑州市地下承压水初见水位与富水性,其中蓝色表示初见水位较浅区域与地下富水区较强区域,红色表示初见水位较深区域与地下富水区较弱区域。

图4 初见水位地质模型

图5 富水性地质模型

2.2 影响因素建模

2.2.1 地下空间开发现状

地下空间开发主要表现在建筑物地基、地下停车场、地下商场、人防工程、地铁等设施。建筑物荷载由基础传递到地基,并扩散衰减于更深、更远的岩土中,其影响范围是一个不规则的空间范围。为了保证建筑物的稳定性,在对地下空间进行开发时,地基附近一般是不可开发的。因此地基周围地质环境承载能力最弱,建筑地基是城市地下空间开发过程中存在最多、影响最广的,其影响范围见表2。地下停车场、地下商场、人防工程类似于建筑地基,在建筑地基影响范围与深度的基础上进行延深,埋藏于地下30 m左右范围,承载力较弱区域为正下方,以及其下方与周边一定缓冲区内。

2.2.2 地表生态交通环境

城市地下空间开发过程中需要对地表生态、交通留有一定空间,维持城市绿地存在,防止道路塌陷、破裂,其影响范围见表3。

表3 城市绿地、交通对地下空间影响 m

2.2.3 城市地表水域

城市地表水域对城市生态、景观、文化具有重要作用,因此城市规划过程中一般对水域有一定的保护措施。在地下空间开发过程中,要考虑地表水域影响范围,避免在施工过程中出现涌水,保护水生态环境。从地质环境承载力的角度考虑,地表水域与地下空间地质环境承载力呈负相关。郑州市的地表水主要包括黄河、贾鲁河、金水河、常庄水库、龙湖等。表4为地表水域对下空间影响范围。

表4 地表水系对地质环境影响范围 m

综上,对地下开发空间和地表生态地区及其缓冲区进行建模,结果如图6所示。图中浅黄色面代表郑州市地层表面,灰黑色代表建筑物地基、地下商场、停车场等地下开发空间及其缓冲区,蓝色代表河流、水库、湖泊等,绿色代表公园、绿地,不同颜色线条代表郑州市道路、高铁、高速公路。

图6 地下开发空间立体图

3 研究方法与评价结果

3.1 指标因子选取

选取指标因子时,考虑地质环境的土壤物理性质、埋藏深度、体积占比、孔隙度、渗透率、地下富水性、地下水埋藏深度等,采用熵权TOPSIS分析法[13-15]进行评价。

对于地下开发空间、地表河流、水库、公园、绿地等及其缓冲区,因其不可再开发,在地质模型中对其镂空。评价指标见表5。其中,c类型指标表示运用熵权TOPSIS分析法进行指标评价,d类型指标表示开发空间及其缓冲区。

表5 地质环境承载力评价指标

3.2 地质环境承载力评价方法

熵权TOPSIS分析法大致可分为6步,分别为数据正向化、矩阵标准化、求取指标熵值、通过熵值计算权重、计算最优与最劣距离、计算得分,具体计算步骤如下。

(1)数据正向化,对于极小型数据且均为正数时,公式为

(1)

中间型数据,先输入一个中间最优值xbest,再进行正向化,公式为

(2)

区间型数据,先输入区间的下限a与上限b,再进行正向化,公式为

M=max(a-min(xi),max(xi)-b)

(3)

(4)

(2)正向化矩阵进行标准化,正向矩阵标准化是为了消除不同量纲的影响,公式为

(5)

为了消除资源环境承载力评价指标间的量纲及物理量等属性的影响,需对收集的指标数据进行标准化,公式为

(6)

式中,yij为数据标准化处理后的值;xij为指标数据初始值;min(xij)为指标数据初始值的最小值;max(xij)为指标数据初始最大值。

(3)求评价指标的熵值,公式为

(7)

(8)

式中,Eij为指标的熵值,0≤Ej≤1;Pij为评价因子在指标中的比重,当Pij=0时,lnPij无意义,需要修正Pij,公式为

(9)

(4)通过熵值Ej计算出各指标权重值(见表6),公式为

表6 指标权重

(10)

(5)计算最优距离和最劣距离:

定义最大值,公式为

(11)

定义最小值,公式为

(12)

定义第i个(i=1,2,…,n)评价对象与最大值的距离,公式为

(13)

定义第i个(i=1,2,…,n)评价对象与最小值的距离,公式为

(14)

(6)计算得分,计算归一化得分(见表7),公式为

表7 各区域得分

(15)

(16)

郑州市地质环境承载能力等级划分见表8,承载力空间分布如图7、图8所示。图中蓝色表示承载能力较强区域,红色表示承载能力较弱区域,整体由蓝色至红色渐变,呈现北部沿河区域较弱、南部较强的趋势。对于地下开发空间与地表生态环境及其缓冲区,因其不可再开发且需保护,承载能力最弱,在地质模型中将其镂空。

表8 承载能力

图7 地质环境承载力(俯视)

图8 地质环境承载力图(斜视)

4 结 语

本文运用郑州市工程地质要素、水文地质要素进行三维地质建模,在模型基础上构建城市地下开发空间和地表生态环境及其缓冲区,完整地表现出郑州市地质情况,实现了三维地质建模与多种属性信息的结合,形成了多要素地质模型。选取评价因子构建评价体系,通过熵权TOPSIS分析法得到指标权重并计算得分。对于各影响因素,因其已开发且需保护,将其承载能力定义为最弱,在地质模型中将其镂空,得到郑州市三维地质环境承载力情况。

结果表明,郑州市已开发区域承载能力最弱,北部沿河区域承载能力较弱,城市中部承载能力适中,南部承载能力较强,为郑州市地下空间开发提供了参考。郑州市仍处于高速发展阶段,希望结合更多实例数据,构建更加准确的模型,运用更加科学的分析方法以得到更加准确的结果。