濟南泉域重點地段地鐵建設適宜性評價

孫斌

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南　250014)

濟南泉域重點地段地鐵建設適宜性評價

孫斌

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南250014)

為評價濟南泉域重點地段地鐵建設適宜性，分析了影響地鐵建設的主要影響因子，選取巖溶頂板埋深、巖溶水位埋深、巖溶含水層富水性、巖溶水功能分區(qū)、隔水層厚度、裂隙水位埋深、裂隙水富水性、地表水體分布、孔隙水位埋深、孔隙水富水性、活動斷裂共11個因子建立評價指標體系，采用GIS空間分析法及AHP確定隸屬度及權重，根據(jù)模糊評價結果，將濟南泉域重點地段地鐵建設劃分為適宜區(qū)、一般區(qū)和不適宜區(qū)，并給出了各主要交通干道地鐵建設與泉水保護的可行性建議。

泉域重點地段；地鐵建設；適宜性評價；影響因子；濟南市

引文格式：孫斌.濟南泉域重點地段地鐵建設適宜性評價[J].山東國土資源，2015,31(2)：35-39.SUN Bin. Suitability Evaluation of Metro Construction in Key Sections of Jinan Spring Region[J].Shandong Land and Resources, 2015,31(2):35-39.

隨著濟南城市化發(fā)展，開發(fā)利用地下空間資源成為迫切需求[1]，地鐵將成為解決城市交通問題的主要手段之一。但由于地質條件差異較大，地鐵建設過程中常會引發(fā)地面沉降、巖溶塌陷、圍巖失穩(wěn)等各類環(huán)境地質問題[2-6]，也會引發(fā)巷道突水、水位下降、水質污染[7-9]等各類水環(huán)境問題。濟南市四大泉群排泄區(qū)是濟南泉域的重點地段，區(qū)內(nèi)存在大大小小共計136處泉眼，受千佛山斷裂與文化橋斷裂構造控制形成“地壘”，燕山期侵入巖順層侵入，形成極其復雜的地質條件，在此范圍內(nèi)修建地鐵極有可能改變原有地質構造條件，破壞泉水徑流通道，影響泉水正常噴涌，在脆弱部位還有可能對巖溶水水質造成潛在污染風險，為保持泉水持續(xù)噴涌的良好態(tài)勢，保護泉水水質，必須針對區(qū)內(nèi)特殊的地質及水文地質條件進行統(tǒng)籌考慮，選取適合的影響因子、權重及評價方法，才能真實準確地反應地鐵建設的適宜性。

1　影響因子分析

濟南泉域重點地段地形東南高西北低，第四系覆蓋普遍，下伏燕山期侵入巖分布廣泛，奧陶紀巖溶含水層又被侵入巖覆蓋，宏觀上第四紀孔隙含水層組、燕山期侵入巖裂隙含水層組及奧陶紀巖溶裂隙含水層組大致具有層疊垂向排列特征，這一獨特的空間結構特征對于研究地鐵建設泉水保護影響因素具有可靠依據(jù)。

1.1巖溶含水層(組)條件

巖溶地層中的溶孔、溶洞及溶蝕裂隙為地下水的賦存和運移提供了空間與通道，巖溶地層是泉水形成的關鍵層位，巖溶地層頂板埋深、巖溶地下水位埋深、含水層富水性、巖溶含水層主要發(fā)育層位及地下水功能分區(qū)對地鐵建設有不同程度影響。

1.1.1巖溶地層底板埋深

國內(nèi)外地鐵建設埋深基本位于18m左右，基于這一特點，巖溶地層底板埋深越大，地鐵建設揭露巖溶含水層的幾率越小，對巖溶含水層造成破壞的風險越小，越有利于泉水保護。

1.1.2巖溶地下水位埋深

巖溶地下水具微承壓性及承壓性，巖溶地下水位埋藏較淺，尤其當?shù)罔F穿過奧陶紀巖溶地層時，有可能減小巖溶水過水斷面面積或造成頂板突水，引發(fā)水動力場及水化學場的改變，不利于泉水保護。

1.1.3巖溶水含水介質富水性

地鐵建設過程中，當巖溶含水巖組與其上覆含水巖組發(fā)生水力聯(lián)系時，巖溶含水巖組的富水性愈好，地鐵開挖風險愈大，容易形成巖溶水頂托補給甚至發(fā)生巷道突水，改變巖溶水徑流和排泄條件，對泉水造成影響。

1.1.4巖溶地下水功能分區(qū)

四大泉群是巖溶水主要排泄區(qū)，泉水與上覆含水層有不同程度聯(lián)系，地鐵建設對巖溶地下水排泄通道的改變構成較大風險，南部匯集徑流區(qū)風險相對小些，而北部巖溶含水層頂板埋深相對較深，巖溶裂隙不甚發(fā)育，地下水向北部側向徑流為主，可視為非巖溶水功能區(qū)，地鐵建設基本對泉水不存在影響。

1.2裂隙水含水介質和孔隙含水介質

1.2.1隔水層厚度

地鐵底板隔水層厚度是反應隔水性能的重要指標，底板是否具有隔水性能，隔水層分布是否連續(xù)穩(wěn)定，厚度是否足夠大，都有可能對泉水保護造成不同程度的影響，研究表明有效隔水層厚度大于19m時*山東省地礦工程勘察院，韓連山等，濟南市軌道交通建設對泉水影響研究(線網(wǎng)規(guī)劃階段)—泉水地下流場特征研究，2009年。，可以有效阻隔上部含水層與巖溶含水層之間的水力聯(lián)系，而且還可以減少地鐵隧道開挖引發(fā)巷道突水的幾率，同時，良好的隔水層對防止隧道污染物滲入巖溶含水層也具有保護作用。

1.2.2含水層富水性與水位埋深

孔隙水含水巖組和裂隙水含水層組是地鐵行進的主要層位，這2個含水巖組富水性強弱對地鐵建設影響類似，地鐵修建層位通常位于潛水位以下，施工過程中地層開挖和工程降水均會造成原有地質應力改變，有可能引發(fā)巖土體固結壓縮，引發(fā)地面沉降和建筑物變形、破壞，當?shù)罔F線路與地下水徑流方向交叉時，又改變了地下水徑流條件，地下水運移方向及徑流速度均發(fā)生變化，地下水流場的改變可能引發(fā)污染物進入地下水系統(tǒng)，使水環(huán)境遭受破壞，尤其在與巖溶含水巖組存在密切聯(lián)系的區(qū)域，對巖溶水造成污染。因此，這2個含水巖組富水性愈好，水位埋深愈淺，愈不利于泉水保護。

1.2.3地表水體分區(qū)

區(qū)內(nèi)地表水體有護城河、大明湖、西濼河等，泉水噴出地表后匯入護城河及大明湖，地表水體對于地鐵建設有一定影響，尤其在進行地鐵站明挖時，離地表水體愈近對工程建設影響愈大。

1.3構造穩(wěn)定性

區(qū)內(nèi)無巖溶地下水大量開采、無礦產(chǎn)資源開采、環(huán)境地質條件比較簡單，但具有復活性的千佛山斷裂和文化橋斷裂有可能對泉水造成影響，活動斷裂主要對隔水層破壞作用較大，會嚴重削弱巖溶含水層上覆隔水層防護性能，從而使原本巖溶含水巖組與孔隙、裂隙含水巖組之間水力聯(lián)系條件發(fā)生改變，間接造成對泉水的影響。

2　地鐵建設適宜性評價

2.1評價思路

為論證濟南泉域重點地段地鐵建設適宜性，著重對巖溶含水層組及泉水徑流通道的保護程度，兼顧工程建設條件分析，綜合考量各評價因素對泉水影響的貢獻量，準確突顯各要素之間的相對重要程度，采用GIS空間分析技術及AHP[10]分析法進行評價因子區(qū)劃及權重確定，具體步驟如下：

首先，確定評價等級；其次，利用GIS空間插值、緩沖分析、疊置分析等劃分基礎評價小區(qū)；再次，構建單因素隸屬度矩陣；然后，確定評價指標權重；最后，進行模糊綜合評價，利用GIS對相同適宜性等級分區(qū)融合形成最終評價結果。

2.2評價指標體系

2.2.1評價體系建立

選取巖溶含水巖組、裂隙含水巖組、孔隙含水巖組和構造穩(wěn)定性作為一級評價指標，選取巖溶頂板埋深、巖溶地下水位埋深、巖溶含水層富水性、巖溶水功能分區(qū)、隔水層厚度、裂隙水位埋深、裂隙水富水性、地表水體分布、孔隙水位埋深、孔隙水富水性和活動斷裂作為二級評價指標，建立三層層次結構評價體系。

2.2.2評價指標確定

以地鐵淺埋18m深度為評價基準來劃分評價等級，與泉水保護有直接聯(lián)系的敏感評價指標以絕對定量進行劃分，與工程建設有直接聯(lián)系的評價指標以相對定量進行劃分，對定性描述的指標根據(jù)相對適宜性進行量化，劃分為適宜、一般和不適宜3個級別(表1)。

表1　地鐵建設適宜性分級

2.3隸屬度及權重

2.3.1隸屬度矩陣建立

利用GIS對二級指標參數(shù)進行疊置分析，在GIS屬性數(shù)據(jù)庫中的dbase表提取所有基礎評價小區(qū)的二級指標屬性值，并導入至Excel表中，根據(jù)屬性表計算基礎評價小區(qū)內(nèi)各評價指標對各評價等級的隸屬度矩陣R。

2.3.2權重集確定

利用AHP模型分別確定一級評價指標和二級評價指標的權重集A。一級評價指標巖溶含水巖組、裂隙含水巖組、孔隙含水巖組的權重集為：

Wc=[0.5100，0.2669,0.1434,0.0797]

巖溶含水巖組二級指標巖溶頂板埋深、巖溶地下水位埋深，巖溶含水層富水性，巖溶水功能分區(qū)的特征向量為：

Wc1=[0.3693,0.4154，0.1327,0.0826]

裂隙含水巖組二級指標隔水層厚度、裂隙地下水位埋深，裂隙含水層富水性的特征向量為：

Wc2=[0.6483,0.2297,0.1220]

孔隙含水巖組二級指標巖溶頂板埋深、巖溶地下水位埋深，巖溶含水層富水性，巖溶水功能分區(qū)的特征向量為：

Wc3=[0.1634,0.5396,0.2970]

由以上一級及二級指標權重計算得出11項評價指標(巖溶頂板埋深、巖溶水位埋深、巖溶含水層富水性、巖溶水功能分區(qū)、隔水層厚度、裂隙水位埋深、裂隙水富水性、地表水體分布、孔隙水位埋深、孔隙水富水性、活動斷裂)的權重集為：A=[0.1884,0.2119,0.0677,0.0421,0.1730,0.0613,0.0326,0.0234,0.0774,0.0426,0.0797]

3　評價結果分析

基于隸屬度矩陣R和權重A進行模糊綜合評判，將濟南泉域重點地段地鐵建設適宜性劃區(qū)(圖1)劃分為適宜區(qū)、一般區(qū)和不適宜區(qū)。

圖1　濟南泉域重點地段地鐵建設適宜性評價結果圖

3.1適宜區(qū)

主要分布在沿重點區(qū)東部文化橋斷裂以東，西部千佛山斷裂以西，北部泉城路以北，順河高架橋近鄰及東南部文化路以南。

文化橋斷裂以東地區(qū)：南部地勢高，巖溶水埋深大于30m，北部地勢低，巖溶水埋深小于18m，巖溶水富水性為100～1000m3/d，巖溶地層頂板埋深普遍大于30m，侵入巖厚度基本大于30m，具備有效隔水性能，孔隙水與裂隙水水位埋深相對較深、富水性也相對較差，地鐵建設對泉水影響較小。

千佛山斷裂以西地區(qū)：巖溶承壓水位埋深普遍小于16m，地處四大泉群主徑流補給帶附近，巖溶裂隙發(fā)育，單井出水量可大于5000m3/d，但巖溶頂板埋深較大，一般超過100m，而且?guī)r溶頂板上覆巨厚侵入巖地層，一般超過100m，隔水層防護性能很好，孔隙水和裂隙水水位埋深也相對較深，富水性極差，地鐵建設對泉水影響較小。

泉城路以北地區(qū)：巖溶承壓水位埋深一般小于16m，局部地段可達到自流狀態(tài)，巖溶富水性也較強，一般為1000～5000m3/d，但該區(qū)基本位于巖溶地下水側向徑流排泄區(qū)，且?guī)r溶含水層頂板埋深大于30m，隔水層厚度也大于30m，處于活動斷裂非影響帶，地鐵建設對泉水影響較小。

順河高架橋近鄰：巖溶承壓水位埋深一般小于16m，位于巖溶主徑流通道附近，巖溶富水性強，但該區(qū)受千佛山斷裂構造控制及侵入巖體影響，灰?guī)r頂板埋深一般都超過30m，侵入巖厚度相對較大，孔隙水、裂隙水富水性也相對較差，地鐵建設對泉水影響較小。

文化東路以南地區(qū)：第四紀地層厚度較薄，巖溶地層頂板埋深相對較淺，一般小于18m，且第四紀地層與巖溶地層之間無有效隔水層，但巖溶地下水位埋深普遍大于30m，且孔隙水水位埋深也相對較大、富水性較弱，地鐵建設不會削減巖溶含水層厚度，對泉水影響較小。

3.2一般區(qū)

主要分布于重點區(qū)西北經(jīng)一路和經(jīng)四路附近，泉城路附近，飲虎池西街及上新街附近，植物園至齊魯醫(yī)院周邊地帶，文化橋斷裂中段西側。

經(jīng)一路和經(jīng)四路附近地區(qū)：該區(qū)位于巖溶地下水匯集徑流區(qū)，灰?guī)r頂板埋深大于30m，巖溶承壓水位埋深小于16m，巖溶水富水性較強，為1000～5000m3/d，孔隙水、裂隙水埋深及富水性均屬中等，且位于活動斷裂間接影響帶附近，地鐵建設對泉水造成影響相對較小，但工程建設適宜性一般。

泉城路、飲虎池西街和上新街附近局部地區(qū)：該區(qū)巖溶頂板埋深大于30m，但巖溶承壓水位埋深小于16m，隔水層厚度也相對較薄，為19～30m，隔水層防護性能相對薄弱，巖溶水富水性大于5000m3/d，地鐵建設主要考慮是否會破壞隔水層防護性能，若破壞隔水層，則有可能使巖溶含水巖組與上覆裂隙含水巖組產(chǎn)生水力聯(lián)系，對泉水造成影響。

植物園至齊魯醫(yī)院周邊地區(qū)：該區(qū)巖容承壓水位埋深普遍小于16m，第四紀地層厚度薄，巖溶頂板埋深較淺，為18～30m，隔水層厚度也較小，一般小于19m，孔隙水、裂隙水水位埋深相對較大，富水性相對較差，地鐵建設有可能破壞泉水徑流條件，工程建設存在一定風險。

文化橋斷裂中段羊頭峪大溝附近地區(qū)：該區(qū)巖溶頂板埋深為18～30m，巖溶水位埋深也相對較淺，為18～30m，巖溶水富水性較強為1000～5000m3/d，侵入巖隔水層厚度小于19m，但該區(qū)孔隙水、裂隙水埋深相對較大，富水性也較差，地鐵建設有可能對泉水造成一定影響。

3.3不適宜區(qū)

主要分布于趵突泉、黑虎泉、珍珠泉集中排泄區(qū)附近，南護城河以北至泉城路，青年西路附近，黑虎泉以南至文化路片區(qū)。

趵突泉、黑虎泉集中排泄區(qū)附近地區(qū)：該區(qū)地溶承壓水位埋深較淺，一般小于16m，巖溶頂板埋深較淺，一般小于18m，巖溶水富水性強，大于5000m3/d，隔水層厚度也小于19m，甚至在泉群排泄口一帶，侵入巖缺失，完全無隔水層，孔隙水、裂隙水水位埋深一般為2～4m，孔隙水富水性也相對較強。地鐵建設極有可能破壞原有水文地質條件、水動力條件，甚至破壞泉水徑流通道，影響泉水出流。

珍珠泉集中排泄區(qū)附近地區(qū)：該區(qū)巖溶承壓水位埋深小于16m，巖溶頂板埋深較大，一般超過100m，侵入巖厚度也相對較大，隔水層厚度一般超過100m，但該區(qū)泉群主要是巖溶水通過侵入巖構造裂隙及風化裂隙后向地表噴出，裂隙含水巖組在一定程度與巖溶水含水巖組之間存在裂隙聯(lián)通通道，地鐵建設主要考慮對泉水排泄通道的影響，工程建設有可能破壞侵入巖裂隙，影響泉水正常排泄途徑。

南護城河以北至泉城路地區(qū)：該區(qū)巖溶水位埋深小于16m，巖溶水頂板埋深18～30m，隔水層厚度小于19m，巖溶水富水性大于5000m3/d，孔隙水、裂隙水水位埋深為2～4m，孔隙水和裂隙水富水性相對較強。地鐵建設極有可能破壞隔水層，甚至破壞巖溶含水層，改變水動力條件，對泉水正常噴涌構成較大風險。

黑虎泉以南至文化東路地區(qū)：該片區(qū)巖溶頂板埋深一般小于18m，巖溶地下水埋深也較淺，為18～30m，巖溶水富水性較強，大于5000m3/d，區(qū)內(nèi)侵入巖地層缺失，無有效隔水層，孔隙水、裂隙水水位埋深相對較大，富水性也較差。但以18m地鐵埋深考慮，地鐵主要穿越巖溶地層，工程建設對淺表層巖溶徑流通道的破壞作用較大，甚至可能堵塞巖溶地下水補給徑流通道，而且?guī)r溶水位埋深也相對較淺，工程建設極有可能削減巖溶含水層厚度，減少泉水流量，從而對泉水徑流及循環(huán)條件均造成破壞。

4　結論

(1)濟南泉域重點地段地鐵工程建設應注重對整體構造單元的保護，確保工程建設做到萬無一失。修建地鐵對泉水可能存在的影響主要有2方面，一是對泉水流量的影響，二是對泉水水質的影響。由于區(qū)內(nèi)水文地質條件差異較大，對泉水影響程度也有所不同，工程建設存在風險不一，地鐵建設適宜性也差別較大。

(2)評價結果顯示，明湖北路一線對泉水水量和水質均不產(chǎn)生影響；大明湖路一線對泉水水量有一定削減的潛在風險，應注意保護裂隙通道；泉城路一線對泉水水量和水質均有較大影響；濼源大街一線對泉水水量和水質有很大影響，由于離趵突泉和黑虎泉排泄點較近，地鐵建設對泉水巖溶通道破壞較大，容易引發(fā)巷道突水、巖溶塌陷和水質污染等；文化路一線對泉水水量和水質有較大影響，地鐵建設有可能破壞巖溶通道、引發(fā)巷道突水和水質污染；經(jīng)十路一線主要對泉水水質存在影響，局部地鐵建設有可能引發(fā)巷道突水，但工程保護措施施工難度較小；歷山路一線對泉水水量和水質均存在影響，地鐵建設極有可能破壞巖溶通道、引發(fā)巷道突水和水質污染；緯二路一線對泉水水量和水質均不構成影響。

(3)從主要交通干道看，明湖北路和緯二路基本不需進行泉水保護措施控制，地鐵建設適宜；大明湖路和經(jīng)十路泉水保護工程措施可控，地鐵建設也適宜；泉城路、濼源大街、文化路和歷山路泉水保護工程措施難度大，地鐵建設不適宜。

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Suitability Evaluation of Metro Construction in Key Sections of Jinan Spring Region

SUN Bin

(Shandong Provincial Geo-mineral Engineering Exploration Institute, Shandong , Jinan 250014,China)

In order to evaluate the suitability of metro construction in key sections of Jinan spring region, main influencing factors which will affect metro construction have been analyzed in this paper. By choosing 11 influencing factors, the evaluation index system has been set up, including karst roof depth, buried depth of kasrt groundwater level, water abundance of karst aquifer, function division of karst water, thickness of aquifuge, buried depth of fissure water, bwater abundance of fissure water, distribution of pore water, buried depth of pore water, pore water abundance and active faults. By using GIS spatial analysis method and AHP method, membership degree and weight have been determined. According to the result of fuzzy comprehensive evaluation, suitability of metro constructionin main sectons of Jinan spring region can be divided into suitable areas, general areas and unsuitable areas. Feasible suggestions have also been given to metro construction and spring water protection in main roads.

Key section of Jinan spring region；metro construction；suitability evaluation；influencing factors

2014-05-14；

2014-07-03；編輯：陶衛(wèi)衛(wèi)

山東地礦重大科技攻關項目2012-045

孫斌(1982—),男,山東榮成人,工程師,從事水文地質與環(huán)境地質研究工作;E-mail:spinhlr@163.com

U231.3

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