北京城市地質(zhì)安全保障服務(wù)系統(tǒng)在地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李 瀟，李 佳

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院， 北京 100195）

北京城市地質(zhì)安全保障服務(wù)系統(tǒng)在地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

李 瀟，李 佳

（北京市地質(zhì)調(diào)查研究院， 北京 100195）

根據(jù)北京市地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，應(yīng)用北京城市地質(zhì)安全保障服務(wù)系統(tǒng)的綜合分析功能，采用層次分析法及綜合指數(shù)模型，對(duì)北京市平原區(qū)的地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究。

地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)；層次分析法；綜合指數(shù)法；GIS

0 引言

隨著北京市人口的快速增加，功能不斷集聚，致使可用土地資源緊張，水資源、能源供應(yīng)明顯不足，地下空間開(kāi)發(fā)隱患增多；地面沉降、突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害、地下水污染等地質(zhì)災(zāi)害日趨嚴(yán)重。地質(zhì)資源安全與地質(zhì)環(huán)境安全問(wèn)題越來(lái)越成為北京可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。北京城市地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題主要指污染、地質(zhì)災(zāi)害等，包括地下水污染、垃圾污染、地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷、地面塌陷、泥石流、滑坡、崩塌等；平原地區(qū)隱伏活動(dòng)斷裂對(duì)建筑物安全構(gòu)成威脅；工程建設(shè)的加載和開(kāi)挖，破壞了地殼表層的平衡，使工程設(shè)施產(chǎn)生沉降、位移、失穩(wěn)等，也是地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題帶來(lái)的危害。

北京城市地質(zhì)安全保障服務(wù)系統(tǒng)接入了地下水、地面沉降、地殼穩(wěn)定性、突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害、土壤地球化學(xué)、淺層地溫能等各類地質(zhì)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，具有基于GIS技術(shù)的專業(yè)分析系統(tǒng)和地質(zhì)安全綜合分析系統(tǒng)，集成了多種評(píng)價(jià)方法與技術(shù)，集專業(yè)數(shù)據(jù)查詢、分析、展示功能為一體，為地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文采用了該系統(tǒng)的綜合分析功能，選用了代表北京地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)的幾項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)北京市平原區(qū)的地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)做了應(yīng)用研究。

1 北京市地質(zhì)環(huán)境影響因素及特點(diǎn)

北京處于太行山脈、燕山山脈與華北平原的交界地帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°25′～117°30′，北緯39°28′～41°05′。全市按行政區(qū)劃分為16個(gè)區(qū)（縣），總面積為16410.54km2，其中平原面積6400 km2。西北部為中低山區(qū)，東南部是由各大水系沖洪積作用形成的平原，總體地勢(shì)西北高，東南低。地質(zhì)環(huán)境主要影響因素有以下幾項(xiàng)。

1.1 地下水

目前，北京城市供水的三分之二來(lái)自于地下水，近30年來(lái)地下水開(kāi)采量一直維持在26～28億m3/a，1999年至2012年地下水量連續(xù)虧損，累計(jì)達(dá)62.41億m3/a，超采嚴(yán)重。地下水持續(xù)高強(qiáng)度開(kāi)采，引發(fā)了諸如水位持續(xù)下降、地下水降落漏斗、地面沉降、水質(zhì)惡化等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。地下水的水質(zhì)和水量是本文中地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)的重要因子。

1.2 地質(zhì)災(zāi)害

北京地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害主要有泥石流、崩（滑）塌、滑坡、隱伏巖溶塌陷、地面沉降、地裂縫、采空塌陷、砂土液化等。其中平原區(qū)主要以地面沉降和地裂縫較為嚴(yán)重。

目前北京市地面沉降總體上呈南北兩個(gè)大區(qū)分布,并逐漸有兩大區(qū)連接成片的趨勢(shì)。北部沉降中心為昌平八仙莊，南區(qū)主要為榆垡－禮賢沉降區(qū)。

地裂縫主要位于順義地區(qū)，分別位于順義斷裂和黃莊—高麗營(yíng)斷裂附近。總體上看，二者皆呈條帶狀分布，與斷裂的分布有密切關(guān)系。

1.3 地殼穩(wěn)定性

北京平原區(qū)由于經(jīng)歷了長(zhǎng)期、多次的強(qiáng)烈地殼運(yùn)動(dòng)而發(fā)育多方向斷裂，構(gòu)成了復(fù)雜的斷裂體系,其中以北東向斷裂和北西向斷裂為主。平原區(qū)黃莊－高麗營(yíng)斷裂（北段）、順義斷裂、南口－孫河斷裂和夏墊斷裂為全新世活動(dòng)斷裂，近期活動(dòng)性趨勢(shì)加劇。

1.4 土壤環(huán)境

北京整體土壤質(zhì)量環(huán)境良好，平原區(qū)土壤一、二級(jí)質(zhì)量區(qū)的面積占到90%以上，但是局部地區(qū)存在人為污染或自然源引起的土壤生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。城中心地區(qū)主要問(wèn)題是Hg元素超標(biāo)，但隨著北京市能源使用方式政策的實(shí)施，中心城區(qū)土壤重金屬污染逐年得到有效治理。此外，部分農(nóng)產(chǎn)品基地土壤的Cd、Cr等重金屬元素含量較高。

1.5 人類活動(dòng)

近年來(lái)隨著北京城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，各種建設(shè)開(kāi)挖過(guò)程中引起的流土流砂、邊坡滑移、地面塌陷等災(zāi)害問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，人口膨脹帶來(lái)的大量垃圾填埋對(duì)土壤環(huán)境及地下水環(huán)境也產(chǎn)生較大影響。

2 北京平原區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

2.1 評(píng)價(jià)步驟

(1)收集北京市地質(zhì)環(huán)境相關(guān)資料，對(duì)資料進(jìn)行分類、篩選、分析。

(2)根據(jù)北京地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，從多個(gè)因素中選擇具有代表性的影響因素作為評(píng)價(jià)因子。

(3)建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)，提取評(píng)價(jià)范圍內(nèi)各類評(píng)價(jià)因子的圖層，圖層包含空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)。本文中主要采用了北京市平原區(qū)地下水（第一含水層）質(zhì)量分區(qū)圖、地面沉降累計(jì)沉降量圖、地殼穩(wěn)定性分區(qū)圖、土壤質(zhì)量分區(qū)圖、平原區(qū)地下水開(kāi)采程度分區(qū)圖等。

(4)根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)，選擇因子權(quán)重的計(jì)算方法，確定權(quán)重。本文采用層次分析法。

(5)選擇評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型并計(jì)算，本文采用綜合指數(shù)模型。

(6)制定評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將計(jì)算結(jié)果按照標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)，得出評(píng)價(jià)結(jié)果。

評(píng)價(jià)的流程如圖1所示：

圖1 評(píng)價(jià)流程圖

2.2 評(píng)價(jià)因子的選擇

從總體來(lái)說(shuō), 地質(zhì)、地形地貌、氣候、水文、植被、地下水、斷裂分布及活動(dòng)性、地震、巖土體性質(zhì)、人為活動(dòng)等都是控制各種地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)的基本條件。但是這些條件在區(qū)域的主次地位及所起作用不盡相同, 所以地質(zhì)環(huán)境的評(píng)價(jià)指標(biāo)也各異。

通過(guò)對(duì)北京市地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的分析和研究，選取地下水綜合質(zhì)量等級(jí)、地下水開(kāi)采程度分級(jí)、地面累計(jì)沉降量、土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)、地殼穩(wěn)定性5個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子。其中，地下水綜合質(zhì)量等級(jí)反映地下水的質(zhì)量程度，地下水開(kāi)采程度分級(jí)反映地下水的開(kāi)采狀況對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響程度，地面累計(jì)沉降量反映平原區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)程度，土壤環(huán)境質(zhì)量等級(jí)反映土壤受污染的程度，地殼穩(wěn)定性反映活動(dòng)斷裂、地裂縫等對(duì)環(huán)境的影響程度。各評(píng)價(jià)因子的指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 各評(píng)價(jià)因子的指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.3 評(píng)價(jià)方法的確定——層次分析法（簡(jiǎn)稱AHP）

在地質(zhì)環(huán)境綜合評(píng)價(jià)中，權(quán)重反映不同評(píng)價(jià)因子間重要性程度的差異，權(quán)重的確定需要一個(gè)合理的完整的定權(quán)方法體系。層次分析法的指標(biāo)權(quán)重是在重要性判斷矩陣的基礎(chǔ)上計(jì)算得到的并且可以分層確定，這極大減少了傳統(tǒng)的人為定權(quán)的主觀因素偏差和干擾。該法不僅沒(méi)有削減原始要素的信息量，而且保持了指標(biāo)權(quán)重判斷的一致性，尤其適用于地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)研究。

其基本思路是：①將決策問(wèn)題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)。②采用Satty標(biāo)度法構(gòu)造兩兩相比判斷矩陣。③計(jì)算矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量。④對(duì)層次排序及一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。若滿足一致性要求，即認(rèn)為計(jì)算的最大特征根合理，其對(duì)應(yīng)的特征向量即為要素權(quán)重，否則重新構(gòu)造判斷矩陣，反復(fù)計(jì)算至合理為止。

本文采用該法確定權(quán)重，評(píng)價(jià)因子及判斷矩陣如表2所示。

表中數(shù)值按照5個(gè)因子的相互關(guān)系，根據(jù)Satty標(biāo)度法賦值，取值范圍為1～9。以地殼穩(wěn)定性與地下水綜合質(zhì)量等級(jí)之間關(guān)系為例，認(rèn)為地殼穩(wěn)定性相對(duì)于地下水綜合質(zhì)量等級(jí)而言，前者比后者明顯重要，因此標(biāo)度取值為3。矩陣的其他取值類似。

確定判斷矩陣之后，需進(jìn)行一致性和隨機(jī)性檢驗(yàn)，

式中: C.I為一致性指標(biāo)，n為矩陣階數(shù)，λ_m ax為最大特征根，R.I為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，C.R為隨機(jī)一致性比率。當(dāng)C.R＜0.10時(shí)，判斷矩陣才具有滿意的一致性，認(rèn)為計(jì)算所得的權(quán)值是合理的。否則，調(diào)整判斷矩陣, 直到取得滿意的一致性為止。

經(jīng)計(jì)算，各評(píng)價(jià)因子的權(quán)值如表3所示：

2.4 數(shù)學(xué)模型選擇——綜合指數(shù)法

本文采用綜合指數(shù)模型，先確定單個(gè)評(píng)價(jià)因子的指數(shù)，再按照表2-1中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)給所有的評(píng)價(jià)因子賦予相應(yīng)的分指數(shù)，再加權(quán)求和，計(jì)算地質(zhì)環(huán)境綜合指數(shù)，計(jì)算公式如下：

表2 各因子的判斷矩陣

表3 各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重計(jì)算結(jié)果

其中，S為綜合指數(shù)，iU為各個(gè)評(píng)價(jià)因子的分指數(shù)（取值根據(jù)表1），iW為各個(gè)因子的權(quán)重值（取值根據(jù)表3），n為評(píng)價(jià)因子的總數(shù)，本文中n=5。

2.5 評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)計(jì)算所得的綜合指數(shù)，將北京市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量從優(yōu)到差分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個(gè)級(jí)別。分級(jí)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)如表4所示，其中m ax表示綜合指數(shù)的最大值。

3 應(yīng)用北京城市地質(zhì)安全保障服務(wù)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

應(yīng)用北京城市地質(zhì)安全保障服務(wù)系統(tǒng)的專業(yè)分析系統(tǒng)，對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行單指標(biāo)評(píng)價(jià)，獲取相應(yīng)的評(píng)價(jià)分區(qū)圖，并按照分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別賦予各因子相應(yīng)的分指數(shù)。再將各圖層導(dǎo)入地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)模塊（圖2、圖3），給定判斷矩陣及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)疊加分析與計(jì)算，最終得到評(píng)價(jià)結(jié)果（圖4）。

圖2 地質(zhì)安全質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)因子導(dǎo)入——地面累計(jì)沉降量圖

圖3 地質(zhì)安全質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)因子導(dǎo)入——地下水綜合質(zhì)量等級(jí)圖

圖4 系統(tǒng)應(yīng)用評(píng)價(jià)結(jié)果示意圖

（1）評(píng)價(jià)為Ⅰ級(jí)（優(yōu)）的地區(qū)：基本無(wú)環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，地殼穩(wěn)定性好；基本無(wú)地面沉降發(fā)生；地下水質(zhì)量、土壤質(zhì)量指標(biāo)均為優(yōu)。適宜城市發(fā)展建設(shè)，發(fā)展生態(tài)旅游及農(nóng)林業(yè)。主要分布于密云縣、昌平區(qū)、門(mén)頭溝區(qū)、房山區(qū)及平谷區(qū)周邊。

表4 北京地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量安全綜合評(píng)價(jià)等級(jí)表

（2）評(píng)價(jià)為Ⅱ級(jí)（良）的地區(qū)：存在地面沉降，但程度輕微；基本無(wú)活動(dòng)斷裂分布；地下水質(zhì)量和土壤質(zhì)量較好。該區(qū)適宜城市發(fā)展建設(shè)，適宜農(nóng)業(yè)及林業(yè)發(fā)展。主要分布于懷柔區(qū)、密云縣、順義區(qū)、昌平區(qū)、豐臺(tái)區(qū)、大興區(qū)、海淀區(qū)的部分地區(qū)。

（3）評(píng)價(jià)為Ⅲ級(jí)（中）的地區(qū)：存在一定程度的地面沉降或存在活動(dòng)斷裂分布；存在一定程度的地下水污染和土壤污染，但危害較為輕微。該區(qū)較適宜城市發(fā)展建設(shè)，較適宜地下空間開(kāi)發(fā)利用和綠化建設(shè)。主要分布于東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、昌平區(qū)、通州區(qū)及大興區(qū)。

（4）評(píng)價(jià)為Ⅳ級(jí)（差）的地區(qū)：存在活動(dòng)斷裂及地裂縫的分布；地面沉降災(zāi)害嚴(yán)重；存在一定程度的地下水污染、垃圾污染及土壤污染。該區(qū)不適宜大型工程建設(shè)，應(yīng)主要作為城市綠化用地、城市休閑功能區(qū)進(jìn)行建設(shè)。主要分布于昌平區(qū)、順義區(qū)、平谷和通州區(qū)。

4 結(jié)論

對(duì)比以往地質(zhì)工作成果，本文應(yīng)用北京城市地質(zhì)安全保障服務(wù)系統(tǒng)得到的評(píng)價(jià)結(jié)果較為客觀的反映了實(shí)際情況，為今后北京地質(zhì)環(huán)境綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)工作更加方便、高效和準(zhǔn)確奠定了良好的基礎(chǔ)。地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的影響因素很多,它們既有其相對(duì)獨(dú)立的特殊性，又客觀存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響的必然性和普遍性，人為認(rèn)識(shí)也是評(píng)價(jià)結(jié)果的重要影響因素。隨著各地質(zhì)專業(yè)工作程度的不斷加深、更多評(píng)價(jià)方法及模型的應(yīng)用對(duì)比以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷更新完善，該系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性及精確程度將會(huì)得到不斷提高，從而對(duì)城市建設(shè)及規(guī)劃將更加具有實(shí)際參考價(jià)值。

［1］周愛(ài)國(guó)，周建偉，梁合誠(chéng)等.地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)［M］.武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2008.

［2］北京地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局，北京超維創(chuàng)想信息技術(shù)有限公司.《北京城市地質(zhì)安全保障服務(wù)系統(tǒng)項(xiàng)目報(bào)告》，2013.

［3］北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局、北京市地質(zhì)調(diào)查研究院.《北京市多參數(shù)立體地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》，2009.

［4］北京市地質(zhì)調(diào)查研究院.《北京市平原區(qū)活動(dòng)斷裂專項(xiàng)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》，2013.

［5］北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局、北京市地質(zhì)調(diào)查研究院.北京城市地質(zhì)［M］.中國(guó)大地出版社.2008.

［6］北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局、北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).北京地下水［M］.中國(guó)大地出版社.2008.

［7］北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局、北京市地質(zhì)研究所.北京地質(zhì)災(zāi)害［M］.中國(guó)大地出版社.2008.

［8］邢懷學(xué)，葛偉亞，董志高等.基于GIS城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)——以福州市為例［J］.上海地質(zhì)，2010，（31）：20～23.

［9］孫杰，賈建業(yè)，詹文歡.區(qū)域地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)及應(yīng)用研究［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，1（18）：73～76.

［10］顏世強(qiáng)，孟慶峰，董三強(qiáng).基于GIS 的德州市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)礦業(yè)，2004，13（5）：17～19.

Com prehensive Geological Environment Assessment based on Beijing Geological Security Service System

LI Xiao, LI Jia

(Beijing Geological Survey, Beijing 100195)

According to the characteristics of the geological environment of Beijing, we have applied Beijing Geological Security Service System to evaluate the comprehensive geological environment quality of Beijing plain, and put forward to some corresponding suggestions for the planning and utilization.

Geological environment assessment；AHP；Composite index method；GIS

X820.2

A

1007-1903（2015）01-0043-05