基于GIS的寧波梅山島工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價

楊國強, 金 陽, 李 云, 姜月華, 顧 軒, 梅世嘉, 張 鴻

(中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心, 江蘇 南京 210016)

海島位于大陸向海洋過渡的結(jié)合地帶, 以其特有的區(qū)位、資源和環(huán)境優(yōu)勢, 在國家經(jīng)濟建設(shè)中占據(jù)重要地位[1]。近年來, 隨著海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展, 海島城鎮(zhèn)化進程不斷加快[2], 由此引發(fā)的海島地質(zhì)環(huán)境問題日益凸顯[3-4]。為實現(xiàn)海島工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展, 需重視海島工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價工作。目前,工程建設(shè)適宜性評價以陸域城鎮(zhèn)研究為主[5-7], 對具有特殊區(qū)位、環(huán)境及資源優(yōu)勢的海島區(qū)域研究仍較少; 同時, 主要從地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境角度出發(fā)[8-10], 未綜合考慮區(qū)域發(fā)展與保護需求, 如地質(zhì)資源優(yōu)勢對地區(qū)發(fā)展的支撐作用、生態(tài)保護對工程建設(shè)的限制作用等,評價結(jié)果實用性降低。本文探索性從地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境角度出發(fā), 結(jié)合海島特色地質(zhì)資源優(yōu)勢, 建立海島工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標體系, 并在充分考慮生態(tài)保護基礎(chǔ)上對寧波梅山島進行綜合評價, 可為梅山島工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護提供參考。

1 研究區(qū)概況

梅山島地處寧波象山港東北部, 面積約38.3 km2,是我國海島中腹地開闊的海積平原島(圖1)。梅山島作為國家級保稅港區(qū)所在, 被定位為長三角“三位一體”港航物流服務體系建設(shè)示范區(qū)、浙江海洋新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展引領(lǐng)區(qū)和寧波現(xiàn)代化國際港口城市新城區(qū)[11],是浙江海洋經(jīng)濟發(fā)展的重要組成部分。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig. 1 Geographic location of the research area

2 評價指標體系和方法

2.1 評價指標體系的建立

本次海島工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標體系的建立在地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境因素基礎(chǔ)上, 綜合考慮地質(zhì)資源對海島發(fā)展定位的支撐作用。其中地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境指標參照《城鄉(xiāng)規(guī)劃工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(CJJ57-2012)[12], 并結(jié)合研究區(qū)實際情況, 選取了地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災害、活動斷裂和地震效應5個評價要素; 地質(zhì)資源指標根據(jù)梅山島發(fā)展定位, 選取了岸線資源作為評價要素?；谂c各評價要素的相關(guān)性, 進一步選擇了地貌類型、深水岸線等15個評價因子(圖2)。此外, 為維護海島生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展, 嚴禁有損主導生態(tài)功能的開發(fā)建設(shè), 在評價結(jié)果基礎(chǔ)上,選取了生態(tài)紅線作為否決指標。

圖2 海島工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標體系Fig. 2 Geological assessment index system of Meishan Island for engineering consruction

2.2 評價因子量化分級標準

根據(jù)各評價因子對地質(zhì)適宜性的影響程度, 采用定量與定性相結(jié)合的方法對各個單因子進行量化分級, 劃分為適宜(Ⅰ級)、較適宜(Ⅱ級)、適宜性差(Ⅲ級)、不適宜(Ⅳ級)4個等級, 并分別賦予 8—10、6—8、3—6、1—3的分值, 分值大者為優(yōu)。評價因子量化分級標準見表1。

2.3 評價指標權(quán)重的確定

層次分析法是在定性方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來, 定量確定參評因子權(quán)重的一種系統(tǒng)分析方法[13], 該方法可將人們的經(jīng)驗思維量化, 以檢驗決策者判斷的一致性, 有利于實現(xiàn)定量化評價。其計算權(quán)重的步驟主要包括[14]:

表1 評價因子量化分級標準Tab. 1 Quantitative grading standard of the evaluation indices

(1) 分析系統(tǒng)中各因素的關(guān)系, 建立系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu);

(2) 對同一層次上各因素關(guān)于上一層次某一準則的重要性進行兩兩比較, 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣(正互反矩陣)(表2);

(3) 由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權(quán)重, 并進行一致性檢驗。

表2 判斷矩陣及權(quán)重值表Tab. 2 Judgment matrix and weighted coefficient

本次研究通過層次分析法對各因子權(quán)重進行了確定, 具體結(jié)果如表2所示。從表中可以看出, 軟土厚度、首見持力層埋深等工程地質(zhì)因子作為影響工程地質(zhì)性質(zhì)及工程建設(shè)成本的主要因素權(quán)重值最大;其次為對工程建設(shè)起明顯制約作用的地形地貌因子及對區(qū)域發(fā)展起支撐作用的岸線資源因子; 此外,由于研究區(qū)無晚更新世以來活動斷裂分布且區(qū)域地殼屬基本穩(wěn)定類型, 活動斷裂和地震效應因子權(quán)重值相對較小。而通過計算, 判斷矩陣的最大特征值γmax=15.506, 一致性指標 CI=0.036, 最終求取一致性比率 CR=0.023＜0.1, 滿足一致性檢驗要求, 說明求取的權(quán)重是合理的。

2.4 評價方法

以上述15項因子為評價基礎(chǔ), 形成單因子適宜性程度分級圖, 并利用 GIS軟件, 將研究區(qū)剖分為3 830個100 m×100 m單元格(圖3), 然后采用多因子分級加權(quán)指數(shù)法(公式(1)), 以 GIS網(wǎng)格(GRID)為基本評價單元, 對以上各單因子分級評價圖進行疊加,得到梅山島工程建設(shè)地質(zhì)適宜性指數(shù)IS, 并根據(jù)適宜性評價標準判定評價單元的工程建設(shè)適宜性分級。

圖3 評價單元格劃分Fig. 3 Evaluation cell division

式中:IS為評價單元的工程建設(shè)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指數(shù);iw′為中間層第i項評價要素的權(quán)重;n為參評的中間層評價要素的總數(shù);ijw′′為隸屬于第i項評價要素下的第j項評價因子的權(quán)重;m為隸屬于第i項評價要素的參評評價因子的總數(shù); Xij為第i項評價要素下的第j項評價因子的具體量化分值。IS≥60為適宜級, 45≤IS＜60 為較適宜級, 30≤IS＜45 為適宜性差級, IS＜30為不適宜級。

3 工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價

3.1 評價因子參數(shù)獲取

本次研究各項因子參數(shù)主要通過寧波都市圈1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查項目實際調(diào)查資料及其他相關(guān)收集資料獲取。其中地貌類型、腹地縱深及岸前水域?qū)挾鹊壤脜^(qū)域遙感資料結(jié)合實際調(diào)查獲取; 地形坡度、地面高程等利用區(qū)域地形資料提取; 軟土厚度及首見持力層埋深為利用調(diào)查施工及收集工程地質(zhì)鉆孔(共 46個)獲取; 地下水埋深、地下水腐蝕性等為利用水井調(diào)查及樣品測試獲得; 突發(fā)性地質(zhì)災害、地面沉降速率及岸坡穩(wěn)定性、岸前水深等為參考《寧波市海岸帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價》[15]并結(jié)合實際調(diào)查獲得; 活動斷裂及抗震烈度為參考《寧波市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評價》[16]獲得。最終, 得到梅山島各適宜性評價因子取值結(jié)果(圖4)。

3.2 單要素分析

3.2.1 地形地貌

研究區(qū)地貌以平原為主, 兼有丘陵山地與圍涂區(qū), 僅山前局部為堆積斜地。其中平原區(qū)與圍涂區(qū)地形低平, 坡度小于6°, 地面高程介于1～3 m; 丘陵山地地形坡度總體較小, 約20°, 地面高程普遍＞3 m。

3.2.2 工程地質(zhì)

根據(jù)研究區(qū)土體沉積時代、成因類型、結(jié)構(gòu)、巖性及物理力學性質(zhì)等特征, 平原區(qū)地層可分為 9個工程地質(zhì)層, 17個工程地質(zhì)亞層(表3), 其中②、③層軟土層為主要工程地質(zhì)不良層, ④1、⑤1、⑥1等硬土層及基巖為主要持力層, 首見持力層埋深與軟土層厚度總體呈距海域越近, 埋深與厚度越大趨勢; 丘陵山區(qū)巖性主要為火山碎屑巖、火山熔巖, 巖體堅硬, 抗風化能力強, 完整性較好, 工程地質(zhì)條件良好。

3.2.3 水文地質(zhì)

根據(jù)研究區(qū)地下水賦存條件, 平原區(qū)地下水類型主要為松散巖類孔隙水, 其中孔隙潛水水位埋深多小于2 m, 水質(zhì)普遍較差, 對混凝土結(jié)構(gòu)具弱—強腐蝕性; 丘陵山區(qū)地下水類型主要為基巖裂隙水,水量微弱, 水質(zhì)良好, 對混凝土結(jié)構(gòu)以微腐蝕為主。

3.2.4 不良地質(zhì)作用和地質(zhì)災害

平原區(qū)由于軟土廣布, 工程性地面沉降易發(fā),其中西側(cè)七姓涂由于軟土厚度大, 且新近圍墾, 地面沉降速率＞30 mm/a, 局部大于＞50 mm/a; 丘陵區(qū)突發(fā)性地質(zhì)災害總體低易發(fā), 僅局部切割較劇烈, 坡度較陡, 崩塌、滑坡等易發(fā), 但規(guī)模較小; 近岸線區(qū)域人類工程活動總體較強烈, 軟土層厚度普遍＞5 m, 近岸水下地形平緩～較陡, 岸坡失穩(wěn)風險總體中等—大。

3.2.5 活動斷裂和地震效應

研究區(qū)構(gòu)造以斷裂為主, 但無晚更新世以來活動斷裂分布; 地震動峰值加速度值為0.10 g, 對應地震基本烈度為Ⅶ度, 區(qū)域地殼屬基本穩(wěn)定類型。

3.2.6 岸線資源

研究區(qū)海岸線總長27.4 km, 其中深水岸線9.3 km,主要位于梅山島東南與東北側(cè), 平均水深22 m以上,具有良好的建港與航運條件; 港口的建設(shè)需要預留一定尺度的通航水域及陸域設(shè)施建設(shè), 研究區(qū)陸域縱深＞1 km岸線長度為25.2 km, 僅西南側(cè)少量岸線陸域縱深＜1 km; 岸前水域?qū)挾龋? km岸線長11.9 km,主要分布于研究區(qū)東南側(cè)。

3.3 適宜性綜合評價結(jié)果

根據(jù)上述評價方法, 利用 Arcgis 10.5軟件的空間分析模塊, 對各單因子評分圖層進行加權(quán)疊加運算, 同時綜合考慮工程建設(shè)對生態(tài)環(huán)境的影響, 將二級生態(tài)管控區(qū)(圖 5)劃為工程建設(shè)適宜性差區(qū), 得到研究區(qū)工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價結(jié)果(圖6)。

結(jié)果顯示: 梅山島工程建設(shè)適宜性主要為適宜區(qū)、較適宜區(qū)及適宜性差區(qū), 面積分別為6.9、22.0、9.4 km2, 分別占梅山島總面積的 18.0%、57.4%、24.5%; 適宜、較適宜及適宜性差岸線長度分別為8.2、13.2、6.0 km, 分別占總長度的30.0%、48.1%、21.9%, 其中深水岸線區(qū)均為適宜-較適宜, 已開發(fā)利用長度僅3.2 km。

4 討論

4.1 適宜性空間分布特征

根據(jù)單因子空間差異性分析, 研究區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及不良作用作用等總體呈距海域越遠,適宜性越優(yōu)趨勢; 岸線資源呈距海域越近, 適宜性越優(yōu)趨勢。

圖4 單因子參數(shù)分級圖Fig. 4 Grading of single-factor parameters

表3 梅山島平原區(qū)工程地質(zhì)層特征簡述Tab. 3 Description of engineering geological layer characteristics in the plain area of Meishan Island

圖5 生態(tài)管控區(qū)分布與建設(shè)規(guī)劃功能分區(qū)Fig. 5 Distribution of ecological control area and functionpartition of construction planning

根據(jù)適宜性綜合評價結(jié)果, 適宜區(qū)主要分布于丘陵山前及東北側(cè)岸帶區(qū)域, 其中丘陵山前主要由于地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、不良地質(zhì)作用等條件優(yōu), 地質(zhì)條件總體好, 東北側(cè)岸帶區(qū)域主要由于地質(zhì)條件總體較好, 同時岸線資源條件突出;適宜性差區(qū)主要分布于煙墩崗、炮臺山、七姓涂南部及納潮湖東側(cè)區(qū)域, 其中煙墩崗、炮臺山一帶為二級生態(tài)管控區(qū), 七姓涂南部、納潮湖東側(cè)主要由于地下水腐蝕性中-強、軟土厚度及首見持力層埋深大、地面沉降速率大, 同時岸線資源條件較差; 較適宜區(qū)分布范圍較廣, 其中遠岸線區(qū)域主要由于地質(zhì)條件總體良好, 近岸線區(qū)域地質(zhì)條件總體一般, 主要由于地質(zhì)資源優(yōu)勢突出。

圖6 工程建設(shè)適宜性分區(qū)圖Fig. 6 Map of engineering construction suitability

4.2 適宜性空間分布與建設(shè)規(guī)劃協(xié)調(diào)性

結(jié)合《寧波梅山(保稅)港城總體規(guī)劃(2010—2030)》[11](圖 5)與適宜性綜合評價結(jié)果(圖 6)進行協(xié)調(diào)性分析, 可以看出: 梅山島規(guī)劃用地整體較合理,適宜和較適宜區(qū)占規(guī)劃面積的 83.2%, 其中近山前適宜和較適宜區(qū)地質(zhì)條件總體較好, 主要規(guī)劃為國際貿(mào)易、地方文化社區(qū)、配套生活服務及預留發(fā)展空間等功能區(qū); 近岸適宜和較適宜區(qū)岸線資源優(yōu)勢突出, 主要規(guī)劃為保稅港、國際郵輪服務及港口支撐系統(tǒng)等功能區(qū); 適宜性差區(qū)僅占規(guī)劃面積的 16.8%,主要規(guī)劃為增值服務區(qū)與居住休閑區(qū), 該區(qū)域軟土厚度大、持力層埋深深, 工程建設(shè)難度及成本相對較高, 同時地面沉降及地下水腐蝕性等問題突出, 應注意采取相應措施進行防范; 生態(tài)保護區(qū)未進行建設(shè)規(guī)劃, 但應注意植被、水源等保護, 防范崩塌、滑坡等突發(fā)性地質(zhì)災害, 同時可適當發(fā)展旅游產(chǎn)業(yè),促進海島城鎮(zhèn)與自然的和諧發(fā)展。

5 結(jié)論與建議

1) 海島城鎮(zhèn)工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價需綜合考慮地質(zhì)條件、地質(zhì)環(huán)境特征及支撐區(qū)域發(fā)展特色地質(zhì)資源優(yōu)勢, 同時應注重生態(tài)環(huán)境保護。本文運用建立的海島工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標體系對梅山島進行評價, 具有良好的效果, 該評價體系可為解決海島城鎮(zhèn)工程建設(shè)地質(zhì)適宜性評價問題提供參考,具有一定的理論意義, 評價結(jié)果可為梅山島城鎮(zhèn)規(guī)劃、工程建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護等提供參考, 具有一定的實際指導意義。

2) 梅山島工程建設(shè)地質(zhì)適宜性總體良好, 適宜區(qū)、較適宜區(qū)面積廣且成片分布, 可滿足近期城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)用地需求。

3) 梅山島近深水岸線區(qū)域工程建設(shè)地質(zhì)適宜性均為適宜-較適宜, 目前未開發(fā)利用長度 6.1 km, 港口開發(fā)潛力大, 可有效支撐梅山島國際港口城市新城建設(shè)。