基于三維GIS的第四系古河道沉積區(qū)工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)研究

楊波，管后春，楊潘，侯香夢(mèng)

(安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001)

楚店集、高爐集、江集和望町集4幅1∶5萬綜合地質(zhì)調(diào)查區(qū)位于安徽北部亳州市境內(nèi)。區(qū)內(nèi)主要為第四系厚層松散巖類覆蓋，古河道較發(fā)育，地下水資源較為豐富，是主要的工業(yè)、生活用水來源。隨著人類活動(dòng)加劇，地下水水質(zhì)、水資源量以及建設(shè)用地等自然資源逐漸成為當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)、發(fā)展的限制因素。綜合基礎(chǔ)、工程、水文地質(zhì)研究認(rèn)識(shí)，運(yùn)用三維建模、GIS等技術(shù)手段，開展50m以淺的工程建設(shè)適宜性定量評(píng)價(jià)研究，其成果可為當(dāng)?shù)匕l(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃以及經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)、重要城鎮(zhèn)建設(shè)規(guī)劃提出指導(dǎo)建議。

基于GIS技術(shù)的適宜性評(píng)價(jià)前人已開展不少研究。如淺層分析大多采用二維網(wǎng)格化技術(shù)開展(夏偉強(qiáng)等，2019；蔣旭等，2018；唐鑫等，2019；王振宇等，2019)。在中、深層分析中，地質(zhì)體與評(píng)價(jià)因子的三維空間分布具有重要的賦值控制意義，需要通過三維模型進(jìn)行空間約束。三維建模技術(shù)解決了二維平面在縱向上的信息缺失問題(李青元等，2016；屈紅剛等，2015)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展而來的三維評(píng)價(jià)技術(shù)，通過三維網(wǎng)格化賦值、插值計(jì)算等方法，將三維模型由單一屬性轉(zhuǎn)為連續(xù)變化屬性，使其能夠更準(zhǔn)確的反映因子內(nèi)部變化趨勢(shì)(章夢(mèng)霞，2019；李靜等，2016；郝愛兵等，2018；方寅琛等，2017)。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)地處黃淮海平原南緣，淮河二級(jí)支流渦河、西淝河呈南東向貫穿全區(qū)。區(qū)內(nèi)地形地貌平坦，僅東北部有殘丘分布和少量基巖出露，其他地區(qū)均為第四系地層覆蓋。第四系從老到新依次為早更新世太和組、中更新世臨泉組、中—晚更新世茆塘組以及晚更新世—全新世蚌埠組。地層總體呈北東向南西逐漸增厚，鉆孔揭露最厚處達(dá)162.75 m。

地貌主要分構(gòu)造剝蝕地貌和侵蝕堆積地貌兩大類型。更新世主要為大面積沉降，中—晚期古河道較發(fā)育。全新世以上升為主，基本為沖積，在東部有少量的沖-洪積、殘-坡積等(地貌特征見圖1)。區(qū)內(nèi)膨脹土廣泛分布，自由膨脹率主要介于30%～60%。地下水資源較為豐富，主要為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水。

1.丘陵；2.崗地；3.河間地塊；4.河漫灘；5.河漫沼澤；6.天然堤；7.決口扇；8.邊灘；9.牛軛湖；10.河流圖1 研究區(qū)地貌簡(jiǎn)圖Fig.1 Landform map of the study area

2 研究數(shù)據(jù)與技術(shù)方法

2.1 主要研究數(shù)據(jù)

本次研究基于區(qū)內(nèi)1∶5萬綜合地質(zhì)調(diào)查開展，數(shù)據(jù)包括地質(zhì)調(diào)查、鉆探、巖土分析、水質(zhì)分析數(shù)據(jù)，以及編制的各類圖件等，較為全面、準(zhǔn)確地控制了區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)，反映了松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水這兩大主要地下水類型的三維空間分布特征。主要研究數(shù)據(jù)見表1。

表1 主要研究數(shù)據(jù)表Tab.1 Main research data

2.2 建模與評(píng)價(jià)技術(shù)路線

(1)基于綜合地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建全區(qū)50 m以淺地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，全面反映區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)體空間分布特征。

(2)根據(jù)實(shí)際情況，研究、確定綜合評(píng)價(jià)因子，利用層次分析法對(duì)因子權(quán)重進(jìn)行分析，構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分析計(jì)算模型。

(3)對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行無量綱化處理并計(jì)算權(quán)重值。

(4)構(gòu)建研究區(qū)三維網(wǎng)格模型，以地質(zhì)模型為空間約束，基于單因子評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、矢量圖數(shù)據(jù)等對(duì)網(wǎng)格單元進(jìn)行綜合賦值。

(5)依據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與賦值因子進(jìn)行計(jì)算，得出評(píng)價(jià)結(jié)果并分析。

3 三維地質(zhì)建模

三維地質(zhì)模型是地質(zhì)信息的重要載體與研究對(duì)象，需基于多方面調(diào)查數(shù)據(jù)并結(jié)合地質(zhì)認(rèn)識(shí)聯(lián)合構(gòu)建。建模方法主要以地質(zhì)鉆孔、地質(zhì)剖面為縱向約束，地形地質(zhì)圖、巖相古地理圖、地層頂、底板等深分區(qū)圖等為平面約束，分層構(gòu)建地質(zhì)單元。對(duì)推測(cè)區(qū)域基于專家認(rèn)識(shí)，通過人機(jī)交互建模方式進(jìn)行補(bǔ)充、完善。建模軟件為MapGIS K9，主要建模流程見圖2。

圖2 建模主要流程圖Fig.2 Main flow chart of modeling

本次工程地質(zhì)建模單元?jiǎng)澐忠詤^(qū)域地質(zhì)巖性分層為基礎(chǔ)，依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》GB50021-2001(2009 版)，參考以往分層方案并結(jié)合調(diào)查實(shí)際情況確定，劃分原則如下。

(1) 依據(jù)巖土體沉積時(shí)代和沉積環(huán)境，以巖性地層所屬組別作為1級(jí)單元。

(2)基于土體性質(zhì)和狀態(tài)，結(jié)合土工實(shí)驗(yàn)參數(shù)，在1級(jí)單元內(nèi)劃分亞組。

(3)考慮工程地質(zhì)層組在同一地貌單元內(nèi)分布的連續(xù)性、普遍性，參考巖性地層中各組別內(nèi)段的劃分，對(duì)所分亞組的部分土體做進(jìn)一步劃分或合并。

年代巖性分層與工程分層對(duì)照見表2，構(gòu)建的三維工程地質(zhì)模型(圖3)。

表2 巖性分層與工程分層對(duì)照表Tab.2 Comparison table of lithologic stratification and engineering stratification

4 工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)因子選取

選取評(píng)價(jià)因子時(shí)，主要考慮以下幾方面：一是因子敏感性，根據(jù)影響大小分析起主要、次要作用的因子；二是因子差異性，即選擇的因子之間保證相互獨(dú)立，性質(zhì)不重疊；三是綜合分析，研究因子間的相互關(guān)系與影響(張彩紅，2019)。

本次評(píng)價(jià)因子間相對(duì)重要性判斷及因子選取運(yùn)用了Delphi法進(jìn)行分析。Delphi法在20世紀(jì)40年代由O.赫爾姆和N.達(dá)爾克首創(chuàng)，可綜合多位專家的獨(dú)立判斷進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。通過此方法在綜合考慮當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件以及多方面因素對(duì)工程建設(shè)的影響，設(shè)置了基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)3類共9項(xiàng)評(píng)價(jià)因子。分別為地形地貌、地殼穩(wěn)定、巖土特征、土體膨脹、水系水域、洪水淹沒、地下水位、地下水質(zhì)和地下水腐蝕性，共同組成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

4.2 評(píng)價(jià)因子評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

由于不同因子之間存在計(jì)量單位、數(shù)值范圍等差異，為實(shí)現(xiàn)不同因子的統(tǒng)一評(píng)價(jià)計(jì)算，采用了無量綱化方式進(jìn)行處理。評(píng)價(jià)因子根據(jù)實(shí)際情況，基于無量綱化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)賦分(標(biāo)準(zhǔn)見表3)。因子影響程度分為四級(jí)：“好級(jí)”(10分)、“較好級(jí)”(8分)、“一般級(jí)”(6分)、“差級(jí)”(3分)，數(shù)值越高代表評(píng)價(jià)因子影響越偏向正面。

1.粉砂夾粉土(Qbl);2.粉質(zhì)黏土(Qbl);3.粉細(xì)砂(Qbl);4.粉質(zhì)黏土(Qpm);5.粉細(xì)砂(Qpm);6.黏土(Qpm);7.粉質(zhì)黏土(Qpl);8.粉細(xì)砂(Qpl);9.黏土(Qpl);10.粉質(zhì)黏土(Qpt);11.粉細(xì)砂(Qpt);12.粉質(zhì)黏土(Qpt)；13.茆塘期早期古河道；14.茆塘期中期古河道；15.茆塘期晚期古河道圖3 研究區(qū)工程地質(zhì)模型剖切圖Fig.3 Section of geological engineering model in the study area

表3 評(píng)價(jià)因子無量綱評(píng)分與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表Tab.3 Dimensionless score and grading standard of evaluation factors

4.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重分析

因子權(quán)重分析采用層次分析法計(jì)算，主要步驟為：①按類別構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)。②在同一層次類別上按照重要程度對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行兩兩對(duì)比，構(gòu)建判斷矩陣。③計(jì)算單評(píng)價(jià)因子權(quán)重。④進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(鄭長(zhǎng)遠(yuǎn)等，2010；龍睿等，2020；Man Hu et al.，2019)。

因子權(quán)重計(jì)算首先依據(jù)Delphi法判斷得出的因子重要性級(jí)別構(gòu)建矩陣，再運(yùn)用AHP層次分析法進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算(對(duì)比判斷矩陣見表4、表5、表6)。權(quán)重計(jì)算結(jié)果經(jīng)分析(計(jì)算結(jié)果見表7)，矩陣一致性檢驗(yàn)結(jié)果為0.003 6，小于0.1，通過了一致性檢驗(yàn)，說明因子權(quán)重賦值合理，構(gòu)建的綜合評(píng)價(jià)體系符合要求。

表4 地質(zhì)條件評(píng)價(jià)因子判斷矩陣表Tab.4 Evaluation factor judgment matrix of geological conditions

表5 工程地質(zhì)評(píng)價(jià)因子判斷矩陣表Tab.5 Evaluation factor judgment matrix of engineering geology

表6 水文地質(zhì)評(píng)價(jià)因子判斷矩陣表Tab.6 Evaluation factor judgment matrix of hydrogeology

表7 評(píng)價(jià)因子權(quán)重表Tab.7 Weight of evaluation factors

對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)一步分析會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況中地形地貌、洪水淹沒這2項(xiàng)因子在近地表區(qū)域影響較大，隨深度增加其影響會(huì)逐漸降低，同時(shí)還會(huì)影響到其它因子權(quán)重變化。因此，本次研究對(duì)因子以地表權(quán)重值為初始值，隨深度變化進(jìn)行變權(quán)處理。地形地貌、洪水淹沒等受深度影響較大因子變權(quán)賦值按公式(1)計(jì)算，其他因子按公式2計(jì)算。

(1)

式中：Wj′——第j個(gè)評(píng)價(jià)因子地表權(quán)重值；

D——研究區(qū)深度最大值；

Di——第i個(gè)評(píng)價(jià)單元所處深度；

Wij——第i個(gè)單元格中第j個(gè)因子實(shí)際權(quán)重值；

(2)

式中：Vk′——第k個(gè)受深度影響較小評(píng)價(jià)因子地表權(quán)重值；

n——受深度影響較小因子數(shù)量；

Wj′——第j個(gè)受深度影響較大因子地表權(quán)重值；

Wij——第i個(gè)單元格中第j個(gè)因子實(shí)際權(quán)重值；

m——受深度影響較大因子數(shù)量；

Vij——第i個(gè)單元格中第k個(gè)因子實(shí)際權(quán)重值。

4.4 評(píng)價(jià)單元賦值

利用Surpac軟件根據(jù)研究區(qū)拐點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)建全區(qū)50 m以淺三維屬性模型。網(wǎng)格單元大小設(shè)置為250×250×2 m，共計(jì)986 493個(gè)單元。三維地質(zhì)模型通過格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入后作為地形地貌、地質(zhì)結(jié)構(gòu)與工程分層的三維約束條件參與賦值。

將無量綱化處理后的9個(gè)因子評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)通過插值計(jì)算、空間相交分析、緩沖分析等方式分別賦予三維網(wǎng)格單元。所有單元集成9個(gè)因子評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，作為分析計(jì)算基本單位參與全區(qū)工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)。

4.5 適宜性評(píng)價(jià)

為全面考慮各個(gè)因子對(duì)工程建設(shè)適宜性的影響，本次評(píng)價(jià)采用多因子綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法進(jìn)行計(jì)算(張彩紅,2019)。單因子評(píng)分指標(biāo)分別按權(quán)重賦值進(jìn)行加權(quán)疊加計(jì)算分析，(計(jì)算方法見公式3)，得到工程建設(shè)適宜性指標(biāo)綜合評(píng)分,再根據(jù)適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定適宜性分級(jí)。

(3)

式中：Si——第i個(gè)單元格綜合評(píng)價(jià)最終得分；

Wj——第j個(gè)評(píng)價(jià)因子權(quán)重值；

Xij——第j個(gè)評(píng)價(jià)因子在第i個(gè)單元格的無量綱化賦值。

工程建設(shè)適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基于綜合評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)，運(yùn)用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(jenks)分五級(jí)進(jìn)行計(jì)算(陶春軍等,2019)，因數(shù)據(jù)總量龐大，因此采用等間距抽稀法進(jìn)行了適當(dāng)處理。最終分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況、專家經(jīng)驗(yàn)以及數(shù)據(jù)自然斷點(diǎn)分布綜合考慮劃定，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表8。

表8 工程建設(shè)適宜性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表Tab.8 Classification standard of engineering construction suitability

4.6 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

對(duì)網(wǎng)格單元綜合評(píng)分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，“適宜性好”級(jí)單元格40 760個(gè)，占工作區(qū)總體積的4.13%，“適宜性較好”級(jí)單元格325 561個(gè)，占工作區(qū)總體積的33.01%，“適宜性一般”級(jí)單元格413 365個(gè)，占工作區(qū)總體積的41.90%，“適宜性較差”級(jí)單元格206 807個(gè)，占工作區(qū)總體積的20.96%，“適宜性差”級(jí)單元格無。各級(jí)區(qū)域空間分布見圖4。

對(duì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果和各單項(xiàng)因子利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)(梁吉業(yè)等，2016)進(jìn)行相關(guān)性分析，計(jì)算方法見公式(4)。發(fā)現(xiàn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與巖土特征因子相關(guān)性最強(qiáng)，其次為地下水水位、地下水腐蝕性、地下水水質(zhì)、地殼穩(wěn)定等因子，洪水淹沒、水系水域、土體膨脹、地形地貌等因子相關(guān)性較弱(分析結(jié)果見圖5)。

a.適宜性好級(jí)區(qū)域；b.適宜性較好級(jí)區(qū)域；c.適宜性一般級(jí)區(qū)域；d.適宜性較差級(jí)區(qū)域；e.綜合適宜性評(píng)價(jià)；1.適宜性好；2.適宜性較好；3.適宜性一般；4.適宜性較差圖4 工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)三維模型圖Fig.4 3D model of engineering construction suitability evaluation

圖5 單因子與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性分析圖Fig.5 Correlation analysis between single factor and comprehensive evaluation results

(4)

式中：x——單項(xiàng)因子計(jì)算樣本數(shù)據(jù)；

y——綜合評(píng)價(jià)結(jié)果樣本數(shù)據(jù)；

從“適宜性一般”區(qū)域模型與古河道模型對(duì)比中可以發(fā)現(xiàn)(圖6)，二者的空間分布有著較高的一致性，說明古河道等特殊巖土體對(duì)當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)有較大的負(fù)面影響。同時(shí)“適宜性一般”的部分區(qū)域受地下水相關(guān)因素影響也較大，導(dǎo)致評(píng)分較低，因此在工程規(guī)劃、建設(shè)過程中應(yīng)重點(diǎn)考慮上述因素。

圖6 茆塘期古河道與適宜性一般區(qū)域?qū)Ρ葓DFig.6 Comparison map of Maotang paleochannel and the area with general suitability

5 結(jié)論

本次研究以皖北第四系古河道沉積區(qū)為例，基于三維GIS技術(shù)開展了工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)研究，得出以下結(jié)論。

(1) 研究區(qū)50 m以淺茆塘期古河道較發(fā)育，為評(píng)價(jià)其對(duì)工程建設(shè)影響，通過三維地質(zhì)建模手段，利用多源數(shù)據(jù)聯(lián)合專家經(jīng)驗(yàn)共同約束建模，較為準(zhǔn)確地刻畫了區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)結(jié)構(gòu)、工程分層與古河道空間展布特征。通過空間相交分析、緩沖分析、插值計(jì)算等方法，解決了分析因子在三維空間屬性賦值的體邊界約束問題。

(2)運(yùn)用Delphi法與AHP層次分析法確定了研究區(qū)工程建設(shè)相關(guān)的9項(xiàng)評(píng)價(jià)因子及其權(quán)重，通過多因子綜合指數(shù)評(píng)價(jià)法構(gòu)建了評(píng)價(jià)模型。借助三維GIS空間分析技術(shù)，綜合評(píng)價(jià)并分級(jí)圈定了50 m以淺建設(shè)適宜區(qū)，通過三維模型進(jìn)行了直觀展示。

(3) 評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，研究區(qū)巖土體工程性質(zhì)總體較好，適合開展工程建設(shè)活動(dòng)。西淝河、渦河沿岸和西北部分區(qū)域建設(shè)適宜性一般，主要受河流洪水與地下水影響。地下中、深部的古河道分布區(qū)域總體建設(shè)適宜性一般，對(duì)中、低層建筑工程建設(shè)影響不大，但不利于高層建筑開發(fā)。