基于層次分析法的輸變電工程地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)

徐錸， 姜峰， 吳千豐， 丁磊， 劉帥

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210000； 2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司宿遷供電分公司，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

輸變電工程在保障電網(wǎng)順暢輸送中起著至關(guān)重要的作用，一旦發(fā)生破壞將會(huì)對(duì)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生造成巨大的影響，因此保障輸變電工程的安全性具有十分重要的意義[1-3]。我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，而輸電線路工具又具有點(diǎn)多、線長、面廣等特點(diǎn)，常常會(huì)出現(xiàn)輸變電線路工程跨越不同復(fù)雜地質(zhì)條件區(qū)的情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地質(zhì)環(huán)境變化引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害對(duì)輸變電工程的影響最為嚴(yán)重[4-5]。因此，需要在輸變電線路工程規(guī)劃選址前對(duì)其穿越區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。

輸變電工程的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)具有很強(qiáng)的地域性差異[6-15]，往往需要根據(jù)輸電線路穿越區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)評(píng)價(jià)方法、指標(biāo)體系、指標(biāo)權(quán)重、等級(jí)劃分等方面進(jìn)行調(diào)整[16-19]。如: 張舒堯[20]根據(jù)國網(wǎng)公司有關(guān)地質(zhì)環(huán)境因素造成輸變電工程線路和變電站損害的調(diào)研結(jié)果，選取了地形地貌、巖性、構(gòu)造、氣象條件、不良地質(zhì)作用及人工活動(dòng)等因素，建立了輸變電工程地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)體系； 范榮全等[4]針對(duì)川西地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，選取地形地貌、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害、地震風(fēng)險(xiǎn)、交通（路網(wǎng)密度）、人口（勞動(dòng)力）密度等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)川西地區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)； 關(guān)國杰等[21]以川西康定至盧定境內(nèi)的某500 kV線路工程為例，基于野外和工程經(jīng)驗(yàn)，選取了地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地震烈度、地質(zhì)災(zāi)害、水文與人類活動(dòng)等因素，建立了工程地質(zhì)條件層次分析結(jié)構(gòu)模型及數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)模型，繪制出了路徑區(qū)域工程地質(zhì)分區(qū)圖。

本文依托國家電網(wǎng)科技項(xiàng)目，針對(duì)宿豫區(qū)的地質(zhì)地貌特點(diǎn)，綜合相關(guān)勘測(cè)數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析影響宿豫區(qū)輸變電工程建設(shè)和安全運(yùn)行的地質(zhì)環(huán)境因素，建立宿豫地區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)體系，并開展工程地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)研究，研究結(jié)果將對(duì)研究區(qū)輸變電線路工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的整體認(rèn)識(shí)及區(qū)域規(guī)劃具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

宿豫區(qū)隸屬于宿遷市，位于江蘇省北部，地處長江三角洲地區(qū)（圖1）。宿豫區(qū)總體全區(qū)地勢(shì)自西北向東南緩傾，形成西高東低、北高南低的趨勢(shì)，最高點(diǎn)的海拔高度為71.2 m，最低點(diǎn)海拔高度為2.8 m。宿豫區(qū)境內(nèi)除曉店一帶為低丘垅崗?fù)?，其余皆為平原。宿豫區(qū)位于黃河泛濫區(qū)，區(qū)內(nèi)大部分被第四系覆蓋，僅在曉店地區(qū)出露強(qiáng)風(fēng)化砂巖。第四系以粉土、黏土、粉砂及砂漿黏土為主。

宿豫地區(qū)河湖較多，周邊主要有駱馬湖、中運(yùn)河、總六塘河、沙疆河、路北河、民便河等，區(qū)域內(nèi)排灌溝渠眾多、魚塘密布。宿豫地區(qū)地下水位埋藏較淺，一般約為地下1～2 m，主要類型為第四系松散層孔隙地下水。淺層第四系地下水可分為第四系孔隙潛水和第四系孔隙承壓水，局部存在上層滯水。水的來源主要以大氣降水及地表水的側(cè)向滲流補(bǔ)給為主，排泄方式主要以人工抽取地下水和自然地面蒸發(fā)為主。

圖1 宿豫地區(qū)概況

2 地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

3.1 層次分析法

層次分析法（analytic hierarchy process method, AHP）是一種多目標(biāo)、定性與定量相結(jié)合、不同信息權(quán)重融合的決策評(píng)價(jià)方法，適用于處理多因素、多層次、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)和難于完全用定量的方法來分析與決策的復(fù)雜系統(tǒng)工程問題[22]。該方法通過兩兩因素的對(duì)比，逐層比較多種關(guān)聯(lián)因素，最后確定諸因素的整體關(guān)系。層次分析法一般包括4步: 第一步，將決策問題轉(zhuǎn)化為層次結(jié)構(gòu)，建立目標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)； 第二步，構(gòu)建決策判斷矩陣，根據(jù)區(qū)域工程地質(zhì)條件以及專家意見確定各因素與目標(biāo)層相關(guān)的重要性，采用九分制（1～9）進(jìn)行比較（表1）； 第三步，計(jì)算權(quán)向量，通過計(jì)算矩陣的主特征值和對(duì)應(yīng)的歸一化特征值，來計(jì)算各因素的權(quán)重值； 第四步，計(jì)算結(jié)果一致性檢驗(yàn)。為了保證所得權(quán)重的準(zhǔn)確性，需要評(píng)估n階矩陣的一致性，計(jì)算一致性指標(biāo)（CI）和一致性比率（CR），當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為構(gòu)建的矩陣合理，否則應(yīng)做適當(dāng)?shù)男拚齕22]。

表1 判斷矩陣1～9標(biāo)度及其含義

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

指標(biāo)是評(píng)價(jià)對(duì)象目標(biāo)值計(jì)算的信息載體，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是開展地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)工作的第一步，也是非常重要的一步。輸電線路規(guī)劃選線時(shí)主要受制于地質(zhì)因素和環(huán)境因素的影響。地質(zhì)因素主要包括地形地貌、地層巖性、活動(dòng)構(gòu)造、不良地質(zhì)現(xiàn)象、水文地質(zhì)條件、場(chǎng)地地震烈度、環(huán)境等多種因素。通過對(duì)宿豫區(qū)工程地質(zhì)條件的調(diào)查以及對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律的分析，結(jié)合該地區(qū)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為對(duì)宿豫地區(qū)輸電線路工程地質(zhì)環(huán)境起主要作用的指標(biāo)為巖土體特性、構(gòu)造與地震以及環(huán)境條件等，如圖2所示。

宿豫區(qū)對(duì)工程建設(shè)有影響的第四系松散層孔隙水的水位一般為地下1～2 m，整個(gè)區(qū)域差異不大，因此在進(jìn)行工程地質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)不考慮水文地質(zhì)條件對(duì)宿豫區(qū)輸電線路工程地質(zhì)環(huán)境的影響。巖土體特性主要反映了地層強(qiáng)度以及液化土體對(duì)地基穩(wěn)定性的影響； 斷裂構(gòu)造和地震反映了地殼穩(wěn)定性的影響； 此外，為了降低輸電線路建設(shè)成本，在環(huán)境因素方面還需考慮地面高程、地形坡度、河流水系及路網(wǎng)密度。

圖2 地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型

3.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

綜合考慮各工程地質(zhì)環(huán)境要素間的相對(duì)重要關(guān)系，通過層次分析并經(jīng)過一致性檢驗(yàn)，其權(quán)重計(jì)算成果如表2所示。從該權(quán)向量可以看出，各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)綜合工程地質(zhì)分區(qū)的影響程度是不同的，其中場(chǎng)地構(gòu)造與地震情況占的比重較大，這主要是受郯廬斷裂帶的影響，宿豫地區(qū)抗震設(shè)防烈度比較高，對(duì)于本區(qū)工程選址具有舉足輕重的影響； 其次為巖土體特性，巖土體特性包含了地基承載力及土層的液化指數(shù)2個(gè)要素，由于宿豫區(qū)位于黃河泛濫區(qū)，地層土為粉土、淤泥質(zhì)土、含砂漿黏土等，其中粉土為可液化地層，會(huì)對(duì)地基的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

4 地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

4.1 數(shù)據(jù)來源

輸電線路地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)信息組成如圖3所示，主要包括: ①地形數(shù)據(jù)，可利用互聯(lián)網(wǎng)提供的免費(fèi)數(shù)據(jù)服務(wù)，從國家地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)網(wǎng)站（https: //www.gscloud.cn）進(jìn)行數(shù)據(jù)下載； ②河流道路數(shù)據(jù)（環(huán)境數(shù)據(jù)），源于國家地理信息公共服務(wù)平臺(tái)（https: //www.tianditu.gov.cn）； ③區(qū)域數(shù)據(jù)，地震動(dòng)加速數(shù)據(jù)源于《GB 1836—2015中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》附圖A.1，構(gòu)造信息來源于蘇滬構(gòu)造體系圖及郯廬斷裂帶宿遷段地質(zhì)構(gòu)造圖； ④地層信息，數(shù)據(jù)主要來源于鉆孔數(shù)據(jù)，即有在宿豫區(qū)輸電線路勘察施工建設(shè)過程中產(chǎn)生的大量工程地質(zhì)勘探孔，也包括前期收集的地質(zhì)、水文地質(zhì)、建筑工程地質(zhì)勘探孔。

圖3 宿豫地區(qū)地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)信息組成

輸電線路地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)特性，而準(zhǔn)確建立評(píng)價(jià)模型必須解決的問題之一是如何將不同資料和數(shù)據(jù)相互約束、互為補(bǔ)充。GIS建立的地質(zhì)信息庫可實(shí)現(xiàn)地形、高層、構(gòu)造、地層等空間數(shù)據(jù)、非空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，將各種要素?cái)?shù)據(jù)的特征信息以屬性表的形式存儲(chǔ)，并與矢量數(shù)據(jù)鏈接，進(jìn)而利用分析模塊實(shí)現(xiàn)宿豫區(qū)輸電線路選線地質(zhì)環(huán)境信息的提取與表達(dá)。

4.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

下載地形數(shù)據(jù)時(shí)需要通過選定行政區(qū)劃來制定下載的范圍，采用Transverse Mercator投影方式進(jìn)行空間投影。宿豫地區(qū)高程數(shù)據(jù)及地形坡度信息數(shù)據(jù)分級(jí)圖分別如圖4（a）（b）所示。

環(huán)境數(shù)據(jù)的獲取是在1∶100萬江蘇省河流、道路數(shù)據(jù)矢量圖層上進(jìn)行裁剪，得到宿豫區(qū)河流、道路數(shù)據(jù)，并借助軟件解譯功能實(shí)現(xiàn)監(jiān)督分類。判別選線區(qū)域的路網(wǎng)密度識(shí)別結(jié)果見圖4（c）。

圖4 地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)分區(qū)Fig.4 Grading map of evaluation index of geological environment

緩沖區(qū)分析是解決臨近問題的空間分析工具之一，針對(duì)不同的地理實(shí)體，按照特定的規(guī)則或者標(biāo)準(zhǔn)距離建立緩沖多邊形。從數(shù)學(xué)角度看，緩沖區(qū)分析的基本原理是給定一個(gè)控件對(duì)象或集合，利用用戶定義的鄰域半徑來確定其領(lǐng)域或者范圍，它反映的是地理空間目標(biāo)的一種影響范圍或者服務(wù)范圍。由于臨近河流的岸坡地帶因受水流沖刷等易出現(xiàn)河岸垮塌或岸坡失穩(wěn)，且考慮到河道本身的泄洪能力，因此以河流兩側(cè)的距離分別為50 m、100 m為緩沖距離[21]，如圖4（d）所示。

根據(jù)《GB 18306—2015中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，以Ⅱ類場(chǎng)地條件基本動(dòng)峰值加速度作為分類依據(jù)，確定宿豫地區(qū)地震動(dòng)峰值加速度分區(qū)圖，如圖4（e）所示。

郯廬斷裂帶是中國大陸最重要的活動(dòng)斷層之一，其中蘇魯斷面的斷層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，導(dǎo)致這一區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)極端復(fù)雜，對(duì)宿豫區(qū)的工程地質(zhì)條件產(chǎn)生一定程度的影響[23-24]。根據(jù)《GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，可以忽略非全新世活動(dòng)斷裂錯(cuò)動(dòng)對(duì)地面建筑的影響。已有的研究結(jié)果表明[25-27]，郯廬斷裂帶宿遷段主要由5條斷裂構(gòu)成，僅F5斷層為全新世活動(dòng)斷裂，具備產(chǎn)生地表破裂的大震能力，因此需要對(duì)F5發(fā)震斷裂的工程影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)《GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范》和《GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，確定以F5斷層兩側(cè)的距離分別為100、200、400、500、1 000 m為緩沖距離，如圖4（f）所示。

輸電線路對(duì)地質(zhì)條件要求最直接的參數(shù)之一是巖土層的強(qiáng)度，本文選用承載力作為代表值，又因?yàn)闇\層基礎(chǔ)的深度多為2～5 m，在充分考慮宿豫區(qū)地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，選取了2～5 m深度范圍內(nèi)承載力加權(quán)平均值進(jìn)行研究區(qū)巖土地基承載力分區(qū)評(píng)價(jià)，如圖4（g）所示。

宿豫區(qū)位于黃河泛濫區(qū)，部分區(qū)域地層中存在的可液化粉土層會(huì)影響場(chǎng)地地基穩(wěn)定性。根據(jù)鉆孔資料及《GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)宿豫區(qū)場(chǎng)地液化指數(shù)進(jìn)行了等級(jí)劃分，如圖4（h）所示。

5 地質(zhì)環(huán)境分區(qū)評(píng)價(jià)結(jié)果

由于各種指標(biāo)數(shù)值間的單位不統(tǒng)一，無法綜合評(píng)價(jià)同一目標(biāo)，因此采用了如下措施。

對(duì)定量指標(biāo)，先將各指標(biāo)進(jìn)行定量化表達(dá)，并將指標(biāo)值轉(zhuǎn)化為無量綱的相對(duì)數(shù)即對(duì)數(shù)值，再進(jìn)行歸一化處理。采用的歸一化公式為

式中:yi指歸一化處理后的數(shù)據(jù)； max（xi）、min（xi） 分別為影響因子量化的最大值和最小值。

對(duì)定性指標(biāo)，可以根據(jù)其與適宜性的關(guān)系歸一化賦值。在構(gòu)造和河流緩沖區(qū)范圍內(nèi)，離構(gòu)造活動(dòng)和河流中心線近的地區(qū)歸一化賦值趨于0，距離遠(yuǎn)的歸一化賦值趨于1，緩沖區(qū)范圍外歸一化賦值全部為1。

在ArcGIS軟件平臺(tái)下，構(gòu)建影響因子?xùn)鸥駡D層。首先，利用空間分析模塊中的柵格計(jì)算工具對(duì)各統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行影響因子加權(quán)疊加，疊加公式為

式中:A為地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)值；i為評(píng)價(jià)因子（表1）；yi為各因子歸一化處理數(shù)據(jù)；wi為各因子的權(quán)重系數(shù)，按照表2進(jìn)行取值。

圖5為研究區(qū)宿豫地區(qū)輸電線路工程地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)，可以看出除駱馬湖水系外，整個(gè)宿豫區(qū)基本都屬于輸電線路適宜和較適宜區(qū)。此外，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，郯廬斷裂帶周邊地區(qū)適宜性較差，在輸電線路選址時(shí)要注意避讓。

圖5 宿豫地區(qū)輸電線路工程地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)

6 結(jié)論

（1） 根據(jù)宿豫區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合輸變電工程特點(diǎn)，從工程地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性、安全性、造價(jià)方面入手，選取了地層巖性、構(gòu)造及地震、地面高程、地形坡度、河流水系及路網(wǎng)密度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，并構(gòu)建地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)模型，最終得到宿豫區(qū)輸變電工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分級(jí)圖。

（2） 宿豫區(qū)地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)結(jié)果表明: 除駱馬湖水系外，整個(gè)宿豫區(qū)基本都屬于適宜和較適宜區(qū)。此外，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，郯廬斷裂帶周邊地區(qū)適宜性較差，在輸電線路選址時(shí)要注意避讓。

（3） 輸變電工程地質(zhì)環(huán)境適宜性評(píng)價(jià)可反映出工程地質(zhì)環(huán)境對(duì)工程活動(dòng)影響的敏感性，評(píng)價(jià)結(jié)果可為研究區(qū)擬建的輸變電線路規(guī)劃選線提供重要的依據(jù)，具有理論與實(shí)踐意義。