濟南市萊蕪城區(qū)地下空間資源潛力開發(fā)適宜性評價研究

郭 鵬,秦文靜

(山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濟南 250100)

0 引言

濟南市萊蕪區(qū)位于齊魯大地腹地,是山東省重要的原煤、鐵礦石生產(chǎn)基地和鋼鐵工業(yè)基地。隨著城市化進程的逐年推進,城市發(fā)展速度逐年增快,城區(qū)范圍不斷外擴。特別是2018年濟南市原萊蕪市區(qū)劃調(diào)整,萊蕪區(qū)、鋼城區(qū)劃歸濟南市管轄,給萊蕪區(qū)的城市發(fā)展帶來了新的機遇,這些都極大地推動城市化水平的提高。與此同時,越來越擁擠的城市、越來越顯得脆弱的各類城市基礎(chǔ)設(shè)施需要更多的空間,城市地下空間開發(fā)利用己經(jīng)成為提高城市容量、緩解城市交通、改善城市環(huán)境的重要手段[1-3]。因此,開展地下空間資源開發(fā)潛力調(diào)查評價研究工作,查清城區(qū)地下空間資源現(xiàn)狀及開發(fā)潛力,對服務(wù)城市高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展及下一步城市向“縱深”發(fā)展具有重要意義。

1 地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀

從現(xiàn)狀條件來看,萊蕪城區(qū)地下空間資源開發(fā)程度總體上不高,利用程度一般,主要利用類型分為三類,主要為地下市政管線及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);其次為多高層建筑物地下室,人防工程也是開發(fā)利用的另外一種方式。

1.1 地下市政管線及設(shè)施

萊蕪城區(qū)開發(fā)建設(shè)歷史悠久,地下管線埋設(shè)錯綜復雜,遍布大街小巷,主要以供電、給排水等市政管線及設(shè)施為主,此類地下空間開發(fā)利用深度主要分布在地面以下0～15 m范圍之內(nèi),開發(fā)類型復雜,分布雜亂,開發(fā)過程中沒有形成統(tǒng)一規(guī)劃,對下一層地下空間開發(fā)建設(shè)造成一定影響。

1.2 高層建筑地下室

隨著近年來城市建設(shè)的快速發(fā)展,萊蕪區(qū)城區(qū)高層建筑普遍建有地下室,主要是地下倉儲和地下停車場,以地下1～2層為主,基坑地下開挖深度一般5～15 m。最大利用深度20 m左右,主要集中在萊蕪中心城區(qū)及東部高新技術(shù)開發(fā)區(qū)。

1.3 人防工程

萊蕪高新會展中心廣場、區(qū)政府廣場等均為地下人防工程,是萊蕪區(qū)重點建設(shè)項目,戰(zhàn)時能為人員掩蔽和戰(zhàn)備物資庫,此外,現(xiàn)在開發(fā)的高層商用、住宅用高樓均設(shè)置地下人防工程。人防工程平時兼具一定的社會功能,近年來開發(fā)的地下工程大多數(shù)是為了滿足城市商業(yè)、停車以及其他公共設(shè)施的需要,最大利用深度不大于20 m,主要部分在城市中心城區(qū)、東部高新技術(shù)開發(fā)區(qū),見圖1。如高新會展中心廣場、區(qū)政府廣場、鳳城大街尚座地下購物廣場等。

圖1 濟南市萊蕪區(qū)已開發(fā)地下空間工程分區(qū)

2 城市地下空間資源開發(fā)地質(zhì)評價的理論

與方法

影響地下空間資源開發(fā)利用的因素較多,且影響程度不同,各個因素的影響程度難以準確衡量。本次采用模糊數(shù)學方法,將眾多的因素通過隸屬度函數(shù)來實現(xiàn)模糊界限的確定,實現(xiàn)影響因素和場地適宜性好壞程度之間的轉(zhuǎn)換,解決因子權(quán)重值的賦值問題,得到了最可能接近實際情況的評價結(jié)果。

2.1 評價指標體系及權(quán)重的確定

影響地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素眾多,因此需要根據(jù)所研究區(qū)域的地質(zhì)條件,綜合分析選取對地下空間開發(fā)具有重要影響的因素[4-6]。根據(jù)萊蕪城區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀特點,按層次分級、重要性分序、抓主、淡次的原則,選取場工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)環(huán)境條件及人類工程活動等4個主控因子,斷裂構(gòu)造、巖性組合等10個二級因子作為地下空間工程建設(shè)適宜性評價指標。構(gòu)建萊蕪區(qū)地下空間資源多層次評價體系((AHP法)[7-11],見表1和表2。

表1 評價指標及評價量化方法

2.2 評價模型

2.2.1 數(shù)學模型

A·R=B

(1)

式中:A為參加評價因子的權(quán)重歸一化處理后構(gòu)成的1×m階行矩陣;R為各單因子評價行矩陣組成的m×n階關(guān)系矩陣;B為綜合評判結(jié)果,是一個1×n階行矩陣。

2.2.2 計算隸屬度,確定模糊關(guān)系矩陣R

各評價因子對各級別的的隸屬函數(shù)為:

(2)

式中:Y1、Y2、Y3、Y4為評價因子四個級別的隸屬度;S1、S2、S3、S4為評價因子四個級別的標準值。

2.2.3 計算權(quán)重,建立行矩陣A

萊蕪城區(qū)地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性評價工作,由于區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件各要素差別較大,不同的評價因子對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的影響程度不一,所以應正確的確定不同的評價因子權(quán)重,只有正確的確定不同評價因子的權(quán)重,才能對工程建設(shè)適宜性作出合理的分析評價。

各個評價因子權(quán)重首先將各個因素條理化、層次化。分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系,構(gòu)造出一個層次分析的結(jié)構(gòu)模型。

用超標加權(quán)法計算各評價因子的權(quán)重,公式為:

Wi=Xi/Si

(3)

式中:Wi為某因子的權(quán)重;Xi為i因子的實測值;Si為i因子各級標準值的平均值,即:Wi=1/4(Si1+Si2+Si3+Si4)

由于計算出的權(quán)重可能出現(xiàn)大于1的情況,因此可作歸一化處理,公式為:

(4)

2.2.4 模糊矩陣的運算

模糊矩陣復合運算的方法常用的有以下3種:

1)“主因素突出型”,即M(∧,∨ )模型;

2)“半主因素突出型”即M(·,∨ )模型;

3)“加權(quán)平均型”,即M(·,+)模型。

本次評價過程中二級評價采用半主因素突出模型,一級評價采用加權(quán)平均模型。

通過建立單因子評價矩陣及權(quán)值分配矩陣,可得二級評價結(jié)果分別為:

B1= A1:R1=(b11,b12,b13,b14,b15)

B2= A2:R2=(b21,b22,b23,b24,b25)

B3= A3:R3=(b31,b32,b33,b34,b35)

B4= A4:R4=(b41,b42,b43,b44,b45)

以上三組評價結(jié)果可組合成一級評價矩陣為:

一級評價因子權(quán)重向量為:A=(a1,a2,a3,a4)

采用“加權(quán)平均型”,即M(·,+)運算方法,可求得評價結(jié)果E

E=A*B=(e1,e2,e3,e4,e5)

然后,模糊質(zhì)量指數(shù)(FQI)采用公式(4)計算得出。

(5)

式中:j為等級數(shù),k為參數(shù),k=2,3,4,…

這樣模糊質(zhì)量指數(shù)實際上反映了評價單元工程建設(shè)適宜性的好壞,FQI值越大,工程建設(shè)適宜性越差,分區(qū)標準為:

地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性優(yōu)區(qū) FQI=1

地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性良區(qū) 1

地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性中等區(qū) 2

地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性差區(qū) 3

采用計算機編程進行模糊運算,運用柵格數(shù)據(jù)處理方法對評價區(qū)進行剖分,每個單元面積為1 km×1 km,運用MAPGIS軟件自動生成FQI等值線圖,然后進行適宜性分區(qū)。

3 地下空間潛力開發(fā)適宜性分析評價

在分別對0～30 m(淺層)、30～100 m(次淺層)、100～200 m (深層)地下空間地質(zhì)環(huán)境條件進行單因子評價的基礎(chǔ)上,通過圖層疊加分析,形成整體地下空間潛力開發(fā)適宜性評價結(jié)果。最后,對綜合圖進行必要的后處理(聚類、去除奇異值等),最終生成濟南市萊蕪區(qū)、鋼城區(qū)中心城區(qū)地下空間潛力開發(fā)適宜性分區(qū)圖,各分區(qū)結(jié)果見圖2。

圖2 地質(zhì)環(huán)境適宜性分區(qū)柱狀圖

圖3 淺層地下空間適宜性分區(qū)(0～30 m)

圖4 萊蕪區(qū)城市規(guī)劃區(qū)地質(zhì)剖面圖

圖5 次淺層地下空間適宜性分區(qū)(30～100 m)

圖6 深層地下空間適宜性分區(qū)(100～200 m)

3.1 淺層地下空間適宜性分區(qū)(0～30 m)

3.1.1 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性優(yōu)區(qū)

主要分布在萊蕪區(qū)東北部、南部山前平原區(qū)。該區(qū)域第四系厚度較薄,一般小于5 m,基巖基本裸露,巖土層以粘土、碎石土、花崗巖為主,萊蕪區(qū)南部山前下部為寒武系灰?guī)r。其圍巖穩(wěn)定性及工程力學性質(zhì)良好;水文地質(zhì)方面,富水性較弱,地下水無腐蝕性,地表水體影響較小,地下水位埋深不大;無地表及地下人類工程已開發(fā)地下工程的影響。

3.1.2 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性良區(qū)

主要分布在萊蕪區(qū)西北部及東南部。該區(qū)巖土層以粘土、粉質(zhì)粘土、寒武系灰?guī)r為主,其圍巖穩(wěn)定性及工程力學性質(zhì)較好,相對于地下空間開發(fā)來說是較好的巖土層。該區(qū)第四系厚度一般為5～10 m,工程地質(zhì)條件簡單,圍巖穩(wěn)定性較好,無軟土分布,富水性中等或弱,地表水體影響較小,地下水位埋深相對較小,無地面塌陷等地質(zhì)災害的影響。

3.1.3 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性中等區(qū)

主要分布于萊蕪區(qū)中部,區(qū)內(nèi)30 m埋深處,巖土層多以第四系粉質(zhì)粘土、砂層及古近系泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,巖石屬軟巖,易干裂,圍巖穩(wěn)定性相對較差。區(qū)內(nèi)含水層主要以第四系孔隙水為主,富水性較弱,地下水位埋深一般在5～20 m,地下水不存在腐蝕性,無地質(zhì)災害發(fā)育。但在城區(qū)內(nèi)受人類工程活動的地表建筑及已開發(fā)的地下空間(已建高層建筑、防空設(shè)施和需保護建筑等)的影響較大,部分已規(guī)劃使用,再次開發(fā)受限,因此將該區(qū)劃為適宜性中等區(qū)。

3.1.4 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性差區(qū)

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉鎮(zhèn)一帶、汶河北部的原北埠煤礦、張家洼鐵礦開采區(qū)范圍內(nèi)、城區(qū)周邊的公清、孟家莊一帶巖溶塌陷分布區(qū)以及東北部受萊蕪盆地弧形斷裂影響區(qū)域。主要影響因素為礦山開采形成的地下采空區(qū)以及巖溶塌陷易發(fā)區(qū),均對地下空間工程影響較大;受萊蕪盆地弧形斷裂以及孫祖-銅冶店等大斷裂影響,影響范圍內(nèi)巖石較為破碎,工程地質(zhì)條件相對比較復雜,地層分布不均勻。該區(qū)域內(nèi)地下空間資源開發(fā)過程中應進行詳細調(diào)查,采用物理勘探和工程詳勘工作,詳細查明巖溶發(fā)育及地下采空分布情況,具體的部分部位和規(guī)模、強度,并采取相應的工程措施進行預防。

3.2 次淺層地下空間適宜性分區(qū)(30～100 m)

3.2.1 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性優(yōu)區(qū)

主要分布在萊蕪區(qū)東北部、南部山前平原區(qū)。該區(qū)域第四系厚度較薄,基巖基本裸露,巖土層以粘土、碎石土、花崗巖為主,萊蕪區(qū)南部山前下部為寒武系灰?guī)r。其圍巖穩(wěn)定性及工程力學性質(zhì)良好;水文地質(zhì)方面,富水性較弱,地下水無腐蝕性,地表水體影響較小,地下水位埋深不大;無地表及地下人類工程已開發(fā)地下工程的影響。

3.2.2 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性良好區(qū)

主要分布在萊蕪區(qū)西北部及東南部。30～100 m由于埋深較大,受地表水體影響較小,所以,萊蕪區(qū)孝義河及北部贏汶河兩側(cè)劃為適宜性良好區(qū);該區(qū)巖土層以粘土、粉質(zhì)粘土、古近系泥巖礫巖、頁巖,寒武系灰?guī)r為主,其圍巖穩(wěn)定性及工程力學性質(zhì)較好,相對于地下空間開發(fā)來說是較好的巖土層,該區(qū)第四系厚度一般為5～10 m,工程地質(zhì)條件簡單,圍巖穩(wěn)定性及工程力學性質(zhì)較好,富水性中等或弱,地下水位埋深相對較小,無地面塌陷等地質(zhì)災害的影響。

3.2.3 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性中等區(qū)

主要分布于萊蕪區(qū)城區(qū)中部地區(qū)。區(qū)內(nèi)30～100 m埋深處,巖土層多以第四系粉質(zhì)粘土、砂層及古近系泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,工程地質(zhì)條件較差,穩(wěn)定性相對較差。地下水類型以以孔隙水為主,富水性弱,30～100 m深度地表水體基本無影響,地下水不存在腐蝕性,無地質(zhì)災害發(fā)育。在城區(qū)內(nèi)零散分布地下人防工程及高程建筑,地下空間現(xiàn)狀開發(fā)程度相對較大,樁基埋深大于30 m,受人類工程活動的地表建筑及已開發(fā)的地下空間的影響較大,將該區(qū)劃為適宜性中等區(qū)。

3.2.4 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性差區(qū)

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉鎮(zhèn)一帶、汶河北部的原北埠煤礦、張家洼鐵礦開采區(qū)范圍內(nèi)、城區(qū)周邊的公清、孟家莊一帶巖溶塌陷分布區(qū)以及東北部受萊蕪盆地弧形斷裂影響區(qū)域。主要影響因素為礦山開采形成的地下采空區(qū)以及巖溶塌陷易發(fā)區(qū),均對地下空間工程影響較大;受萊蕪盆地弧形斷裂以及孫祖-銅冶店等大斷裂影響,影響范圍內(nèi)巖石較為破碎,工程地質(zhì)條件相對比較復雜,地層分布不均勻。該區(qū)域內(nèi)地下空間資源開發(fā)過程中應進行詳細調(diào)查,采用物理勘探和工程詳勘工作,詳細查明巖溶發(fā)育及地下采空分布情況,具體的部分部位和規(guī)模、強度,并采取相應的工程措施進行預防。

3.3 深層地下空間適宜性分區(qū)(100～200 m)

3.3.1 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性優(yōu)區(qū)

主要分布在萊蕪區(qū)東南部、東北部平原區(qū)。該區(qū)域為基巖出露區(qū),萊蕪區(qū)東南部100 m以下為白堊系、侏羅系的玄武巖、安山巖,萊蕪區(qū)南部山前下部為寒武系灰?guī)r,其圍巖穩(wěn)定性及工程力學性質(zhì)良好;水文地質(zhì)方面,富水性較弱,地下水無腐蝕性,地表水體影響較小,地下水位埋深不大;無地表及地下人類工程已開發(fā)地下工程的影響。

3.3.2 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性良好區(qū)

主要分布在萊蕪區(qū)中部及北部區(qū)域。100～200 m深度受地表水體影響較小;該區(qū)巖土層以粘土、粉質(zhì)粘土、古近系泥巖礫巖、頁巖,其圍巖穩(wěn)定性及工程力學性質(zhì)較好,相對于地下空間開發(fā)來說是較好的巖土層,該區(qū)第四系厚度一般為5～10 m,工程地質(zhì)條件簡單,圍巖穩(wěn)定性及工程力學性質(zhì)較好;富水性中較弱,地下水位埋深相對較小;100 m以下受已開發(fā)地下空間影響程度較小;無地面塌陷等地質(zhì)災害的影響。

3.3.3 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性中等區(qū)

主要分布在萊蕪區(qū)城西公清一帶及孟家莊。萊蕪區(qū)巖溶塌陷發(fā)育深度一般在2～50 m以淺,100～200 m深度受巖溶塌陷影響程度較小,但工程建設(shè)中一定程度上仍會受到其影響,因此本次將萊蕪區(qū)公清一帶、孟家莊一帶巖溶塌陷影響區(qū)劃為適宜性中等區(qū)。

3.3.4 地下空間開發(fā)建設(shè)適宜性差區(qū)

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉鎮(zhèn)一帶、汶河北部的原北埠煤礦、張家洼鐵礦開采區(qū)范圍內(nèi)以及東北部受萊蕪盆地弧形斷裂影響區(qū)域。萊蕪區(qū)屬我省礦業(yè)開發(fā)較早地區(qū),采煤層主要在-200～-500 m,鐵礦采深一般在-300～-500 m,局部更深層。礦山企業(yè)開采區(qū)內(nèi)易產(chǎn)生地面塌陷,均對地下空間工程建設(shè)產(chǎn)生較大影響;受萊蕪盆地弧形斷裂以及孫祖-銅冶店等大斷裂影響,影響范圍內(nèi)巖石較為破碎,工程地質(zhì)條件相對比較復雜,地層分布不均勻,地下空間建設(shè)適宜性較差,地下空間開發(fā)建設(shè)也受到限制。該區(qū)域內(nèi)地下空間資源開發(fā)過程中應進行詳細調(diào)查,采用物理勘探和工程詳勘工作,詳細查明地下采空分布情況,具體的部分部位和規(guī)模、強度,并采取相應的工程措施進行預防。

4 討論及建議

(1)濟南市萊蕪城市規(guī)劃區(qū)地下空間開發(fā)利用總體程度不高,主要環(huán)境地質(zhì)問題為巖溶塌陷及地下開采礦山引發(fā)的采空塌陷。

(2)采用層次分析法分別對濟南萊蕪城市規(guī)劃區(qū)淺層、次淺層及深層地下空間資源開發(fā)適宜性進行了評價,受巖溶塌陷及采空塌陷影響,優(yōu)良地下空間資源主要分布在城區(qū)東北部。南部高莊街道煤礦、西北部魯中鐵礦分布區(qū)及城西公清、孟家莊一帶巖溶塌陷易發(fā)區(qū)受地質(zhì)環(huán)境影響,開發(fā)過程中應進行充分論證。

(3)建議今后在地下空間開發(fā)建設(shè)過程中,建立“地上地籍圖—地下地籍圖—地質(zhì)圖”的有機結(jié)合,進一步滿足地下空間規(guī)劃建設(shè)和管理需要。