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    杭州市錢塘新區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價

    2024-02-26 03:03:16馬青山葛偉亞邢懷學(xué)康從軒
    地質(zhì)與勘探 2024年1期
    關(guān)鍵詞:淺層分析法空間

    馬青山,葛偉亞,邢懷學(xué),蔣 杰,華 健,康從軒

    (1.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇南京 210016;2.中國地質(zhì)科學(xué)院,北京 100037)

    0 引言

    隨著城市化進(jìn)程的加快和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,我國城市人口急劇增長。城市化面臨著人口密集、交通堵塞、能源消耗增大、房價上漲等諸多問題,城市空間需求急劇膨脹與地面空間有限這一矛盾也日益突出,有效地開發(fā)利用地下空間變得越來越迫切(錢七虎,1998;Chen et al., 2018;程光華等,2019;蔣杰等,2021;楊洋等,2022)。綜觀世界發(fā)達(dá)國家和我國城市建設(shè)空間的現(xiàn)狀,向地下要空間、要土地、要資源,已成為現(xiàn)代化城市發(fā)展的必然趨勢之一。有效地開發(fā)利用地下空間不僅符合建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和諧社會”的城市發(fā)展戰(zhàn)略要求,更能對實(shí)現(xiàn)我國城市現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)展目標(biāo)起到積極作用(趙士強(qiáng),2016;葛偉亞等,2021)。

    杭州市位于長江三角洲區(qū)域杭嘉湖平原的西南部,經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,人口密集,是浙江省經(jīng)濟(jì)、文化、科教中心,為長江三角洲中心城市之一。近年來,城市化進(jìn)程不斷加快,人地矛盾日益突出,迫切需要開發(fā)利用地下空間資源。然而由于杭州市歷史上經(jīng)歷多次海侵、海退,形成了相變復(fù)雜、軟硬交替、層次分明的地質(zhì)條件。復(fù)雜的地質(zhì)條件加大了地下空間開發(fā)利用的難度(李雪剛等,2013)。開展城市地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜性評價研究對充分利用有利的地質(zhì)環(huán)境條件,有效改造和規(guī)避不利的條件,同時保證地質(zhì)環(huán)境良性發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義(張晶晶等,2016)。

    地下空間的開發(fā)和利用受到多層次多因素的制約,每個因素對地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性的影響程度也不盡相同(易榮和賈開國,2020)。因此,建立符合研究區(qū)實(shí)際情況的地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系,合理地確定各影響因素的權(quán)重,構(gòu)建適宜的評估數(shù)學(xué)模型,是確保評價結(jié)果可靠性的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前許多學(xué)者對地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價開展了大量研究(郭建民和祝文君,2005;徐軍祥等,2012;夏友和馬傳明,2014;吳炳華等,2017;郝愛兵等,2018;譚飛等,2021;Gao et al., 2023)。最常用的方法主要有綜合指數(shù)法、模糊數(shù)學(xué)法、灰色評價法、可拓法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等(柳昆等,2011;潘朝等,2013;林才秀,2018;董英等,2020;邢懷學(xué)等,2022;張曉波等,2023)。評價指標(biāo)的權(quán)重主要通過層次分析法、專家打分法、主成分分析法等常權(quán)評價方法確定(歐孝奪等,2009;江思義等,2019),這些方法雖然基本反映了各項(xiàng)指標(biāo)在整個評價系統(tǒng)中的相對重要性,但忽略了指標(biāo)內(nèi)部差異性對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的影響,可能導(dǎo)致結(jié)果不夠科學(xué)(舒幫榮等,2012)。因此,本文在系統(tǒng)分析杭州市錢塘新區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件基礎(chǔ)上,從地形地貌、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、活動斷裂及地震效應(yīng)、環(huán)境地質(zhì)問題等五個方面,選取15個指標(biāo)構(gòu)建地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系。采用層次分析法以及變權(quán)分析理論確定出評價指標(biāo)的權(quán)重,最后通過GIS的空間分析功能,利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對淺層(0~15 m)、次淺層(15~30 m)、深層(30~50 m)地下空間進(jìn)行了地質(zhì)條件適宜性評價,評價結(jié)果為國土空間規(guī)劃提供基礎(chǔ)支撐。

    1 研究區(qū)概況

    錢塘新區(qū)是杭州市的東部門戶樞紐,位于杭嘉湖平原南部,地勢南高北低,錢塘江貫穿其中,是杭州市的戰(zhàn)略發(fā)展要地。氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候,全年四季交替分明,氣候溫暖濕潤,日照時間充足,降水量充沛,其年降水量可達(dá) 1100~1600 mm。

    1.1 地形地貌

    錢塘新區(qū)地貌類型以沖海積平原為主,零星分布?xì)埱?,按地貌成因類型、巖性及形態(tài)特征進(jìn)行劃分,區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)可劃分為低山丘陵區(qū)和濱海平原區(qū)。通過對地貌成因特點(diǎn)及微地貌特征進(jìn)行分析,濱海平原區(qū)可細(xì)分為沖海積平原亞區(qū)、三角灣口外海濱段亞區(qū)、三角灣河口段亞區(qū)等地貌單元,其地勢起伏程度較小,海拔介于 4.52~9.37 m之間。低山丘陵區(qū)根據(jù)巖性類型及成因特征可進(jìn)一步細(xì)分為侵蝕剝蝕沉積碎屑巖丘陵地貌亞區(qū)和侵蝕碳酸鹽巖巖溶不發(fā)育的丘陵地貌亞區(qū)。

    圖1 杭州市錢塘新區(qū)研究區(qū)地貌類型圖Fig.1 Geomorphologic map of the Qiantang New District in Hangzhou City

    1.2 水文地質(zhì)條件

    錢塘新區(qū)水文地質(zhì)單元可劃分為平原區(qū)和基巖區(qū)兩類,區(qū)內(nèi)地下水類型包括第四系松散巖類孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三類??紫稘撍涂紫冻袎核谘芯繀^(qū)內(nèi)廣泛分布,潛水主要賦存于地表淺層的粉土層內(nèi),與地表水的水力聯(lián)系密切,水量較大,含水層厚度一般為 15~20 m,水位季節(jié)變化明顯。研究區(qū)內(nèi)存在兩層孔隙承壓水,其中Ⅰ承壓含水層上段分布面積較小,水量貧乏,單井涌水量為1000 m3/d 左右;Ⅰ承壓含水層下段在研究區(qū)內(nèi)分布較廣泛,其單井涌水量多為 1000~5000 m3/d。Ⅱ承壓含水層上段主要分布在錢塘江流域,以中更新統(tǒng)上組卵礫石層為主,層厚介于 1.5~45 m,其單井涌水量為1000~3000 m3/d,是研究區(qū)內(nèi)具有供水意義的含水層;Ⅱ承壓含水層下段在研究區(qū)內(nèi)分布范圍較小,以中更新統(tǒng)下組卵礫石層為主,水量較大,單井涌水量介于 100~1000 m3/d 之間,水質(zhì)多為淡水(斯小君等,2009)。低山丘陵區(qū)分布面積較小,主要位于研究區(qū)中西部山區(qū),主要地下水類型為碎屑巖類孔隙裂隙水、巖漿巖類裂隙水及巖溶水。

    圖2 研究區(qū)綜合水文地質(zhì)圖Fig.2 Comprehensive hydrogeological map of the study area

    1.3 工程地質(zhì)條件

    根據(jù)杭州城市地質(zhì)調(diào)查成果①②,錢塘新區(qū)工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)較為單一,按地貌類型,可劃分為低山丘陵區(qū)和平原區(qū)兩個工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)。低山丘陵區(qū)包括較堅(jiān)硬碎屑巖亞區(qū)和巖溶不發(fā)育碳酸鹽亞區(qū),此類區(qū)域因地形坡度較大,地勢較為起伏,進(jìn)行工程建設(shè)易引發(fā)一系列地質(zhì)問題,且開發(fā)成本較大,不宜作為工程建設(shè)用地。平原區(qū)以砂礫石層單層結(jié)構(gòu)為主,硬土層單層結(jié)構(gòu)區(qū)主要分布于研究區(qū)西北及東北部,在中部及西南部為砂礫石與硬土層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)區(qū),基巖區(qū)在中部及南部區(qū)域與砂礫石層構(gòu)成雙層結(jié)構(gòu)區(qū),硬土層與基巖雙層區(qū)分布較少,主要位于研究區(qū)南部。研究區(qū)整體地勢平緩,工程建設(shè)對周圍環(huán)境影響相對較小,有利于工程建設(shè)總體規(guī)劃。

    1.4 環(huán)境地質(zhì)條件

    圖3 研究區(qū)工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)分區(qū)圖Fig.3 Zoning map of engineering geological structures in the study area

    錢塘新區(qū)內(nèi)主要的不良地質(zhì)條件是廣泛分布的軟土及卵礫石。杭州在歷史上經(jīng)歷了三次海侵,兩千多年前,杭州市的大部分地區(qū)都處在海平面以下,僅寶石山出露為小島在海平面上,之后經(jīng)歷了王店海侵、鎮(zhèn)江海侵和富陽海侵,多次的海進(jìn)海退在杭州的地下留下了多層的淤泥質(zhì)土和卵礫石,形成了軟硬交替、層次分明的地層。王店海侵形成了杭州俗稱的“第二硬土層”,鎮(zhèn)江海侵形成了“第二軟土層”,富陽海侵形成了“第一軟土層”。而古苕溪河沖積形成了“第一硬土層”,在本次研究區(qū)內(nèi)基本無分布,本區(qū)主體的地層單元為錢塘江沖積形成的“地表硬殼層”。

    錢塘新區(qū)整體處于杭嘉湖平原區(qū),是浙江省內(nèi)地面沉降范圍較大的區(qū)域,研究區(qū)累計(jì)地面沉降量小于200 mm,對工程建設(shè)存在較小影響;研究區(qū)地勢起伏程度較小,崩塌、滑坡泥石流災(zāi)害易發(fā)性較小,地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)主要位于中部的低山丘陵區(qū)。研究區(qū)內(nèi)分布較大范圍的粉砂及粉土,在一定的水動力條件下,存在較高的流砂管涌、砂土液化的風(fēng)險,對地下工程影響較大;錢塘新區(qū)地表水環(huán)境存在污染,東部水體與杭州灣接近,部分已呈現(xiàn)海水特性。錢塘新區(qū)范圍內(nèi)存在淺層沼氣,含量少,但是分布范圍較廣,不具開發(fā)利用價值,但對于地下空間開發(fā)影響較大。如在杭州市過江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中,曾發(fā)生沼氣溢出而導(dǎo)致錢塘江面出現(xiàn)巨大漩渦。淺層沼氣主要分布于義蓬、新灣等地,分布面積約 200 km2,區(qū)內(nèi)存在 2~4個儲氣層,頂板埋深介于 26~39 m。

    1.5 地質(zhì)構(gòu)造

    錢塘新區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造單元為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺錢塘臺褶帶,處在浙西北大復(fù)向斜翼部。新構(gòu)造運(yùn)動的形式以震蕩性升降為主,褶皺構(gòu)造呈北東向復(fù)式向斜,研究區(qū)中部位向斜的軸部,東西兩側(cè)為翼部,主要由晉寧期和印支期的褶皺構(gòu)造組成。

    瓜瀝-前村斷裂總體走向 330°左右,位于蕭山赭山鎮(zhèn)及半山前村附近,斷層為正斷并具走滑特征;盈豐?轉(zhuǎn)塘斷裂總體走向?yàn)?20°~40°,該斷層北起下沙,長約 20 km,隱伏于第四紀(jì)覆蓋層之下,斷層性質(zhì)為逆斷。根據(jù)區(qū)域斷裂相關(guān)資料,蕭山-球川斷裂隱伏在第四系覆蓋層之下,覆蓋層厚度超過 50 m,且該斷裂在全新世沒有活動跡象,為非全新世斷層,對地下工程影響較?。◤堸i等,2018),研究區(qū)構(gòu)造綱要如圖4所示。根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,工程場地內(nèi)存在斷裂構(gòu)造時,一般需要采取避讓措施,但是對于抗震設(shè)防烈度小于 8 度的地區(qū),斷裂對建筑的影響可不作為重要影響因子考慮,研究區(qū)抗震設(shè)防烈度為 6 度,對于地下空間這類對地質(zhì)環(huán)境要求嚴(yán)格的工程,仍需著重考慮斷裂影響。

    圖4 研究區(qū)構(gòu)造綱要圖Fig.4 Tectonic outline map of the study area

    2 地質(zhì)環(huán)境適宜性評價

    2.1 評價空間域劃分

    地下工程開發(fā)一般為永久性工程,在進(jìn)行規(guī)發(fā)時應(yīng)具有前瞻性,需要科學(xué)的進(jìn)行分層開發(fā)(辛韞瀟,2019)。根據(jù)《杭州市地下空間開發(fā)利用專項(xiàng)規(guī)劃》以及 2019 年住建部發(fā)布實(shí)施的《城市地下空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)》等參考文件,將錢塘新區(qū)地下空間分為淺層L1(0~15 m)、次淺層L2(15~30 m)、次深層L3(30~50 m)和深層L4(50 m以下)四個層次。由于深層地下空間有效數(shù)據(jù)較少,且以現(xiàn)有手段進(jìn)行開發(fā)存在“難度大、成本高”的問題,地下空間一旦進(jìn)行開發(fā)將難以恢復(fù),貿(mào)然開發(fā)極易造成資源浪費(fèi),所以可將深層地下空間作為規(guī)劃留白深度,待未來規(guī)劃理論與工程技術(shù)更為發(fā)達(dá)后再進(jìn)行開發(fā)(雷升祥,2019),所以不進(jìn)行深層地下空間的評價。

    2.2 評價指標(biāo)及量化分級

    對于不同的城市,其地質(zhì)條件不同,地下空間開發(fā)地質(zhì)條件適宜性評價指標(biāo)及量化取值亦不同。本文通過對錢塘江新區(qū)地質(zhì)概況分析得出,影響地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)條件因素主要包括地形地貌、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、活動斷裂及地震效應(yīng)、環(huán)境地質(zhì)問題等五大類。綜合考慮數(shù)據(jù)獲取難易程度以及指標(biāo)得科學(xué)性、完備性、重復(fù)性,篩選出15個評價指標(biāo),采用層次分析法構(gòu)建了地下空間開發(fā)地質(zhì)條件適宜性評價指標(biāo)體系(表1)。

    表1 地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系Table 1 The evaluation index system of geological environment suitability

    由于目前地下空間開發(fā)方面的技術(shù)規(guī)范較少,且不同地區(qū)地質(zhì)環(huán)境差異較大,其量化分級方法難以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),需要結(jié)合不同研究區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。本研究在參考工程建設(shè)用地使用技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上,綜合國內(nèi)外相關(guān)研究成果以及研究區(qū)鄰近城市地下空間開發(fā)案例,最后劃定出評價指標(biāo)的量化分級標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

    表2 研究區(qū)淺層(0~15 m)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)量化分級標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Quantitative criteria for evaluation index of the suitability of geological environment for the shallow layer (0~15 m)in the study area

    2.3 指標(biāo)權(quán)重的確定

    傳統(tǒng)評價方法中對于權(quán)重的依賴性較高,在權(quán)重確定過程中存在較大的主觀性,權(quán)重值一旦確定后,不論各個指標(biāo)在劃定的評價單元內(nèi)如何變化,權(quán)重始終不變,這樣的定權(quán)評價存在一定弊端,對于一些評分較低的區(qū)域,可能會因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)較高的指標(biāo)而將綜合評價質(zhì)量拉高。對于地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價來說,安全性永遠(yuǎn)是第一位,所以評價中存在“木桶原理”的現(xiàn)象,應(yīng)基于最不利等級去進(jìn)行考慮,不能因?yàn)椴糠种笜?biāo)評分較高而將較差的指標(biāo)“中和”,將其影響程度降低,這樣會對未來地下空間的開發(fā)埋下隱患。所以應(yīng)該將評價機(jī)制優(yōu)化為不論其他指標(biāo)分值有多高,一旦某一指標(biāo)評價等級為差,就不能將此區(qū)域適宜性評價為好或較好,否則將導(dǎo)致最終評價結(jié)果與實(shí)際情況偏離(張晶晶,2016)。本次工作中通過建立層次-變權(quán)分析模型確定各評價因子的權(quán)重。首先利用層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的初次確定,再通過變權(quán)評價對權(quán)重進(jìn)行處理,降低主觀性(李春好等,2010)。

    2.3.1 層次分析法

    層次分析(AHP)法的基本思想是把一個復(fù)雜的問題分解為各個組成因素,并將這些因素按支配關(guān)系分組,從而形成一個有序的遞階層次結(jié)構(gòu)。按照AHP法確定評價指標(biāo)權(quán)重的步驟,獲得各層評價指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

    表3 評價指標(biāo)權(quán)重分配表Table 3 The allocation table of evaluation index weight

    2.3.2 變權(quán)分析法

    (1)變權(quán)模型基本原理(李洪興,1995;姚炳學(xué)和李洪興,2000)

    通過參考相關(guān)文獻(xiàn),變權(quán)模型的基本公理化定義為:?i,j∈( 1 ,2,…,m)

    定義2:對于下列m個映射wi:

    Wj:

    存在以下公理:

    ②連續(xù)性:wj(x1,x2,…,xm)關(guān)于所有變元均連續(xù);

    ③懲 罰性:wj(x1,x2,…,xm)關(guān) 于變元xi單調(diào)遞減;

    ④激 勵性:wj(x1,x2,…,xm)關(guān) 于變元xi單調(diào)遞增;

    ⑤混 合 性:wj(x1,x2,…,xm)關(guān) 于 變 元xj(j=1,2,…,p)單 調(diào) 遞 減,wj關(guān) 于 變 元xj(j=p+1,p+2,…,m)單調(diào)遞增。

    若W(X)滿足公理①、②、③,則W(X)為懲罰型變權(quán)向量;若滿足公理①、②、④,則W(X)為激勵型變權(quán)向量;若滿足公理①、②、⑤,則W(X)為混合型變權(quán)向量。

    定 義3:存 在 映 射S: [ 0,1]m→( 0,+∞)m,X│→S(X)=(S1(X),…,Sm(X))滿足以下公理:

    ①xi≥xj?Si(X)≤Sj(X);

    ②xi≥xj?Si(X)≥Sj(X);

    ③當(dāng)1≤i,j≤p且xi≥xj時,Si(X)≤Sj(X),當(dāng)p+1≤i,j≤m且xi≥xj時,Si(X)≥Sj(X);

    ④Sj(X)對于每個變元xj連續(xù);

    ⑤對任意常權(quán)向量W0=w01,w02,…,w0m,若評價指標(biāo)對應(yīng)的變權(quán)函數(shù)W(X)滿足以下公式:

    則稱W(X)為m維狀態(tài)變權(quán)函數(shù)。變權(quán)函數(shù)W(X)是評價指標(biāo)通過層次分析法確定的常權(quán)向量W0與狀態(tài)變權(quán)向量S(X)的歸一化乘積。

    局部變權(quán)分析法的主要參數(shù)確定方法因區(qū)域地質(zhì)條件情況而異??紤]到指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分值是在區(qū)間[0,1]采用四分法,本次研究通過對層次分析法確定出的權(quán)重以及研究區(qū)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行分析。參考濟(jì)南市以及嘉興市地下空間開發(fā)變權(quán)分析案例,對分段協(xié)調(diào)函數(shù)進(jìn)行修改(張博夫,2020),最終分段函數(shù)為:

    式中,xj為評價單元中各評價指標(biāo)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化分值,S()

    X為權(quán)重的狀態(tài)調(diào)權(quán)函數(shù)。

    2.4 評價模型

    由于地質(zhì)資料有限并且數(shù)據(jù)具有較大的波動性,部分指標(biāo)沒有明顯的規(guī)律性且會因?yàn)橹饔^條件的改變而變化,所以地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價是基于貧信息背景的數(shù)據(jù)整合過程,是一個典型的灰色系統(tǒng)。使用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行綜合評價,可以更好地體現(xiàn)出各個指標(biāo)對目標(biāo)層的貢獻(xiàn)大小,簡單來說就是通過計(jì)算參考序列和特征序列之間的關(guān)聯(lián)程度來量化數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)性強(qiáng)弱,以此達(dá)到輔助決策的目的。灰色關(guān)聯(lián)分析法通常包括以下四步(蔣杰等,2021;趙可英和牟凱,2023):

    (1)確定參考序列和特征序列

    灰色關(guān)聯(lián)分析法中,參考序列是所需評價數(shù)據(jù)的對比標(biāo)準(zhǔn),一般采用各指標(biāo)的最優(yōu)值構(gòu)成參考序列,而特征序列就是由各指標(biāo)組成的數(shù)據(jù)序列。計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度,首先需要劃分評價單元,根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)覆蓋情況將評價單元確定為500 m×500 m,然后根據(jù)層次分析法定權(quán)結(jié)果,以各指標(biāo)最優(yōu)情況的得分作為參考序列,以評價單元內(nèi)各指標(biāo)的得分作為特征序列,特征序列越接近參考序列,則關(guān)聯(lián)程度越大。

    (2)數(shù)據(jù)無量綱化處理

    由于各地質(zhì)條件之間差異性較大,物理意義不同導(dǎo)致數(shù)據(jù)的量綱也不相同,無法直觀去進(jìn)行比較,因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理(唐鑫,2019)。常用的無量綱化方法是讓指標(biāo)數(shù)據(jù)除以該指標(biāo)變量為1時的狀態(tài)值,即為初值化法:

    (3)計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)及關(guān)聯(lián)度

    首先計(jì)算各特征序列與參考序列的絕對差,得到灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi,灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)是表征參考序列與特征序列關(guān)聯(lián)性程度的參數(shù),該系數(shù)可能存在多個計(jì)算結(jié)果且各結(jié)果相差較大,有效信息較分散,難以直接進(jìn)行對比分析,所以需要求均值將關(guān)聯(lián)系數(shù)集中為一個數(shù),即為灰色關(guān)聯(lián)度γi的計(jì)算結(jié)果。

    式中:ρ為分辨系數(shù),值域?yàn)椋?,1),ρ越小關(guān)聯(lián)系數(shù)間差異越大,一般ρ取0.5。

    研究區(qū)淺層地下空間部分單元格灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算成果如表4所示。

    表4 淺層地下空間部分評價單元變權(quán)權(quán)重計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of variable weight for evaluation units of shallow underground space

    (4)灰色關(guān)聯(lián)度排序

    通過 GIS 軟件的空間分析功能計(jì)算出各評價單元內(nèi)的灰色關(guān)聯(lián)度,關(guān)聯(lián)度數(shù)值越大則代表該單元地質(zhì)情況與最優(yōu)情況越接近,就越適宜進(jìn)行地下空間開發(fā)。通過對關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行累頻計(jì)算,采用等區(qū)間均分法劃分關(guān)聯(lián)度區(qū)間,根據(jù)關(guān)聯(lián)度大小劃分出四個適宜性等級,以此圈定研究區(qū)不同的適宜性范圍。

    3 評價結(jié)果

    研究區(qū)(0~15 m)淺層地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示,研究區(qū)淺層地下空間總體適宜開發(fā),其適宜性好及適宜性較好的區(qū)域總占比為67.47%,由于淺層地下空間與地表具有較強(qiáng)的連通性,所以一定程度上受到環(huán)境地質(zhì)問題的制約,但其關(guān)鍵制約因素主要是含水層富水性,所以在進(jìn)行開發(fā)時需要采取防水措施應(yīng)對環(huán)境地質(zhì)問題。

    圖5 淺層地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價結(jié)果Fig.5 Evaluation results of geological environment suitability for the development of shallow underground space

    研究區(qū)次淺層(15~30 m)地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價結(jié)果如圖6所示。結(jié)果顯示,研究區(qū)次淺層地下空間總體適宜性較差,適宜性好及適宜性較好的區(qū)域總占比為45.7%,適宜性中等及適宜性較差的區(qū)域占比54.3%。由于次淺層地下空間與地面連通性較差,所以地層分布情況、地下水以及地下水和地層之間的相互作用對其影響較大,關(guān)鍵制約因素主要為軟土分布、含水層富水性、砂土液化及滲透破壞,所以在進(jìn)行開發(fā)時需要針對特殊土體和地下水特征采取相應(yīng)的支護(hù)措施、控水防水措施以及防滲防腐措施等。

    圖6 次淺層地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價結(jié)果Fig.6 Evaluation results of geological environment suitability for the development of sub-shallow underground space

    研究區(qū)次深層(30~50 m)地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示,研究區(qū)次深層地下空間總體適宜性較好,適宜性好及適宜性較好的區(qū)域總占比為72.17%,適宜性中等及適宜性較差的區(qū)域占比27.83%。由于次深層地下空間是地下30 m以深的封閉空間,與地面連通性極差,所以受到地層分布情況及地下水的嚴(yán)重制約,開發(fā)深度越大,地下水的控制難度也越大。次深層地下空間總體能夠較好地支撐地下工程建設(shè),其關(guān)鍵制約因素主要為軟土分布與含水層富水性。所以在進(jìn)行開發(fā)時需要針對特殊土體和地下水采取相應(yīng)的支護(hù)措施、控水防水措施。

    圖7 次深層地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價結(jié)果Fig.7 Evaluation results of geological environment suitability for the development of sub-deep underground space

    對比來看,淺層和次深層地下空間更適宜進(jìn)行開發(fā),而次淺層地下空間開發(fā)難度較大。導(dǎo)致次淺層地下空間開發(fā)難度較大的因素首先是軟土,研究區(qū)內(nèi)由于多次海侵殘留了厚層狀的軟土,其空間分布主要集中在次淺層,土體物理力學(xué)性質(zhì)較差。從施工角度來講,軟土地層是利于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的,但對于地下空間開發(fā),軟土是無法作為基礎(chǔ)持力層的,所以是嚴(yán)重影響地下空間開發(fā)的不利因素;其次是富水性的影響,對于地下空間這類與地面連通性較弱的密閉空間,隨著開發(fā)深度的增加地下水的影響也愈發(fā)嚴(yán)重,控水難度隨深度增加而增大,所以富水性強(qiáng)的區(qū)域,地下空間開發(fā)難度也會幾何倍數(shù)上升;最后是環(huán)境地質(zhì)問題,因?yàn)榈叵驴臻g開發(fā)具有不可逆性,所以應(yīng)考慮地下建筑物在較長時間維度下的安全使用及維護(hù),此時環(huán)境地質(zhì)問題會嚴(yán)重影響地下空間建筑的使用壽命。

    4 結(jié)論

    本文在系統(tǒng)分析研究區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境條件基礎(chǔ)上,針對不同的開發(fā)層位,構(gòu)建了較為完善的評價指標(biāo)體系,并通過層次分析法以及變權(quán)分析理論確定出評價指標(biāo)的權(quán)重,最后通過GIS的空間分析功能,利用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行了綜合評價,對錢塘新區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性進(jìn)行評價分區(qū)。

    (1)基于層次分析法從地形地貌、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、活動斷裂及地震效應(yīng)、環(huán)境地質(zhì)問題等五個方面選取了15個指標(biāo)構(gòu)建地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境適宜性評價指標(biāo)體系。其中地基承載力、巖土體綜合特征、軟土厚度、含水層富水性、含水層厚度以及砂土液化、崩滑流易發(fā)性、地面沉降易發(fā)性、滲透破壞易發(fā)性9個指標(biāo)為重要因子,影響程度較大;地形坡度、地貌類型、卵礫石厚度、活動斷裂、場地類別、地下水腐蝕性等6個指標(biāo)為一般因子,影響程度較小,但對長時間維度下的安全穩(wěn)定,仍具有較大影響。

    (2)研究區(qū)淺層地下空間適宜和較適宜開發(fā)的面積占總面積的67.47%,主要制約因素是含水層富水性及滲透破壞風(fēng)險;次淺層地下空間適宜和較適宜開發(fā)的面積占比45.7%,主要制約因素是軟土分布、含水層富水性、砂土液化及滲透破壞風(fēng)險;次深層地下空間適宜和較適宜開發(fā)的面積占比72.17%,主要制約因素是軟土分布及含水層富水性。各層位對比分析顯示,淺層和次深層地下空間開發(fā)難度更小,次淺層地下空間開發(fā)難度較大,次淺層地下空間地質(zhì)條件復(fù)雜,研究區(qū)內(nèi)厚層狀的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土集中分布在該層位,且該層位富水性較強(qiáng)、環(huán)境地質(zhì)問題較多。在該區(qū)域進(jìn)行開發(fā)會同時面對不良地層、強(qiáng)富水區(qū)以及砂土液化和滲透破壞等多重威脅,開發(fā)難度較大。

    (3)在傳統(tǒng)層次分析法基礎(chǔ)上加入了變權(quán)分析理論,一定程度上降低了層次分析法的主觀性影響,同時能夠較好地解決傳統(tǒng)評價方法中存在的“中和效應(yīng)”問題,最后通過GIS軟件的空間分析功能,根據(jù)每個評價單元中各指標(biāo)對評價目標(biāo)的貢獻(xiàn)度,使用灰色關(guān)聯(lián)分析法進(jìn)行綜合評價,得到了各個層位較為科學(xué)、準(zhǔn)確的評價分區(qū)結(jié)果,為杭州市錢塘新區(qū)地下空間開發(fā)提供了參考。

    [注 釋]

    ① 中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心.2018.杭州多要素城市地質(zhì)調(diào)查成果報告[R].

    ② 浙江省地質(zhì)調(diào)查院.2009.杭州城市地質(zhì)調(diào)查成果報告[R].

    [附中文參考文獻(xiàn)]

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