北京城市地質安全保障服務系統在地質環境綜合質量評價中的應用

李 瀟，李 佳

（北京市地質調查研究院， 北京 100195）

北京城市地質安全保障服務系統在地質環境綜合質量評價中的應用

李 瀟，李 佳

（北京市地質調查研究院， 北京 100195）

根據北京市地質環境特點，應用北京城市地質安全保障服務系統的綜合分析功能，采用層次分析法及綜合指數模型，對北京市平原區的地質環境綜合質量進行了評價研究。

地質環境評價；層次分析法；綜合指數法；GIS

0 引言

隨著北京市人口的快速增加，功能不斷集聚，致使可用土地資源緊張，水資源、能源供應明顯不足，地下空間開發隱患增多；地面沉降、突發性地質災害、地下水污染等地質災害日趨嚴重。地質資源安全與地質環境安全問題越來越成為北京可持續發展的瓶頸。北京城市地質環境問題主要指污染、地質災害等，包括地下水污染、垃圾污染、地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷、地面塌陷、泥石流、滑坡、崩塌等；平原地區隱伏活動斷裂對建筑物安全構成威脅；工程建設的加載和開挖，破壞了地殼表層的平衡，使工程設施產生沉降、位移、失穩等，也是地質環境問題帶來的危害。

北京城市地質安全保障服務系統接入了地下水、地面沉降、地殼穩定性、突發性地質災害、土壤地球化學、淺層地溫能等各類地質專業數據庫，具有基于GIS技術的專業分析系統和地質安全綜合分析系統，集成了多種評價方法與技術，集專業數據查詢、分析、展示功能為一體，為地質環境綜合質量評價奠定了堅實的基礎。本文采用了該系統的綜合分析功能，選用了代表北京地質環境特點的幾項指標，對北京市平原區的地質環境綜合質量評價做了應用研究。

1 北京市地質環境影響因素及特點

北京處于太行山脈、燕山山脈與華北平原的交界地帶，地理坐標為東經115°25′～117°30′，北緯39°28′～41°05′。全市按行政區劃分為16個區（縣），總面積為16410.54km2，其中平原面積6400 km2。西北部為中低山區，東南部是由各大水系沖洪積作用形成的平原，總體地勢西北高，東南低。地質環境主要影響因素有以下幾項。

1.1 地下水

目前，北京城市供水的三分之二來自于地下水，近30年來地下水開采量一直維持在26～28億m3/a，1999年至2012年地下水量連續虧損，累計達62.41億m3/a，超采嚴重。地下水持續高強度開采，引發了諸如水位持續下降、地下水降落漏斗、地面沉降、水質惡化等一系列環境地質問題。地下水的水質和水量是本文中地質環境綜合評價的重要因子。

1.2 地質災害

北京地區地質災害主要有泥石流、崩（滑）塌、滑坡、隱伏巖溶塌陷、地面沉降、地裂縫、采空塌陷、砂土液化等。其中平原區主要以地面沉降和地裂縫較為嚴重。

目前北京市地面沉降總體上呈南北兩個大區分布,并逐漸有兩大區連接成片的趨勢。北部沉降中心為昌平八仙莊，南區主要為榆垡－禮賢沉降區。

地裂縫主要位于順義地區，分別位于順義斷裂和黃莊—高麗營斷裂附近。總體上看，二者皆呈條帶狀分布，與斷裂的分布有密切關系。

1.3 地殼穩定性

北京平原區由于經歷了長期、多次的強烈地殼運動而發育多方向斷裂，構成了復雜的斷裂體系,其中以北東向斷裂和北西向斷裂為主。平原區黃莊－高麗營斷裂（北段）、順義斷裂、南口－孫河斷裂和夏墊斷裂為全新世活動斷裂，近期活動性趨勢加劇。

1.4 土壤環境

北京整體土壤質量環境良好，平原區土壤一、二級質量區的面積占到90%以上，但是局部地區存在人為污染或自然源引起的土壤生態環境問題。城中心地區主要問題是Hg元素超標，但隨著北京市能源使用方式政策的實施，中心城區土壤重金屬污染逐年得到有效治理。此外，部分農產品基地土壤的Cd、Cr等重金屬元素含量較高。

1.5 人類活動

近年來隨著北京城市建設的迅猛發展，各種建設開挖過程中引起的流土流砂、邊坡滑移、地面塌陷等災害問題也日趨嚴重，人口膨脹帶來的大量垃圾填埋對土壤環境及地下水環境也產生較大影響。

2 北京平原區地質環境綜合質量評價方法

2.1 評價步驟

(1)收集北京市地質環境相關資料，對資料進行分類、篩選、分析。

(2)根據北京地質環境特點，從多個因素中選擇具有代表性的影響因素作為評價因子。

(3)建立空間數據庫，提取評價范圍內各類評價因子的圖層，圖層包含空間數據與屬性數據。本文中主要采用了北京市平原區地下水（第一含水層）質量分區圖、地面沉降累計沉降量圖、地殼穩定性分區圖、土壤質量分區圖、平原區地下水開采程度分區圖等。

(4)根據評價目標，選擇因子權重的計算方法，確定權重。本文采用層次分析法。

(5)選擇評價的數學模型并計算，本文采用綜合指數模型。

(6)制定評價分級標準，將計算結果按照標準分級，得出評價結果。

評價的流程如圖1所示：

圖1 評價流程圖

2.2 評價因子的選擇

從總體來說, 地質、地形地貌、氣候、水文、植被、地下水、斷裂分布及活動性、地震、巖土體性質、人為活動等都是控制各種地質災害活動的基本條件。但是這些條件在區域的主次地位及所起作用不盡相同, 所以地質環境的評價指標也各異。

通過對北京市地質環境問題的分析和研究，選取地下水綜合質量等級、地下水開采程度分級、地面累計沉降量、土壤環境質量等級、地殼穩定性5個指標作為評價因子。其中，地下水綜合質量等級反映地下水的質量程度，地下水開采程度分級反映地下水的開采狀況對地質環境的影響程度，地面累計沉降量反映平原區地質災害的易發程度，土壤環境質量等級反映土壤受污染的程度，地殼穩定性反映活動斷裂、地裂縫等對環境的影響程度。各評價因子的指數分級標準見表1。

表1 各評價因子的指數分級標準

2.3 評價方法的確定——層次分析法（簡稱AHP）

在地質環境綜合評價中，權重反映不同評價因子間重要性程度的差異，權重的確定需要一個合理的完整的定權方法體系。層次分析法的指標權重是在重要性判斷矩陣的基礎上計算得到的并且可以分層確定，這極大減少了傳統的人為定權的主觀因素偏差和干擾。該法不僅沒有削減原始要素的信息量，而且保持了指標權重判斷的一致性，尤其適用于地質環境評價研究。

其基本思路是：①將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則的順序分解為不同的層次結構。②采用Satty標度法構造兩兩相比判斷矩陣。③計算矩陣的最大特征值及其對應的特征向量。④對層次排序及一致性進行檢驗。若滿足一致性要求，即認為計算的最大特征根合理，其對應的特征向量即為要素權重，否則重新構造判斷矩陣，反復計算至合理為止。

本文采用該法確定權重，評價因子及判斷矩陣如表2所示。

表中數值按照5個因子的相互關系，根據Satty標度法賦值，取值范圍為1～9。以地殼穩定性與地下水綜合質量等級之間關系為例，認為地殼穩定性相對于地下水綜合質量等級而言，前者比后者明顯重要，因此標度取值為3。矩陣的其他取值類似。

確定判斷矩陣之后，需進行一致性和隨機性檢驗，

式中: C.I為一致性指標，n為矩陣階數，λ_m ax為最大特征根，R.I為平均隨機一致性指標，C.R為隨機一致性比率。當C.R＜0.10時，判斷矩陣才具有滿意的一致性，認為計算所得的權值是合理的。否則，調整判斷矩陣, 直到取得滿意的一致性為止。

經計算，各評價因子的權值如表3所示：

2.4 數學模型選擇——綜合指數法

本文采用綜合指數模型，先確定單個評價因子的指數，再按照表2-1中的分級標準給所有的評價因子賦予相應的分指數，再加權求和，計算地質環境綜合指數，計算公式如下：

表2 各因子的判斷矩陣

表3 各評價因子的權重計算結果

其中，S為綜合指數，iU為各個評價因子的分指數（取值根據表1），iW為各個因子的權重值（取值根據表3），n為評價因子的總數，本文中n=5。

2.5 評價分級標準

根據計算所得的綜合指數，將北京市地質環境質量從優到差分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 4個級別。分級計算標準如表4所示，其中m ax表示綜合指數的最大值。

3 應用北京城市地質安全保障服務系統的評價實現及結果分析

應用北京城市地質安全保障服務系統的專業分析系統，對各評價因子進行單指標評價，獲取相應的評價分區圖，并按照分級標準，分別賦予各因子相應的分指數。再將各圖層導入地質環境質量評價模塊（圖2、圖3），給定判斷矩陣及分級標準，通過疊加分析與計算，最終得到評價結果（圖4）。

圖2 地質安全質量綜合評價因子導入——地面累計沉降量圖

圖3 地質安全質量綜合評價因子導入——地下水綜合質量等級圖

圖4 系統應用評價結果示意圖

（1）評價為Ⅰ級（優）的地區：基本無環境地質問題，地殼穩定性好；基本無地面沉降發生；地下水質量、土壤質量指標均為優。適宜城市發展建設，發展生態旅游及農林業。主要分布于密云縣、昌平區、門頭溝區、房山區及平谷區周邊。

表4 北京地質環境質量安全綜合評價等級表

（2）評價為Ⅱ級（良）的地區：存在地面沉降，但程度輕微；基本無活動斷裂分布；地下水質量和土壤質量較好。該區適宜城市發展建設，適宜農業及林業發展。主要分布于懷柔區、密云縣、順義區、昌平區、豐臺區、大興區、海淀區的部分地區。

（3）評價為Ⅲ級（中）的地區：存在一定程度的地面沉降或存在活動斷裂分布；存在一定程度的地下水污染和土壤污染，但危害較為輕微。該區較適宜城市發展建設，較適宜地下空間開發利用和綠化建設。主要分布于東城區、西城區、朝陽區、昌平區、通州區及大興區。

（4）評價為Ⅳ級（差）的地區：存在活動斷裂及地裂縫的分布；地面沉降災害嚴重；存在一定程度的地下水污染、垃圾污染及土壤污染。該區不適宜大型工程建設，應主要作為城市綠化用地、城市休閑功能區進行建設。主要分布于昌平區、順義區、平谷和通州區。

4 結論

對比以往地質工作成果，本文應用北京城市地質安全保障服務系統得到的評價結果較為客觀的反映了實際情況，為今后北京地質環境綜合質量評價工作更加方便、高效和準確奠定了良好的基礎。地質環境質量的影響因素很多,它們既有其相對獨立的特殊性，又客觀存在著相互關聯、相互影響的必然性和普遍性，人為認識也是評價結果的重要影響因素。隨著各地質專業工作程度的不斷加深、更多評價方法及模型的應用對比以及系統數據庫的不斷更新完善，該系統評價結果的準確性及精確程度將會得到不斷提高，從而對城市建設及規劃將更加具有實際參考價值。

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［7］北京市地質礦產勘查開發局、北京市地質研究所.北京地質災害［M］.中國大地出版社.2008.

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［10］顏世強，孟慶峰，董三強.基于GIS 的德州市地質環境質量綜合評價［J］.中國礦業，2004，13（5）：17～19.

Com prehensive Geological Environment Assessment based on Beijing Geological Security Service System

LI Xiao, LI Jia

(Beijing Geological Survey, Beijing 100195)

According to the characteristics of the geological environment of Beijing, we have applied Beijing Geological Security Service System to evaluate the comprehensive geological environment quality of Beijing plain, and put forward to some corresponding suggestions for the planning and utilization.

Geological environment assessment；AHP；Composite index method；GIS

X820.2

A

1007-1903（2015）01-0043-05