城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價方法研究
——以合肥市濱湖新區(qū)為例

郝英紅，李曉暉*，陳忠良,3，竇帆帆，彭 輝，秦 陽

(1.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省礦產(chǎn)資源與礦山環(huán)境工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230009；3.安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001)

0 引言

城市地下空間作為城市發(fā)展的重要儲備資源，對其合理開發(fā)利用可有效緩解城市地上空間資源緊張問題。但城市地下空間開發(fā)利用既受到地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量制約[1]，又會造成一系列環(huán)境地質(zhì)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)問題[2]。因此，在大規(guī)模開發(fā)城市地下空間前，需對其地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進行綜合評價，為城市規(guī)劃和工程建設(shè)提供決策依據(jù)[3，4]。目前，國內(nèi)外學者基于二維評價方法，綜合巖土體及水文、環(huán)境地質(zhì)等要素對地下空間開發(fā)的影響，對地下空間開發(fā)適宜性評價進行了相關(guān)研究[5-10]，其中，具有三維屬性的評價數(shù)據(jù)被投影至二維空間會造成三維空間信息丟失等問題，顯著影響評價結(jié)果的精細度，深度方向分辨率太低則影響評價結(jié)果的實用性和應(yīng)用范圍。因此，城市地下空間開發(fā)環(huán)境質(zhì)量評價逐步從二維轉(zhuǎn)向三維。例如：吳立新等采用模糊評估模型和基于Grid +Voxel的基本單元體劃分方法，對北京CBD進行地下空間資源質(zhì)量評估[11]；葉菁等基于 Voxel模型對佛山市東平新城區(qū)進行三維剖分，建立斷裂面的三維緩沖區(qū)，實現(xiàn)了城市地下空間資源三維質(zhì)量評價[12]；方寅琛等基于三維地質(zhì)模型，根據(jù)自然、社會經(jīng)濟等條件，采用二/三維數(shù)據(jù)耦合評價模式對嘉興市地下空間開發(fā)適宜性進行評價[13]；Hou等結(jié)合三維地質(zhì)模型，基于層次分析法和可變模糊集理論對地下空間的綜合質(zhì)量進行分析評價[14]。

已有研究表明，城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價具有廣闊前景，但作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐的三維地質(zhì)建模方法[15，16]則有待加強；此外，三維空間分析方法的應(yīng)用和研究較為有限，三維地質(zhì)模型有待采用更多三維空間分析方法進行深入挖掘，以獲得更為充分的三維評價因子。三維隱式建模方法具有融合多源數(shù)據(jù)和快速檢驗更新模型能力，能夠更為合理地構(gòu)建三維地質(zhì)模型[17]，近年來受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用[18]，可為地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。因此，本文融合三維隱式地質(zhì)建模方法、三維空間分析方法(三維空間統(tǒng)計分析、三維距離場分析)、AHP層次分析[19]和多級指數(shù)疊加[10]等方法，以合肥市濱湖新區(qū)為例，開展地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價研究。

1 地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價方法

本文城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價方法流程如圖1所示。1)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價模型構(gòu)建。 基于研究區(qū)地下空間地質(zhì)、工程特點，從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等方面提取地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境制約要素，并參考相關(guān)研究成果和國家標準對要素指標進行地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分級，完成評價模型構(gòu)建。2)三維隱式地質(zhì)建模。三維隱式地質(zhì)建模方法能夠有效融合研究區(qū)地表填圖、剖面地質(zhì)圖件、鉆孔數(shù)據(jù)、DEM等多源、多維地質(zhì)信息建立三維工程地質(zhì)模型、三維水文模型等[20]，可基于泛協(xié)克里格法[18]、徑向基函數(shù)法[21]等對地質(zhì)體表面進行快速計算模擬，實現(xiàn)在鉆孔等增量數(shù)據(jù)更新情況下對已建立的地質(zhì)模型進行快速更新。3)三維空間分析。三維空間分析是地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價研究的關(guān)鍵，三維地質(zhì)模型需依靠多種三維空間分析方法挖掘三維評價數(shù)據(jù)，豐富三維綜合評價結(jié)果的內(nèi)涵。本文利用三維插值分析、三維空間統(tǒng)計分析、三維距離場分析、三維空間拓展分析等方法對三維地質(zhì)模型進行信息分析、提取，建立三維評價數(shù)據(jù)集。4)三維綜合評價。首先基于AHP層次分析法[19]對評價因子進行確權(quán)，包括建立層次結(jié)構(gòu)模型(構(gòu)成對比矩陣)、計算權(quán)向量(需滿足一致性檢驗)、計算組合權(quán)向量(需滿足組合一致性檢驗)[22]。考慮到多級指數(shù)疊加法[10]能夠直觀反映各評價因子的影響程度，本文采用該模型(式(1))進行三維綜合評價。

圖1 地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價方法流程Fig.1 Workflow of 3D evaluation method of geological environment quality for underground space development

(1)

式中：uij、wij分別為第i個主題層中第j個因子的值和權(quán)重；wi為第i個主題層的權(quán)重。

2 實例研究

2.1 研究區(qū)概況

合肥市國家級濱湖新區(qū)是合肥市重點建設(shè)區(qū)塊，目前濱湖新區(qū)已規(guī)劃多條地鐵線路和多項地下工程，地下空間對于濱湖新區(qū)未來的規(guī)劃和發(fā)展具有重要意義。濱湖新區(qū)位于合肥市巢湖以北(圖2)，區(qū)內(nèi)河流均通過巢湖匯入長江。根據(jù)地表形態(tài)、成因及巖性，將濱湖新區(qū)分為波狀平原(崗地和坳谷相間)和平坦平原[23]，前者分布在區(qū)域西、北部，后者分布在東南部和河流兩側(cè)。濱湖新區(qū)地質(zhì)基巖為古近系定遠組，其上覆蓋第四系松散沉積物，由老到新劃分為中下更新統(tǒng)滾子河組、上更新統(tǒng)下蜀組和全新統(tǒng)蕪湖組[23]，區(qū)域斷裂構(gòu)造主要為北東—北北東向、北西—北北西向和近東西向三組。根據(jù)綜合分析，濱湖新區(qū)內(nèi)部基巖土按地層時代自上而下分為工程地質(zhì)層(1)、(2)、(3)、(4)，在此基礎(chǔ)上再劃分為14個亞層(表1)[23]，其中(1)-2層為近淤泥質(zhì)軟土層，不利于地下空間開發(fā)。

圖2 研究區(qū)位置及工程地質(zhì)層分布Fig.2 Location of the study area and its engineering geological layer distribution

表1 濱湖新區(qū)工程地質(zhì)概況Table 1 General situation of engineering geology in Binhu New District

2.2 三維評價模型構(gòu)建

已有研究認為工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)體條件是影響地下空間地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因素[8，24-26]。針對濱湖新區(qū)地質(zhì)特征及數(shù)據(jù)情況，本文選取上述4個因子作為三維評價模型的一級評價因子，在此基礎(chǔ)上選取壓縮模量、內(nèi)摩擦角、含水層厚度、含水層距離場、承壓水層頂板埋深、斷裂距離場、基巖面埋深、軟土層厚度和軟土層距離場9個因子作為二級評價因子，各因子可通過不同的三維空間分析方法提取，進一步根據(jù)文獻[24-27]對評價因子進行分級，其中I級地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量最好，IV級地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量最差(表2)。

表2 城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價因子及其標準分級Table 2 3D evaluation factors at all levels and their standard classification of geological environment quality for urban underground space development

2.3 三維隱式地質(zhì)建模

依據(jù)研究區(qū)地表填圖、鉆孔數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)，基于三維隱式建模軟件GeomodellerTM對濱湖新區(qū)進行三維地質(zhì)建模，包括建立層組序列、多維地學數(shù)據(jù)(鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)平面、剖面數(shù)據(jù))約束、建模計算和模型校驗等步驟。基于鉆孔數(shù)據(jù)和地質(zhì)平面數(shù)據(jù)構(gòu)建模型后，利用后期收集的剖面數(shù)據(jù)對基于鉆孔數(shù)據(jù)的建模結(jié)果進行校驗和修正，構(gòu)建的濱湖新區(qū)三維工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型和三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型如圖3、圖4所示。相較于以往的顯式建模方法，三維隱式建模方法能夠融合多源多維地質(zhì)信息，提高地質(zhì)模型的可靠程度；同時能夠?qū)Τ跏冀＝Y(jié)果進行快速校驗和修正，在添加新數(shù)據(jù)后，只需重新進行數(shù)值計算即可實現(xiàn)對三維地質(zhì)模型的快速更新。

圖3 研究區(qū)三維工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Three-dimensional engineering geological structure model of the study area

圖4 研究區(qū)三維水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Three-dimensional hydrogeological structure model of the study area

2.4 三維空間分析

為開展三維空間分析及三維綜合評價，對上述三維地質(zhì)模型進行離散單元化處理。已有研究[23]表明，對研究區(qū)地下工程影響較大的軟土層厚度通常為0.8～2.9 m，為更好地表征該因子，同時考慮數(shù)據(jù)密度、評價結(jié)果的實用性以及三維空間分析和計算機軟硬件條件限制，將三維地質(zhì)模型離散化為50 m×50 m×1 m的規(guī)則矩形塊體單元，離散化后的單元數(shù)量約2 000萬個。三維空間分析方法能有效挖掘三維地質(zhì)模型蘊含的信息，使得深度方向上的信息更為豐富和有效，故基于離散化后的三維地質(zhì)模型，進一步采用三維插值分析、三維空間統(tǒng)計分析、三維距離場分析等方法構(gòu)建三維評價數(shù)據(jù)集(圖5，彩圖見封2)。上述三維空間分析及后續(xù)三維綜合評價均采用基于SurpacTM軟件二次開發(fā)的“城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價系統(tǒng)(UUSDA3D)”完成。

圖5 各評價因子三維空間分析結(jié)果Fig.5 Results of three-dimensional spatial analysis of each evaluation factor

2.5 三維綜合評價

通過AHP法建立各層次評價因子判斷矩陣，得到矩陣一致性比率CR=0.00033<0.1，表明該判斷矩陣滿足一致性條件，進而計算得到各評價因子的綜合權(quán)重。其中，權(quán)重wB=(0.078，0.238，0.172，0.512)，wC=(0.026，0.052，0.025，0.151，0.062，0.115，0.057，0.171，0.341)，表明合肥市濱湖新區(qū)不良地質(zhì)體條件B4對地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的影響最大，其中又以軟土層距離場C9的影響最為顯著。

基于確權(quán)結(jié)果和三維評價數(shù)據(jù)集，采用多級指數(shù)疊加法進行地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評價，得到各分層的三維評價結(jié)果(圖6，彩圖見封2)。從圖6可知，研究區(qū)的淺層開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量一般，主要受斷裂和下伏軟土層影響，研究區(qū)東北部、南部(A、D、E區(qū)域)存在較厚軟土層，并有多條斷裂部分切穿松散堆積層底部，導(dǎo)致以上區(qū)域在淺層深度范圍內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差，地下空間的開發(fā)難度和成本顯著增加；而B、C區(qū)域受軟土和斷裂影響較弱，開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較好。研究區(qū)中層開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量總體較好，主要受含水層和斷裂距離場影響，E區(qū)域距離含水層較近且位于斷裂核心影響區(qū)域，開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差，其余地區(qū)(A、B、C、D)距離斷裂較遠且受含水層影響較弱，開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較好。深層區(qū)域主要為基巖區(qū)，受基巖面埋深影響明顯，由于研究區(qū)基巖面埋深淺且變化小，整體較適宜開發(fā)。

圖6 三維綜合評價結(jié)果Fig.6 Three-dimensional comprehensive evaluation results

總體而言，濱湖新區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價等級大部分為I級和II級， III級和IV級分布范圍較小，地質(zhì)環(huán)境總體較好；從垂向分層看，深層區(qū)域開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量最好，中層區(qū)域除部分區(qū)域外普遍質(zhì)量較好，淺層區(qū)域部分地區(qū)質(zhì)量較差，在地下空間開發(fā)時需格外關(guān)注。評價結(jié)果顯示，由三維隱式地質(zhì)建模、三維空間分析、綜合評價等方法組成的城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價方法能夠顯著提高評價結(jié)果的深度方向分辨率，同時基于三維評價結(jié)果可進一步獲取特定深度、特定范圍內(nèi)的評價結(jié)果，提高了評價結(jié)果的實用性。

3 結(jié)論

本文通過選取合適的評價因子構(gòu)建了三維評價模型，同時融合三維隱式地質(zhì)建模、多種三維空間分析和三維綜合評價等技術(shù)方法，構(gòu)建城市地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價方法。以合肥市濱湖新區(qū)為實例的研究顯示，該方法能夠有效反映地下任意空間位置的評價結(jié)果，清晰描述地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)域的總體分布、變化狀況以及相關(guān)地質(zhì)限制條件，提高了評價結(jié)果的深度方向分辨率和客觀性。合肥市濱湖新區(qū)地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量總體良好，但淺層局部區(qū)域開發(fā)需加強工程管理，評價結(jié)果可為城市地下空間精細規(guī)劃及可持續(xù)開發(fā)利用提供方法依據(jù)。

由于數(shù)據(jù)收集的局限性，未來可進一步融合土質(zhì)均勻性、地下水質(zhì)量等三維評價因子，豐富地下空間開發(fā)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量三維評價模型，使評價體系更全面。另外，本文選用知識驅(qū)動的層次分析法進行評價因子確權(quán)，使得評價結(jié)果受主觀性影響較大，今后可采用知識和數(shù)據(jù)綜合驅(qū)動的方式確權(quán)，同時采用模糊綜合評價等模型進行綜合評價和對比分析，從而得到更客觀、精細的評價結(jié)果。