基于ArcGIS的地下空間資源稟賦評價

周丹坤 李曉昭 常曉軍 葛偉亞

摘? 要：受地質(zhì)條件天然變異性的影響，地下空間資源的稟賦在不同地區(qū)是存在差異的。為充分發(fā)揮地下空間資源對城市可持續(xù)發(fā)展的支撐作用，有必要在制定相關(guān)的開發(fā)利用規(guī)劃之前，對其稟賦情況做出評價。在丹陽市綜合地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析評價了地殼穩(wěn)定性、巖土體組合和地下水特征對地下空間資源稟賦的影響，進而采用多因素綜合決策中的得分法，基于ArcGIS平臺獲得了研究區(qū)地下空間資源稟賦的評價結(jié)果。結(jié)果表明：丹陽市30m以淺地下空間資源稟賦較好的地區(qū)，主要位于市區(qū)東北部和司徒鎮(zhèn)西部的崗地區(qū)，云陽—陵口—呂城一帶軟弱的粘性土和富水的砂層共存，地下空間資源的稟賦較差，水晶山—七峰山一帶的基巖區(qū)為特殊地下空間資源稟賦區(qū)。

關(guān)鍵詞：地下空間;稟賦評價;得分法;ArcGIS

中圖分類號：P208;TU984.113? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1007-1903（2019）03-0014-07

Evaluation on Underground Space Resources in Danyang City

based on ArcGIS

ZHOU Dankun1， LI Xiaozhao1， CHANG Xiaojun2， GE Weiya2

（1. School of Earth Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210023;

2. Nanjing Center of China Geology Survey， Nanjing 210016）

Abstract： Influenced by the natural variability of geological conditions， the underground space resources vary in different regions. In order to give full play to the supporting role of underground space resources for sustainable urban development， it is necessary to evaluate the underground space resources before formulating relevant development and utilization plans. Based on the comprehensive geological survey in Danyang City， the effects of crustal stability， rock-soil composition and groundwater characteristics are analyzed and evaluated. Then， the evaluation results of underground space resource in the study area are obtained by using the scoring method based on ArcGIS platform. The results show that the area with better shallow underground space resources in Danyang City is mainly located in the northeastern part of the urban area and the western part of Situ Town. The underground space resources are poor in Yunyang-Lingkou-Lucheng area caused by the weak clay and water-rich sand. And the bedrock area of the Shuijing-Qifeng Mountain area is a special kind of underground space resources.

Keywords： underground space; evaluation of underground space resources; scoring method; ArcGIS

0 引言

1982年聯(lián)合國自然資源委員會將地下空間列為“潛在而豐富的自然資源”。通過開發(fā)利用地下空間可以在不增加地表用地的情況下，為城市基礎(chǔ)設(shè)施（市政、交通、倉儲等）提供安置空間，增加城市容量，是解決土地資源緊張、交通擁堵和生態(tài)環(huán)境惡化等“城市病”的重要途徑。在戰(zhàn)爭和某些災(zāi)害情況下，還可作為應(yīng)急避難場所，發(fā)揮防災(zāi)減災(zāi)的功效（童林旭，2004;王成善等，2019）。受地質(zhì)條件天然變異性的影響，地下空間資源的稟賦在不同地區(qū)是存在差異的。長江邊有一地下冷庫，埋置于孔隙度大、含水量高、強度低的土體中。由于工程地質(zhì)條件差，施工時因塌方造成傷亡事故;竣工后開始降溫不久，庫壁又嚴重鼓脹和開裂，致使該冷庫剛建成就報廢，浪費60多萬元（李相然等，1995）。倫敦地下的硬粘土層（London Clay）為倫敦地鐵的建設(shè)提供了理想通過層（Sterling et al，2000）。加拿大蒙特利爾久負盛名的地下城開發(fā)在別的地區(qū)難以復(fù)制，也跟其特殊的地質(zhì)條件有關(guān)。為充分發(fā)揮地下空間資源對城市可持續(xù)發(fā)展的支撐作用，有必要在制定相關(guān)的開發(fā)利用規(guī)劃之前對地下空間資源的稟賦做出評價。關(guān)于地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境適宜性，已有不少學(xué)者開展了相關(guān)的研究（歐剛，2008;童林旭等，2009;彭健等，2010;吳文博等2013;胡學(xué)祥，2014，夏友等，2014）。由于地質(zhì)環(huán)境因素具有復(fù)雜性和地域特色，且受評價人員專業(yè)背景的制約，影響地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素并沒有統(tǒng)一規(guī)范的劃分體系。本文依托丹陽市水工環(huán)綜合地質(zhì)調(diào)查的成果，從地殼穩(wěn)定性、巖土體組合和地下水特征3個方面分析了地質(zhì)環(huán)境因素對地下空間資源稟賦的影響，在此基礎(chǔ)上采用多因素綜合評價學(xué)科中經(jīng)典的得分法，基于ArcGIS平臺評價了研究區(qū)地下空間資源的稟賦，服務(wù)于丹陽市地下空間資源的科學(xué)規(guī)劃和合理開發(fā)。

1 研究區(qū)概況

丹陽市位于江蘇省南部，緊鄰滬寧，區(qū)位條件優(yōu)越，歷史上就是長江流域上的經(jīng)濟重鎮(zhèn)。研究區(qū)位于長江三角洲后緣，前第四紀地層在地表出露較少，地勢西北高、東南低，以平原為主。第四紀沉積物在地表分布廣泛，在東部平原區(qū)厚度一般為70～150m。區(qū)內(nèi)第四系覆蓋區(qū)又可分為山前崗地、北部長江沖積平原區(qū)和南部太湖沖湖積平原區(qū)。丹陽市具有穩(wěn)固的結(jié)晶基底及厚度較大的蓋層，新構(gòu)造時期無顯著的構(gòu)造運動?？紤]到當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展水平和對地質(zhì)資料的掌握程度，本次評價為30m以淺的深度范圍，其三維地層模型見圖1。

2 影響地下空間資源稟賦的地質(zhì)環(huán)境因素分析

影響地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素可概括為構(gòu)造地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)4個方面。從丹陽的地質(zhì)背景出發(fā)，抓住影響地下空間開發(fā)的地質(zhì)環(huán)境因素中的主要方面（區(qū)域內(nèi)區(qū)分度不明顯的因素不予考慮），兼顧評價實際操作的可行性（難以獲取的且對評價最終結(jié)果影響不大的因素不予考慮），選取地殼穩(wěn)定性、巖土體組合情況和地下水特征作為本次評價所考慮的地質(zhì)環(huán)境影響因素。

2.1 地殼穩(wěn)定性因素

地殼表層不同地區(qū)的活動程度是不同的，空間上有些地區(qū)是比較穩(wěn)定的，有些地區(qū)是比較活動的（彭建兵，2006）。地下工程穿越構(gòu)造活動區(qū)時對施工工藝有更高的要求，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險也更高。根據(jù)活動斷層與區(qū)域地殼穩(wěn)定性調(diào)查評價規(guī)范（DD-2015-02），獲得區(qū)域穩(wěn)定性的評價結(jié)果如圖2a所示。丹陽市整體處于地殼穩(wěn)定區(qū)，僅在延陵鎮(zhèn)、訪仙鎮(zhèn)及界牌鎮(zhèn)一帶劃分出面積較小的次穩(wěn)定區(qū)。顯然，地下空間資源的稟賦在地殼穩(wěn)定性較好的地區(qū)要優(yōu)于穩(wěn)定性較差的地區(qū)。

2.2 巖土體組合因素

地下空間從設(shè)計、施工和運營的整個生命周期都離不開巖土體屬性的制約。一方面地下空間的建成需要通過開挖巖土體實現(xiàn)，另一方面地下空間建成后以巖土體為賦存環(huán)境。以收集到的丹陽市137個標準化的鉆孔資料為依據(jù)，研究區(qū)可劃分為9個巖土組合單元（表1）。

綜合前人的研究成果，關(guān)于巖土體組合對地下空間開發(fā)的影響有以下共識（王夢恕等，2008;嚴學(xué)新等，2004;葛偉亞等，2015;韓文峰等，2000）：①地質(zhì)條件越簡單、巖土結(jié)構(gòu)越均一，越有利于地下空間的開發(fā);②基巖區(qū)較松散沉積物區(qū)更有利于地下空間的開發(fā);③存在軟弱土層不利于地下空間的開發(fā);④存在松散飽水的砂土層不利于地下空間的開發(fā)。按表2可將巖土體組合對地下空間開發(fā)的影響劃分為有利、一般、不利、很不利4個區(qū)域（圖2b）。低山丘陵和崗地區(qū)的巖土屬性對地下空間的開發(fā)較為有利，云陽、陵口和呂城一線不僅存在軟弱的粘性土層，還有較為富水的砂層，不利于地下空間的開發(fā)。顯然，地下空間資源的稟賦在巖土體組合有利的地區(qū)要優(yōu)于巖土體組合不利的地區(qū)。

2.3 地下水特征因素

地下水是地下工程建設(shè)中普遍存在且需要特別考慮的地質(zhì)環(huán)境因子。水位、水量、水質(zhì)為影響地下空間開發(fā)的三個關(guān)鍵方面。研究區(qū)30m以淺為孔隙潛水含水層，總體水位變幅不大，區(qū)域上不具備分區(qū)意義，因此地下水對地下空間開發(fā)的影響劃分將主要考慮水量和水質(zhì)因素。

基于收集和調(diào)查獲取的單井涌水量指標，可將研究區(qū)的富水性劃分為差、較差、一般、較好4個區(qū)域（圖2c）?；谑占驼{(diào)查獲取的水質(zhì)資料（主要為Cl-和SO4的濃度），根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021-2001）中地下水對混凝土結(jié)構(gòu)物和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性分類標準，可獲得地下水對地下結(jié)構(gòu)的腐蝕性分區(qū)（圖2d）?？傮w而言，丹陽市濱江一帶和太湖沖湖積平原的南部富水性相對較好，且大部分區(qū)域的地下水對地下結(jié)構(gòu)只有微弱的腐蝕性。顯然，地下空間資源的稟賦在地下水富水性差、腐蝕性微弱的地區(qū)要優(yōu)于富水性強、腐蝕性強的地區(qū)。

3 得分法在地下空間資源稟賦評價中的應(yīng)用

地下空間資源稟賦的優(yōu)劣評價需要綜合權(quán)衡以上多個影響因素做出判斷，屬于典型的多因素綜合決策問題。得分法（Scoring methods），又稱簡單加權(quán)法（Simple Additive Weighting， SAW），是一種經(jīng)典實用的多因素綜合決策方法（Afshari et al，2010;Montibeller，2010）。其原理為：對影響評價結(jié)果的多個因素，按照一定的標準將各個影響因素的屬性特征轉(zhuǎn)化為數(shù)字表征的格式，并按各因素對評價結(jié)果的影響程度賦予權(quán)重值，最終通過疊加計算求得評價對象的總得分作為判斷評價對象優(yōu)劣的依據(jù)。得分法的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：j為評價對象的編號;m為評價因素的總個數(shù);Sj為第j個評價對象的總得分;rij為第j個評價對象中第i個評價因素的標準值;wi為第i個評價因素在綜合評價中的權(quán)重值。

3.1 評價因素標準值的確定

由得分法的數(shù)學(xué)模型可知，各評價因素的標準值是決定最終評價結(jié)果的關(guān)鍵之一。確定評價因素標準值的基本原則是：不同評價因素在相同影響等級處對評價結(jié)果產(chǎn)生相同的影響。無論是定性指標還是定量指標，在評價分析中都需要通過標準化的方式，把指標轉(zhuǎn)化為能夠反映其影響等級的標準值。本次研究中，各評價因素的標準值可對照表3確定。

3.2 評價因素權(quán)重值的確定

由得分法的數(shù)學(xué)模型可知，各評價因素的權(quán)重值是決定最終評價結(jié)果的關(guān)鍵之二。根據(jù)以往評價經(jīng)驗，適宜采用Thomas Saaty創(chuàng)建的層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）來確定權(quán)重（Saaty，2008）。使用AHP的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是建立判斷矩陣，但是由于專家對問題認識的多樣性，時有一致性檢驗不通過的情形。針對這個問題，最優(yōu)傳遞矩陣法是一種對群體判斷矩陣進行擬合優(yōu)化處理的方法（王應(yīng)明，1991），通過構(gòu)造滿足一致性要求的最優(yōu)傳遞矩陣，可在真實傳達各專家原始判斷信息的基礎(chǔ)上，避免一致性檢驗不通過的情況。通過咨詢南京大學(xué)地下空間與地質(zhì)環(huán)境研究所、中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心和丹陽市建筑設(shè)計院4位相關(guān)領(lǐng)域的專家，獲得了4份專家咨詢表（表4），采用改進的AHP計算出地殼穩(wěn)定性、巖土體組合、地下水富水性和地下水腐蝕性在地下空間資源稟賦評價中的權(quán)重值分別為0.4649、0.2424、0.2075和0.0852。

4 ArcGIS平臺對地下空間資源稟賦評價的支撐

本次評價中，利用ArcGIS平臺完成了評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、評價單元的劃分和屬性賦值以及評價結(jié)果的輸出。具體實施過程如下（圖3）：

（1）評價基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的建立：把研究區(qū)的基礎(chǔ)矢量地圖導(dǎo)入ArcMap，再把前文中影響地下空間資源稟賦的地質(zhì)環(huán)境因素分析結(jié)果，尤其是各因素影響程度的分區(qū)界線導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中。當單因素的分區(qū)結(jié)果為圖片格式時，需要使用Georeferncing工具對圖片進行空間校正，并使用繪圖工具創(chuàng)建矢量化的分區(qū)界線，以便于后續(xù)評價單元的劃分。

（2）評價單元的劃分和屬性賦值：采用各個單因素的分區(qū)界線切割整個研究區(qū)的方式劃分評價單元（圖4），避免了屬性賦值時在一個評價單元內(nèi)出現(xiàn)多個屬性值的現(xiàn)象。

（3）評價單元總得分的計算：在評價單元屬性表中，對各個評價單元的多個屬性值進行加權(quán)求和，即為評價單元的總得分（圖5）。

（4）評價結(jié)果的輸出：以各評價單元的總得分為基礎(chǔ)，設(shè)立分區(qū)界限值，整飾圖面后導(dǎo)出評價結(jié)果（圖6）。

5 結(jié)論和存在的問題

5.1 結(jié)論

本文依托丹陽市綜合地質(zhì)調(diào)查的成果，分析評價了影響地下空間資源稟賦的主要地質(zhì)環(huán)境因素，基于ArcGIS平臺采用得分法獲得了研究區(qū)地下空間資源稟賦的評價結(jié)果。取得的主要認識如下：

（1）為充分發(fā)揮地下空間資源對城市可持續(xù)發(fā)展的支撐作用，有必要在制定相關(guān)的開發(fā)利用規(guī)劃之前對地下空間資源的稟賦做出評價。

（2）丹陽市30m以淺地下空間資源稟賦較好的地區(qū)主要位于市區(qū)東北部和司徒鎮(zhèn)西部的崗地區(qū)，為結(jié)構(gòu)均一的下蜀組硬粘土分布區(qū);云陽—陵口—呂城一帶軟弱的粘性土和富水的砂層混雜，地下空間資源的稟賦較差;山體和坡地區(qū)的地下工程較平原區(qū)具有不需要額外的開挖工程深入地下、自然通風(fēng)和重力排水等優(yōu)勢，且?guī)r體較土體更有利于開發(fā)規(guī)模較大的地下空間。在被廣袤第四紀土體所覆蓋的研究區(qū)，水晶山—七峰山一帶的基巖區(qū)為特殊地下空間資源稟賦區(qū)。

（3）采用得分法可簡明快捷地對區(qū)域地下空間資源的稟賦做出評價?？墒褂米顑?yōu)傳遞矩陣法對層次分析法進行改進，避免了確定權(quán)重時出現(xiàn)一致性檢驗不通過的情形。

（4）ArcGIS可為地下空間資源稟賦評價的整個流程提供有效的平臺支撐。

5.2 存在的問題

本文在評價指標的選擇上存在兩個問題：①地殼穩(wěn)定性指標的獲得需要綜合考慮眾多地質(zhì)環(huán)境因素，與本文選取的其它評價指標有所重合;②評價指標的選取較為簡單。此外，文中專家打分表的數(shù)目偏少。這些問題在后續(xù)工作中有待加強。

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