宋玉鵬,孫永福,杜 星,劉曉瑜,王振豪,曹成林
(1.自然資源部第一海洋研究所,山東青島 266061;2.國家深?;毓芾碇行模綎|青島 266237)
隨著海洋資源開發(fā)、海洋工程建設(shè)的日益發(fā)展,海洋地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險評價顯得尤為重要。海洋地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃是區(qū)域性海洋地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價的基礎(chǔ),可為海洋開發(fā)規(guī)劃、工程建設(shè)及綜合管理提供科學(xué)依據(jù)[1]。
由于影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生及危害程度的各因素之間的關(guān)系極為復(fù)雜,且各因素的量化也較為困難,因此在地質(zhì)災(zāi)害危險性評估中,影響評價結(jié)果準(zhǔn)確性、科學(xué)性的關(guān)鍵是評價指標(biāo)的選擇以及權(quán)重確定的合理性[2]。目前對權(quán)重的確定方法主要分為主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法兩類,較為常見的評價模型主要有:模糊綜合評判法、層次分析法(AHP)、灰色聚類法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、綜合指數(shù)法、多元統(tǒng)計法等[3]。AHP 是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法,適用于目標(biāo)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且缺乏必要數(shù)據(jù)時使用,將復(fù)雜問題中的各種因素以某種相互關(guān)聯(lián)的有序?qū)哟问怪畻l理化,為分析、決策、預(yù)測或控制事物的發(fā)展提供可比較的定量依據(jù)[4?5]。因此本文基于AHP 建立評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型與權(quán)重計算,使區(qū)劃結(jié)果更為科學(xué)準(zhǔn)確。
自20世紀(jì)90年代以來,國內(nèi)一些學(xué)者針對我國部分海域的地質(zhì)災(zāi)害分區(qū)問題相繼開展了研究工作[6?8],而針對渤海海域地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃的研究相對較少,尚缺乏整體性的分析和評價。渤海沿岸地區(qū)是我國國民經(jīng)濟總體規(guī)劃確定的東部沿海戰(zhàn)略重點地區(qū)之一,是我國重要的自然資源“寶庫”。隨著海底資源勘探開發(fā)、海洋工程設(shè)施建設(shè)的逐漸增強,該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的研究工作越來越受到重視。本文基于國家海洋公益科研專項“近海海底地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評價及防控關(guān)鍵技術(shù)研究”的大量調(diào)查工作,以渤海海域為研究區(qū)域,基于AHP 開展地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃研究,既對渤海海域地質(zhì)環(huán)境保護、地質(zhì)災(zāi)害防治及工程開發(fā)活動提供了科學(xué)依據(jù),同時也為開展大尺度海域地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃研究發(fā)展提供借鑒。
渤海為我國東部陸架的淺海盆地,海域總面積約7.7×104km2。黃河、海河、遼河、灤河等高含沙量的河流注入,致使渤海水深較淺(平均水深19m)、地形平緩,從遼東灣、渤海灣和萊州灣3 個海灣向渤海中央淺海盆地及東部渤海海峽傾斜,平均坡降0.13‰,是中國四大海域中坡度最小的海域。渤海海域發(fā)育有豐富的油氣資源,渤海海域盆地兩期構(gòu)造旋回相應(yīng)發(fā)育了沙河街組和東營組兩套優(yōu)質(zhì)烴源巖,郯廬斷裂帶海域部分的長期持續(xù)活動形成了渤海海域盆地大中型油氣田集中分布的油氣富集帶[9]。
渤海海域地質(zhì)災(zāi)害廣泛發(fā)育且類型復(fù)雜多樣,包括海底滑坡、沉積物液化、粉砂流、塌陷、侵蝕淤積、海底沙波等,其成因機制主要為海洋動力誘發(fā)[10]。各類地質(zhì)災(zāi)害與渤海海域的資源開發(fā)利用、工程防護息息相關(guān),嚴重威脅著石油平臺、海底管纜的安全穩(wěn)定。例如2003年,勝利海上油田埕島海域,靠近采油平臺CB12B處的海底沉積物在海洋動力作用下發(fā)生液化擾動,造成兩條海底電纜擊穿中斷[11]。
在海洋地質(zhì)災(zāi)害中,地震也是一個關(guān)鍵因子,而渤海海域地質(zhì)災(zāi)害的成因機制多與海洋動力密切相關(guān),地震相較于風(fēng)暴潮等海洋動力作用發(fā)生頻次較少,因此在本研究中不予以考慮。本次對渤海海域進行地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃,重點關(guān)注水動力引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害,依此對相關(guān)評價因子進行了遴選。遵循科學(xué)性結(jié)合實用性、定性結(jié)合定量、重要性結(jié)合差異性、普遍性結(jié)合可操作性的原則,評價體系設(shè)計為3 個層次,A 層為目標(biāo)層,目標(biāo)是實現(xiàn)對整個研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃;B 層是主題層,共分為4 個主題,分別為海洋水動力條件B1、工程地質(zhì)環(huán)境B2、災(zāi)害地質(zhì)條件B3、人類工程活動B4。C 層為指標(biāo)層,本次評價共確定8 個可量化評價的細化指標(biāo)。評價因子層次見圖1。
圖1 渤海海域海底地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃評價指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The analytical hierarchy model for evaluation index system of geological hazards regionalization in Bohai Sea
本文中各評價因子的指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于國家海洋公益科研專項“近海海底地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評價及防控關(guān)鍵技術(shù)研究”的大量調(diào)查工作。海水動力條件中沖淤狀態(tài)、50年一遇波高、底層流最大流速數(shù)據(jù)來源于海域水深數(shù)據(jù)變化、水動力觀測站等資料的搜集;工程地質(zhì)環(huán)境中的海底土強度、地形坡度來源于海域鉆孔資料及水深數(shù)據(jù);災(zāi)害地質(zhì)條件中的土體易液化程度、已發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)來源為基于波高數(shù)據(jù)與鉆孔取樣土工試驗分析數(shù)據(jù)的數(shù)值計算以及地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查資料;人類工程活動主要來源于海域已有的平臺管線等資料。其中鉆孔資料包含276 個鉆孔數(shù)據(jù),涵蓋了砂土、粉土、粉質(zhì)黏土、黏土四個類別,鉆孔位置見圖2。
圖2 渤海海域鉆孔資料位置圖Fig.2 Locations of drills in Bohai Sea
渤海海域海底地質(zhì)災(zāi)害危險性區(qū)劃評價指標(biāo)分為定量指標(biāo)與定性指標(biāo),定量指標(biāo)可根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計或計算獲得,定性指標(biāo)根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)定性分析量化分級獲取。各項評價指標(biāo)的量化分級過程詳述如下。
2.2.1 海洋水動力條件
(1)沖淤狀態(tài)
沖淤狀態(tài)評價指標(biāo)按年平均沖刷或淤積量進行分級,通過多期次水深調(diào)查對比獲取,具體分級標(biāo)準(zhǔn)為:0.1m 或>0.1m(嚴重沖淤)、?0.1~?0.05m 或0.05~0.1m(中等沖淤)、?0.05~?0.02m 或0.02~0.05m(輕微沖淤)、?0.02~0.02m(動平衡)。
(2)50年一遇波高
水動力條件主要考慮有效波高及最大流速,結(jié)合工程設(shè)施使用周期,選取重現(xiàn)期為50年的有效波高作為分級指標(biāo),分級標(biāo)準(zhǔn)為:0~0.5m(微浪、小浪)、0.5~2.5m(輕浪、中浪)、2.5~4m(大浪)、>4m(巨浪以上)。
(3)底層流最大流速
依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出的渤海海域底層最大流速,按流速值的大小分為4 級,具體流速分級標(biāo)準(zhǔn)為:0~0.5m/s、0.5~1m/s、1~1.5m/s、>1.5m/s。
2.2.2 工程地質(zhì)環(huán)境
(1)海底土體強度
海底土強度主要根據(jù)其承載力大小進行劃分,通過大量的鉆孔及土工試驗數(shù)據(jù)獲取。劃分標(biāo)準(zhǔn)為:<50 kPa、50~80 kPa、80~110 kPa、>110 kPa。
(2)地形坡度
地形坡度主要依據(jù)水深數(shù)據(jù)獲取,具體分級標(biāo)準(zhǔn):<1/2 000、1/2 000~1/1 000、1/1 000~1/200、>1/200。
2.2.3 災(zāi)害地質(zhì)條件
(1)土體易液化程度
海底土體的液化與否主要由土質(zhì)參數(shù)和水動力參數(shù)共同決定,一般黏性土不會發(fā)生液化,因此易液化土層劃分僅限在粉土及砂土中開展,分級標(biāo)準(zhǔn)由50年一遇的波浪作用下計算得到的海底土液化極限深度,根據(jù)液化深度將土體易液化程度分為四級,具體劃分標(biāo)準(zhǔn)為:0~0.5m(不易液化)、0.5~1m(輕微液化)、1~1.5m(中度液化)、1.5~2m(嚴重液化)。
(2)已發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害
依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及收集資料,對研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害進行甄別及劃分,根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害體的密集程度,人工劃分等級。以液化、沖淤等主要地質(zhì)災(zāi)害的為主,疊加海底沙波、淺層氣、滑坡和塌陷等災(zāi)害,確定研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害分布情況,存在多種地質(zhì)災(zāi)害類型的區(qū)域劃分為嚴重災(zāi)害區(qū)。具體分級標(biāo)準(zhǔn)為:無明顯災(zāi)害、存在輕微災(zāi)害、存在中等災(zāi)害、存在嚴重災(zāi)害。
2.2.4 人類工程活動
人類工程活動主要按照海洋工程開發(fā)活動的強、中、弱、無,將其工程影響范圍劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)、潛在影響區(qū)和無影響區(qū)。核心區(qū)主要包括平臺、碼頭、防波堤等工程構(gòu)筑物,以及各類養(yǎng)殖、圍填海、海洋保護區(qū)等已使用海域。自然環(huán)境條件變化對核心區(qū)產(chǎn)生的影響是最需要重視的,由海洋環(huán)境變化引起的災(zāi)害對人類工程活動區(qū)可能造成嚴重影響。核心區(qū)范圍依據(jù)《海籍調(diào)查規(guī)范》中各類用海類型及用海方式綜合劃定,分別在實際工程區(qū)向外擴展20~100m 不等。緩沖區(qū)定義為核心區(qū)外圍一定范圍內(nèi)的區(qū)域,發(fā)生自然地質(zhì)災(zāi)害后該區(qū)域可為實際工程區(qū)起到一定緩沖作用,規(guī)定核心區(qū)向外擴展500m 為緩沖區(qū)。通常情況下在現(xiàn)有工程影響區(qū)500m 以外產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害對人類工程區(qū)影響不大,但嚴重的地質(zhì)災(zāi)害仍可對工程設(shè)施造成影響,故規(guī)定在緩沖區(qū)向外1 km 為潛在影響區(qū)。潛在影響區(qū)邊界距離實際工程設(shè)施邊界已經(jīng)大于1.5 km,一般來說1.5 km 外形成的地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)難以對工程設(shè)施造成影響,故其余區(qū)域為無影響區(qū)。
評價指標(biāo)的確定由AHP 中構(gòu)造的判斷矩陣得到,對同一層次的各因子對上一層次各準(zhǔn)則的相對重要性進行兩兩比較,反復(fù)通過專家咨詢反饋,確定標(biāo)度值,構(gòu)建完成判斷矩陣。首先根據(jù)目標(biāo)建立B 層次的判斷矩陣并計算權(quán)重,其次分別建立C 層的判斷矩陣并計算權(quán)重,最后結(jié)合所有判斷矩陣可計算出每個評價因子占總目標(biāo)的權(quán)重。
通過檢驗公式對所求權(quán)重是否合理進行一致性檢驗,公式為:CR=CI/RI,CI=(λmax?n)/(n?1)。式中CR為一致性指標(biāo),CI為一致性比率,RI為平均隨機一致性指標(biāo),λmax為最大特征根,n 為矩陣階數(shù)。若CR<0.1,則通過一致性檢驗,所求權(quán)重合理。各評價指標(biāo)綜合權(quán)重見表1。
表1 評價指標(biāo)權(quán)重賦值Table 1 The evaluation index and weight for geological hazards regionalization in Bohai Sea
3.1.1 渤海年均沖淤量分級區(qū)劃
渤海絕大部分海域年均沖淤量處于動平衡狀態(tài),年沖淤分級為嚴重的區(qū)域主要集中在渤海灣和萊州灣西側(cè),包括較為活躍的河口以及水動力作用很強的區(qū)域(圖3),如廢棄的黃河水下三角洲北部埕島油田海域、現(xiàn)行黃河河口西南部區(qū)域、曹妃甸南側(cè)沖刷深槽中心位置等,區(qū)域面積不大,且較為集中,主要受河口泥沙淤積和潮流沖刷影響。年沖淤級別為中等的區(qū)域除分布在渤海灣和萊州灣年沖淤嚴重區(qū)域的周邊外,還包括遼東灣東西沿岸,如六股河水下三角洲內(nèi)側(cè)、秦皇島沿岸、溫坨子?xùn)|北外海,以及遼東淺灘潮流沙脊中部區(qū)域和萊州淺灘的頭部。影響其分布規(guī)律的因素與年沖淤嚴重的區(qū)域類似,主要為河口泥沙淤積、潮流沖刷。年沖淤級別為輕微的區(qū)域呈片狀分布,面積一般較大,分布于中等沖淤區(qū)的外圍,此外還有遼東灣灣頂西側(cè)、灤河口至大清河口外海、渤海海峽南部,以及渤海灣、遼東灣中部一些范圍較小的區(qū)域。
圖3 渤海年均沖淤量分級評價圖Fig.3 Grading evaluation of average annual scouring and silting amount in Bohai Sea
3.1.2 渤海50年一遇波高分級區(qū)劃
渤海50年一遇波高按照大小分為4 級,海域中部波高較大,向近岸逐漸減小,波高等值線與岸線和等深線走向一致(圖4)。波高在0.5m 以下的區(qū)域僅分布在黃河三角洲現(xiàn)行河口兩側(cè)和廢棄河口近岸很小的區(qū)域,波高0.5~2.5m 的區(qū)域分布在渤海灣、萊州灣灣頂和遼東灣西部沿岸,沿岸線向海7~10 km,向外波高逐漸增加為2.5~4m 的區(qū)域,岸線30 km 外區(qū)域波高基本都大于4m。
圖4 渤海50年一遇波高分級評價圖Fig.4 Grading evaluation of the wave height in 50-year mean recurrence interval in Bohai Sea
3.1.3 渤海底層最大流速分級區(qū)劃
渤海底層最大流速按照流速大小分為4 個等級(圖5)。遼東灣、渤海灣、萊州灣和中央盆地大部分區(qū)域流速介于0.5~1m/s。流速大于1.5m/s 的區(qū)域規(guī)模較小,有老鐵山水道沖刷槽和曹妃甸沖刷深槽。流速介于1~1.5m/s 的區(qū)域主要在遼東灣東側(cè),遼東淺灘潮流沙脊群到渤海海峽老鐵山水道,分布范圍較大,此外遼東灣雙臺子河口、現(xiàn)行黃河口南側(cè)、廟島淺灘、六股河河口等小塊區(qū)域流速也屬于此范圍。流速小于0.5m/s的區(qū)域分布在遼東灣、渤海灣、萊州灣沿岸,呈與岸線平行的帶狀,寬度一般較窄,與潮灘位置向?qū)?yīng),秦皇島外海流速小于0.5m/s 的區(qū)域范圍較大,最寬處可到20m等深線。
圖5 渤海底層最大流速分級評價圖Fig.5 Grading evaluation of the bottom maximum flow velocity in Bohai Sea
3.1.4 渤海表層土承載力分級區(qū)劃
承載力按照數(shù)值的大小一共分為4 個級別(圖6)。承載力大于110 kPa 的區(qū)域主要分布在渤海海峽、遼東灣中部、萊州灣近岸海域、渤海灣南部等區(qū)域。渤海海峽受北黃海匯入渤海的強流沖刷,底質(zhì)類型多為粗顆粒沉積物,因此承載力較大。其余幾處海域海底沉積物類型也多以砂土為主,故承載力也較大。承載力介于80~110 kPa 之間的區(qū)域多位于承載力大于110 kPa 的區(qū)域周圍。承載力位于50~80 kPa 之間的區(qū)域除了位于上述兩區(qū)域的周邊還位于渤海中部海域。其余地區(qū)是承載力小于50 kPa 的海域,在該海域進行工程設(shè)施的建設(shè)時要進行更多的評估和分析,承載力過小會對工程穩(wěn)定性造成影響。
圖6 渤海海域淺層土承載力分布圖Fig.6 Grading evaluation of the bearing capacity of shallow soil in Bohai Sea
3.1.5 渤海地形坡度分級區(qū)劃
渤海海底地形整體較為平坦,坡度變化不大,中央盆地坡度最小,到3 個海灣內(nèi)部和近岸逐漸增加,遼東淺灘潮流沙脊群坡度最大(圖7)。渤海中央盆地坡度小于1/2 000,中央盆地外圍和萊州灣灣口次之,坡度介于1/2 000~1/1 000,遼東灣、渤海灣、萊州灣灣內(nèi)坡度介于1/1 000~1/200,渤海海底大部分區(qū)域坡度屬于這個范圍。坡度最大的區(qū)域在3 個海灣近岸、六股河水下三角洲、灤河三角洲、曹妃甸沖刷深槽區(qū)以及遼東淺灘潮流沙脊區(qū),坡度值大于1/200。
圖7 渤海地形坡度分級評價圖Fig.7 Grading evaluation of the topographic slope in Bohai Sea
3.1.6 渤海土體易液化程度分級區(qū)劃
渤海嚴重液化區(qū)主要分布于埕島海域,該區(qū)域海底沉積物主要為粉土,同時水動力作用強烈,現(xiàn)有資料表明在較強的水動力條件下可發(fā)生嚴重液化(圖8)。中度液化區(qū)主要分布在萊州灣、遼東灣、埕島海域和灤河口。輕微液化主要分布于中度液化的外圍,表明液化程度從嚴重、中度到輕微是逐漸減小的。
圖8 渤海易液化程度土層分布圖Fig.8 G rading evaluation of the liquefaction degree of soil in Bohai Sea
3.1.7 渤海已發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害分級區(qū)劃
考慮已發(fā)育液化、沖淤、沙波、淺層氣、滑坡及塌陷分布情況,劃分渤海已發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害分布見圖9。在存在災(zāi)害的區(qū)域進行工程施工時需要進行詳細的物探和鉆探調(diào)查,了解潛在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能及帶來的影響。
圖9 渤海已發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig.9 Grading evaluation of the developed geological hazards in Bohai Sea
存在嚴重災(zāi)害的區(qū)域主要集中在新、老黃河口附近(圖9)。該海域海底沉積物易發(fā)生嚴重液化,且受水動力作用沖淤強烈,故劃分為存在嚴重災(zāi)害的區(qū)域。存在中等災(zāi)害的區(qū)域主要分布在黃河口、萊州灣南部、遼東灣北部、灤河口等區(qū)域。存在輕微災(zāi)害的區(qū)域除了分布于中等災(zāi)害的周邊地區(qū),還廣泛分布于環(huán)渤海的近岸海域和渤海海峽附近。
3.1.8 渤海工程開發(fā)影響分級區(qū)劃
渤海海域現(xiàn)有工程開發(fā)影響分級區(qū)劃分為核心區(qū)、緩沖區(qū)、潛在影響區(qū)和無影響區(qū)4 類(圖10)。從圖中可發(fā)現(xiàn),工程影響區(qū)主要分布在環(huán)渤海近岸海域。另在遼東灣、渤海海峽及渤海灣等海域分布有海底管線,因此存在一定的線狀影響區(qū)??傮w上,當(dāng)渤海發(fā)生海洋地質(zhì)災(zāi)害時,若發(fā)生在渤海中部海域則對人類工程活動區(qū)影響較少,若發(fā)生在近岸海域則影響較大。
圖10 渤海海域工程影響區(qū)Fig.10 G rading evaluation of the engineering effects area in Bohai Sea
渤海海域地質(zhì)災(zāi)害綜合評價主要依靠上述8 個評價因子確定。使用AHP 分別對數(shù)據(jù)賦值不同的權(quán)重分析渤海海洋地質(zhì)災(zāi)害綜合影響結(jié)果。
綜合評價結(jié)果見圖11,共分為高危險性、較高危險性、較低危險性和低危險性4 個級別。高危險性區(qū)域主要分布在新、老黃河口附近。老黃河口受波浪、水深和底質(zhì)類型條件的影響,可能發(fā)生較為嚴重的液化。另外,老黃河口受到的沖刷作用強烈,新黃河口受到的淤積作用強烈,因此該區(qū)域存在高危險性區(qū)塊。較高危險性區(qū)域除分布于高危險性區(qū)塊外,還分布于各大現(xiàn)行河口區(qū)。主要影響因素為液化和沖淤作用。較低危險性區(qū)域主要分布在較高危險性區(qū)域的周圍,另外渤海海峽也存在較低危險性的區(qū)域。渤海其他海域為低危險性區(qū)域,代表了目前尚未發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害同時不易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的穩(wěn)定區(qū)域。
圖11 渤海海域地質(zhì)災(zāi)害危險性評價區(qū)劃圖Fig.11 The geological hazard assessment zoning map of Bohai Sea area
基于國家海洋公益科研專項“近海海底地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測評價及防控關(guān)鍵技術(shù)研究”的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果,通過AHP 開展地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃研究,建立了4 個主題層、8個指標(biāo)層組成的渤海海域地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃評價指標(biāo)體系,并對各個評價指標(biāo)進行了量化分級。得出以下幾點結(jié)論。
(1)使用AHP 分別對各指標(biāo)賦值不同的權(quán)重分析渤海海洋地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃結(jié)果,結(jié)果顯示渤海海域地質(zhì)災(zāi)害高危險性區(qū)域主要分布在新、老黃河口附近。
(2)在水動力條件作用下,存在著液化、沖刷侵蝕等較為強烈的地質(zhì)災(zāi)害影響。
研究結(jié)果可為渤海海域地質(zhì)環(huán)境保護、地質(zhì)災(zāi)害防治及海洋工程開發(fā)活動提供了科學(xué)依據(jù)。