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

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］.

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