李 林,曾 磊,董 英,張 戈,朱立峰
(1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西西安 710119;2.自然資源部黃土地質(zhì)災害重點實驗室,陜西西安 710119)
隨著城市化進程的加快,土地資源短缺、能源消耗、交通擁堵、安全防災等令人擔憂的問題已成為城市可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,而地下空間資源是人類寶貴的資源,是實施城市立體化開發(fā),實現(xiàn)城市集約化發(fā)展的重要保障(Li et al.,2012;林良俊等,2017;彭建兵等,2019;葛偉亞等,2021)。近年來,國內(nèi)外學者利用GIS軟件開展了大量的城市地下空間適宜性評價工作(方寅琛等,2017;郝愛兵等,2018;張茂省等,2018;韓博等,2023)。這些研究多數(shù)將地下空間在垂向上根據(jù)深度劃分為不同的層次,每層再以二維平面方式,利用GIS平面分析功能分別計算地下空間適宜性。這種方法沒有考慮地下空間復雜的垂向變化,因而無法滿足越來越精確的地下空間規(guī)劃要求。
三維地質(zhì)模型包括三維空間上精細的力學性質(zhì)參數(shù)及地球物理參數(shù),利用地質(zhì)建模軟件的三維空間分析功能,將地質(zhì)信息與工程信息結(jié)合起來,從三維空間中提取各種評價要素,可以充分結(jié)合地質(zhì)條件、工程技術條件以及地下空間開發(fā)現(xiàn)狀等各方面因素,對任意深度范圍內(nèi)的地下空間開發(fā)適宜性進行評價,能夠改變以往常規(guī)的地下空間評價模式(譚飛等,2021;孟天宇等,2022;牛學瑤等,2023)。與傳統(tǒng)評價方法相比,三維評價可以更好地描述地下空間資源在不同深度的空間差異,同時評估過程與結(jié)果的立體透明表達也是城市地上地下整體規(guī)劃、地下空間設計建造的重要手段,能夠定性、定量地為地下空間開發(fā)利用提供輔助決策(呂敦玉等,2015;董英等,2020)。
為探討地下空間開發(fā)利用適宜性的三維評價方法,本次研究選取工程地質(zhì)問題較為集中的西咸新區(qū)灃東與灃西新城為典型示范區(qū)(圖1)。針對地下空間三維規(guī)劃的需求,結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)地貌背景、工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用以及地下空間開發(fā)現(xiàn)狀等特點,建立地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評價因子體系;以城市地質(zhì)多要素探測成果為基礎,構(gòu)建研究區(qū)三維地質(zhì)模型,利用精細化剖分的評估單元為載體,綜合使用多種三維空間分析方法從模型中定量或定性提取各項指標,并運用層次分析法開展了西咸新區(qū)地下空間開發(fā)適宜性評價。該研究可為西咸新區(qū)地下空間開發(fā)利用與規(guī)劃建設提供支撐,推動西咸新區(qū)地下空間資源科學合理、有序開發(fā),以達到資源保護優(yōu)先、協(xié)同開發(fā)的開發(fā)利用格局。
圖1 西咸新區(qū)地質(zhì)地貌圖Fig.1 Geological geomorphological map of Xixian New Area
西咸新區(qū)位于陜西省西安市和咸陽市建成區(qū)之間,規(guī)劃控制面積882 km2(圖1),是關(中)天(水)經(jīng)濟區(qū)的核心區(qū)域。該區(qū)自然生態(tài)環(huán)境較好,經(jīng)濟基礎良好,歷史文化底蘊深厚,區(qū)位優(yōu)勢十分明顯,具備加快發(fā)展的條件和實力。作為首個以創(chuàng)新城市發(fā)展方式為主題的國家級新區(qū),在起步階段做好地下空間資源開發(fā)利用規(guī)劃,建成和諧有序的現(xiàn)代立體城市,實現(xiàn)土地高效利用,是實現(xiàn)創(chuàng)新城市發(fā)展方式功能定位的重要路徑。
研究區(qū)位于渭河斷陷盆地中部,夾持于秦嶺褶皺系及鄂爾多斯地塊之間,地形簡單完整、平坦, 地勢相對平緩,地貌類型簡單,分為平原、黃土臺塬兩大地貌類型。南北兩側(cè)均受活動斷裂控制。區(qū)內(nèi)有渭河斷裂、涇河斷裂、灃河斷裂和皂河斷裂,均為中晚更新世隱伏活動斷裂,多埋深于40~70 m處。區(qū)內(nèi)第四系分布廣泛,主要成因類型有沖積、洪積、風積、湖積及其過渡類型。巖性則以砂礫、卵石、砂、亞砂土、亞黏土、黃土等為主,厚度變化較大,數(shù)十至數(shù)百米不等。
區(qū)內(nèi)主要開發(fā)利用的含水層是第四系砂、砂卵礫石層,受沉積環(huán)境影響,在不同地貌部位含水層所屬地層時代、巖性、厚度、結(jié)構(gòu)及含水層特征等變化較大。渭河沖洪積平原含水層分布廣泛而連續(xù),地下水補給條件好,水量較為豐富,其中以渭河漫灘、一、二級階地含水層厚、顆粒粗,富水性強,而黃土臺塬和渭河高階地富水性相對較差,單井涌水量較少。
研究區(qū)內(nèi)有渭河、涇河及灃河經(jīng)過,三條河流在漫長的地質(zhì)歷史時期形成了寬廣的漫灘與階地。漫灘與階地下覆厚層飽和砂土,在強震作用下砂土層有著極強的潛在液化趨勢,會對該地區(qū)各類工程設施安全運營與使用造成嚴重危害。同時,渭河一、二級階地分布有大厚度的濕陷性黃土,會對結(jié)構(gòu)物帶來不同程度的危害,使結(jié)構(gòu)物大幅度沉降、開裂、傾斜,甚至嚴重影響其安全和使用。
另外研究區(qū)范圍內(nèi)具有豐富的歷史文化遺產(chǎn)和人文資源,地上和地下有大量文物古跡,且有不同年代的區(qū)域重疊現(xiàn)象。從文物保護的要求出發(fā),地下空間利用的工程開挖難度較大,城市地下空間的開發(fā)利用與歷史文物保護的矛盾十分尖銳。
地下空間的開發(fā)受到多種地質(zhì)環(huán)境因素的制約,科學合理的評價體系是適宜性評價的重要條件。不同地區(qū)各種因素的評價指標、影響程度也不盡相同,因此,在進行地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)適宜性評價時,需要結(jié)合研究區(qū)具體條件,因地制宜地選取評價指標,科學合理地確定指標量化值(黃強兵等,2019;邢懷學等,2022)。
對區(qū)域地質(zhì)環(huán)境條件進行綜合分析,結(jié)合西咸新區(qū)實際地下工程建設經(jīng)驗,篩選出對地下空間開發(fā)有顯著影響的評價因子,并將其歸納為地形地貌背景、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)特征、不良地質(zhì)作用以及開發(fā)利用現(xiàn)狀等五類(李惠等,2020;閆金凱等,2021;趙銀鑫等,2022;張曉波等,2023)。最終以城市地下空間開發(fā)適宜性評價為目標層;以地質(zhì)地貌背景、工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)作用和開發(fā)利用現(xiàn)狀為準則層;以地貌類型、地震區(qū)劃、河湖濕地、地下水富水性、腐蝕性、巖土體類型、土體強度指數(shù)、活動斷裂、砂土液化、黃土濕陷、地面設施、文物保護區(qū)、地下構(gòu)筑物為指標層,構(gòu)建地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價指標體系(圖2)。
圖2 評價指標體系圖Fig.2 The evaluation index system of geological suitability
針對地下空間三維規(guī)劃建設需求,建立多要素三維地質(zhì)模型,在三維空間準確定位地質(zhì)要素的分布及范圍,從三維空間中進行按照任意深度提取地質(zhì)條件因素,可以更好地描述地下空間資源在不同深度的空間差異(李青元等,2016;薛濤等,2021;趙思成等,2022)。
首先在城市已開展的地下空間現(xiàn)狀普查工作基礎上,采用收集資料、實地調(diào)查的方法,查明城市地形地貌、地表水體、地面建筑、重要基礎設施、生態(tài)保護與文物埋藏分布,揭示已有的、在建的及規(guī)劃中的地下構(gòu)筑物現(xiàn)狀分布特征,建立城市地下空間開發(fā)利用現(xiàn)狀檔案,形成實景三維地表景觀模型(圖3a)。
圖3 研究區(qū)多要素三維地質(zhì)模型Fig.3 3D geological models with multiple elements
結(jié)合西咸新區(qū)構(gòu)造特點,綜合運用地質(zhì)調(diào)查、鉆探、物探等多種調(diào)查研究方法,統(tǒng)一地層框架結(jié)構(gòu)與斷裂展布,按照斷裂期次與空間關系劃分為構(gòu)造單元;從鉆孔中提取地層分層信息,從剖面提取地層分界信息,再結(jié)合地質(zhì)專家的先驗知識,分析地層之間的疊覆關系,構(gòu)建研究區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(李林等,2022)(圖3b、圖3c)。
通過多要素測井技術,提取孔隙度、滲透率、密度等力學參數(shù)和視電阻率、自然伽馬、放射性釷等地球物理參數(shù),從測井解譯成果中提取巖性數(shù)據(jù),選擇三維克里金插值方法,建立起研究區(qū)巖性隨機模型(圖3d)。利用測井參數(shù)模擬計算工程地質(zhì)力學參數(shù)、水文地質(zhì)參數(shù),定位工程建設樁基持力層與軟弱層、地下含水層與隔水層的展布和空間變化特征(李林等,2023),構(gòu)建三維水文地質(zhì)模型(圖3e)和三維工程地質(zhì)屬性模型(圖3f)。
對于指標的提取主要是對定量條件的提取,根據(jù)空間分布在橫向上的影響范圍,以及縱向上下層土體對上層建設影響等,通過三維空間統(tǒng)計、三維插值分析等方法得到評價要素信息,構(gòu)建三維評價數(shù)據(jù)集(表1)。
表1 城市地下空間開發(fā)適宜性評價指標體系Table 1 Evaluation index system of geological suitability for urban underground space development
評價指標的量化取值,應以行業(yè)標準規(guī)范為準,結(jié)合研究區(qū)實際情況,對指標分級賦值,對無法直接量化的指標,采用專家打分法來確定分級。根據(jù)每個評價指標影響程度的大小不同,可將各評價指標劃分為適宜(1.0)、較適宜(0.5)、不適宜(0.0)共3個等級,由此確定了地下空間資源開發(fā)利用的地質(zhì)適宜性評價指標的量化標準(表2)。
表2 評價因子量化分級與權(quán)重Table 2 Quantitative classification and weight of evaluation factors
當前,國內(nèi)外學者經(jīng)常采用層次分析法、熵權(quán)法、灰色理論法、模糊綜合評判法等模型進行評價(李鵬岳等,2021a;李鵬岳等,2021b;蔣杰等,2021),其中,層次分析法是應用于地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性評價的最廣泛方法,本文選用層次分析法開展西咸新區(qū)地下空間資源開發(fā)利用地質(zhì)適宜性評價。
各個層次的評價因子對目標層的影響程度不同,表現(xiàn)為權(quán)重不同。采用層次分析法計算各評價指標的權(quán)重,權(quán)重值反映了單項指標對地下空間開發(fā)適宜性影響程度的大小,通過構(gòu)建指標判斷矩陣、計算重要性排序和一致性檢驗,將特征向量歸一化處理后得到各項指標的綜合權(quán)重(表2)。
地下空間開發(fā)適宜性綜合指數(shù)計算公式如下:
式中:H為地下空間開發(fā)適宜性指數(shù);vkj為第k個準則層中第j個指標的分值;wkj為第k個準則層中第j個指標的權(quán)重;wk為第k個準則層的權(quán)重。
適宜性指數(shù)計算采用單元疊加方式進行,根據(jù)各指標量化分級逐一判斷各單指標等級,并將各指標等級分值與其權(quán)重相乘得到單指標分值,再將各指標分值累加,從而得到綜合適宜性指數(shù)。最終再根據(jù)適宜性評價結(jié)果等級劃分標準(表3),將研究區(qū)評價結(jié)果劃分為適宜、較適宜、不適宜三個等級(胡學祥等,2016)。
表3 地下空間開發(fā)適宜性等級劃分Table 3 Classification of geological suitability for urban underground sapce
當0.7≤S時,為適宜區(qū)。適宜區(qū)指對歷史文物或重要地面工程沒有影響,地質(zhì)環(huán)境條件良好,地下水不發(fā)育,不受不良地質(zhì)作用的影響。當0.3≤S<0.7時,為較適宜區(qū)。較適宜區(qū)指地質(zhì)環(huán)境條件較好,無明顯軟弱地層、地下水不發(fā)育,在現(xiàn)有經(jīng)濟技術條件下,可通過技術手段處理或控制不良地質(zhì)作用的影響。當S<0.3時,為不適宜區(qū)。不適宜區(qū)一般位于歷史文物保護區(qū);或地質(zhì)環(huán)境條件差,有潛在不良地質(zhì)作用,通過技術手段不可控制或很難處理,開發(fā)成本高,經(jīng)濟和社會效益低的區(qū)域。
基于西咸新區(qū)多要素三維地質(zhì)模型,在地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型框架下進行網(wǎng)格剖分。根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)密度、計算機運行能力等綜合考慮,按照250 m×250 m×1.5 m網(wǎng)格將研究區(qū)精細化剖分,根據(jù)評價指標量化標準對各個指標進行量化賦值,然后逐單元按權(quán)重疊加各指標分值,按適宜性等級劃分標準對分值進行等級劃分,最終得到研究區(qū)三維地下空間開發(fā)利用適宜性評價結(jié)果(圖4)。
圖4 西咸新區(qū)地下空間適宜性三維評價結(jié)果Fig.4 3D evaluation results of geological suitability in Xixian New Area
評價結(jié)果表明:研究區(qū)60 m以淺地下空間開發(fā)利用條件優(yōu)越,地形平坦開闊,地貌類型簡單,各土層物理力學性質(zhì)和承載力總體較好,適宜開發(fā)建設。僅局部地段可能存在活動斷裂影響,河漫灘或低階地區(qū)可能出現(xiàn)砂土液化,引起基坑穩(wěn)定性較差、滲透變形、突(涌)水、地下設施抗浮失效,以及黃土濕陷等不良地質(zhì)問題(王化齊等,2019)。
結(jié)合西安市地下空間開發(fā)利用體系規(guī)劃,將地下0~10 m列為淺層開發(fā)區(qū),地下10~30 m列為中層開發(fā)區(qū),地下30~50 m列為深層開發(fā)區(qū),分別分析地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)適宜性(圖5)。
圖5 西咸新區(qū)不同深度地下空間開發(fā)利用適宜性Fig.5 The evaluation results of geological suitability in different depths of underground space in Xixian New Area
淺層(0~10 m):地下空間不適宜區(qū)主要集中在豐京、鎬京、阿房宮等文物保護區(qū),昆明池、渭河、灃河漫灘,以及灃河、皂河斷裂兩側(cè)。主要影響因素是文物保護區(qū)、地面水體、活動斷裂等;文物保護是淺層地下空間開發(fā)中首先必須考慮的因素,考慮到其歷史價值、不可移動性以及地下埋藏等特征,在文物保護控制范圍內(nèi),原則上限制地下空間的開發(fā)。地表水系主要影響水系下方及周邊區(qū)域進行地下工程開挖的安全和施工難度。較適宜區(qū)分布在渭河、灃河一級階地,這些地區(qū)應控制地下水開發(fā),關注地下水位持續(xù)升高而引發(fā)明水、濕地、地下室浸水、砂土液化、黃土濕陷等環(huán)境地質(zhì)問題;其他區(qū)域均屬于適宜開發(fā)區(qū),可主要作為倉儲購物、生活娛樂、綜合管廊、停車場等建設空間。
中層(10~30 m):限制地下空間開發(fā)的主要因素為城市建成區(qū)既有設施及地下構(gòu)筑物,以及灃河、皂河斷裂。高密度建筑區(qū)域,已有地鐵、地下洞室、樁基、人防工程等限制了地下空間開發(fā)利用,采取工程措施進行規(guī)避。較適宜區(qū)分布在灃河、渭河河漫灘及一級階地前緣,這些地區(qū)含水砂層厚度偏大,注意砂土液化、地下空間抗浮失效等環(huán)境地質(zhì)問題,地下空間開發(fā)時應重視底板突水風險,宜作為地下軌道交通、高壓變電站、水處理中心等建設空間。
深層(30~60 m):地下空間不適宜區(qū)主要受灃河和皂河斷裂影響,注意適當?shù)谋茏尵嚯x即可,進行地下空間開發(fā)應盡量垂直于斷裂帶走向,并采取必要的工程抗震措施。較適宜區(qū)位于研究區(qū)東北部渭河漫灘,主要受地下含水砂層影響,在地下空間開發(fā)利用中應考慮地下水腐蝕、砂卵礫石等因素的影響??傮w以適宜區(qū)為主,可作為特種工程等戰(zhàn)略基礎設施建設空間。
(1)西咸新區(qū)地下空間的開發(fā)受到多種地質(zhì)環(huán)境因素的制約,結(jié)合研究區(qū)具體條件,選取地貌類型、地震區(qū)劃、河湖濕地、地下水富水性、腐蝕性、巖土體類型、土體強度指數(shù)、活動斷裂、砂土液化、黃土濕陷、地面設施、文物保護區(qū)、地下構(gòu)筑物為指標,構(gòu)建了地下空間開發(fā)地質(zhì)適宜性三維評價指標體系。
(2)通過構(gòu)建西咸新區(qū)灃東灃西新城地表三維實景模型,地質(zhì)構(gòu)造模型、三維水文地質(zhì)模型和三維工程地質(zhì)模型,利用三維精細化剖分的評估單元為載體,運用層次分析法評價模型開展西咸新區(qū)地下空間開發(fā)適宜性評價,能夠定性、定量地為地下空間開發(fā)利用提供輔助決策,為研究區(qū)地下空間資源的合理開發(fā)提供基礎地質(zhì)支撐。
(3)灃東灃西新城地下空間開發(fā)適宜性三維評價結(jié)果表明:研究區(qū)60 m以淺地下空間開發(fā)利用條件優(yōu)越,各土層物理力學性質(zhì)和承載力總體較好,適宜開發(fā)建設。不適宜區(qū)域主要分布在活動斷裂、水體、水源地區(qū)域以及文物保護區(qū)。
(4)研究區(qū)淺部地下空間開發(fā)利用易受文物保護區(qū)、地面水體、活動斷裂影響,中層地下空間受城市建成區(qū)既有設施及地下構(gòu)筑物影響較大,深部地下空間主要受斷裂影響。地下空間資源利用規(guī)劃中地下空間重點開發(fā)區(qū)在開發(fā)利用過程中應該合理規(guī)避活動斷裂區(qū)域、地下水富集等地質(zhì)問題。
[附中文參考文獻]
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