基于GIS的寧波梅山島工程建設地質適宜性評價

楊國強, 金 陽, 李 云, 姜月華, 顧 軒, 梅世嘉, 張 鴻

(中國地質調查局南京地質調查中心, 江蘇 南京 210016)

海島位于大陸向海洋過渡的結合地帶, 以其特有的區位、資源和環境優勢, 在國家經濟建設中占據重要地位[1]。近年來, 隨著海洋經濟的快速發展, 海島城鎮化進程不斷加快[2], 由此引發的海島地質環境問題日益凸顯[3-4]。為實現海島工程建設與地質環境的協調發展, 需重視海島工程建設地質適宜性評價工作。目前,工程建設適宜性評價以陸域城鎮研究為主[5-7], 對具有特殊區位、環境及資源優勢的海島區域研究仍較少; 同時, 主要從地質條件及地質環境角度出發[8-10], 未綜合考慮區域發展與保護需求, 如地質資源優勢對地區發展的支撐作用、生態保護對工程建設的限制作用等,評價結果實用性降低。本文探索性從地質條件及地質環境角度出發, 結合海島特色地質資源優勢, 建立海島工程建設地質適宜性評價指標體系, 并在充分考慮生態保護基礎上對寧波梅山島進行綜合評價, 可為梅山島工程建設與生態環境保護提供參考。

1 研究區概況

梅山島地處寧波象山港東北部, 面積約38.3 km2,是我國海島中腹地開闊的海積平原島(圖1)。梅山島作為國家級保稅港區所在, 被定位為長三角“三位一體”港航物流服務體系建設示范區、浙江海洋新興產業發展引領區和寧波現代化國際港口城市新城區[11],是浙江海洋經濟發展的重要組成部分。

圖1 研究區位置圖Fig. 1 Geographic location of the research area

2 評價指標體系和方法

2.1 評價指標體系的建立

本次海島工程建設地質適宜性評價指標體系的建立在地質條件及地質環境因素基礎上, 綜合考慮地質資源對海島發展定位的支撐作用。其中地質條件及地質環境指標參照《城鄉規劃工程地質勘查規范》(CJJ57-2012)[12], 并結合研究區實際情況, 選取了地形地貌、工程地質、水文地質、不良地質作用和地質災害、活動斷裂和地震效應5個評價要素; 地質資源指標根據梅山島發展定位, 選取了岸線資源作為評價要素?；谂c各評價要素的相關性, 進一步選擇了地貌類型、深水岸線等15個評價因子(圖2)。此外, 為維護海島生態安全和可持續發展, 嚴禁有損主導生態功能的開發建設, 在評價結果基礎上,選取了生態紅線作為否決指標。

圖2 海島工程建設地質適宜性評價指標體系Fig. 2 Geological assessment index system of Meishan Island for engineering consruction

2.2 評價因子量化分級標準

根據各評價因子對地質適宜性的影響程度, 采用定量與定性相結合的方法對各個單因子進行量化分級, 劃分為適宜(Ⅰ級)、較適宜(Ⅱ級)、適宜性差(Ⅲ級)、不適宜(Ⅳ級)4個等級, 并分別賦予 8—10、6—8、3—6、1—3的分值, 分值大者為優。評價因子量化分級標準見表1。

2.3 評價指標權重的確定

層次分析法是在定性方法基礎上發展起來, 定量確定參評因子權重的一種系統分析方法[13], 該方法可將人們的經驗思維量化, 以檢驗決策者判斷的一致性, 有利于實現定量化評價。其計算權重的步驟主要包括[14]:

表1 評價因子量化分級標準Tab. 1 Quantitative grading standard of the evaluation indices

(1) 分析系統中各因素的關系, 建立系統的層次結構;

(2) 對同一層次上各因素關于上一層次某一準則的重要性進行兩兩比較, 構造兩兩比較判斷矩陣(正互反矩陣)(表2);

(3) 由判斷矩陣計算被比較元素對于該準則的相對權重, 并進行一致性檢驗。

表2 判斷矩陣及權重值表Tab. 2 Judgment matrix and weighted coefficient

本次研究通過層次分析法對各因子權重進行了確定, 具體結果如表2所示。從表中可以看出, 軟土厚度、首見持力層埋深等工程地質因子作為影響工程地質性質及工程建設成本的主要因素權重值最大;其次為對工程建設起明顯制約作用的地形地貌因子及對區域發展起支撐作用的岸線資源因子; 此外,由于研究區無晚更新世以來活動斷裂分布且區域地殼屬基本穩定類型, 活動斷裂和地震效應因子權重值相對較小。而通過計算, 判斷矩陣的最大特征值γmax=15.506, 一致性指標 CI=0.036, 最終求取一致性比率 CR=0.023＜0.1, 滿足一致性檢驗要求, 說明求取的權重是合理的。

2.4 評價方法

以上述15項因子為評價基礎, 形成單因子適宜性程度分級圖, 并利用 GIS軟件, 將研究區剖分為3 830個100 m×100 m單元格(圖3), 然后采用多因子分級加權指數法(公式(1)), 以 GIS網格(GRID)為基本評價單元, 對以上各單因子分級評價圖進行疊加,得到梅山島工程建設地質適宜性指數IS, 并根據適宜性評價標準判定評價單元的工程建設適宜性分級。

圖3 評價單元格劃分Fig. 3 Evaluation cell division

式中:IS為評價單元的工程建設地質環境適宜性評價指數;iw′為中間層第i項評價要素的權重;n為參評的中間層評價要素的總數;ijw′′為隸屬于第i項評價要素下的第j項評價因子的權重;m為隸屬于第i項評價要素的參評評價因子的總數; Xij為第i項評價要素下的第j項評價因子的具體量化分值。IS≥60為適宜級, 45≤IS＜60 為較適宜級, 30≤IS＜45 為適宜性差級, IS＜30為不適宜級。

3 工程建設地質適宜性評價

3.1 評價因子參數獲取

本次研究各項因子參數主要通過寧波都市圈1∶5萬環境地質調查項目實際調查資料及其他相關收集資料獲取。其中地貌類型、腹地縱深及岸前水域寬度等利用區域遙感資料結合實際調查獲取; 地形坡度、地面高程等利用區域地形資料提取; 軟土厚度及首見持力層埋深為利用調查施工及收集工程地質鉆孔(共 46個)獲取; 地下水埋深、地下水腐蝕性等為利用水井調查及樣品測試獲得; 突發性地質災害、地面沉降速率及岸坡穩定性、岸前水深等為參考《寧波市海岸帶環境地質調查評價》[15]并結合實際調查獲得; 活動斷裂及抗震烈度為參考《寧波市環境地質調查評價》[16]獲得。最終, 得到梅山島各適宜性評價因子取值結果(圖4)。

3.2 單要素分析

3.2.1 地形地貌

研究區地貌以平原為主, 兼有丘陵山地與圍涂區, 僅山前局部為堆積斜地。其中平原區與圍涂區地形低平, 坡度小于6°, 地面高程介于1～3 m; 丘陵山地地形坡度總體較小, 約20°, 地面高程普遍＞3 m。

3.2.2 工程地質

根據研究區土體沉積時代、成因類型、結構、巖性及物理力學性質等特征, 平原區地層可分為 9個工程地質層, 17個工程地質亞層(表3), 其中②、③層軟土層為主要工程地質不良層, ④1、⑤1、⑥1等硬土層及基巖為主要持力層, 首見持力層埋深與軟土層厚度總體呈距海域越近, 埋深與厚度越大趨勢; 丘陵山區巖性主要為火山碎屑巖、火山熔巖, 巖體堅硬, 抗風化能力強, 完整性較好, 工程地質條件良好。

3.2.3 水文地質

根據研究區地下水賦存條件, 平原區地下水類型主要為松散巖類孔隙水, 其中孔隙潛水水位埋深多小于2 m, 水質普遍較差, 對混凝土結構具弱—強腐蝕性; 丘陵山區地下水類型主要為基巖裂隙水,水量微弱, 水質良好, 對混凝土結構以微腐蝕為主。

3.2.4 不良地質作用和地質災害

平原區由于軟土廣布, 工程性地面沉降易發,其中西側七姓涂由于軟土厚度大, 且新近圍墾, 地面沉降速率＞30 mm/a, 局部大于＞50 mm/a; 丘陵區突發性地質災害總體低易發, 僅局部切割較劇烈, 坡度較陡, 崩塌、滑坡等易發, 但規模較小; 近岸線區域人類工程活動總體較強烈, 軟土層厚度普遍＞5 m, 近岸水下地形平緩～較陡, 岸坡失穩風險總體中等—大。

3.2.5 活動斷裂和地震效應

研究區構造以斷裂為主, 但無晚更新世以來活動斷裂分布; 地震動峰值加速度值為0.10 g, 對應地震基本烈度為Ⅶ度, 區域地殼屬基本穩定類型。

3.2.6 岸線資源

研究區海岸線總長27.4 km, 其中深水岸線9.3 km,主要位于梅山島東南與東北側, 平均水深22 m以上,具有良好的建港與航運條件; 港口的建設需要預留一定尺度的通航水域及陸域設施建設, 研究區陸域縱深＞1 km岸線長度為25.2 km, 僅西南側少量岸線陸域縱深＜1 km; 岸前水域寬度＞1 km岸線長11.9 km,主要分布于研究區東南側。

3.3 適宜性綜合評價結果

根據上述評價方法, 利用 Arcgis 10.5軟件的空間分析模塊, 對各單因子評分圖層進行加權疊加運算, 同時綜合考慮工程建設對生態環境的影響, 將二級生態管控區(圖 5)劃為工程建設適宜性差區, 得到研究區工程建設地質適宜性評價結果(圖6)。

結果顯示: 梅山島工程建設適宜性主要為適宜區、較適宜區及適宜性差區, 面積分別為6.9、22.0、9.4 km2, 分別占梅山島總面積的 18.0%、57.4%、24.5%; 適宜、較適宜及適宜性差岸線長度分別為8.2、13.2、6.0 km, 分別占總長度的30.0%、48.1%、21.9%, 其中深水岸線區均為適宜-較適宜, 已開發利用長度僅3.2 km。

4 討論

4.1 適宜性空間分布特征

根據單因子空間差異性分析, 研究區工程地質、水文地質條件及不良作用作用等總體呈距海域越遠,適宜性越優趨勢; 岸線資源呈距海域越近, 適宜性越優趨勢。

圖4 單因子參數分級圖Fig. 4 Grading of single-factor parameters

表3 梅山島平原區工程地質層特征簡述Tab. 3 Description of engineering geological layer characteristics in the plain area of Meishan Island

圖5 生態管控區分布與建設規劃功能分區Fig. 5 Distribution of ecological control area and functionpartition of construction planning

根據適宜性綜合評價結果, 適宜區主要分布于丘陵山前及東北側岸帶區域, 其中丘陵山前主要由于地形地貌、工程地質、水文地質、不良地質作用等條件優, 地質條件總體好, 東北側岸帶區域主要由于地質條件總體較好, 同時岸線資源條件突出;適宜性差區主要分布于煙墩崗、炮臺山、七姓涂南部及納潮湖東側區域, 其中煙墩崗、炮臺山一帶為二級生態管控區, 七姓涂南部、納潮湖東側主要由于地下水腐蝕性中-強、軟土厚度及首見持力層埋深大、地面沉降速率大, 同時岸線資源條件較差; 較適宜區分布范圍較廣, 其中遠岸線區域主要由于地質條件總體良好, 近岸線區域地質條件總體一般, 主要由于地質資源優勢突出。

圖6 工程建設適宜性分區圖Fig. 6 Map of engineering construction suitability

4.2 適宜性空間分布與建設規劃協調性

結合《寧波梅山(保稅)港城總體規劃(2010—2030)》[11](圖 5)與適宜性綜合評價結果(圖 6)進行協調性分析, 可以看出: 梅山島規劃用地整體較合理,適宜和較適宜區占規劃面積的 83.2%, 其中近山前適宜和較適宜區地質條件總體較好, 主要規劃為國際貿易、地方文化社區、配套生活服務及預留發展空間等功能區; 近岸適宜和較適宜區岸線資源優勢突出, 主要規劃為保稅港、國際郵輪服務及港口支撐系統等功能區; 適宜性差區僅占規劃面積的 16.8%,主要規劃為增值服務區與居住休閑區, 該區域軟土厚度大、持力層埋深深, 工程建設難度及成本相對較高, 同時地面沉降及地下水腐蝕性等問題突出, 應注意采取相應措施進行防范; 生態保護區未進行建設規劃, 但應注意植被、水源等保護, 防范崩塌、滑坡等突發性地質災害, 同時可適當發展旅游產業,促進海島城鎮與自然的和諧發展。

5 結論與建議

1) 海島城鎮工程建設地質適宜性評價需綜合考慮地質條件、地質環境特征及支撐區域發展特色地質資源優勢, 同時應注重生態環境保護。本文運用建立的海島工程建設地質適宜性評價指標體系對梅山島進行評價, 具有良好的效果, 該評價體系可為解決海島城鎮工程建設地質適宜性評價問題提供參考,具有一定的理論意義, 評價結果可為梅山島城鎮規劃、工程建設與生態環境保護等提供參考, 具有一定的實際指導意義。

2) 梅山島工程建設地質適宜性總體良好, 適宜區、較適宜區面積廣且成片分布, 可滿足近期城鎮規劃建設用地需求。

3) 梅山島近深水岸線區域工程建設地質適宜性均為適宜-較適宜, 目前未開發利用長度 6.1 km, 港口開發潛力大, 可有效支撐梅山島國際港口城市新城建設。