山東省日照市藍色經濟區工程建設適宜性評價

朱 偉,李 玲,楊 鵬*,楊崇敬,艾洪鍵

1)山東省第八地質礦產勘查院,山東日照 276826;2)日照市土地質量評價與污染修復重點實驗室,山東日照 276826;3)山東地礦局有色金屬礦找礦與資源評價重點實驗室,山東日照 276826;4)中國地質大學(北京)水資源與環境學院,北京 100083

近年來,我國城鎮化進程不斷加深,由城市發展建設帶來的一系列環境地質問題日益加劇。為實現城市工程建設與地質環境的協調發展,需要查明建設場地的相關工程地質環境條件,對工程建設適宜性進行分析并合理評價,以期達到科學規劃及開發利用的目的,最大限度地控制人類活動對地質環境造成的影響,為城市規劃建設提供理論參考依據。

國內外已有眾多學者對城市工程建設適宜性評價開展研究,早期其評價方法多為定性評價,隨著地理信息系統(GIS)空間分析技術的發展,借助GIS技術以多種評價方法對研究區進行定量評價的思路得到廣泛運用。例如利用Mapgis空間分析功能,獲得評價區各單元格評價因子的分級數據,從而運用評價單元多因子分級加權指數法對城市規劃區工程建設適宜性分區進行評價(董毓等,2019; 彭苗枝等,2019; 邢懷學等,2019; 王文韜等,2022); 采用模糊賦權法計算指標因子的權重,結合相關地理信息技術對城市繪制了適宜性分區圖,并提出該區域工程建設適宜性相關建議(陳緒鈺等,2020); 在研究區建立適用于工程地質環境評價的指標體系,利用模糊綜合評價法研究城市建設用地適宜性定量評價(龔士良,1994; 蘇惠敏等,2006;梁艷平等,2001; 廖香俊等,2005; 黃義忠,2010;黃燦,2021); 基于GIS平臺,采用層次分析法構建適宜性評價因子體系,對研究區的工程建設適宜性進行量化計算(侯新文,2011; 古曉雯等,2019;李崇博等,2020; 董永智等,2021; 鄭祥鳳等,2021;趙思成等,2022); 運用專家打分-層次分析法進行工程建設適宜性評價,說明了專家打分法輔助層次分析法的重要性(方寅琛等,2017)。國外有學者研究了GIS和多標準決策分析(MCA)在土耳其伊斯坦布爾東部Pendik地區城市發展潛在適宜性評估中的集成,采用了兩種不同的方法(確定性和模糊建模方法)來評估住宅、工業/商業和娛樂發展的土地用途的適宜性(Ustaoglu et al.,2020); 也有學者在專家意見和文獻的基礎上,利用層次分析法(AHP)和GIS技術進行適宜的農業實踐區域調查(Mosadeghi et al.,2015; Youssef et al.,2015)和城市發展適宜區評價; 還有學者比較了兩種定量技術(層次分析法和模糊層次分析法)在確定大規模城市規劃情景下土地利用區域范圍方面的結果(Tolche et al.,2022)。

山東省日照城區地處魯東南沿海,是山東半島藍色經濟區內的主要城市之一,開展了大量的地質工作,取得了豐富的地質資料和研究成果(秦泗偉等,2014; 張婉等,2018; 楊鵬等,2019;丁文潔等,2020; 秦泗偉等,2020)。本文基于山東省日照市藍色經濟區城市三維地質結構調查項目,參考工程地質調查成果,對日照地區工程地質條件和主要環境地質問題進行了分析,建立該地區工程建設適宜性評價指標體系,并進行工程建設適宜性評價,評價結果可為城市規劃建設與現代化城市管理提供理論及技術支撐。

1 區域地質背景

研究區北起秦樓街道,東至黃海海岸線,西與204國道相鄰,南至奎山鎮焦家莊子村,總面積200 km2。研究區屬丘陵、濱海平原結合的地形,地勢西高東低,分布于五蓮山凸起向黃海傾斜的低山丘陵-濱海堆積平原地帶。區內最高點為奎山,標高為+230 m,一般地形標高+0～80 m,標高在10 m以下的海濱地帶占海岸帶的30%,高程在10～50 m的山前平原占60%,高程在50 m以上的丘陵區占10%。地貌特征分區明顯,絲山—石臼—奎山一帶花崗巖地區,地表風化作用強烈,節理、裂隙發育,形成波狀起伏的剝蝕構造地形,而海岸線及河流兩側則為沖積、海積等作用形成的河谷、瀉湖、砂岸等低洼海濱地貌(山東省地質礦產局,1991)。區內出露的地層較少,主要為新生代第四系,廣泛分布于山間河谷、山坡沖溝、河床及兩側、濱海地段,僅局部地區見少量古元古代荊山巖群。研究區內構造主要表現為較為發育的脆性斷裂,按走向分別為北東向、近東西向、北西向三組,其中區域性的大斷裂為北東向日照—膠南斷裂,其他為北西向、近東西向較小斷裂(圖1)。

圖1 日照市藍色經濟區地質簡圖Fig.1 Geological map of blue economic zone of Rizhao City

根據地貌與構造特征,工作區屬于魯東丘陵工程地質區的五蓮山侵入巖變質巖較不穩定亞區。區內廣泛出露燕山期堅硬塊狀侵入巖、元古代堅硬的層狀混合巖化變質巖,工程地質性質良好。山間谷地土體以黏性土雙層結構為主,濱海平原土體以上層砂性土雙層結構為主,夾淤泥類土(圖2)。研究區屬魯東低山丘陵松散巖、碎屑巖、變質巖類為主的水文地質區,榮成—日照水文地質亞區。根據地下水賦存條件,區域地下水類型可分為松散巖類孔隙水及基巖裂隙水兩種類型。

圖2 日照市藍色經濟區工程地質分區示意圖Fig.2 Engineering geological zoning diagram of Rizhao Blue Economic Zone

2 技術手段與數據

本次研究基于日照城市三維地質結構調查開展,數據包括地質調查、鉆探、水質分析、波速測試數據及各類圖件等,調查內容詳實,數據可靠,較為全面、準確地控制了區內工程地質結構。

3 研究方法

3.1 評價指標體系構建

本次工程建設適宜性評價在《城市規劃工程地質勘察規范》(CJJ57-94)中的附錄D“場地工程建設適宜性分類”規定基礎上,通過對研究區工程地質條件與問題的調查和綜合分析,評價各因素對日照市藍色經濟區工程建設適宜性限制的影響程度,并對影響因素進行梳理、歸并,參考相關工程建設適宜性相關研究成果(俞躍平等,2011; 郝愛兵等,2018; 白耀楠等,2019; 余敏等,2020; 馬濤等,2021; 熊峰等,2022; 熊雄等,2022),建立評價指標體系。評價選取場地穩定性、工程地質條件、地下水條件,地形排水條件、地質災害及其他因素為一級評價因子; 在綜合考慮工作區不同地質環境區的前提下對一級因子進行細化,進一步選取構造活動、場地土類型、建筑場地類別、土體結構、承載力、土壓縮性、軟土厚度、地下水富水性、地下水腐蝕性、地下水埋深、地表坡度、地質災害易發性和已開發地下工程為二級評價因子,建立邏輯層次合理的評價體系(圖3)。此外,將活動斷裂和洪水作為工程建設適宜性類別的控制性決定指標即優勢指標,優勢指標是影響工程建設適宜性的最主要因素,即非全新世活動斷裂風險區為工程建設適宜性差區,全新世活動斷裂風險規避區不適宜進行工程建設; 河道兩側影響區工程建設適宜性差,現狀水系區域為工程建設不適宜區。本次工程建設適宜性評價分為高層建筑適宜性評價、軌道交通適宜性評價及地下空間開發適宜性評價三個部分,不同工程建設適宜性評價因子指標構成不同,在二級評價因子的選擇上亦有所不同,根據主導因素原則,選取相應的主導因子指標組合。

圖3 適宜性評價指標體系Fig.3 Suitability evaluation index system

3.2 評價指標權重確定

評價時應該綜合考慮各個評價因子對場地建設適宜性的貢獻加以區別,賦予不同的權值,權值的求解過程實際為因子間重要度的比較過程。本次評價采用層次分析法和專家打分法相結合的方式即專家-層次分析定權法對評價指標進行權值分配,主要步驟包括: (1)請選定專家組成員參照層次分析法判斷矩陣標度進行因子重要度的比較,確定判斷矩陣并對判斷矩陣進行一致性檢驗。(2)綜合各位專家給出的判斷矩陣,構造新的判斷矩陣并再次移交給專家進行審查、判斷。(3)對專家提出異議的綜合構造判斷矩陣進行修改,重新提交給專家審核直至通過為止。根據最終確定的判斷矩陣應用線性代數知識以及MATLAB軟件求解,得到矩陣的特征向量即為相應因子的重要性排序。經過歸一化處理后,即可得到不同工程建設適宜性評價各項指標的權重(表1)。

表1 工程建設評價因子權重表Table 1 Project construction evaluation factor weight table

3.3 評價數學模型

評價數學模型參考現有文獻方法(彭苗枝等,2019; 邢懷學等,2019; 王文韜等,2022),以工作區域為基礎,均勻劃分評價單元格,得到 3 101個精度為0.25 km×0.25 km的評價單元格,在每個單元格內開展場地工程建設適宜性評價。評價程序可分為4步:

(1)應用Mapgis對空間屬性的讀取功能以及人工根據實際情況賦值,對各個評價單元格的各因子評價結果進行提取。

(2)將提取的因子評價結果應用所選評價因子擬合公式(公式(1))按權重賦值進行加權疊加計算,得到各個評價單元格內的場地建設適宜性評分值L。

(3)以各個單元格的場地建設適宜性評價結果為背景值,運用Surfer軟件生成等值線圖,對部分與實際情況不相符的地區進行修正。

(4)根據等值線圖對場地工程適宜性進行分區,分區標準與評價因子分級標準保持一致(表2)。

表2 場地工程建設適宜性評價分級標準Table 2 Grading standard for suitability evaluation of site engineering construction

式中:L為場地工程建設適宜性評價綜合得分;ωAi、ωBi、ωCi、ωDi為各評價因子的權重;LAi、LBi、LCi、LDi為各評價因子單項組分評價分值。

4 結果分析與評價

4.1 單要素分析

4.1.1 場地穩定性

區域地殼穩定直接影響場地穩定性,本研究區區域地殼穩定,為基本穩定區。該區的抗震設防烈度為7度,場地土類型主要分為堅硬土和基巖、中硬場地土和中軟場地土三種類型。堅硬土和基巖主要分布于基巖裸露區; 中硬土主要分布于山前組硬塑至堅硬裝粘性土分布區、稍密至中密碎石土、砂礫土分布區; 山前平原中后緣及海岸帶為中軟場地土。區內抗震有利地段主要分布于基巖裸露區及山前中硬土分布區; 抗震不利地段主要分布于沿海和付疃河下游海水入侵區,抗震危險地段主要在奎山和絲山地質災害易發區內,多呈點狀分區; 其余地段為抗震一般地段。

4.1.2 地基均勻穩定性

研究區地基土的結構類型為雙層結構,大部分地區承載力大于150 kPa,基本滿足中-高層建筑物對地基承載力的要求。區內沒有平均壓縮模量小于4 MPa的高壓縮性土分布,大部分區域以大于20 MPa的低壓縮性土為主,僅在大卜家庵子有壓縮模量大于11 MPa的中壓縮性土。

4.1.3 水文地質條件

研究區內測試點水質對鋼結構和混凝土結構均無腐蝕性或微腐蝕性。地下水類型主要為第四系孔隙潛水和基巖裂隙水兩種類型?；鶐r裂隙水富水性較小,一對工程建設影響較小; 松散巖類孔隙水含水巖組主要分布在付疃河流域的山前平原區、山間河谷地帶及其海岸帶,接受大氣降水、地表水及基巖裂隙水的補給,排泄途徑主要為農業開采。山前水位埋深一般小于3 m,地下水位年變幅在1.5～3.5 m之間?？紫端畬又饕植加谏介g河谷和山前沖洪積平原以及濱海河口三角洲,其富水性可分為四級: 富水性1000～3000 m3/d分布于河谷地帶,含水層巖性為含礫粉砂、砂礫; 富水性500～1000 m3/d分布于付疃河下游入海處,含水層巖性為含礫粉砂、砂礫; 富水性小于500 m3/d主要分布于濱海河口三角洲,為海陸交互相,巖性主要有淤泥質粉砂、粉砂、砂等; 其余地區富水性小于100 m3/d。

4.1.4 地形排水條件

地形條件決定了場地排水條件。本次研究主要考慮地表的坡度,根據工程建設場地的劃分,把地形坡度小于10°的區域作為地形平坦區,地形坡度在10°～20°之間的作為地形起伏較大區域,而地形坡度超過20°的作為地形起伏大的區域。區域內坡降大部分小于10%,地勢相對平坦,屬場地地形平坦區,因此場地排水條件良好。

4.1.5 地質環境條件

研究區屬丘陵、濱海平原結合的地形,西高東低,由內陸向黃海傾斜的地理環境。隨著社會經濟的快速發展,工程建設等人為活動的加劇,造成地面塌陷、地裂縫及山體崩塌、滑坡等突發性地質災害不斷發生,對工程建設及其安全運行產生較大不利影響。區內地質災害不發育,目前有兩處崩塌。

4.1.6 其他影響因素

目前研究區內已開發建設的地下空間主要包括高層建筑地下室、地下車庫、商場、人防工程及各種地下管線,最大利用深度已達20 m左右,主要集中在中心城區及東部沿海,這些基坑工程中大多數建(構)筑物密集,對變形的反映比較敏感。上述已建的各種地下工程會對今后地下空間的開發建設造成一定影響。

4.2 高層建筑適宜性評價

研究區內現有高層建筑群體規模不大,還有較大的發展建設空間。根據高層建筑重要性等級高、荷載大、對地基承載力要求高,對沉降敏感等特點,主要選取構造活動性、場地土類型、建筑地段類別、地基土壓縮性和承載力、地下水位埋深和腐蝕性及地質災害易發性等評價因子,最終對規劃區高層建筑工程建設適宜性進行評價。適宜性可分為適宜區、較適宜區、適宜性差區和不適宜區四個等級(表3,圖4)。

表3 場地工程建設適宜性分區評價結果Table 3 The result of zoning evaluation of site construction suitability

圖4 日照市藍色經濟區高層建筑建設適宜性分區圖Fig.4 Rizhao Blue Economic zone high-rise building construction suitability zoning map

(1)適宜區(Ⅰ)。在研究區內廣泛分布,地基土強度高,壓縮模量較高,可以直接作為建筑的天然地基持力層。

(2)較適宜區(Ⅱ)。主要分布在付疃河下游地區,地基土強度相對較高,可以直接作為一般建筑的天然地基持力層,如果工程重大,則需要治理針對負荷來說相對低的承載力,做好地基處理工作;開挖邊坡要采取輕度防護措施,避免邊坡失穩問題。

(3)適宜性差區(Ⅲ)。為河流兩側及海岸影響區,地下水位埋深相對較淺,地基土承載力偏低,工程地質環境質量差,巖土工程問題較復雜,適宜小型或輕型的工程建設,布置多層或高層建筑時,采取相應工程措施; 此外考慮奎山和研究區北部絲山地區海拔高度,在工程建設中不利于運輸,人力物力比較浪費,將此地也劃為適宜性差區。

(4)不適宜區(Ⅳ)。指現狀水系分布,約占總面積的1.30%,為了防洪及排水需要,建議作為城市的綠化區帶,不宜作為建筑物布局。

總體來說,研究區場地工程建設適宜性較好,有利于規劃建設。

4.3 城市地下空間建設適宜性評價

根據地下空間開發利用特點,主要選取構造活動性、場地土類型、建筑地段類別、地基土壓縮性和承載力、特殊類土、地下水富水性、水位埋深、地下水對建筑材料腐蝕性、地質災害易發性及已開發地下工程等評價因子,對城市規劃區地下空間工程建設適宜性進行評價。適宜性可分為適宜區、較適宜區、較不適宜區和不適宜區四個等級(圖5)。

圖5 日照市藍色經濟區地下空間建設適宜性評價Fig.5 Evaluation of suitability of underground space construction in Rizhao Blue Economic Zone

(1)適宜區(Ⅰ)。分布于研究區大部分地區,一般基巖裸露,巖土層以強風化、中風化的花崗巖為主,區內無大型斷裂發育,其圍巖穩定性及工程力學性質好,承載力高,壓縮性低,大部分屬抗震有利地段; 該區富水性較弱,小于100 m3/d,地下水具有微腐蝕性,基本無地表水體影響,地下水位埋深淺,未進行地下開發工程,是地下空間工程建設適宜區。

(2)較適宜區(Ⅱ)。主要分布在奎山及絲山附近,該區富水性較弱,一般小于100 m3/d,地下水具有微腐蝕性,基本無地表水體影響,未進行地下工程開發; 局部點狀分布崩塌地質災害隱患,但坡降較大,是地下空間工程建設較適宜區。

(3)較不適宜區(Ⅲ)。主要分布于付疃河沖洪積扇及大型高速公路、鐵路沿線一帶區域; 地下空間的開發主要受已開發地表及地下工程、富水性強弱影響較大,基本不受地表水體影響; 沖洪積扇一帶地下水位埋深小,一般小于5 m,工程地質條件較復雜,土體厚度較厚,以砂(粉)土、粉質黏土為主,承載力特征值150 kPa左右,以中壓縮性和中高壓縮性為主,圍巖整體穩定性較差; 區內無地質災害分布,基本未進行地上或地下工程開發,是地下空間工程建設較不適宜區。

(4)不適宜區(Ⅳ)。主要分布在付疃河兩岸附近及海岸附近,市區因已建高層建筑,也屬于不適宜區; 地下空間的開發受地表水體(如付疃河)影響較大; 地下水位埋深一般小于5 m,工程地質條件較復雜,巖土層以砂(粉)土、軟土、粉質黏土為主,分布軟土,土體承載力小于150 kPa,以中高壓縮性為主,屬于中軟場地土,圍巖整體穩定性差,是地下空間工程建設不適宜區。

4.4 城市軌道交通建設適宜性評價

本次評價主要選取構造活動性、場地土類型、建筑地段類別、地基土壓縮性和承載力、地下水富水性、水位埋深及地質災害易發性等評價因子,且考慮軌道交通線路的延展性,對于小面積的單塊適宜區,降低一個等級處理。通過對上述單因子疊加分析,最終對軌道交通工程建設場地適宜性評價。適宜性可分為適宜區、較適宜區和較不適宜區三個等級(圖6)。

圖6 日照市藍色經濟區軌道交通建設適宜性分區圖Fig.6 Rizhao Blue Economic Zone rail transit construction suitability zoning map

(1)適宜區(Ⅰ)。分布于研究區的大部分地區,主要為基巖裸露區,為低壓縮和中壓縮地基土,屬于中軟和中硬場地土,承載力一般大于150 kPa,屬抗震有利和一般地段及地質災害不易發區; 區內地下水富水性弱,是軌道交通建設適宜區。

(2)較適宜區(Ⅱ)。主要分布在付疃河下游崮河崖—大嶺南頭—后崮子一帶,該區富水性大于500 m3/d,水位埋深小于3 m; 區內第四系厚度大,為中壓縮地基土,屬于中軟場地土,承載力小于150 kPa,屬抗震一般地段及地質災害不易發區,是軌道交通建設較適宜區。

(3)較不適宜區(Ⅲ)。主要分布在付疃河下游夾倉和小古鎮一帶及其沿海,由于地下水過量開采容易引發地面變形,該區屬抗震不利地段; 場地承載力小于150 kPa,為中高壓縮性土,屬于中軟場地土。另外,奎山和絲山有崩塌地質災害隱患點,屬地質災害低易發區,為低壓縮性地基土,屬中硬場地土,坡降較大,場地承載力大于150 kPa,屬抗震危險地段,也是軌道交通建設較不適宜區。

5 結論

(1)影響日照市藍色經濟區工程建設的地質因素主要為場地穩定性、工程地質條件、地下水條件,地形排水條件、地質災害及其他因素。

(2)依據預測分區指標計算,利用專家-層次分析定權法對日照市藍色經濟區的高層建筑建設、城市地下空間建設和城市軌道交通建設適宜性分別進行了評價,得到了相應工程建設評價分區圖。其中高層建筑建設適宜性劃分為適宜區、較適宜區、較不適宜區和不適宜區四個區,城市大部分地區適宜進行高層建筑工程建設,占84.50%,適宜性差及不適宜區僅占12.6%; 城市地下空間工程建設適宜性可分為適宜區、較適宜區、較不適宜區和不適宜區四個等級,多數地區屬于城市地下空間建設適宜區,適宜性差及不適宜區主要分布在付疃河兩岸附近和海岸附近、大型高速公路和鐵路沿線一帶區域及城區; 軌道交通工程建設場地適宜性可分為適宜區、較適宜區和較不適宜區三個等級,總體適宜性良好,小部分不適宜區主要集中在付疃河下游夾倉和小古鎮一帶及其沿海地區。

Acknowledgements:

This study was supported by the Three Dimensional Geological Structure Investigation Project of Blue Economic Zone in Rizhao City,Shandong Province (No.Lu Kan Zi [2010] No.31).