区域地质环境复杂程度评价

李源亮，任光明，范荣全，王 猛，李惠民，李 畅

区域地质环境复杂程度评价

李源亮1，2，任光明2，范荣全3，王 猛4，李惠民2，李 畅2

（1.广西交通设计集团有限公司，南宁 530011；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059；3.国网四川省电力公司，成都 610041；4.四川省地质调查院遥感中心，成都 610081）

宏观分析区域地质环境复杂程度能有效指导长距离线状工程规划选线、指导城镇规划选址。以往地质环境复杂程度评价主要针对小区域，其评价方案在应用于大区域时受到一定限制。本文总结提出了区域地质环境复杂程度评价的指导性原则，针对地学研究中长期存在的地层岩性复杂程度难以量化的特点，引入信息熵的概念，利用“地层岩性信息熵”实现了复杂程度的量化评价。以四川为例，选取地形地貌、地层岩性、冻土、断裂构造、区域稳定性、气象等6类10项指标，利用AHP法计算指标权重，基于GIS平台对境内地质环境复杂程度进行分析。研究方法对区域地质环境评价具有参考价值，成果可为四川境内长距离线状工程规划提供参考。

地质环境；复杂程度；地层岩性信息熵；四川地质；层次分析法

地质环境以岩石圈为主体、由水圈和大气圈共同组成，组成要素的多样性决定了其复杂程度的地区差异性。地质复杂地区环境脆弱，易发生地质灾害，工程勘察、设计、施工乃至后期运营维护的难度大，工程造价高；而地质环境简单地区建设难度小、造价低。对地质环境复杂程度进行分级是开展地质调查、长距离线状工程规划的重要参考。

人们很早就认识到不同地区之间地质环境复杂程度具有差异性，但对其系统研究相对较少，类似研究主要针对地质环境质量评价[1~2]。二者在一定程度上具有相关性，但严格来说，地质环境复杂程度与环境质量的概念差异明显。“复杂程度”是地质环境组成要素多样性、变化性的体现。“质量”是对人的需求而言的，是人类出于自身生存和发展的需要对事物优劣程度的判断。

本文对涉及地质环境复杂程度评价的有关规范、文献进行回顾，吸收优点、改进不足；在此基础上总结区域地质环境复杂程度评价的指导性原则；引入“信息熵”的概念，解决了长期以来地层岩性复杂程度难以量化描述的问题。针对四川地质环境的特点，提出一套相应的评价指标；在GIS技术的支撑下对四川地质环境复杂程度进行分析评价。

1 研究现状

有关地质环境复杂程度分级的行业规范较多，研究文献相对较少。如电力部门《500KV架空送电线路勘测技术规程》（DL-T 5122）考虑地貌、地层结构及特殊岩土等5项因素，将地质环境划分为“简单”、“中等”、“复杂”3个级别。国土部门《地质灾害危险性评估规范》（DZ/T 0286）采用地形地貌、岩土体工程地质性质、地质构造等7项指标，遵循“就高不就低”原则，同样将地质环境划分成“简单”、“中等”、“复杂”3个级别。阙金声等[3]以地形地貌、断裂、岩体结构等9项因素作为指标，利用可拓评判法对某山庄建设用地地质环境复杂程度进行了3级划分。张舒尧[4]考虑了地形、岩性与构造、人工活动等因素的影响，利用AHP法计算权重，评价了输变电工程地质环境复杂程度。

回顾现有的相关文献及规范，可以发现关于地质环境复杂程度评价具有如下特点：

1）适用于工民建场地、线状工程等，场地及线路走廊带面积相对较小，可以充分开展实地调查，比如输电线路勘测要求地质人员必须对每个塔位的地质条件进行实地调查。

2）地质环境复杂程度级别都采用“简单”、“中等”、“复杂”3级标准。

3）评价指标都考虑了地形地貌、地层岩性、水文地质、灾害及不良地质、区域稳定性等因素的影响。

4）对少数简单、易获取的指标（如坡度、地震烈度）采用定量划分；对地层岩性等难以量化的指标采用定性评价，常见“岩性岩相复杂多样”、“变化较大”、“变化小”等定性表述方式。

由此可见，上述针对工程场地、线状走廊带等小区域的评价方案在运用于大区域（例如省级区域）地质环境复杂程度评价时将受到如下限制：

1）指标体系不能照搬应用于大区域，否则将出现部分指标（如地下水、坡体结构等重要要素）无法获取的情况。

2）对大区域而言，“简单”、“中等”、“复杂”3级划分方案过于粗略，不能很好反映区域地质环境复杂程度的差异性和多样性。

3）尽管现有方案提倡定性与定量相结合，但仍以定性判断为主。小区域因调查研究程度高，采用定性评价是可行的；但对大区域而言，受经验及认识差异的影响，过度依赖定性判断会使评价误差偏大、结果过于笼统空泛。

受技术手段的限制，以往多是在资料分析、踏勘调查的基础上，在报告中以文字描述、CAD制图等形式进行笼统分区描述，难以高效、精细的给出每个点位的评价结果。

为适应大区域地质环境复杂程度评价的需要，建立一套普适性的指导原则和评价方法十分必要和紧迫。本文在指标选取及量化处理方面做了一些突破，利用AHP法计算指标权重，基于GIS平台开展评价工作；结合四川地质环境复杂程度评价对方法及技术流程进行阐述。

2 指导原则

区域地质环境复杂程度评价应遵循以下原则：

1）针对性：地质环境是一个复杂的巨系统，不同地区具有其独特性，因此指标选取必须具有针对性，做到科学、合理、系统、层次。

2）可行性：要求评价指标数据来源有可行性，数据质量可靠。部分已有研究考虑了斜坡岩体结构、控制性结构面、地下水含水层数量、甚至特殊岩土层厚度等因素，虽然看似周全，但是对大区域地质环境复杂程度评价而言，这些指标基本没有数据支持，不具备可行性。

3）定性与定量并重：定性与定量并重：地球科学的复杂性决定了它的研究方法必须走定性与定量相结合的道路，对定性分析的嗤之以鼻、对定量评价的盲目崇拜都是不可取的。在定性认识的基础上应尽量利用量化指标来描述影响因子，指标权重宜根据地区特点和研究目的由专家经验、AHP法确定。

4）评价工作宜基于GIS平台开展：相较传统CAD平台，GIS在地学数据管理、空间分析等方面的优势可以取得事半功倍的效果。

3 四川地质环境复杂程度评价

3.1 指标选取、量化与分级

遵循上述原则，针对四川地质环境的特点，选取地形地貌、地层岩性与冻土、断裂构造、区域稳定性及气象等6类10项指标对四川地质环境复杂程度进行评价。

各指标具有不同的物理意义及数学量值，例如坡度以度（°）为单位，数值介于0~90°；高程以米（m）为单位，四川境内数值介于76~7 143m。指标间不能直接进行叠加计算，应先对量化指标进行分级，在统一标度范围进行综合评价，分级标准主要参考相关规范（规程）、研究文献或自然间断点分级法确定。采用“1”、“2”、“3”、“4”四个数值表示4个等级，某项指标数值越大表示其使地质环境越趋于复杂。

3.1.1 地形地貌

地形地貌是地表呈现出的高低起伏、倾斜陡缓的各种形态和样貌，选用高程、斜坡坡度、地势起伏度3个指标描述地形地貌特征。选用ASTER GDEM高程数据，分辨率30m。由DEM经GIS平台进行空间得到四川全境坡度数据。

地势起伏度定义为某点一定大小的邻域范围内最高点与最低点的高差[5]，反映地势高低起伏形态。由定义可知：某点邻域大小不同，对应起伏度也不相同。研究表明对特定地区，必定存在最佳邻域统计单元。据均值变点法基本原理[6]，统计发现四川地势起伏度的最佳领域统计单元为边长2 160m的方形单元。基于DEM，利用GIS平台的邻域分析功能加工形成四川地势起伏度数据。

境内海拔在76~7 143m之间，随高程增加，“高寒”、“氧气稀薄”等一系列问题会越来越严重，地质环境趋于复杂；以1 000m、3 500m、5 000m为间断值将研究区分为低山、中山、高山、极高山等4个级别（图1），分别赋予分值1~4分值。以10°、30°、50°为间隔将地形分为平坦、中-缓坡、陡坡、极陡坡4个级别（图2）并分别赋予分值。地势起伏度以200m、500m、1000m为间隔将其分为微-低起伏、低起伏、中起伏、高起伏4个级别（图3）并赋予1~4分。具体划分方案及依据见表1。

表1 评价指标(因素集)体系分级量化(评价集)及权重

图1 高程分级赋值

图2 坡度分级赋值

图3 地势起伏度分级赋值

3.1.2 基于信息熵的地层岩性量化及分级

回顾已有文献及规范，不难发现地层岩性复杂程度是最难量化描述的指标之一。已有研究对地层岩性复杂程度多采用“复杂多变”、“相对单一”等定性描述，评价结果过度依赖于地质专家的经验。

对地层岩性复杂的理解：①一定大小的统计单元内出现的地层及岩性类型数量众多；②相同数量条件下，同类地层及岩性分布不连续，具有离散、间隔分布的特点。

对统计单元内地层数量和分布结构复杂性的认识有助于启发我们转向其他领域以寻求一种可供参考的地层复杂程度量化评价方法。

事实上，信息熵在土地利用结构评价中的成功运用为我们提供了借鉴。土地利用结构指一定区域内各种用地类型之间的比例关系或结构特征，李江、周子英等学者引入信息熵的概念实现了对土地结构复杂程度的量化评价[9~10]。受其启发，考虑到土地结构与地层结构具有某种程度上的相似性，在地层岩性复杂程度量化描述中可引入信息熵的概念。

建立在概率论基础上的信息熵定义为：

（式1）

式中：P为样本空间某个事件出现的概率，为比例系数。对一定大小的统计单元而言，这种概率可用面积比代替，记统计单元面积为，单元内某地层的面积为S，则上式中的P=S/S；系数由单元内离散分布的地层组个数()定义，，由于>1时，式中对数项小于0，为方便考虑，在前加一个负号使得值大于0。最终地层信息熵定义为：

以四川1∶50万数字地质图为基础数据，以岩石地层单位——地层“组”为地层分辨率，可以较好反映岩性的空间变化特征。统计单元网格大小与地势起伏度最佳分析单元大小一致，均为边长2160m的方形网格。借助GIS平台的空间分析功能实现地层复杂程度信息熵的计算，计算的值在0~17.725之间。

基于自然间断点分类法，以Z值0.5、2、4为间隔将其分为“简单”、“中等”、“复杂”、“非常复杂”4个级别（图4），分别赋予分值。

图4 地层岩性复杂程度分级赋值

图5 细化后的冻土分布图

3.1.3冻土

冻土是温度在0°C 或0°C 以下且含有冰的各种岩土体[11]。冻土中赋存有丰富的地下冰，对地温极为敏感，“冻胀”和“融沉”是冻土区工程建设常见的两大危害。四川地域广阔，高寒地区广泛发育的冻土使得其成为地质环境复杂程度评价中不能忽视的因素。

冻土数据获取自“中国西部环境与生态科学数据中心”，由施雅风和米德编制。原始数据中季节冻土在川西地区分布极为广泛，如果以“季节冻土”大类来考虑分级和赋值，则很难反映出季节冻土的地区的差异性。考虑到季节冻土“冬冻夏融”是高、低地温循环作用的结果，因此可以利用一年时间段内的地温变化幅度对原始季节冻土数据进行细化。基于这种认识，以季度为单位，定义年地温极差为最热季度（夏季）白昼平均地温T与最冷季度（冬季）夜晚平均地温T之差，即T=T-T。某地值越大，在一年内的地温变化幅度越大，经历的低温越低、高温越高，季节性冻土的冻结和融化都将更加强烈、复杂。

地温数据选用2015年Modis遥感数据，获取自NASA陆地过程分布式数据档案中心。按上述原则计算的值介于5℃~59℃，以30℃为间隔对季节冻土进行分级，得到细化后的冻土分布（图5）。

高山多年冻土和岛状多年冻土对地质环境复杂程度的影响最大，均赋予4分；≥30℃的季节冻土主要分布于川西北高寒地区，冻结时间较长，冻结深度较大，冻融循环较强烈，赋予3分；<30℃的季节冻土主要分布于川西南亚热带季风气候区，冻结时间和冻结深度相对较小，赋予2分；瞬时结冰与冻土分布于川东及川西部分河谷，冻结程度小，持续时间短，赋予1分。具体划分方案见表1。

3.1.4断裂构造

断裂破坏了地壳岩体的完整性，其影响带内岩体力学性质较差，斜坡易变形、失稳；区域活断裂往往是强烈地震的孕震构造。四川境内断裂构造发育且活动性强，发育著名的“Y”字形断裂体系、金沙江断裂等。

基于1∶50万断裂构造图，采用断裂线密度、距断裂距离两个指标反映断裂的影响。断裂线密度在0~0.285km/km²之间，基于自然间断点分类法，以0.03、0.07、0.12作为间断值，划分为4个级别。距断裂距离采用300m、800m、5000m作为间隔值，划分为4个级别；并按距离断裂越近、地质环境越复杂的原则，分别赋予分值。具体方案见表1。

3.1.5区域稳定性

区域稳定性是以内动力为主导、内外动力共同作用下地壳及其表层的相对稳定程度。地震活动是影响区域稳定性的重要因素之一，可用地震烈度、地震动峰值加速度等加以描述。这里采用《中国地震动参数区划图》中的地震动峰值加速度作为区域稳定性的评价指标。

对地震动峰值加速度A的分级方案为：

①A=0.05g：分值1分；对应地震烈度＜=Ⅵ度；

②A=0.1g：分值 2分；对应地震烈度Ⅶ度；

③A=0.15g：分值3分；对应地震烈度Ⅶ度；

④A≥0.2g：分值4分；对应地震烈度≥Ⅷ度。

3.1.6气象指标

降雨作为一种重要的气象指标，也是极为常见的诱灾因子。选取多年年均降雨量及24小时雨量作为气象指标；数据依据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》加工而成。

多年年均降雨量总体上反映了降雨的长期特征，其值在600~1200mm之间，以700mm、850mm、1000mm为间隔值将其分为4个级别，依次赋予1~4分值。具体划分方案见表1。

24小时雨量反映了短时最大降雨特征，强降雨是重要的地质灾害诱发因素。参考相关研究[11]，以25mm、50mm、100mm为间断将其划分为小雨及中雨、大雨、暴雨、大暴雨4个级别，依次赋予1~4的分值。具体方案见表1。

3.2 指标权重计算

基于GIS的地质环境复杂程度评价，其基本原理是将影响因子的分级量化指标用一张张专题图层表示，基于GIS平台进行加权叠加计算得到地质环境复杂程度指数。因此确定评价指标的权重极为关键。选用层次分析法（AHP）计算指标权重。AHP法通过构建指标两两比较的层次判别矩阵，以矩阵最大特征根对应的向量元素作为权重，具有目标明确、简洁实用、集定性分析与定量评价于一体的优点，已得到大量的成功运用。

利用AHP法计算的指标权重见表1。

3.3 地质环境复杂程度分级

对指标进行加权叠加计算，利用自然间断点分类法将复杂程度分为“简单”、“中等”、“复杂”、“非常复杂”4个级别（图6）。总体而言，境内地质环境具有东部相对简单、西部相对复杂的宏观特点。

图6 四川地质环境复杂程度分区

川东地区以丘陵地貌为主；第四系、侏罗系等地层出露广泛且分布稳定；处于扬子准地台，地壳稳定，无区域性深大断裂；仅川东北及川东南局部地区地质环境复杂。

广元、成都、雅安、乐山一线以西的川西地区地质环境总体比较复杂。处于“非常复杂”级别的地区主要受区域断裂控制，如中东部龙门山断裂、西北鲜水河断裂、南部安宁河断裂以及西部金沙江断裂区域；这些断裂发育地区同时具有山高谷深、岸坡陡峻、岩性岩相复杂多变的综合特点。

西部地质环境简单-中等地区主要位于川西北、甘孜州南部等区；这些地区海拔普遍较高，以高平原、低起伏山地为主；出露地层分布比较连续；远离区域性活动断裂，地震风险小；降雨稀少；普遍发育季节冻土，部分地区发育多年冻土。

局部来看，在“复杂”、“非常复杂”的包围圈中零散分布着一些地质环境“简单-中等”的河谷平原、山间盆地，往往是山区城镇、聚居点所在地。但复杂地质环境包围下的这些地区并不全是“安全岛”。

2017年6月24日清晨，受降雨诱发，阿坝州茂县新磨村突发特大型山体滑坡，造成下方村庄被埋的惨痛灾害事件。滑坡区地处复杂-非常复杂的地质环境（图7、图8），地形高陡突兀，断层从滑源区直接切过、岩体破碎；下方河谷聚集区地质环境复杂程度中等。回看事故前的影像：滑坡区山体长大裂缝清晰可见，河谷聚集区位于崩塌堆积体前缘，坡脚遍布滚落的巨石，这表明后山斜坡历来存在地质灾害隐患。这类地质环境复杂区值得引起重视！

图7 茂县6·24滑坡区地质环境复杂程度

可见，大区域地质环境复杂程度评价不仅对长距离线状工程（如交通、输电线路）规划选线具有指导作用，对山区城镇规划选址亦有一定指导价值。

图8 茂县新磨村山体滑坡影像

4 结论

宏观分析区域地质环境复杂程度能有效指导长距离线状工程规划选线、指导城镇规划选址。然而实践发现：目前针对小区域工程场地、线状工程走廊带制定的地质环境复杂程度评价方案及方法不能很好的适用于大区域，本文的研究工作正是在这一背景下开展的。

1）现有方案及方法在运用于大区域评价时主要存在指标难以获取、结果粗略空泛、误差较大等问题；

2）在系统分析相关规范（文献）的基础上，提出了区域地质环境复杂程度评价的指导性原则：即指标选取应具有针对性和可行性、评价方法应坚持定性与定量并重、积极运用GIS技术；

3）通过引入信息熵理论，对地学研究中长期存在的地层岩性复杂程度难以量化描述的问题，初步实现了量化评价；基于GIS技术，利用1∶50万地质图制作形成四川地层复杂指数分区图。

4）选取地形地貌、地层岩性、断裂构造等6类10项指标，利用AHP法计算权重，对四川地质环境复杂程度进行了评价，揭示了四川境内地质环境的主要特征，为长距离线状工程规划、山区城镇选址、地质调查提供了参考。相关研究成果[12]已在四川电网规划中得到成功运用。

[1] 闫满存，李华梅．区域地质环境质量评价研究的现状与趋势[J]．地球科学进展，1994，14(04)：58-63．

[2] 刘传正，张明霞，刘艳辉．区域地质环境可持续利用评价体系初步研究[J]．地学前缘，2006，13(01)：242-245．

[3] 阙金声，陈剑平．地质环境复杂程度可拓评判法[J]．煤田地质与勘探，2007，35(04)：58-61．

[4] 张舒尧．输变电工程地质环境评价指标体系研究[D]．中国地质大学(北京)，2016．

[5] 涂汉明，刘振东．中国地势起伏度研究[J]．测绘学报，1991，23(04)：311-319．

[6] 王玲，同小娟．基于变点分析的地形起伏度研究[J]．地理与地理信息科学，2007，23(06)：65-67．

[7] 高海拔高寒冻土的工程特性研究[R]．地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，2011

[8] 詹道江，叶守泽．工程水文学[M]．北京：中国水利水电出版社，2000．

[9] 李江，郭庆胜．基于信息熵的城市用地结构动态演变分析[J]．长江流域资源与环境，2002，11(05)：393-397．

[10] 周子英，段建南，梁春凤．长沙市土地利用结构信息熵时空变化研究[J]．经济地理，2012，32(04)：124-129．

[11] 程国栋．中国冰川学和冻土学研究40年进展和展望[J]．冰川冻土，1998，20(03)：21-34．

[12] 李源亮.川西地区地质灾害危险性及工程地质环境质量对输变电工程规划影响研究[D]．成都理工大学，2018．

Evaluation of Regional Geological Environment Complexity

LI Yuan-liang1REN Guang-ming2FAN Rong-quan3WANG Meng4LI Hui-min2LI Chang2

(1-Guangxi Transportation Design Group Co. , Ltd., Nanning 530011; 2-State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059; 3- Sichuan Power Electric Corporation, State Grid, Chengdu 610041; 4-Remote Sensing Center, Sichuan Institute of Geological Survey, Chengdu 610081)

Macro analysis of regional geological environment complexity can effectively guide the planning and location of long-distance linear projects and urban planning. In the past, the evaluation of geological environment complexity was mainly aimed at small areas, and its evaluation scheme was restricted when applied to large areas. In view of this, this paper puts forward guiding principles of evaluation of regional geological environment complexity, using information entropy evaluating the complexity of stratigraphic lithology. Selecting 10 indicators from topography, stratigraphic lithology and frozen soil, faults, regional stability, meteorology and using the Analytic Hierarchy Process (AHP) for calculating index weights, geological environment complexity is analyzed based on the GIS platform. This research method is of value to the evaluation of regional geological environment. The results provide a basis for long distance linear engineering planning in Sichuan.

geological environment; complexity; information entropy of stratigraphic lithology; Sichuan geology; AHP

2019-01-20

国家电网公司科技项目资助（SGSCJY00JHJS201600026）

李源亮（1992-），男，贵州晴隆人，助理工程师，硕士，主要从事区域地质调查、岩土工程等方面的工作

P642.4

A

1006-0995（2020）01-0086-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.018