城市地下空间开发地质环境质量三维评价方法研究——以合肥市滨湖新区为例

郝英红，李晓晖*，陈忠良,3，窦帆帆，彭 辉，秦 阳

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽省矿产资源与矿山环境工程技术研究中心，安徽 合肥 230009；3.安徽省地质调查院，安徽 合肥 230001)

0 引言

城市地下空间作为城市发展的重要储备资源，对其合理开发利用可有效缓解城市地上空间资源紧张问题。但城市地下空间开发利用既受到地质环境质量制约[1]，又会造成一系列环境地质、工程地质和水文地质问题[2]。因此，在大规模开发城市地下空间前，需对其地质环境质量进行综合评价，为城市规划和工程建设提供决策依据[3，4]。目前，国内外学者基于二维评价方法，综合岩土体及水文、环境地质等要素对地下空间开发的影响，对地下空间开发适宜性评价进行了相关研究[5-10]，其中，具有三维属性的评价数据被投影至二维空间会造成三维空间信息丢失等问题，显著影响评价结果的精细度，深度方向分辨率太低则影响评价结果的实用性和应用范围。因此，城市地下空间开发环境质量评价逐步从二维转向三维。例如：吴立新等采用模糊评估模型和基于Grid +Voxel的基本单元体划分方法，对北京CBD进行地下空间资源质量评估[11]；叶菁等基于 Voxel模型对佛山市东平新城区进行三维剖分，建立断裂面的三维缓冲区，实现了城市地下空间资源三维质量评价[12]；方寅琛等基于三维地质模型，根据自然、社会经济等条件，采用二/三维数据耦合评价模式对嘉兴市地下空间开发适宜性进行评价[13]；Hou等结合三维地质模型，基于层次分析法和可变模糊集理论对地下空间的综合质量进行分析评价[14]。

已有研究表明，城市地下空间开发地质环境质量三维评价具有广阔前景，但作为基础数据支撑的三维地质建模方法[15，16]则有待加强；此外，三维空间分析方法的应用和研究较为有限，三维地质模型有待采用更多三维空间分析方法进行深入挖掘，以获得更为充分的三维评价因子。三维隐式建模方法具有融合多源数据和快速检验更新模型能力，能够更为合理地构建三维地质模型[17]，近年来受到广泛关注和应用[18]，可为地下空间开发地质环境质量三维评价提供更可靠的数据支持。因此，本文融合三维隐式地质建模方法、三维空间分析方法(三维空间统计分析、三维距离场分析)、AHP层次分析[19]和多级指数叠加[10]等方法，以合肥市滨湖新区为例，开展地下空间开发地质环境质量三维评价研究。

1 地下空间开发地质环境质量三维评价方法

本文城市地下空间开发地质环境质量三维评价方法流程如图1所示。1)地质环境质量三维评价模型构建。 基于研究区地下空间地质、工程特点，从工程地质、水文地质等方面提取地下空间开发的地质环境制约要素，并参考相关研究成果和国家标准对要素指标进行地质环境质量分级，完成评价模型构建。2)三维隐式地质建模。三维隐式地质建模方法能够有效融合研究区地表填图、剖面地质图件、钻孔数据、DEM等多源、多维地质信息建立三维工程地质模型、三维水文模型等[20]，可基于泛协克里格法[18]、径向基函数法[21]等对地质体表面进行快速计算模拟，实现在钻孔等增量数据更新情况下对已建立的地质模型进行快速更新。3)三维空间分析。三维空间分析是地下空间开发地质环境质量三维评价研究的关键，三维地质模型需依靠多种三维空间分析方法挖掘三维评价数据，丰富三维综合评价结果的内涵。本文利用三维插值分析、三维空间统计分析、三维距离场分析、三维空间拓展分析等方法对三维地质模型进行信息分析、提取，建立三维评价数据集。4)三维综合评价。首先基于AHP层次分析法[19]对评价因子进行确权，包括建立层次结构模型(构成对比矩阵)、计算权向量(需满足一致性检验)、计算组合权向量(需满足组合一致性检验)[22]。考虑到多级指数叠加法[10]能够直观反映各评价因子的影响程度，本文采用该模型(式(1))进行三维综合评价。

图1 地下空间开发地质环境质量三维评价方法流程Fig.1 Workflow of 3D evaluation method of geological environment quality for underground space development

(1)

式中：uij、wij分别为第i个主题层中第j个因子的值和权重；wi为第i个主题层的权重。

2 实例研究

2.1 研究区概况

合肥市国家级滨湖新区是合肥市重点建设区块，目前滨湖新区已规划多条地铁线路和多项地下工程，地下空间对于滨湖新区未来的规划和发展具有重要意义。滨湖新区位于合肥市巢湖以北(图2)，区内河流均通过巢湖汇入长江。根据地表形态、成因及岩性，将滨湖新区分为波状平原(岗地和坳谷相间)和平坦平原[23]，前者分布在区域西、北部，后者分布在东南部和河流两侧。滨湖新区地质基岩为古近系定远组，其上覆盖第四系松散沉积物，由老到新划分为中下更新统滚子河组、上更新统下蜀组和全新统芜湖组[23]，区域断裂构造主要为北东—北北东向、北西—北北西向和近东西向三组。根据综合分析，滨湖新区内部基岩土按地层时代自上而下分为工程地质层(1)、(2)、(3)、(4)，在此基础上再划分为14个亚层(表1)[23]，其中(1)-2层为近淤泥质软土层，不利于地下空间开发。

图2 研究区位置及工程地质层分布Fig.2 Location of the study area and its engineering geological layer distribution

表1 滨湖新区工程地质概况Table 1 General situation of engineering geology in Binhu New District

2.2 三维评价模型构建

已有研究认为工程地质、水文地质、地质构造及不良地质体条件是影响地下空间地质环境质量的关键因素[8，24-26]。针对滨湖新区地质特征及数据情况，本文选取上述4个因子作为三维评价模型的一级评价因子，在此基础上选取压缩模量、内摩擦角、含水层厚度、含水层距离场、承压水层顶板埋深、断裂距离场、基岩面埋深、软土层厚度和软土层距离场9个因子作为二级评价因子，各因子可通过不同的三维空间分析方法提取，进一步根据文献[24-27]对评价因子进行分级，其中I级地质环境质量最好，IV级地质环境质量最差(表2)。

表2 城市地下空间开发地质环境质量三维评价因子及其标准分级Table 2 3D evaluation factors at all levels and their standard classification of geological environment quality for urban underground space development

2.3 三维隐式地质建模

依据研究区地表填图、钻孔数据和剖面数据，基于三维隐式建模软件GeomodellerTM对滨湖新区进行三维地质建模，包括建立层组序列、多维地学数据(钻孔数据和地质平面、剖面数据)约束、建模计算和模型校验等步骤。基于钻孔数据和地质平面数据构建模型后，利用后期收集的剖面数据对基于钻孔数据的建模结果进行校验和修正，构建的滨湖新区三维工程地质结构模型和三维水文地质结构模型如图3、图4所示。相较于以往的显式建模方法，三维隐式建模方法能够融合多源多维地质信息，提高地质模型的可靠程度；同时能够对初始建模结果进行快速校验和修正，在添加新数据后，只需重新进行数值计算即可实现对三维地质模型的快速更新。

图3 研究区三维工程地质结构模型Fig.3 Three-dimensional engineering geological structure model of the study area

图4 研究区三维水文地质结构模型Fig.4 Three-dimensional hydrogeological structure model of the study area

2.4 三维空间分析

为开展三维空间分析及三维综合评价，对上述三维地质模型进行离散单元化处理。已有研究[23]表明，对研究区地下工程影响较大的软土层厚度通常为0.8～2.9 m，为更好地表征该因子，同时考虑数据密度、评价结果的实用性以及三维空间分析和计算机软硬件条件限制，将三维地质模型离散化为50 m×50 m×1 m的规则矩形块体单元，离散化后的单元数量约2 000万个。三维空间分析方法能有效挖掘三维地质模型蕴含的信息，使得深度方向上的信息更为丰富和有效，故基于离散化后的三维地质模型，进一步采用三维插值分析、三维空间统计分析、三维距离场分析等方法构建三维评价数据集(图5，彩图见封2)。上述三维空间分析及后续三维综合评价均采用基于SurpacTM软件二次开发的“城市地下空间开发地质环境质量三维评价系统(UUSDA3D)”完成。

图5 各评价因子三维空间分析结果Fig.5 Results of three-dimensional spatial analysis of each evaluation factor

2.5 三维综合评价

通过AHP法建立各层次评价因子判断矩阵，得到矩阵一致性比率CR=0.00033<0.1，表明该判断矩阵满足一致性条件，进而计算得到各评价因子的综合权重。其中，权重wB=(0.078，0.238，0.172，0.512)，wC=(0.026，0.052，0.025，0.151，0.062，0.115，0.057，0.171，0.341)，表明合肥市滨湖新区不良地质体条件B4对地下空间开发地质环境质量的影响最大，其中又以软土层距离场C9的影响最为显著。

基于确权结果和三维评价数据集，采用多级指数叠加法进行地质环境质量综合评价，得到各分层的三维评价结果(图6，彩图见封2)。从图6可知，研究区的浅层开发地质环境质量一般，主要受断裂和下伏软土层影响，研究区东北部、南部(A、D、E区域)存在较厚软土层，并有多条断裂部分切穿松散堆积层底部，导致以上区域在浅层深度范围内的地质环境质量较差，地下空间的开发难度和成本显著增加；而B、C区域受软土和断裂影响较弱，开发地质环境质量较好。研究区中层开发地质环境质量总体较好，主要受含水层和断裂距离场影响，E区域距离含水层较近且位于断裂核心影响区域，开发地质环境质量较差，其余地区(A、B、C、D)距离断裂较远且受含水层影响较弱，开发地质环境质量较好。深层区域主要为基岩区，受基岩面埋深影响明显，由于研究区基岩面埋深浅且变化小，整体较适宜开发。

图6 三维综合评价结果Fig.6 Three-dimensional comprehensive evaluation results

总体而言，滨湖新区地下空间开发地质环境质量评价等级大部分为I级和II级， III级和IV级分布范围较小，地质环境总体较好；从垂向分层看，深层区域开发地质环境质量最好，中层区域除部分区域外普遍质量较好，浅层区域部分地区质量较差，在地下空间开发时需格外关注。评价结果显示，由三维隐式地质建模、三维空间分析、综合评价等方法组成的城市地下空间开发地质环境质量三维评价方法能够显著提高评价结果的深度方向分辨率，同时基于三维评价结果可进一步获取特定深度、特定范围内的评价结果，提高了评价结果的实用性。

3 结论

本文通过选取合适的评价因子构建了三维评价模型，同时融合三维隐式地质建模、多种三维空间分析和三维综合评价等技术方法，构建城市地下空间开发地质环境质量三维评价方法。以合肥市滨湖新区为实例的研究显示，该方法能够有效反映地下任意空间位置的评价结果，清晰描述地质环境质量较差区域的总体分布、变化状况以及相关地质限制条件，提高了评价结果的深度方向分辨率和客观性。合肥市滨湖新区地下空间开发地质环境质量总体良好，但浅层局部区域开发需加强工程管理，评价结果可为城市地下空间精细规划及可持续开发利用提供方法依据。

由于数据收集的局限性，未来可进一步融合土质均匀性、地下水质量等三维评价因子，丰富地下空间开发地质环境质量三维评价模型，使评价体系更全面。另外，本文选用知识驱动的层次分析法进行评价因子确权，使得评价结果受主观性影响较大，今后可采用知识和数据综合驱动的方式确权，同时采用模糊综合评价等模型进行综合评价和对比分析，从而得到更客观、精细的评价结果。