山东省日照市蓝色经济区工程建设适宜性评价

朱 伟,李 玲,杨 鹏*,杨崇敬,艾洪键

1)山东省第八地质矿产勘查院,山东日照 276826;2)日照市土地质量评价与污染修复重点实验室,山东日照 276826;3)山东地矿局有色金属矿找矿与资源评价重点实验室,山东日照 276826;4)中国地质大学(北京)水资源与环境学院,北京 100083

近年来,我国城镇化进程不断加深,由城市发展建设带来的一系列环境地质问题日益加剧。为实现城市工程建设与地质环境的协调发展,需要查明建设场地的相关工程地质环境条件,对工程建设适宜性进行分析并合理评价,以期达到科学规划及开发利用的目的,最大限度地控制人类活动对地质环境造成的影响,为城市规划建设提供理论参考依据。

国内外已有众多学者对城市工程建设适宜性评价开展研究,早期其评价方法多为定性评价,随着地理信息系统(GIS)空间分析技术的发展,借助GIS技术以多种评价方法对研究区进行定量评价的思路得到广泛运用。例如利用Mapgis空间分析功能,获得评价区各单元格评价因子的分级数据,从而运用评价单元多因子分级加权指数法对城市规划区工程建设适宜性分区进行评价(董毓等,2019; 彭苗枝等,2019; 邢怀学等,2019; 王文韬等,2022); 采用模糊赋权法计算指标因子的权重,结合相关地理信息技术对城市绘制了适宜性分区图,并提出该区域工程建设适宜性相关建议(陈绪钰等,2020); 在研究区建立适用于工程地质环境评价的指标体系,利用模糊综合评价法研究城市建设用地适宜性定量评价(龚士良,1994; 苏惠敏等,2006;梁艳平等,2001; 廖香俊等,2005; 黄义忠,2010;黄灿,2021); 基于GIS平台,采用层次分析法构建适宜性评价因子体系,对研究区的工程建设适宜性进行量化计算(侯新文,2011; 古晓雯等,2019;李崇博等,2020; 董永智等,2021; 郑祥凤等,2021;赵思成等,2022); 运用专家打分-层次分析法进行工程建设适宜性评价,说明了专家打分法辅助层次分析法的重要性(方寅琛等,2017)。国外有学者研究了GIS和多标准决策分析(MCA)在土耳其伊斯坦布尔东部Pendik地区城市发展潜在适宜性评估中的集成,采用了两种不同的方法(确定性和模糊建模方法)来评估住宅、工业/商业和娱乐发展的土地用途的适宜性(Ustaoglu et al.,2020); 也有学者在专家意见和文献的基础上,利用层次分析法(AHP)和GIS技术进行适宜的农业实践区域调查(Mosadeghi et al.,2015; Youssef et al.,2015)和城市发展适宜区评价; 还有学者比较了两种定量技术(层次分析法和模糊层次分析法)在确定大规模城市规划情景下土地利用区域范围方面的结果(Tolche et al.,2022)。

山东省日照城区地处鲁东南沿海,是山东半岛蓝色经济区内的主要城市之一,开展了大量的地质工作,取得了丰富的地质资料和研究成果(秦泗伟等,2014; 张婉等,2018; 杨鹏等,2019;丁文洁等,2020; 秦泗伟等,2020)。本文基于山东省日照市蓝色经济区城市三维地质结构调查项目,参考工程地质调查成果,对日照地区工程地质条件和主要环境地质问题进行了分析,建立该地区工程建设适宜性评价指标体系,并进行工程建设适宜性评价,评价结果可为城市规划建设与现代化城市管理提供理论及技术支撑。

1 区域地质背景

研究区北起秦楼街道,东至黄海海岸线,西与204国道相邻,南至奎山镇焦家庄子村,总面积200 km2。研究区属丘陵、滨海平原结合的地形,地势西高东低,分布于五莲山凸起向黄海倾斜的低山丘陵-滨海堆积平原地带。区内最高点为奎山,标高为+230 m,一般地形标高+0～80 m,标高在10 m以下的海滨地带占海岸带的30%,高程在10～50 m的山前平原占60%,高程在50 m以上的丘陵区占10%。地貌特征分区明显,丝山—石臼—奎山一带花岗岩地区,地表风化作用强烈,节理、裂隙发育,形成波状起伏的剥蚀构造地形,而海岸线及河流两侧则为冲积、海积等作用形成的河谷、泻湖、砂岸等低洼海滨地貌(山东省地质矿产局,1991)。区内出露的地层较少,主要为新生代第四系,广泛分布于山间河谷、山坡冲沟、河床及两侧、滨海地段,仅局部地区见少量古元古代荆山岩群。研究区内构造主要表现为较为发育的脆性断裂,按走向分别为北东向、近东西向、北西向三组,其中区域性的大断裂为北东向日照—胶南断裂,其他为北西向、近东西向较小断裂(图1)。

图1 日照市蓝色经济区地质简图Fig.1 Geological map of blue economic zone of Rizhao City

根据地貌与构造特征,工作区属于鲁东丘陵工程地质区的五莲山侵入岩变质岩较不稳定亚区。区内广泛出露燕山期坚硬块状侵入岩、元古代坚硬的层状混合岩化变质岩,工程地质性质良好。山间谷地土体以黏性土双层结构为主,滨海平原土体以上层砂性土双层结构为主,夹淤泥类土(图2)。研究区属鲁东低山丘陵松散岩、碎屑岩、变质岩类为主的水文地质区,荣成—日照水文地质亚区。根据地下水赋存条件,区域地下水类型可分为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水两种类型。

图2 日照市蓝色经济区工程地质分区示意图Fig.2 Engineering geological zoning diagram of Rizhao Blue Economic Zone

2 技术手段与数据

本次研究基于日照城市三维地质结构调查开展,数据包括地质调查、钻探、水质分析、波速测试数据及各类图件等,调查内容详实,数据可靠,较为全面、准确地控制了区内工程地质结构。

3 研究方法

3.1 评价指标体系构建

本次工程建设适宜性评价在《城市规划工程地质勘察规范》(CJJ57-94)中的附录D“场地工程建设适宜性分类”规定基础上,通过对研究区工程地质条件与问题的调查和综合分析,评价各因素对日照市蓝色经济区工程建设适宜性限制的影响程度,并对影响因素进行梳理、归并,参考相关工程建设适宜性相关研究成果(俞跃平等,2011; 郝爱兵等,2018; 白耀楠等,2019; 余敏等,2020; 马涛等,2021; 熊峰等,2022; 熊雄等,2022),建立评价指标体系。评价选取场地稳定性、工程地质条件、地下水条件,地形排水条件、地质灾害及其他因素为一级评价因子; 在综合考虑工作区不同地质环境区的前提下对一级因子进行细化,进一步选取构造活动、场地土类型、建筑场地类别、土体结构、承载力、土压缩性、软土厚度、地下水富水性、地下水腐蚀性、地下水埋深、地表坡度、地质灾害易发性和已开发地下工程为二级评价因子,建立逻辑层次合理的评价体系(图3)。此外,将活动断裂和洪水作为工程建设适宜性类别的控制性决定指标即优势指标,优势指标是影响工程建设适宜性的最主要因素,即非全新世活动断裂风险区为工程建设适宜性差区,全新世活动断裂风险规避区不适宜进行工程建设; 河道两侧影响区工程建设适宜性差,现状水系区域为工程建设不适宜区。本次工程建设适宜性评价分为高层建筑适宜性评价、轨道交通适宜性评价及地下空间开发适宜性评价三个部分,不同工程建设适宜性评价因子指标构成不同,在二级评价因子的选择上亦有所不同,根据主导因素原则,选取相应的主导因子指标组合。

图3 适宜性评价指标体系Fig.3 Suitability evaluation index system

3.2 评价指标权重确定

评价时应该综合考虑各个评价因子对场地建设适宜性的贡献加以区别,赋予不同的权值,权值的求解过程实际为因子间重要度的比较过程。本次评价采用层次分析法和专家打分法相结合的方式即专家-层次分析定权法对评价指标进行权值分配,主要步骤包括: (1)请选定专家组成员参照层次分析法判断矩阵标度进行因子重要度的比较,确定判断矩阵并对判断矩阵进行一致性检验。(2)综合各位专家给出的判断矩阵,构造新的判断矩阵并再次移交给专家进行审查、判断。(3)对专家提出异议的综合构造判断矩阵进行修改,重新提交给专家审核直至通过为止。根据最终确定的判断矩阵应用线性代数知识以及MATLAB软件求解,得到矩阵的特征向量即为相应因子的重要性排序。经过归一化处理后,即可得到不同工程建设适宜性评价各项指标的权重(表1)。

表1 工程建设评价因子权重表Table 1 Project construction evaluation factor weight table

3.3 评价数学模型

评价数学模型参考现有文献方法(彭苗枝等,2019; 邢怀学等,2019; 王文韬等,2022),以工作区域为基础,均匀划分评价单元格,得到 3 101个精度为0.25 km×0.25 km的评价单元格,在每个单元格内开展场地工程建设适宜性评价。评价程序可分为4步:

(1)应用Mapgis对空间属性的读取功能以及人工根据实际情况赋值,对各个评价单元格的各因子评价结果进行提取。

(2)将提取的因子评价结果应用所选评价因子拟合公式(公式(1))按权重赋值进行加权叠加计算,得到各个评价单元格内的场地建设适宜性评分值L。

(3)以各个单元格的场地建设适宜性评价结果为背景值,运用Surfer软件生成等值线图,对部分与实际情况不相符的地区进行修正。

(4)根据等值线图对场地工程适宜性进行分区,分区标准与评价因子分级标准保持一致(表2)。

表2 场地工程建设适宜性评价分级标准Table 2 Grading standard for suitability evaluation of site engineering construction

式中:L为场地工程建设适宜性评价综合得分;ωAi、ωBi、ωCi、ωDi为各评价因子的权重;LAi、LBi、LCi、LDi为各评价因子单项组分评价分值。

4 结果分析与评价

4.1 单要素分析

4.1.1 场地稳定性

区域地壳稳定直接影响场地稳定性,本研究区区域地壳稳定,为基本稳定区。该区的抗震设防烈度为7度,场地土类型主要分为坚硬土和基岩、中硬场地土和中软场地土三种类型。坚硬土和基岩主要分布于基岩裸露区; 中硬土主要分布于山前组硬塑至坚硬装粘性土分布区、稍密至中密碎石土、砂砾土分布区; 山前平原中后缘及海岸带为中软场地土。区内抗震有利地段主要分布于基岩裸露区及山前中硬土分布区; 抗震不利地段主要分布于沿海和付疃河下游海水入侵区,抗震危险地段主要在奎山和丝山地质灾害易发区内,多呈点状分区; 其余地段为抗震一般地段。

4.1.2 地基均匀稳定性

研究区地基土的结构类型为双层结构,大部分地区承载力大于150 kPa,基本满足中-高层建筑物对地基承载力的要求。区内没有平均压缩模量小于4 MPa的高压缩性土分布,大部分区域以大于20 MPa的低压缩性土为主,仅在大卜家庵子有压缩模量大于11 MPa的中压缩性土。

4.1.3 水文地质条件

研究区内测试点水质对钢结构和混凝土结构均无腐蚀性或微腐蚀性。地下水类型主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种类型。基岩裂隙水富水性较小,一对工程建设影响较小; 松散岩类孔隙水含水岩组主要分布在付疃河流域的山前平原区、山间河谷地带及其海岸带,接受大气降水、地表水及基岩裂隙水的补给,排泄途径主要为农业开采。山前水位埋深一般小于3 m,地下水位年变幅在1.5～3.5 m之间。孔隙水含水层主要分布于山间河谷和山前冲洪积平原以及滨海河口三角洲,其富水性可分为四级: 富水性1000～3000 m3/d分布于河谷地带,含水层岩性为含砾粉砂、砂砾; 富水性500～1000 m3/d分布于付疃河下游入海处,含水层岩性为含砾粉砂、砂砾; 富水性小于500 m3/d主要分布于滨海河口三角洲,为海陆交互相,岩性主要有淤泥质粉砂、粉砂、砂等; 其余地区富水性小于100 m3/d。

4.1.4 地形排水条件

地形条件决定了场地排水条件。本次研究主要考虑地表的坡度,根据工程建设场地的划分,把地形坡度小于10°的区域作为地形平坦区,地形坡度在10°～20°之间的作为地形起伏较大区域,而地形坡度超过20°的作为地形起伏大的区域。区域内坡降大部分小于10%,地势相对平坦,属场地地形平坦区,因此场地排水条件良好。

4.1.5 地质环境条件

研究区属丘陵、滨海平原结合的地形,西高东低,由内陆向黄海倾斜的地理环境。随着社会经济的快速发展,工程建设等人为活动的加剧,造成地面塌陷、地裂缝及山体崩塌、滑坡等突发性地质灾害不断发生,对工程建设及其安全运行产生较大不利影响。区内地质灾害不发育,目前有两处崩塌。

4.1.6 其他影响因素

目前研究区内已开发建设的地下空间主要包括高层建筑地下室、地下车库、商场、人防工程及各种地下管线,最大利用深度已达20 m左右,主要集中在中心城区及东部沿海,这些基坑工程中大多数建(构)筑物密集,对变形的反映比较敏感。上述已建的各种地下工程会对今后地下空间的开发建设造成一定影响。

4.2 高层建筑适宜性评价

研究区内现有高层建筑群体规模不大,还有较大的发展建设空间。根据高层建筑重要性等级高、荷载大、对地基承载力要求高,对沉降敏感等特点,主要选取构造活动性、场地土类型、建筑地段类别、地基土压缩性和承载力、地下水位埋深和腐蚀性及地质灾害易发性等评价因子,最终对规划区高层建筑工程建设适宜性进行评价。适宜性可分为适宜区、较适宜区、适宜性差区和不适宜区四个等级(表3,图4)。

表3 场地工程建设适宜性分区评价结果Table 3 The result of zoning evaluation of site construction suitability

图4 日照市蓝色经济区高层建筑建设适宜性分区图Fig.4 Rizhao Blue Economic zone high-rise building construction suitability zoning map

(1)适宜区(Ⅰ)。在研究区内广泛分布,地基土强度高,压缩模量较高,可以直接作为建筑的天然地基持力层。

(2)较适宜区(Ⅱ)。主要分布在付疃河下游地区,地基土强度相对较高,可以直接作为一般建筑的天然地基持力层,如果工程重大,则需要治理针对负荷来说相对低的承载力,做好地基处理工作;开挖边坡要采取轻度防护措施,避免边坡失稳问题。

(3)适宜性差区(Ⅲ)。为河流两侧及海岸影响区,地下水位埋深相对较浅,地基土承载力偏低,工程地质环境质量差,岩土工程问题较复杂,适宜小型或轻型的工程建设,布置多层或高层建筑时,采取相应工程措施; 此外考虑奎山和研究区北部丝山地区海拔高度,在工程建设中不利于运输,人力物力比较浪费,将此地也划为适宜性差区。

(4)不适宜区(Ⅳ)。指现状水系分布,约占总面积的1.30%,为了防洪及排水需要,建议作为城市的绿化区带,不宜作为建筑物布局。

总体来说,研究区场地工程建设适宜性较好,有利于规划建设。

4.3 城市地下空间建设适宜性评价

根据地下空间开发利用特点,主要选取构造活动性、场地土类型、建筑地段类别、地基土压缩性和承载力、特殊类土、地下水富水性、水位埋深、地下水对建筑材料腐蚀性、地质灾害易发性及已开发地下工程等评价因子,对城市规划区地下空间工程建设适宜性进行评价。适宜性可分为适宜区、较适宜区、较不适宜区和不适宜区四个等级(图5)。

图5 日照市蓝色经济区地下空间建设适宜性评价Fig.5 Evaluation of suitability of underground space construction in Rizhao Blue Economic Zone

(1)适宜区(Ⅰ)。分布于研究区大部分地区,一般基岩裸露,岩土层以强风化、中风化的花岗岩为主,区内无大型断裂发育,其围岩稳定性及工程力学性质好,承载力高,压缩性低,大部分属抗震有利地段; 该区富水性较弱,小于100 m3/d,地下水具有微腐蚀性,基本无地表水体影响,地下水位埋深浅,未进行地下开发工程,是地下空间工程建设适宜区。

(2)较适宜区(Ⅱ)。主要分布在奎山及丝山附近,该区富水性较弱,一般小于100 m3/d,地下水具有微腐蚀性,基本无地表水体影响,未进行地下工程开发; 局部点状分布崩塌地质灾害隐患,但坡降较大,是地下空间工程建设较适宜区。

(3)较不适宜区(Ⅲ)。主要分布于付疃河冲洪积扇及大型高速公路、铁路沿线一带区域; 地下空间的开发主要受已开发地表及地下工程、富水性强弱影响较大,基本不受地表水体影响; 冲洪积扇一带地下水位埋深小,一般小于5 m,工程地质条件较复杂,土体厚度较厚,以砂(粉)土、粉质黏土为主,承载力特征值150 kPa左右,以中压缩性和中高压缩性为主,围岩整体稳定性较差; 区内无地质灾害分布,基本未进行地上或地下工程开发,是地下空间工程建设较不适宜区。

(4)不适宜区(Ⅳ)。主要分布在付疃河两岸附近及海岸附近,市区因已建高层建筑,也属于不适宜区; 地下空间的开发受地表水体(如付疃河)影响较大; 地下水位埋深一般小于5 m,工程地质条件较复杂,岩土层以砂(粉)土、软土、粉质黏土为主,分布软土,土体承载力小于150 kPa,以中高压缩性为主,属于中软场地土,围岩整体稳定性差,是地下空间工程建设不适宜区。

4.4 城市轨道交通建设适宜性评价

本次评价主要选取构造活动性、场地土类型、建筑地段类别、地基土压缩性和承载力、地下水富水性、水位埋深及地质灾害易发性等评价因子,且考虑轨道交通线路的延展性,对于小面积的单块适宜区,降低一个等级处理。通过对上述单因子叠加分析,最终对轨道交通工程建设场地适宜性评价。适宜性可分为适宜区、较适宜区和较不适宜区三个等级(图6)。

图6 日照市蓝色经济区轨道交通建设适宜性分区图Fig.6 Rizhao Blue Economic Zone rail transit construction suitability zoning map

(1)适宜区(Ⅰ)。分布于研究区的大部分地区,主要为基岩裸露区,为低压缩和中压缩地基土,属于中软和中硬场地土,承载力一般大于150 kPa,属抗震有利和一般地段及地质灾害不易发区; 区内地下水富水性弱,是轨道交通建设适宜区。

(2)较适宜区(Ⅱ)。主要分布在付疃河下游崮河崖—大岭南头—后崮子一带,该区富水性大于500 m3/d,水位埋深小于3 m; 区内第四系厚度大,为中压缩地基土,属于中软场地土,承载力小于150 kPa,属抗震一般地段及地质灾害不易发区,是轨道交通建设较适宜区。

(3)较不适宜区(Ⅲ)。主要分布在付疃河下游夹仓和小古镇一带及其沿海,由于地下水过量开采容易引发地面变形,该区属抗震不利地段; 场地承载力小于150 kPa,为中高压缩性土,属于中软场地土。另外,奎山和丝山有崩塌地质灾害隐患点,属地质灾害低易发区,为低压缩性地基土,属中硬场地土,坡降较大,场地承载力大于150 kPa,属抗震危险地段,也是轨道交通建设较不适宜区。

5 结论

(1)影响日照市蓝色经济区工程建设的地质因素主要为场地稳定性、工程地质条件、地下水条件,地形排水条件、地质灾害及其他因素。

(2)依据预测分区指标计算,利用专家-层次分析定权法对日照市蓝色经济区的高层建筑建设、城市地下空间建设和城市轨道交通建设适宜性分别进行了评价,得到了相应工程建设评价分区图。其中高层建筑建设适宜性划分为适宜区、较适宜区、较不适宜区和不适宜区四个区,城市大部分地区适宜进行高层建筑工程建设,占84.50%,适宜性差及不适宜区仅占12.6%; 城市地下空间工程建设适宜性可分为适宜区、较适宜区、较不适宜区和不适宜区四个等级,多数地区属于城市地下空间建设适宜区,适宜性差及不适宜区主要分布在付疃河两岸附近和海岸附近、大型高速公路和铁路沿线一带区域及城区; 轨道交通工程建设场地适宜性可分为适宜区、较适宜区和较不适宜区三个等级,总体适宜性良好,小部分不适宜区主要集中在付疃河下游夹仓和小古镇一带及其沿海地区。

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).