郝英紅，李曉暉*，陳忠良,3，竇帆帆，彭 輝，秦 陽

(1.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009；2.安徽省礦產資源與礦山環(huán)境工程技術研究中心，安徽 合肥 230009；3.安徽省地質調查院，安徽 合肥 230001)

0 引言

城市地下空間作為城市發(fā)展的重要儲備資源，對其合理開發(fā)利用可有效緩解城市地上空間資源緊張問題。但城市地下空間開發(fā)利用既受到地質環(huán)境質量制約[1]，又會造成一系列環(huán)境地質、工程地質和水文地質問題[2]。因此，在大規(guī)模開發(fā)城市地下空間前，需對其地質環(huán)境質量進行綜合評價，為城市規(guī)劃和工程建設提供決策依據(jù)[3，4]。目前，國內外學者基于二維評價方法，綜合巖土體及水文、環(huán)境地質等要素對地下空間開發(fā)的影響，對地下空間開發(fā)適宜性評價進行了相關研究[5-10]，其中，具有三維屬性的評價數(shù)據(jù)被投影至二維空間會造成三維空間信息丟失等問題，顯著影響評價結果的精細度，深度方向分辨率太低則影響評價結果的實用性和應用范圍。因此，城市地下空間開發(fā)環(huán)境質量評價逐步從二維轉向三維。例如：吳立新等采用模糊評估模型和基于Grid +Voxel的基本單元體劃分方法，對北京CBD進行地下空間資源質量評估[11]；葉菁等基于 Voxel模型對佛山市東平新城區(qū)進行三維剖分，建立斷裂面的三維緩沖區(qū)，實現(xiàn)了城市地下空間資源三維質量評價[12]；方寅琛等基于三維地質模型，根據(jù)自然、社會經濟等條件，采用二/三維數(shù)據(jù)耦合評價模式對嘉興市地下空間開發(fā)適宜性進行評價[13]；Hou等結合三維地質模型，基于層次分析法和可變模糊集理論對地下空間的綜合質量進行分析評價[14]。

已有研究表明，城市地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價具有廣闊前景，但作為基礎數(shù)據(jù)支撐的三維地質建模方法[15，16]則有待加強；此外，三維空間分析方法的應用和研究較為有限，三維地質模型有待采用更多三維空間分析方法進行深入挖掘，以獲得更為充分的三維評價因子。三維隱式建模方法具有融合多源數(shù)據(jù)和快速檢驗更新模型能力，能夠更為合理地構建三維地質模型[17]，近年來受到廣泛關注和應用[18]，可為地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價提供更可靠的數(shù)據(jù)支持。因此，本文融合三維隱式地質建模方法、三維空間分析方法(三維空間統(tǒng)計分析、三維距離場分析)、AHP層次分析[19]和多級指數(shù)疊加[10]等方法，以合肥市濱湖新區(qū)為例，開展地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價研究。

1 地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價方法

本文城市地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價方法流程如圖1所示。1)地質環(huán)境質量三維評價模型構建。 基于研究區(qū)地下空間地質、工程特點，從工程地質、水文地質等方面提取地下空間開發(fā)的地質環(huán)境制約要素，并參考相關研究成果和國家標準對要素指標進行地質環(huán)境質量分級，完成評價模型構建。2)三維隱式地質建模。三維隱式地質建模方法能夠有效融合研究區(qū)地表填圖、剖面地質圖件、鉆孔數(shù)據(jù)、DEM等多源、多維地質信息建立三維工程地質模型、三維水文模型等[20]，可基于泛協(xié)克里格法[18]、徑向基函數(shù)法[21]等對地質體表面進行快速計算模擬，實現(xiàn)在鉆孔等增量數(shù)據(jù)更新情況下對已建立的地質模型進行快速更新。3)三維空間分析。三維空間分析是地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價研究的關鍵，三維地質模型需依靠多種三維空間分析方法挖掘三維評價數(shù)據(jù)，豐富三維綜合評價結果的內涵。本文利用三維插值分析、三維空間統(tǒng)計分析、三維距離場分析、三維空間拓展分析等方法對三維地質模型進行信息分析、提取，建立三維評價數(shù)據(jù)集。4)三維綜合評價。首先基于AHP層次分析法[19]對評價因子進行確權，包括建立層次結構模型(構成對比矩陣)、計算權向量(需滿足一致性檢驗)、計算組合權向量(需滿足組合一致性檢驗)[22]?？紤]到多級指數(shù)疊加法[10]能夠直觀反映各評價因子的影響程度，本文采用該模型(式(1))進行三維綜合評價。

圖1 地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價方法流程Fig.1 Workflow of 3D evaluation method of geological environment quality for underground space development

(1)

式中：uij、wij分別為第i個主題層中第j個因子的值和權重；wi為第i個主題層的權重。

2 實例研究

2.1 研究區(qū)概況

合肥市國家級濱湖新區(qū)是合肥市重點建設區(qū)塊，目前濱湖新區(qū)已規(guī)劃多條地鐵線路和多項地下工程，地下空間對于濱湖新區(qū)未來的規(guī)劃和發(fā)展具有重要意義。濱湖新區(qū)位于合肥市巢湖以北(圖2)，區(qū)內河流均通過巢湖匯入長江。根據(jù)地表形態(tài)、成因及巖性，將濱湖新區(qū)分為波狀平原(崗地和坳谷相間)和平坦平原[23]，前者分布在區(qū)域西、北部，后者分布在東南部和河流兩側。濱湖新區(qū)地質基巖為古近系定遠組，其上覆蓋第四系松散沉積物，由老到新劃分為中下更新統(tǒng)滾子河組、上更新統(tǒng)下蜀組和全新統(tǒng)蕪湖組[23]，區(qū)域斷裂構造主要為北東—北北東向、北西—北北西向和近東西向三組。根據(jù)綜合分析，濱湖新區(qū)內部基巖土按地層時代自上而下分為工程地質層(1)、(2)、(3)、(4)，在此基礎上再劃分為14個亞層(表1)[23]，其中(1)-2層為近淤泥質軟土層，不利于地下空間開發(fā)。

圖2 研究區(qū)位置及工程地質層分布Fig.2 Location of the study area and its engineering geological layer distribution

表1 濱湖新區(qū)工程地質概況Table 1 General situation of engineering geology in Binhu New District

2.2 三維評價模型構建

已有研究認為工程地質、水文地質、地質構造及不良地質體條件是影響地下空間地質環(huán)境質量的關鍵因素[8，24-26]。針對濱湖新區(qū)地質特征及數(shù)據(jù)情況，本文選取上述4個因子作為三維評價模型的一級評價因子，在此基礎上選取壓縮模量、內摩擦角、含水層厚度、含水層距離場、承壓水層頂板埋深、斷裂距離場、基巖面埋深、軟土層厚度和軟土層距離場9個因子作為二級評價因子，各因子可通過不同的三維空間分析方法提取，進一步根據(jù)文獻[24-27]對評價因子進行分級，其中I級地質環(huán)境質量最好，IV級地質環(huán)境質量最差(表2)。

表2 城市地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價因子及其標準分級Table 2 3D evaluation factors at all levels and their standard classification of geological environment quality for urban underground space development

2.3 三維隱式地質建模

依據(jù)研究區(qū)地表填圖、鉆孔數(shù)據(jù)和剖面數(shù)據(jù)，基于三維隱式建模軟件GeomodellerTM對濱湖新區(qū)進行三維地質建模，包括建立層組序列、多維地學數(shù)據(jù)(鉆孔數(shù)據(jù)和地質平面、剖面數(shù)據(jù))約束、建模計算和模型校驗等步驟。基于鉆孔數(shù)據(jù)和地質平面數(shù)據(jù)構建模型后，利用后期收集的剖面數(shù)據(jù)對基于鉆孔數(shù)據(jù)的建模結果進行校驗和修正，構建的濱湖新區(qū)三維工程地質結構模型和三維水文地質結構模型如圖3、圖4所示。相較于以往的顯式建模方法，三維隱式建模方法能夠融合多源多維地質信息，提高地質模型的可靠程度；同時能夠對初始建模結果進行快速校驗和修正，在添加新數(shù)據(jù)后，只需重新進行數(shù)值計算即可實現(xiàn)對三維地質模型的快速更新。

圖3 研究區(qū)三維工程地質結構模型Fig.3 Three-dimensional engineering geological structure model of the study area

圖4 研究區(qū)三維水文地質結構模型Fig.4 Three-dimensional hydrogeological structure model of the study area

2.4 三維空間分析

為開展三維空間分析及三維綜合評價，對上述三維地質模型進行離散單元化處理。已有研究[23]表明，對研究區(qū)地下工程影響較大的軟土層厚度通常為0.8～2.9 m，為更好地表征該因子，同時考慮數(shù)據(jù)密度、評價結果的實用性以及三維空間分析和計算機軟硬件條件限制，將三維地質模型離散化為50 m×50 m×1 m的規(guī)則矩形塊體單元，離散化后的單元數(shù)量約2 000萬個。三維空間分析方法能有效挖掘三維地質模型蘊含的信息，使得深度方向上的信息更為豐富和有效，故基于離散化后的三維地質模型，進一步采用三維插值分析、三維空間統(tǒng)計分析、三維距離場分析等方法構建三維評價數(shù)據(jù)集(圖5，彩圖見封2)。上述三維空間分析及后續(xù)三維綜合評價均采用基于SurpacTM軟件二次開發(fā)的“城市地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價系統(tǒng)(UUSDA3D)”完成。

圖5 各評價因子三維空間分析結果Fig.5 Results of three-dimensional spatial analysis of each evaluation factor

2.5 三維綜合評價

通過AHP法建立各層次評價因子判斷矩陣，得到矩陣一致性比率CR=0.00033<0.1，表明該判斷矩陣滿足一致性條件，進而計算得到各評價因子的綜合權重。其中，權重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)，表明合肥市濱湖新區(qū)不良地質體條件B4對地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量的影響最大，其中又以軟土層距離場C9的影響最為顯著。

基于確權結果和三維評價數(shù)據(jù)集，采用多級指數(shù)疊加法進行地質環(huán)境質量綜合評價，得到各分層的三維評價結果(圖6，彩圖見封2)。從圖6可知，研究區(qū)的淺層開發(fā)地質環(huán)境質量一般，主要受斷裂和下伏軟土層影響，研究區(qū)東北部、南部(A、D、E區(qū)域)存在較厚軟土層，并有多條斷裂部分切穿松散堆積層底部，導致以上區(qū)域在淺層深度范圍內的地質環(huán)境質量較差，地下空間的開發(fā)難度和成本顯著增加；而B、C區(qū)域受軟土和斷裂影響較弱，開發(fā)地質環(huán)境質量較好。研究區(qū)中層開發(fā)地質環(huán)境質量總體較好，主要受含水層和斷裂距離場影響，E區(qū)域距離含水層較近且位于斷裂核心影響區(qū)域，開發(fā)地質環(huán)境質量較差，其余地區(qū)(A、B、C、D)距離斷裂較遠且受含水層影響較弱，開發(fā)地質環(huán)境質量較好。深層區(qū)域主要為基巖區(qū)，受基巖面埋深影響明顯，由于研究區(qū)基巖面埋深淺且變化小，整體較適宜開發(fā)。

圖6 三維綜合評價結果Fig.6 Three-dimensional comprehensive evaluation results

總體而言，濱湖新區(qū)地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量評價等級大部分為I級和II級， III級和IV級分布范圍較小，地質環(huán)境總體較好；從垂向分層看，深層區(qū)域開發(fā)地質環(huán)境質量最好，中層區(qū)域除部分區(qū)域外普遍質量較好，淺層區(qū)域部分地區(qū)質量較差，在地下空間開發(fā)時需格外關注。評價結果顯示，由三維隱式地質建模、三維空間分析、綜合評價等方法組成的城市地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價方法能夠顯著提高評價結果的深度方向分辨率，同時基于三維評價結果可進一步獲取特定深度、特定范圍內的評價結果，提高了評價結果的實用性。

3 結論

本文通過選取合適的評價因子構建了三維評價模型，同時融合三維隱式地質建模、多種三維空間分析和三維綜合評價等技術方法，構建城市地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價方法。以合肥市濱湖新區(qū)為實例的研究顯示，該方法能夠有效反映地下任意空間位置的評價結果，清晰描述地質環(huán)境質量較差區(qū)域的總體分布、變化狀況以及相關地質限制條件，提高了評價結果的深度方向分辨率和客觀性。合肥市濱湖新區(qū)地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量總體良好，但淺層局部區(qū)域開發(fā)需加強工程管理，評價結果可為城市地下空間精細規(guī)劃及可持續(xù)開發(fā)利用提供方法依據(jù)。

由于數(shù)據(jù)收集的局限性，未來可進一步融合土質均勻性、地下水質量等三維評價因子，豐富地下空間開發(fā)地質環(huán)境質量三維評價模型，使評價體系更全面。另外，本文選用知識驅動的層次分析法進行評價因子確權，使得評價結果受主觀性影響較大，今后可采用知識和數(shù)據(jù)綜合驅動的方式確權，同時采用模糊綜合評價等模型進行綜合評價和對比分析，從而得到更客觀、精細的評價結果。