濟南市萊蕪城區地下空間資源潛力開發適宜性評價研究

郭 鵬,秦文靜

(山東省第一地質礦產勘查院,山東 濟南 250100)

0 引言

濟南市萊蕪區位于齊魯大地腹地,是山東省重要的原煤、鐵礦石生產基地和鋼鐵工業基地。隨著城市化進程的逐年推進,城市發展速度逐年增快,城區范圍不斷外擴。特別是2018年濟南市原萊蕪市區劃調整,萊蕪區、鋼城區劃歸濟南市管轄,給萊蕪區的城市發展帶來了新的機遇,這些都極大地推動城市化水平的提高。與此同時,越來越擁擠的城市、越來越顯得脆弱的各類城市基礎設施需要更多的空間,城市地下空間開發利用己經成為提高城市容量、緩解城市交通、改善城市環境的重要手段[1-3]。因此,開展地下空間資源開發潛力調查評價研究工作,查清城區地下空間資源現狀及開發潛力,對服務城市高質量可持續發展及下一步城市向“縱深”發展具有重要意義。

1 地下空間開發利用現狀

從現狀條件來看,萊蕪城區地下空間資源開發程度總體上不高,利用程度一般,主要利用類型分為三類,主要為地下市政管線及基礎設施建設;其次為多高層建筑物地下室,人防工程也是開發利用的另外一種方式。

1.1 地下市政管線及設施

萊蕪城區開發建設歷史悠久,地下管線埋設錯綜復雜,遍布大街小巷,主要以供電、給排水等市政管線及設施為主,此類地下空間開發利用深度主要分布在地面以下0～15 m范圍之內,開發類型復雜,分布雜亂,開發過程中沒有形成統一規劃,對下一層地下空間開發建設造成一定影響。

1.2 高層建筑地下室

隨著近年來城市建設的快速發展,萊蕪區城區高層建筑普遍建有地下室,主要是地下倉儲和地下停車場,以地下1～2層為主,基坑地下開挖深度一般5～15 m。最大利用深度20 m左右,主要集中在萊蕪中心城區及東部高新技術開發區。

1.3 人防工程

萊蕪高新會展中心廣場、區政府廣場等均為地下人防工程,是萊蕪區重點建設項目,戰時能為人員掩蔽和戰備物資庫,此外,現在開發的高層商用、住宅用高樓均設置地下人防工程。人防工程平時兼具一定的社會功能,近年來開發的地下工程大多數是為了滿足城市商業、停車以及其他公共設施的需要,最大利用深度不大于20 m,主要部分在城市中心城區、東部高新技術開發區,見圖1。如高新會展中心廣場、區政府廣場、鳳城大街尚座地下購物廣場等。

圖1 濟南市萊蕪區已開發地下空間工程分區

2 城市地下空間資源開發地質評價的理論

與方法

影響地下空間資源開發利用的因素較多,且影響程度不同,各個因素的影響程度難以準確衡量。本次采用模糊數學方法,將眾多的因素通過隸屬度函數來實現模糊界限的確定,實現影響因素和場地適宜性好壞程度之間的轉換,解決因子權重值的賦值問題,得到了最可能接近實際情況的評價結果。

2.1 評價指標體系及權重的確定

影響地下空間開發的地質環境因素眾多,因此需要根據所研究區域的地質條件,綜合分析選取對地下空間開發具有重要影響的因素[4-6]。根據萊蕪城區地質環境現狀特點,按層次分級、重要性分序、抓主、淡次的原則,選取場工程地質條件、水文地質條件、地質環境條件及人類工程活動等4個主控因子,斷裂構造、巖性組合等10個二級因子作為地下空間工程建設適宜性評價指標。構建萊蕪區地下空間資源多層次評價體系((AHP法)[7-11],見表1和表2。

表1 評價指標及評價量化方法

2.2 評價模型

2.2.1 數學模型

A·R=B

(1)

式中:A為參加評價因子的權重歸一化處理后構成的1×m階行矩陣;R為各單因子評價行矩陣組成的m×n階關系矩陣;B為綜合評判結果,是一個1×n階行矩陣。

2.2.2 計算隸屬度,確定模糊關系矩陣R

各評價因子對各級別的的隸屬函數為:

(2)

式中:Y1、Y2、Y3、Y4為評價因子四個級別的隸屬度;S1、S2、S3、S4為評價因子四個級別的標準值。

2.2.3 計算權重,建立行矩陣A

萊蕪城區地下空間開發建設適宜性評價工作,由于區內地質條件各要素差別較大,不同的評價因子對地質環境質量的影響程度不一,所以應正確的確定不同的評價因子權重,只有正確的確定不同評價因子的權重,才能對工程建設適宜性作出合理的分析評價。

各個評價因子權重首先將各個因素條理化、層次化。分析系統中各因素之間的關系,構造出一個層次分析的結構模型。

用超標加權法計算各評價因子的權重,公式為:

Wi=Xi/Si

(3)

式中:Wi為某因子的權重;Xi為i因子的實測值;Si為i因子各級標準值的平均值,即:Wi=1/4(Si1+Si2+Si3+Si4)

由于計算出的權重可能出現大于1的情況,因此可作歸一化處理,公式為:

(4)

2.2.4 模糊矩陣的運算

模糊矩陣復合運算的方法常用的有以下3種:

1)“主因素突出型”,即M(∧,∨ )模型;

2)“半主因素突出型”即M(·,∨ )模型;

3)“加權平均型”,即M(·,+)模型。

本次評價過程中二級評價采用半主因素突出模型,一級評價采用加權平均模型。

通過建立單因子評價矩陣及權值分配矩陣,可得二級評價結果分別為:

B1= A1:R1=(b11,b12,b13,b14,b15)

B2= A2:R2=(b21,b22,b23,b24,b25)

B3= A3:R3=(b31,b32,b33,b34,b35)

B4= A4:R4=(b41,b42,b43,b44,b45)

以上三組評價結果可組合成一級評價矩陣為:

一級評價因子權重向量為:A=(a1,a2,a3,a4)

采用“加權平均型”,即M(·,+)運算方法,可求得評價結果E

E=A*B=(e1,e2,e3,e4,e5)

然后,模糊質量指數(FQI)采用公式(4)計算得出。

(5)

式中:j為等級數,k為參數,k=2,3,4,…

這樣模糊質量指數實際上反映了評價單元工程建設適宜性的好壞,FQI值越大,工程建設適宜性越差,分區標準為:

地下空間開發建設適宜性優區 FQI=1

地下空間開發建設適宜性良區 1

地下空間開發建設適宜性中等區 2

地下空間開發建設適宜性差區 3

采用計算機編程進行模糊運算,運用柵格數據處理方法對評價區進行剖分,每個單元面積為1 km×1 km,運用MAPGIS軟件自動生成FQI等值線圖,然后進行適宜性分區。

3 地下空間潛力開發適宜性分析評價

在分別對0～30 m(淺層)、30～100 m(次淺層)、100～200 m (深層)地下空間地質環境條件進行單因子評價的基礎上,通過圖層疊加分析,形成整體地下空間潛力開發適宜性評價結果。最后,對綜合圖進行必要的后處理(聚類、去除奇異值等),最終生成濟南市萊蕪區、鋼城區中心城區地下空間潛力開發適宜性分區圖,各分區結果見圖2。

圖2 地質環境適宜性分區柱狀圖

圖3 淺層地下空間適宜性分區(0～30 m)

圖4 萊蕪區城市規劃區地質剖面圖

圖5 次淺層地下空間適宜性分區(30～100 m)

圖6 深層地下空間適宜性分區(100～200 m)

3.1 淺層地下空間適宜性分區(0～30 m)

3.1.1 地下空間開發建設適宜性優區

主要分布在萊蕪區東北部、南部山前平原區。該區域第四系厚度較薄,一般小于5 m,基巖基本裸露,巖土層以粘土、碎石土、花崗巖為主,萊蕪區南部山前下部為寒武系灰巖。其圍巖穩定性及工程力學性質良好;水文地質方面,富水性較弱,地下水無腐蝕性,地表水體影響較小,地下水位埋深不大;無地表及地下人類工程已開發地下工程的影響。

3.1.2 地下空間開發建設適宜性良區

主要分布在萊蕪區西北部及東南部。該區巖土層以粘土、粉質粘土、寒武系灰巖為主,其圍巖穩定性及工程力學性質較好,相對于地下空間開發來說是較好的巖土層。該區第四系厚度一般為5～10 m,工程地質條件簡單,圍巖穩定性較好,無軟土分布,富水性中等或弱,地表水體影響較小,地下水位埋深相對較小,無地面塌陷等地質災害的影響。

3.1.3 地下空間開發建設適宜性中等區

主要分布于萊蕪區中部,區內30 m埋深處,巖土層多以第四系粉質粘土、砂層及古近系泥巖、砂質泥巖為主,巖石屬軟巖,易干裂,圍巖穩定性相對較差。區內含水層主要以第四系孔隙水為主,富水性較弱,地下水位埋深一般在5～20 m,地下水不存在腐蝕性,無地質災害發育。但在城區內受人類工程活動的地表建筑及已開發的地下空間(已建高層建筑、防空設施和需保護建筑等)的影響較大,部分已規劃使用,再次開發受限,因此將該區劃為適宜性中等區。

3.1.4 地下空間開發建設適宜性差區

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉鎮一帶、汶河北部的原北埠煤礦、張家洼鐵礦開采區范圍內、城區周邊的公清、孟家莊一帶巖溶塌陷分布區以及東北部受萊蕪盆地弧形斷裂影響區域。主要影響因素為礦山開采形成的地下采空區以及巖溶塌陷易發區,均對地下空間工程影響較大;受萊蕪盆地弧形斷裂以及孫祖-銅冶店等大斷裂影響,影響范圍內巖石較為破碎,工程地質條件相對比較復雜,地層分布不均勻。該區域內地下空間資源開發過程中應進行詳細調查,采用物理勘探和工程詳勘工作,詳細查明巖溶發育及地下采空分布情況,具體的部分部位和規模、強度,并采取相應的工程措施進行預防。

3.2 次淺層地下空間適宜性分區(30～100 m)

3.2.1 地下空間開發建設適宜性優區

主要分布在萊蕪區東北部、南部山前平原區。該區域第四系厚度較薄,基巖基本裸露,巖土層以粘土、碎石土、花崗巖為主,萊蕪區南部山前下部為寒武系灰巖。其圍巖穩定性及工程力學性質良好;水文地質方面,富水性較弱,地下水無腐蝕性,地表水體影響較小,地下水位埋深不大;無地表及地下人類工程已開發地下工程的影響。

3.2.2 地下空間開發建設適宜性良好區

主要分布在萊蕪區西北部及東南部。30～100 m由于埋深較大,受地表水體影響較小,所以,萊蕪區孝義河及北部贏汶河兩側劃為適宜性良好區;該區巖土層以粘土、粉質粘土、古近系泥巖礫巖、頁巖,寒武系灰巖為主,其圍巖穩定性及工程力學性質較好,相對于地下空間開發來說是較好的巖土層,該區第四系厚度一般為5～10 m,工程地質條件簡單,圍巖穩定性及工程力學性質較好,富水性中等或弱,地下水位埋深相對較小,無地面塌陷等地質災害的影響。

3.2.3 地下空間開發建設適宜性中等區

主要分布于萊蕪區城區中部地區。區內30～100 m埋深處,巖土層多以第四系粉質粘土、砂層及古近系泥巖、砂質泥巖為主,工程地質條件較差,穩定性相對較差。地下水類型以以孔隙水為主,富水性弱,30～100 m深度地表水體基本無影響,地下水不存在腐蝕性,無地質災害發育。在城區內零散分布地下人防工程及高程建筑,地下空間現狀開發程度相對較大,樁基埋深大于30 m,受人類工程活動的地表建筑及已開發的地下空間的影響較大,將該區劃為適宜性中等區。

3.2.4 地下空間開發建設適宜性差區

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉鎮一帶、汶河北部的原北埠煤礦、張家洼鐵礦開采區范圍內、城區周邊的公清、孟家莊一帶巖溶塌陷分布區以及東北部受萊蕪盆地弧形斷裂影響區域。主要影響因素為礦山開采形成的地下采空區以及巖溶塌陷易發區,均對地下空間工程影響較大;受萊蕪盆地弧形斷裂以及孫祖-銅冶店等大斷裂影響,影響范圍內巖石較為破碎,工程地質條件相對比較復雜,地層分布不均勻。該區域內地下空間資源開發過程中應進行詳細調查,采用物理勘探和工程詳勘工作,詳細查明巖溶發育及地下采空分布情況,具體的部分部位和規模、強度,并采取相應的工程措施進行預防。

3.3 深層地下空間適宜性分區(100～200 m)

3.3.1 地下空間開發建設適宜性優區

主要分布在萊蕪區東南部、東北部平原區。該區域為基巖出露區,萊蕪區東南部100 m以下為白堊系、侏羅系的玄武巖、安山巖,萊蕪區南部山前下部為寒武系灰巖,其圍巖穩定性及工程力學性質良好;水文地質方面,富水性較弱,地下水無腐蝕性,地表水體影響較小,地下水位埋深不大;無地表及地下人類工程已開發地下工程的影響。

3.3.2 地下空間開發建設適宜性良好區

主要分布在萊蕪區中部及北部區域。100～200 m深度受地表水體影響較小;該區巖土層以粘土、粉質粘土、古近系泥巖礫巖、頁巖,其圍巖穩定性及工程力學性質較好,相對于地下空間開發來說是較好的巖土層,該區第四系厚度一般為5～10 m,工程地質條件簡單,圍巖穩定性及工程力學性質較好;富水性中較弱,地下水位埋深相對較小;100 m以下受已開發地下空間影響程度較小;無地面塌陷等地質災害的影響。

3.3.3 地下空間開發建設適宜性中等區

主要分布在萊蕪區城西公清一帶及孟家莊。萊蕪區巖溶塌陷發育深度一般在2～50 m以淺,100～200 m深度受巖溶塌陷影響程度較小,但工程建設中一定程度上仍會受到其影響,因此本次將萊蕪區公清一帶、孟家莊一帶巖溶塌陷影響區劃為適宜性中等區。

3.3.4 地下空間開發建設適宜性差區

主要分布在汶河南岸的南冶-牛泉鎮一帶、汶河北部的原北埠煤礦、張家洼鐵礦開采區范圍內以及東北部受萊蕪盆地弧形斷裂影響區域。萊蕪區屬我省礦業開發較早地區,采煤層主要在-200～-500 m,鐵礦采深一般在-300～-500 m,局部更深層。礦山企業開采區內易產生地面塌陷,均對地下空間工程建設產生較大影響;受萊蕪盆地弧形斷裂以及孫祖-銅冶店等大斷裂影響,影響范圍內巖石較為破碎,工程地質條件相對比較復雜,地層分布不均勻,地下空間建設適宜性較差,地下空間開發建設也受到限制。該區域內地下空間資源開發過程中應進行詳細調查,采用物理勘探和工程詳勘工作,詳細查明地下采空分布情況,具體的部分部位和規模、強度,并采取相應的工程措施進行預防。

4 討論及建議

(1)濟南市萊蕪城市規劃區地下空間開發利用總體程度不高,主要環境地質問題為巖溶塌陷及地下開采礦山引發的采空塌陷。

(2)采用層次分析法分別對濟南萊蕪城市規劃區淺層、次淺層及深層地下空間資源開發適宜性進行了評價,受巖溶塌陷及采空塌陷影響,優良地下空間資源主要分布在城區東北部。南部高莊街道煤礦、西北部魯中鐵礦分布區及城西公清、孟家莊一帶巖溶塌陷易發區受地質環境影響,開發過程中應進行充分論證。

(3)建議今后在地下空間開發建設過程中,建立“地上地籍圖—地下地籍圖—地質圖”的有機結合,進一步滿足地下空間規劃建設和管理需要。