江思义，吴 福，刘庆超，李海良，潘晓丽

(1.广西壮族自治区地质环境监测总站，广西 桂林 541004； 2.广西壮族自治区桂林水文工程地质勘察院，广西 桂林 541002)

0 引言

地质环境适宜性评价是指对地质环境适合于人类生产和生活的程度进行评定、分区和说明[1]。建设用地地质环境适宜性评价是城乡规划布局的基础，对可能作为城乡发展用地的自然环境条件及其工程技术上的可能性与经济性，进行综合质量评定，可为城乡发展用地现状分析、土地利用规划、土地资源合理开发利用提供科学可靠的基础依据[2-3]。城乡发展用地的规划与开发成为了国土规划的重要组成部分，地质环境调查服务于国土资源规划，在城乡规划过程中，对环境地质调查成果的转化进行研究成为一个十分重要的课题[4]。

建设场地地质环境适宜性评价的理论、方法和应用在广度和深度上均得到飞速发展，评价更加综合化、定量化和智能化，应用领域越来越广泛[2]。目前从地质环境角度对非岩溶区建设用地地质环境适宜性进行评价研究的成果很多，如张丽等[5]根据地质条件，运用加权平均综合指数法对长江三角洲经济区工业用地的地质环境适宜性进行了评价研究；俞跃平等[6]从工程地质特征出发，采用“点面结合、由点到面”的定量评价方法，对绍兴中心城区建设用地进行了适宜性评价；杨子生[7-8]以云南省德宏州为例，采用“极限条件法”与“适宜性指数法”相结合的技术方法，并运用GIS技术，对山区城镇建设用地的适宜性进行了评价；杨丽芝等[9]基于工程地质环境要素对济南市的轨道交通建设用地适宜性进行了研究；薛继斌等[10]利用优度评价法，构建村级土地利用规划中的建设用地适宜性评价指标体系，定量评价试点村建设用地适宜性状况；童欣等[11]在系统分析武汉市地质环境背景和主要地质环境问题的基础上，探讨了国土规划和地质环境的相互作用关系，进而构建了武汉市地质环境综合评价与区划的思路和流程。针对不同的城市，选取合适的评价因子，再利用恰当的评价方法成为建设用地地质环境适宜性评价研究的关键。因此更加合理、有效、科学地评价城乡建设用地的地质环境适宜性有待继续研究。

鉴于岩溶地区地形地貌复杂，生态环境脆弱，目前针对岩溶地区土地利用的研究多集中在土地利用与地下水[12]、土壤[13]、生态服务功能[14]等方面的研究，而针对岩溶地区建设用地的影响因素、现状与对策，以及对岩溶地区地建设用地的适宜性评价尚无系统的研究和总结。

针对以上问题，本文在前人研究成果的基础上，结合岩溶地区地质环境条件，将专家打分法和层次分析法相结合，利用MapGIS的制图与空间分析功能，提出了一种基于MapGIS利用地质环境要素对岩溶地区地下空间开发适宜性评价的方法。评价以桂林市规划中心城区的地质环境为基础，专家打分法和层次分析法相结合为理论，通过MapGIS软件对评价结果实现可视化，为岩溶地区建设用地的规划和开发利用提供技术支撑。

1 评价方法研究

建设用地地质环境适宜性的评价方法有很多[2]，目前应用比较成熟的有层次分析法(AHP)[5]、极限—一般法[2,8]、优度评价法[10]、专家打分法[10]和模糊数学法[15]等，以及将其中两种及以上的方法互相结合或改进后再使用[16]。

进行对比分析，层次分析法有如下优点：(1)适用于离散模型，尤其适用于无结构特性的系统评价以及多目标、多准则、多时期的系统评价；(2)步骤简单明确，容易被决策者了解和掌握。并结合专家打分法直观、简便的特点，专家—层次分析定权法在地质环境评价中早就被应用[14]。MapGIS广泛运用于国土领域，其强大的制图和空间分析功能，为国土规划提供技术支持。基于MapGIS平台利用专家—层次分析定权法从地质环境条件的角度对建设用地地质环境适宜性进行评价，该方法简便实用，有利于环境地质调查成果的转化。具体评价步骤如下：

(1)根据研究区地质环境条件，并参考前人的经验[2,8]，筛选出评价因子，再通过专家打分法最终确定研究区地下空间开发利用的地质环境适宜性分区评价因子。

(2)利用地质调查成果，通过MapGIS按各因子的影响程度对研究区进行分区，分区按影响程度最多分4类区，最少分2类区，并对区按因子的影响程度利用模糊综合评判法进行评分，把打分结果对各区进行参数赋属性。

(3)运用层次分析法确定各评价因子的权数。

(4)根据研究区的实际情况，并参考前人的经验[8]，制定地质环境适宜性分区因子及影响程度分级表，利用MapGIS软件的属性管理系统，开发出因子的适宜性指数计算程序，通过计算程序进行评价计算，计算出各单元网格的适宜性指数FQI值。每个分区适宜性指数计算采用适宜性因子判别分值和对应的因子权重值的乘积来表示。适宜性指数计算公式：

式中：FQI——适宜性指数；

R(i)——各影响因子的权重值；

G(i)——对应影响因子的判别分值。

FQI越小，表示该区的地下空间开发利用的地质环境适宜性越差；反之，表示该单元的地下空间开发利用的地质环境适宜性越好。

(5)最后通过MapGIS软件自动生成FQI等值线图，然后根据各评价单元实际情况对等值线进行修正，从而得到研究区适宜性分区图，并作出适宜性评价。

2 工程实例及评级研究

2.1 研究区概况

研究区包含桂林市主城区、临桂新区，其总面积为880 km2，其中研究区岩溶区面积为603.35 km2。桂林作为国际旅游名城，研究区有极大的发展需求。通过开展城市地质环境调查，解决研究区建设中遇到的地质环境容量问题，为桂林城市规划和基础设施建设及管理提供技术支撑。随着国民经济的发展，岩溶地区大规模的工程建设日益增多，由此引发的地质环境问题日益严重。如何充分考虑地质环境的适宜性，有效地规划岩溶地区的开发建设，保证建设和地质环境的协调是亟待解决的重大问题。

桂林市建筑主要分布于岩溶平原溶余堆积工程区、阶地台地松散岩类工程地质区，建设用地类型主要为土层地基、岩溶地基。漓江、桃花江阶地台主要为土层地基，工程地质问题主要有地基不均匀沉降、地下水影响、基坑失稳等，且由于下伏可溶岩，故也可能存在岩溶塌陷问题；桂林市象山区香江国际设置地下停车人防工程，深度约在7.0 m，在地下工程施工过程，由于降排水引发周边居民区局部地面不均匀沉降、开裂。岩溶平原区地基类型主要为岩溶地基，其工程地质问题主要岩溶塌陷、地下水环境问题。如瓦窑村地段，第四系溶余堆积黏土厚度不大，下伏含水岩组为碳酸盐岩裂隙溶洞水，地下水具有微承压性，水位埋深浅，建设用地施工普遍揭露地下水，建设时基坑降排地下水易诱发地面塌陷。

通过环境地质调查，为本次研究提供了研究区的1∶5万工程地质图、1∶5万水文地质图、1∶5万遥感解译图、构造纲要图、地下水位埋深等值线图、地下水入渗系数分布图、岩溶地面塌陷易发程度分区图、岩溶发育程度分区图、地下河对城市建设影响现状评价图、第四系土体结构及土体厚度等值线图、特殊土分布图、研究区内钻孔及水文地质监测孔的分布及相关数据、以及研究区岩土体的原位试验和室内土工试验的试验结果。

2.2 评价因子的选取

根据研究区的实际情况，并结合其他城市建设用地地质环境适宜性评价的研究经验、前人研究资料，采用专家打分法，选择的岩溶地区建设用地地质环境适宜性评价因子主要有4大方面：地形地貌、工程地质条件、水文地质条件、不良地质条件；这4大方面又可以细分为11个指标：地形坡度、地貌单元、土体地基承载力、岩石地基承载力、特殊性土分布、土体厚度、土体结构、地下水埋深、地表水系、岩溶发育程度及断裂构造。主要以上述因素进行半定量综合评价，对建设用地承载力进行综合分区。岩溶地区地下空间开发适宜性评价指标体系见图1。

图1 岩溶地区建设用地地质环境适宜性评价指标体系Fig.1 Index system for evaluating the suitability of develop-ment of karst area geological environment of construction land

为了达到建设用地开发利用的地质环境适宜性评价的目的，结合地质调查成果，又收集了研究区相关图件及数据资料。从施工难易程度和对环境地质的影响角度，分别对各评价因子的资料进行分析处理，得出各因子的分区计算图，下面对各个评价因子进行详细叙述。

(1)地形坡度C1

坡度决定了斜坡上各种物体的稳定性，坡越陡斜坡上各种物体的稳定性越差。从山区城镇建设用地适宜性的角度来看，坡度的影响有2个方面的情况：a、当山地的坡度达到一定程度时，就归入“禁建地”或“不宜建设区”。不同学者对不同地区所确定的坡度上限有所不同，例如，黄光宇在《山地城市学原理》(2006年)一书中认为：当山坡地的坡度>28.8°时，列为禁止开发建设的用地；杨子生等(2013年)将云南芒市“宜建地”的坡度上限确定为25°。b、在可以进行(或称“宜建”)山地城镇建设的坡度范围内，坡度因素主要影响着地面工程量和建设成本、生态保护难易程度等方面，进而影响到山区城镇建设用地适宜性程度大小或等级[7-8]。

本次研究对坡度的分界值进行取整。地形坡度因子对建设用地适宜性的影响程度分为4个级别：将地形坡度<10°的区域定为建设用地适宜性I区；将地形坡度10°～20°的区域定为建设用地适宜性II区；将地形坡度20°～30°的区域定为建设用地适宜性III区；将地形坡度≥30°的区域定为建设用地适宜性IV区。最终得出研究区内坡度对建设用地开发利用的影响分区图。

(2)地貌单元C2

地貌类型直接决定了建设用地开发时的难度小大。根据地貌图，研究区地貌类型共13类，根据各地地下工程施工反馈的资料，将峰林平原、孤峰平原、溶丘平原、山前坡洪积裙、垄岗台地、河流阶地定为I类区；将峰丛洼地、峰林谷地、溶丘谷地定为II类区；将丘陵、缓坡丘陵、波状丘陵、低山陡坡定为III类区，最终得出研究区内地貌对建设用地开发利用的影响分区图。

(3)土体地基承载力C3

土地地质承载力决定了浅基础的类型和深度。土体地基承载力因子对建设用地适宜性的影响程度分为4个级别：将土体地基承载力>200 kPa的区域定为建设用地适宜性I区；将土体地基承载力150～200 kPa的区域定为建设用地适宜性II区；将土体地基承载力100～150 kPa的区域定为建设用地适宜性III区；将土体地基承载力≤100 kPa的区域定为建设用地适宜性IV区。最终得出研究区内土体地基承载力因子对建设用地开发利用的影响分区图。

(4)岩体地基承载力C4

岩石地质承载力决定了深基础的类型和深度。岩石地基承载力因子对建设用地适宜性的影响程度分为4个级别：将岩石地基承载力>4 000 kPa的区域定为建设用地适宜性I区；将岩石地基承载力3 000～4 000 kPa的区域定为建设用地适宜性II区；将岩石地基承载力2 000～3 000 kPa的区域定为建设用地适宜性III区；将岩石地基承载力≤2 000 kPa的区域定为建设用地适宜性IV区。最终得出研究区内岩石地基承载力对建设用地开发利用的影响分区图。

(5)特殊性土分析C5

特殊土发育程度对建设用地地质环境适宜性的影响程度主要表现为特殊性土发育的地区，影响地基边壁稳定及使地基不均匀沉降，特殊土越发育，施工难度越大、成本越高。

研究区对地下空间有影响的特殊性土主要包括软土、淤泥质土、膨胀性土，研究区局部峰林谷地及岩溶平原区地表或基岩面分布有0.5～3.0 m软黏土或地表淤泥质土，局部溶槽中软黏土厚度达9.0 m，膨胀性主要指具有膨胀性红黏土、黏土，厚度一般小于8 m。根据研究区的特殊土分布图，将特殊性土不发育区定为I类；特殊性土较发育区定为III类；特殊性土发育区定为IV类。最终得出研究区内特殊土对建设用地开发利用的影响分区图。

(6)土体厚度C6

从建设用地开发利用的施工难度易考虑，土体厚度是影响地下空间建设的重要因素，在不考虑其它因素情况下，土体越厚越有利于地下工程建设，反之则为不利。

研究区第四系主要分布于河流阶地、尧山洪积扇、孤峰平原、峰林平原及岩溶谷地中，漓江阶地厚度10～56 m，尧山西侧坡洪积层厚8～30 m，最厚达40 m，岩溶平原、岩溶谷地中厚度一般3～8 m，局部大于10 m，区内土体厚度变化较大。在第四系土层等厚图的基础上，以土体厚度≥30 m区域为I类区、土体厚度10～30 m区域为II类区、土体厚度5～10 m区域为III类区、土体厚度<5 m区域为IV类区，绘制出土体厚度对建设用地开发利用的影响分区图。

(7)土体结构C7

土体结构类型对施工有较为直接的影响，不同土体及其土体结构对施工的难易程度有很大的影响。将土体结构因子对建设用地适宜性的影响程度分为3个级别：将单层结构土体区域定为建设用地适宜性I区；将双层结构土体区域定为建设用地适宜性III区；将多层结构土体定为建设用地适宜性IV区。得到土体结构对建设用地开发利用的影响分区图。

(8)地下水埋深C8

开发区域的地下水位埋深将影响到施工的手段和进度，施工过程中是否采取抽水降低地下水位埋深的方法，也将直接影响到周围的地质环境。研究区除山体外，孤峰平原、峰林平原、漓江阶地等地形平坦区丰水期地下水位多小于5 m，溶余堆积区虽在施工时部分钻孔未遇地下水或少数孔地下水位较深达5～10 m，但主要是由于上覆第四系红黏土不含水，下伏岩溶水不均匀，岩溶水一般具微承压性，一旦揭露该层水，地下水位往往稍有上升，总体上稳定水位在3～5 m为主。在碎屑岩区山体地段地下水位一般大于10 m，以10～15 m为主；在灰岩山体段地下水位大于15 m。

在地下水水位埋深等值线图的基础上，地下水位埋深>15 m区域为I类区、地下水位埋深10～15 m区域为II类区、地下水位埋深5～10 m区域为III类区、地下水位埋深<5 m区域为IV类区，绘制出地下水位埋深对地下空间的影响分区图。

(9)地表水系C9

在建设用地开发过程中，地表水对实际工程有直接的影响。地表水系因子对建设用地适宜性的影响程度分为4个级别：将大型地表水体周边500 m或塘、沟200 m以外区域定为建设用地适宜性I区；将大型地表水体周边500～200 m或塘、沟200 m以内区域定为建设用地适宜性II区；将大型地表水体周边200 m范围内区域建设用地适宜性III区；将地表水体之下区域定为建设用地适宜性IV区。得到地表水对建设用地开发利用的影响分区图。

(10)岩溶发育程度C10

地下岩溶发育对工程建设影响较大，岩溶发育区岩面起伏大、浅层溶洞发育易造成岩溶地基不均匀沉降，增加工程难度，且强岩溶区往往地下水位较浅水量丰富，岩面可能存在土洞或岩溶地面塌陷发育，均可能影响地下工程的边壁和地基的稳定，不利于地下工程开发利用。

研究区可溶岩分布区约603.35 km2，占研究区总面积的68%，岩溶发育程度分为弱、中等、强烈三个级别[17-19]。根据研究区岩溶发育程度分区图，岩溶发育程度因子对建设用地适宜性的影响程度分为4个级别，将非岩溶区定为建设用地适宜性I区；将岩溶弱发育区定为建设用地适宜性II区；将岩溶中等发育区定为建设用地适宜性III区；将岩溶强发育区定为建设用地适宜性IV区。得到岩溶发育程度对建设用地开发利用的影响分区图。

(11)断裂构造C11

断裂对工程开挖的影响表现为两个方面。一方面是由于断裂的地面错动直接损害跨越该断层即将修建的建(构)筑物；有些断裂错动时附近有伴生的地面变形，容易引起工程开挖过程中塌方，在断裂附近的地下工程将加大设计及施工难度。另一方面是伴有地震发生的活断层，强烈的地震对较大范围内工程开挖的损害。

研究区构造格局复杂，研究区北部北东向构造断裂较发育，南部区段南北向、北西向断裂构造较发育，有灵川大断裂、芦笛岩、尧山断裂等区域性构造分布，一般区域性构造破碎带宽50～200 m不等，次一级的断裂影响带在10～50 m。综合考虑断裂影响，现按断裂分布密度、影响带交叉范围等，划分出不发育区和较发育两个区，断裂不发育区定为I类区，断裂较发育区定为III类区，得到地质构造对建设用地开发利用的影响分区图。

2.3 评价因素权重计算和分级赋值

(1)利用层次分析法建立岩溶地区建设用地地质环境适宜性评价层次结构模型

以岩溶地区建设用地开发利用分区为目标层(A层)，以将地形地貌(B1)、工程地质条件 (B2)、 水文地质条件(B3)、不良地质条件(B4)这4个一级指标为准则层(B层)，以地形坡度、地貌单元、土体地基承载力、岩石地基承载力、特殊性土分布、土体厚度、土体结构、地下水埋深、地表水系、岩溶发育程度及断裂构造这11个二级影响因素为方案层(C层)；一级因子依次记为B1～B4，二级因子依次记为C1～C11，建立层次结构模型。

(2)构建判别矩阵及层次总排序

通过对城市地下空间开发利用影响因素的分析，利用层次分析1～9标度法(表1)表示因素之间的影响强弱，逐项就各层中的因子对上一层目标的相对重要性进行两两比较，构造判别矩阵，同时参考专家意见，确定它们的相对重要性并赋以相应的分值，构造判断矩阵。再计算最大特征根、对应的特征向量、各层次的单排序以及进行判断矩阵一致性检验，其计算结果见表1～表6。

表1 判断矩阵的标度及含义

表2 分区因子判别矩阵A-B

注：CR=0.031 1<0.1，显然满足一致性检验，故上述特征向量Wi可作为权向量。

表3 分区因子判别矩阵B1-C

注：CR=0.000 0<0.1，显然满足一致性检验，故上述特征向量Wi可作为权向量。

表4 分区因子判别矩阵B2-C

注：CR=0.000 9<0.1，显然满足一致性检验，故上述特征向量Wi可作为权向量。

表5 分区因子判别矩阵B3-C

注：CR=0.000 0<0.1，显然满足一致性检验，故上述特征向量Wi可作为权向量。

表6 分区因子判别矩阵B4-C

注：CR=0.000 0<0.1，显然满足一致性检验，故上述特征向量Wi可作为权向量。

(3)岩溶地区建设用地开发利用的地质环境适宜性评价因素分级赋值。

分区指标量化分级是在适宜性分级基础上，通过对研究区各因子影响因素、因子数据统计分析，确定因子强和弱两个极限值，按照各评价因子对研究区影响程度，以阈限或递减规律取值来实现量化分级，各因子的量化分级详见表7。

(4)MapGIS加权叠加及量化分析

因研究区面积较大，网格单元多，利用数据量很大。为此，利用MapGIS软件的属性管理系统，开发出因子的适宜性指数计算程序，编制了“研究区建设用地开发利用地质环境适宜性分区评价程序”用于评价计算。该程序包含适宜性分区评价软件包，可满足地下空间开发利用地质环境适宜性分区模糊综合评价的要求。

表7 研究区建设用地开发利用的地质环境适宜性分区因子及影响程度分级表

续表

各单元网格FQI值求出后，运用MapGIS软件自动生成FQI等值线图，然后根据各评价单元实际情况对等值线进行必要的修正，最后根据FQI等值线图对研究区适宜性进行分区，分区标准为：5.00≤FQI为建设用地适宜性好区；2.50≤FQI<5.00为建设用地适宜性较好区；1.00≤FQI<2.50为建设用地适宜性一般区；FQI<1.00为建设用地适宜性差区。

最后通过MapGIS软件自动生成FQI等值线图，然后根据各评价单元实际情况对等值线进行修正，从而得到桂林市规划中心城区建设用地开发适宜性评价图(图2)，并通过分析该图对研究区作出了地下空间开发适宜性评价，最后得出桂林市规划中心城区建设用地开发利用地质环境适宜性分区表(表8)。

图2 桂林市规划中心城区建设用地开发适宜性评价图Fig.2 Evaluation suitability of construction land for shallow-layer of Shallow layer of Guilin

3 结论

(1)依据预测分区指标计算，将研究区建设用地资源开发利用适宜性划分为适宜性好区(I)、适宜性较好区(II)、适宜性一般区(III)、适宜性差区(IV)四种类型,计算研究区的面积为880.00 km2，其中适宜性好区(I)的面积为27.29 km2；适宜性较好(II)区的面积为424.88 km2；适宜性较差区(III)的面积为100.89 km2；适宜性差区(IV)的面积为326.94 km2。

(2)影响岩溶地区地下空间开发利用的地质环境因素细分为11个：地形坡度、地貌单元、土体地基承载力、岩石地基承载力、特殊性土分布、土体厚度、土体结构、地下水埋深、地表水系、岩溶发育程度及断裂构造。