工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1715-1723   (5686 KB)    
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  • 收稿日期:2017-04-05
  • 收到修改稿日期:2017-07-01
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    王学良
    韩振华
    张路青
    周剑

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    王学良, 韩振华, 张路青, 等. 2018. 高放废物地质处置阿拉善预选区工程地质适宜性评价[J]. 工程地质学报, 26(6): 1715-1723. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-145.
    WANG Xueliang, HAN Zhenhua, ZHANG Luqing, et al. 2018. Regional engineering geology suitability assessment for high-level radioactive waste disposal of pre-selected Alxa area[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1715-1723. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-145.

    高放废物地质处置阿拉善预选区工程地质适宜性评价
    王学良, 韩振华①②, 张路青, 周剑    
    ① 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029;
    ② 中国科学院大学 北京 100049
    摘要:区域工程地质适宜性评价是高放废物处置库选址的关键问题之一。基于ArcGIS平台,采用综合指数模型对我国高放核废物处置库阿拉善预选区进行了区域工程地质适宜性评价。在现场工程地质调查与资料系统收集的基础上,综合考虑了核废料选址的特殊目的和要求,比选确定岩性、断裂构造、地震、构造应力、地形变作为阿拉善区域工程地质适宜性评价的因子。利用专家-层次分析法确定了各评价指标的权重,基于评价指标及权重的确定,按适宜性好、适宜性较好、适宜性中等、适宜性较差和适宜性差5个级别对阿拉善区域进行了工程地质适宜性分区。评价分区结果为阿拉善预选区高放废物处置适宜性地段选取提供了依据,其中的塔木素和诺日公区段是适宜性良好的两个地段,进一步的选址工作可在这两个地段开展。
    关键词区域工程地质适宜性    高放废物    综合指数模型    专家-层次分析法    阿拉善    
    REGIONAL ENGINEERING GEOLOGY SUITABILITY ASSESSMENT FOR HIGH-LEVEL RADIOACTIVE WASTE DISPOSAL OF PRE-SELECTED ALXA AREA
    WANG Xueliang, HAN Zhenhua①②, ZHANG Luqing, ZHOU Jian    
    ① Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
    ② University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
    Abstract: High level radioactive waste is the inevitable product of nuclear power development. The whole world has paid more attention to the safe disposal of the waste so as to maintain the sustainable development of nuclear power. Regional suitability assessment of engineering geology is one of the key tasks when siting the repository of high-radioactive waste disposal. Alxa area is one of the pre-selected areas for high level radioactive waste disposal in China. In order to identify pre-selected sites with good engineering geology in this area, the regional suitability assessment of engineering geology is necessary. Based on comprehensive index model and ArcGIS system, the regional engineering geology suitability of pre-selected Alxa region for high-level radioactive waste disposal is assessed. In comprehensive index model, the selection of assessment factors and determination of the weight value of factors are important. Due to the special purpose and requirements of high-radioactive waste site selection, the selection of assessment factors is different from that surface engineering. For example, the topography and rainfall factors are not in the consideration of high-radioactive waste site selection. According to field engineering geological survey and comprehensive data collection, lithology, faults, seismic, tectonic stress and tectonic terrain are selected as assessment factors. Considering the characteristics of multi-objective and fuzziness in suitability evaluation of high-radioactive waste disposal, analytic hierarchy process is used to determine the weight of each factor. On the basis of these factors, the comprehensive index is obtained. Then engineering geology suitability of Alxa region is classified into five levels according to the comprehensive index. They are respectively the better suitability, the good suitability, the moderate suitability, the poor suitability and the worse suitability. Evaluation results can provide reference for siting the repository of high-radioactive waste disposal. It is considered that the better suitability area and good suitability area in the assessment map can be considered as the site area. Among these area, Tamusu and Nuorigong are two sections with the level of the better to good suitability. Further site selection work can carried out in these two sections.
    Key words: Regional suitability assessment of engineering geology    High-level radioactive waste    Comprehensive index model    Expert-analytic hierarchy    Alxa    

    0 引言

    高放废物安全处置一直受到世界的高度关注。目前深部地质处置已成为公认的高放废物永久处置方法(王驹等,2006)。由于处置库选址是一个十分复杂的过程,只有芬兰、瑞典和法国正式选定各自的处置库场址,其他有核国家仍处在选址的研究阶段。我国高放废物选址工作起步于1985年(郭永海等,2001),对甘肃北山预选区的研究工作开展较早,随后对内蒙西部阿拉善预选区的选址工作也相继展开。对高放废物处置库来说,场址所处区域工程地质条件的适宜性直接决定场址选择的可行性。

    区域稳定性是重大工程场址工程地质适宜性的前提。区域稳定性这一概念最早由中国地质工作者在地震地质研究和重大工程建设实践中提出(刘国昌,1965),它是指工程建设地区在内、外动力作用下,现今地壳及其表层的稳定程度,以及这种稳定程度与工程建筑之间的相互作用和影响(胡海涛等,1996),并指出“区域稳定性”应作为工程地质学研究的重要组成部分。区域稳定性评价在我国发展较快,研究理论已经系统化,在评价方法上已由宏观定性评价到宏观、细观相结合的定量—半定量评价。国外所做与区域稳定性相关的研究多集中在重大工程场区新构造和区域工程地质环境领域(Chilès,1988),并没有把区域稳定性评价作为专门问题作综合研究。近10多年来,国外围绕重大工程场区的活动断裂和地震危险性调查评价研究进展较快(Nanjo et al., 2004Sarp,2014),进行工程危险性评价的因子以地震为重点。与区域稳定性相比,区域工程地质适宜性则考虑了更多的工程要求和工程效应,包含区域地质稳定性和工程场地条件两层含义。

    通过半个多世纪的研究,我国区域工程地质适宜性研究不断趋于成熟,评价理论逐渐系统化和完善化(杜东菊,1994谭成轩等,2009),评价方法从定性评价发展到定量化评价,其中包括单要素判别法、模糊综合评价法、信息量法、多要素栅格叠加法、标准区监督分类法等(姚鑫,2014)。近年来,遥感、GIS等新技术和新方法也逐渐在区域工程地质适宜性评价中得到应用和完善(李萍等,2004高阳,2011)。GIS具有采集、存贮、管理、检索和综合分析等多方面的空间数据处理能力,已成为区域适宜性评价的有力工具(刘政荣,2005Sumathi et al., 2008)。采用定量化评价技术进行区域工程地质适宜性评价时,首先需要确定综合评价指标体系,然后建立定量化评价模型,从而进行适宜性的分级分区(谭成轩等,2009)。由于区域工程地质适宜性评价涉及的要素较多,不同的区域地质构造背景不同,评价指标不能一概而论。其选取应该基于大量的现场地质调查,但场址预选阶段又很难取得详尽的数据,指标分级标准还需深入论证。如何有效地筛选指标,厘清各指标的相关关系,准确衡量指标对整体稳定的贡献度,以及各指标的综合分析手段一直是区域工程地质适宜性评价的难点(姚鑫,2014)。此外,目前还缺乏对模型评价结果进行合理性和预测性检验的规范方法。即便如此,在现有资料基础上开展区域工程地质适宜性评价对于场址地段的比选仍有着重要的指导意义。

    阿拉善区域作为我们高放废物处置的预选区之一,为了在该区域确定工程地质适宜性良好的预选地段,需要针对阿拉善预选区开展区域尺度的工程地质适宜性评价。在现场工程地质调查与资料收集的基础上,本文以地理信息系统ArcGIS为平台,采用综合指数模型对阿拉善区域工程地质适宜性进行了综合评价。评价过程可概括为:首先,确定工程地质适宜性评价因子及指标,建立各指标的分级图;其次,利用层次分析法和专家经验来确定工程地质适宜性评价指标的权重;然后对各评价指标分级图进行加权叠加,获得区域工程地质适宜性分布图;最后,根据区域工程地质适宜性分布图进行评价结果的分区分级。该评价结果可为阿拉善预选区高放处置库场址地段的选取提供参考。

    1 研究区概况

    阿拉善及其邻区位于我国西北部,其东以临河—石嘴山—银川—固原为界,南抵河西走廊带及祁连山,西达马鬃山,北部以中蒙边境为界(图 1)。阿拉善位于北纬37°至中蒙边界,东经98°~107°,包括内蒙古阿拉善盟、巴彦淖尔盟西部、宁夏西部、甘肃北山和河西走廊地区。阿拉善属典型的大陆干旱、半干旱气候,冬季严寒、夏季酷热,四季气候特征明显,昼夜温差大。地形呈南高北低状,平均海拔900~1400 m,地貌类型有沙漠戈壁、山地、低山丘陵、湖盆、起伏滩地等。

    图 1 研究区范围(如线框所示区域) Fig. 1 Geographic location of study area(shown in red frame)

    2 区域工程地质适宜性影响因素及评价指标的确定
    2.1 影响因素确定

    区域工程地质适宜性评价中需要考虑的因素基本可以分为3个方面:以活动断裂、构造应力场和火山作用等为代表的控制因素(地壳稳定性),以地形地貌、工程地质岩组、地质结构和地质灾害发育强度为代表的影响因素,以水库诱发地震、采矿和抽注水诱发地震、地面沉降等为代表的工程作用因素。

    由于核废料选址特殊的目的和要求等,使得针对核废料选址的区域工程地质适宜性评价及评价因子的比选有一些特殊性,例如:需面向地下洞室岩体的工程地质稳定性,着重考虑构造作用等对深部岩体稳定性破坏的因素,弱化对地形地貌、降雨等影响地表岩体稳定性因素的考虑。基于上述考虑,初步选定岩性、断裂构造、地震、构造应力和地形变等作为阿拉善区域工程地质适宜性的影响因素。

    2.2 评价因子及指标

    基于上述对区域适宜性影响因素的分析和确定,拟选择岩性、断裂构造、地震、构造应力和地形变等作为阿拉善地区工程地质适宜性评价的影响因子,进一步以岩性分类、断裂线密度、地震动峰值加速度、水平地应力系数和地形变系数等作为量化的评价指标。

    2.2.1 岩性因子

    岩性是直接影响区域工程地质适宜性的物质基础。阿拉善地区地层发育较为齐全,从太古界到第四系均有出露,但出露及发育程度差异都很大,其中主要出露中新生界,其次是古生界,前古生界露头在区内出露较局限。该地区从新生代以来隆起遭受剥蚀,发生夷平作用,古近—新近纪湖泊沉积广泛发育,导致大面积区域被覆盖。同时由于阿拉善地区所处的特殊大地构造位置,多期次构造运动导致区内岩浆活动强烈,不同期次岩浆侵入-喷发活动频繁,在该区进行核废料处置库的选址的目标岩体为花岗岩。

    鉴于目前可用的地质资料,从全国1 ︰ 20万地质图数据库中对阿拉善地区的岩性分布进行了提取和归并(图 2)。从岩性分布图可以看出,阿拉善地区超过一半的面积被以砂为主的第四纪堆积物覆盖。

    图 2 岩性分类指标图 Fig. 2 Classification of lithology in study area

    2.2.2 断裂构造因子

    根据已有研究成果(张进等,2007),可以认为阿拉善地块是一个具有独自活动特征的三角形构造单元,该地块南部边界为合黎山—龙首山—查汗布拉格断裂,北部边界为左旋的恩格尔乌苏蛇绿岩缝合带,东部以贺兰山西麓断裂为界或者以狼山—巴彦乌拉山断裂带为界。

    基于全国1 ︰ 20万和1 ︰ 50万地质图信息,对阿拉善区域断裂构造进行提取,为保证信息的完整性,对从两个数据库中分别提取的断裂数据进行叠加处理,得到阿拉善区域断裂构造分布图(图 3)。可以看出,由于阿拉善中部及南部第四纪堆积物覆盖较厚,导致该区断裂发育情况暂时无法获取。利用GIS对断裂的线密度进行计算,为了充分考虑断裂影响带及其伴生的构造裂隙,生成断裂线密度分布图过程中,不仅考虑了单一断裂,而且搜索了周边10 km范围内的其他断裂,最终得到断裂线密度指标图(图 4)。

    图 3 阿拉善地区断裂构造分布图 Fig. 3 Faults distribution in study area

    图 4 断裂线密度指标图 Fig. 4 Indicatrix of faults linear density

    2.2.3 地震因子

    对于重要的岩体工程来说,常借助地震烈度区划图来预测分析地震对区域工程地质适宜性的影响。不同的地震烈度区,工程岩体受到地震力的扰动程度不同,失稳破坏的可能性也不同。2015年国家给出《地震动参数区划图》,同时建议不再采用地震烈度区划,而采用地震动参数进行相关工作。考虑到研究区地震烈度资料的精度较低,本文拟采用地震动峰值加速度区划图来研究地震对区域工程地质适宜性的影响(图 5)。所谓地震动峰值加速度,即与地震动加速度反应谱最大值相应的水平加速度。地震加速度包括以下6个档:0.05 g、0.10 g、0.15 g、0.20 g、0.30 g和0.40 g,在研究区主要包括0.05 g、0.10 g、0.15 g、0.20 g共4个档。

    图 5 地震动峰值加速度指标图 Fig. 5 Indicatrix of seismic peak acceleration

    2.2.4 构造应力因子

    构造应力对区域工程地质适宜性的影响通过水平地应力来量化,地应力场进一步通过数值模拟试验来获取。本次选用通用离散元程序UDEC对阿拉善地区的应力和变形进行模拟。研究中,首先收集了阿拉善及邻区构造应力及地应力数据,为地应力的幅值求解和力学机制分析提供依据。然后基于该区的地质构造背景建立了地质力学模型(图 6),如图所示,模型长为929.3 km,宽为962.9 km,模型内部共构建了38条断裂带,包含了地质力学模型中的新老断裂。对上述模型进行计算网格剖分,网格尺寸小于15 km。计算模型中即有连续的岩体也有断裂带,岩体和断裂的物理力学参数取值参考了岩石力学测试结果及前人的成果(范桃园等,2014),所选择的计算参数如表 1所示。

    图 6 阿拉善及邻区离散元计算模型及网格剖分 Fig. 6 UDEC model and mesh generation of Alxa area

    表 1 离散元数值计算中岩体与断裂的力学参数 Table 1 Mechanical parameters of rock mass and faults

    由于核废料地质处置库一般位于地下300~1000 m的目标地质体内,根据阿拉善巴彦诺日公地区1号钻孔现场地应力测试数据结果,地下500 m深度左右的水平地应力值为20~25 MPa。根据钻孔印模方向,诺日公NRG01号钻孔的水平最大主应力的优势方向为N30°E,标准差11°。因此初始应力场选用NE30°方向的挤压应力22.5 MPa。模型中采用的边界限制条件为:青藏块体作为主动块体以NE30°方向挤压阿拉善块体,北部北山地块和哈萨克斯坦板块作为被动块体受到限制,东部块体对阿拉善地块为弱限制或无限制,西部为弱限制。

    计算结果表明,阿拉善及邻区的区域主压应力方向总体呈北东30°~35°,在断层端点或断层交汇带位置,出现明显的应力集中。考虑到模拟结果中的绝对量值与实际会有所出入以及场址适宜性的差异,可以用场地条件的相对值来表征,所以采用了水平地应力的归一化值(即水平地应力系数)进行后续的工程地质适宜性评价(图 7)。

    图 7 水平地应力系数指标图 Fig. 7 Indicatrix of horizontal crustal stress coefficient

    2.2.5 地形变因子

    大地形变在很大程度上反映了地壳稳定程度,而近期的GPS监测数据表明了近期的构造活动水平。在上述对阿拉善及其邻区应力场模拟的过程中,同时获取了位移场数据(图 8)。离散元数值模拟的位移场与GPS定量观测的变形趋势(图 9)基本一致,这从侧面说明,上述计算所采用的地质力学模型及其限制边界条件是基本正确的。阿拉善及邻区离散元数值模拟位移场结果显示(图 8),位移大小自南西侧向北西侧逐渐减小,最大为3.5 mm,最小为0.70 mm;位移方向从南西侧的NE35°左右,向北西方向逐渐变化为NEE方向,在临河至银川、固原一线,位移方向变化为近EW向,整个运动场具有顺时针向东旋转的迹象。同样采用大地形变的归一化处理(图 10),以地应变系数作为后续评价中的指标。

    图 8 阿拉善及邻区位移场数值模拟结果 Fig. 8 Numerical simulation results of displacement field in Alxa and the adjacent region 由左下角至右上角位移逐渐减小

    图 9 阿拉善及邻区GPS速度场 Fig. 9 GPS velocity field of Alxa and the adjacent region

    图 10 地应变系数指标图 Fig. 10 Indicatrix of crustal strain coefficient

    3 评价指标分级及权重的确定
    3.1 评价指标分级

    上述指标分区具有不同的数据形式和范围,难以直接进行叠加运算。为了在后续分析中对各指标进行叠加分析,需要先对各指标的数值范围按照一定的分级界限进行归类。确定指标级差的方法可分为自定义分级法和模式分级法。对非连续量值指标图(即岩性及峰值加速度)的分级采用了自定义分级方法,对连续量值指标图(即断裂线密度、水平地应力系数及地形变系数)的分级采用GIS提供的Natural Breaks方法(韩振华等,2015Chaudhary et al., 2016),分级及赋值(选址适宜性代表值)情况如表 2所示,适宜性代表值的大小采用专家经验法判断,其中较高赋值代表该级别所表示的区域具有较高的选址适宜性。

    表 2 评价指标分级及权重 Table 2 Classification and weights of assessment index

    3.2 指标权重确定

    对于评价指标的综合分析,确定指标的权重十分重要。目前有较多的定权方法,如专家打分法、调查统计法、层次分析法、数理统计法等。其中,层次分析法被一致认为是一种较合理、可行的定权方法(蔡鹤生等,1998),具有思路清晰、方法简便、系统性强的特点(井文君等,2012张吉军,2000)。但在对地质环境系统认识不足时,过分相信确定权重的数学模型反而会导致权值不尽合理。在充分了解地质背景基础上,专家经验判断有时却更为可靠。本文结合了专家经验法定性分析的优势及层次分析法定量分析的优势,采用专家-层次分析法来确定指标权重,具体步骤如下:①建立层次结构;②构造判断矩阵;③计算特征向量和特征根;④一致性检验;⑤权重计算。基于上述方法,最终确定了各评价因子的权重如表 2所示。

    4 评价结果及选址适宜性分区

    区域工程地质适宜性评价模型的选择取决于研究目的、研究尺度、已有数据的类型和精度、所采用的分析工具等诸多因素。在区域尺度下,工程地质条件调查程度的不同、精确数据的不完备等因素将会对评价结果带来很大的不确定性。本文采用了适用于区域尺度的综合指数模型(式1)对阿拉善区域工程地质适宜性进行了综合评价。

    $ EGSI = \sum\limits_1^5 {} Weight \times S $ (1)

    式中,EGSI为工程地质适宜性综合指数;Weight为因子权重;S为某级别的指标分值。

    基于表 2所确定的指标分级值及权重,利用式1计算了阿拉善区域工程地质适宜性综合指数EGSI,根据该指数利用ArcGIS的Natural break分级法将评价结果划分为5级,得到了多个因素作用下的工程地质适宜性评价结果(图 11)。如图所示,分级数越高表示该区适宜性程度越高。此外,由于难以获得沙漠区下伏的岩性和断裂构造信息,本次评价基本避开了沙漠区。根据该分区结果,可以选出阿拉善区域适宜的备选场址区段,其中适宜性好区(最高级别5)为选址最适宜性区,适宜性差区(最低级1级)为选址最不适宜区,而4、3和2级分别对应于适宜性较好区、适宜性中等区和适宜性较差区。

    图 11 基于多因素综合作用的阿拉善工程地质适宜性分区 Fig. 11 Suitability assessment of engineering geology based on multi-factors in Alxa region

    从分区结果可以看出,塔木素和诺日公区段有较大范围5级和4级适宜区,在阿拉善地区属于适宜性很好的两个区段。需要注意的是,诺日公场址周边存在不适宜选址区(2、3级区),而塔木素场址周边的不适宜选址区范围较小,适宜性选址的4级和5级区范围较大。该评价结果仅为场址选择提供了依据,但场址的确定还需综合多方面的因素。

    5 结论

    本文在野外调查与区域地质、地球物理、内外动力灾害等资料系统收集的基础上,综合确定了阿拉善区域工程地质适宜性评价因子、指标和模型。基于GIS平台,进行了区域工程地质适宜性评价和核废料选址适宜性分区,为我国高放废物地质处置库场址比选提供了初步依据,主要认识如下。

    (1) 由于核废料选址的特殊目的和要求,使得针对核废料选址的区域工程地质适宜性评价因子比选不同于地表区域工程地质适宜性评价因子的比选(例如,前者不考虑地形地貌、降雨等因素)。本文通过比选确定了岩性、断裂构造、地震、构造应力、地形变等作为阿拉善区域工程地质适宜性评价的因子。

    (2) 采用专家-层次分析法确定了各评价因子的权重,权重的确定结合了专家经验法定性分析的优势及层次分析法定量分析的优势,同时也检验了所选评价指标的合理性。基于评价指标的选取及指标权重的确定,采用了适用于区域尺度的综合指数模型对阿拉善区域工程地质适宜性进行了综合评价。

    (3) 区域尺度工程地质适宜性受多个因素的影响,要进行合理的选址,需要综合考虑多个因素的相互作用。基于模型评价和分区结果,认为分区评价图中的4级和5级区可考虑作为适宜性选址区,其中的塔木素和诺日公区段是适宜性良好的两个地段,对场址尺度的岩体质量评价可在这两个地段开展。

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