基于工程地質(zhì)環(huán)境的沉陷區(qū)景觀生態(tài)安全格局
——以北京門頭溝區(qū)東龍門為例

張曦沐，張國鋒，柴華彬

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3. 河南理工大學(xué)測繪學(xué)院，河南 焦作 454003)

伴隨著煤炭的開采，礦區(qū)的地質(zhì)環(huán)境、水文狀況被改變，沉陷的土地量逐漸增多，環(huán)境發(fā)生了很大變化。沉陷區(qū)人居環(huán)境改造問題，已成為礦區(qū)亟待解決的問題，而生態(tài)景觀是塑造良好人居環(huán)境的重要內(nèi)容。目前，在采煤沉陷區(qū)人居環(huán)境改造過程中，運用景觀生態(tài)學(xué)原理對沉陷區(qū)的景觀格局變化、景觀生態(tài)重建模式做的相關(guān)研究[1-5]，主要是從土地復(fù)墾角度出發(fā)，為恢復(fù)礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境、礦區(qū)土地復(fù)墾規(guī)劃及土地管理提供指導(dǎo)。其研究成果，對沉陷區(qū)調(diào)整合理的景觀格局，優(yōu)化景觀整體功能，也有一定幫助。本文從構(gòu)建景觀生態(tài)安全格局的角度，對門頭溝東龍門沉陷區(qū)的生態(tài)景觀進(jìn)行探討，認(rèn)為以沉陷區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃為基礎(chǔ)，利用不同區(qū)劃的特點，構(gòu)建沉陷區(qū)景觀生態(tài)安全格局，是保障礦區(qū)人居環(huán)境的生態(tài)安全的有效途徑。

1 工程地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃與景觀生態(tài)安全格局

1.1 工程地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃

沉陷區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃，是一種基于沉陷區(qū)工程建設(shè)需要，以地表穩(wěn)定性為核心指標(biāo)，結(jié)合多種環(huán)境因素，將沉陷區(qū)土地進(jìn)行分類的區(qū)劃方法。具體來說，是指根據(jù)對沉陷區(qū)域的地質(zhì)力學(xué)研究及沉陷區(qū)歷史地質(zhì)災(zāi)害的研究，通過采用地質(zhì)力學(xué)、數(shù)值計算、數(shù)學(xué)統(tǒng)計等分析手段，對地面工程活動、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、礦震頻發(fā)、煤層開挖等對沉陷區(qū)穩(wěn)定性有重要影響的因素進(jìn)行相應(yīng)的評價。并在此基礎(chǔ)上，運用模糊綜合評價法，對沉陷區(qū)做出工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分析，將沉陷區(qū)土地劃分成良好區(qū)、中等區(qū)、較差區(qū)三種不同質(zhì)量等級的環(huán)境區(qū)域，使沉陷區(qū)土地更好地適應(yīng)沉陷區(qū)人居環(huán)境建設(shè)的需要。

沉陷區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量區(qū)劃的劃分標(biāo)準(zhǔn)，主要取決于區(qū)域地殼及場地穩(wěn)定性、地形地貌條件、地基巖土條件三個方面。區(qū)域地殼及場地穩(wěn)定性反映了工程建設(shè)的總體地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境的優(yōu)劣,它往往對工程建設(shè)規(guī)劃起決定性的作用。影響區(qū)域地殼及場地穩(wěn)定性的主要因素較多, 但最主要的因素是地震效應(yīng)、活動性斷裂以及地質(zhì)災(zāi)害。地形地貌條件對建設(shè)工程規(guī)劃和布局起著控制作用，主要考慮兩個因素：①地形坡度； ②地貌類型。地基巖土體性質(zhì)影響工程建設(shè)的質(zhì)量與工程的布局，地基的強(qiáng)度和變形特性是影響地基巖土工程性質(zhì)的主要因素，其中地基的強(qiáng)度是通過地基持力層承載力及埋深來反映，而變形特征是地基土結(jié)構(gòu)的綜合效應(yīng)。

沉陷區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃，是科學(xué)構(gòu)建沉陷區(qū)生態(tài)景觀的基礎(chǔ)和前提。

1.2 景觀生態(tài)安全格局的涵義

景觀生態(tài)學(xué)認(rèn)為，景觀是若干個生態(tài)系統(tǒng)(自然的和人工的)組成的具有空間異質(zhì)性的區(qū)域。景觀格局的優(yōu)劣，是衡量生態(tài)過程能否良性發(fā)展的重要內(nèi)容；景觀格局是景觀組成單元的空間分布，是景觀結(jié)構(gòu)在二維平面上的直觀反映。特定的景觀格局是在景觀生態(tài)過程中長期作用下形成的，并影響著當(dāng)前景觀生態(tài)過程的正常作用，進(jìn)而影響到景觀中生物個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)的生存和穩(wěn)定。北京大學(xué)俞孔堅教授針對景觀規(guī)劃設(shè)計的種種誤區(qū)，提出景觀生態(tài)安全格局的理論。該理論認(rèn)為：在景觀格局形成過程中，有一些空間位置對生態(tài)過程有重要作用，具有戰(zhàn)略意義。這些關(guān)鍵性的空間位置和它們之間的相互聯(lián)系所形成的格局，就是景觀生態(tài)安全格局，他們對維護(hù)和控制生態(tài)過程具有非常重要的意義[6-7]。

典型的生態(tài)安全格局，包含以下幾個景觀組成部分[8]：源。現(xiàn)存的鄉(xiāng)土物種棲息地，他們是物種擴(kuò)散和維持的原點；緩沖區(qū)。環(huán)繞源的周邊地區(qū)，是相對的物種擴(kuò)散低阻力區(qū)；源間連接。相鄰兩源之間最易聯(lián)系的低阻力區(qū)；輻射道。由源向外圍景觀輻射的低阻力通道；戰(zhàn)略點。對溝通相鄰源之間聯(lián)系有關(guān)鍵意義的“跳板”。

景觀生態(tài)安全格局理論的提出，意在用最少的土地，來獲取最大的安全空間。對在土地有限的條件下，實現(xiàn)良好的土地利用格局，保障安全和健康的人居環(huán)境，實現(xiàn)人居環(huán)境的可持續(xù)性，有效地阻止生態(tài)環(huán)境的惡化有著重要意義。

2 門頭溝區(qū)東龍門工程地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃

通過地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及地球物理勘探，東龍門地下采煤活動主要為深部國有礦山開采，淺部不明老、小窯開采規(guī)模很小且未對地表造成危害。因此，工程地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃，重點分析深部大規(guī)模的采空區(qū)對地表穩(wěn)定性的影響。

2.1 采空區(qū)地表變形預(yù)測

東龍門地表變形比較特殊，觀測沉陷量最大只有40 mm，根據(jù)實際開采量，地表變形值不符合一般沉陷規(guī)律。經(jīng)過地表及巖層的移動規(guī)律和數(shù)值模擬計算發(fā)現(xiàn)，在埋深為198m、厚度為36m的第五層巖層，存在著厚度較厚、巖性較硬的關(guān)鍵巖層。根據(jù)關(guān)鍵層理論的研究[9]，關(guān)鍵層對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖體起控制作用，下部巖層的變形與關(guān)鍵層之間產(chǎn)生離層空間，離層盆地的變形將對地表的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。通過運用概率積分法，預(yù)測五個煤層采空區(qū)對離層盆地的影響，得到最終關(guān)鍵層下離層盆地移動和變形的最大預(yù)測值(表1)。

根據(jù)煤層深部采空區(qū)對離層盆地移動和變形的影響預(yù)測、煤層采空區(qū)的疊加影響預(yù)測、覆巖離層的數(shù)值模擬結(jié)果對規(guī)劃區(qū)地表影響分析，結(jié)合五個煤層中采空區(qū)的地質(zhì)采礦條件，以及其與規(guī)劃區(qū)的空間位置關(guān)系，地表穩(wěn)定性影響程度劃分為輕度影響區(qū)、中度影響區(qū)和重度影響區(qū)三類。其中，中等嚴(yán)重區(qū)面積占規(guī)劃區(qū)總面積的9.4%，較嚴(yán)重區(qū)占50.3%，輕微區(qū)占40.3%。

表1 五個槽煤采空區(qū)引起的離層盆地的最大移動變形預(yù)計結(jié)果

2.2 工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量區(qū)劃

東龍門改造工程建設(shè)規(guī)劃區(qū)內(nèi)，無活動性斷裂分布，地震基本烈度為Ⅵ～Ⅶ度，區(qū)域地殼屬基本穩(wěn)定區(qū)。由于長期采煤活動，地下形成的大量采空區(qū)，是場地穩(wěn)定性最主要的影響因素。因此，主要選取采空區(qū)空間分布特征、采空區(qū)規(guī)模尺寸及采空區(qū)地面變形3個因素，作為場地穩(wěn)定性的評價指標(biāo)。由于規(guī)劃區(qū)地下水位埋深較大(地面100m以下)，地基方面不考慮地下水對地基的不良作用。東龍門改造工程建設(shè)規(guī)劃區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系及分級標(biāo)準(zhǔn)見圖1、表2[10]。

在此基礎(chǔ)上，通過層次分析模糊綜合評判方法(AHP-Fuzzy法)計算，將東龍門規(guī)劃區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量劃分為三個等級，即地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)(Ⅰ)、中等區(qū)(Ⅱ)、較差區(qū)(Ⅲ)。依據(jù)地質(zhì)環(huán)境問題差異，再將中等區(qū)(Ⅱ)劃分為兩類亞區(qū)(圖2)。各區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征見表3。

3 門頭溝區(qū)東龍門景觀生態(tài)格局適宜性

3.1 總體景觀生態(tài)安全格局的定位

東龍門位于低山區(qū)到永定河洪沖積平原的過渡地帶，地勢由北向南逐步遞減，海拔最高約為188m，海拔最低約為120m，地質(zhì)環(huán)境總體來說屬于低山丘陵地帶。根據(jù)東龍門的地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃特征分析，東龍門大部分區(qū)域在淺部基本無采空區(qū)分布，深部采空區(qū)埋深在200m以上，地面穩(wěn)定，地形較平坦，地基持力層埋藏較淺，承載力在200kPa以上，適宜作為工程建設(shè)用地，是以良好區(qū)為主，空間分布較集中的采煤沉陷區(qū)。由于臨近山區(qū)，生態(tài)環(huán)境相對敏感而脆弱，其人居環(huán)境的開發(fā)建設(shè)，宜加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。因此，東龍門總體景觀生態(tài)格局的定位，適宜延續(xù)北面九龍山自然地理的山水格局，建設(shè)以自然綠地為基質(zhì)，以道路、林帶為廊道，以小型低層住宅組團(tuán)為斑塊的生態(tài)社區(qū)景觀結(jié)構(gòu)模式。

圖1 工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價體系框圖

表2 東龍門改造工程區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)及分級

圖2 東龍門棚戶改造工程區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)圖

表3 工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價結(jié)果表

3.2 針對不同區(qū)劃的景觀安全生態(tài)格局策略

(1)利用較差區(qū)，建設(shè)大中型生態(tài)斑塊，作為生態(tài)源

從地質(zhì)環(huán)境區(qū)劃可以看出，東龍門較差區(qū)面積較小，集中在北部山區(qū)，地形起伏，坡度大，且地下深部有采空區(qū)分布，地面有沖溝，處于次穩(wěn)定狀態(tài)，不利于工程建設(shè)。立足景觀生態(tài)學(xué)原理，利用北部較差區(qū)作為生態(tài)源。源是建立景觀生態(tài)安全格局最基本的要素，利用較差區(qū)培育種群源，建設(shè)生態(tài)緩沖帶和生態(tài)公園，使之成為東龍門社區(qū)綠地系統(tǒng)的發(fā)源地。綠地是承載景觀生態(tài)要素的主要載體，其布局是否科學(xué)、合理，直接關(guān)系到社區(qū)的生態(tài)環(huán)境和居民的生活環(huán)境。以北部較差區(qū)為生態(tài)源點，建立輻射的生態(tài)廊道，連接周圍區(qū)域，將對整個區(qū)域的綠化系統(tǒng)產(chǎn)生良好的影響。東龍門較差區(qū)生態(tài)源的人為設(shè)計，必須與自然的山水格局相適應(yīng)，生態(tài)源應(yīng)具有原始景觀的自然本底及鄉(xiāng)土特性，植物種類也應(yīng)首先選擇本地物種，保護(hù)和建立多樣化的鄉(xiāng)土生境系統(tǒng)，建構(gòu)地區(qū)性植物群落，對于發(fā)揮生態(tài)源的生態(tài)作用，具有重要作用。

(2)利用中等區(qū)，建設(shè)生態(tài)緩沖區(qū)和小型自然斑塊

東龍門中等區(qū)分布分散，其中共有三塊點狀形態(tài)的中等區(qū)，位于南部和中部邊緣地帶，是低緩坡地和臺地，且三者呈點狀分布，地勢較平坦，面積不大，適宜建設(shè)小型自然斑塊，可通過規(guī)劃廊道，使斑塊形成串聯(lián)態(tài)勢。位于中部的呈東西向條帶狀地段，低緩坡地，深部100m以上有采空區(qū)分布，適宜建設(shè)生態(tài)緩沖區(qū)，作為北部生態(tài)源緩沖地帶，并可將緩沖區(qū)進(jìn)一步向南伸展，與南部的斑塊連通，使社區(qū)形成更整體的生態(tài)環(huán)境。

(3)增建小型自然斑塊和生態(tài)廊道改善良好區(qū)的生態(tài)環(huán)境

東龍門良好區(qū)面積較大，適宜通過規(guī)劃選擇重要的景觀戰(zhàn)略點，增加建設(shè)小型自然植被斑塊，同時結(jié)合道路培育新的生態(tài)廊道，加大生境的連接度。這些小型自然斑塊既是次種源，也是生態(tài)跳板。此外，小型自然斑塊可具有相對獨立的自然生態(tài)特點，對于改善小氣候環(huán)境，促進(jìn)生物多樣性，提高環(huán)境生態(tài)效能，有明顯的積極作用。這些小型的自然斑塊和廊道，不僅保證生態(tài)景觀的異質(zhì)性，而且人們的可達(dá)性強(qiáng)，最易被居民體驗和感受，構(gòu)成東龍門景觀生態(tài)格局中的細(xì)部感知層次。

(4)利用不同區(qū)劃邊界，建設(shè)生態(tài)緩沖區(qū)

東龍門不同區(qū)劃交界處，由于地表沉陷程度不同，不宜建設(shè)建筑物，但適宜發(fā)展生態(tài)緩沖帶。也可以結(jié)合景觀道路，建設(shè)生態(tài)廊道，培育生態(tài)節(jié)點，在道路的交叉處建設(shè)廣場和小公園等綠色節(jié)點。

(5)利用沖溝，建設(shè)生態(tài)廊道

東龍門良好區(qū)和較差區(qū)中，均有沖溝分布，沖溝長度不等，深度較淺，溝中無水，是城子河的匯水支流。沖溝發(fā)育是水土流失的一種重要表現(xiàn)形式，沖溝越發(fā)育，所表現(xiàn)出來的水土流失越嚴(yán)重，可能引起的山地自然災(zāi)害強(qiáng)度、發(fā)展速度、頻率就越大，是生態(tài)敏感地帶。對于良好區(qū)的沖溝改造，適宜在兩側(cè)邊坡建設(shè)生態(tài)防護(hù)綠地，種植一定寬度的植物，使其成為東龍門景觀中重要的生態(tài)廊道，既能起到斑塊間的物種聯(lián)系通道的作用，又有生物的阻隔過濾作用。建筑退后沖溝布置，治理后的沖溝可作為居住組團(tuán)的半開敞公共綠地，實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、景觀效果的良好結(jié)合。對于較差區(qū)的沖溝改造，適宜根據(jù)生態(tài)源的建設(shè)靈活確定。

4 結(jié) 語

建設(shè)礦區(qū)良好的人居環(huán)境，需要對沉陷區(qū)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行深入研究，這是實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中，迫切需要解決的現(xiàn)實問題。本文通過對門頭溝東龍門工程地質(zhì)環(huán)境的研究，將其劃分為工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量良好區(qū)、中等區(qū)和較差區(qū)。并利用不同區(qū)劃的特殊性，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛驳葪l件，提出構(gòu)建沉陷區(qū)景觀生態(tài)安全格局的策略。不僅有利于沉陷區(qū)生態(tài)景觀的創(chuàng)造，提高沉陷區(qū)生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性，滿足人們回歸自然的心理需求，而且有利于以較少的土地保障礦區(qū)的生態(tài)安全，是建設(shè)沉陷區(qū)良好人居環(huán)境的有效途徑。

本文在寫作過程中，得到中國礦業(yè)大學(xué)(北京)何滿潮教授、高延法教授的悉心指導(dǎo)和幫助，在此深表感謝。

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