喀斯特發(fā)育機(jī)理與發(fā)展工程建設(shè)效應(yīng)研究方向

盧耀如

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061

喀斯特發(fā)育機(jī)理與發(fā)展工程建設(shè)效應(yīng)研究方向

盧耀如

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061

喀斯特在中國(guó)分布廣泛, 更主要與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、工程建設(shè)及人民日常生活具有密切關(guān)系, 所以研究喀斯特發(fā)育規(guī)律, 進(jìn)而探索其對(duì)發(fā)展與工程產(chǎn)生的效應(yīng)是非常重要的研究方向。本文在幾十年開展這方面研究的成果上, 綜合探討了: (1)區(qū)域性綜合建設(shè)方面地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)研究, 包括巖溶區(qū)域性發(fā)育規(guī)律及長(zhǎng)江、黃河大型工程的效應(yīng)評(píng)判研究; (2)地下空間開拓方面, 涉及城市地鐵、高鐵、地下大型建筑、礦山開采常發(fā)生的不良效應(yīng), 及運(yùn)用喀斯特水文地質(zhì)等綜合研究以評(píng)判危害性和開拓中的六個(gè)超前措施; (3)城鎮(zhèn)群的發(fā)展與生態(tài)內(nèi)涵的幾個(gè)層次問題。通過這實(shí)例研究, 強(qiáng)調(diào)水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)在今后對(duì)實(shí)現(xiàn)中華強(qiáng)國(guó)夢(mèng)的重要作用。

喀斯特; 規(guī)律; 工程發(fā)展; 效應(yīng)評(píng)判

第二次世界大戰(zhàn)后, 隨著許多國(guó)家著手建設(shè)家園, 更好發(fā)展經(jīng)濟(jì), 相應(yīng)地也出現(xiàn)了水文地質(zhì)、工程地質(zhì)學(xué)科的新發(fā)展。我新中國(guó)建立后, 也為水文地質(zhì)工程地質(zhì)學(xué)的發(fā)展, 創(chuàng)造了基本的前提。

在紀(jì)念中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院及其水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所成立60周年的文章中, 我闡述了水文地質(zhì)、工程地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)的發(fā)展概況。這篇文章, 就重點(diǎn)對(duì)有關(guān)喀斯特研究方向, 及為工程建設(shè)與發(fā)展服務(wù), 而開展有關(guān)工程建設(shè)效應(yīng), 包括工程建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境的相互影響效應(yīng)問題, 進(jìn)行些探討。

1 區(qū)域性綜合建設(shè)方面地質(zhì)環(huán)境的工程效應(yīng)研究

1.1 區(qū)域性水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)的需求

國(guó)家建設(shè)與發(fā)展, 一方面對(duì)地質(zhì)學(xué)的要求是,應(yīng)用這學(xué)科的知識(shí)理論, 更好尋找各種礦產(chǎn)資源,特別是發(fā)現(xiàn)新的資源以滿足國(guó)家發(fā)展的需求。解放前留下的200多位地質(zhì)人員, 顯然不能滿足國(guó)家發(fā)展的需求, 于是通過院校調(diào)整, 更好、更多、更快地培養(yǎng)這方面人才。這方面的追求, 促進(jìn)了區(qū)域的地層、構(gòu)造、古生物和成礦理論的發(fā)展, 也編制出反映區(qū)域地質(zhì)綜合概況的各種比例尺圖件。

另一方面, 隨著國(guó)家建設(shè)的發(fā)展, 也對(duì)區(qū)域性水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì), 提出了迫切需求,也編制了全國(guó)性、區(qū)域性的水文地質(zhì)圖、工程地質(zhì)圖與環(huán)境地質(zhì)圖, 以作為國(guó)家與地方制定發(fā)展規(guī)劃的依據(jù)。

至于對(duì)水、工、環(huán)地質(zhì)人才的需求, 在建立新中國(guó)的初期, 首先是少數(shù)搞礦產(chǎn)地質(zhì)的人員轉(zhuǎn)入擔(dān)負(fù)這方面工作, 但主要是解放后通過院系調(diào)整, 專門培養(yǎng)年輕人才, 壯大了這方面的隊(duì)伍。但是, 水、工、環(huán)地質(zhì)調(diào)查與研究所取得成果、人才的數(shù)質(zhì)量,與國(guó)家需求相比, 還是有較大的差距。目前, 國(guó)家對(duì)這方面需求, 主要涉及這些方面: (1)大江河流域水利水電規(guī)劃上包括對(duì)環(huán)境產(chǎn)生利弊效應(yīng)綜合評(píng)判需求; (2)大中城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃與環(huán)境效應(yīng)的評(píng)判上的需求; (3)區(qū)域性鐵路、公路建設(shè)的選線(網(wǎng))以及施工與運(yùn)行的安全, 以及地質(zhì)環(huán)境工程效應(yīng)評(píng)判上需求; (4)農(nóng)村小城鎮(zhèn)發(fā)展對(duì)水-土資源及地質(zhì)環(huán)境的需求; (5)大型工礦企業(yè)選地建設(shè)與防治三態(tài)(氣、液、固)污染對(duì)地質(zhì)條件與環(huán)境的需求; (6)海岸港口發(fā)展對(duì)地質(zhì)環(huán)境相互效應(yīng)的需求; (7)航空港網(wǎng)絡(luò)建設(shè)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的需求; (8)公路等交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)展對(duì)地質(zhì)環(huán)境的效應(yīng)問題; (9)人民體質(zhì)健康對(duì)地質(zhì)環(huán)境上的需求; (10)防治各種自然成因及工程建設(shè)誘發(fā)與加劇災(zāi)害對(duì)地質(zhì)條件與地質(zhì)環(huán)境上的需求; (11)人民日常生活與相互效應(yīng)對(duì)地質(zhì)上的需求; (12)國(guó)防建設(shè)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的需求。

就是說, 國(guó)家各方面的建設(shè)發(fā)展, 以及人民的衣、食、住、行等生活的方方面面和生存環(huán)境的安全保障, 人民的身體健康保障, 以及常期的可持續(xù)發(fā)展的保障等等方面, 都需要有區(qū)域性及專門性的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)方面的調(diào)查研究及客觀的成果, 予以作為基礎(chǔ)依據(jù)(盧耀如等, 1973;盧耀如, 2010)。

所以, 首先從全流域出發(fā), 在地質(zhì)條件上, 特別是水、工、環(huán)地質(zhì)上全流域考慮水利水電規(guī)劃中,如何避免及防治不良工程環(huán)境效應(yīng)問題, 并如何保障其真正有益效應(yīng), 是非常重要的。

為了上述這么多方面的發(fā)展與工程建設(shè)的需求, 在喀斯特地區(qū), 當(dāng)然應(yīng)當(dāng)相關(guān)地深入研究喀斯特發(fā)育的區(qū)域性規(guī)律, 及其相關(guān)的水、工、環(huán)地質(zhì)條件。區(qū)域性喀斯特發(fā)育基本規(guī)律與特征, 主要涉及到: (1)區(qū)域地層、地質(zhì)構(gòu)造; (2)喀斯特現(xiàn)象的類別及分布規(guī)律; (3)喀斯特現(xiàn)象中有關(guān)地質(zhì)環(huán)境演化的信息采集與研究; (4)喀斯特水動(dòng)力條件類型及其演化; (5)喀斯特發(fā)育的年代測(cè)定與分析; (6)喀斯特作用過程, 包括三相物質(zhì)與三相流的形成, 以及有關(guān)溶蝕與沉積機(jī)理; (7)各種生物, 特別是微生物及植物生長(zhǎng)和動(dòng)物的活動(dòng), 產(chǎn)生的喀斯特作用機(jī)理; (8)喀斯特作用對(duì)水、工、環(huán)地質(zhì)的控制作用; (9)喀斯特因素對(duì)各種建設(shè)的利弊兩重性的認(rèn)識(shí)評(píng)判; (10)各項(xiàng)建設(shè)綜合對(duì)喀斯特地質(zhì)環(huán)境長(zhǎng)期產(chǎn)生的相關(guān)影響效應(yīng); (11)人工建設(shè)疊加復(fù)合影響下, 喀斯特地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全與可持續(xù)發(fā)展的評(píng)判認(rèn)識(shí); (12)喀斯特環(huán)境的保護(hù)措施; (13)人類對(duì)喀斯特資源的保護(hù)與合理綜合利用的途徑。

在喀斯特地區(qū), 特別要研究(Lu, 1986a, b)喀斯特水的復(fù)雜性, 以及對(duì)工程建設(shè)的復(fù)雜影響, 在開發(fā)喀斯特水資源中, 要更加深入研究資源的形成與合理開發(fā)(Lu, 1988, 1990, 1993a, b, c; 盧耀如等, 2006)。

1.2 具體大型工程建設(shè)的效應(yīng)問題概述

水利水電建設(shè)方面, 例如解放初期修建官?gòu)d水庫(kù), 為北京供水、防洪, 1955年建成后就發(fā)生滲漏與壩體塌陷, 危及京津安全, 后經(jīng)喀斯特與水文、工程地質(zhì)上探明原因, 進(jìn)行了正確處理(盧耀如, 1959)。

再以三峽工程為例, 首先當(dāng)然必須考慮壩址選擇評(píng)價(jià)地質(zhì)基礎(chǔ)穩(wěn)定性、壩基及水庫(kù)蓄水條件與可能滲漏問題。以及基坑及隧洞排水問題, 建筑材料(特別是混凝土骨料性質(zhì)等)。對(duì)水庫(kù)誘發(fā)地震的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問題, 就選重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題。

早期三峽工程有兩個(gè)比較壩區(qū), 一是在碳酸 鹽巖壩區(qū), 另一個(gè)是火成巖壩區(qū)。以三峽碳酸鹽巖壩區(qū)南津關(guān)壩段壩線基坑排水的研究為例, 通過三維模擬以及水力學(xué)方法計(jì)算(盧耀如和王兆馨, 1966):

ΣQK—喀斯特通道漏水量(m3/s); Hi—i管道水實(shí)蓋(m); wi—巖溶通道截面, 對(duì)近于矩形斷面wi=ai·bi為高和寬(m), 對(duì)近于圓形斷面wi=Tdi2/4(di為直徑m); μi—i通道漏水量系數(shù); Ci—含集系數(shù); Li—巖溶通道長(zhǎng)度(m); Ri—水力半徑, 近矩形斷面R=bi/2, 對(duì)園形斷面Ri=di/4; g—重力加速度9.8 m/s2。

研究取得的效果作為評(píng)價(jià)壩址比較的依據(jù), 表明基坑涌水, 通過措施是可控可排的。

其他很多壩址與庫(kù)區(qū)工程環(huán)境問題的研究, 就不多論述。

1.3 區(qū)域性地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)方面

對(duì)三峽工程主要考慮三個(gè)方面問題。

1.3.1 誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害問題

地質(zhì)災(zāi)害包括地質(zhì)地震、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等。

關(guān)于地震方面, 主要考慮三種誘發(fā)地震問題: (1)荷載斷裂類型, 由水庫(kù)水-沙荷載, 破壞原有巖體穩(wěn)定性而誘發(fā)地震; (2)氣化爆裂類型, 由于滲流庫(kù)水在深處汽化、成壓縮氣團(tuán)而爆炸產(chǎn)生地震; (3)洞穴塌陷地震類型, 由于洞水浸泡, 使洞穴產(chǎn)生塌陷, 而有地震波發(fā)生。

例如: 當(dāng)庫(kù)水作用于某深處d產(chǎn)生的會(huì)應(yīng)力為бRd, 而產(chǎn)生高壓氣團(tuán)層的全壓力бa時(shí), 如果:

就可產(chǎn)生巖體的破裂, 而產(chǎn)生誘發(fā)地震。

壓縮氣團(tuán)壓力Pa為:

式中, (Rc·θa)dA—?dú)鈭F(tuán)體積變化函數(shù); ρo—原始密度; ρa(bǔ)—高壓氣團(tuán)密度; ρ=ρo時(shí), 所得Po為原始?jí)簭?qiáng); ρ=ρa(bǔ)時(shí), 所得Pa為高壓氣團(tuán)壓強(qiáng)。

相應(yīng)于水庫(kù)蓄水后的自然狀態(tài)下, 全應(yīng)力бRd,相應(yīng)的壓強(qiáng)為P0; 有了氣化作用形成高壓氣團(tuán)的全應(yīng)力為бa, 相應(yīng)壓強(qiáng)為Pa。而бRd與庫(kù)水及上面覆蓋的巖體有效重量密切相關(guān), 產(chǎn)生氣體條件下, 孔隙(及小裂隙)中的水壓力相應(yīng)減少而可不計(jì), 則:

式中: GE—上面覆蓋的可能破壞的巖土體重力; GK—庫(kù)水作用下可增加荷載重加, 所以:

產(chǎn)生氣爆地震時(shí), 震要使產(chǎn)生氣爆剪切的破壞力為:

式中, Fa—產(chǎn)生誘發(fā)地震破裂巖體的斷面面積; CK—破環(huán)巖體的凝聚力。

喀斯特地帶水庫(kù)誘發(fā)地震時(shí)巖體破壞與能量產(chǎn)生對(duì)照于表1。

表1 巖溶地區(qū)水庫(kù)誘發(fā)地震巖體破壞與能量對(duì)照表Table 1 The rock failure and energy comparison during reservoir induced earthquake in karst area

水庫(kù)誘發(fā)洞穴塌陷產(chǎn)生地震, 也可有多種因素。筆者也曾對(duì)比云貴地區(qū)和三峽地區(qū)誘發(fā)地震問題。一般而言, 水庫(kù)誘發(fā)地震震級(jí)多II—III級(jí), 個(gè)別達(dá)IV—Ⅵ級(jí)。

至于誘發(fā)滑坡、泥石流, 需特別注意庫(kù)水變動(dòng)情況下, 庫(kù)水消落快, 而高地下水位消落慢時(shí), 產(chǎn)生動(dòng)水壓力而增加產(chǎn)生滑坡、泥石流災(zāi)害; 在大暴雨的高強(qiáng)滲透水流作用下, 也易于誘發(fā)滑坡泥石流,以及喀斯特塌陷。

由于動(dòng)水壓力, 可降低巖體穩(wěn)定系數(shù)0.3～0.5,使原先穩(wěn)定的巖體, 安全系數(shù)大于1, 在動(dòng)水壓力作用下, 就使原來穩(wěn)定的巖體而成不穩(wěn)定巖體。

1.3.2 水環(huán)境變化—庫(kù)水變異

大水庫(kù), 應(yīng)當(dāng)考慮庫(kù)水常期蓄水后, 產(chǎn)生庫(kù)水的分層變異問題, 如表2所示(黃永堅(jiān), 1986; 盧耀如, 1999)。

表2 水庫(kù)庫(kù)水分層與其特性表Table 2 Stratified water of reservoir and its characteristics

庫(kù)水變異, 與庫(kù)水的流態(tài)及陽(yáng)光的作用密切相關(guān)。根據(jù)庫(kù)水和太陽(yáng)輻射熱交換的關(guān)系(Ridjanovic, 1976):

式中, H—庫(kù)水接受的太陽(yáng)輻射熱(J); Ф0— 一般太陽(yáng)輻射熱為x×106J/(m2·d); μ—隨深度衰減系數(shù)0.05 m-1; z—庫(kù)水深(mb); β—太陽(yáng)輻射熱變化系數(shù)0.4。

太陽(yáng)輻射熱影響最大深度可達(dá)20 m, 加上水位變幅達(dá)30 m, 則三峽水庫(kù)中于最高庫(kù)水位以下有55 m深范圍, 將受到太陽(yáng)熱輻射的影響, 而加速熱擴(kuò)散作用。

對(duì)于水庫(kù)主干長(zhǎng)達(dá)690 km的長(zhǎng)江三峽工程,庫(kù)區(qū)沿岸有一系列城鎮(zhèn)分布, 加之較大支流烏江和一系列小支流的匯入, 全年接納的未達(dá)標(biāo)總廢水量,按目前情況計(jì)可達(dá)30×108m3。宜昌水文斷面通過的多年平均年徑流量達(dá)4 390×108m3, 則廢水量占年徑流量的0.683％。雖然這比例不大, 但廢水量為水庫(kù)庫(kù)容393×108m3的7.63％。沒有進(jìn)行大量污水處理情況下, 長(zhǎng)江支流及沿岸城鎮(zhèn)將會(huì)構(gòu)成多個(gè)污染水集中源。所以污染對(duì)三峽工程水環(huán)境的影響還是非常重要的, 庫(kù)水中污染物的聚集, 主要有下列幾種途徑:

(1)各集中污染源的污染成分, 通過熱擴(kuò)散以及濃度擴(kuò)散向庫(kù)水的變溫層和平溫層運(yùn)移, 使在流動(dòng)交替緩慢的平溫層中聚集, 而成多個(gè)污染水團(tuán); 相鄰的污染水團(tuán), 又可相互緩慢擴(kuò)散, 而連成污染水帶層。

(2)污染物通過對(duì)泥沙的吸著依附而沉積于庫(kù)底, 并隨著底流的緩慢推移; 可于適宜地帶富集, 加上物理、化學(xué)、生物的作用, 可變成二次污染源。

這兩種的污染物的聚集都很重要。因此, 應(yīng)當(dāng)控制庫(kù)水的水質(zhì), 特別是庫(kù)水平溫層以下, 不能發(fā)生庫(kù)水的富營(yíng)養(yǎng)化, 使庫(kù)水變異惡化, 對(duì)可吸附污染物的泥沙的堆積與運(yùn)移, 也是應(yīng)當(dāng)設(shè)法予以控制。

長(zhǎng)江三峽工程存在著多個(gè)由支河入口、城鎮(zhèn)直接排入的污染源流。每個(gè)污染源流有其影響的河段,設(shè)n個(gè)污染源流, 則可劃分n個(gè)污染河段, 對(duì)于n河段的污染源流而言, 則有:

污染物質(zhì)離子是多項(xiàng)的, 重點(diǎn)為: pH、總硬度、Fe2+、Fe3+、酚、氰、汞、鉻、砷、等, 重要地點(diǎn), 可增加重金屬、有機(jī)質(zhì)等項(xiàng)目的測(cè)定。主要考慮超過國(guó)家規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)項(xiàng)目。沒有考慮污染物擴(kuò)散過程中的化學(xué)反應(yīng)及二次污染問題的情況下, 兩庫(kù)段間在I時(shí)段內(nèi)匯聚的污染溶質(zhì)(離子)量為:

多個(gè)污染團(tuán)的污染物質(zhì)(離子)T時(shí)段的匯聚總量為:

圖1 水庫(kù)污染狀況理論分析圖Fig. 1 Theoretical analysis of reservoir pollution conditioni, i+1, …, n-水庫(kù)庫(kù)段號(hào); A-庫(kù)水表層(吸溫層); B-庫(kù)水中層(變溫層); C-庫(kù)水深層(平溫層); D-庫(kù)水底層(混溫層)i, i+1, …, n-segment number of reservoir; A-surface layer of reservoir water (absorbing layer); B-middle layer of reservoir water (thermocline); C-deep layer of reservoir water (flat layer); D-bottom layer of reservoir water (mixed layer)

只要入庫(kù)的污水量不能全部排向下游, 而且蓄集的污水量不能在庫(kù)內(nèi)完全自凈衰減以至消失, 就有可能形成污染水團(tuán), 較多年份的蓄積結(jié)果, 就會(huì)連成嚴(yán)重的污染水帶, 當(dāng)有大量吸附著污染離子的庫(kù)底淤積物時(shí), 又會(huì)提供二次污染源。水庫(kù)污染的理論分析如圖1所示。

水庫(kù)地表水體污染, 也容易引起庫(kù)邊地帶地下水由于污染的庫(kù)水的灌入, 而造成污染帶。圖2表示喀斯特庫(kù)段庫(kù)水對(duì)地下水造成污染的情況。

庫(kù)水變化范圍內(nèi)的庫(kù)岸, 易于沿著早期高處巖溶通道產(chǎn)生污染水體的壓力擴(kuò)散、溫度擴(kuò)散及濃度擴(kuò)散, 如圖2所示。水庫(kù)及庫(kù)岸的水環(huán)境污染, 就會(huì)影響到地區(qū)生態(tài)狀況, 造成地質(zhì)環(huán)境變化, 首先影響到飲用水資源, 以及生物的質(zhì)量。

圖2 庫(kù)水對(duì)巖溶地下水產(chǎn)生污染分析示意圖Fig. 2 Sketch map of karstic ground water polluted by reservoir water

1.3.3 水庫(kù)沉積與下游沖刷問題

三峽最低庫(kù)水位145 m, 最高蓄水175 m, 有30 m水位差, 涉及221×108m3防洪庫(kù)容, 建壩前每年沉積2.75×108m3, 泥沙庫(kù)區(qū)沉積只需30多年就可達(dá)80×108m3, 這樣不到100年就使三峽水庫(kù)失效。因?yàn)槟嗌秤俜e庫(kù)容不能超過蓄洪庫(kù)容的一半容積。所以, 當(dāng)時(shí)提出興建上游全沙江等水利植紐與發(fā)展防護(hù)林, 減少泥沙沖刷不泄。

水庫(kù)蓄水后, 下泄的清水會(huì)對(duì)下游庫(kù)岸產(chǎn)生沖刷, 葛洲壩徑流電站的修建, 就使下游出現(xiàn)這現(xiàn)象。所以, 相應(yīng)加固下游河道邊坡保護(hù), 也是需要的。

1.3.4 綜合地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境評(píng)判

重點(diǎn)考慮: ①旱澇災(zāi)害頻率; ②荒漠化(及石漠化)危險(xiǎn)程度; ③庫(kù)水變異率; ④地震誘發(fā)強(qiáng)度; ⑤巖土保穩(wěn)定性(包括滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害); ⑥喀斯特塌陷規(guī)模。

喀斯特地區(qū)地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境演化趨勢(shì), 分4級(jí)類型。長(zhǎng)江三峽工程涉及的不僅僅是一個(gè)水庫(kù)的自身影響問題, 也涉及到一系列有關(guān)生物礦產(chǎn)等資源開發(fā)問題, 影響的面也是較廣泛的, 產(chǎn)生地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境效應(yīng)也是多方面的。上述的有關(guān)內(nèi)容, 基本上都會(huì)涉及到。上述6個(gè)要素都可劃分出不同的演化狀況, 列于表3, 以作劃分地質(zhì)生態(tài)環(huán)境4個(gè)演化類型的依據(jù)。

表3 巖溶地區(qū)地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境演化趨勢(shì)類型Table 3 The evolution trend type of geological-ecological environment in karst area

長(zhǎng)江三峽水利樞紐: 生態(tài)環(huán)境效應(yīng)可概括于表4。當(dāng)然, 表中所列的是主要的地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及所導(dǎo)致的有關(guān)重要問題, 這些效應(yīng)可以向優(yōu)化方向發(fā)展, 也可以向惡化方向演化。人工興建的大型水利水電樞紐, 在收取最大效益的前提下, 也更應(yīng)當(dāng)進(jìn)行多方面的努力, 以控制地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境的工程效應(yīng)。最低限度應(yīng)當(dāng)不致產(chǎn)生嚴(yán)重的不良環(huán)境效應(yīng)。所以, 大型水利水電工程或其他大型工程, 對(duì)環(huán)境產(chǎn)生好或壞的效應(yīng), 是應(yīng)當(dāng)很好研究其兩重性,在此基礎(chǔ)上, 就得有決心正確面對(duì), 而采納正確的人工防治的措施。

1.4 黃河晉峽谷水庫(kù)環(huán)境效益問題

在黃河晉峽谷上喀斯特地段首先修建了天橋水庫(kù), 而后在其上段興建了大型萬(wàn)家寨水利樞紐,對(duì)于工程而言需考慮問題主要如下。

1.4.1 壩基水壓?jiǎn)栴}

黃河晉峽谷建壩前水動(dòng)力條件分析如圖3所示(盧耀如, 1999), 河床有承壓水存在, 對(duì)樞紐會(huì)產(chǎn)生大的揚(yáng)壓力, 影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。建壩前天橋壩址地下水(碳酸鹽巖基巖與河床第四紀(jì))等水位線如圖3所示。奧陶系碳酸鹽巖頂部有揚(yáng)壓力時(shí), 黃河天橋壩址基礎(chǔ)揚(yáng)壓力等值線, 如圖4所示。

表4 長(zhǎng)江三峽樞紐主要地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境效應(yīng)簡(jiǎn)表Table 4 Main geological-ecological environment effect of Three Gorges Dam

圖3 黃河天橋壩址建壩前水動(dòng)力條件(橫切河床下斷面)分析圖Fig. 3 Analysis map of hydrodynamic condition of Tianqiao section of Yellow River dam site before building the dam (crosscutting the lower profile of riverbed)

圖4 黃河天橋壩基奧陶系(O2)頂部承壓水等值線圖(水頭高程為m)Fig. 4 Confined groundwater contour map on the top Ordovician of Tianqiao section of Yellow River dam foundation (waterhead height: m)

圖5 黃河天橋壩基水動(dòng)力條件分析圖Fig. 5 Analysis map of hydrodynamic condition of Tianqiao section of Yellow River dam foundation

應(yīng)當(dāng)著重考慮水和泥沙推力P為:

式中, P—水和泥沙總壓力(Pa); h—庫(kù)水深(m); γ0—水的容重(kg/m3); hH—泥砂沉積厚度(m); γH—hH表示沉積泥砂及孔隙中水綜合容重(kg/m3)。

式中, δ—沉積泥砂的實(shí)際容重(kg/m3); n—沉積泥砂的孔隙率(％), 揚(yáng)壓力(浮托力)數(shù)值為:

式中, B—揚(yáng)壓力(N); H—庫(kù)水位(m); H2—下游水位(m); b—壩底單寬面積(m2); a—滲透壓力減少系數(shù)。

水工設(shè)計(jì)上, 常以作圖法求浮托力。對(duì)喀斯特化地區(qū), 揚(yáng)壓力的計(jì)算以壩基動(dòng)水壓力為基數(shù), 或者就以壩下滲透水頭值對(duì)壩基建筑物底部產(chǎn)生的動(dòng)水壓力為基數(shù)而計(jì)算, 如圖5。

天橋樞紐的下游水位以817 m高程計(jì), 從滲流網(wǎng)上可分析, 壩基下不同i部分承受的滲流水頭值將是826～817 m, 相應(yīng)揚(yáng)壓力也可表達(dá)為:

式中, Hi—i部位的滲流水頭值, 居于826～817 m。

揚(yáng)壓力也是一個(gè)對(duì)穩(wěn)定性有重要影響的因素。據(jù)之, 才可進(jìn)一步計(jì)量其壩基與壩體的穩(wěn)定性。所以, 掌握蓄水前自然狀態(tài)下水動(dòng)力條件, 再研究庫(kù)水后的水動(dòng)力條件變化, 才能正確采取防治措施,以保障大壩穩(wěn)定性。

1.4.2 喀斯特庫(kù)區(qū)修漏問題

黃河晉峽谷上段修建萬(wàn)家寨水庫(kù), 這一河段黃河水與當(dāng)喀斯特地下水的水動(dòng)力關(guān)系是非常復(fù)雜的,如圖6。

在天然狀態(tài)下, 頭道拐至河曲間枯水期時(shí)最大漏失量達(dá)14％; 在頭道拐至萬(wàn)家寨間, 枯水期差異大的可達(dá)10.2％。而在汛期, 頭道拐至河曲間的漏失量也可達(dá)11.7％。

兩岸支溝地表水向地下滲漏情況也是很嚴(yán)重的。例如水利部門對(duì)黑岱溝進(jìn)行測(cè)流, 漏失量達(dá)0.369～4.387 L/s(不是雨季洪水時(shí)流量), 占上游徑流量的8.48％～93.37％。

通過計(jì)算, 并對(duì)比國(guó)內(nèi)建立水庫(kù)發(fā)生滲漏情況和不存在滲情況的貴州和廣西水庫(kù)江座, 進(jìn)行綜合對(duì)對(duì)比, 強(qiáng)調(diào)認(rèn)為: 如萬(wàn)家寨水庫(kù)的石岸不進(jìn)行防滲處理, 其滲漏量可達(dá)20 m3/s以上。這科學(xué)論斷, 已在出版的專著中進(jìn)行論述(盧耀如, 1999)。后來, 水庫(kù)急著上馬開工, 沒有進(jìn)行防滲處理。容水后, 在20世紀(jì)末21世紀(jì)初, 卻是發(fā)生大量滲漏, 與我預(yù)測(cè)相近, 而且是由滲漏沖刷管涌, 而不斷加大滲漏量。

當(dāng)然, 在我論著中也提了, 滲漏少量水流, 可補(bǔ)給右岸陜西的地下水, 從興建萬(wàn)家寨水庫(kù)日的而言(盧耀如, 1999), 主要為引水入晉, 甚至有人強(qiáng)烈要求引貴入京, 成“天運(yùn)河”。這工程例子和許多巖溶地區(qū)修建水庫(kù)例子一樣, 重視地質(zhì)科學(xué), 特別是做好水、工、環(huán)地質(zhì)工作, 就會(huì)為工程提出科學(xué)的保障條件。

圖6 黃河晉峽谷北段地表水與地下水補(bǔ)排關(guān)系圖Fig. 6 The recharge-discharge relationship between surface water and groundwater in northern section of Shanxi-Shaanxi Canyon reach of Yellow River

圖7 通過硫酸鹽巖基礎(chǔ)的橋梁示意圖Fig. 7 Sketch of the bridge to pass the gypsum foundationA-橋墩基礎(chǔ)放在非硫酸鹽巖巖體內(nèi); B-橋墩基礎(chǔ)樁基落在下部巖溶不發(fā)育的硫酸鹽巖內(nèi)A-pier foundation put at non-sulfate rock body; B-pier foundation put at sulfate rock with karst undeveloped at the bottom

表5 脫氮硫桿菌生化作用簡(jiǎn)表Table 5 Abridged table of thiobacillus denitrificans biochemical action

表6 硫酸鹽巖脫氮硫桿菌作用強(qiáng)度Table 6 Intensity related to the processes of Th. Denitrificans in sulfate rocks

1.5 硫酸鹽喀斯特地區(qū)工程效應(yīng)

硫酸鹽巖石膏、芒硝等, 是水可直接溶解的可溶巖, 其喀斯特作用過程有其特殊性, 不需要供給CO2溶劑作用(Cooper, 1989, 1995, 1996, 2002; 張鳳娥和盧耀如, 2001; 盧耀如和張鳳娥, 2007)。重點(diǎn)從兩方面考慮:

(1)微生物作用機(jī)理

草木植物、喬木以及各種蕨類生物, 都對(duì)碳酸鹽巖及硫酸鹽巖的巖溶發(fā)育有密切影響, 而對(duì)易溶巖硫酸鹽巖而言, 微生物巖溶作用不可忽視, 我們探索了硫酸鹽還原菌(Desulfovibrio)、排硫桿菌(Th.thioparus)和脫氮硫桿菌(Th. denitrificans)的生物巖溶作用, 下面只列脫氮硫桿菌生化反應(yīng)試驗(yàn)簡(jiǎn)要成果。

在喀斯特發(fā)育區(qū)也發(fā)現(xiàn)有還原硝酸鹽的脫氮硫桿菌。評(píng)價(jià)其作用強(qiáng)度采用由該菌活動(dòng)還原硝酸鹽而生成(亞硝酸鹽)的數(shù)量, 生成的量越大, 說明該菌活動(dòng)愈強(qiáng), 如表5所示; 硫酸鹽巖脫氮硫桿菌作用, 見表6。在研究的11組試樣中, 有6組存在脫氮硫桿菌的活動(dòng), 但強(qiáng)度較弱,所生成的為0.48 mg/L、2.0 mg/L, 而無(wú)菌對(duì)照樣小于0.4 mg/L(張鳳娥等, 2003; 盧耀如和張鳳娥, 2007)。

研究了3種微生物在不同研究區(qū)的水-巖-微生物系統(tǒng)中的作用強(qiáng)度的變化狀況, 說明在硫酸鹽巖分布的水-巖系統(tǒng)中, 所構(gòu)成的環(huán)境多數(shù)適于上列3種微生物的繁殖與發(fā)育。這些微生物在水-硫酸鹽巖中進(jìn)行著積極的代謝活動(dòng), 參與了硫、硫酸鹽及硝酸鹽的轉(zhuǎn)化過程, 從而加速了石膏的溶蝕及次生碳酸鈣的形成。這樣, 構(gòu)成了硫酸鹽巖-水-微生物作用的巖溶系統(tǒng)。

據(jù)研究, 硫化物及硫酸鹽的化學(xué)氧化與還原作用相當(dāng)緩慢, 而微生物的轉(zhuǎn)化作用十分迅速, 可高出數(shù)倍至數(shù)十倍(閻葆瑞, 1994, 2001)。化學(xué)作用與微生物的轉(zhuǎn)化作用相比是不重要的。我們一些實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了這一結(jié)論, 微生物對(duì)硫酸鹽的轉(zhuǎn)化起著破壞及消耗其組織結(jié)構(gòu)的重要作用, 其結(jié)果也促使水-硫酸鹽巖的喀斯特作用加強(qiáng)。

在硫酸鹽巖喀斯特發(fā)育中, 受溫度的影響, 及溫差效應(yīng)更為明顯。

(2)硫酸鹽地區(qū)工程效應(yīng)

這方面更為突出, 修建水庫(kù)會(huì)發(fā)生大量滲漏,及基礎(chǔ)塌陷, 引起大壩等建筑破壞。硫酸鹽巖基礎(chǔ)處理, 可有充填法、架橋法、鋪設(shè)道路高強(qiáng)度塑料板、可調(diào)節(jié)的鐵路供電桿等。其中, 我們提出, 架設(shè)平橋梁法, 即建設(shè)中可廣泛采用此法, 以保證硫酸鹽巖基礎(chǔ)穩(wěn)定性, 主要是多用鋼鐵, 平橋樁基要進(jìn)入深處好地層(圖7)上。對(duì)凍土層地區(qū), 以及軟土分布地帶, 也可采用該方法。

圖8 隧道碳酸鹽巖對(duì)當(dāng)?shù)乜傃a(bǔ)排條件適宜性判別參考框圖Fig. 8 Reference block diagram of the suitability of the tunnel carbonate rocks to the local total supplementary drainage condition

2 地下空間開拓方面工程效應(yīng)

目前, 我國(guó)許多城市在發(fā)展地鐵交通網(wǎng)絡(luò), 而中、長(zhǎng)途高鐵建設(shè)已達(dá)1.9萬(wàn)km, 其中不少長(zhǎng)度在10 km以上的已建隧道, 還有大型地下電站、地下倉(cāng)庫(kù)等等已成功修建。更多以縱橫交錯(cuò)礦山坑道系統(tǒng), 也都是屬于地下空間開拓之類。而相應(yīng)出現(xiàn)問題, 如: 地下空間開拓后, 誘發(fā)突水、突泥以及有害氣體侵入、爆炸, 和高地應(yīng)力產(chǎn)生巖爆等災(zāi)害, 洞壁洞頂塌落也常見, 也涉及誘發(fā)地面沉降、塌陷、地裂縫、滑坡、泥石流災(zāi)害。地下空間開拓中, 通道本身和誘發(fā)地表建筑物的破壞以及造成人身傷亡等災(zāi)害, 是不可忽視的嚴(yán)重地質(zhì)環(huán)境為背景的問題。

2.1 地下空間開拓突水突泥災(zāi)害判斷

地下空間開拓中, 首先應(yīng)當(dāng)研究當(dāng)?shù)丶皡^(qū)域性喀斯特發(fā)育規(guī)律, 進(jìn)而探索有關(guān)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)、條件。首先應(yīng)當(dāng)在地層、構(gòu)造的基礎(chǔ)上, 掌握當(dāng)?shù)乜λ固厮a(bǔ)排條件, 進(jìn)而研究判斷當(dāng)?shù)乜λ固厮倪\(yùn)動(dòng)特性, 以及有關(guān)喀斯特道發(fā)育適宜性與可能性,進(jìn)而作出區(qū)域性喀斯特水動(dòng)力條件適宜判別, 以及有關(guān)喀斯特水運(yùn)動(dòng)循環(huán)系統(tǒng)適宜性判別, 以作判定突水突泥的重要依據(jù)。

作出隧道(洞)通過地帶喀斯特水活躍度的評(píng)判是很重要的, 但是這必須在評(píng)判補(bǔ)排條件后, 再進(jìn)行有關(guān)喀斯特運(yùn)動(dòng)適宜性評(píng)判。然后再轉(zhuǎn)入隧道第n段碳酸鹽巖對(duì)當(dāng)?shù)乜傃a(bǔ)排條件的適宣性判斷, 參考圖8。有關(guān)喀斯特水適宜性評(píng)判, 可參考表7。

表7 隧道碳酸鹽巖對(duì)有關(guān)喀斯特水運(yùn)動(dòng)的適宜性判別參考表Table 7 Reference table for the suitability of the tunnel carbonate rocks to the karst water movement

表8 碳酸鹽巖中隧道通過地帶喀斯特水活躍度判別參考表Table 8 Reference table for the water activity of the tunnel in the carbonate rock through the karst zone

以多項(xiàng)從屬而判定。

隧道中第n段碳酸鹽巖對(duì)區(qū)域喀斯特水運(yùn)動(dòng)力條件適宜性評(píng)判也可參考表7。

隧道碳酸鹽巖有關(guān)地帶喀斯特水活躍度與危害性, 可根據(jù)表8進(jìn)行隧道中喀斯特水活躍度的評(píng)判。

根據(jù)多項(xiàng)所屬而判定其類別, 是屬于強(qiáng)巖溶水活躍度, 還是屬于弱巖溶水活躍度, 或無(wú)巖溶水活躍度。此外, 也可應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)進(jìn)行評(píng)判, 即: ·

根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r, 可加大某些項(xiàng)的權(quán)值, 其評(píng)價(jià)集為VKWA=(強(qiáng)喀斯特水活躍度, 弱喀斯特水活躍度)。判定后, 轉(zhuǎn)入?yún)^(qū)域性巖溶水動(dòng)力條件活躍危害性情況如何, 可據(jù)上列評(píng)判結(jié)果, 結(jié)合區(qū)域性喀斯特水動(dòng)力條件的評(píng)判情況, 可進(jìn)一步作出區(qū)域性巖溶水動(dòng)力條件活躍危害性的判斷。

參看圖9, 可判斷: (1)由積極活躍循環(huán)的喀斯特水引起對(duì)隧道災(zāi)害的喀斯特水動(dòng)力條件; (2)不活躍循環(huán)或封閉停滯喀斯特水引起對(duì)隧道災(zāi)害的喀斯特水的動(dòng)力條件; (3)無(wú)活躍與封閉喀斯特水對(duì)隧道產(chǎn)生災(zāi)害的裂隙性喀斯特水動(dòng)力條件。

圖9 區(qū)域性喀斯特水動(dòng)力條件活躍危害性判別參考框圖Fig. 9 Reference block diagram of regional karst water power condition activity hazard identification

隧道中碳酸鹽巖內(nèi)喀斯特水危害性系數(shù)組的確定。

分別計(jì)算各段碳酸鹽巖的長(zhǎng)度LCRi, 及具二種危害性和基本無(wú)危害性的長(zhǎng)度, 即LAWD,

危害性質(zhì)系數(shù):

DWD＞2, 全隧道中以活躍性巖溶水危害為主;

DWD＜0.5, 全隧中以封閉性巖溶水危害為主;

DWD=0.5～2, 全隧道中活躍性與封閉性巖溶水危害并重。

危害程度系數(shù):

RND＞2, 全隧道喀斯特水輕度危害;

RND=10～50, 全隧道喀斯特水中度危害;

RND=0.5～2, 全隧道喀斯特水重度危害;

RND＜1, 全隧道喀斯特水極度危害。

判定后轉(zhuǎn)入喀斯特水危害性與喀斯特類型間關(guān)連系數(shù):

RAWD表示與活躍性喀斯特水危害有關(guān)系數(shù)(％);

RCWD表示與封閉性喀斯特水危害有關(guān)系數(shù)(％);

一定喀斯特類型地區(qū), 全隧中應(yīng)當(dāng)RAWD+RCWD=100％, 但不同喀斯特類型地區(qū), 按不同的水動(dòng)力情況, 相應(yīng)的RAWD和RCWD值都是不同的。在表9中提供參考值。

表9 喀斯特類型與巖溶水危害性(對(duì)隧道)關(guān)連系數(shù)參考表Table 9 Reference table of correlation coefficient of karst type and karst water hazard (to tunnel)

這方面的關(guān)連系數(shù)只是一個(gè)參考值, 采取后轉(zhuǎn)入。

喀斯特水流態(tài)與喀斯特水危害方式相關(guān)性, 可用以分析隧道中喀斯特水初始危害狀態(tài)可分為三種:

(1)大通道大流量突水危害狀態(tài)(DGK);

(2)小通道多股流量匯聚危害狀態(tài)(DCK);

(3)小通道小流量滲流危害狀態(tài)(DLK)。

根據(jù), 前面分析, 喀斯特水流態(tài)有: 分流狀(WS), 散流狀(DS), 異流狀(D1), 差流狀(DR), 匯流狀(CT), 聚流狀(Cl), 深流狀(DF), 滯流狀(SF)。有關(guān)喀斯特水流態(tài)(水動(dòng)力條件)類型(盧耀如, 1962, 1999), 隧道地帶喀斯特水活躍度及喀斯特水初始危害狀態(tài)三者關(guān)系, 參看圖10。

圖10 隧道中碳酸鹽巖中喀斯特水初始危害狀態(tài)判別參考圖Fig. 10 Reference map of initial hazard state of karst water in carbonate rock in tunnel

圖11 喀斯特水動(dòng)力條件活躍-危害性分類關(guān)系參考圖Fig. 11 Reference map of karst hydrodynamic condition active hazard classification relationship

當(dāng)然, 初始小通道滲流危害, 也可逐漸發(fā)展與誘發(fā)大股水流危害, 判定后轉(zhuǎn)入下面。

隧道中喀斯特水危害定性類型。

隧道喀斯特水動(dòng)力條件活躍-危害性分類: 可參考圖11進(jìn)行喀斯特水動(dòng)力條件活躍-危害性分類。

表10 隧道喀斯特水危害定性類型判斷參考表Table 10 Reference table of qualitative analysis of water hazards in tunnels karst

對(duì)隧道中各段碳酸鹽巖可分別判斷, 以判定上述四種類型中的一種。

在進(jìn)行水動(dòng)力條件活躍-危害性分類評(píng)判后,就可用作隧道水危害的定性類型的評(píng)判。

以上著重從多方面因素評(píng)斷有關(guān)隧道喀斯特突水、潰水的定性危害(表10)。真實(shí)資料愈多時(shí), 這種定性評(píng)判會(huì)愈接近實(shí)際。反之, 無(wú)更多資料為依據(jù), 而提供的人機(jī)對(duì)話時(shí)回答的情況與參數(shù), 就會(huì)降低評(píng)判價(jià)值。

喀斯特發(fā)育機(jī)理能有較詳盡的調(diào)查, 這方面的定性評(píng)判, 就會(huì)得到相應(yīng)分析判斷, 而作出相應(yīng)的定量、半定量評(píng)判。

2.2 六個(gè)超前探測(cè)則的重要性

長(zhǎng)的隧道, 多數(shù)是埋藏在數(shù)百米至千米以上的地下, 通過進(jìn)行勘測(cè)的鉆探、洞探與物探工作量有限。因此, 雖然做出了上列評(píng)判, 但在實(shí)施工程中,仍需有六個(gè)超前工作。這六個(gè)超前做好了, 就能夠更好對(duì)隧道中可能產(chǎn)生突水突泥災(zāi)害予以超前治理,而大大地減少損失。進(jìn)行六個(gè)超前工作, 能有上述的系列評(píng)判, 會(huì)為六個(gè)超前提供重要的依據(jù)。六個(gè)超前是:

(1)超前研究地質(zhì)條件, 在施工前就要很好分析研究有關(guān)地質(zhì)條件;

(2)超前分析主要地質(zhì)效應(yīng)問題(如上面論述的評(píng)判, 更密切地與掘進(jìn)部位相耦合), 包括對(duì)施工可能產(chǎn)生的危害, 開鑿后會(huì)發(fā)生重要災(zāi)害問題, 并有初步預(yù)案;

(3)超前準(zhǔn)備需采用措施及準(zhǔn)備有關(guān)器材; 分析有問題地段, 就要準(zhǔn)備好, 可能采取的處理控制措施, 一切所需要的設(shè)備材料;

(4)超前探測(cè), 利用長(zhǎng)鉆(小角度)鉆進(jìn)、物探電法、地震法、地質(zhì)雷達(dá)等、測(cè)試掌子門附近水氣性質(zhì), 以證實(shí)在將要爆破、據(jù)進(jìn)的撐子面前幾十米的地質(zhì)概況, 有無(wú)嚴(yán)重水、氣(危害存在);

(5)超前進(jìn)行不良現(xiàn)象的處理措施; 判斷如果爆破后, 會(huì)大量突水突泥、氣爆, 會(huì)造成嚴(yán)重的后果, 就應(yīng)當(dāng)采取預(yù)先處理, 如高壓灌漿、支洞排水、孔群排水排氣減壓、加大隧道內(nèi)通風(fēng)、排水氣、加強(qiáng)隧道壁的支撐保護(hù)等手段;

(6)超前建立避難所: 預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生不良效果,在隧道掘進(jìn)中, 就要在離撐子面一定距離建安全避難所, 內(nèi)有水食物, 這避難所隨著隧道掘進(jìn)而向前移動(dòng), 危險(xiǎn)地段, 施工人員可先進(jìn)避難所, 以遙控爆破, 避免高壓水氣對(duì)人員危害。

3 生態(tài)城鎮(zhèn)群建設(shè)的發(fā)展工程效應(yīng)

我國(guó)城市化率已達(dá)54％以上, 但真正按城市永久居住人口而言, 只有35％多, 新型的生態(tài)城鎮(zhèn)群建設(shè)正迅速發(fā)展。

城鎮(zhèn)群建設(shè), 應(yīng)當(dāng)有五級(jí)(盧耀如, 2003, 2015), V級(jí)是首都及大都市如北京、上海、廣州、天津、深圳, 起重要引領(lǐng)支撐作用, IV級(jí)是各省(自治區(qū))省會(huì)及少數(shù)相應(yīng)城市, III級(jí)是州市級(jí)在地區(qū)性區(qū)域上為骨干, II級(jí)城鎮(zhèn)是縣市級(jí), 主要應(yīng)是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、地方工業(yè)的中心, I級(jí)城鎮(zhèn), 是新發(fā)展5～20萬(wàn)人, 可以是尖端工農(nóng)業(yè)及有特色當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)以及旅游業(yè)中心(盧耀如, 2003)。I、II級(jí)城鎮(zhèn)應(yīng)是建設(shè)生態(tài)城鎮(zhèn)群的重要基礎(chǔ)與前提。

各級(jí)城鎮(zhèn)不是單獨(dú)存在, 可以有不同級(jí)城鎮(zhèn)相結(jié)合, 而成城鎮(zhèn)群。

3.1 城鎮(zhèn)群共同體的兩個(gè)主要內(nèi)涵

城鎮(zhèn)群結(jié)合成一共同體, 首先應(yīng)當(dāng)在資源開發(fā)上, 能高效、節(jié)約地開發(fā)利用各種資源, 這些資源主要是土地資源、水資源、能源、礦產(chǎn)資源、生物資源。其二是有效防治與減輕自然災(zāi)害(盧耀如等, 2010), 這些自然災(zāi)害主要包括: 地質(zhì)災(zāi)害、氣象災(zāi)害及生物災(zāi)害。這五級(jí)城鎮(zhèn)不是都一樣的高樓、一樣的人口擁擠、交通堵塞和共同加劇污染。相反地,通過I、II級(jí)新型生態(tài)城鎮(zhèn)群發(fā)展, 減少農(nóng)村剩余勞動(dòng)力都涌向大城市打工。I、II級(jí)城鎮(zhèn)發(fā)展其新興產(chǎn)業(yè), 定是實(shí)現(xiàn)中華振興夢(mèng)想的關(guān)鍵措施。

例如: 北京市, 不能只是大市區(qū)單獨(dú)考慮, 而且應(yīng)當(dāng)和所轄縣市、鄉(xiāng)鎮(zhèn), 統(tǒng)一考慮規(guī)劃有關(guān)資源綜合開發(fā)與災(zāi)害共同防治的問題, 以及產(chǎn)業(yè)調(diào)整,發(fā)展與再布局的問題。

3.2 開發(fā)及防災(zāi)中的和諧配合方面

這需要由地質(zhì)環(huán)境與條件上, 重點(diǎn)研究考慮這幾個(gè)問題: (1)水-土資源的合理配置, 而不能孤立只考慮一種需求; (2)應(yīng)當(dāng)很好研究六水共同開發(fā)利用,這六水是雨水、地表河水、湖水、地下水、人工大水體(水庫(kù)等)、海水(不是沿海地區(qū), 也應(yīng)考慮地質(zhì)歷史上海陸變遷的古海水留存與影響)。六災(zāi)共治是:洪災(zāi)、澇災(zāi)、旱災(zāi)、地質(zhì)災(zāi)害、污染、風(fēng)暴潮, 特別是風(fēng)暴潮-暴雨-地質(zhì)災(zāi)害鏈的防治, 這五級(jí)城鎮(zhèn)群是命運(yùn)相關(guān), 難以分割的。

這是第二層次問題。

3.3 發(fā)展與工程建設(shè)的綜合環(huán)境效應(yīng)

各種開發(fā)與發(fā)展都需要進(jìn)行工程建設(shè), 也必然會(huì)對(duì)地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生效應(yīng), 例如, 高層建筑、抽取地下水、地下空間開拓, 三者都會(huì)綜合影響到地面沉降、地面塌陷。大型水利措施, 包括蓄水對(duì)生物的生活的環(huán)境與生存條件的影響, 例如水庫(kù)使地下水的壅高, 就會(huì)使植物根系常為地下水浸泡而腐爛,使植物大樹、果樹死亡, 以及增大水動(dòng)力作用, 加劇與誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展(包括工業(yè)污染與農(nóng)業(yè)面源污染)。

這是綜合效應(yīng)的第三層問題。

3.4 建設(shè)城鎮(zhèn)生態(tài)-農(nóng)業(yè)、生態(tài)-工業(yè)、生態(tài)-園林與生態(tài)-交通

這方面主要體現(xiàn)在大氣、水體與土壤污染得到治理, 并控制在極低無(wú)害水平, 生態(tài)工業(yè), 不污染大氣; 主要是綠色低碳、無(wú)碳能源的使用, 排放的不良CO2、SO2等得到治理控制, 生態(tài)農(nóng)業(yè)表現(xiàn)在主要是使用綠色肥料、有機(jī)肥、少用或不用化肥、農(nóng)藥, 而生產(chǎn)的是綠色與有機(jī)食品, 保證食品的安全。綠色交通, 體現(xiàn)在多級(jí)別的鐵路、公路以及輪船、飛機(jī)等交通網(wǎng)的密切配合, 減少及不用燃煤能源, 這方面還要客流和物流都能有完善無(wú)污染的運(yùn)輸系統(tǒng), 節(jié)能減排以至不排放有害物質(zhì), 應(yīng)當(dāng)是首位的, 勝過對(duì)速度的要求。

城市有生態(tài)園林, 增加城市的肺呼吸, 對(duì)城市的生態(tài)性也是有重要的保障, 相應(yīng)地, 也應(yīng)開展有關(guān)生態(tài)旅游業(yè), 這方面是第四層次問題。

3.5 城鎮(zhèn)群發(fā)展應(yīng)當(dāng)保障生態(tài)環(huán)境安全與可持續(xù)發(fā)展

這是城鎮(zhèn)群發(fā)展的最高五層內(nèi)涵, 不從地質(zhì)環(huán)境上保障城鎮(zhèn)群的地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境安全, 那城市仍隱存著危期和大災(zāi)難危險(xiǎn), 對(duì)人民的生態(tài)財(cái)產(chǎn)也是沒有保障的。能夠保障城鎮(zhèn)群整體地質(zhì)-生態(tài)-環(huán)境的安全, 這樣的城鎮(zhèn)群, 才是可持續(xù)發(fā)展的, 也是人們所喜歡居住的。城鎮(zhèn)群的目前地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境,還需要認(rèn)真探索未來的演化以及其今后發(fā)展的效應(yīng)(Lu and Duan, 1997; Lu et al., 1997)。

所謂宜居城市, 所謂幸福城市, 不能保障地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境安全, 不能可持續(xù)發(fā)展, 那就是不合基本的要求。

圖12 生態(tài)城鎮(zhèn)群發(fā)展的理念圖Fig. 12 The concept of ecological city cluster development

因此, 水文地質(zhì)、工程地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)的工作,要更多直接面對(duì)國(guó)家的發(fā)展、建設(shè), 對(duì)各種不同級(jí)別的城鎮(zhèn)群的發(fā)展, 提出上列幾個(gè)層次方面的有關(guān)決策的依據(jù)。

目前, 我國(guó)城鎮(zhèn)群發(fā)展的一個(gè)通病是:

(1)輕視地質(zhì)工作是各種規(guī)劃建設(shè)的前期直到后期運(yùn)用中的重要前提與依據(jù);

(2)各種城鎮(zhèn)群, 都在不斷求發(fā)展擴(kuò)大, II級(jí)大城市還多是夢(mèng)系在多有大項(xiàng)目列上, GDP更往上冒,而當(dāng)前最主要的還是要注意瘦身、調(diào)整落后產(chǎn)業(yè),以創(chuàng)新發(fā)展高尖端新產(chǎn)業(yè)。

(3)求洋求大, 損失地區(qū)特點(diǎn), 沒有考慮地質(zhì)地理環(huán)境與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的風(fēng)格, 濱海城市和大江旁城市,平原城市與山區(qū)城市, 北方干旱草原城市與南方多雨城市, 基本上都漸趨一樣, 一樣的高樓、一樣的灰色混凝土、一樣的寬?cǎi)R路、一樣的大商廈、一樣的飲食業(yè)、一樣的污染源, 有關(guān)生態(tài)城鎮(zhèn)群的發(fā)展的基本概念, 表示于圖12。

在紀(jì)念中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院及其水文地質(zhì)環(huán)境研究所成立六十周年之際, 關(guān)于水文、工程與環(huán)境地質(zhì)的六十年的發(fā)展情況及有關(guān)建議, 已另寫一文,這篇文章特別對(duì)水工環(huán)地質(zhì)工作在巖溶地區(qū), 今后應(yīng)更好地為國(guó)家及地方發(fā)展與工程建設(shè)服務(wù), 積極從地質(zhì)基礎(chǔ)、巖溶發(fā)展規(guī)律, 以及有關(guān)地質(zhì)環(huán)境上,探索研究有關(guān)工程建設(shè)與綜合發(fā)展的效應(yīng)問題, 以為保障當(dāng)?shù)嘏c國(guó)家的地質(zhì)-生態(tài)環(huán)境安全與可持續(xù)發(fā)展, 起到積極的作用。

Acknowledgements:

This study was supported by National Program on Key Basic Research Project (973 Program) (No. 2013CB036001) and National Natural Science Foundation of China (No. 41302220).

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Karst Development Mechanism and Research Directions of Developing Engineering Construction Effect

LU Yao-ru
Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061

Karst is widely distributed in China and has a close relation with economic development, engineering construction and people′s daily lives. The study of karst development law and the investigation of its effect on developing engineering construction are very important research directions. Based on several decades of research, the author discussed the research directions in the following aspects: (1) Geological environmental effect research on regional comprehensive construction, including regional development pattern of karst and assessment of the Yangtze River, Yellow River; (2) Underground spatial development, including undesirable effects of urban subway, high-speed rail underground big-space building, mining, judging perniciousness using comprehensive research, such as karst hydrogeology, and six measures in advance during the tunnel construction. (3) Problems of several levels in the development of town groups and ecological connotation. With practical examples, the author emphasized the important role of hydrogeology, engineering geology and environmental geology in realizing China’s power dream.

karst; law; engineering development; effect assessment

P93.5; P694

A

10.3975/cagsb.2016.04.04

本文由國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(編號(hào): 2013CB036001)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào): 41302220)聯(lián)合資助。

2016-06-08; 改回日期: 2016-07-15。責(zé)任編輯: 閆立娟。

盧耀如, 男, 1931年生。中國(guó)工程院院士, 研究員。主要從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)方面研究工作。E-mail: yrlu@#edu.cn。