城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系研究

曹二濤 張 弛 張 華

(中國(guó)地質(zhì)礦業(yè)有限公司，北京 100029)

1 概述

城市是人類文明的標(biāo)志，地質(zhì)環(huán)境作為城市發(fā)展的重要載體，可為人類生產(chǎn)生活提供水源、土地、礦產(chǎn)等資源，另一方面，也通過(guò)一系列不良地質(zhì)現(xiàn)象(如地震、滑坡、泥石流、地面塌陷、水土污染等)威脅著城市的安全。近年來(lái)，我國(guó)相繼發(fā)生汶川地震、玉樹(shù)地震、舟曲泥石流等地質(zhì)災(zāi)害造成了人民生命財(cái)產(chǎn)的極大損失。因此，如何預(yù)防、規(guī)避重大地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，保證城市地質(zhì)環(huán)境安全，成為快速城市化進(jìn)程中對(duì)地質(zhì)工作的迫切需求[1]。

長(zhǎng)久以來(lái)，美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在城市安全方面注重通過(guò)減災(zāi)規(guī)劃和土地規(guī)劃來(lái)降低區(qū)域?yàn)?zāi)害，強(qiáng)調(diào)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)控制的最有效手段就是通過(guò)土地利用規(guī)劃手段來(lái)限制土地開(kāi)發(fā)行為，并形成相對(duì)成熟的城市安全評(píng)價(jià)和管理體系[2]。我國(guó)城市地質(zhì)工作起步較晚，目前，與城市地質(zhì)環(huán)境安全相關(guān)的工作還主要集中在單一方向上的研究[3]，例如城市地質(zhì)資源供給、城市工程地質(zhì)、礦山地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等方面[4]，尚未形成統(tǒng)一的城市地質(zhì)環(huán)境安全綜合評(píng)價(jià)方法體系。此外，我國(guó)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題種類多、發(fā)生頻率高，再加之許多地質(zhì)環(huán)境脆弱地區(qū)分布有大量人口，使得其危害更為巨大[5-6]。因此，必須設(shè)法查明影響城市安全的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，研究其影響機(jī)制，并形成可參考指標(biāo)體系，從而為安全性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)。

以下對(duì)城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)的概念及其內(nèi)涵進(jìn)行探討，并從城市建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境相互作用機(jī)制的角度出發(fā)，通過(guò)分析影響城市安全的地質(zhì)環(huán)境要素，梳理城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)的思路，提出評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)促進(jìn)城市地質(zhì)環(huán)境安全評(píng)價(jià)工作的開(kāi)展具有重要意義。

2 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)

2.1 概念

廣義來(lái)說(shuō)，地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)是對(duì)地質(zhì)環(huán)境形成條件、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、功能的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，在自然條件和人類活動(dòng)影響作用下，對(duì)可能發(fā)生的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展活動(dòng)的協(xié)調(diào)進(jìn)行定性或定量的評(píng)估[7]。

城市地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)是地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的一個(gè)子類，基于城市開(kāi)發(fā)建設(shè)的目的，對(duì)城市地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣程度進(jìn)行描述[8]。按照不同的分類方法，城市地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)的類型有很多，其中最主要的類型有：安全性評(píng)價(jià)、適宜性評(píng)價(jià)、質(zhì)量評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[9-10]。

城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)是指綜合運(yùn)用地質(zhì)學(xué)和環(huán)境地質(zhì)學(xué)的理論方法，從城市建設(shè)和人居環(huán)境安全的角度出發(fā)，在地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)調(diào)查與分析基礎(chǔ)上，對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行定性或定量評(píng)價(jià)，確定不安全區(qū)域及其可能的影響范圍，提出必要的預(yù)防、避讓、控制對(duì)策。開(kāi)展城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)對(duì)于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理具有重要的基礎(chǔ)性意義，特別是對(duì)于合理確定城市建筑物抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，確定工程建設(shè)和人類活動(dòng)規(guī)避范圍都具有重要意義，同時(shí)對(duì)于提高我國(guó)對(duì)地震等自然災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力也有重要的作用[11]。

2.2 內(nèi)容

就地質(zhì)環(huán)境安全問(wèn)題表現(xiàn)形式而言，安全性評(píng)價(jià)總體上可以歸納為“地質(zhì)結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)”和“地球化學(xué)背景安全性評(píng)價(jià)”兩個(gè)方面，前者是物理層面，主要體現(xiàn)為地殼安全與地表地質(zhì)安全；后者為化學(xué)層面，主要體現(xiàn)為水、土原生地球化學(xué)背景和污染現(xiàn)狀對(duì)人類健康生活的影響。

3 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 城市地質(zhì)環(huán)境安全問(wèn)題分析

為了合理構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并準(zhǔn)確表征評(píng)價(jià)指標(biāo)的性狀，有必要對(duì)地殼安全、地表地質(zhì)安全和地球化學(xué)背景安全三類問(wèn)題的發(fā)生機(jī)制、表現(xiàn)形式、危害程度等分別進(jìn)行分析。

(1)地殼安全性

地殼安全問(wèn)題由地球內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用所產(chǎn)生，如地震、火山、活動(dòng)斷裂等。對(duì)我國(guó)城市而言，主要體現(xiàn)為地震與活動(dòng)斷裂的威脅。我國(guó)有1 /3的大城市和2 /5的中等城市處在地震基本烈度為Ⅶ 度和Ⅶ 度以上地區(qū)。地震通過(guò)地震波直接破壞建筑物，或者衍生出地質(zhì)災(zāi)害對(duì)城市造成破壞。故可以在地震地質(zhì)和現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，以基本烈度為主要指標(biāo)，并參照地震活動(dòng)周期和斷層活動(dòng)速率、地形變速率以及地應(yīng)力等測(cè)量資料來(lái)確定地殼的穩(wěn)定性。

活動(dòng)斷層對(duì)城市安全的威脅體現(xiàn)在兩方面，一是斷層所帶來(lái)的直接危害，即活動(dòng)斷層的地面錯(cuò)動(dòng)及其附近的伴生地面變形，往往會(huì)直接損害跨越斷層修建或建于其附近的構(gòu)筑物；二是斷層活動(dòng)所伴生的次生危害，如粉碎其附近巖土體、誘發(fā)斷裂帶次生地質(zhì)災(zāi)害等。

(2)地面安全性

地表地質(zhì)安全指在內(nèi)、外動(dòng)力(以外動(dòng)力為主)地質(zhì)作用或人類活動(dòng)影響下，地殼表面的安全程度，其危害主要表現(xiàn)為通過(guò)地表形變直接或間接破壞建筑結(jié)構(gòu)。地表地質(zhì)安全涉及的內(nèi)容十分廣泛，如自然或人為誘發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷、砂土液化、地面塌陷、地面沉降、地裂縫等。此外，洪災(zāi)危害也是地表安全需要考慮的重要內(nèi)容，其衡量指標(biāo)為地面高程與洪水位的相對(duì)高差，對(duì)于有可能發(fā)生洪水災(zāi)害的城市，其建筑不應(yīng)布設(shè)在地勢(shì)較低的區(qū)域。

(3)地球化學(xué)安全性

除了上述兩類顯性的地質(zhì)環(huán)境安全問(wèn)題以外，有害元素的遷移、富集等隱性地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題也會(huì)影響人類健康安全。如放射性或者有毒元素超標(biāo)、某些化學(xué)元素的嚴(yán)重不足或顯著偏高、以及常規(guī)元素構(gòu)成致病組合等[12]。由此造成的地方病在我國(guó)部分城市仍有分布，其中，地方性砷中毒、氟中毒和大骨節(jié)病是我國(guó)主要的地方病病種[13-14]。與此同時(shí)，人類活動(dòng)造成的水土環(huán)境中超標(biāo)的有害重金屬、有機(jī)物、微生物等也嚴(yán)重威脅著城市居民的健康[15]。此外，地下水中過(guò)量的酸性成分會(huì)對(duì)地基形成侵蝕危害，如地下水中含有的二氧化碳與混凝土中的碳酸鈣反應(yīng)形成重碳酸鈣，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu);酸性水或含有游離氧的地下水對(duì)鋼鐵有較強(qiáng)的腐蝕作用。

3.2 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

城市地質(zhì)環(huán)境安全問(wèn)題分析是評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立的基礎(chǔ)，在具體構(gòu)建時(shí)，要特別體現(xiàn)“重點(diǎn)突出”和“針對(duì)性”[16]，即地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)在指標(biāo)體系選取必須因城市而異、因地區(qū)而異、因問(wèn)題而異。應(yīng)選擇區(qū)域內(nèi)最能體現(xiàn)地質(zhì)安全的主導(dǎo)因素或因子參與評(píng)價(jià)，以下將評(píng)價(jià)指標(biāo)體系總結(jié)為3大類共15項(xiàng)，并將安全程度劃分為三個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及等級(jí)劃分

4 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)思路與流程

4.1 評(píng)價(jià)思路

城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)是在搜集研究區(qū)已有資料與野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，確定威脅城市建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境安全性問(wèn)題。然后，研究地質(zhì)安全性問(wèn)題與地質(zhì)環(huán)境條件(因子、指標(biāo))之間的相互作用機(jī)制，建立條件與問(wèn)題的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用適當(dāng)?shù)亩?quán)及模型方法進(jìn)行單要素的地質(zhì)環(huán)境安全評(píng)價(jià)，并繪制單要素等級(jí)分區(qū)。

4.2 評(píng)價(jià)流程

通過(guò)各地質(zhì)環(huán)境安全性單要素之間的相關(guān)疊加分析，展開(kāi)地質(zhì)環(huán)境安全性綜合評(píng)價(jià)。最后針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果提出城市建設(shè)過(guò)程中地質(zhì)安全的對(duì)策建議。評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)流程

5 案例分析

5.1 研究區(qū)地質(zhì)背景

長(zhǎng)三角地區(qū)地處揚(yáng)子板塊東段，南部以“江山-紹興”斷裂與華夏板塊相接，西部、北部分別以“郯廬”斷裂和蘇魯造山帶與華北板塊毗鄰。該地區(qū)松散土體廣泛分布，巖體多呈孤丘零星狀點(diǎn)綴于平原之中，主要分布于江蘇省域的太湖沿岸帶、浙江省域的南部和西部，以及上海市域的西部青浦和松江區(qū)境內(nèi)。

5.2 地質(zhì)環(huán)境安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

長(zhǎng)三角地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，人類活動(dòng)極為強(qiáng)烈[17]，存在的重大環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面。

(1)活動(dòng)性斷裂

沿江開(kāi)發(fā)帶內(nèi)主要活動(dòng)性斷裂共有11條。歷史上發(fā)生過(guò)多次中強(qiáng)地震，造成嚴(yán)重坍塌和沉降事故。例如溧陽(yáng)一帶于1974年、1979年先后發(fā)生的6級(jí)和5級(jí)地震。

(2)特殊巖土

該區(qū)域發(fā)育有中-高壓縮性的黏性土、松散飽和砂土和膨脹土等類型的不良土體，容易引發(fā)各類工程地質(zhì)問(wèn)題，如軟土不均勻沉降導(dǎo)致建筑物傾斜開(kāi)裂；松散飽和砂土易發(fā)生震動(dòng)液化，產(chǎn)生“流砂”，造成建筑地基結(jié)構(gòu)破壞；膨脹土易引起地基開(kāi)裂、塌滑等。長(zhǎng)江以南的上海、蘇錫常、杭嘉湖地區(qū)已有1/3范圍累積沉降超過(guò)200 mm，面積近10 000 km2。

(3)地下水污染

受農(nóng)藥化肥、生活污水和工業(yè)排污影響，城市周邊及主要工業(yè)區(qū)成為污染的主要區(qū)域[18]。其中，三氮、COD、砷等指標(biāo)為主要污染因子，有機(jī)污染零星分布。

針對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)城市規(guī)劃和重大工程建設(shè)面臨的重大環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，根據(jù)研究區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等資料，從地殼安全、地表安全和地球化學(xué)安全三個(gè)方面，構(gòu)建了地質(zhì)安全性指標(biāo)體系。

5.3 地殼安全性指標(biāo)及等級(jí)分區(qū)

在地震地質(zhì)和現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)調(diào)查研究基礎(chǔ)上，以基本烈度為主要指標(biāo)，參照地震話動(dòng)周期和斷層活動(dòng)速率、地形變速率以及地應(yīng)力等測(cè)量資料，劃分地殼安全性級(jí)別：基本烈度小于或等于6度為地殼安全區(qū)，7～8度為次安全區(qū)、大于8度為不安全區(qū)。根據(jù)長(zhǎng)三角地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震活動(dòng)概況，對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)地殼安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 長(zhǎng)三角地區(qū)地殼安全性評(píng)價(jià)分區(qū)

5.4 地面安全性指標(biāo)及等級(jí)分區(qū)

長(zhǎng)三角地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，地面破壞類型多樣，有崩塌、滑坡、地面塌陷，地面沉降、水土流失、江海岸沖刷淤積、誘發(fā)地震等。其中，危害最為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害類型為地面沉降[19]。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)地質(zhì)條件、災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)、人類活動(dòng)程度等地面穩(wěn)定性影響因素的分析，按照其易發(fā)強(qiáng)度或規(guī)模劃分為安全、次安全和不安全三個(gè)級(jí)別，結(jié)果如圖3所示。

圖3 長(zhǎng)三角地區(qū)地面安全性評(píng)價(jià)分區(qū)

由圖3可知，上海是我國(guó)發(fā)生地面沉降現(xiàn)象最早、影響最大、危害最深的城市，江蘇的蘇錫常地區(qū)與浙江的杭嘉湖地區(qū)也相繼發(fā)生了地面沉降現(xiàn)象，地面沉降已直接影響到城市建設(shè)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活，并對(duì)防洪、排澇和通航能力有較大影響。

滑坡在浙江省內(nèi)發(fā)育較為嚴(yán)重，主要位于山地丘陵地帶，在城鎮(zhèn)附近和沿海港口碼頭亦有發(fā)生。

5.5 地球化學(xué)安全性指標(biāo)及等級(jí)分區(qū)

長(zhǎng)三角地區(qū)是我國(guó)人類活動(dòng)最為劇烈的地區(qū)，具有區(qū)內(nèi)地下水污染范圍廣、污染源分布多、污染物類型多樣等特點(diǎn)。

針對(duì)長(zhǎng)三角地區(qū)地下水污染特點(diǎn)，可從地下水防污性能評(píng)價(jià)角度反饋污染風(fēng)險(xiǎn)。地下水防污性能是指地下水系統(tǒng)抵御污染物進(jìn)入地下水的能力，反映了人類活動(dòng)產(chǎn)生的所有污染物進(jìn)入地下水的難易程度，它與含水層所處的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件有關(guān)。按照地下水防污性能級(jí)別，可劃分為防污性能高、防污性能中等、防污性能差；分別對(duì)應(yīng)地球化學(xué)安全性的安全區(qū)、次安全區(qū)和不安全區(qū)3個(gè)等級(jí)。

根據(jù)長(zhǎng)三角地區(qū)的地下水條件，采用DRASTIC模型進(jìn)行地下水防污性能評(píng)價(jià)，采用了如下幾個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：地下水埋深、降雨入滲補(bǔ)給量、含水層巖性、土壤類型、地形坡度、包氣帶影響、含水層滲透系數(shù)。反映地下水在土壤、包氣帶以及含水層特性等控制因素下對(duì)地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)(評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示)。

圖4 長(zhǎng)三角地區(qū)地球化學(xué)安全性評(píng)價(jià)分區(qū)

5.6 地質(zhì)環(huán)境安全性綜合評(píng)價(jià)與分區(qū)

利用地質(zhì)環(huán)境安全性單要素分析成果，基于MapGIS軟件平臺(tái)，采用圖形疊置法，開(kāi)展地質(zhì)環(huán)境安全性綜合評(píng)價(jià)和地質(zhì)環(huán)境安全性等級(jí)分區(qū)，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5所示。

圖5 長(zhǎng)三角地區(qū)地質(zhì)環(huán)境安全性綜合評(píng)價(jià)分區(qū)

根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)各等級(jí)分區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)果。

(1)地質(zhì)環(huán)境安全區(qū)總面積為50 017 km2，占長(zhǎng)三角地區(qū)陸域面積48.6%，主要集中在泰興-啟東的長(zhǎng)江北岸地帶和太湖以南廣博的平原區(qū)。

(2)地質(zhì)環(huán)境次安全區(qū)總面積為28 306 km2，占長(zhǎng)三角地區(qū)陸域面積27.5%。主要分布在研究區(qū)西北部，這些區(qū)域地形起伏較大，地下水防污性較差，部分地區(qū)存在著較為嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，如地裂縫和地面沉降。

(3)地質(zhì)環(huán)境不安全區(qū)總面積為24 589 km2，占長(zhǎng)三角地區(qū)陸域面積23.9%。主要在沿長(zhǎng)江(從南京-鎮(zhèn)江，連接蘇錫常地區(qū)和上海全域)連續(xù)分布，同時(shí)，在金子巖-黃毛尖一線西北的條形地帶及東南沿海區(qū)域亦有分布。該類區(qū)域內(nèi)存在嚴(yán)重的地面沉降、地質(zhì)災(zāi)害、地殼穩(wěn)定性和地下水污染等問(wèn)題。

根據(jù)前述分析，在安全性高的區(qū)域，開(kāi)展相應(yīng)城市活動(dòng)較為適合；在次安全區(qū)，地質(zhì)環(huán)境條件雖然基本滿足城市安全要求，但需要采取一定的工程措施整治后方可建設(shè)；而在不安全區(qū)，地質(zhì)環(huán)境條件較差，需采取大量工程措施整治后才可建設(shè)，若工程治理代價(jià)太大或目前的技術(shù)方法難以達(dá)到理想的治理效果，可將其規(guī)劃為生態(tài)用地，從而保證城市地質(zhì)安全。

6 結(jié)論

(1)地質(zhì)安全是城市安全最基礎(chǔ)的組成部分，對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行定性或定量評(píng)價(jià)，圈定不安全區(qū)域及其影響范圍，并提出必要的預(yù)防、避讓、控制對(duì)策，對(duì)城市建設(shè)和人居環(huán)境安全意義重大。

(2)應(yīng)在系統(tǒng)分析區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，選取對(duì)城市安全影響最為重要的地質(zhì)要素來(lái)構(gòu)建指標(biāo)體系。

(3)地質(zhì)環(huán)境安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系一般具有普適性的特點(diǎn)，在開(kāi)展具體工作時(shí)，需要根據(jù)不同城市的特點(diǎn)加以區(qū)別對(duì)待。