基于工程地质环境的沉陷区景观生态安全格局——以北京门头沟区东龙门为例

张曦沐，张国锋，柴华彬

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；2.深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083；3. 河南理工大学测绘学院，河南 焦作 454003)

伴随着煤炭的开采，矿区的地质环境、水文状况被改变，沉陷的土地量逐渐增多，环境发生了很大变化。沉陷区人居环境改造问题，已成为矿区亟待解决的问题，而生态景观是塑造良好人居环境的重要内容。目前，在采煤沉陷区人居环境改造过程中，运用景观生态学原理对沉陷区的景观格局变化、景观生态重建模式做的相关研究[1-5]，主要是从土地复垦角度出发，为恢复矿区的生态环境、矿区土地复垦规划及土地管理提供指导。其研究成果，对沉陷区调整合理的景观格局，优化景观整体功能，也有一定帮助。本文从构建景观生态安全格局的角度，对门头沟东龙门沉陷区的生态景观进行探讨，认为以沉陷区工程地质环境区划为基础，利用不同区划的特点，构建沉陷区景观生态安全格局，是保障矿区人居环境的生态安全的有效途径。

1 工程地质环境区划与景观生态安全格局

1.1 工程地质环境区划

沉陷区工程地质环境区划，是一种基于沉陷区工程建设需要，以地表稳定性为核心指标，结合多种环境因素，将沉陷区土地进行分类的区划方法。具体来说，是指根据对沉陷区域的地质力学研究及沉陷区历史地质灾害的研究，通过采用地质力学、数值计算、数学统计等分析手段，对地面工程活动、地质构造、地下水、矿震频发、煤层开挖等对沉陷区稳定性有重要影响的因素进行相应的评价。并在此基础上，运用模糊综合评价法，对沉陷区做出工程地质环境质量分析，将沉陷区土地划分成良好区、中等区、较差区三种不同质量等级的环境区域，使沉陷区土地更好地适应沉陷区人居环境建设的需要。

沉陷区工程地质环境质量区划的划分标准，主要取决于区域地壳及场地稳定性、地形地貌条件、地基岩土条件三个方面。区域地壳及场地稳定性反映了工程建设的总体地质构造环境的优劣,它往往对工程建设规划起决定性的作用。影响区域地壳及场地稳定性的主要因素较多, 但最主要的因素是地震效应、活动性断裂以及地质灾害。地形地貌条件对建设工程规划和布局起着控制作用，主要考虑两个因素：①地形坡度； ②地貌类型。地基岩土体性质影响工程建设的质量与工程的布局，地基的强度和变形特性是影响地基岩土工程性质的主要因素，其中地基的强度是通过地基持力层承载力及埋深来反映，而变形特征是地基土结构的综合效应。

沉陷区工程地质环境区划，是科学构建沉陷区生态景观的基础和前提。

1.2 景观生态安全格局的涵义

景观生态学认为，景观是若干个生态系统(自然的和人工的)组成的具有空间异质性的区域。景观格局的优劣，是衡量生态过程能否良性发展的重要内容；景观格局是景观组成单元的空间分布，是景观结构在二维平面上的直观反映。特定的景观格局是在景观生态过程中长期作用下形成的，并影响着当前景观生态过程的正常作用，进而影响到景观中生物个体、种群、群落、生态系统的生存和稳定。北京大学俞孔坚教授针对景观规划设计的种种误区，提出景观生态安全格局的理论。该理论认为：在景观格局形成过程中，有一些空间位置对生态过程有重要作用，具有战略意义。这些关键性的空间位置和它们之间的相互联系所形成的格局，就是景观生态安全格局，他们对维护和控制生态过程具有非常重要的意义[6-7]。

典型的生态安全格局，包含以下几个景观组成部分[8]：源。现存的乡土物种栖息地，他们是物种扩散和维持的原点；缓冲区。环绕源的周边地区，是相对的物种扩散低阻力区；源间连接。相邻两源之间最易联系的低阻力区；辐射道。由源向外围景观辐射的低阻力通道；战略点。对沟通相邻源之间联系有关键意义的“跳板”。

景观生态安全格局理论的提出，意在用最少的土地，来获取最大的安全空间。对在土地有限的条件下，实现良好的土地利用格局，保障安全和健康的人居环境，实现人居环境的可持续性，有效地阻止生态环境的恶化有着重要意义。

2 门头沟区东龙门工程地质环境区划

通过地质灾害调查及地球物理勘探，东龙门地下采煤活动主要为深部国有矿山开采，浅部不明老、小窑开采规模很小且未对地表造成危害。因此，工程地质环境区划，重点分析深部大规模的采空区对地表稳定性的影响。

2.1 采空区地表变形预测

东龙门地表变形比较特殊，观测沉陷量最大只有40 mm，根据实际开采量，地表变形值不符合一般沉陷规律。经过地表及岩层的移动规律和数值模拟计算发现，在埋深为198m、厚度为36m的第五层岩层，存在着厚度较厚、岩性较硬的关键岩层。根据关键层理论的研究[9]，关键层对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩体起控制作用，下部岩层的变形与关键层之间产生离层空间，离层盆地的变形将对地表的稳定性产生重要影响。通过运用概率积分法，预测五个煤层采空区对离层盆地的影响，得到最终关键层下离层盆地移动和变形的最大预测值(表1)。

根据煤层深部采空区对离层盆地移动和变形的影响预测、煤层采空区的叠加影响预测、覆岩离层的数值模拟结果对规划区地表影响分析，结合五个煤层中采空区的地质采矿条件，以及其与规划区的空间位置关系，地表稳定性影响程度划分为轻度影响区、中度影响区和重度影响区三类。其中，中等严重区面积占规划区总面积的9.4%，较严重区占50.3%，轻微区占40.3%。

表1 五个槽煤采空区引起的离层盆地的最大移动变形预计结果

2.2 工程地质环境质量区划

东龙门改造工程建设规划区内，无活动性断裂分布，地震基本烈度为Ⅵ～Ⅶ度，区域地壳属基本稳定区。由于长期采煤活动，地下形成的大量采空区，是场地稳定性最主要的影响因素。因此，主要选取采空区空间分布特征、采空区规模尺寸及采空区地面变形3个因素，作为场地稳定性的评价指标。由于规划区地下水位埋深较大(地面100m以下)，地基方面不考虑地下水对地基的不良作用。东龙门改造工程建设规划区地质环境质量评价指标体系及分级标准见图1、表2[10]。

在此基础上，通过层次分析模糊综合评判方法(AHP-Fuzzy法)计算，将东龙门规划区地质环境质量划分为三个等级，即地质环境质量良好区(Ⅰ)、中等区(Ⅱ)、较差区(Ⅲ)。依据地质环境问题差异，再将中等区(Ⅱ)划分为两类亚区(图2)。各区地质环境特征见表3。

3 门头沟区东龙门景观生态格局适宜性

3.1 总体景观生态安全格局的定位

东龙门位于低山区到永定河洪冲积平原的过渡地带，地势由北向南逐步递减，海拔最高约为188m，海拔最低约为120m，地质环境总体来说属于低山丘陵地带。根据东龙门的地质环境区划特征分析，东龙门大部分区域在浅部基本无采空区分布，深部采空区埋深在200m以上，地面稳定，地形较平坦，地基持力层埋藏较浅，承载力在200kPa以上，适宜作为工程建设用地，是以良好区为主，空间分布较集中的采煤沉陷区。由于临近山区，生态环境相对敏感而脆弱，其人居环境的开发建设，宜加强生态环境的保护。因此，东龙门总体景观生态格局的定位，适宜延续北面九龙山自然地理的山水格局，建设以自然绿地为基质，以道路、林带为廊道，以小型低层住宅组团为斑块的生态社区景观结构模式。

图1 工程地质环境质量评价体系框图

表2 东龙门改造工程区地质环境质量评价指标及分级

图2 东龙门棚户改造工程区工程地质环境质量分区图

表3 工程地质环境质量评价结果表

3.2 针对不同区划的景观安全生态格局策略

(1)利用较差区，建设大中型生态斑块，作为生态源

从地质环境区划可以看出，东龙门较差区面积较小，集中在北部山区，地形起伏，坡度大，且地下深部有采空区分布，地面有冲沟，处于次稳定状态，不利于工程建设。立足景观生态学原理，利用北部较差区作为生态源。源是建立景观生态安全格局最基本的要素，利用较差区培育种群源，建设生态缓冲带和生态公园，使之成为东龙门社区绿地系统的发源地。绿地是承载景观生态要素的主要载体，其布局是否科学、合理，直接关系到社区的生态环境和居民的生活环境。以北部较差区为生态源点，建立辐射的生态廊道，连接周围区域，将对整个区域的绿化系统产生良好的影响。东龙门较差区生态源的人为设计，必须与自然的山水格局相适应，生态源应具有原始景观的自然本底及乡土特性，植物种类也应首先选择本地物种，保护和建立多样化的乡土生境系统，建构地区性植物群落，对于发挥生态源的生态作用，具有重要作用。

(2)利用中等区，建设生态缓冲区和小型自然斑块

东龙门中等区分布分散，其中共有三块点状形态的中等区，位于南部和中部边缘地带，是低缓坡地和台地，且三者呈点状分布，地势较平坦，面积不大，适宜建设小型自然斑块，可通过规划廊道，使斑块形成串联态势。位于中部的呈东西向条带状地段，低缓坡地，深部100m以上有采空区分布，适宜建设生态缓冲区，作为北部生态源缓冲地带，并可将缓冲区进一步向南伸展，与南部的斑块连通，使社区形成更整体的生态环境。

(3)增建小型自然斑块和生态廊道改善良好区的生态环境

东龙门良好区面积较大，适宜通过规划选择重要的景观战略点，增加建设小型自然植被斑块，同时结合道路培育新的生态廊道，加大生境的连接度。这些小型自然斑块既是次种源，也是生态跳板。此外，小型自然斑块可具有相对独立的自然生态特点，对于改善小气候环境，促进生物多样性，提高环境生态效能，有明显的积极作用。这些小型的自然斑块和廊道，不仅保证生态景观的异质性，而且人们的可达性强，最易被居民体验和感受，构成东龙门景观生态格局中的细部感知层次。

(4)利用不同区划边界，建设生态缓冲区

东龙门不同区划交界处，由于地表沉陷程度不同，不宜建设建筑物，但适宜发展生态缓冲带。也可以结合景观道路，建设生态廊道，培育生态节点，在道路的交叉处建设广场和小公园等绿色节点。

(5)利用冲沟，建设生态廊道

东龙门良好区和较差区中，均有冲沟分布，冲沟长度不等，深度较浅，沟中无水，是城子河的汇水支流。冲沟发育是水土流失的一种重要表现形式，冲沟越发育，所表现出来的水土流失越严重，可能引起的山地自然灾害强度、发展速度、频率就越大，是生态敏感地带。对于良好区的冲沟改造，适宜在两侧边坡建设生态防护绿地，种植一定宽度的植物，使其成为东龙门景观中重要的生态廊道，既能起到斑块间的物种联系通道的作用，又有生物的阻隔过滤作用。建筑退后冲沟布置，治理后的冲沟可作为居住组团的半开敞公共绿地，实现生态、经济、景观效果的良好结合。对于较差区的冲沟改造，适宜根据生态源的建设灵活确定。

4 结 语

建设矿区良好的人居环境，需要对沉陷区地质环境进行深入研究，这是实现矿区可持续发展战略中，迫切需要解决的现实问题。本文通过对门头沟东龙门工程地质环境的研究，将其划分为工程地质环境质量良好区、中等区和较差区。并利用不同区划的特殊性，结合当地的地形地貌等条件，提出构建沉陷区景观生态安全格局的策略。不仅有利于沉陷区生态景观的创造，提高沉陷区生态环境稳定性，满足人们回归自然的心理需求，而且有利于以较少的土地保障矿区的生态安全，是建设沉陷区良好人居环境的有效途径。

本文在写作过程中，得到中国矿业大学(北京)何满潮教授、高延法教授的悉心指导和帮助，在此深表感谢。

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