宜荆荆城市群地质环境承载力评价

2018-12-19李红梅赵德君

资源环境与工程 2018年4期

李红梅, 袁琴, 赵德君

(湖北省地质局水文地质工程地质大队,湖北荆州 434020)

2014年,中央经济工作会议多次提到要将资源环境承载力纳入到生态文明建设及城镇化布局中[1-3]。2017年9月,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《关于建立资源环境承载能力监测预警长效机制的若干意见》,指出要严格按照资源环境承载能力谋划经济社会发展。可见,当前形势下开展环境承载力评价与研究工作已上升至国家战略。

地质环境承载力是指在一定时期的一定区域内,在一定的环境目标下,在维持地质环境系统结构不发生质的改变,系统功能朝着有利于人类社会、经济活动方向发展的前提条件下,地质环境系统所能承受人类活动和外部力量的影响与改变的最大能力[4-5]。随着城市发展,科技水平和社会生产力不断提高,开发利用地质环境强度、规模与速度越来越大,地质环境受到的影响程度亦日益剧增,考验着地质环境承载力[6-7]。

宜荆荆城市群是湖北省区域经济空间发展格局中的重要区域,为全省经济持续增长发挥重要的支撑作用[8]。因此,笔者结合相关科研项目对该区域地质环境承载力进行了分区评价,以期为该区域可持续发展提供参考依据和决策信息。

1 研究区概况

研究区由湖北省宜昌市、荆州市和荆门市3个地级市组合构成,总面积约4.7×104km2。区内河湖密布,水系发达,拥有丰富的水资源。境内有大小河流800多条,主要有长江、汉江、清江、沮漳河、黄柏河、香溪河、松滋河、虎渡河、藕池河、调弦河、漳河、西荆河、富水河、洪湖、长湖等[9]。其中,三峡、清江、汉江构成了三大主干水系,峡谷深,落差大,是中国水能资源富集的区域。

区内地形总态势是西北高东南低,地形起伏变化大,地貌形态多样化,地貌形态包含有平原、岗地、丘陵、低中山、中山5种不同类型(图1)。

研究区地处扬子准地台一级大地构造单元。区内不同时期、不同规模、不同方向的断裂发育,构成有规律的网络状图式。共划分为3个二级构造单元,自西向东依次为上扬子台坪(Ⅱ1)、两湖断坳(Ⅱ2)、下扬子台坪(Ⅱ3)。研究区处于弱震区,地震基本烈度值为Ⅵ度。通过对地震前后地壳形变测量及其与周围地区地壳形变特征的对比,可见在地壳形变总趋势较稳定的地区,即长期上升或下降的地区和上升地区与下降地区相交地带,易发生地震。在地壳上升和下降交替出现的地区内部,由于能量的积累和释放易于相互抵消,因而一般不易形成地震。区内主要断裂及地震分布如图2。

据各县(市、区)地质灾害调查数据统计,研究区共发育地质灾害3 064处,主要分布于宜昌市三峡库区、清江峡谷一带,共发育各类地质灾害2 735处。灾害类型为不稳定斜坡、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地裂缝等。地质灾害以滑坡为主,其次为不稳定斜坡,泥石流、地裂缝相对不发育(图3)。其中滑坡灾害点1 579处,占51.53%;不稳定斜坡灾害点791处,占25.82%;地裂缝灾害点22处,仅占0.72%。

图1 研究区地貌图Fig.1 Geomorphologic map of the study area1.中山(2 000～3 000 m);2.低中山(500～2 000 m);3.丘陵(200～500 m);4.岗地(50～200 m);5.平源(<50 m);6.分区界线;7.城市群界线;8.县(市)级行政区界线;9.镇(乡)级行政区界线;10.主要水系。

三峡库区所在巴东县、秭归县、兴山县等乡镇,该区由于三峡库区移民迁建工程的全面展开,新城集镇建设和路桥工程施工形成了大量人工高边坡,为了尽可能的利用有限的土地资源,这些新城集镇建设往往依山就势,一般都采用前挡后挖的模式进行场平,人工高边坡的开挖与暴露,改变了边坡原有的应力场和渗流场,一旦斜坡应力超过岩土体强度极限时,易发生变形破坏,加之该区地貌上山高坡陡,地貌发育受底层岩性、地质构造和新构造运动的控制明显,发生地质灾害的危险性较大,风险性高。沿清江峡谷一带山高谷深,构造较为发育,岩层软硬相间,山高坡陡,岩石风化强烈,边坡稳定性差,易形成崩塌、滑坡、泥石流地质灾害。由此,三峡库区、清江峡谷一带为群测群防监测网中的重点监测点,目前各部门正开展专业监测,便于最大限度地减少潜在地质灾害的发生与发展。

研究区地下水资源丰富,多年平均地下水资源总量为112.97×108m3/a。其中宜昌市多年平均地下水资源总量为48.3×108m3/a,占总量的42.755%;荆州市多年平均地下水资源总量为49.35×108m3/a,占总量的43.684%;荆门市多年平均地下水资源总量为15.32×108m3/a,占总量的13.561%。荆州市监利县地下水天然资源量为各县市最高值,高达11.81×108m3/a;当阳市最低,为1.15×108m3/a。洪湖市可开采资源量最大,为6.71×108m3/a(图4)。

城乡居民生活垃圾、工业“三废”及农业污染导致区内浅层地下水及表层土壤污染较为严重。富含氮的工业废水、生活废水、化肥、农药、农用地膜、垃圾填埋场渗滤液等经雨水和地表渗透淋滤产生高浓度的氨氮和硝酸盐的渗滤液。由于无收集措施,致使产生的渗滤液直接排入到地下,污染浅层地下水及表层土壤,土壤质量与水质下降。

图2 研究区主要断裂及地震分布Fig.2 The distribution of major faults and earthquakes in the study area1.3.9～6级地震震中;2.3～3.9级地震震中;3.2～2.9级地震震中;4.主要断裂及其编号;5.城市群界线;6.县(市)级行政区界线;7.镇(乡)级行政区界线;8.主要水系。

图3 研究区地质灾害分布Fig.3 Geological disaster distribution in the study area

研究区地质构造形式多样,地质遗迹丰富多彩,据不完全统计,区内共有95处地质遗迹,主要分布于宜昌市。依其形成原因、自然属性可分为7种类型,即:①地质(体、层)剖面类,②地质构造类;③古生物类;④矿物与矿床类;⑤地貌景观类;⑥水体景观类;⑦环境地质遗迹景观类。其中地貌景观类地质遗迹点数量最多,为29处,占总数30.53%;水体景观类次之,为25处,占总数26.32%;地质构造和环境地质遗迹景观类各4处(图5)。

2 指标体系构建

2.1 指标选取

综合分析宜荆荆城市群区域地质背景、地质环境特征及地质环境现状资料,在综合考虑研究区各种地质环境因子的基础上,本着客观性、易获性、可表征性和可度量性原则,从地形地貌、地质灾害、构造稳定性、地下水富水性、表土环境、地质遗迹6个方面构建宜荆荆城市群地质环境承载力评价指标体系(图6)。其中,地形地貌为基础性指标,地质灾害风险区、主要活动性断裂为研究区国土开发的限制因子;区内地下水资源量丰富,地下水富水性为研究区优势因子;区内表土环境污染较为严重,为研究区不利因子;地质遗迹是较为特殊的地质环境因子,分布区为主体功能区中禁止开发区域,即该因子为限制因子。

图4 研究区各县(市)地下水资源量分布Fig.4 Distribution of groundwater resources in each county of the study area

图5 研究区不同类型地质遗迹分布Fig.5 Distribution of different types of geological remains in the study area

图6 地质环境承载力评价指标体系Fig.6 Assessment index system of geological environment carrying capacity

2.2 指标权重

各评价指标对研究区地质环境承载力的影响程度各异,故权重值亦不相同,本次研究主要基于AHP层次分析法确定各评价指标的权重。根据评价指标对地质环境承载力的重要程度进行两两对比评价。评价指标对地质环境承载力重要程度用1～7标定,其中1表示指标对研究区地质环境承载力影响最小,7则表示最大,对评价指标进行两两比较构造判断矩阵(表1)。

对“地质环境承载力”权重1,最大特征根λmax=6.00,六阶判断矩阵一致性比例CI、平均随机一致性值CR,均为0,<0.1,满足一致性检验,故得出的各指标因子权重Wi(表1)是合理的。

表1 权重判断矩阵Table 1 Weight judgment matrix

2.3 指标因子赋值

根据宜荆荆城市群地质环境特征及相关标准规范对评价指标进行分级赋值(表2)。

3 评价方法与过程

3.1 评价方法

采用AHP层次分析法和MAPGIS空间分析进行宜荆荆城市群地质环境承载力的评价。地质环境承载力的评价是在综合地形地貌、地质灾害、构造稳定性、地下水富水性、表土环境、地质遗迹6个评价因子的基础上进行的,反映宜荆荆城市群地质环境承载力,其承载力指数基于上述6个子系统评价指标质量指数合成,综合加权指数数学模型如下:

I=W1F1+W2F2+W3F3+W4F4+W5F5+W6F6

(1)

式中:I为地质环境承载力指数;W1、W2、W3、W4、W5、W6分别表示地形地貌、地质灾害、构造稳定性、地下水富水性、表土环境、地质遗迹评价指标的权重;F1、F2、F3、F4、F5、F6分别表示地形地貌、地质灾害、构造稳定性、地下水富水性、表土环境、地质遗迹评价指标因子的赋值。

3.2 评价过程

3.2.1 评价单元划分

表2 地质环境承载力评价指标分级赋值表Table 2 Evaluation index system scale and index weight of geo-environmental carrying capacity

运用栅格数据处理方法,基于MAPGIS网格剖分,对研究区进行10 km×10 km网格单元划分,将研究区划分为591个评价单元,利用GIS拓扑重建造区功能生成评价单元剖分网格区文件(图7)。

图7 地质环境承载力评价单元剖分网格图Fig.7 Meshed map of geo-environment carrying capacity evaluation unit

3.2.2 评价单元承载力指数计算与区划

针对评价指标体系中的6个因子,在充分收集整合以往地质调查、评价成果资料基础上,根据表2指标分级标准,对各评价单元各项指标赋值,形成研究区各单因子分区图层。

通过MAPGIS空间叠加分析功能,对形成的单因子区图层进行区对区合并分析,提取区文件图层ID及各属性值,生成label文件,通过公式(1)及表2计算获取各评价单元的地质环境承载力指数I。

基于GIS空间分析模块中的DTM分析,提取label文件中的地质环境承载力指数I数据,基于Tin模型三角剖分,经过整理、约束、删除等优化步骤,形成研究区三角剖分网格,追踪剖分等值线,对研究区地质环境承载力进行分区。采用自然断点法,将地质环境承载力评价值分析结果分为四级:①分区界线值≥4.69时,为地质环境承载能力强区;②3.59≤分区界线值<4.69时,为地质环境承载能力较强区;③2.81≤分区界线值<3.59时,为地质环境承载能力一般区;④分区界线值<2.81时,为地质环境承载能力弱区。

4 评价结果与分析

基于上述评价方法及评价过程获取地质环境承载力分区图最初模型,经过人工修饰、加工或合并、删减等,结合研究区实际情况,最终形成研究区地质环境承载能力评价区划图(图8),将研究区地质环境承载力划分为4个等级。

(1) 地质环境承载力强区:该区分布范围最广,主要分布于城市群东部,荆门—枝江—荆州一带,面积为20 373.4 km2,约占整个宜荆荆城市群的42.64%。该地区地处江汉平原,地势平缓,该区处于弱震区,未发现较大的活动断裂及地震。地质环境条件较好,地下水资源丰富,表土环境较好,暂未发现崩滑流等地质灾害点分布。

图8 研究区地质环境承载力评价区划图Fig.8 Geo-environmental carrying capacity evaluation and division of the study area1.承载能力强;2.承载能力较强;3.承载能力一般;4.承载能力弱;5.分区界线;6.城市群界线;7.县(市)级行政区界线;8.镇(乡)级行政区界线;9.主要水素。

(2) 地质环境承载力较强区:该区主要分布于城市群中部,面积为14 621.6 km2,约占整个城市群的30.6%。该区亦为城市群地质环境修复区,通过人为控制和治理,该区地质环境问题可以恢复以进行安全开发的区域,该区域地貌以丘陵、低中山为主,为地质灾害中—低风险区,地下水资源量一般,局部地段土壤污染较为严重,局部发生过地震活动,但震级低,震源浅。

(3) 地质环境承载力一般区:主要分布于城市群西部兴山—长阳、宜都—松滋一带,零星分布于钟祥、京山等县(市)。该区总面积为11 006 km2,约占整个宜荆荆城市群的23.04%。该区亦为城市群地质环境维护区,是地质环境不稳定区,通过地质环境问题的治理和监测,可实现适度开发的区域。该区地貌类型多样,中山、低中山、丘陵等地貌均有不同程度的分布。此外,该区包括了区内构造不稳定区,分布有活动断裂、各类地质灾害、地震等,亦为地质遗迹点较为集中分布区,且区内分布有国家、省级地质遗迹点。不同区域内地下水资源分布呈现出较大差异。

(4) 地质环境承载力弱区:主要分布于秭归、五峰,零星分布于长阳,该区分布范围相对较小,总面积为1 775.9 km2,仅占整个宜荆荆城市群的3.72%。该区地貌类型以低中山为主,亦为城市群地质环境保护区,该区构造活动相对较为强烈,秭归一带地震发生频率高,其它类型地质灾害频发,是地质灾害高风险区。此外,区内分布具有较高地学保护价值的国家级地质公园。该区域需要限制性开发,限制进行大规模高强度工业化城镇化开发。还应在该区域建立地质环境监测指标体系,依靠有效的监测机制,建设预警平台,保障区域的协调发展。