武汉市长江新城起步区地质资源环境承载力研究

2020-07-09胡元平朱晛亭翁茂芝

资源环境与工程 2020年2期

胡元平，李朋，周峰，朱晛亭，刘力，翁茂芝

(湖北省地质调查院,湖北武汉 430034)

地质资源环境承载力是环境承载力的重要组成部分,是指地质资源环境条件,包括地质基础条件和灾害易发性等,对人类社会发展活动的支持能力[1-4]。当前学界对资源环境承载力的研究,已从单要素静态评估手段逐渐转向多目标情景规划的动态模拟方法[5]。刘殿生运用专家咨询法,确定了资源环境综合承载能力的相关概念和计算方法[6]。夏玉成分析了陕西的矿山地质环境承载力,并提出了评价指标、标准以及方法流程[7-8]。马传明提出了地质环境承载力的概念及相关研究方法[9]。周爱国等人总结了地质环境的容量和质量以及承载力等的研究方法[10]。研究指出,地质环境是人类社会活动的主要承载对象。地质环境承载力不仅是衡量人类活动与地质环境是否协调的标准,更是联系二者的支点。但由于地质环境受到很多不确定性因素的影响,研究比较困难,结合资源与地质环境的地质资源环境承载力的评价方法与选取指标难以统一[11-13]。

2017年9月原国土资源部出台了《关于加强城市地质工作的指导意见》,要求加强示范引领,有序推进城市地质调查工作。长江新城起步区为武汉市未来发展规划地块,尚未进行详细调查,亟需开展该区地质资源环境承载力研究,以服务于长江新城的规划、建设。因此本文以武汉市长江新城起步区为研究区,根据其地区特点,基于层次分析法建立地质资源环境承载力评价模型,确定评价指标,分析该区地质资源环境承载力情况,并对比开发现状,为规划建设提供科学建议。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

长江新城起步区处于武汉市中部,谌家矶—武湖区块,属于江岸区和黄陂区行政管辖,坐标N30°39′40″～N30°44′53″、E114°18′54″～E114°26′42″,面积约50 km2(图1)。研究区气候湿润、雨量充沛,年平均温度16.3 ℃,夏季平均气温28 ℃；冬季平均气温为2～3 ℃。年降雨量约1 100～1 500 mm,雨季多在5—9月,枯季常在12月—次年3月。研究区地形平坦开阔,以平原地貌为主。地貌单元主要为冲湖积平原区、冲积堆积平原区和剥蚀堆积平原区。地势起伏小,海拔高程一般在16～30 m。

1.2 地质概况

研究区位于武汉市中北部,大地构造上属江汉盆地东缘。地层分类属华南地层大区,中南—东南地层区,江汉盆地地层分区,江汉盆地东缘露头地层小区。区内第四纪地层自下而上依次划分为早更新世地层(阳逻组)、中更新世地层(王家店组)、晚更新世地层(下蜀组)和全新世地层(走马岭组)。

图1 长江新城起步区位置图
Fig.1 Location of the starting area of the Changjiang New Town

研究区内地表均为第四系覆盖,未见基岩出露,形成以平原地貌为主,垄岗时断时连的地貌格局。基岩地层主要为扬子地层区,总体上为石炭纪—新近纪地层,研究区西南部发育以石炭纪地层为核部、二叠纪—三叠纪地层为翼部的背斜构造；白垩纪—古近纪公安寨组呈北东向楔状超覆于西南部背斜构造之上,研究区中北部广泛发育公安寨组地层,区内其余大部分被新近系广华寺组所覆盖。

1.3 水文地质概况

研究区内地表水系发育,大气降水和地表水系是地下水补给的主要来源。

根据地下水的埋藏条件及含水介质,研究区内地下水可划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水三大类型。

松散岩类孔隙水主要分布在长江及其支流的一、二级阶地,地下水赋存于全新统、上更新统冲积砂、砂砾石孔隙中。含水层顶板埋深2.46～27.19 m,厚度0.7～21.6 m,水位埋深2.5～12.4 m,单井涌水量100～1 000 m3/d,与长江水力联系密切。

碎屑岩类裂隙水分布于滠水河以北大部分地区以及朱家河以南局部地区,该类型地下水赋存于白垩系—古近系碎屑岩裂隙中。含水岩组岩性为粉砂岩、细砂岩、砂砾岩。该含水岩组顶板埋深19.8～69.7 m,未揭穿该类型地下水富水程度取决于岩层张开裂隙的发育程度,富水性相对贫乏,单井涌水量1～20 m3/d。

碳酸盐岩裂隙岩溶水分布于幸福湾—谌家矶一带,分布面积较小,隐伏于地下,呈北西西向条带状分布。地下水赋存于石炭系—三叠系碳酸盐岩溶蚀裂隙中。含水层顶板埋深23.1～45.85 m,单井涌水量1～10 m3/d·m。

1.4 特殊性岩土

研究区特殊性岩土主要有人工填土、膨胀土和软土三种类型。

人工填土成分杂乱无章,堆填时间长短不一,工程性质不稳定,力学性质各向异性,表层填土多以0～2 m为主,局部厚度较大,最大达5 m左右,全区均有分布,深厚填土性质不稳定,大部分尚未完全固结,对工程建设可能造成不良影响。膨胀土在本区主要是上更新统下蜀组(Qp3x)中的粘性土,分布范围较广,因富含膨胀性的粘土矿物如蒙脱石、伊利石,是膨胀土胀缩变形的物质基础。老粘土胀缩变形可使市政道路等线性工程、建筑物变形或破坏,边坡失稳导致滑坡、崩塌等地质灾害的发生,特别是对低荷载建筑物具有很大的破坏性。软土主要为陆相沉积,区内软土主要为淤泥质土和淤泥,沿江、河一级阶地及湖泊周边地段都有较大范围的分布,软土埋深一般2～3 m,厚度一般3～5 m,软土层一般为单层,对地基的稳定性不利。

2 评价模型与方法

利用层次分析法(AHP)构建长江新城起步区地质资源环境承载力评价指标体系,并对其权重进行计算,再结合综合指数法,利用GIS技术,对长江新城起步区地质资源环境承载能力进行等级划分。

2.1 评价指标体系构建

影响地质资源环境承载力强弱的因素有很多,但主要有三个方面：一是构成地质环境的基本条件；二是地质环境中赋存的资源；三是地质环境中存在的环境地质问题及由此导致的地质灾害。其中地质环境条件决定了人类工程经济活动和城市发展的基本限度(基本承载力),一般可从区域地壳稳定、地形地貌、岩土地基三个因素来考量,地壳稳定性主要通过断裂构造和地震,而特殊性岩土主要包括人工填土、软土和膨胀土,本区内填土厚度总体较薄,对地质环境、工程建设及人类活动均无明显影响,因此本次不作为考虑因子参与评价；而地质资源是促进人类经济发展和城市建设的有利因素,从而可以使发展的限度放宽,使地质资源环境承载力得以提升,一般从人类必须的淡水资源、土地资源、矿产资源、矿泉水与地热资源、地质遗迹资源五大资源来考核,本项目因区域面积较小,地质资源分布有限,且变化较小,故仅从地下水、浅层地温能两个方面来考核；环境地质问题与地质灾害则是城市发展的不利因素,限制了人类工程经济活动与城市发展,从而使发展的限度收缩,使地质环境承载力降低,项目范围内较突出的环境地质问题为隐伏岩溶、地下水污染两方面。

结合武汉市长江新城的地质环境特点和层次分析法原理,将研究区评价指标分为目标层、准则层和指标层。地质资源环境承载力即为目标层；将地质环境条件、地质资源、环境地质问题定为准则层；地质环境条件包含有地形坡度、断裂构造、地震烈度、软土、膨胀土五个指标,地质资源包括地下水可开采资源量、浅层地温能两个指标,环境地质问题包含隐伏岩溶塌陷、地下水污染两个指标(表1)。

表1 地质资源环境承载力评价指标体系Table 1 Evaluation index system of bearing capacity of geological resources and environment

2.2 评价指标量化

由于中国在地质环境承载力评价指标方面尚没有比较标准的技术规范,因此,本文主要根据长江新城起步区的地质环境基础数据,结合其评价影响因子的属性,将各评价因子的属性参数划分为若干个范围,各参数的变化范围或属性等级给予1～10之内的不同分值构成评分体系。由于各评价因子属性的不同,因此划分的范围和等级也从2级到5级不等。本次采用的地质环境承载力评价指标量化赋值(表2)。

2.3 数据来源与处理

(1) 地质环境条件。地形坡度根据地形图中等高线矢量化,进行坡度计算。对该区地质灾害进行资料收集,并结合地面调查核实补充地质灾害点的数量、规模与分布。

(2) 地质资源。对研究区范围内不同含水层布设水文钻孔,进行抽水试验,计算单位涌水量和影响半径。根据研究区地形地貌、地层岩性特点,基岩山区选取枯季径流模数法,第四系平原区采用平均布井法,调查区地下水可开采资源量主要为松散岩类覆盖区。在计算天然补给资源所划分的计算分区内,采用稳定流平均布井法(正方形布井)计算可开采资源量。

浅层地温能通过该区钻孔取样,进行热物性检测,结合长江新城起步区浅层地温能开发利用适宜性区计算浅层地温能热容量。

(3)环境地质问题。岩溶地面塌陷受下伏碳酸盐岩岩溶发育程度,上覆松散盖层的工程地质性质以及裂隙岩溶水、孔隙水、地表水三者之间的循环共同影响。根据下伏基岩岩性、上覆盖层厚度、岩溶发育程度、褶皱断层发育情况、地形地貌、地下水位变化以及上覆人类工程建筑重量进行隐伏岩溶塌陷判断。

对水文钻孔和机(民)井采集水样并进行水质全分析和有机物检测,测区共采集18组无机水样、11组有机水样、16组微量元素水样。本次评价在系统收集、总结研究区已有的水文地质调查、地下水质量评价及地下水水质监测所取得的资料和成果的基础上,以本次地下水质量调查资料为主要评价依据,按照《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017),参考结合研究区水文地质条件,对研究区地下水质量进行评价，结果见表3。

表2 地质环境承载力评价指标量化赋值Table 2 Quantitative evaluation of bearing capacity of geological environment

表3 地下水评价结果汇总表Table 3 Summary of groundwater assessment results

2.4 评价方法

2.4.1评价单位划分

由于本次研究区面积较小,且行政区划范围不清晰,对长江新城起步区的地质资源环境承载力进行评价研究时,要对研究区进行规则或不规则的单元划分,将其分成数量众多的矢量单元。本报告采用栅格处理方法,按200 m×200 m的方格对区内面积划分,形成对面积不足一个单元的,按一个评价单元格计算,共将长江新城起步区划分为865个小单元(图2),所有评价指标的矢量数据均按此栅格模型栅格化生成评价数据层。

图2 长江新城起步区评价单元划分
Fig.2 Division of evaluation units in the starting area of Changjiang New Town

2.4.2评价单元计算

采用AHP层次分析法确定评价因子的权重,最终确定了长江新城起步区国土空间适宜性评价体系的指标及权重,具体如表4所示。

表4 地质环境承载力各评价指标权重值Table 4 Weight value of each evaluation index of geological environment bearing capacity

根据所选取的9个评价指标,分别建立数据层,运用GIS空间叠加功能,对地质环境承载力进行综合加权求和,得到上述指标因子的评价结果,最终得到区内地质环境承载力的高低,可用以下数学模型表示。

PZ=∑(wi*ci)

式中：PZ——单元地质环境承载力分值；wi——第i个评价指标的权重；ci——第i个评价指标的分值。

通过上述模型的计算方法,将得到的每个单元的地质环境承载力评价指数PZ数值范围划分为三级,划分等级见表5。

表5 地质环境承载力等级划分Table 5 Classification of bearing capacity of geological environment

3 评价结果与分析

3.1 评价结果

将地质环境条件、地质资源、环境地质问题三个准则层下9个指标加权求和,最后得出研究区地质资源环境承载力评价分值,将其划分为3个分区,分别为：Ⅰ类区域—承载力强区、Ⅱ类区域—承载力较强区、Ⅲ类区域—承载力一般区。根据《武汉市市区河道堤防管理条例》,堤防内作为保护区域,本次评价扣除研究区内水域及堤防面积,总面积为44.42 km2,评价结果显示见图3,各分区面积及占比见表6。

Ⅰ类区域主要位于研究区北部八一农场北—刘家大湾、胜家海、项家汊一带,以及研究区西南堤角后街—肉联村一带,分布面积为9.38 km2,占总评价面积的21.1%,为本区地质条件总体较好,区内基本无不良地质现象,构造简单,地基承载力相对较高,工程上无需采取过多防范措施,基础工程造价相对较为经济,且本区域浅层地温能具一定开发潜力,地下水资源较好,综合地质资源环境承载力强。

图3 长江新城起步区地质资源环境承载力评价图
Fig.3 Assessment map of geological resources and environmental bearing capacity in the starting area of the Changjiang New Town

1.承载力强区；2.承载力较强区；3.承载力一般区。

表6 地质环境承载力分区面积及占比表Table 6 Geological environment bearing capacity partition area and proportion

Ⅱ类区域主要位于滠水北—汉口北大部分区域、双桥村、幸福湾—肉联村北一带,分布面积为18.11 km2,占总评价面积的40.8%,本区总体地质条件较好,局部地区发育一定厚度(5～8 m)的软土,构造相对简单,综合地质资源环境承载力较强。

Ⅲ类区域位于研究区西南南湖村、中部谌家矶—滠水河两侧、武湖街道及东北角冯家咀湾,分布面积为16.93 km2,占总评价面积的38.1%,区内地质构造相对较复杂,软土较厚(>8 m),且研究区西南部广泛发育隐伏岩溶,地下水受污染程度也较高,综合地质资源环境承载力一般。

3.2 现状分析

根据遥感解译长江新城起步区土地利用类型分布情况(图4)。研究区人类活动建设频繁,建筑用地分布广泛,其中住宅用地主要集中于南侧,耕地主要分布于北侧。对应其地质资源承载力评价分区情况,在地质资源环境承载力一般区,主要为住宅、商服用地以及耕地,工矿用地则多分布于承载力较强区。承载力强区主要为耕地和公共用地,城市开发利用程度较低。

图4 长江新城起步区遥感解译土地利用现状图
Fig.4 Remote sensing interpretation of land use status in the starting area of Changjiang New Town

1.耕地；2.林地；3.商服用地；4.工矿用地；5.住宅用地；6.公共用地；7.交通用地；8.水域及水利；9.其他土地。

综合评价结果,总体上Ⅰ类区域综合地质资源环境承载力强,可适当增加规划力度,适宜开展高密度、中高层大型工程建设,可增加区域人口密度；Ⅱ类区域综合地质资源环境承载力较强,可规划规模大、载重大、重要性高的建(构)筑物,但在具体工程建设前要加强勘查,对软土等问题做好相应的处理措施；Ⅲ类区域综合地质资源环境承载力一般,本区域为当前长江新城起步区的主要居民区,多为低矮建筑群,高层建筑比较少,若规划载重大、重要性高的建(构)筑物,必须加强软土处理措施,并实施严格的变形监控,严控在本区内过度取水造成地下水力学性质变化,从而造成不均匀沉降的发生；对岩溶区要充分查明溶洞的发育情况,并做好相应的处理措施,另外建议要适当控制本区内人口密度。