城市地质环境安全性评价指标体系研究

2020-08-06曹二涛

铁道勘察 2020年4期

曹二涛张弛张华

(中国地质矿业有限公司，北京 100029)

1 概述

城市是人类文明的标志，地质环境作为城市发展的重要载体，可为人类生产生活提供水源、土地、矿产等资源，另一方面，也通过一系列不良地质现象(如地震、滑坡、泥石流、地面塌陷、水土污染等)威胁着城市的安全。近年来，我国相继发生汶川地震、玉树地震、舟曲泥石流等地质灾害造成了人民生命财产的极大损失。因此，如何预防、规避重大地质环境问题，保证城市地质环境安全，成为快速城市化进程中对地质工作的迫切需求[1]。

长久以来，美国、英国、德国、日本等发达国家在城市安全方面注重通过减灾规划和土地规划来降低区域灾害，强调灾害风险控制的最有效手段就是通过土地利用规划手段来限制土地开发行为，并形成相对成熟的城市安全评价和管理体系[2]。我国城市地质工作起步较晚，目前，与城市地质环境安全相关的工作还主要集中在单一方向上的研究[3]，例如城市地质资源供给、城市工程地质、矿山地质环境、地质灾害等方面[4]，尚未形成统一的城市地质环境安全综合评价方法体系。此外，我国地质环境问题种类多、发生频率高，再加之许多地质环境脆弱地区分布有大量人口，使得其危害更为巨大[5-6]。因此，必须设法查明影响城市安全的地质环境问题，研究其影响机制，并形成可参考指标体系，从而为安全性评价提供基础。

以下对城市地质环境安全性评价的概念及其内涵进行探讨，并从城市建设与地质环境相互作用机制的角度出发，通过分析影响城市安全的地质环境要素，梳理城市地质环境安全性评价的思路，提出评价指标体系，对促进城市地质环境安全评价工作的开展具有重要意义。

2 城市地质环境安全性评价

2.1 概念

广义来说，地质环境评价是对地质环境形成条件、结构、状态、功能的现状进行分析，在自然条件和人类活动影响作用下，对可能发生的变化趋势进行预测，对其与社会经济发展活动的协调进行定性或定量的评估[7]。

城市地质环境评价是地质环境评价的一个子类，基于城市开发建设的目的，对城市地质环境的优劣程度进行描述[8]。按照不同的分类方法，城市地质环境评价的类型有很多，其中最主要的类型有：安全性评价、适宜性评价、质量评价和风险评价[9-10]。

城市地质环境安全性评价是指综合运用地质学和环境地质学的理论方法，从城市建设和人居环境安全的角度出发，在地质环境系统调查与分析基础上，对地质环境进行定性或定量评价，确定不安全区域及其可能的影响范围，提出必要的预防、避让、控制对策。开展城市地质环境安全性评价对于城市规划、建设、管理具有重要的基础性意义，特别是对于合理确定城市建筑物抗震设防标准，确定工程建设和人类活动规避范围都具有重要意义，同时对于提高我国对地震等自然灾害的防灾减灾能力也有重要的作用[11]。

2.2 内容

就地质环境安全问题表现形式而言，安全性评价总体上可以归纳为“地质结构安全性评价”和“地球化学背景安全性评价”两个方面，前者是物理层面，主要体现为地壳安全与地表地质安全；后者为化学层面，主要体现为水、土原生地球化学背景和污染现状对人类健康生活的影响。

3 城市地质环境安全性评价指标体系

3.1 城市地质环境安全问题分析

为了合理构建评价指标体系并准确表征评价指标的性状，有必要对地壳安全、地表地质安全和地球化学背景安全三类问题的发生机制、表现形式、危害程度等分别进行分析。

(1)地壳安全性

地壳安全问题由地球内动力地质作用所产生，如地震、火山、活动断裂等。对我国城市而言，主要体现为地震与活动断裂的威胁。我国有1 /3的大城市和2 /5的中等城市处在地震基本烈度为Ⅶ 度和Ⅶ 度以上地区。地震通过地震波直接破坏建筑物，或者衍生出地质灾害对城市造成破坏。故可以在地震地质和现代构造活动调查研究的基础上，以基本烈度为主要指标，并参照地震活动周期和断层活动速率、地形变速率以及地应力等测量资料来确定地壳的稳定性。

活动断层对城市安全的威胁体现在两方面，一是断层所带来的直接危害，即活动断层的地面错动及其附近的伴生地面变形，往往会直接损害跨越断层修建或建于其附近的构筑物；二是断层活动所伴生的次生危害，如粉碎其附近岩土体、诱发断裂带次生地质灾害等。

(2)地面安全性

地表地质安全指在内、外动力(以外动力为主)地质作用或人类活动影响下，地壳表面的安全程度，其危害主要表现为通过地表形变直接或间接破坏建筑结构。地表地质安全涉及的内容十分广泛，如自然或人为诱发的崩塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷、砂土液化、地面塌陷、地面沉降、地裂缝等。此外，洪灾危害也是地表安全需要考虑的重要内容，其衡量指标为地面高程与洪水位的相对高差，对于有可能发生洪水灾害的城市，其建筑不应布设在地势较低的区域。

(3)地球化学安全性

除了上述两类显性的地质环境安全问题以外，有害元素的迁移、富集等隐性地质环境问题也会影响人类健康安全。如放射性或者有毒元素超标、某些化学元素的严重不足或显著偏高、以及常规元素构成致病组合等[12]。由此造成的地方病在我国部分城市仍有分布，其中，地方性砷中毒、氟中毒和大骨节病是我国主要的地方病病种[13-14]。与此同时，人类活动造成的水土环境中超标的有害重金属、有机物、微生物等也严重威胁着城市居民的健康[15]。此外，地下水中过量的酸性成分会对地基形成侵蚀危害，如地下水中含有的二氧化碳与混凝土中的碳酸钙反应形成重碳酸钙，从而破坏混凝土结构;酸性水或含有游离氧的地下水对钢铁有较强的腐蚀作用。

3.2 城市地质环境安全性评价指标体系

城市地质环境安全问题分析是评价指标体系建立的基础，在具体构建时，要特别体现“重点突出”和“针对性”[16]，即地质环境安全性评价在指标体系选取必须因城市而异、因地区而异、因问题而异。应选择区域内最能体现地质安全的主导因素或因子参与评价，以下将评价指标体系总结为3大类共15项，并将安全程度划分为三个等级，见表1。

表1 地质环境安全性评价指标体系及等级划分

4 城市地质环境安全性评价思路与流程

4.1 评价思路

城市地质环境安全性评价是在搜集研究区已有资料与野外调查的基础上，系统分析研究区地质环境现状，确定威胁城市建设的地质环境安全性问题。然后，研究地质安全性问题与地质环境条件(因子、指标)之间的相互作用机制，建立条件与问题的定量对应关系，利用适当的定权及模型方法进行单要素的地质环境安全评价，并绘制单要素等级分区。

4.2 评价流程

通过各地质环境安全性单要素之间的相关叠加分析，展开地质环境安全性综合评价。最后针对评价结果提出城市建设过程中地质安全的对策建议。评价流程如图1所示。

图1 城市地质环境安全性评价流程

5 案例分析

5.1 研究区地质背景

长三角地区地处扬子板块东段，南部以“江山-绍兴”断裂与华夏板块相接，西部、北部分别以“郯庐”断裂和苏鲁造山带与华北板块毗邻。该地区松散土体广泛分布，岩体多呈孤丘零星状点缀于平原之中，主要分布于江苏省域的太湖沿岸带、浙江省域的南部和西部，以及上海市域的西部青浦和松江区境内。

5.2 地质环境安全评价指标体系构建

长三角地区地质条件复杂，人类活动极为强烈[17]，存在的重大环境地质问题主要包括以下几个方面。

(1)活动性断裂

沿江开发带内主要活动性断裂共有11条。历史上发生过多次中强地震，造成严重坍塌和沉降事故。例如溧阳一带于1974年、1979年先后发生的6级和5级地震。

(2)特殊岩土

该区域发育有中-高压缩性的黏性土、松散饱和砂土和膨胀土等类型的不良土体，容易引发各类工程地质问题，如软土不均匀沉降导致建筑物倾斜开裂；松散饱和砂土易发生震动液化，产生“流砂”，造成建筑地基结构破坏；膨胀土易引起地基开裂、塌滑等。长江以南的上海、苏锡常、杭嘉湖地区已有1/3范围累积沉降超过200 mm，面积近10 000 km2。

(3)地下水污染

受农药化肥、生活污水和工业排污影响，城市周边及主要工业区成为污染的主要区域[18]。其中，三氮、COD、砷等指标为主要污染因子，有机污染零星分布。

针对长三角地区城市规划和重大工程建设面临的重大环境地质问题，根据研究区的基础地质、工程地质、环境地质等资料，从地壳安全、地表安全和地球化学安全三个方面，构建了地质安全性指标体系。

5.3 地壳安全性指标及等级分区

在地震地质和现代构造活动调查研究基础上，以基本烈度为主要指标，参照地震话动周期和断层活动速率、地形变速率以及地应力等测量资料，划分地壳安全性级别：基本烈度小于或等于6度为地壳安全区，7～8度为次安全区、大于8度为不安全区。根据长三角地区的地质构造特征和新构造运动与地震活动概况，对长三角地区地壳安全性进行评价，结果如图2所示。

图2 长三角地区地壳安全性评价分区

5.4 地面安全性指标及等级分区

长三角地区地质环境条件复杂，地面破坏类型多样，有崩塌、滑坡、地面塌陷，地面沉降、水土流失、江海岸冲刷淤积、诱发地震等。其中，危害最为严重的地质灾害类型为地面沉降[19]。通过对基础地质条件、灾害发育现状及发展趋势、人类活动程度等地面稳定性影响因素的分析，按照其易发强度或规模划分为安全、次安全和不安全三个级别，结果如图3所示。

图3 长三角地区地面安全性评价分区

由图3可知，上海是我国发生地面沉降现象最早、影响最大、危害最深的城市，江苏的苏锡常地区与浙江的杭嘉湖地区也相继发生了地面沉降现象，地面沉降已直接影响到城市建设，工农业生产和人民生活，并对防洪、排涝和通航能力有较大影响。

滑坡在浙江省内发育较为严重，主要位于山地丘陵地带，在城镇附近和沿海港口码头亦有发生。

5.5 地球化学安全性指标及等级分区

长三角地区是我国人类活动最为剧烈的地区，具有区内地下水污染范围广、污染源分布多、污染物类型多样等特点。

针对长三角地区地下水污染特点，可从地下水防污性能评价角度反馈污染风险。地下水防污性能是指地下水系统抵御污染物进入地下水的能力，反映了人类活动产生的所有污染物进入地下水的难易程度，它与含水层所处的地质、水文地质条件有关。按照地下水防污性能级别，可划分为防污性能高、防污性能中等、防污性能差；分别对应地球化学安全性的安全区、次安全区和不安全区3个等级。

根据长三角地区的地下水条件，采用DRASTIC模型进行地下水防污性能评价，采用了如下几个评价指标：地下水埋深、降雨入渗补给量、含水层岩性、土壤类型、地形坡度、包气带影响、含水层渗透系数。反映地下水在土壤、包气带以及含水层特性等控制因素下对地下水污染的风险(评价结果如图4所示)。

图4 长三角地区地球化学安全性评价分区

5.6 地质环境安全性综合评价与分区

利用地质环境安全性单要素分析成果，基于MapGIS软件平台，采用图形叠置法，开展地质环境安全性综合评价和地质环境安全性等级分区，评价结果如图5所示。

图5 长三角地区地质环境安全性综合评价分区

根据评价结果，对各等级分区进行统计分析，得到以下结果。

(1)地质环境安全区总面积为50 017 km2，占长三角地区陆域面积48.6%，主要集中在泰兴-启东的长江北岸地带和太湖以南广博的平原区。

(2)地质环境次安全区总面积为28 306 km2，占长三角地区陆域面积27.5%。主要分布在研究区西北部，这些区域地形起伏较大，地下水防污性较差，部分地区存在着较为严重的地质环境问题，如地裂缝和地面沉降。

(3)地质环境不安全区总面积为24 589 km2，占长三角地区陆域面积23.9%。主要在沿长江(从南京-镇江，连接苏锡常地区和上海全域)连续分布，同时，在金子岩-黄毛尖一线西北的条形地带及东南沿海区域亦有分布。该类区域内存在严重的地面沉降、地质灾害、地壳稳定性和地下水污染等问题。

根据前述分析，在安全性高的区域，开展相应城市活动较为适合；在次安全区，地质环境条件虽然基本满足城市安全要求，但需要采取一定的工程措施整治后方可建设；而在不安全区，地质环境条件较差，需采取大量工程措施整治后才可建设，若工程治理代价太大或目前的技术方法难以达到理想的治理效果，可将其规划为生态用地，从而保证城市地质安全。