基于工程地質環境的沉陷區景觀生態安全格局
——以北京門頭溝區東龍門為例

張曦沐，張國鋒，柴華彬

(1.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，北京 100083；3. 河南理工大學測繪學院，河南 焦作 454003)

伴隨著煤炭的開采，礦區的地質環境、水文狀況被改變，沉陷的土地量逐漸增多，環境發生了很大變化。沉陷區人居環境改造問題，已成為礦區亟待解決的問題，而生態景觀是塑造良好人居環境的重要內容。目前，在采煤沉陷區人居環境改造過程中，運用景觀生態學原理對沉陷區的景觀格局變化、景觀生態重建模式做的相關研究[1-5]，主要是從土地復墾角度出發，為恢復礦區的生態環境、礦區土地復墾規劃及土地管理提供指導。其研究成果，對沉陷區調整合理的景觀格局，優化景觀整體功能，也有一定幫助。本文從構建景觀生態安全格局的角度，對門頭溝東龍門沉陷區的生態景觀進行探討，認為以沉陷區工程地質環境區劃為基礎，利用不同區劃的特點，構建沉陷區景觀生態安全格局，是保障礦區人居環境的生態安全的有效途徑。

1 工程地質環境區劃與景觀生態安全格局

1.1 工程地質環境區劃

沉陷區工程地質環境區劃，是一種基于沉陷區工程建設需要，以地表穩定性為核心指標，結合多種環境因素，將沉陷區土地進行分類的區劃方法。具體來說，是指根據對沉陷區域的地質力學研究及沉陷區歷史地質災害的研究，通過采用地質力學、數值計算、數學統計等分析手段，對地面工程活動、地質構造、地下水、礦震頻發、煤層開挖等對沉陷區穩定性有重要影響的因素進行相應的評價。并在此基礎上，運用模糊綜合評價法，對沉陷區做出工程地質環境質量分析，將沉陷區土地劃分成良好區、中等區、較差區三種不同質量等級的環境區域，使沉陷區土地更好地適應沉陷區人居環境建設的需要。

沉陷區工程地質環境質量區劃的劃分標準，主要取決于區域地殼及場地穩定性、地形地貌條件、地基巖土條件三個方面。區域地殼及場地穩定性反映了工程建設的總體地質構造環境的優劣,它往往對工程建設規劃起決定性的作用。影響區域地殼及場地穩定性的主要因素較多, 但最主要的因素是地震效應、活動性斷裂以及地質災害。地形地貌條件對建設工程規劃和布局起著控制作用，主要考慮兩個因素：①地形坡度； ②地貌類型。地基巖土體性質影響工程建設的質量與工程的布局，地基的強度和變形特性是影響地基巖土工程性質的主要因素，其中地基的強度是通過地基持力層承載力及埋深來反映，而變形特征是地基土結構的綜合效應。

沉陷區工程地質環境區劃，是科學構建沉陷區生態景觀的基礎和前提。

1.2 景觀生態安全格局的涵義

景觀生態學認為，景觀是若干個生態系統(自然的和人工的)組成的具有空間異質性的區域。景觀格局的優劣，是衡量生態過程能否良性發展的重要內容；景觀格局是景觀組成單元的空間分布，是景觀結構在二維平面上的直觀反映。特定的景觀格局是在景觀生態過程中長期作用下形成的，并影響著當前景觀生態過程的正常作用，進而影響到景觀中生物個體、種群、群落、生態系統的生存和穩定。北京大學俞孔堅教授針對景觀規劃設計的種種誤區，提出景觀生態安全格局的理論。該理論認為：在景觀格局形成過程中，有一些空間位置對生態過程有重要作用，具有戰略意義。這些關鍵性的空間位置和它們之間的相互聯系所形成的格局，就是景觀生態安全格局，他們對維護和控制生態過程具有非常重要的意義[6-7]。

典型的生態安全格局，包含以下幾個景觀組成部分[8]：源。現存的鄉土物種棲息地，他們是物種擴散和維持的原點；緩沖區。環繞源的周邊地區，是相對的物種擴散低阻力區；源間連接。相鄰兩源之間最易聯系的低阻力區；輻射道。由源向外圍景觀輻射的低阻力通道；戰略點。對溝通相鄰源之間聯系有關鍵意義的“跳板”。

景觀生態安全格局理論的提出，意在用最少的土地，來獲取最大的安全空間。對在土地有限的條件下，實現良好的土地利用格局，保障安全和健康的人居環境，實現人居環境的可持續性，有效地阻止生態環境的惡化有著重要意義。

2 門頭溝區東龍門工程地質環境區劃

通過地質災害調查及地球物理勘探，東龍門地下采煤活動主要為深部國有礦山開采，淺部不明老、小窯開采規模很小且未對地表造成危害。因此，工程地質環境區劃，重點分析深部大規模的采空區對地表穩定性的影響。

2.1 采空區地表變形預測

東龍門地表變形比較特殊，觀測沉陷量最大只有40 mm，根據實際開采量，地表變形值不符合一般沉陷規律。經過地表及巖層的移動規律和數值模擬計算發現，在埋深為198m、厚度為36m的第五層巖層，存在著厚度較厚、巖性較硬的關鍵巖層。根據關鍵層理論的研究[9]，關鍵層對采場上覆巖層局部或直至地表的全部巖體起控制作用，下部巖層的變形與關鍵層之間產生離層空間，離層盆地的變形將對地表的穩定性產生重要影響。通過運用概率積分法，預測五個煤層采空區對離層盆地的影響，得到最終關鍵層下離層盆地移動和變形的最大預測值(表1)。

根據煤層深部采空區對離層盆地移動和變形的影響預測、煤層采空區的疊加影響預測、覆巖離層的數值模擬結果對規劃區地表影響分析，結合五個煤層中采空區的地質采礦條件，以及其與規劃區的空間位置關系，地表穩定性影響程度劃分為輕度影響區、中度影響區和重度影響區三類。其中，中等嚴重區面積占規劃區總面積的9.4%，較嚴重區占50.3%，輕微區占40.3%。

表1 五個槽煤采空區引起的離層盆地的最大移動變形預計結果

2.2 工程地質環境質量區劃

東龍門改造工程建設規劃區內，無活動性斷裂分布，地震基本烈度為Ⅵ～Ⅶ度，區域地殼屬基本穩定區。由于長期采煤活動，地下形成的大量采空區，是場地穩定性最主要的影響因素。因此，主要選取采空區空間分布特征、采空區規模尺寸及采空區地面變形3個因素，作為場地穩定性的評價指標。由于規劃區地下水位埋深較大(地面100m以下)，地基方面不考慮地下水對地基的不良作用。東龍門改造工程建設規劃區地質環境質量評價指標體系及分級標準見圖1、表2[10]。

在此基礎上，通過層次分析模糊綜合評判方法(AHP-Fuzzy法)計算，將東龍門規劃區地質環境質量劃分為三個等級，即地質環境質量良好區(Ⅰ)、中等區(Ⅱ)、較差區(Ⅲ)。依據地質環境問題差異，再將中等區(Ⅱ)劃分為兩類亞區(圖2)。各區地質環境特征見表3。

3 門頭溝區東龍門景觀生態格局適宜性

3.1 總體景觀生態安全格局的定位

東龍門位于低山區到永定河洪沖積平原的過渡地帶，地勢由北向南逐步遞減，海拔最高約為188m，海拔最低約為120m，地質環境總體來說屬于低山丘陵地帶。根據東龍門的地質環境區劃特征分析，東龍門大部分區域在淺部基本無采空區分布，深部采空區埋深在200m以上，地面穩定，地形較平坦，地基持力層埋藏較淺，承載力在200kPa以上，適宜作為工程建設用地，是以良好區為主，空間分布較集中的采煤沉陷區。由于臨近山區，生態環境相對敏感而脆弱，其人居環境的開發建設，宜加強生態環境的保護。因此，東龍門總體景觀生態格局的定位，適宜延續北面九龍山自然地理的山水格局，建設以自然綠地為基質，以道路、林帶為廊道，以小型低層住宅組團為斑塊的生態社區景觀結構模式。

圖1 工程地質環境質量評價體系框圖

表2 東龍門改造工程區地質環境質量評價指標及分級

圖2 東龍門棚戶改造工程區工程地質環境質量分區圖

表3 工程地質環境質量評價結果表

3.2 針對不同區劃的景觀安全生態格局策略

(1)利用較差區，建設大中型生態斑塊，作為生態源

從地質環境區劃可以看出，東龍門較差區面積較小，集中在北部山區，地形起伏，坡度大，且地下深部有采空區分布，地面有沖溝，處于次穩定狀態，不利于工程建設。立足景觀生態學原理，利用北部較差區作為生態源。源是建立景觀生態安全格局最基本的要素，利用較差區培育種群源，建設生態緩沖帶和生態公園，使之成為東龍門社區綠地系統的發源地。綠地是承載景觀生態要素的主要載體，其布局是否科學、合理，直接關系到社區的生態環境和居民的生活環境。以北部較差區為生態源點，建立輻射的生態廊道，連接周圍區域，將對整個區域的綠化系統產生良好的影響。東龍門較差區生態源的人為設計，必須與自然的山水格局相適應，生態源應具有原始景觀的自然本底及鄉土特性，植物種類也應首先選擇本地物種，保護和建立多樣化的鄉土生境系統，建構地區性植物群落，對于發揮生態源的生態作用，具有重要作用。

(2)利用中等區，建設生態緩沖區和小型自然斑塊

東龍門中等區分布分散，其中共有三塊點狀形態的中等區，位于南部和中部邊緣地帶，是低緩坡地和臺地，且三者呈點狀分布，地勢較平坦，面積不大，適宜建設小型自然斑塊，可通過規劃廊道，使斑塊形成串聯態勢。位于中部的呈東西向條帶狀地段，低緩坡地，深部100m以上有采空區分布，適宜建設生態緩沖區，作為北部生態源緩沖地帶，并可將緩沖區進一步向南伸展，與南部的斑塊連通，使社區形成更整體的生態環境。

(3)增建小型自然斑塊和生態廊道改善良好區的生態環境

東龍門良好區面積較大，適宜通過規劃選擇重要的景觀戰略點，增加建設小型自然植被斑塊，同時結合道路培育新的生態廊道，加大生境的連接度。這些小型自然斑塊既是次種源，也是生態跳板。此外，小型自然斑塊可具有相對獨立的自然生態特點，對于改善小氣候環境，促進生物多樣性，提高環境生態效能，有明顯的積極作用。這些小型的自然斑塊和廊道，不僅保證生態景觀的異質性，而且人們的可達性強，最易被居民體驗和感受，構成東龍門景觀生態格局中的細部感知層次。

(4)利用不同區劃邊界，建設生態緩沖區

東龍門不同區劃交界處，由于地表沉陷程度不同，不宜建設建筑物，但適宜發展生態緩沖帶。也可以結合景觀道路，建設生態廊道，培育生態節點，在道路的交叉處建設廣場和小公園等綠色節點。

(5)利用沖溝，建設生態廊道

東龍門良好區和較差區中，均有沖溝分布，沖溝長度不等，深度較淺，溝中無水，是城子河的匯水支流。沖溝發育是水土流失的一種重要表現形式，沖溝越發育，所表現出來的水土流失越嚴重，可能引起的山地自然災害強度、發展速度、頻率就越大，是生態敏感地帶。對于良好區的沖溝改造，適宜在兩側邊坡建設生態防護綠地，種植一定寬度的植物，使其成為東龍門景觀中重要的生態廊道，既能起到斑塊間的物種聯系通道的作用，又有生物的阻隔過濾作用。建筑退后沖溝布置，治理后的沖溝可作為居住組團的半開敞公共綠地，實現生態、經濟、景觀效果的良好結合。對于較差區的沖溝改造，適宜根據生態源的建設靈活確定。

4 結 語

建設礦區良好的人居環境，需要對沉陷區地質環境進行深入研究，這是實現礦區可持續發展戰略中，迫切需要解決的現實問題。本文通過對門頭溝東龍門工程地質環境的研究，將其劃分為工程地質環境質量良好區、中等區和較差區。并利用不同區劃的特殊性，結合當地的地形地貌等條件，提出構建沉陷區景觀生態安全格局的策略。不僅有利于沉陷區生態景觀的創造，提高沉陷區生態環境穩定性，滿足人們回歸自然的心理需求，而且有利于以較少的土地保障礦區的生態安全，是建設沉陷區良好人居環境的有效途徑。

本文在寫作過程中，得到中國礦業大學(北京)何滿潮教授、高延法教授的悉心指導和幫助，在此深表感謝。

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