恩施州城地質環境承載力評價

熊華盛, 楊海燕, 彭向陽, 王承鋒

(湖北省地質局 第二地質大隊,湖北 恩施　445000)

0　引言

地質環境是與水圈、大氣圈、生物圈相互作用并與人類活動緊密相關的巖石圈的表層空間,它是人類社會可持續發展的物質基礎和先決條件。人類活動離不開一定的自然環境,且與地質環境的關系尤為密切[1]。地質環境較容易受到人類活動的影響,地質環境的反饋作用即地質環境受人類活動干擾后,對這種干擾所作出的響應。當人類活動的規模和強度超過了地質環境的承受極限后,必然導致地質環境發生變化,對人類活動做出反應。其實質就是地質環境在人類作用力影響下,對物質和能量的輸入與輸出的動態平衡關系進行調整:當人類作用力不大時,通過地質環境內部的調節能力,對外界的沖擊進行補償和緩沖,就可以完成這種調整過程,維持地質環境系統的穩定性,表現為不易覺察的、“隱蔽的”形式;當人類作用力增大,超過地質環境內部的調節能力時,地質環境只有通過劇烈的變動,才能建立起新的平衡關系,反饋就以“顯露的”形式表現出來。極端情況下,地質環境無法再求得新的平衡,此時即以地質災害或生態環境問題的形式顯現。地質環境承載力是指一定時期和一定區域范圍內,以及在一定的環境目標下,在維持地質環境系統結構不發生質的改變,地質環境系統功能不朝著不利于人類社會、經濟活動方向發展的條件下,地質環境所能承受人類活動的影響與改變的最大潛能。地質環境承載力的概念從本質上反映了地質環境與人類活動之間的辯證關系,建立了地質環境與人類活動之間的聯系紐帶。

恩施土家族苗族自治州(簡稱恩施州)位于湖北省西南部,東連荊楚,南接瀟湘,西臨渝黔,北靠神農架,是湖北省唯一的少數民族自治州。因位置偏僻、交通閉塞等多種因素,經濟發展相對落后。近十年來,隨著國家西部大開發、武陵山區扶貧開發試點、龍鳳綜合扶貧改革試點等規劃的實施,恩施州特別是州城經濟社會發展步伐明顯加快。與此同時,人類活動開發、利用和改造地質環境的規模、強度、速率越來越大,地質環境受到的改造和破壞與日俱增,地質環境問題越來越受到社會各界的普遍關注。

恩施州城位于恩施州中部,為一近南北向延伸的條帶狀斷陷山間盆地。盆地內多為低丘、凹槽,恩施斷裂、高橋壩向斜沿北東—南西向貫穿全境,清江自北向南穿城而過。盆地內覆蓋第四系沖洪積層和白堊系跑馬崗組砂礫巖,地下水類型主要包括第四系孔隙水和基巖裂隙水,人類工程活動以房屋建筑和道路工程中的高挖低填為主。本文擬以恩施州城為研究對象,探索丘陵山區地質環境承載力評價方法和評價指標,以便為地區發展規劃擬定提供科學依據,并為類似地區地質環境承載力評價提供有益借鑒。

1　恩施州城環境地質問題綜述

調查研究表明,恩施州城主要環境地質問題包括地質災害防治、地下水資源開發利用與環境保護、城市建設與地下空間開發利用及地質礦業遺跡保護等。

1.1　地質災害防治

恩施州地處鄂西南丘陵山區,屬崩塌、滑坡地質災害極易發區,因此地質災害防治問題是州城主要地質環境問題。調查表明,恩施州城共發育滑坡4處(其中土滑3處、巖滑1處),崩塌4處,巖溶地面塌陷2處,不穩定斜(邊)坡126處[2]。

恩施州城的滑坡、崩塌和不穩定斜(邊)坡主要分布于紅砂巖和碳酸鹽巖地層中,多與切山造地、采礦采石具有一定的聯系。六角亭辦事處原勝利街小學依山而建,開挖坡腳形成20 m左右的高陡邊坡,坡體結構為逆向和橫向坡,1976年6月27日發生災害性滑坡,損壞原勝利街小學教室1間,損失較為嚴重。近年來,因工程建設形成的高陡邊坡遍布州城,最高者超過50 m,坡度超過70°甚至近直立,雖未形成較大規模地質災害,但局部崩落、掉塊事件時有發生。部分地段巖體較完整,應力釋放不強烈,邊坡暫處于穩定或基本穩定狀態,但隨著風化作用和水蝕作用的持續,巖體失穩變形的可能性較大。

州城附近地面塌陷現主要因巖溶作用而成,主要分布在灰巖和礫巖不整合接觸面附近(如恩施衛校)。

1.2　地下水資源開發利用與環境保護

恩施州城地下水以第四系孔隙水、紅層裂隙水和巖溶水為主,除了直接作為資源進行使用外,地下水還被用作淺層低溫能導熱介質。因為對地下水資源的需求不斷增大,地下水開采引發的區域性地面沉降問題將越來越顯著。同時,因地表污水、廢水的不當排放和垃圾滲漏液的影響,地下水水質可能受到污染,與地表水相比,地下水污染問題往往難以得到處置、恢復。而淺層地溫能的不當開發利用除了造成上述兩大問題外,還可能引發地溫場的變化,對城市地下空間的開發利用將會帶來難以克服的障礙。

在州城附近重大工程建設過程特別是地下工程建設(公路、鐵路隧道、地下電站等)過程中,由于深部開挖導致局部地段地下水的徑流路徑發生顯著變化,可能引發地表水漏失、地下突(涌)水等現象,該問題在碳酸鹽巖分布地區產生的可能性較大。

1.3　城市建設與地下空間開發利用中的環境地質問題

恩施州城處丘陵山區,在地面工程建設過程中,高挖低填難以避免,除了產生高陡邊坡之外,還出現了大量的高填方地帶。開挖出來的物質堆填于溝槽地段,堆積體主要由紅砂巖碎塊和粉細砂組成,物質成分極不均一,水穩性差,堆填厚度最大已超過50 m,且施工過程中多未進行有效壓實,其承載能力和變形特性具有較強的空間變異性。如果充分利用該填土層,做到安全可靠、經濟合理,是恩施州城城市建設過程中亟待解決的一個重要環境地質問題。

在上世紀特殊時期,曾開挖了多處人防洞室,近期地下工程建設也形成了多處洞室,這些工程為我們提供了寶貴的地下空間,但是這些地下空洞的存在也增加了誘發地面塌陷的可能性。

1.4　地質礦業遺跡保護

恩施州城主要地質遺跡為丹霞地貌和巖溶暗河系統。

恩施州城地處紅層盆地,主要出露白堊系跑馬崗組(K2p)紅色砂礫巖,在重力、構造、流水、風化及巖溶共同作用下,形成了大砂壩、掛榜巖、月亮巖等多處較為獨特的丹霞地貌,主要分布在清江及其支流兩岸和恩施大斷裂附近,雖分布面積不大,但緊鄰城區,且具有一定的歷史文化價值,構成了恩施州城較為寶貴的自然地質遺跡和較為重要的旅游地質資源。由于前期人類工程活動強度過大、過頻,部分丹霞地貌遭到一定程度的損毀,同時因人工作用形成了新的丹霞地貌,但總體而言資源價值有限,反而形成了地質災害隱患。

恩施州城附近巖溶暗河系統為白果壩—龍鱗宮暗河系統,該洞穴系統全長約20 km,洞穴系統匯集白果壩巖溶系統水流向恩施盆地排泄,位于城西郊麒麟溪源頭的龍麟宮為該大型暗河系統的出口,位于恩施盆地西緣的高橋壩南邊,高程約為490 m。洞體沿北東向張裂隙發育,斷面大致呈拱形,高10～20 m,寬約20 m。水流呈多股跌水狀外泄,雨后估測流量為15～20 m3/s,據歷史記載,特大洪水期洞內水位可上升2 m,流量達200 m3/s,最枯時只有0.80 m3/s。目前僅探測到該巖溶暗河系統出口段、支洞以及天坑,洞穴機械沉積物分布較普遍,為重力崩塌形成的巖塊和粘土混合堆積,連接出水洞與上方干洞之間的支洞內發育大型石鐘乳、石柱,在出水洞口附近有一高約15 m,寬近20 m的鈣華瀑,且具良好的成層現象,記錄了干洞與出水洞之間曾有過水流作用。

恩施州城主要礦業遺跡為鹽水溪,位于城東北郊小渡船辦事處何功偉村馬胡鹽。巴人是中國歷史上古老的“行鹽民族”,后周時恩施曾置鹽水縣。鹽水溪發源于油榨房,長約3 km,寬約2 m,自西北向東南,蜿蜒流淌,在城北一碗水處匯入清江。曾有“打開恩施八口井,餓死云陽一縣人”的說法。南宋時期,云陽人到朝廷告狀,柳州城上的張太守就封了恩施的鹽井。據說上世紀50年代初曾在此處挖掘出鐵鍋,鍋上還有熬制的鹽的殘留,有用麻條石和糯米石灰砌成的井口。鹽水溪經過改道,原河道現已成肥沃良田。現在這里有兩股出水含鹽,終年不干,冬暖夏涼。

2　恩施州城地質環境承載力的內涵

地質環境承載力可以從如下3個方面進行分解[3]:一是可能提供給人類利用的地質資源限值,即水土資源承載力;二是對人類工程活動排放的有害廢棄物的最大容納能力;三是地質環境對人類工程活動的最大忍受程度。

水土資源承載力是某一時間、某一地區的水土資源在一定的時期、一定的生活水平和一定的生產技術條件下,以可持續發展為準則,以維護生態環境良性循環為前提,通過水土資源合理配置后所能承載的人口數量以及對該地區社會經濟發展的最大支持能力。水土資源系統是一個涉及資源、環境、社會、經濟等諸多方面的復雜而又相互聯系的有機整體,其內部結構復雜,各個子系統聯系密切,系統內部要素間也存在相互促進、相互制約的反饋關系,水土資源承載力必須滿足三個條件:社會經濟、人口發展的壓力作用不超過水土生態系統的生態彈性力范圍;水土資源的供給能力大于需求能力,且需求的增長不超過資源再生更新能力;水土環境對污染的容納能力大于污染物的排放量。資源與災害、資源與有害物質的概念都是相對的。

以丘陵山區為例,因不當切坡會導致崩塌、滑坡等地質災害的發生,同時土地資源廢棄,若進行有效治理,既能消除地質災害隱患,還可將廢棄土地變為可利用土地,甚至附加生態價值。又比如,因地下開挖導致地表水漏失,同時存在產生地下突(涌)水的風險,若從改變地下水的徑流途徑角度入手,則既能防治水害,又能充分利用水資源,一舉兩得。由此可知,資源的概念是動態的、多元的。

3　恩施州城地質環境承載力評價

考慮恩施州城環境地質問題的特殊性,一個完善而符合實際的地質環境承載力評價指標體系應包括地下水環境承載力、地面地質環境承載力、地下地質環境承載力和地質礦業遺跡承載力等4個方面,評價結果所圖1所示。

3.1　需求分析

需求分析是區域地質環境承載力評價的第一步。根據恩施州城近期、中期和預期發展規劃,掌握未來城市發展定位、人口規模、總體布局、功能分區和產業發展規劃,結合州城自然、社會經濟發展現狀、水土資源開發利用現狀和已出現的環境地質問題,分析地質資源(主要表現為水資源和土地資源)的總需求量,及各功能區的需求量。

圖1　恩施市城區地質環境初步評價圖Fig.1　Preliminary assessment map of geological environment in Enshi1.承載力低；2.承載力中等；3.承載力高。

3.2　評價指標選取

地質環境承載力評價指標可采用單因素,也可采用多因素,國內很多學者進行了這方面的探索[3]。針對各地質環境承載力要素,選取與相關環境地質問題對應的一級評價指標和二級評價指標,建立評價指標體系如表1所示。在二級評價指標以下,可以根據需要酌情選取三級指標。以邊坡穩定性為例,可以邊坡坡度、高度、巖體結構、地下水特征和安全等級等作為三級指標,基于定性或定量方法獲取對邊坡穩定性的客觀認識。

表1　恩施州城地質環境容量評價指標體系Table 1　Index system of geological environmental capacity in central Enshi

3.3　各因子權重的確定

分析各種人類工程活動對地質環境各要素不同類型、不同程度惡化的敏感程度,藉此不僅可以確定各地質環境質量因子的閾限值,而且有助于更清晰地理解各因子之間的復雜相互作用及其重要性。根據各因子的重要性排序,確定合理的權重。

3.4　評價方法的選取

地質環境承載力評價實質是一個包含多層次的綜合評價過程,僅用簡單化的加權求和難以取得較好的效果,宜選擇分級評價、綜合概括的方法,方可使評價結果更準確,更有針對性,有利于對可持續承載力高低的成因作出更準確的解釋,以便全面了解該區域地質環境承載力狀況,并有針對性地采取相應的措施和對策。

地質環境承載力的評價方法可以借鑒環境承載力的評價方法,常用的有指數評價法、承載率評價法、系統動力學法[4]。系統動力學方法是一種以反饋控制理論為基礎,以計算機仿真技術為手段,通常用以研究復雜的社會經濟系統的定量方法。自20世紀50年代美國麻省理工學院福雷斯特教授創立以來,它已成功地應用于企業、城市、地區、國家甚至世界規模的許多戰略與決策等分析中,被譽為“戰略與決策實驗室”。這種模型從本質上看是帶時間滯后的一階差微分方程,由于建模時借助于“流圖”,其中“積累”、“流率”和其它輔助變量都具有明顯的物理意義,因此可以說是一種布告同實際的建模方法。指數評價法是將地質環境系統分解為若干子系統,對各子系統分別選取有代表性的評價項目(因子),并將其表現程度進行等級劃分,給出歸一化指標。將同一子系統內各評價項目的指標值按權重進行疊加,得出一個子系統評價總指標。再將各子系統評價總指標按權重疊加,得出每個評價單元的地質環境質量指數,以反映評價單元的質量狀況。地質環境質量指數(geological environment quality index)是在研究地質環境質量時,依據某種環境質量標準,用某種計算方法求出的簡明、概括地描述和評價地質環境質量的數值。

嚴格說來,評價指標體系是與一定的評價方法相適應的。同時,評價方法也會因評價指標體系的構成不同(如因子的相關與否),而必須有所不同。考慮到問題的復雜性、資料收集的翔實程度,可采用定性與定量相結合的評價方法。這里,定量往往只不過是定性判斷和推理的量化表達。所以本質上是屬于定性推理方法。由于影響地質環境承載力的因素眾多,不同類型人類工程活動對地質環境各因素的敏感程度也不相同,所以很難找到一個統一的數學表達式來作為評價方法或模型。恩施州城地質環境承載力評價這一命題的復雜性,決定了其評價方法實則是一個方法集合。

4　結語

地質環境承載力評價是一個隨著經濟社會發展而出現的一個全新領域,評價理論和技術方法均處于探索階段,需要大量的工程實踐檢驗指標體系的合理性和完備性,檢驗評價方法的有效性和適宜性,通過不斷完善修正,最終形成一套行之有效的綜合評價體系。本文分析了恩施州城主要環境地質問題,闡述了其地質環境承載力的內涵,并進行了地質環境承載力評價,對丘陵山區城市建設的合理規劃布局、地質資源的高效可持續開發利用和地質環境的保護均有重要的指導意義。

參考文獻：

[1]王思敬.中國城市發展中的地質環境問題[J].第四紀研究,1996,16(2):115-122.

[2]王賢祥，周常炎.湖北省恩施市城區地質災害詳細調查報告[R].恩施：湖北省第二地質大隊，2012.

[3]魏子新,周愛國,王寒梅,等.地質環境容量與評價研究[J].上海地質,2009,30(1):40-44.

[4]王儉,孫鐵珩,李培軍,等.環境承載力研究進展[J].應用生態學報,2005,16(1):768-722.