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福建東山島地質災害特征與成因初探

2015-10-24 07:00:14劉樂軍高珊李培英高偉李拴虎李萍陳本清杜軍
海洋學報 2015年1期

劉樂軍,高珊,李培英*,高偉,李拴虎,李萍,陳本清,杜軍

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;2.中國環境科學研究院,北京110000;3.國家海洋局第三海洋研究所,福建廈門361005)

福建東山島地質災害特征與成因初探

劉樂軍1,高珊1,李培英1*,高偉1,李拴虎2,李萍1,陳本清3,杜軍1

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東青島266061;2.中國環境科學研究院,北京110000;3.國家海洋局第三海洋研究所,福建廈門361005)

海島是海上陸地國土和人類開發海洋的遠涉基地及前進支點。海島大幅度地快速增長的開發活動與工程建設使脆弱的海島生態環境正遭受到嚴重威脅。東山島是福建第二大島,近10年隨著水產養殖與育苗、風電建設、環島公路和房地產開發等海島利用和開發強度的加大,海島地質災害及潛在風險陡增。基于現場調查和遙感影像解譯,分析東山島賦存的地質災害類型及其分布,初步探究了主要地質災害的誘因,為更有效地保護和可持續性開發東山島,制定合理長效規劃、防災與減災對策提供準確依據,并為福建及周邊基巖島的地質災害調查與防治提供實測數據參考。

東山島;地質災害;成因機制

劉樂軍,高珊,李培英,等.福建東山島地質災害特征與成因初探[J].海洋學報,2015,37(1):137—146,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.014

Liu Lejun,Gao Shan,Li Peiying,et al.Characteristics and genesis of geological hazards in the Dongshan Island,Fuj ian Province[J]. Haiyang Xuebao,2015,37(1):137—146,doi:10.3969/j.issn.0253-4193.2015.01.014

1 引言

海島作為海上陸地國土和人類開發海洋的遠涉基地及前進支點,日益成為促進未來經濟社會與生態環境和諧發展的主要載體。海島開發的力度與強度越來越大,這對海島生境的影響也日益突顯。海島開發利用對地質災害的誘發逐漸為國內外研究學者所關注,分析研究多集中于自然和人為作用力造成的海島地形地貌、水土流失和濕地退化等轉變所引發的旅游安全和開發建設危害。Sanjeev[1]和Ghina[2]分別探討了風暴潮對毛里求斯和馬爾代夫海島地貌改變和安全旅游可持續發展的影響;Gladstone[3]研究紅海地區海島地質災害形成機制及潛在的危害;Meheux和Parker[4]對南太平洋瓦努阿圖島的研究表明必須對海島的地質災害進行調查,并分類分區提出針對性防護,以便有效減少地質災害帶來的損失。Tsai和Chen[5]建立地震災害風險評估模型,對地震災害對臺灣島旅游影響進行了評估并檢驗模型的有效性和適用性。詹文歡等[6—7]總結了廣東珠江口海島的地質災害,林明太等[8]利用GIS和RS等技術研究了湄洲島水土流失及災害原因;林心仁[9]和劉建輝等[10]研究了平潭島海岸侵蝕災害的特征,探究了其成因機制。

已有研究發現,由于海島自身地質背景和所處氣候帶的不同,地質災害的類型和引發的危害也紛繁復雜。需根據海島迥異的地質背景、環境條件、人類開發和利用海島資源的方式與強度等進行實地地質災害研究。

東山島屬基巖型大陸島,位于新華夏構造帶的東南部,島內地貌以丘陵、臺地和海積平原為主,岸線曲折,港灣眾多。20世紀90年代之前以農業種植、捕撈和水產養殖為主的開發方式對其地質環境影響較小。近年來隨著海島公路和風電站的建設、采石開發、海水養殖和碼頭建設等開發活動,引發的地質災害成上升趨勢,即威脅海島居民的生命財產,也影響海島旅游生態環境。已有國內學者對東山島的地質災害開展了調查和研究[11—13],發現砂礦開采引發海水入侵和海岸侵蝕等地質災害。本文依據現場調查數據和遙感解譯,對比東山島歷史研究文獻與調查資料,系統地闡述了東山島發育的地質災害類型、分布和特征,初步探究了主要地質災害的誘因,為更有效地保護和可持續性開發東山島,制定合理長效規劃、防災與減災對策提供準確依據,并期望為福建及周邊基巖島的地質災害調查與防治提供實測數據參考。

2 東山島概況

東山島位于福建省南部沿海,東側與臺灣隔海相望,西北以八尺門海堤與漳州云霄縣相通,西側為詔安灣,東北側為東山灣,東南側有南澎列島(圖1)。岸線類型主要分為人工、基巖、砂質、紅土岸線。它是全國第六、福建省第二大海島,總面積172.53 k m2,設有國家經濟開發區、旅游經濟開發區和7個鎮,總人口21.3萬人1))福建省908專項海島調查報告[R].國家海洋局第三海洋研究所,2011.。

東山島屬基巖大陸島,東西窄,南北長(圖1),形如蝴蝶,亦稱“蝶島”。其地處北回歸線附近,屬北亞熱帶海洋性季風氣候;年平均氣溫20.8℃,多年平均降雨量1 224 m m,降水峰期出現在5-9月,10月至翌年2月為旱季;常年主要風向為東北,年平均風速7.1 m/s;多年平均蒸發量為1 400 m m;沿海多年平均高潮位1.62 m,50年一遇的高潮位2.96 m,平均潮差2.30 m,最大潮差為4.14 m;潮汐為不正規半日潮。東山島主要受南海北上臺風的影響,平均每年1.8次,多集中在8月份,伴有強暴雨。

東山島地勢由西北向東南傾斜,中低山丘陵多集中于西北部和南部(圖1),以蘇峰山為最高點(海拔274 m);波狀臺地分布于親營山以北地區,海拔一般20~50 m,切割深度10~30 m,臺面平坦,微波狀起伏,有淺坳谷切割,覆蓋著較厚的紅土層;海積平原海拔一般2~5 m,為農業耕作區,分布于親營山以南大部分地區和以北部分地區;風成砂地分布于東山島東部海灣,西海岸多為泥沙灘涂。島內無大的地表水系,僅山前發育4條長度幾千米的短小溪溝,多呈間歇性流水;岸線曲折、港灣多,灘涂海域面積寬闊。

圖1 福建東山島地理位置和地貌圖Fig.1 Geographic and geomorphological map of the Dongshan Island,Fuj ian Province

3 調查與分析資料

依據2011年9月的現場調查資料和福建東山島地質災害調查報告2)3)4))福建省東山縣地質災害詳細調查報告[R].福建省地質環境監測中心,2011.,對其地質背景和環境概況進行分析;再利用分辨率2.5 m的東山島SPOT5全色衛星遙感圖像(景號:292302/6,成像時間2003年1月)解譯采石場、疑似崩塌和海蝕崖等災害點的具體位置和現有狀態等信息。通過重點現場調查,驗證遙感識別和調訪,全面掌握東山島主要地質災害的類型、位置、范圍、規模和危害對象(見圖2)。

4 東山島地質災害類型及其特征

東山島地質災害類型主要為崩塌(包括崩塌、陡邊坡)、海岸侵蝕、灘面沖蝕和水土流失與濱海濕地退化等。

圖2 東山島地質災害分布圖Fig.2 Types of geological hazards in Dongshan Island

4.1崩塌

崩塌災害主要指巖體崩塌和易引發崩塌的巖質或土質陡坡。主要分布在東山島低山丘陵山區,如采石場遺留的巖質陡坡、居民建房在房前屋后削坡形成的土質陡坡、海島公路通過丘陵山區時道路兩側局部土質陡坡。均為小型崩塌和小型陡邊坡,呈點狀零散分布,危害對象主要為附近居民及其房屋和財產、公路和交通。

2011年福建地質環境監測之東山島地質災害調查時,現場勘察了5處崩塌點,它們同時也是潛在崩塌易發點。崩塌都發生在近2003年以來,屬小型崩塌,體積最小為30 m3,最大不過1 260 m3。除1處土質崩塌分布在紅土臺地前緣的海岸帶處,其他均為巖質崩塌,分布在丘陵區坡腳或斜坡處,出露點高程小于50 m。

陡坡既有土質邊坡、也有巖質邊坡,分布在東山島丘陵區坡腳地帶,主要由居民建房、修建公路和采石等開發和工程建設所產生的。銅陵、陳誠等鄉鎮村莊的居民在紅土臺地部分建房,形成邊坡高度5~16 m,坡度67°~85°,邊坡寬度從十幾米至幾十米不等,屋后坡距墻1~2 m,且都沒有支護(見表1)。這些邊坡在暴雨和持續性強降雨時邊坡坡面或坡腳可見有小土體滑塌或剝墜落,威脅坡前居民房屋及臨近區域環境。

圖3為銅陵鎮南玻玻璃廠公路旁陡崖,陡崖高度21.8 m,長度500 m,坡度接近90°,陡崖上部表土層厚小于2 m,有草本植物覆蓋。巖體風化破碎度高,在雨水沖刷下易發生小規模的泥滑甚至崩塌,影響公路交通。

表1 東山島威脅居民房屋的陡坡統計表Tab.1 Sum mary of the steep slopes that threatening residential buildings in Dongshan Island

圖3 東山島南玻玻璃廠附近公路旁陡坡Fig.3 The steep slope close to the Nanbo glass factory in Dongshan Island

遙感和現場調訪的多處采石場,以開采建筑用花崗巖和硅砂為主。開采形成高陡巖質邊坡或陡崖,小規模采石場形成陡坡高度平均大于7 m,大的陡坡高度超過50 m;長度小的也多為80~100 m,最大達1.5 km;坡度近90°。開挖面巖體松散,巖石破碎,開采形成的巖質陡坡未采取任何防護措施,易誘發小規模崩塌(見圖4)。

4.2海岸侵蝕

海岸侵蝕在東山島東部和南部海岸普遍發育,呈線性帶狀分布。整體規模較小,危害較輕。可分為兩種類型:砂質海岸侵蝕和海灣岬角侵蝕。

砂質海岸侵蝕主要分布在東山島的南門灣、馬鑾灣、金鑾灣和烏礁灣等處(見表2)。據統計5))國家908專項“海洋地質災害調查與研究(908-01-ZH2)”的海岸侵蝕災害專題調查研究報告[R].,整個東部岸線21.5 k m,從1990年到2010年間平均后退了54.5 m,其中金鑾灣最大后退了81 m,平均每年后退達4 m,南門灣岸線長度3.2 k m,年均后退2.7 m;馬鑾灣岸線長度3.2 k m,年均后退2.3 m;烏礁灣岸線長度10.3 k m,年均后退1.8 m[15]。海岸侵蝕導致沿海岸線的環島公路、海堤等工程由于海岸侵蝕而多處受到破壞,海岸侵蝕的進一步發展可能威脅沿岸安裝的風電機組的地基基礎。

圖4 東山島采石陡坡Fig.4 Steep slopes resulting from rock quarrying

表2 東山島海岸線蝕淤狀況統計表6))國家908專項“海洋地質災害調查與研究(908-01-ZH2)”的海岸侵蝕災害專題調查研究報告[R].Tab.2 The current situation of the coastal erosion in the Dongshan Island

由于波浪的輔聚作用,岬角海岸侵蝕主要發生在南門灣、金鑾灣和馬鑾灣凸出岬角處,岸灘受侵蝕形成紅土或巖質侵蝕陡崖。圖5是金鑾灣修船場的侵蝕紅土陡崖,高度2~3 m,侵蝕長度300 m,沿岸線分布成弧形,剖面直立,接近90°,走向NW-SE。

4.3灘面沖蝕

灘面沖蝕與海岸侵蝕略有不同,主要是指海岸邊養殖育苗場排水造成的海灘砂被沖走,而造成的導致的灘面破壞。灘面沖蝕危害已成為東山島危害最嚴重的地質災害。

東山島自烏礁灣北端到宮前灣西側22.71 k m的海岸線上密密麻麻的地排列著海水養殖育苗場,密布的抽水管或埋或顯露地排列在沙灘上,而各個養殖池的排水口往往直接出露在養殖場的外墻處,晝夜不停地將廢水排泄到沙灘上,在水流和重力的聯合作用下,砂顆粒被從高潮帶沖到低潮帶,在沙灘形成線形伸展的溝槽。

沖溝有明顯的溝緣,溝口形成小陡坎,寬和深可達1~2 m;溝再進一步下蝕,形成了沖溝,造成沙灘下覆巖石裸露出來;同時溝邊陡坎滑塌,使溝槽不斷加寬,形成沖溝深約幾米,長約幾百米(圖6),海砂流失、海灘變薄,裸露下覆老地層或碎石,灘面遭受破壞,海岸線后退,鄰近的道路損毀,靠近岸邊的養殖池也因外側坡腳被淘蝕而損毀廢棄。

圖5 東山島紅土侵蝕陡崖Fig.5 The erosion cl iff of red soi lin the Dongshan Island

圖6 東山島烏礁灣西側灘面沖蝕Fig.6 Shore erosions along the west side of Wuj iao Bay in the Dongshan Island

現場調查東山島從烏礁灣北口開支到宮前灣西端的22.71 k m海岸線上,16.93 k m岸灘被沖蝕破壞(表3和圖7)。烏礁灣、宮前灣和山南村處的3處海灣養殖池最密集,其灘面侵蝕也最為嚴重。過去寬闊平坦、沙白粒細、林帶蔥郁、碧濤連天的東山島第一灣已面目全非。

表3 東山島各海灣灘面侵蝕岸段長度統計表Tab.3 The lengths of shore corrosion in main bays in the Dongshan Island

圖7 山南村灘面侵蝕遙感影像圖Fig.7 The remote sensing image for shore corrosion in Shannan Vi llage

4.4水土流失

水土流失往往與崩塌、陡崖和采石場等相伴發生。水土流失以沖溝型和坡面型為主。沖溝型水土流失主要由丘陵山區沖溝侵蝕、兩側土體崩塌所致;坡面型水土流失主要是由降雨對地表土壤的沖刷侵蝕,使表層土壤有機質被水流沖走。

4.5濱海濕地退化

東山島有9種濕地類型(表4),大面積的圍墾工程,使大片粉砂淤泥質灘涂、砂質海岸等天然濕地退化為養殖池塘、水稻田和鹽田等人工濕地。1983年竣工的西埔灣圍墾工程,圍墾面積3.26 k m2,其中1.89 k m2已開發為0.3 k m2種植田、0.85 k m2養殖池塘和0.74 k m2鹽田等人工濕地。

5 東山島各地質災害成因機制初探

根據東山島地質災害的類型、分布位置和規模等均受巖土體類型、原始地形地貌的控制,并受各類不同應力作用,即人類工程活動或大氣降水等因素的影響。

表4 東山島現存濕地類型面積統計Tab.4 Statistics of the existing wetlands in the Dongshan Island

5.1 崩塌

崩塌災害主要發育在丘陵山地斜坡或坡腳地帶,自然坡度在15°~30°,局部大于30°,而公路修建、采石或建房等人類工程活動開發巖土體形成高陡邊坡,坡度往往大于60°,使之呈臨空—半臨空狀態,極大地降低巖土體自身的穩定性,為崩塌創造形成條件。東山島邊坡常呈二元結構,上部殘積土,以黏性土為主,并含有碎石或夾碎石黏土層,遇水易軟化且吸水性強,下部為侵入基巖,節理裂隙、構造裂隙發育,為降雨入滲或地下水活動創造形成空間,而土巖接觸面在地下水作用下(雨水滲透眼里),易形成順坡的不穩定結構面,易發生崩塌或滑坡。汛期臺風暴雨期的強降水作用下,沿裂隙面的滲流或地表水作用下,降雨一方面起沖擊掏空節理裂隙面作用,使其原有平衡狀態改變,另一方面降雨下滲,使巖土體力學性質降低,從而誘發崩塌。

隨著海島居民在丘陵和臺地區消坡建房、修路或擴寬已有公路,形成陡邊坡的范圍和規模也將隨之擴大,發生崩塌滑坡區域也將擴大。今后工程建設必須與丘陵和臺地有安全距離,在形成陡邊坡的關鍵部位進行支護防治。

5.2海岸侵蝕

東山島海岸侵蝕主要發育在東部和南部開敞的高能海域,受風浪的侵蝕作用強烈;東山島每年的7 -9月的臺風季,平均每年4.2次[15],臺風造成的風暴潮常造成高潮位和強力風浪極大破壞海岸,引發海岸侵蝕;另外,近幾年房地產開發、旅游碼頭和人工海堤等工程活動,改變局部海岸動力環流模式,而引發局部砂質海岸侵蝕。雖然因為沒有收集東山島海面上升的數據,無法給出海面上升對東山島海岸侵蝕的影響,但中國海平面公報[16]中東山島所屬的東海海平面比2011年上升為66 m m,不排除海面上升也是東山島海岸侵蝕加劇原因之一。

5.3灘面沖蝕

灘面沖蝕與海岸侵蝕略有不同,其原因完全是海岸邊人工養殖池的排水沖蝕海灘砂造成的,其沖蝕速率和沖蝕規模取決于岸邊養殖池排水孔的數量、排水時的流速和排水量[17]。然而灘面沖蝕形成的線狀沖溝連通后,就轉變為灘面整體沖蝕、灘面變薄、老地層裸露、岸線后退,危害沿海道路,甚至養殖池自身安全。東山島在岸邊修建養殖池的規模與灘面侵蝕的規模同步增加。

5.4水土流失

島內局部地區嚴重水土流失災害是其自身所處的地質環境條件(土體結構)和外部條件(氣候、植被、人類工程活動等)共同作用的產物。其中,采石、修路等人類活動不僅砍伐巖體上的樹木植被,而且造成開發區巖體破碎,即擴大水土流失的分布范圍,還加速水土流失的頻率和強度。

島上構造侵蝕低山-高丘陵-低丘陵等區域,地形坡度在20°~40°,構造節理發育,在持續的暖濕氣候作用下形成疏松深厚風化殼,表層較疏松,很容易受到侵蝕;同時島上采石、修建公路和在山坡上安裝風電機組等開發活動,破壞開發區植被,使低山丘陵區地表裸露范圍擴大;在3-6月的雨季期,東山島多暴雨和大暴雨,豐沛的降水和較頻繁的暴雨構成了強大的降雨侵蝕動力,加劇土壤侵蝕。另外,石材加工鋸、磨的泥漿水大量排放,毀壞耕地,淤積溝谷;公路交通建設,亂堆、亂倒棄土,也造成較為嚴重的土壤侵蝕,加劇水土流失。

5.5濱海濕地退化

東山島的濱海濕地退化主要是人工圍墾和人工海岸工程建設造成自然濕地向人工濕地轉化,使得自然濕地生態環境功能的降低甚至消失。鹽田面積在1950年為24.67 k m2,1998年為66.7 k m2,2005年為93.3 k m2;1950年至1988年底,東山島圍海25.4 k m2。這些圍墾和開發的鹽田不僅降低東山島自然濕地的多樣性,而且減少了自然濕地的面積,使自然濕地的生態功能也極大地降低。

6 結語

東山島地質災害主要為崩塌(包括崩塌、陡邊坡)、海岸侵蝕、灘面沖蝕和水土流失與濱海濕地退化5種類型。崩塌災害呈點狀分布在丘陵山地斜坡或坡腳地帶,均為小型,危害局部,主要是人類在低山丘陵區進行采石、公路和建房等工程建設形成的陡邊坡,在強降雨作用下引發的崩塌或滑坡;海岸侵蝕主要分布在島東部和南部開敞高能海灣區,呈線狀帶狀分布,主要原因是高能風浪、海平面升高和人工海岸工程活動共同作用的結果;灘面沖蝕、水土流失和濱海濕地退化主要是人為作用的結果,灘面沖蝕主要是人類在岸邊修建養殖池向海灘排泄廢水沖蝕海灘砂破壞海灘,水土流失也是采石、修建風電站和公路建設等人類作用破壞低山丘陵的植被而引發的;濱海濕地退化主要是人類修海堤或連島堤壩造成圍墾使自然濕地退化為人工濕地。

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Characteristics and genesis of geological hazardsin the Dongshan Island,Fujian Province

Liu Lejun1,Gao Shan1,Li Peiying1,Gao Wei1,Li Shuanhu2,Li Ping1,Chen Benqing2,Du Jun1

(1.FirstInstitute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao266061,China;2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing110000,China;3.Third Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Xiamen361005,China)

Isand(s)(orislets)are sea land of one country and a base of uti l izing and exploiting ocean of human beings,so they are becoming main carriers of promoting development of marine economic society and ecological environ ment.However,rapidly increasing develop ment activities and engineering constructions on the island had made serious threats to the fragi le ecological environment oftheirs.The Dongshan Island is the second largest onein the Fuj ian Province.Before the 1990s,farming,fishing and aquaculture were the main ways of util izing the island. With increasing economic activities such as aquaculture and breeding,wind power construction,island road and real estate development,geological disasters and potentialrisks to theisland have been correspondingly increased.Based on interpretating remote sensingimages and carrying outfield investigations,this paper described the geological disaster types and its distribution in theisland,and prel iminari ly discussed some causesleading to geological disasters,which are very helpfulfor more effectively protecting and sustainably developing theisland.The results obtained in this study are the basis for designing future developing plans and generating strategies of disaster prevention and mitigation,and can be a reference forinvestigating and preventing geological disasters in rock island(s)in the Fuj ian Province and adjacent regions.

Dongshan Island;geological hazards;genetic mechanism

P694

A

0253-4193(2015)01-0137-10

2014-03-09;

2014-06-09。

國家自然科學基金(40606015);國家海洋公益性行業科研專項資助(201005010)。

劉樂軍(1972—),男,遼寧省大連市人,研究員,主要從事海洋工程地質與災害地質方面研究。E-mai l:l iulj@fio.org.cn

李培英(1954—),男,研究員,主要從事海洋地質與災害地質方面研究。E-mai l:pyl i@fio.org.cn

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