宜荊荊城市群地質環境承載力評價

李紅梅, 袁 琴, 趙德君

(湖北省地質局 水文地質工程地質大隊,湖北 荊州 434020)

2014年,中央經濟工作會議多次提到要將資源環境承載力納入到生態文明建設及城鎮化布局中[1-3]。2017年9月,中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《關于建立資源環境承載能力監測預警長效機制的若干意見》,指出要嚴格按照資源環境承載能力謀劃經濟社會發展。可見,當前形勢下開展環境承載力評價與研究工作已上升至國家戰略。

地質環境承載力是指在一定時期的一定區域內,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,系統功能朝著有利于人類社會、經濟活動方向發展的前提條件下,地質環境系統所能承受人類活動和外部力量的影響與改變的最大能力[4-5]。隨著城市發展,科技水平和社會生產力不斷提高,開發利用地質環境強度、規模與速度越來越大,地質環境受到的影響程度亦日益劇增,考驗著地質環境承載力[6-7]。

宜荊荊城市群是湖北省區域經濟空間發展格局中的重要區域,為全省經濟持續增長發揮重要的支撐作用[8]。因此,筆者結合相關科研項目對該區域地質環境承載力進行了分區評價,以期為該區域可持續發展提供參考依據和決策信息。

1 研究區概況

研究區由湖北省宜昌市、荊州市和荊門市3個地級市組合構成,總面積約4.7×104km2。區內河湖密布,水系發達,擁有豐富的水資源。境內有大小河流800多條,主要有長江、漢江、清江、沮漳河、黃柏河、香溪河、松滋河、虎渡河、藕池河、調弦河、漳河、西荊河、富水河、洪湖、長湖等[9]。其中,三峽、清江、漢江構成了三大主干水系,峽谷深,落差大,是中國水能資源富集的區域。

區內地形總態勢是西北高東南低,地形起伏變化大,地貌形態多樣化,地貌形態包含有平原、崗地、丘陵、低中山、中山5種不同類型(圖1)。

研究區地處揚子準地臺一級大地構造單元。區內不同時期、不同規模、不同方向的斷裂發育,構成有規律的網絡狀圖式。共劃分為3個二級構造單元,自西向東依次為上揚子臺坪(Ⅱ1)、兩湖斷坳(Ⅱ2)、下揚子臺坪(Ⅱ3)。研究區處于弱震區,地震基本烈度值為Ⅵ度。通過對地震前后地殼形變測量及其與周圍地區地殼形變特征的對比,可見在地殼形變總趨勢較穩定的地區,即長期上升或下降的地區和上升地區與下降地區相交地帶,易發生地震。在地殼上升和下降交替出現的地區內部,由于能量的積累和釋放易于相互抵消,因而一般不易形成地震。區內主要斷裂及地震分布如圖2。

據各縣(市、區)地質災害調查數據統計,研究區共發育地質災害3 064處,主要分布于宜昌市三峽庫區、清江峽谷一帶,共發育各類地質災害2 735處。災害類型為不穩定斜坡、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地裂縫等。地質災害以滑坡為主,其次為不穩定斜坡,泥石流、地裂縫相對不發育(圖3)。其中滑坡災害點1 579處,占51.53%;不穩定斜坡災害點791處,占25.82%;地裂縫災害點22處,僅占0.72%。

圖1 研究區地貌圖Fig.1 Geomorphologic map of the study area1.中山(2 000～3 000 m);2.低中山(500～2 000 m);3.丘陵(200～500 m);4.崗地(50～200 m);5.平源(<50 m);6.分區界線;7.城市群界線;8.縣(市)級行政區界線;9.鎮(鄉)級行政區界線;10.主要水系。

三峽庫區所在巴東縣、秭歸縣、興山縣等鄉鎮,該區由于三峽庫區移民遷建工程的全面展開,新城集鎮建設和路橋工程施工形成了大量人工高邊坡,為了盡可能的利用有限的土地資源,這些新城集鎮建設往往依山就勢,一般都采用前擋后挖的模式進行場平,人工高邊坡的開挖與暴露,改變了邊坡原有的應力場和滲流場,一旦斜坡應力超過巖土體強度極限時,易發生變形破壞,加之該區地貌上山高坡陡,地貌發育受底層巖性、地質構造和新構造運動的控制明顯,發生地質災害的危險性較大,風險性高。沿清江峽谷一帶山高谷深,構造較為發育,巖層軟硬相間,山高坡陡,巖石風化強烈,邊坡穩定性差,易形成崩塌、滑坡、泥石流地質災害。由此,三峽庫區、清江峽谷一帶為群測群防監測網中的重點監測點,目前各部門正開展專業監測,便于最大限度地減少潛在地質災害的發生與發展。

研究區地下水資源豐富,多年平均地下水資源總量為112.97×108m3/a。其中宜昌市多年平均地下水資源總量為48.3×108m3/a,占總量的42.755%;荊州市多年平均地下水資源總量為49.35×108m3/a,占總量的43.684%;荊門市多年平均地下水資源總量為15.32×108m3/a,占總量的13.561%。荊州市監利縣地下水天然資源量為各縣市最高值,高達11.81×108m3/a;當陽市最低,為1.15×108m3/a。洪湖市可開采資源量最大,為6.71×108m3/a(圖4)。

城鄉居民生活垃圾、工業“三廢”及農業污染導致區內淺層地下水及表層土壤污染較為嚴重。富含氮的工業廢水、生活廢水、化肥、農藥、農用地膜、垃圾填埋場滲濾液等經雨水和地表滲透淋濾產生高濃度的氨氮和硝酸鹽的滲濾液。由于無收集措施,致使產生的滲濾液直接排入到地下,污染淺層地下水及表層土壤,土壤質量與水質下降。

圖2 研究區主要斷裂及地震分布Fig.2 The distribution of major faults and earthquakes in the study area1.3.9～6級地震震中;2.3～3.9級地震震中;3.2～2.9級地震震中;4.主要斷裂及其編號;5.城市群界線;6.縣(市)級行政區界線;7.鎮(鄉)級行政區界線;8.主要水系。

圖3 研究區地質災害分布Fig.3 Geological disaster distribution in the study area

研究區地質構造形式多樣,地質遺跡豐富多彩,據不完全統計,區內共有95處地質遺跡,主要分布于宜昌市。依其形成原因、自然屬性可分為7種類型,即:①地質(體、層)剖面類,②地質構造類;③古生物類;④礦物與礦床類;⑤地貌景觀類;⑥水體景觀類;⑦環境地質遺跡景觀類。其中地貌景觀類地質遺跡點數量最多,為29處,占總數30.53%;水體景觀類次之,為25處,占總數26.32%;地質構造和環境地質遺跡景觀類各4處(圖5)。

2 指標體系構建

2.1 指標選取

綜合分析宜荊荊城市群區域地質背景、地質環境特征及地質環境現狀資料,在綜合考慮研究區各種地質環境因子的基礎上,本著客觀性、易獲性、可表征性和可度量性原則,從地形地貌、地質災害、構造穩定性、地下水富水性、表土環境、地質遺跡6個方面構建宜荊荊城市群地質環境承載力評價指標體系(圖6)。其中,地形地貌為基礎性指標,地質災害風險區、主要活動性斷裂為研究區國土開發的限制因子;區內地下水資源量豐富,地下水富水性為研究區優勢因子;區內表土環境污染較為嚴重,為研究區不利因子;地質遺跡是較為特殊的地質環境因子,分布區為主體功能區中禁止開發區域,即該因子為限制因子。

圖4 研究區各縣(市)地下水資源量分布Fig.4 Distribution of groundwater resources in each county of the study area

圖5 研究區不同類型地質遺跡分布Fig.5 Distribution of different types of geological remains in the study area

圖6 地質環境承載力評價指標體系Fig.6 Assessment index system of geological environment carrying capacity

2.2 指標權重

各評價指標對研究區地質環境承載力的影響程度各異,故權重值亦不相同,本次研究主要基于AHP層次分析法確定各評價指標的權重。根據評價指標對地質環境承載力的重要程度進行兩兩對比評價。評價指標對地質環境承載力重要程度用1～7標定,其中1表示指標對研究區地質環境承載力影響最小,7則表示最大,對評價指標進行兩兩比較構造判斷矩陣(表1)。

對“地質環境承載力”權重1,最大特征根λmax=6.00,六階判斷矩陣一致性比例CI、平均隨機一致性值CR,均為0,<0.1,滿足一致性檢驗,故得出的各指標因子權重Wi(表1)是合理的。

表1 權重判斷矩陣Table 1 Weight judgment matrix

2.3 指標因子賦值

根據宜荊荊城市群地質環境特征及相關標準規范對評價指標進行分級賦值(表2)。

3 評價方法與過程

3.1 評價方法

采用AHP層次分析法和MAPGIS空間分析進行宜荊荊城市群地質環境承載力的評價。地質環境承載力的評價是在綜合地形地貌、地質災害、構造穩定性、地下水富水性、表土環境、地質遺跡6個評價因子的基礎上進行的,反映宜荊荊城市群地質環境承載力,其承載力指數基于上述6個子系統評價指標質量指數合成,綜合加權指數數學模型如下:

I=W1F1+W2F2+W3F3+W4F4+W5F5+W6F6

(1)

式中:I為地質環境承載力指數;W1、W2、W3、W4、W5、W6分別表示地形地貌、地質災害、構造穩定性、地下水富水性、表土環境、地質遺跡評價指標的權重;F1、F2、F3、F4、F5、F6分別表示地形地貌、地質災害、構造穩定性、地下水富水性、表土環境、地質遺跡評價指標因子的賦值。

3.2 評價過程

3.2.1 評價單元劃分

表2 地質環境承載力評價指標分級賦值表Table 2 Evaluation index system scale and index weight of geo-environmental carrying capacity

運用柵格數據處理方法,基于MAPGIS網格剖分,對研究區進行10 km×10 km網格單元劃分,將研究區劃分為591個評價單元,利用GIS拓撲重建造區功能生成評價單元剖分網格區文件(圖7)。

圖7 地質環境承載力評價單元剖分網格圖Fig.7 Meshed map of geo-environment carrying capacity evaluation unit

3.2.2 評價單元承載力指數計算與區劃

針對評價指標體系中的6個因子,在充分收集整合以往地質調查、評價成果資料基礎上,根據表2指標分級標準,對各評價單元各項指標賦值,形成研究區各單因子分區圖層。

通過MAPGIS空間疊加分析功能,對形成的單因子區圖層進行區對區合并分析,提取區文件圖層ID及各屬性值,生成label文件,通過公式(1)及表2計算獲取各評價單元的地質環境承載力指數I。

基于GIS空間分析模塊中的DTM分析,提取label文件中的地質環境承載力指數I數據,基于Tin模型三角剖分,經過整理、約束、刪除等優化步驟,形成研究區三角剖分網格,追蹤剖分等值線,對研究區地質環境承載力進行分區。采用自然斷點法,將地質環境承載力評價值分析結果分為四級:①分區界線值≥4.69時,為地質環境承載能力強區;②3.59≤分區界線值<4.69時,為地質環境承載能力較強區;③2.81≤分區界線值<3.59時,為地質環境承載能力一般區;④分區界線值<2.81時,為地質環境承載能力弱區。

4 評價結果與分析

基于上述評價方法及評價過程獲取地質環境承載力分區圖最初模型,經過人工修飾、加工或合并、刪減等,結合研究區實際情況,最終形成研究區地質環境承載能力評價區劃圖(圖8),將研究區地質環境承載力劃分為4個等級。

(1) 地質環境承載力強區:該區分布范圍最廣,主要分布于城市群東部,荊門—枝江—荊州一帶,面積為20 373.4 km2,約占整個宜荊荊城市群的42.64%。該地區地處江漢平原,地勢平緩,該區處于弱震區,未發現較大的活動斷裂及地震。地質環境條件較好,地下水資源豐富,表土環境較好,暫未發現崩滑流等地質災害點分布。

圖8 研究區地質環境承載力評價區劃圖Fig.8 Geo-environmental carrying capacity evaluation and division of the study area1.承載能力強;2.承載能力較強;3.承載能力一般;4.承載能力弱;5.分區界線;6.城市群界線;7.縣(市)級行政區界線;8.鎮(鄉)級行政區界線;9.主要水素。

(2) 地質環境承載力較強區:該區主要分布于城市群中部,面積為14 621.6 km2,約占整個城市群的30.6%。該區亦為城市群地質環境修復區,通過人為控制和治理,該區地質環境問題可以恢復以進行安全開發的區域,該區域地貌以丘陵、低中山為主,為地質災害中—低風險區,地下水資源量一般,局部地段土壤污染較為嚴重,局部發生過地震活動,但震級低,震源淺。

(3) 地質環境承載力一般區:主要分布于城市群西部興山—長陽、宜都—松滋一帶,零星分布于鐘祥、京山等縣(市)。該區總面積為11 006 km2,約占整個宜荊荊城市群的23.04%。該區亦為城市群地質環境維護區,是地質環境不穩定區,通過地質環境問題的治理和監測,可實現適度開發的區域。該區地貌類型多樣,中山、低中山、丘陵等地貌均有不同程度的分布。此外,該區包括了區內構造不穩定區,分布有活動斷裂、各類地質災害、地震等,亦為地質遺跡點較為集中分布區,且區內分布有國家、省級地質遺跡點。不同區域內地下水資源分布呈現出較大差異。

(4) 地質環境承載力弱區:主要分布于秭歸、五峰,零星分布于長陽,該區分布范圍相對較小,總面積為1 775.9 km2,僅占整個宜荊荊城市群的3.72%。該區地貌類型以低中山為主,亦為城市群地質環境保護區,該區構造活動相對較為強烈,秭歸一帶地震發生頻率高,其它類型地質災害頻發,是地質災害高風險區。此外,區內分布具有較高地學保護價值的國家級地質公園。該區域需要限制性開發,限制進行大規模高強度工業化城鎮化開發。還應在該區域建立地質環境監測指標體系,依靠有效的監測機制,建設預警平臺,保障區域的協調發展。

5 結論

(1) 在綜合考慮研究區各種地質環境因子的基礎上,從地形地貌、地質災害、構造穩定性、地下水富水性、表土環境、地質遺跡6個方面選取了具體評價指標構建了研究區地質環境承載力評價指標體系。

(2) 基于層次分析法,結合研究區地質環境特征、相關標準規范對評價指標進行分級賦值、權重計算,構建了地質環境承載力指數數學模型。

(3) 基于GIS空間分析,將研究區地質環境承載力分為強、較強、一般、弱四個不同等級,其中,地質環境承載力強區分布最廣,地處江漢平原;地質環境承載力弱區分布范圍相對較小,對該區域應限制性開發,建立地質環境監測指標體系及預警平臺,保障可持續發展。