東營近海海域地質環境質量評價

吳振，宋委

(山東省第四地質礦產勘查院，山東省地礦局海岸帶地質環境保護重點實驗室，山東 濰坊 261021)

0 引言

地質環境質量評價是衡量地質環境條件對區域性綜合開發或某種開發建設的適宜性程度，對國民經濟建設和區域環境規劃有重要意義[1]。東營市位于山東省北部黃河三角洲地區，東、北臨渤海，海岸線北起順江溝河口，南至淄脈溝口，全長413km，約占山東省海岸線的1/9，灘涂面積12萬hm2，淺海面積4800km2，漁業資源種類約有130余種；海洋油氣資源總勘探海洋面積7320km2，油氣總資源量17.18億t，是我國最大的淺海油田[2]。近年來，東營市海洋經濟的發展從最初的水產開發、到“海上東營”戰略、到“黃河三角洲生態經濟區”國家戰略、再到“山東半島藍色經濟區”國家戰略，從海洋漁業到油氣、鹽業、化工、旅游、航運全面發展，海洋經濟總量迅猛增大[2-4]。隨著海洋經濟的不斷發展，近海海域生態環境壓力愈加嚴重。因此，開展近海海域地質環境質量綜合評價，反映近海海域地質環境質量現狀和變化趨勢，為海洋經濟的可持續發展和海洋生態環境保護提供依據具有重要意義[5]。

我國從1980年開始進行全國性的海岸帶綜合地質調查，其中與地質環境質量評價及其海岸帶有關的科學問題吸引了很多學者的關注。李相然等[5]分析了我國海岸帶資源開發過程中引起的主要地質環境問題，對中國東部沿海地帶及鄰區的環境工程地質與可持續發展進行了研究。楊強等[6]采用層次分析法，從地質環境條件、地質災害、人類工程活動等3個方面對煙臺市海岸帶地質環境質量進行了評價研究。王松濤等[7]采用層次分析法和綜合指數法、海域采用疊加法對日照市海岸帶地質環境質量進行了綜合評價研究。鄭懿珉等[8]基于我國海岸帶開發的地質環境質量評價指標體系研究。綜上，前人開展的綜合評價主要是針對陸域存在的地質環境問題選擇相應的影響因子和方法進行評價，僅王松濤和鄭懿珉對相應的海域進行了評價，但選擇的影響因子也較少[7-8]。該文依托東營市海洋地質調查項目，通過單波束水深測量、淺地層剖面測量、工程地質鉆探、海底表層樣品、海水樣品采集及分析測試等方法，查明了東營市近海海域地質環境現狀，通過層次分析法和模糊數學綜合評價法進行地質環境質量綜合評價，為東營市開發利用海洋資源提供參考[7]。

1 研究區概況

1.1 自然地理條件

研究區位于東營市近海海域，沿岸海底地形較為平坦，淺海底質泥質粉砂占77.8%，沙質粉砂占22.2%；海水透明度為32～55cm，海水溫度、鹽度受大陸氣候和黃河徑流的影響較大，冬季沿岸有2個月冰期，海水流冰范圍為0～9.26km，鹽度在35×10-3左右；春季海水溫度為12～20℃，鹽度多為(22～31)×10-3；夏季海水溫度為24～28℃，鹽度為(21～30)×10-3；黃河入海口附近常年存在低溫低鹽水；東營海域為半封閉型，大部岸段的潮汐屬不規則半日潮，每日2次，每日出現的高低潮差一般為0.2～2m，大潮多發生于3—4月和7—11月，潮位最高超過5m，易發生風暴潮災，近百年來發生潮位高于3.5m的風暴潮災7次[9-12]。

1.2 地形地貌特征

研究區水下地形包括黃河三角洲前緣和沿岸中小河流帶來泥沙逐漸堆積并向海洋運移形成的楔形泥質沉積體。自岸向萊州灣中心緩傾，呈箕狀地形，其等深線與岸線基本平行，大部分海域水深不足10m，除黃河三角洲前緣坡度較陡外，其他海域海底起伏和緩，地形簡單[13]。

研究區地貌類型主要包括水下三角洲、潮間淺灘和淺海平原。黃河入海口附近為向東、向南延伸的三角洲前緣，坡度較大；岸線附近為潮間淺灘，受黃河泥沙和沖淤環境影響，黃河口東部潮灘較窄，黃河口南部潮灘寬達6～7km；其余部分為淺海平原，海底起伏小、形態單一[13]。

1.3 海洋功能區劃

東營市海洋空間總體布局主要為北部海域，重點發展油氣開發、海水養殖、鹽及鹽化工，重點保障海洋保護區用海；東北部海域，重點發展港口航運、旅游和水產養殖；東部海域，加強環境保護、發展濱海生態旅游業；南部海域，主要布局濱海新城、廣利港區及臨港產業、苗種繁育和精品水產等養殖用海。

1—海洋特別保護區；2—海洋自然保護區；3—農漁業區；4—港口航運區；5—工業與城鎮用海區；6—礦產與能源區；7—特殊利用區圖1 研究區海洋功能區劃圖

2 地質環境特征

2.1 地質構造

研究區在大地構造單元上隸屬華北板塊(Ⅰ)、華北坳陷區(Ⅱ)，地跨濟陽凹陷、埕寧隆起和渤中凹陷等3個Ⅲ級構造單元(圖2)。

研究區活動斷裂依據其最新活動時間主要分為2期：晚更新世以來與全新世以來。海域NE或NNE向斷裂主要分布在萊州灣附近海域，表現為不連續分布的特征，分段性明顯，該組斷裂在渤海中部被NW向斷裂挫斷，以北的海域斷裂走向轉為NEE向，自北向南切割深度逐漸變淺，最新活動時間北部可追溯至晚更新世，南部萊州灣海域可追溯至全新世早中期，分析認為該組斷裂應為郯廬斷裂的繼承性斷裂，該組斷裂在晚更新世—全新世各個時段的垂向活動速率超過0.06mm/a，近20kaBP的垂向活動速率超過0.08mm/a[14-17]；海域近EW向或NW向斷裂主要由不連續走向一致的若干條次級斷裂組成，次級斷裂傾向或南或北，局部具有負花狀構造，在研究區均有分布，且在研究區北部與萊州灣海域較為密集，分析認為，該組斷裂主要為張家口-蓬萊-威海斷裂的繼承斷裂。該組斷裂在研究區的最新活動時間可追溯至晚更新世，近20kaBP以來的垂向活動速率超過0.06mm/a[16](圖3)。研究區晚更新世以來的活動斷層形成的原因主要由深部構造引起，表現出繼承性和集束性特征，研究區斷層斷距均小于5m，普遍具有自下而上斷距相對減小的規律。

圖2 研究區大地構造位置圖(陸域參考魯國土資字[2014]185號文，海域參考1∶100萬天津幅海域區域地質調查報告)

1—全新世活動斷層；2—晚更新世活動斷層；3—第四紀活動斷層；4—新近紀活動斷層；5—M≥7地震；6—M≥5地震；7—M≥4地震圖3 研究區活動斷裂與地震分布示意圖

研究區海底出露地層主要為第四紀灰黃色黏土層與淺灰黃色粉細砂層互層，揭示厚度253～660m。海底表層沉積物由岸向海逐漸由砂、粉砂質砂向砂質粉砂、粉砂、泥過渡，由于河流動力減弱，沉積物的粒度由岸向海逐漸變細。砂質粉砂分布最廣，在研究區北部、東部海域均有大片分布，占整個研究區面積的50%左右；粉砂分布范圍也較大，且較為分散，主要出現在飛雁灘以北、東營港正東以及廣利港以東附近海域；粉砂質砂主要沿海岸分布，岸邊底質類型以粉砂質砂為主；砂主要分布在廣利港以南靠近海岸附近區域，面積較小；泥主要分布于研究區北部靠近邊界附近區域，較為集中。

2.2 環境地質問題及地質災害

研究區近海海域存在的災害地質類型主要為海岸侵蝕與淤積、海底滑坡、淺層氣、底辟、埋藏古河道(古湖泊)等(圖4)[9]。

1—平整三角洲前緣；2—擾動三角洲前緣；3—平滑三角洲隆起；4—埋藏古河道(古湖泊)；5—海底滑坡塌陷區；6—淺層氣范圍；7—底辟圖4 研究區災害地質分布圖

2.2.1 海岸侵蝕與淤積

通過對1984—2015年的遙感影像進行解譯，研究區岸段整體以海岸淤積為主，僅東營港口段、刁口河段沙嘴一帶存在海岸侵蝕。刁口段海岸沖淤變化的基本規律是：1980年開始岸線全面蝕退，侵蝕速率較大；1990—1995年，處于暫時穩定狀態；1995年以后，侵蝕速率逐漸趨緩，某些年份略有淤積；2000—2015年岸線開始緩慢淤積。東營港于1985年建成，由于海港防潮堤的突出，海洋動力加強，岸線處于蝕退狀態[9]。

2.2.2 海洋災害地質特征

海洋災害地質因海水覆蓋，主要通過淺地層剖面測量取得的數據進行解譯的結果。

災害地貌(海底沖溝和陡坎、蝕余地形)主要分布在黃河三角洲前緣及廢棄的黃河三角洲北部葉瓣處，災害性地貌的存在將對海底工程設施造成危害，對海底管線的敷設和維修都會造成很大困難[9,17]。

海底滑坡存在于活動和廢棄的黃河三角洲上；主要為淺層旋轉滑坡體，源區展寬達上百米，陡坎高達數米，海底平坦，無疊瓦狀或繩網狀結構，滑坡體厚約2～6m。引起滑坡的原因可能是內外動力共同作用的結果，外力作用如地震、波浪等震動會引起沙土內超孔隙壓力，當壓力超過沙土自重時，造成表層滑坡；內部觸發主要是三角洲堆積過程中，軟弱層上受不均衡壓力，產生深層滑動[9,18]。

底辟除了發生在廢棄黃河三角洲侵蝕區外，還發生在三角洲外的渤海海底下部，是快速沉積的三角洲前緣沉積層的變形構造，是一種嚴重地質災害。

淺層氣主要存在于孤東海域離岸20km、水深15～20m的海底；其在垂向上分布很淺，其頂界深度距海底不到十米。研究區淺層氣未達到富集高壓程度，不會出現氣體外溢，但是海底潛在的不穩定性因素，會造成平臺倒塌或鉆井出現井噴失火，建議避免在該區進行海洋油氣勘探開發活動[9,19]。

埋藏古河道(古湖泊)分布在海底8～20m左右的深度，古河道(古湖泊)頂埋藏深度在7.1～15.2m之間，分布在整個水下三角洲地區，河道規模較小，河寬一般不超過200m，由于古河道充填物質具有較強的滲透性，在長期侵蝕、沖刷及上覆物質載荷下，容易發生局部坍塌，使地層原有結構破壞，造成構筑物基礎不穩定[9,19-21]。

2.3 海底表層沉積物、海水質量評價

2.3.1 海底表層沉積物質量

海底表層沉積物質量評價方法按指標值所在的限值范圍確定表層沉積物質量類別，按單指標評價結果最差的類別確定表層沉積物最終級別。評價標準采用《海洋沉積物質量》(GB18668—2002)標準[22]，評價指標包括Cr，Cu，Zn，Cd，Pb，Hg，As 7種重金屬元素和有機碳，評價數據為該次采集的216個站位樣品測試數據。

表1 海底表層沉積物環境質量標準

研究區近海海域的海底表層沉積物質量狀況整體較好，主要為第一類海洋沉積物，約占總面積的94%，適用于各種海域用途；第二類海洋沉積物主要分布在研究區北部和南部，在東部零星分布，約占總面積的6%，超出一類標準的指標主要為Zn，Cr，Cu元素，該海域適用于一般工業用水區、濱海風景旅游區等；研究區內沉積物質量均未超過第二類標準(圖5)。

1—第一類海洋沉積物；2—第二類海洋沉積物；3—海底表層沉積物取樣位置圖5 研究區海底表層沉積物質量評價圖

2.3.2 海水質量評價

海水質量評價方法同表層沉積物質量評價，按指標值所在的限值范圍確定海水質量類別，按單指標評價結果最差的類別確定海水最終級別。

選取40件表層海水樣品和20件底層海水樣品分別進行評價，評價標準為《海水水質標準》(GB3097—1997)[23]，評價指標選取了Cu，Pb，Zn，Cr，Cd，As，Hg，pH值，化學需氧量(COD)等。

表層海水水質評價結果如圖6所示，研究區表層海水水質較好，以第二類和第三類海水為主，占總面積的95.1%。第一類海水僅1個站位，位于研究區東北部，適用于海洋漁業水域、海上自然保護區和珍稀瀕危海洋生物保護區等各種用途；第二類海水12個站位，主要分布在黃河入海口以北海域，該區域適用于水產養殖區、海水浴場、人體直接接觸海水的海上運動或娛樂區、與人類食用直接有關的工業用水區；第三類海水21個站位，主要分布在黃河入海口以南海域以及研究區西部和東北部海域，該區域適用于一般工業用水區、濱海風景旅游區；第四類海水6個站位，在區內零星分布，該區域適用于海洋港口水域、海洋開發作業區。Cr，Cd，As元素和pH值的單因子評價結果均屬于第一類；Cu，Pb，Zn，Hg元素的單因子評價結果多為第一類，極少數的單因子評價結果超過第一類；化學需氧量整體較差，其單因子評價結果以第二類和第三類為主，少數為第一類和第四類。

1—第一類海水；2—第二類海水；3—第三類海水；4—第四類海水；5—表層海水樣品位置圖6 研究區表層海水質量評價圖

底層海水水質評價結果如圖7所示，研究區底層海水水質整體狀況較表層海水要好，主要為第一類和第二類海水。其中，第一類海水10個站位，主要分布在東營港以南海域以及研究區西部海域，分布面積最大；第二類海水7個站位，主要分布在研究區北部海域，分布面積次之；第三類海水3個站位，主要分布在研究區西北部海域，面積最小；底層海水沒有第四類海水。Cu，Cr，Cd，As元素和pH值的單因子評價結果均屬于第一類；Pb，Zn，Hg元素的單因子評價結果多為第一類，極少數的單因子評價結果超過第一類；化學需氧量相對其他元素的單因子評價結果較差，其單因子評價結果為第一類海水約占70%，其余為第二類和第三類海水。

1—第一類海水；2—第二類海水；3—第三類海水；4—底層海水取樣位置圖7 研究區底層海水質量評價圖

2.4 工程地質問題

研究區存在的工程地質問題主要為軟土和砂土液化(圖8)。

2.4.1 軟土

軟土主要分布在現代黃河三角洲側緣及刁口流路側緣。東營港北側分布厚度較大，為2～10m，東營港南側小于5m；現代黃河三角洲北側緣孤東東面海域分布厚度較大，一般5～10m，南側側緣及萊州灣西岸分布厚度自北向南厚度變薄，為5～0m，廣利河南至小清河之間無軟土分布。其中萊州灣西岸表層和淺部均有分布，其中表層軟土主要分布在八里溝至廣利河之間，淺部軟土廣泛分布，一般埋深1～7m，厚2～4m。

2.4.2 砂土液化

研究區砂土液化主要位于黃河三角洲和萊州西岸區域，發生液化的土層厚度5～8m，液化均發生在泥線以下15m以上。研究區淺部地層粉粒含量高，平均含量為66.1%，沉積物類型主要為粉土和粉質黏土[13，24]。粉土的性質介于砂土和黏性土之間，砂粒含量較多的粉土，地震時可能產生液化，類似于砂土的性質。

3 質量評價

3.1 評價方法

該次評價主要采用層次分析法和模糊數學綜合指數法。

(1)層次分析法。該次權重的確定采用層次分析法，該分析法是美國運籌學家匹茨堡大學教授薩蒂于20世紀70年代初期提出的，是對一些較為復雜、模糊的問題作出決策的簡易方法，特別適用于難于完全定量分析的問題[4]。

(2)模糊數學綜合指數法計算公式如下[4]：

式中：Rk—綜合評價指數；ai—指標要素的權值；Xi—指標要素屬性賦值；n—指標要素個數。

3.2 評價過程

3.2.1 評價體系

評價體系由3層構成，即系統目標層、屬性層、要素指標層[4]。結合東營市海洋開發利用現狀，選取地質災害、水土污染、工程地質問題3項指標作為屬性層，選取海岸侵蝕與淤積、活動斷裂與地震、災害地貌與滑坡、淺層氣、底辟、埋藏古河道(古湖泊)、表層沉積物質量、海水質量、軟土、砂土液化10項因子作為要素指標層，建立了東營市近海海域地質環境質量綜合評價體系(圖9)。

圖9 評價結構模型圖

3.2.2 評價因子量化

針對所有評價因子的量化分級，在量化過程中既考慮到地質環境的現狀對海洋開發利用的適宜性，又考慮海洋開發利用對地質環境的影響程度[4]，各因子的量化分級見表2、表3。

(1)海岸侵蝕與淤積。海岸侵蝕與淤積影響海岸帶地區的工程地質環境穩定性，根據其是否有侵蝕與淤積情況確定其等級。

(2)活動斷裂與地震。活動斷裂與地震影響著區內管道及鉆井平臺的安全，尤其是全新世以來的活動斷裂與地震，依據其密集程度劃分等級。

(3)災害地貌與滑坡。災害地貌(海底沖溝和陡坎、蝕余地形)、滑坡等將對海底工程設施造成危害，對海底管線的敷設和維修都會造成很大困難，依據是否存在確定其等級。

(4)淺層氣。淺層氣是海底潛在的不穩定性因素，會造成平臺倒塌或鉆井出現井噴失火，依據其富集程度確定其等級。

(5)底辟。底辟是快速沉積的三角洲前緣沉積層的變形構造，是一種嚴重地質災害，依據其是否存在確定其等級。

(6)埋藏古河道(古湖泊)。埋藏古河道(古湖泊)處易發生局部坍塌，使地層原有結構破壞，造成構筑物基礎不穩定，依據其河道寬度劃分其等級。

(7)海底表層沉積物質量。海底表層沉積物質量的好壞決定著海水的不同用途，依據其質量等級賦值。

(8)海水質量。海水質量的好壞決定著海水的不同用途，依據其質量等級賦值。

(9)軟土。軟土因天然含水量大、壓縮性高、承載能力低而影響工程建筑穩定性，依據其是否存在賦值。

(10)砂土液化。砂土液化在地震時可大規模地發生并造成嚴重危害，依據其液化等級賦值。

表2 地質環境質量評價因子分級評分標準

表3 地質環境質量評價因子分級量化

3.2.3 評價因子權重確定

通過海洋地質專業及地質災害相關方面的專家，依據自身的多年實際經驗，對選取的評價因子開展評分，參考評分結果，對結果中存在的異常值進行刪減，選用概率明顯的評分結果；之后按照該次所構建的地質環境質量綜合評價體系，結合東營市海洋功能區劃中各海域的基本用途，通過層次分析法推算出所有評價因子的權重值(表4)。

表4 評價因子權重

3.2.4 地質環境質量綜合評價

將研究區按照5km×5km的基礎進行單元劃分，共計414個單元格，通過各單元格中的影響因素對單元格開展系統的評分。該次評價采取電腦程序開展計算，同時通過MapGIS軟件的輔助分析，獲得研究區全部的地質環境質量評價結果(表5)。

表5 地質環境質量評價分級標準

3.3 評價結果

依據以上評價方法，得出研究區地質環境質量綜合評價結果。研究區地質環境質量主要分為4個等級，即優等區、良好區、中等區和較差區(圖10)。

1—優等區；2—良好區；3—中等區；4—較差區圖10 研究區地質環境質量綜合評價圖

3.3.1 優等區(Ⅰ)

在研究區內廣泛分布，面積5400km2，約占研究區總面積的53%，該區域地質環境條件較好，無地質環境問題。

3.3.2 良好區(Ⅱ)

主要集中于研究區東南部及東營港外圍及北部海域，面積3475km2，約占研究區總面積的34%。該區域海水水質以第三類水為主，超標因子主要為化學需氧量，還存在少量淺層氣、活動斷裂、砂土液化等地質環境問題，工程建設時應予以考慮。

3.3.3 中等區(Ⅲ)

主要分布在研究區的北部及東南部和東營港近岸區，面積1200km2，約占研究區總面積的12%。該區域部分表層沉積物為第二類，Zn，Cr和Cu元素超過第一類標準；海水水質以第三類和第四類水為主，超標因子主要為化學需氧量，開展漁業養殖時應予以重視。另外，該區域存在軟土、砂土液化等工程地質問題、存在活動斷裂、淺層氣、海岸侵蝕與淤積、災害地貌等地質災害，下一步鋪設海底管線、鉆井平臺等海洋工程設施建設時應引起重視，首先進行工程地質勘察工作。

3.3.4 較差區(Ⅳ)

較差區僅分布在研究區的北部及黃河口外圍海域，面積175km2，僅占研究區總面積的2%。該區域海水和表層沉積物質量較差，開展漁業養殖時應予以重視。存在的主要地質環境問題為活動斷裂、地震、淺層氣、埋藏古河道等，工程地質穩定性較差，下一步工程建設時應采用有效的應對措施。

4 結論

(1)選取地質災害、水土污染和工程地質問題3項指標作為一級評價要素，以海岸侵蝕與淤積、活動斷裂與地震、災害地貌與滑坡、淺層氣、底辟、埋藏古河道(古湖泊)、表層沉積物質量、海水質量、軟土、砂土液化10項因子作為二級評價要素，采用層次分析法和模糊數學綜合指數法對東營市近海海域地質環境質量進行了綜合評價。

(2)研究區地質環境質量分為優等區、良好區、中等區和較差區。研究區地質環境質量總體較好，優等區和良好區面積8875km2，占總面積的87%；中等區和較差區面積1375km2，占總面積的13%，主要分布在研究區北部及近岸海域，在離岸較遠海域也零星分布，主要影響因素為軟土、砂土液化、海岸淤積等地質環境問題，另外局部區域還存在海水和表層沉積物超標、活動斷裂、淺層氣、埋藏古河道等地質環境問題，下一步海洋漁業養殖及工程建設時應予以重視，并采取有效防治措施。

(3)該評價結果為地方經濟建設與可持續發展提供專業的、可利用的、準確的區域性地學依據，為國土資源開發利用、管理規劃提供優質的特色海洋地質服務。