城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價指標體系研究

曹二濤 張 弛 張 華

(中國地質(zhì)礦業(yè)有限公司，北京 100029)

1 概述

城市是人類文明的標志，地質(zhì)環(huán)境作為城市發(fā)展的重要載體，可為人類生產(chǎn)生活提供水源、土地、礦產(chǎn)等資源，另一方面，也通過一系列不良地質(zhì)現(xiàn)象(如地震、滑坡、泥石流、地面塌陷、水土污染等)威脅著城市的安全。近年來，我國相繼發(fā)生汶川地震、玉樹地震、舟曲泥石流等地質(zhì)災(zāi)害造成了人民生命財產(chǎn)的極大損失。因此，如何預(yù)防、規(guī)避重大地質(zhì)環(huán)境問題，保證城市地質(zhì)環(huán)境安全，成為快速城市化進程中對地質(zhì)工作的迫切需求[1]。

長久以來，美國、英國、德國、日本等發(fā)達國家在城市安全方面注重通過減災(zāi)規(guī)劃和土地規(guī)劃來降低區(qū)域災(zāi)害，強調(diào)災(zāi)害風(fēng)險控制的最有效手段就是通過土地利用規(guī)劃手段來限制土地開發(fā)行為，并形成相對成熟的城市安全評價和管理體系[2]。我國城市地質(zhì)工作起步較晚，目前，與城市地質(zhì)環(huán)境安全相關(guān)的工作還主要集中在單一方向上的研究[3]，例如城市地質(zhì)資源供給、城市工程地質(zhì)、礦山地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等方面[4]，尚未形成統(tǒng)一的城市地質(zhì)環(huán)境安全綜合評價方法體系。此外，我國地質(zhì)環(huán)境問題種類多、發(fā)生頻率高，再加之許多地質(zhì)環(huán)境脆弱地區(qū)分布有大量人口，使得其危害更為巨大[5-6]。因此，必須設(shè)法查明影響城市安全的地質(zhì)環(huán)境問題，研究其影響機制，并形成可參考指標體系，從而為安全性評價提供基礎(chǔ)。

以下對城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價的概念及其內(nèi)涵進行探討，并從城市建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境相互作用機制的角度出發(fā)，通過分析影響城市安全的地質(zhì)環(huán)境要素，梳理城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價的思路，提出評價指標體系，對促進城市地質(zhì)環(huán)境安全評價工作的開展具有重要意義。

2 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價

2.1 概念

廣義來說，地質(zhì)環(huán)境評價是對地質(zhì)環(huán)境形成條件、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、功能的現(xiàn)狀進行分析，在自然條件和人類活動影響作用下，對可能發(fā)生的變化趨勢進行預(yù)測，對其與社會經(jīng)濟發(fā)展活動的協(xié)調(diào)進行定性或定量的評估[7]。

城市地質(zhì)環(huán)境評價是地質(zhì)環(huán)境評價的一個子類，基于城市開發(fā)建設(shè)的目的，對城市地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣程度進行描述[8]。按照不同的分類方法，城市地質(zhì)環(huán)境評價的類型有很多，其中最主要的類型有：安全性評價、適宜性評價、質(zhì)量評價和風(fēng)險評價[9-10]。

城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價是指綜合運用地質(zhì)學(xué)和環(huán)境地質(zhì)學(xué)的理論方法，從城市建設(shè)和人居環(huán)境安全的角度出發(fā)，在地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)調(diào)查與分析基礎(chǔ)上，對地質(zhì)環(huán)境進行定性或定量評價，確定不安全區(qū)域及其可能的影響范圍，提出必要的預(yù)防、避讓、控制對策。開展城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價對于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理具有重要的基礎(chǔ)性意義，特別是對于合理確定城市建筑物抗震設(shè)防標準，確定工程建設(shè)和人類活動規(guī)避范圍都具有重要意義，同時對于提高我國對地震等自然災(zāi)害的防災(zāi)減災(zāi)能力也有重要的作用[11]。

2.2 內(nèi)容

就地質(zhì)環(huán)境安全問題表現(xiàn)形式而言，安全性評價總體上可以歸納為“地質(zhì)結(jié)構(gòu)安全性評價”和“地球化學(xué)背景安全性評價”兩個方面，前者是物理層面，主要體現(xiàn)為地殼安全與地表地質(zhì)安全；后者為化學(xué)層面，主要體現(xiàn)為水、土原生地球化學(xué)背景和污染現(xiàn)狀對人類健康生活的影響。

3 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價指標體系

3.1 城市地質(zhì)環(huán)境安全問題分析

為了合理構(gòu)建評價指標體系并準確表征評價指標的性狀，有必要對地殼安全、地表地質(zhì)安全和地球化學(xué)背景安全三類問題的發(fā)生機制、表現(xiàn)形式、危害程度等分別進行分析。

(1)地殼安全性

地殼安全問題由地球內(nèi)動力地質(zhì)作用所產(chǎn)生，如地震、火山、活動斷裂等。對我國城市而言，主要體現(xiàn)為地震與活動斷裂的威脅。我國有1 /3的大城市和2 /5的中等城市處在地震基本烈度為Ⅶ 度和Ⅶ 度以上地區(qū)。地震通過地震波直接破壞建筑物，或者衍生出地質(zhì)災(zāi)害對城市造成破壞。故可以在地震地質(zhì)和現(xiàn)代構(gòu)造活動調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，以基本烈度為主要指標，并參照地震活動周期和斷層活動速率、地形變速率以及地應(yīng)力等測量資料來確定地殼的穩(wěn)定性。

活動斷層對城市安全的威脅體現(xiàn)在兩方面，一是斷層所帶來的直接危害，即活動斷層的地面錯動及其附近的伴生地面變形，往往會直接損害跨越斷層修建或建于其附近的構(gòu)筑物；二是斷層活動所伴生的次生危害，如粉碎其附近巖土體、誘發(fā)斷裂帶次生地質(zhì)災(zāi)害等。

(2)地面安全性

地表地質(zhì)安全指在內(nèi)、外動力(以外動力為主)地質(zhì)作用或人類活動影響下，地殼表面的安全程度，其危害主要表現(xiàn)為通過地表形變直接或間接破壞建筑結(jié)構(gòu)。地表地質(zhì)安全涉及的內(nèi)容十分廣泛，如自然或人為誘發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷、砂土液化、地面塌陷、地面沉降、地裂縫等。此外，洪災(zāi)危害也是地表安全需要考慮的重要內(nèi)容，其衡量指標為地面高程與洪水位的相對高差，對于有可能發(fā)生洪水災(zāi)害的城市，其建筑不應(yīng)布設(shè)在地勢較低的區(qū)域。

(3)地球化學(xué)安全性

除了上述兩類顯性的地質(zhì)環(huán)境安全問題以外，有害元素的遷移、富集等隱性地質(zhì)環(huán)境問題也會影響人類健康安全。如放射性或者有毒元素超標、某些化學(xué)元素的嚴重不足或顯著偏高、以及常規(guī)元素構(gòu)成致病組合等[12]。由此造成的地方病在我國部分城市仍有分布，其中，地方性砷中毒、氟中毒和大骨節(jié)病是我國主要的地方病病種[13-14]。與此同時，人類活動造成的水土環(huán)境中超標的有害重金屬、有機物、微生物等也嚴重威脅著城市居民的健康[15]。此外，地下水中過量的酸性成分會對地基形成侵蝕危害，如地下水中含有的二氧化碳與混凝土中的碳酸鈣反應(yīng)形成重碳酸鈣，從而破壞混凝土結(jié)構(gòu);酸性水或含有游離氧的地下水對鋼鐵有較強的腐蝕作用。

3.2 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價指標體系

城市地質(zhì)環(huán)境安全問題分析是評價指標體系建立的基礎(chǔ)，在具體構(gòu)建時，要特別體現(xiàn)“重點突出”和“針對性”[16]，即地質(zhì)環(huán)境安全性評價在指標體系選取必須因城市而異、因地區(qū)而異、因問題而異。應(yīng)選擇區(qū)域內(nèi)最能體現(xiàn)地質(zhì)安全的主導(dǎo)因素或因子參與評價，以下將評價指標體系總結(jié)為3大類共15項，并將安全程度劃分為三個等級，見表1。

表1 地質(zhì)環(huán)境安全性評價指標體系及等級劃分

4 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價思路與流程

4.1 評價思路

城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價是在搜集研究區(qū)已有資料與野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，確定威脅城市建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境安全性問題。然后，研究地質(zhì)安全性問題與地質(zhì)環(huán)境條件(因子、指標)之間的相互作用機制，建立條件與問題的定量對應(yīng)關(guān)系，利用適當(dāng)?shù)亩?quán)及模型方法進行單要素的地質(zhì)環(huán)境安全評價，并繪制單要素等級分區(qū)。

4.2 評價流程

通過各地質(zhì)環(huán)境安全性單要素之間的相關(guān)疊加分析，展開地質(zhì)環(huán)境安全性綜合評價。最后針對評價結(jié)果提出城市建設(shè)過程中地質(zhì)安全的對策建議。評價流程如圖1所示。

圖1 城市地質(zhì)環(huán)境安全性評價流程

5 案例分析

5.1 研究區(qū)地質(zhì)背景

長三角地區(qū)地處揚子板塊東段，南部以“江山-紹興”斷裂與華夏板塊相接，西部、北部分別以“郯廬”斷裂和蘇魯造山帶與華北板塊毗鄰。該地區(qū)松散土體廣泛分布，巖體多呈孤丘零星狀點綴于平原之中，主要分布于江蘇省域的太湖沿岸帶、浙江省域的南部和西部，以及上海市域的西部青浦和松江區(qū)境內(nèi)。

5.2 地質(zhì)環(huán)境安全評價指標體系構(gòu)建

長三角地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，人類活動極為強烈[17]，存在的重大環(huán)境地質(zhì)問題主要包括以下幾個方面。

(1)活動性斷裂

沿江開發(fā)帶內(nèi)主要活動性斷裂共有11條。歷史上發(fā)生過多次中強地震，造成嚴重坍塌和沉降事故。例如溧陽一帶于1974年、1979年先后發(fā)生的6級和5級地震。

(2)特殊巖土

該區(qū)域發(fā)育有中-高壓縮性的黏性土、松散飽和砂土和膨脹土等類型的不良土體，容易引發(fā)各類工程地質(zhì)問題，如軟土不均勻沉降導(dǎo)致建筑物傾斜開裂；松散飽和砂土易發(fā)生震動液化，產(chǎn)生“流砂”，造成建筑地基結(jié)構(gòu)破壞；膨脹土易引起地基開裂、塌滑等。長江以南的上海、蘇錫常、杭嘉湖地區(qū)已有1/3范圍累積沉降超過200 mm，面積近10 000 km2。

(3)地下水污染

受農(nóng)藥化肥、生活污水和工業(yè)排污影響，城市周邊及主要工業(yè)區(qū)成為污染的主要區(qū)域[18]。其中，三氮、COD、砷等指標為主要污染因子，有機污染零星分布。

針對長三角地區(qū)城市規(guī)劃和重大工程建設(shè)面臨的重大環(huán)境地質(zhì)問題，根據(jù)研究區(qū)的基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等資料，從地殼安全、地表安全和地球化學(xué)安全三個方面，構(gòu)建了地質(zhì)安全性指標體系。

5.3 地殼安全性指標及等級分區(qū)

在地震地質(zhì)和現(xiàn)代構(gòu)造活動調(diào)查研究基礎(chǔ)上，以基本烈度為主要指標，參照地震話動周期和斷層活動速率、地形變速率以及地應(yīng)力等測量資料，劃分地殼安全性級別：基本烈度小于或等于6度為地殼安全區(qū)，7～8度為次安全區(qū)、大于8度為不安全區(qū)。根據(jù)長三角地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特征和新構(gòu)造運動與地震活動概況，對長三角地區(qū)地殼安全性進行評價，結(jié)果如圖2所示。

圖2 長三角地區(qū)地殼安全性評價分區(qū)

5.4 地面安全性指標及等級分區(qū)

長三角地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜，地面破壞類型多樣，有崩塌、滑坡、地面塌陷，地面沉降、水土流失、江海岸沖刷淤積、誘發(fā)地震等。其中，危害最為嚴重的地質(zhì)災(zāi)害類型為地面沉降[19]。通過對基礎(chǔ)地質(zhì)條件、災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、人類活動程度等地面穩(wěn)定性影響因素的分析，按照其易發(fā)強度或規(guī)模劃分為安全、次安全和不安全三個級別，結(jié)果如圖3所示。

圖3 長三角地區(qū)地面安全性評價分區(qū)

由圖3可知，上海是我國發(fā)生地面沉降現(xiàn)象最早、影響最大、危害最深的城市，江蘇的蘇錫常地區(qū)與浙江的杭嘉湖地區(qū)也相繼發(fā)生了地面沉降現(xiàn)象，地面沉降已直接影響到城市建設(shè)，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活，并對防洪、排澇和通航能力有較大影響。

滑坡在浙江省內(nèi)發(fā)育較為嚴重，主要位于山地丘陵地帶，在城鎮(zhèn)附近和沿海港口碼頭亦有發(fā)生。

5.5 地球化學(xué)安全性指標及等級分區(qū)

長三角地區(qū)是我國人類活動最為劇烈的地區(qū)，具有區(qū)內(nèi)地下水污染范圍廣、污染源分布多、污染物類型多樣等特點。

針對長三角地區(qū)地下水污染特點，可從地下水防污性能評價角度反饋污染風(fēng)險。地下水防污性能是指地下水系統(tǒng)抵御污染物進入地下水的能力，反映了人類活動產(chǎn)生的所有污染物進入地下水的難易程度，它與含水層所處的地質(zhì)、水文地質(zhì)條件有關(guān)。按照地下水防污性能級別，可劃分為防污性能高、防污性能中等、防污性能差；分別對應(yīng)地球化學(xué)安全性的安全區(qū)、次安全區(qū)和不安全區(qū)3個等級。

根據(jù)長三角地區(qū)的地下水條件，采用DRASTIC模型進行地下水防污性能評價，采用了如下幾個評價指標：地下水埋深、降雨入滲補給量、含水層巖性、土壤類型、地形坡度、包氣帶影響、含水層滲透系數(shù)。反映地下水在土壤、包氣帶以及含水層特性等控制因素下對地下水污染的風(fēng)險(評價結(jié)果如圖4所示)。

圖4 長三角地區(qū)地球化學(xué)安全性評價分區(qū)

5.6 地質(zhì)環(huán)境安全性綜合評價與分區(qū)

利用地質(zhì)環(huán)境安全性單要素分析成果，基于MapGIS軟件平臺，采用圖形疊置法，開展地質(zhì)環(huán)境安全性綜合評價和地質(zhì)環(huán)境安全性等級分區(qū)，評價結(jié)果如圖5所示。

圖5 長三角地區(qū)地質(zhì)環(huán)境安全性綜合評價分區(qū)

根據(jù)評價結(jié)果，對各等級分區(qū)進行統(tǒng)計分析，得到以下結(jié)果。

(1)地質(zhì)環(huán)境安全區(qū)總面積為50 017 km2，占長三角地區(qū)陸域面積48.6%，主要集中在泰興-啟東的長江北岸地帶和太湖以南廣博的平原區(qū)。

(2)地質(zhì)環(huán)境次安全區(qū)總面積為28 306 km2，占長三角地區(qū)陸域面積27.5%。主要分布在研究區(qū)西北部，這些區(qū)域地形起伏較大，地下水防污性較差，部分地區(qū)存在著較為嚴重的地質(zhì)環(huán)境問題，如地裂縫和地面沉降。

(3)地質(zhì)環(huán)境不安全區(qū)總面積為24 589 km2，占長三角地區(qū)陸域面積23.9%。主要在沿長江(從南京-鎮(zhèn)江，連接蘇錫常地區(qū)和上海全域)連續(xù)分布，同時，在金子巖-黃毛尖一線西北的條形地帶及東南沿海區(qū)域亦有分布。該類區(qū)域內(nèi)存在嚴重的地面沉降、地質(zhì)災(zāi)害、地殼穩(wěn)定性和地下水污染等問題。

根據(jù)前述分析，在安全性高的區(qū)域，開展相應(yīng)城市活動較為適合；在次安全區(qū)，地質(zhì)環(huán)境條件雖然基本滿足城市安全要求，但需要采取一定的工程措施整治后方可建設(shè)；而在不安全區(qū)，地質(zhì)環(huán)境條件較差，需采取大量工程措施整治后才可建設(shè)，若工程治理代價太大或目前的技術(shù)方法難以達到理想的治理效果，可將其規(guī)劃為生態(tài)用地，從而保證城市地質(zhì)安全。

6 結(jié)論

(1)地質(zhì)安全是城市安全最基礎(chǔ)的組成部分，對地質(zhì)環(huán)境進行定性或定量評價，圈定不安全區(qū)域及其影響范圍，并提出必要的預(yù)防、避讓、控制對策，對城市建設(shè)和人居環(huán)境安全意義重大。

(2)應(yīng)在系統(tǒng)分析區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特征的基礎(chǔ)上，選取對城市安全影響最為重要的地質(zhì)要素來構(gòu)建指標體系。

(3)地質(zhì)環(huán)境安全性評價指標體系一般具有普適性的特點，在開展具體工作時，需要根據(jù)不同城市的特點加以區(qū)別對待。