基于GIS空間分析的地質環境承載能力評價
——以泰安市高新區為例

李曉波，趙新卓，郄亮，李靜

(1.山東省第五地質礦產勘查院，山東 泰安 271000；2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

摘要：近年來由于人類活動強度超出當地的地質環境承載能力，破壞了人與自然的平衡，帶來了一系列地質災害、地下水污染等環境問題。為科學合理地分析泰安市高新區地質環境的承載能力，本文在分析研究區內地質災害、構造穩定性、水土環境等地質環境特征基礎上，構建了地質環境承載能力評價的5項本底因子和4項狀態評價指標，采用 GIS 空間分析技術將各評價指標進行空間疊加，建立了評價矩陣，對高新區地質環境承載承載能力進行了評價研究。結果表明研究區地質環境承載能力整體狀況較好，承載能力中等以上區占比86.15%，承載能力較弱區占比10.2%，承載能力弱占比3.52%。本研究成果為資源環境承載能力監測預警提供靶區，同時也為國土空間規劃的編制提供依據。

0 引言

地質環境承載能力是指資源環境開發利用與工程建設過程中，在維護區域地質環境系統結構不破壞、功能不退化的前提下，地質環境穩定性和質量對社會經濟發展的支撐保障能力[1-2]。近年來，隨著社會經濟的快速發展，礦產、石油、地下水等資源大量開采以及水庫、水電站和道橋的修建等人類工程經濟活動，造成了地質災害頻繁發生、生態環境惡化等問題，大大超出了地質環境承載能力，因此，開展地質環境承載能力評價對于區域安全生產、空間布局和生態文明建設具有重要意義[3-6]。

近年來，國內外地質環境承載能力研究在評價技術方法、評價模型等方面取得了一定的成果。例如：李瑞敏等[7]提出了面向多要素地質指標體系的構建思路、構建步驟，為地質環境承載能力評價指標的創建、完善和應用指明了方向；魏路、李小磊、秦先燕等[8-13]分別基于GIS技術對不同區域的地質環境承載能力評價方法進行了研究；楊樂、丁贊等[14-15]采用層次分析法與GIS耦合模型的分析方法對研究區進行地質環境承載力的研究，綜合多種因素使評價結果更加準確、可信，以上這些研究進展為本文的研究提供了參考借鑒。

泰安市高新區是國家級高新區，近年來由于人類工程經濟活動的影響，地質災害頻發、水土污染日趨嚴重，嚴重制約了當地社會經濟的可持續發展，急需開展地質環境承載力評價[16]。本文以泰安市高新區為例，通過分析該區域的地質環境特點，建立了符合研究區的地質環境承載能力評價指標體系，利用GIS空間分析對高新區地質環境承載能力進行評價。

1 研究區概況

泰安市高新區位于山東省泰安市中部，南依寧陽縣，北部及東北部分別與泰山區、岱岳區接壤，東與新泰市毗鄰，西與岱岳區相接，全區面積748km2。該區屬暖溫帶季風大陸性氣候，四季分明，地表水系發育，有大汶河，柴汶河，山陽水庫和彩山水庫等。研究區地處魯中山區西北部，地勢以徂徠山為最高點，向四周地勢逐漸降低，區內地貌按成因類型可分為侵蝕構造中度切割中山、剝蝕、溶蝕淺切割丘陵、山間河谷沖洪積平原，地形起伏較大。研究區位于華北板塊(Ⅰ)、魯西隆起區(Ⅱ)、魯中隆起區(Ⅲ)的中部，新甫山-萊蕪斷隆(Ⅳ)的新甫山凸起區(Ⅴ)，區內基底褶皺運動強烈，形成徂徠山復式背斜，蓋層構造以系列弧形斷裂、NNW 向及近 EW 向斷裂為主(圖1)。

2 地質環境特征

2.1 地質災害

研究區地形、地貌、地層巖性、地質構造及人類工程活動等條件是造成區內地質災害發育類型的主要因素，而上述因素與氣象、水文、巖體風化、植被等因素耦合，共同制約著區內地質災害的發育規模與發育程度。據泰安市1∶5萬地質災害調查報告，研究區內崩塌滑坡泥石流共發育20處，其中滑坡隱患1處、崩塌隱患10處、泥石流隱患9處、巖溶塌陷隱患2處，規模等級均為小型(圖2)。

1—崩塌；2—滑坡；3—泥石流；4—巖溶塌陷；5—地表水系

2.2 構造穩定性

影響構造穩定性主要參數包括地震動峰值加速度和斷裂活動性。根據中國地震動參數區劃圖(GB18306—2015)，研究區內地震動峰值加速度為0.10g，相當于地震基本烈度Ⅶ度，屬于建筑抗震危險地段，即屬于Ⅱ級次穩定區，所以只需考慮斷裂活動性這一評價指標，區內發育活動斷裂3條，分別為岱道庵斷裂、橋溝斷裂和徂徠山斷裂。

2.3 巖溶塌陷

由于過量開采巖溶水，研究區內巖溶塌陷較為發育，主要見于舊縣水源地周邊。其中低易發區占研究區總面積的92.02%，中易發區占比為6.01%，高易發區占比為1.97%(圖3)。

1—巖溶塌陷高易發區；2—巖溶塌陷中易發區；3—巖溶塌陷不易發區

在巖溶塌陷危險性和易損性分項測算的基礎上，集成巖溶塌陷危險性和易損性評價，通過綜合分析巖溶塌陷易發程度、危害程度和發育程度，形成風險性綜合評價結果，研究區不存在巖溶塌陷高風險區，中風險區在舊縣水源地附近，面積占比為7.98%，其他區域均為低風險區。

2.4 水土環境

研究區前期地下水水質監測數據相對匱乏，本次研究暫不考慮淺層地下水背景值影響，僅考慮淺層地下水水質的影響。根據泰安市1∶5萬地下水污染調查成果，按照《國土資源環境承載能力評價技術要求(試行)》中淺層地下水水質等級標準，研究區不存在Ⅰ級水，Ⅱ級水占比為57.64%，Ⅲ級水占比為42.36%。按照土壤環境地球化學等級標準(DZ/T0265—2016)，研究區土壤質量等級主要為Ⅰ級(圖4)。

1—孔隙水Ⅱ級水；2—孔隙水Ⅲ級水；3—裂隙水Ⅱ級水；4—裂隙水Ⅲ級水

2.5 地質遺跡和地質公園

研究區有龍灣省級地質公園，可直接圈劃出地質公園空間分布范圍，其主要分布在徂徠山中部，其中一級保護區面積7.9km2，二級保護區面積1.1km2，三級保護區面積3.5km2。

3 地質環境承載能力評價方法

3.1 數據來源

研究區崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等地質災害數據主要基于泰安市1∶5萬地質災害調查項目成果以及泰安市舊縣地區巖溶塌陷地質災害調查與評價項目成果；水土環境質量數據主要基于泰安市1∶5萬地下水污染調查項目成果；地質公園數據主要基于泰安市生態保護紅線劃定項目成果；并對搜集的資料根據實際踏勘情況進行相應的更新、修改，以滿足評價需要。

3.2 評價指標體系構建

根據《國土資源環境承載能力評價技術要求(試行)》，從本底和狀態2個角度評價地質環境承載能力。其中，承載本底為長期穩定的因子反映資源稟賦與環境容量的優劣程度；承載狀態則為動態變化因子反映人類對地質環境開發、利用和改造的結果。

本文在綜合分析研究區地質環境背景條件、地質環境特征及地質環境現狀資料的基礎上，以科學性、協調性、差異性、層次性、動態性和可行性為指導原則，選取地質災害、構造穩定性、水土環境質量等級、地質遺跡4個方面構建研究區地質環境承載能力評價指標體系。其中，突發性地質災害、主要活動斷裂、地質遺跡為國土空間開發的較強限制性因子；研究區內淺層地下水水質較差，為國土空間開發的不利因子。

本文基于研究區國土功能定位和地質環境特征，以區內主要地質環境問題為導向，選取本底評價指標為5項，狀態評價指標4項，建立研究區地質環境承載能力評價指標體系，并對評價指標進行等級劃分[17-18](表1)(1)山東省第五地質礦產勘查院,山東省泰安市岱岳區1∶5萬地質災害調查報告,2012年。。

表1 地質環境承載能力評價指標體系

3.3 評價過程

對選取的本底及狀態評價因子，基于ArcGIS網格剖分功能，對各評價因子進行1km×1km網格劃分，共計劃分為140個評價單元。通過綜合指數模型定性對各個評價因子進行空間疊加評價，形成本底及狀態評價結果，通過科學設置分級標準，將承載本底劃分為高、較高、中、較低、低5個等級，完成承載本底評價；通過科學設置狀態閾值，將承載狀態劃分為超載、均 衡(臨界超載)、盈余(不超載)3 種狀態，完成承載狀態評價。地質環境承載能力的綜合評價以承載本底和承載狀態評價結果為基礎，運用ArcGIS空間疊加分析功能進行定性評價[19-20]，根據(表2)判別矩陣，將地質環境承載能力劃分為強、較強、中、較弱、弱5個等級。

表2 地質環境承載能力等級

4 地質環境承載能力評價結果

4.1 承載本底評價結果

區內地質環境承載本底整體較高，承載本底高、較高區域面積占比為80.21%，由主要分布在研究區南部房村鎮、良莊鎮、天寶鎮，該區域為崩塌滑坡泥石流、巖溶塌陷低易發區，構造穩定性較好(圖5)；承載本底中區域主要分布在徂徠山周邊及研究區西北區域，占研究區總面積的14.19%，該區域屬崩塌滑坡泥石流、巖溶塌陷中易發區；承載本底較低區域分布在徂徠山附近及舊縣水源地區域，為崩塌滑坡泥石流、巖溶塌陷中高易發區，且構造穩定性較差，占研究區總面積的5.6%。

4.2 承載狀態評價結果

區內地質環境承載狀態總體為均衡(臨界超載)—超載狀態，由圖6可知承載狀態均衡區在研究區分布比較分散，主要在研究區北部、東部、西部呈條帶狀分布，在中部零星分布，該區域主要為崩塌滑坡泥石流、巖溶塌陷中風險區、低風險區及淺層地下水水質等級為Ⅱ級區域，占研究區總面積的38.6%；承載狀態超載區主要分布在徂徠山周邊以及研究區南部區域，該區域崩塌滑坡泥石流、巖溶塌陷高風險區以及淺層地下水水質等級為Ⅲ級區域，占研究區總面積的61.4%；研究區內不存在盈余區域。

1—承載狀態均衡區；2—承載狀態超載區

4.3 承載能力綜合評價

根據本底評價等級和狀態評價結果，結合地質環境綜合承載能力評價矩陣，研究區地質環境承載能力評價結果由強到弱可分為5個區(圖7)：

1—承載能力強；2—承載能力較強；3—承載能力中等；4—承載能力較弱；5—承載能力弱；6—承載能力分區及編號

(1)地質環境承載能力強區(Ⅰ)。分為3個亞區，分別為：泉河村-興龍莊村-南官莊村亞區(Ⅰ1)，朱家莊村-薛莊南村-山陽西村亞區(Ⅰ2)，研究區東部及東北部區域(Ⅰ3)。總面積為187.26km2，占研究區總面積的25.04%。該區域大部分為山間河谷沖積平原，局部為淺切割丘陵，地勢較為平坦，起伏變化不大；該區主要巖性以沖洪積的砂質黏土、砂層為主；該區域崩塌滑坡泥石流以及巖溶塌陷等地質災害不易發，淺層地下水水質等級為Ⅱ級，無地質遺跡分布。

(2)地質環境承載能力較強區(Ⅱ)。該區分布面積較大，主要分布在研究區南部，西部及東北部有零星分布，面積為319.50km2，占研究區總面積的42.72%。該區大部分為山間河谷沖積平原，局部為淺切割丘陵，地勢較為平坦；該區巖性以沖洪積的砂質黏土、砂層為主；大部分處于崩塌滑坡泥石流的不易發區，局部處于崩塌滑坡泥石流的低易發區，處于巖溶塌陷不易發區，地下水水質等級為Ⅲ級。

(3)地質環境承載能力中等區(Ⅲ)。該區分為2個亞區，總面積為137.52km2，占研究區總面積的18.39%。

徂徠山周邊亞區(Ⅲ1)：該區為侵蝕構造中度切割中山，所處地勢較高，地形坡度一般；該區巖性以花崗巖為主處于崩塌滑坡泥石流的中低易發區，巖溶塌陷處于不易發區，地下水水質等級為Ⅲ級。

大汶河流域北段亞區(Ⅲ2):該區為山間河谷沖積平原，地勢較平坦；主要巖性以灰巖為主，上覆第四系砂質黏土該區崩塌滑坡泥石流易發性低，巖溶塌陷為中高易發性，地下水水質等級Ⅱ級。

(4)地質環境承載能力較弱區(Ⅳ)。該區分為3個亞區，總面積為76.28km2，占研究區總面積的10.2%，分別敘述如下：

舊縣水源地亞區(Ⅳ1)：該區為沖洪積平原，主要巖性為巖溶發育的灰巖及白云巖，第四系覆蓋層厚度較薄，易產生巖溶塌陷為巖溶塌陷的高、中易發區，崩塌滑坡泥石流不易發，地下水水質等級為Ⅱ級。

徂徠山西部亞區(Ⅳ2)：該區為侵蝕構造中度切割中山，地勢較高，以花崗巖為主，節理裂隙較發育，易發生崩塌滑坡泥石流等地質災害，崩塌滑坡泥石流易發程度中等，巖溶塌陷不易發，地下水水質等級為Ⅱ級。

徂徠山南部亞區(Ⅳ3)：該區為侵蝕構造中度切割中山，地勢較高，地形坡度較大，相對高差較大；巖性以花崗巖為主，節理裂隙較發育，巖體易崩解成塊石、碎屑，結構穩定性差，形成大厚度的風化殘積層，易發生崩塌滑坡泥石流巖溶塌陷處于不易發區，地下水水質等級為Ⅲ級。

(5)地質環境承載能力弱區(Ⅴ)。該區主要分布在徂徠山中部，面積為26.30km2，占研究區總面積的3.52%，該區為侵蝕構造中度切割中山，地勢較高，地形坡度較大；巖性以花崗巖為主，節理裂隙發育，在降雨或振動等外力作用下，易產生崩塌現象；為崩塌滑坡泥石流高易發區，巖溶塌陷不易發區，地下水水質等級為Ⅱ級。

5 結論和建議

本文以泰安市高新區為研究對象，從地質災害、活動斷裂、水土環境、地質遺跡等方面分別對地質環境承載本底、承載狀態、承載能力3個方面進行了評價，得出以下結論：

(1)以泰安市地質環境特征為基礎，選取崩塌滑坡泥石流易發性、斷裂活動性、巖溶塌陷易發性、土壤質量背景值、地質遺跡類型5個本底評價因子，崩塌滑坡泥石流風險性、巖溶塌陷風險性、水土環境質量等級、地質公園空間分布4個狀態評價因子，共9個評價因子，構建了承載力等級評價指標體系。

(2)采用GIS空間分析技術和綜合指數模型對各個指標進行空間疊加分析，結果表明，研究區地質環境承載能力整體狀況較好，承載能力中等以上區域占研究區總面積的86.15%，承載能力較弱區域占10.2%，承載能力弱區僅占3.52%。

(3)通過綜合研究各評價因子的狀態分布對制約地質環境承載能力的主要因素進行分析可知：制約研究區地質環境承載能力弱的主要因素為地質災害發育較多、淺層地下水水質較差。因此，建議對地質災害易發區進行地質災害治理、排除地質災害隱患，改善地質環境；對地下水水質較差區域，加大地下水污染的防治，進行地下水污染修復治理，使地下水水質得到改善，提高其地質環境承載力。