熊华盛, 杨海燕, 彭向阳, 王承锋

(湖北省地质局 第二地质大队,湖北 恩施　445000)

0　引言

地质环境是与水圈、大气圈、生物圈相互作用并与人类活动紧密相关的岩石圈的表层空间,它是人类社会可持续发展的物质基础和先决条件。人类活动离不开一定的自然环境,且与地质环境的关系尤为密切[1]。地质环境较容易受到人类活动的影响,地质环境的反馈作用即地质环境受人类活动干扰后,对这种干扰所作出的响应。当人类活动的规模和强度超过了地质环境的承受极限后,必然导致地质环境发生变化,对人类活动做出反应。其实质就是地质环境在人类作用力影响下,对物质和能量的输入与输出的动态平衡关系进行调整:当人类作用力不大时,通过地质环境内部的调节能力,对外界的冲击进行补偿和缓冲,就可以完成这种调整过程,维持地质环境系统的稳定性,表现为不易觉察的、“隐蔽的”形式;当人类作用力增大,超过地质环境内部的调节能力时,地质环境只有通过剧烈的变动,才能建立起新的平衡关系,反馈就以“显露的”形式表现出来。极端情况下,地质环境无法再求得新的平衡,此时即以地质灾害或生态环境问题的形式显现。地质环境承载力是指一定时期和一定区域范围内,以及在一定的环境目标下,在维持地质环境系统结构不发生质的改变,地质环境系统功能不朝着不利于人类社会、经济活动方向发展的条件下,地质环境所能承受人类活动的影响与改变的最大潜能。地质环境承载力的概念从本质上反映了地质环境与人类活动之间的辩证关系,建立了地质环境与人类活动之间的联系纽带。

恩施土家族苗族自治州(简称恩施州)位于湖北省西南部,东连荆楚,南接潇湘,西临渝黔,北靠神农架,是湖北省唯一的少数民族自治州。因位置偏僻、交通闭塞等多种因素,经济发展相对落后。近十年来,随着国家西部大开发、武陵山区扶贫开发试点、龙凤综合扶贫改革试点等规划的实施,恩施州特别是州城经济社会发展步伐明显加快。与此同时,人类活动开发、利用和改造地质环境的规模、强度、速率越来越大,地质环境受到的改造和破坏与日俱增,地质环境问题越来越受到社会各界的普遍关注。

恩施州城位于恩施州中部,为一近南北向延伸的条带状断陷山间盆地。盆地内多为低丘、凹槽,恩施断裂、高桥坝向斜沿北东—南西向贯穿全境,清江自北向南穿城而过。盆地内覆盖第四系冲洪积层和白垩系跑马岗组砂砾岩,地下水类型主要包括第四系孔隙水和基岩裂隙水,人类工程活动以房屋建筑和道路工程中的高挖低填为主。本文拟以恩施州城为研究对象,探索丘陵山区地质环境承载力评价方法和评价指标,以便为地区发展规划拟定提供科学依据,并为类似地区地质环境承载力评价提供有益借鉴。

1　恩施州城环境地质问题综述

调查研究表明,恩施州城主要环境地质问题包括地质灾害防治、地下水资源开发利用与环境保护、城市建设与地下空间开发利用及地质矿业遗迹保护等。

1.1　地质灾害防治

恩施州地处鄂西南丘陵山区,属崩塌、滑坡地质灾害极易发区,因此地质灾害防治问题是州城主要地质环境问题。调查表明,恩施州城共发育滑坡4处(其中土滑3处、岩滑1处),崩塌4处,岩溶地面塌陷2处,不稳定斜(边)坡126处[2]。

恩施州城的滑坡、崩塌和不稳定斜(边)坡主要分布于红砂岩和碳酸盐岩地层中,多与切山造地、采矿采石具有一定的联系。六角亭办事处原胜利街小学依山而建,开挖坡脚形成20 m左右的高陡边坡,坡体结构为逆向和横向坡,1976年6月27日发生灾害性滑坡,损坏原胜利街小学教室1间,损失较为严重。近年来,因工程建设形成的高陡边坡遍布州城,最高者超过50 m,坡度超过70°甚至近直立,虽未形成较大规模地质灾害,但局部崩落、掉块事件时有发生。部分地段岩体较完整,应力释放不强烈,边坡暂处于稳定或基本稳定状态,但随着风化作用和水蚀作用的持续,岩体失稳变形的可能性较大。

州城附近地面塌陷现主要因岩溶作用而成,主要分布在灰岩和砾岩不整合接触面附近(如恩施卫校)。

1.2　地下水资源开发利用与环境保护

恩施州城地下水以第四系孔隙水、红层裂隙水和岩溶水为主,除了直接作为资源进行使用外,地下水还被用作浅层低温能导热介质。因为对地下水资源的需求不断增大,地下水开采引发的区域性地面沉降问题将越来越显著。同时,因地表污水、废水的不当排放和垃圾渗漏液的影响,地下水水质可能受到污染,与地表水相比,地下水污染问题往往难以得到处置、恢复。而浅层地温能的不当开发利用除了造成上述两大问题外,还可能引发地温场的变化,对城市地下空间的开发利用将会带来难以克服的障碍。

在州城附近重大工程建设过程特别是地下工程建设(公路、铁路隧道、地下电站等)过程中,由于深部开挖导致局部地段地下水的径流路径发生显著变化,可能引发地表水漏失、地下突(涌)水等现象,该问题在碳酸盐岩分布地区产生的可能性较大。

1.3　城市建设与地下空间开发利用中的环境地质问题

恩施州城处丘陵山区,在地面工程建设过程中,高挖低填难以避免,除了产生高陡边坡之外,还出现了大量的高填方地带。开挖出来的物质堆填于沟槽地段,堆积体主要由红砂岩碎块和粉细砂组成,物质成分极不均一,水稳性差,堆填厚度最大已超过50 m,且施工过程中多未进行有效压实,其承载能力和变形特性具有较强的空间变异性。如果充分利用该填土层,做到安全可靠、经济合理,是恩施州城城市建设过程中亟待解决的一个重要环境地质问题。

在上世纪特殊时期,曾开挖了多处人防洞室,近期地下工程建设也形成了多处洞室,这些工程为我们提供了宝贵的地下空间,但是这些地下空洞的存在也增加了诱发地面塌陷的可能性。

1.4　地质矿业遗迹保护

恩施州城主要地质遗迹为丹霞地貌和岩溶暗河系统。

恩施州城地处红层盆地,主要出露白垩系跑马岗组(K2p)红色砂砾岩,在重力、构造、流水、风化及岩溶共同作用下,形成了大砂坝、挂榜岩、月亮岩等多处较为独特的丹霞地貌,主要分布在清江及其支流两岸和恩施大断裂附近,虽分布面积不大,但紧邻城区,且具有一定的历史文化价值,构成了恩施州城较为宝贵的自然地质遗迹和较为重要的旅游地质资源。由于前期人类工程活动强度过大、过频,部分丹霞地貌遭到一定程度的损毁,同时因人工作用形成了新的丹霞地貌,但总体而言资源价值有限,反而形成了地质灾害隐患。

恩施州城附近岩溶暗河系统为白果坝—龙鳞宫暗河系统,该洞穴系统全长约20 km,洞穴系统汇集白果坝岩溶系统水流向恩施盆地排泄,位于城西郊麒麟溪源头的龙麟宫为该大型暗河系统的出口,位于恩施盆地西缘的高桥坝南边,高程约为490 m。洞体沿北东向张裂隙发育,断面大致呈拱形,高10～20 m,宽约20 m。水流呈多股跌水状外泄,雨后估测流量为15～20 m3/s,据历史记载,特大洪水期洞内水位可上升2 m,流量达200 m3/s,最枯时只有0.80 m3/s。目前仅探测到该岩溶暗河系统出口段、支洞以及天坑,洞穴机械沉积物分布较普遍,为重力崩塌形成的岩块和粘土混合堆积,连接出水洞与上方干洞之间的支洞内发育大型石钟乳、石柱,在出水洞口附近有一高约15 m,宽近20 m的钙华瀑,且具良好的成层现象,记录了干洞与出水洞之间曾有过水流作用。

恩施州城主要矿业遗迹为盐水溪,位于城东北郊小渡船办事处何功伟村马胡盐。巴人是中国历史上古老的“行盐民族”,后周时恩施曾置盐水县。盐水溪发源于油榨房,长约3 km,宽约2 m,自西北向东南,蜿蜒流淌,在城北一碗水处汇入清江。曾有“打开恩施八口井,饿死云阳一县人”的说法。南宋时期,云阳人到朝廷告状,柳州城上的张太守就封了恩施的盐井。据说上世纪50年代初曾在此处挖掘出铁锅,锅上还有熬制的盐的残留,有用麻条石和糯米石灰砌成的井口。盐水溪经过改道,原河道现已成肥沃良田。现在这里有两股出水含盐,终年不干,冬暖夏凉。

2　恩施州城地质环境承载力的内涵

地质环境承载力可以从如下3个方面进行分解[3]:一是可能提供给人类利用的地质资源限值,即水土资源承载力;二是对人类工程活动排放的有害废弃物的最大容纳能力;三是地质环境对人类工程活动的最大忍受程度。

水土资源承载力是某一时间、某一地区的水土资源在一定的时期、一定的生活水平和一定的生产技术条件下,以可持续发展为准则,以维护生态环境良性循环为前提,通过水土资源合理配置后所能承载的人口数量以及对该地区社会经济发展的最大支持能力。水土资源系统是一个涉及资源、环境、社会、经济等诸多方面的复杂而又相互联系的有机整体,其内部结构复杂,各个子系统联系密切,系统内部要素间也存在相互促进、相互制约的反馈关系,水土资源承载力必须满足三个条件:社会经济、人口发展的压力作用不超过水土生态系统的生态弹性力范围;水土资源的供给能力大于需求能力,且需求的增长不超过资源再生更新能力;水土环境对污染的容纳能力大于污染物的排放量。资源与灾害、资源与有害物质的概念都是相对的。

以丘陵山区为例,因不当切坡会导致崩塌、滑坡等地质灾害的发生,同时土地资源废弃,若进行有效治理,既能消除地质灾害隐患,还可将废弃土地变为可利用土地,甚至附加生态价值。又比如,因地下开挖导致地表水漏失,同时存在产生地下突(涌)水的风险,若从改变地下水的径流途径角度入手,则既能防治水害,又能充分利用水资源,一举两得。由此可知,资源的概念是动态的、多元的。

3　恩施州城地质环境承载力评价

考虑恩施州城环境地质问题的特殊性,一个完善而符合实际的地质环境承载力评价指标体系应包括地下水环境承载力、地面地质环境承载力、地下地质环境承载力和地质矿业遗迹承载力等4个方面,评价结果所图1所示。

3.1　需求分析

需求分析是区域地质环境承载力评价的第一步。根据恩施州城近期、中期和预期发展规划,掌握未来城市发展定位、人口规模、总体布局、功能分区和产业发展规划,结合州城自然、社会经济发展现状、水土资源开发利用现状和已出现的环境地质问题,分析地质资源(主要表现为水资源和土地资源)的总需求量,及各功能区的需求量。

图1　恩施市城区地质环境初步评价图Fig.1　Preliminary assessment map of geological environment in Enshi1.承载力低；2.承载力中等；3.承载力高。

3.2　评价指标选取

地质环境承载力评价指标可采用单因素,也可采用多因素,国内很多学者进行了这方面的探索[3]。针对各地质环境承载力要素,选取与相关环境地质问题对应的一级评价指标和二级评价指标,建立评价指标体系如表1所示。在二级评价指标以下,可以根据需要酌情选取三级指标。以边坡稳定性为例,可以边坡坡度、高度、岩体结构、地下水特征和安全等级等作为三级指标,基于定性或定量方法获取对边坡稳定性的客观认识。

表1　恩施州城地质环境容量评价指标体系Table 1　Index system of geological environmental capacity in central Enshi

3.3　各因子权重的确定

分析各种人类工程活动对地质环境各要素不同类型、不同程度恶化的敏感程度,藉此不仅可以确定各地质环境质量因子的阈限值,而且有助于更清晰地理解各因子之间的复杂相互作用及其重要性。根据各因子的重要性排序,确定合理的权重。

3.4　评价方法的选取

地质环境承载力评价实质是一个包含多层次的综合评价过程,仅用简单化的加权求和难以取得较好的效果,宜选择分级评价、综合概括的方法,方可使评价结果更准确,更有针对性,有利于对可持续承载力高低的成因作出更准确的解释,以便全面了解该区域地质环境承载力状况,并有针对性地采取相应的措施和对策。

地质环境承载力的评价方法可以借鉴环境承载力的评价方法,常用的有指数评价法、承载率评价法、系统动力学法[4]。系统动力学方法是一种以反馈控制理论为基础,以计算机仿真技术为手段,通常用以研究复杂的社会经济系统的定量方法。自20世纪50年代美国麻省理工学院福雷斯特教授创立以来,它已成功地应用于企业、城市、地区、国家甚至世界规模的许多战略与决策等分析中,被誉为“战略与决策实验室”。这种模型从本质上看是带时间滞后的一阶差微分方程,由于建模时借助于“流图”,其中“积累”、“流率”和其它辅助变量都具有明显的物理意义,因此可以说是一种布告同实际的建模方法。指数评价法是将地质环境系统分解为若干子系统,对各子系统分别选取有代表性的评价项目(因子),并将其表现程度进行等级划分,给出归一化指标。将同一子系统内各评价项目的指标值按权重进行叠加,得出一个子系统评价总指标。再将各子系统评价总指标按权重叠加,得出每个评价单元的地质环境质量指数,以反映评价单元的质量状况。地质环境质量指数(geological environment quality index)是在研究地质环境质量时,依据某种环境质量标准,用某种计算方法求出的简明、概括地描述和评价地质环境质量的数值。

严格说来,评价指标体系是与一定的评价方法相适应的。同时,评价方法也会因评价指标体系的构成不同(如因子的相关与否),而必须有所不同。考虑到问题的复杂性、资料收集的翔实程度,可采用定性与定量相结合的评价方法。这里,定量往往只不过是定性判断和推理的量化表达。所以本质上是属于定性推理方法。由于影响地质环境承载力的因素众多,不同类型人类工程活动对地质环境各因素的敏感程度也不相同,所以很难找到一个统一的数学表达式来作为评价方法或模型。恩施州城地质环境承载力评价这一命题的复杂性,决定了其评价方法实则是一个方法集合。

4　结语

地质环境承载力评价是一个随着经济社会发展而出现的一个全新领域,评价理论和技术方法均处于探索阶段,需要大量的工程实践检验指标体系的合理性和完备性,检验评价方法的有效性和适宜性,通过不断完善修正,最终形成一套行之有效的综合评价体系。本文分析了恩施州城主要环境地质问题,阐述了其地质环境承载力的内涵,并进行了地质环境承载力评价,对丘陵山区城市建设的合理规划布局、地质资源的高效可持续开发利用和地质环境的保护均有重要的指导意义。

参考文献：

[1]王思敬.中国城市发展中的地质环境问题[J].第四纪研究,1996,16(2):115-122.

[2]王贤祥，周常炎.湖北省恩施市城区地质灾害详细调查报告[R].恩施：湖北省第二地质大队，2012.

[3]魏子新,周爱国,王寒梅,等.地质环境容量与评价研究[J].上海地质,2009,30(1):40-44.

[4]王俭,孙铁珩,李培军,等.环境承载力研究进展[J].应用生态学报,2005,16(1):768-722.