熊華盛, 楊海燕, 彭向陽, 王承鋒

(湖北省地質(zhì)局 第二地質(zhì)大隊(duì),湖北 恩施　445000)

0　引言

地質(zhì)環(huán)境是與水圈、大氣圈、生物圈相互作用并與人類活動(dòng)緊密相關(guān)的巖石圈的表層空間,它是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先決條件。人類活動(dòng)離不開一定的自然環(huán)境,且與地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系尤為密切[1]。地質(zhì)環(huán)境較容易受到人類活動(dòng)的影響,地質(zhì)環(huán)境的反饋?zhàn)饔眉吹刭|(zhì)環(huán)境受人類活動(dòng)干擾后,對(duì)這種干擾所作出的響應(yīng)。當(dāng)人類活動(dòng)的規(guī)模和強(qiáng)度超過了地質(zhì)環(huán)境的承受極限后,必然導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境發(fā)生變化,對(duì)人類活動(dòng)做出反應(yīng)。其實(shí)質(zhì)就是地質(zhì)環(huán)境在人類作用力影響下,對(duì)物質(zhì)和能量的輸入與輸出的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系進(jìn)行調(diào)整:當(dāng)人類作用力不大時(shí),通過地質(zhì)環(huán)境內(nèi)部的調(diào)節(jié)能力,對(duì)外界的沖擊進(jìn)行補(bǔ)償和緩沖,就可以完成這種調(diào)整過程,維持地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性,表現(xiàn)為不易覺察的、“隱蔽的”形式;當(dāng)人類作用力增大,超過地質(zhì)環(huán)境內(nèi)部的調(diào)節(jié)能力時(shí),地質(zhì)環(huán)境只有通過劇烈的變動(dòng),才能建立起新的平衡關(guān)系,反饋就以“顯露的”形式表現(xiàn)出來。極端情況下,地質(zhì)環(huán)境無法再求得新的平衡,此時(shí)即以地質(zhì)災(zāi)害或生態(tài)環(huán)境問題的形式顯現(xiàn)。地質(zhì)環(huán)境承載力是指一定時(shí)期和一定區(qū)域范圍內(nèi),以及在一定的環(huán)境目標(biāo)下,在維持地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生質(zhì)的改變,地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)功能不朝著不利于人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)方向發(fā)展的條件下,地質(zhì)環(huán)境所能承受人類活動(dòng)的影響與改變的最大潛能。地質(zhì)環(huán)境承載力的概念從本質(zhì)上反映了地質(zhì)環(huán)境與人類活動(dòng)之間的辯證關(guān)系,建立了地質(zhì)環(huán)境與人類活動(dòng)之間的聯(lián)系紐帶。

恩施土家族苗族自治州(簡(jiǎn)稱恩施州)位于湖北省西南部,東連荊楚,南接瀟湘,西臨渝黔,北靠神農(nóng)架,是湖北省唯一的少數(shù)民族自治州。因位置偏僻、交通閉塞等多種因素,經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后。近十年來,隨著國(guó)家西部大開發(fā)、武陵山區(qū)扶貧開發(fā)試點(diǎn)、龍鳳綜合扶貧改革試點(diǎn)等規(guī)劃的實(shí)施,恩施州特別是州城經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展步伐明顯加快。與此同時(shí),人類活動(dòng)開發(fā)、利用和改造地質(zhì)環(huán)境的規(guī)模、強(qiáng)度、速率越來越大,地質(zhì)環(huán)境受到的改造和破壞與日俱增,地質(zhì)環(huán)境問題越來越受到社會(huì)各界的普遍關(guān)注。

恩施州城位于恩施州中部,為一近南北向延伸的條帶狀斷陷山間盆地。盆地內(nèi)多為低丘、凹槽,恩施斷裂、高橋壩向斜沿北東—南西向貫穿全境,清江自北向南穿城而過。盆地內(nèi)覆蓋第四系沖洪積層和白堊系跑馬崗組砂礫巖,地下水類型主要包括第四系孔隙水和基巖裂隙水,人類工程活動(dòng)以房屋建筑和道路工程中的高挖低填為主。本文擬以恩施州城為研究對(duì)象,探索丘陵山區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo),以便為地區(qū)發(fā)展規(guī)劃擬定提供科學(xué)依據(jù),并為類似地區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)提供有益借鑒。

1　恩施州城環(huán)境地質(zhì)問題綜述

調(diào)查研究表明,恩施州城主要環(huán)境地質(zhì)問題包括地質(zhì)災(zāi)害防治、地下水資源開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)、城市建設(shè)與地下空間開發(fā)利用及地質(zhì)礦業(yè)遺跡保護(hù)等。

1.1　地質(zhì)災(zāi)害防治

恩施州地處鄂西南丘陵山區(qū),屬崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害極易發(fā)區(qū),因此地質(zhì)災(zāi)害防治問題是州城主要地質(zhì)環(huán)境問題。調(diào)查表明,恩施州城共發(fā)育滑坡4處(其中土滑3處、巖滑1處),崩塌4處,巖溶地面塌陷2處,不穩(wěn)定斜(邊)坡126處[2]。

恩施州城的滑坡、崩塌和不穩(wěn)定斜(邊)坡主要分布于紅砂巖和碳酸鹽巖地層中,多與切山造地、采礦采石具有一定的聯(lián)系。六角亭辦事處原勝利街小學(xué)依山而建,開挖坡腳形成20 m左右的高陡邊坡,坡體結(jié)構(gòu)為逆向和橫向坡,1976年6月27日發(fā)生災(zāi)害性滑坡,損壞原勝利街小學(xué)教室1間,損失較為嚴(yán)重。近年來,因工程建設(shè)形成的高陡邊坡遍布州城,最高者超過50 m,坡度超過70°甚至近直立,雖未形成較大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害,但局部崩落、掉塊事件時(shí)有發(fā)生。部分地段巖體較完整,應(yīng)力釋放不強(qiáng)烈,邊坡暫處于穩(wěn)定或基本穩(wěn)定狀態(tài),但隨著風(fēng)化作用和水蝕作用的持續(xù),巖體失穩(wěn)變形的可能性較大。

州城附近地面塌陷現(xiàn)主要因巖溶作用而成,主要分布在灰?guī)r和礫巖不整合接觸面附近(如恩施衛(wèi)校)。

1.2　地下水資源開發(fā)利用與環(huán)境保護(hù)

恩施州城地下水以第四系孔隙水、紅層裂隙水和巖溶水為主,除了直接作為資源進(jìn)行使用外,地下水還被用作淺層低溫能導(dǎo)熱介質(zhì)。因?yàn)閷?duì)地下水資源的需求不斷增大,地下水開采引發(fā)的區(qū)域性地面沉降問題將越來越顯著。同時(shí),因地表污水、廢水的不當(dāng)排放和垃圾滲漏液的影響,地下水水質(zhì)可能受到污染,與地表水相比,地下水污染問題往往難以得到處置、恢復(fù)。而淺層地溫能的不當(dāng)開發(fā)利用除了造成上述兩大問題外,還可能引發(fā)地溫場(chǎng)的變化,對(duì)城市地下空間的開發(fā)利用將會(huì)帶來難以克服的障礙。

在州城附近重大工程建設(shè)過程特別是地下工程建設(shè)(公路、鐵路隧道、地下電站等)過程中,由于深部開挖導(dǎo)致局部地段地下水的徑流路徑發(fā)生顯著變化,可能引發(fā)地表水漏失、地下突(涌)水等現(xiàn)象,該問題在碳酸鹽巖分布地區(qū)產(chǎn)生的可能性較大。

1.3　城市建設(shè)與地下空間開發(fā)利用中的環(huán)境地質(zhì)問題

恩施州城處丘陵山區(qū),在地面工程建設(shè)過程中,高挖低填難以避免,除了產(chǎn)生高陡邊坡之外,還出現(xiàn)了大量的高填方地帶。開挖出來的物質(zhì)堆填于溝槽地段,堆積體主要由紅砂巖碎塊和粉細(xì)砂組成,物質(zhì)成分極不均一,水穩(wěn)性差,堆填厚度最大已超過50 m,且施工過程中多未進(jìn)行有效壓實(shí),其承載能力和變形特性具有較強(qiáng)的空間變異性。如果充分利用該填土層,做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,是恩施州城城市建設(shè)過程中亟待解決的一個(gè)重要環(huán)境地質(zhì)問題。

在上世紀(jì)特殊時(shí)期,曾開挖了多處人防洞室,近期地下工程建設(shè)也形成了多處洞室,這些工程為我們提供了寶貴的地下空間,但是這些地下空洞的存在也增加了誘發(fā)地面塌陷的可能性。

1.4　地質(zhì)礦業(yè)遺跡保護(hù)

恩施州城主要地質(zhì)遺跡為丹霞地貌和巖溶暗河系統(tǒng)。

恩施州城地處紅層盆地,主要出露白堊系跑馬崗組(K2p)紅色砂礫巖,在重力、構(gòu)造、流水、風(fēng)化及巖溶共同作用下,形成了大砂壩、掛榜巖、月亮巖等多處較為獨(dú)特的丹霞地貌,主要分布在清江及其支流兩岸和恩施大斷裂附近,雖分布面積不大,但緊鄰城區(qū),且具有一定的歷史文化價(jià)值,構(gòu)成了恩施州城較為寶貴的自然地質(zhì)遺跡和較為重要的旅游地質(zhì)資源。由于前期人類工程活動(dòng)強(qiáng)度過大、過頻,部分丹霞地貌遭到一定程度的損毀,同時(shí)因人工作用形成了新的丹霞地貌,但總體而言資源價(jià)值有限,反而形成了地質(zhì)災(zāi)害隱患。

恩施州城附近巖溶暗河系統(tǒng)為白果壩—龍鱗宮暗河系統(tǒng),該洞穴系統(tǒng)全長(zhǎng)約20 km,洞穴系統(tǒng)匯集白果壩巖溶系統(tǒng)水流向恩施盆地排泄,位于城西郊麒麟溪源頭的龍麟宮為該大型暗河系統(tǒng)的出口,位于恩施盆地西緣的高橋壩南邊,高程約為490 m。洞體沿北東向張裂隙發(fā)育,斷面大致呈拱形,高10～20 m,寬約20 m。水流呈多股跌水狀外泄,雨后估測(cè)流量為15～20 m3/s,據(jù)歷史記載,特大洪水期洞內(nèi)水位可上升2 m,流量達(dá)200 m3/s,最枯時(shí)只有0.80 m3/s。目前僅探測(cè)到該巖溶暗河系統(tǒng)出口段、支洞以及天坑,洞穴機(jī)械沉積物分布較普遍,為重力崩塌形成的巖塊和粘土混合堆積,連接出水洞與上方干洞之間的支洞內(nèi)發(fā)育大型石鐘乳、石柱,在出水洞口附近有一高約15 m,寬近20 m的鈣華瀑,且具良好的成層現(xiàn)象,記錄了干洞與出水洞之間曾有過水流作用。

恩施州城主要礦業(yè)遺跡為鹽水溪,位于城東北郊小渡船辦事處何功偉村馬胡鹽。巴人是中國(guó)歷史上古老的“行鹽民族”,后周時(shí)恩施曾置鹽水縣。鹽水溪發(fā)源于油榨房,長(zhǎng)約3 km,寬約2 m,自西北向東南,蜿蜒流淌,在城北一碗水處匯入清江。曾有“打開恩施八口井,餓死云陽一縣人”的說法。南宋時(shí)期,云陽人到朝廷告狀,柳州城上的張?zhí)鼐头饬硕魇┑柠}井。據(jù)說上世紀(jì)50年代初曾在此處挖掘出鐵鍋,鍋上還有熬制的鹽的殘留,有用麻條石和糯米石灰砌成的井口。鹽水溪經(jīng)過改道,原河道現(xiàn)已成肥沃良田。現(xiàn)在這里有兩股出水含鹽,終年不干,冬暖夏涼。

2　恩施州城地質(zhì)環(huán)境承載力的內(nèi)涵

地質(zhì)環(huán)境承載力可以從如下3個(gè)方面進(jìn)行分解[3]:一是可能提供給人類利用的地質(zhì)資源限值,即水土資源承載力;二是對(duì)人類工程活動(dòng)排放的有害廢棄物的最大容納能力;三是地質(zhì)環(huán)境對(duì)人類工程活動(dòng)的最大忍受程度。

水土資源承載力是某一時(shí)間、某一地區(qū)的水土資源在一定的時(shí)期、一定的生活水平和一定的生產(chǎn)技術(shù)條件下,以可持續(xù)發(fā)展為準(zhǔn)則,以維護(hù)生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)為前提,通過水土資源合理配置后所能承載的人口數(shù)量以及對(duì)該地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大支持能力。水土資源系統(tǒng)是一個(gè)涉及資源、環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等諸多方面的復(fù)雜而又相互聯(lián)系的有機(jī)整體,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各個(gè)子系統(tǒng)聯(lián)系密切,系統(tǒng)內(nèi)部要素間也存在相互促進(jìn)、相互制約的反饋關(guān)系,水土資源承載力必須滿足三個(gè)條件:社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人口發(fā)展的壓力作用不超過水土生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)彈性力范圍;水土資源的供給能力大于需求能力,且需求的增長(zhǎng)不超過資源再生更新能力;水土環(huán)境對(duì)污染的容納能力大于污染物的排放量。資源與災(zāi)害、資源與有害物質(zhì)的概念都是相對(duì)的。

以丘陵山區(qū)為例,因不當(dāng)切坡會(huì)導(dǎo)致崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,同時(shí)土地資源廢棄,若進(jìn)行有效治理,既能消除地質(zhì)災(zāi)害隱患,還可將廢棄土地變?yōu)榭衫猛恋?甚至附加生態(tài)價(jià)值。又比如,因地下開挖導(dǎo)致地表水漏失,同時(shí)存在產(chǎn)生地下突(涌)水的風(fēng)險(xiǎn),若從改變地下水的徑流途徑角度入手,則既能防治水害,又能充分利用水資源,一舉兩得。由此可知,資源的概念是動(dòng)態(tài)的、多元的。

3　恩施州城地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

考慮恩施州城環(huán)境地質(zhì)問題的特殊性,一個(gè)完善而符合實(shí)際的地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)包括地下水環(huán)境承載力、地面地質(zhì)環(huán)境承載力、地下地質(zhì)環(huán)境承載力和地質(zhì)礦業(yè)遺跡承載力等4個(gè)方面,評(píng)價(jià)結(jié)果所圖1所示。

3.1　需求分析

需求分析是區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的第一步。根據(jù)恩施州城近期、中期和預(yù)期發(fā)展規(guī)劃,掌握未來城市發(fā)展定位、人口規(guī)模、總體布局、功能分區(qū)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃,結(jié)合州城自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀、水土資源開發(fā)利用現(xiàn)狀和已出現(xiàn)的環(huán)境地質(zhì)問題,分析地質(zhì)資源(主要表現(xiàn)為水資源和土地資源)的總需求量,及各功能區(qū)的需求量。

圖1　恩施市城區(qū)地質(zhì)環(huán)境初步評(píng)價(jià)圖Fig.1　Preliminary assessment map of geological environment in Enshi1.承載力低；2.承載力中等；3.承載力高。

3.2　評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)可采用單因素,也可采用多因素,國(guó)內(nèi)很多學(xué)者進(jìn)行了這方面的探索[3]。針對(duì)各地質(zhì)環(huán)境承載力要素,選取與相關(guān)環(huán)境地質(zhì)問題對(duì)應(yīng)的一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo),建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表1所示。在二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)以下,可以根據(jù)需要酌情選取三級(jí)指標(biāo)。以邊坡穩(wěn)定性為例,可以邊坡坡度、高度、巖體結(jié)構(gòu)、地下水特征和安全等級(jí)等作為三級(jí)指標(biāo),基于定性或定量方法獲取對(duì)邊坡穩(wěn)定性的客觀認(rèn)識(shí)。

表1　恩施州城地質(zhì)環(huán)境容量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1　Index system of geological environmental capacity in central Enshi

3.3　各因子權(quán)重的確定

分析各種人類工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境各要素不同類型、不同程度惡化的敏感程度,藉此不僅可以確定各地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量因子的閾限值,而且有助于更清晰地理解各因子之間的復(fù)雜相互作用及其重要性。根據(jù)各因子的重要性排序,確定合理的權(quán)重。

3.4　評(píng)價(jià)方法的選取

地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)是一個(gè)包含多層次的綜合評(píng)價(jià)過程,僅用簡(jiǎn)單化的加權(quán)求和難以取得較好的效果,宜選擇分級(jí)評(píng)價(jià)、綜合概括的方法,方可使評(píng)價(jià)結(jié)果更準(zhǔn)確,更有針對(duì)性,有利于對(duì)可持續(xù)承載力高低的成因作出更準(zhǔn)確的解釋,以便全面了解該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力狀況,并有針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施和對(duì)策。

地質(zhì)環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)方法可以借鑒環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)方法,常用的有指數(shù)評(píng)價(jià)法、承載率評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法[4]。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法是一種以反饋控制理論為基礎(chǔ),以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為手段,通常用以研究復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的定量方法。自20世紀(jì)50年代美國(guó)麻省理工學(xué)院福雷斯特教授創(chuàng)立以來,它已成功地應(yīng)用于企業(yè)、城市、地區(qū)、國(guó)家甚至世界規(guī)模的許多戰(zhàn)略與決策等分析中,被譽(yù)為“戰(zhàn)略與決策實(shí)驗(yàn)室”。這種模型從本質(zhì)上看是帶時(shí)間滯后的一階差微分方程,由于建模時(shí)借助于“流圖”,其中“積累”、“流率”和其它輔助變量都具有明顯的物理意義,因此可以說是一種布告同實(shí)際的建模方法。指數(shù)評(píng)價(jià)法是將地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng),對(duì)各子系統(tǒng)分別選取有代表性的評(píng)價(jià)項(xiàng)目(因子),并將其表現(xiàn)程度進(jìn)行等級(jí)劃分,給出歸一化指標(biāo)。將同一子系統(tǒng)內(nèi)各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的指標(biāo)值按權(quán)重進(jìn)行疊加,得出一個(gè)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)總指標(biāo)。再將各子系統(tǒng)評(píng)價(jià)總指標(biāo)按權(quán)重疊加,得出每個(gè)評(píng)價(jià)單元的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量指數(shù),以反映評(píng)價(jià)單元的質(zhì)量狀況。地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量指數(shù)(geological environment quality index)是在研究地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量時(shí),依據(jù)某種環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),用某種計(jì)算方法求出的簡(jiǎn)明、概括地描述和評(píng)價(jià)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的數(shù)值。

嚴(yán)格說來,評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是與一定的評(píng)價(jià)方法相適應(yīng)的。同時(shí),評(píng)價(jià)方法也會(huì)因評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)成不同(如因子的相關(guān)與否),而必須有所不同?？紤]到問題的復(fù)雜性、資料收集的翔實(shí)程度,可采用定性與定量相結(jié)合的評(píng)價(jià)方法。這里,定量往往只不過是定性判斷和推理的量化表達(dá)。所以本質(zhì)上是屬于定性推理方法。由于影響地質(zhì)環(huán)境承載力的因素眾多,不同類型人類工程活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境各因素的敏感程度也不相同,所以很難找到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表達(dá)式來作為評(píng)價(jià)方法或模型。恩施州城地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)這一命題的復(fù)雜性,決定了其評(píng)價(jià)方法實(shí)則是一個(gè)方法集合。

4　結(jié)語

地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)是一個(gè)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展而出現(xiàn)的一個(gè)全新領(lǐng)域,評(píng)價(jià)理論和技術(shù)方法均處于探索階段,需要大量的工程實(shí)踐檢驗(yàn)指標(biāo)體系的合理性和完備性,檢驗(yàn)評(píng)價(jià)方法的有效性和適宜性,通過不斷完善修正,最終形成一套行之有效的綜合評(píng)價(jià)體系。本文分析了恩施州城主要環(huán)境地質(zhì)問題,闡述了其地質(zhì)環(huán)境承載力的內(nèi)涵,并進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià),對(duì)丘陵山區(qū)城市建設(shè)的合理規(guī)劃布局、地質(zhì)資源的高效可持續(xù)開發(fā)利用和地質(zhì)環(huán)境的保護(hù)均有重要的指導(dǎo)意義。

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