位才波
(1.山東省第四地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濰坊 261021;2.山東省地礦局海岸帶地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 濰坊 261021)
地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量是地球演化的產(chǎn)物,人類和其他生物依賴地質(zhì)環(huán)境而生存發(fā)展,人類所有的經(jīng)濟(jì)—工程活動(dòng)都是以地質(zhì)環(huán)境為背景而展開的[1]。地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的目的,就是要通過評(píng)價(jià)城市的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量狀況,為合理地利用地質(zhì)環(huán)境優(yōu)勢,控制地質(zhì)環(huán)境劣勢,治理主要的環(huán)境地質(zhì)問題,進(jìn)而為城市建設(shè)規(guī)劃方案提供依據(jù)[1]。濰坊市地處黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)和山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)兩大國家戰(zhàn)略經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要交會(huì)處,是半島城市群地理中心,近年來隨著人類工程活動(dòng)的不斷增多,濰坊城市地質(zhì)環(huán)境也出現(xiàn)了不同程度的惡化,因此開展城市地質(zhì)調(diào)查,對(duì)濰坊城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)具有重要意義。
研究區(qū)范圍以濰坊市城區(qū)為主,涉及14個(gè)1∶5萬圖幅,總面積2605km2。
研究區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),氣候干燥,具大陸性半干旱氣候特征,北部濱海經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)距海洋較近,夏季多東南風(fēng),冬季多西北風(fēng),具有海洋與內(nèi)陸氣候的特點(diǎn);南部峽山生態(tài)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)具有明顯的大陸性氣候特征。多年年平均降水量為650mm,年內(nèi)降雨多集中在7—8月份,其中,春季降水量在25.9~176.1mm之間,夏季降水量在232.5~629.7mm之間,秋季降水量在22.6~205.8mm之間,冬季降水量在3.0~72.6mm之間;多年年平均氣溫12.3℃左右,多年年平均蒸發(fā)量為1802.6mm,蒸發(fā)量大于降水量;多年最大凍土厚度45~54cm。
研究區(qū)地處泰沂山北麓,地形自南向北由高到低,緩緩傾入渤海萊州灣,形成了幾個(gè)明顯的臺(tái)階,南部為低山丘陵區(qū),地形起伏變化大,地形標(biāo)高在海拔100~212m,坡度一般5°~15°;膠濟(jì)鐵路以北至萊州灣依次為沖積、洪積平原,濱海海積低地,地形平坦微向北傾斜,地形標(biāo)高一般在+4m~+100m,坡度一般小于5°[2-4]。
研究區(qū)境內(nèi)地層發(fā)育比較齊全,從老到新由太古界、元古界、中生界、新生界組成,并伴有不同時(shí)期的火成巖出露[2-4]。沂沭斷裂帶縱貫濰坊市南北,由數(shù)條主干斷裂組成,自東向西為昌邑-大店斷裂、安丘-莒縣斷裂、沂水-湯頭斷裂、鄌郚-葛溝斷裂[2,5]。
研究區(qū)地處山東省三大水文地質(zhì)區(qū)交會(huì)處,區(qū)內(nèi)地層、巖性較復(fù)雜,構(gòu)造發(fā)育。南部為低山丘陵區(qū),地下水質(zhì)良好,礦化度小于1g/L,水化學(xué)類型為HCO3-Ca型水;地下水以碎屑巖類孔隙裂隙水為主,主要分布在濰城區(qū)望留鎮(zhèn)、坊子老城區(qū)--涌泉莊一帶及峽山水庫東西兩側(cè),單井涌水量一般<100m3/d,僅望留一帶的玄武巖風(fēng)化強(qiáng)烈,氣孔連通性好,有利于地下水賦存和運(yùn)動(dòng),富水性增強(qiáng),單井涌水量100~500m3/d之間;碳酸鹽巖裂隙巖溶水和侵入巖類裂隙水在研究區(qū)西南部和東南部小范圍分布,寒武紀(jì)灰?guī)r由于其補(bǔ)給范圍有限,富水性一般較差,單井涌水量<500m3/d,侵入巖因裂隙窄小,富水性弱,單井涌水量一般<100m3/d,局部受構(gòu)造影響,水量較大[2]。北部為河流沖洪積及海積平原區(qū),地下水類型為松散巖類孔隙水,濰北平原區(qū)中上部沖洪積扇的軸部及外圍、河流兩側(cè)富水性強(qiáng),單井涌水量一般1000~3000m3/d,強(qiáng)富水地段可達(dá)5000m3/d,礦化度一般<1~2g/L,水位埋深11~25m;北部濱海平原區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的鹵水資源,單井涌水量一般500~1000m3/d,近年來隨著鹵水資源的大量開采,水位逐年下降,靜埋深一般>30m,礦化度一般>2g/L[2]。
研究區(qū)地處魯中南低山丘陵、魯東丘陵山區(qū)及魯西北平原三大工程地質(zhì)區(qū)結(jié)合部位,沂沭斷裂帶縱貫?zāi)媳?,工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜,地震烈度Ⅶ度。南部丘陵山區(qū)淺覆蓋或出露多種類型巖組,地基承載力均大于400kPa,工程地質(zhì)條件良好。北部平原區(qū)分布多種成因類型的第四紀(jì)堆積物,多為良好的地基土層,粘性土一般堅(jiān)硬—可塑狀態(tài),中壓縮性,地基承載力180~300kPa;砂性土密實(shí)度一般為密實(shí)--中密,中--低壓縮性,地基承載力150~260kPa;區(qū)內(nèi)存在淤泥類土、砂土液化和鹽漬土等工程地質(zhì)問題。
地震動(dòng)峰值加速度:根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306-2015)》,濰坊市主城區(qū)及以南地震動(dòng)峰值加速度0.20g,以北地震動(dòng)峰值加速度0.15g。
地殼變形場:王華林等[6]采用動(dòng)態(tài)平插法對(duì)青島、濰坊、臨沂地區(qū)水準(zhǔn)測量資料進(jìn)行了計(jì)算,繪制了區(qū)域垂直變形圖(圖1)。從圖中可以看出,研究區(qū)南部坊子一帶為隆起區(qū),北部為沉降區(qū)。
圖1 研究區(qū)近鄰區(qū)垂直形變圖
研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害僅發(fā)育地面采空塌陷,分布在坊子區(qū)煤礦開采區(qū),發(fā)生時(shí)間集中為1985—1994年,導(dǎo)致多處房屋開裂等問題,塌陷中心深度0.5~1.5m。近年來,隨著開采深度的增加,對(duì)地表的影響逐漸減小。2016年坊子新方煤礦已閉坑,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度較低。
地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與預(yù)測,特別是定量或半定量評(píng)價(jià)與預(yù)測一直是環(huán)境地質(zhì)學(xué)研究的難點(diǎn)和瓶頸。目前國內(nèi)外地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)研究,一方面向多指標(biāo)綜合性評(píng)價(jià)方向發(fā)展,另一方面向定量和半定量模型化方向發(fā)展[7-15]。地質(zhì)環(huán)境由于其因素較多,而且因素分級(jí)界限具有一定的模糊性。因此,模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法被認(rèn)為是較為合理的評(píng)價(jià)方法[7-9,11,15,16]。該次評(píng)價(jià)采用模糊數(shù)學(xué)綜合評(píng)判法,結(jié)合MapGIS軟件的矢量分析、柵格分析、統(tǒng)計(jì)分析等功能。
根據(jù)濰坊市實(shí)際情況及調(diào)查取得的數(shù)據(jù),選取4個(gè)影響環(huán)境質(zhì)量的單環(huán)境要素,即工程建設(shè)適宜性、地下水富水性、地下水質(zhì)量和地殼穩(wěn)定性。
根據(jù)工程建筑適宜性、地殼穩(wěn)定性、地下水富水性和地下水質(zhì)量等4個(gè)單環(huán)境要素質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果,采用引進(jìn)加權(quán)因子的綜合指數(shù)法[1],其計(jì)算公式為:
(1)
式中:E—綜合地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量指數(shù);Pi—單環(huán)境要素質(zhì)量指數(shù);Qi—單環(huán)境要素的權(quán)重值;k—地質(zhì)環(huán)境要素的數(shù)量[1]。
3.1.1 評(píng)價(jià)方法
采用層次分析法和綜合指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)合濰坊市實(shí)際情況,選取了地形形態(tài)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等3個(gè)一級(jí)指標(biāo)(表1),地形坡度、地面標(biāo)高、地基承載力、軟土厚度、地下水埋深和地下水腐蝕性等6個(gè)二級(jí)指標(biāo)建立評(píng)級(jí)指標(biāo)體系。綜合指數(shù)法同2.2,為各二級(jí)因子加權(quán)求和。
表1 地質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)量化
3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)量化
首先根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況,對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行指標(biāo)量化(表1),然后利用yaahp軟件構(gòu)建層級(jí)分析模型,根據(jù)專家打分情況,計(jì)算出各評(píng)價(jià)因子權(quán)重(表2),最后進(jìn)行工程建設(shè)適宜性等級(jí)劃分(表3)。
表2 各評(píng)價(jià)因素權(quán)重結(jié)果
表3 工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分
3.1.3 評(píng)價(jià)結(jié)果
該次評(píng)價(jià)控制點(diǎn)按2km×2km,重點(diǎn)工程區(qū)按加密的原則選取,共選擇控制點(diǎn)769個(gè),按上述公式計(jì)算后,繪制了工程建設(shè)適宜性分區(qū)圖(圖2)。從圖2可以看出,研究區(qū)工程建設(shè)適宜性分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和較不適宜區(qū)3個(gè)區(qū)。適宜區(qū)面積687.89km2,占總面積26.4%,主要分布在南部丘陵、山地區(qū),主體位于峽山水庫周邊,該區(qū)域基巖出露或者淺覆蓋,地基承載力高,工程地質(zhì)條件好;較適宜區(qū)面積1262.35km2,占總面積48.5%,主要分布在研究區(qū)中部濰坊城區(qū)及周邊及黃旗堡一帶,該區(qū)主要為粉土、粉質(zhì)粘土,地基承載力較小,其余指標(biāo)較好。工程地質(zhì)條件良好;較不適宜區(qū)面積654.77km2,占總面積25.1%,分布于蕭家營--泊子一線向北至萊州灣的廣大區(qū)域,行政區(qū)劃以濱海經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)為主,該區(qū)地面標(biāo)高多數(shù)地段小于4m;主要分布粉土及粉質(zhì)粘土,地基承載力較??;地下水埋深局部小于2m;地下水腐蝕性多為強(qiáng)。
圖2 濰坊市工程建設(shè)適宜性分區(qū)評(píng)價(jià)圖
3.2.1 評(píng)價(jià)方法
評(píng)價(jià)研究采用單因子評(píng)價(jià)法和F值評(píng)分法。
單因子評(píng)價(jià)法:評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采用《地下水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14848-93)》,按地下水質(zhì)量分類中Ⅰ~Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn),對(duì)各評(píng)價(jià)因子劃分所屬類別,并遵循不同類別標(biāo)準(zhǔn)相同時(shí)從劣不從優(yōu)原則,確定單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值Fi[17]。
綜合評(píng)價(jià)法:在單因子評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,按式(2)和式(3)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)分值F,并按表4判斷級(jí)別。
(2)
(3)
式中:F—綜合評(píng)分值,為各單項(xiàng)組分評(píng)分值Fi的平均值,為單項(xiàng)組分評(píng)價(jià)分值Fi中的最大值,n為項(xiàng)數(shù)。
表4 F值評(píng)分法評(píng)分值
3.2.2 評(píng)價(jià)因子
采用上述評(píng)價(jià)方法,選取pH、總硬度、總?cè)芙庑怨腆w、硫酸鹽、氯化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氟化物、氨氮、揮發(fā)酚、氰化物、砷、汞、六價(jià)鉻、鉛、鎘、鐵、錳、鋅、六六六、滴滴滴等21項(xiàng)因子。
3.2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果
研究區(qū)北部為海(咸)水入侵區(qū),水質(zhì)極差,面積827.04km2,中部為主城區(qū),受人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)影響,水質(zhì)較差,面積911.52km2,南部水質(zhì)較好,面積670.46km2,良好區(qū)和優(yōu)良區(qū)在區(qū)內(nèi)零星分布,面積52.64km2(峽山水庫143.34km2未進(jìn)行地下水評(píng)價(jià));研究區(qū)地下水化學(xué)類型自北向南呈帶狀分布,北部為Cl-Na型水,向南過渡為Cl·HCO3-Ca·Mg型水,最后變?yōu)镠CO3-Ca型水[2]。
圖3 濰坊市地下水質(zhì)量評(píng)價(jià)圖
3.3.1 評(píng)價(jià)方法
采用層次分析法和綜合指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。
層次分析法:選擇構(gòu)造穩(wěn)定性、巖土體和地面穩(wěn)定性2個(gè)一級(jí)指標(biāo),地震動(dòng)峰值加速度、活動(dòng)斷裂、現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場、現(xiàn)今地殼變形、巖土體結(jié)構(gòu)特征、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等6個(gè)二級(jí)指標(biāo)構(gòu)建濰坊城市區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系[16,18-22]。
綜合指數(shù)法同2.2,為各二級(jí)因子加權(quán)求和。
3.3.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)
求得各因子權(quán)重見表5,各因子評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表6。
表5 評(píng)價(jià)因子權(quán)重
3.3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果
根據(jù)上述方法,繪制了濰坊城市區(qū)域地殼穩(wěn)定性分區(qū)圖(圖4)。從圖4可以看出,研究區(qū)區(qū)域地殼穩(wěn)定性分為穩(wěn)定區(qū)、較穩(wěn)定區(qū)、較不穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)。穩(wěn)定區(qū)面積724.28km2,位于北部沖洪積、海積平原區(qū),地勢平坦,斷裂活動(dòng)性低,區(qū)域地殼變形量小,地質(zhì)體潛在安全度極低,整體穩(wěn)定性好。較穩(wěn)定區(qū)面積131.12km2,位于東南部峽山水庫一帶,該區(qū)主要為山前平原區(qū),地勢平坦,斷裂活動(dòng)性極低,區(qū)域地殼變形量小,區(qū)域地震活動(dòng)中等,地質(zhì)體潛在安全度極低,整體穩(wěn)定性較好。較不穩(wěn)定區(qū)面積1558.99km2,位于北部平原區(qū)和中東部、南部山區(qū);北部平原區(qū)地勢平坦,斷裂活動(dòng)性極低,區(qū)域地殼變形量小,工程地質(zhì)巖性極差,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性較大,區(qū)域地震活動(dòng)低,整體穩(wěn)定性較差;中東部及南部山區(qū)斷裂活動(dòng)性較強(qiáng),區(qū)域地震動(dòng)活動(dòng)性中等,地質(zhì)體潛在安全度較低,區(qū)域地殼變形量小,整體穩(wěn)定性較差。不穩(wěn)定區(qū)面積190.61km2,位于西南部山區(qū),該區(qū)斷裂活動(dòng)性極強(qiáng),地質(zhì)體潛在安全度極低,現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場有集中現(xiàn)象,區(qū)域地震動(dòng)活動(dòng)極強(qiáng),區(qū)域地殼變形量較大,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性極大,整體穩(wěn)定性極差[23]。
表6 區(qū)域地殼穩(wěn)定性模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)
圖4 濰坊市區(qū)域地殼穩(wěn)定性分區(qū)圖
在以往工作的基礎(chǔ)上,通過水文地質(zhì)調(diào)查和水文地質(zhì)鉆探工作,查明了研究區(qū)地下水含水層巖性、厚度及分布特征;通過抽水試驗(yàn)、樣品采集與測試等方法,獲取了水文地質(zhì)參數(shù),計(jì)算了地下水涌水量情況,并進(jìn)行了地下水富水性分區(qū)評(píng)價(jià)(圖5)。按照單井涌水量3000~5000m3/d,1000~3000m3/d,500~1000m3/d,<500m3/d等4個(gè)級(jí)別將研究區(qū)劃分為地下水強(qiáng)富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)和弱富水區(qū)。強(qiáng)富水區(qū)主要分布在白浪河、濰河兩側(cè),面積331.27km2;較強(qiáng)富水區(qū)主要分布在高里街道一帶,面積12.10km2;中等富水區(qū)主要分布在北部濱海平原區(qū)和南部山前平原區(qū),面積1154.70km2,北部濱海平原區(qū)蘊(yùn)藏豐富的鹵水資源,但超量開采易形成地下水降落漏斗,嚴(yán)重可引起地面沉降,影響城市地質(zhì)安全;弱富水區(qū)主要分布在南部丘陵區(qū),面積1106.93km2。
圖5 濰坊市地下水富水性分區(qū)圖
采用離散取值的量化轉(zhuǎn)換方法,將各單地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量指標(biāo)(表7)[1]。
表7 單環(huán)境要素質(zhì)量定性指標(biāo)量化分級(jí)
基于層次分析法,采用yaahp軟件構(gòu)建層次分析模型,在專家打分的基礎(chǔ)上,求出各單環(huán)境要素的權(quán)重。其中,工程建設(shè)適宜性0.32,地殼穩(wěn)定性0.3,地下水質(zhì)量0.25,富水性0.13。
根據(jù)計(jì)算的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指數(shù)結(jié)果進(jìn)行等級(jí)劃分,等級(jí)劃分按分值區(qū)間平均分配的原則進(jìn)行(表8)。
同工程建設(shè)適宜性評(píng)價(jià),共選擇控制點(diǎn)769個(gè),利用各控制點(diǎn)數(shù)據(jù),使用MapGIS的柵格分析、統(tǒng)計(jì)分析功能,編制了地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)圖(圖6、表9)。從表9、圖6可以看出,地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量好區(qū)主要分布于城區(qū)北部一帶,共4個(gè)區(qū)塊,總面積350.39km2;地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較好區(qū)主要分布于地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量好區(qū)外圍,共7個(gè)區(qū)塊,總面積562.68km2;地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)主要分布于央子街辦外圍及峽山水庫一帶,共5個(gè)區(qū)塊,總面積1004.70km2;
地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量差區(qū)主要分布于北部沿海區(qū)域及蕭家營、老坊子區(qū)一帶,共10個(gè)區(qū)塊,總面積687.23km2。
(1)采用層次分析法和綜合指數(shù)法對(duì)研究區(qū)工程建設(shè)適宜性、區(qū)域地殼穩(wěn)定性分別進(jìn)行了評(píng)價(jià),將研究區(qū)工程建設(shè)適宜性劃分為適宜區(qū)、較適宜區(qū)和較不適宜區(qū)等3個(gè)區(qū);區(qū)域地殼穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定區(qū)、較穩(wěn)定區(qū)、較不穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)等4個(gè)區(qū)。采用單因子評(píng)價(jià)法和F值評(píng)分法將研究區(qū)地下水質(zhì)量劃分為優(yōu)良區(qū)、良好區(qū)、較好區(qū)、較差區(qū)和極差區(qū)等5個(gè)區(qū)。地下水富水性按照單井涌水量3000~5000m3/d,1000~3000m3/d,500~1000m3/d,<500m3/d等4個(gè)級(jí)別劃分為地下水強(qiáng)富水區(qū)、較強(qiáng)富水區(qū)、中等富水區(qū)和弱富水區(qū)。
表9 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合分區(qū)評(píng)述
(2)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量好區(qū)主要分布于城區(qū)北部一帶,包括4個(gè)區(qū)塊,面積350.39km2;地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較好區(qū)主要分布于質(zhì)量好區(qū)外圍,包括7個(gè)區(qū)塊,面積562.68km2;地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差區(qū)主要分布于央子街辦外圍及峽山水庫一帶,包括5個(gè)區(qū)塊,面積1004.70km2;地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量差區(qū)主要分布于北部沿海區(qū)域及蕭家營、老坊子區(qū)一帶,包括10個(gè)區(qū)塊,面積687.23km2。
(3)濰坊市今后的開發(fā)建設(shè)應(yīng)該在調(diào)整內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)的同時(shí),根據(jù)城市地質(zhì)環(huán)境制約因素,合理安排建設(shè)項(xiàng)目,努力使城市土地的利用效率達(dá)到最佳。