余 波， 王明起*， 陳楊露， 陳 誠， 李雪平

(1.湖北省地質(zhì)環(huán)境總站,湖北 武漢 430034； 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

中國現(xiàn)階段正處于城市化和城鎮(zhèn)化建設(shè)時期,因此場地的地質(zhì)適宜性和選址安全性問題越來越受到人們的關(guān)注,目前很多學(xué)者和專家在這方面作出了突出貢獻。葉斌等[1]重點分析了在城鎮(zhèn)建設(shè)過程中用地適宜性評價的流程。楊子生[2]對山區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地的地質(zhì)適宜性進行評價。孫永亮等[3-5]采用模糊評判法分析了建設(shè)用地的適宜性。張璐等[6-7]評價了地下空間開發(fā)利用的地質(zhì)適宜性。張堃等[8-11]采用GIS對場地進行地質(zhì)適宜性評價。

南襄盆地是中國腹心地區(qū)之一，北部屬河南省南陽市,南部屬湖北省襄陽市。盆地內(nèi)地基承載力高,環(huán)境地質(zhì)問題相對較少,交通發(fā)達、河流密布、土地肥沃、資源富饒、人口密度適中,適合國家發(fā)展戰(zhàn)略。但目前在該地區(qū)開展的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量以及地質(zhì)適宜性評價研究工作還很少。

本文在分析研究區(qū)交通與自然地理條件、區(qū)域地質(zhì)背景、環(huán)境地質(zhì)問題、地質(zhì)資源現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,利用MapGIS研發(fā)的評價模塊,建立研究區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)體系,并進行地質(zhì)適宜性評價。根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境情況,結(jié)合環(huán)境地質(zhì)問題防治的原則與要求，分析研究區(qū)地質(zhì)適宜性優(yōu)劣成因。該研究成果可為研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境管理、場地規(guī)劃、工程建設(shè)選址等提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 地理概況

南襄盆地四面環(huán)山，又有一些缺口,如方城、泌陽、隨州、宜城等地(圖1)。

圖1 南襄盆地示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of Nanyang and Xiangyang Basin

南襄盆地春季天氣復(fù)雜多變、晴陰不定,夏季濕熱,秋季高爽,冬季干冷,四季分明。該盆地還是一個重要的分水嶺,長江、黃河、淮河都在此分界。盆地內(nèi)分布有漢江、漢江支流渭水河、唐白河、南河、蠻河、小清河及長江支流府河等河流，地表水系十分發(fā)育,為農(nóng)業(yè)提灌創(chuàng)造了有利條件,但各支流受降雨及氣象因素影響,流量變化極大。

1.2 地形地貌

南襄盆地四周環(huán)山,盆地的西北和西南部分布中山和低山,盆地的正東為丘陵所環(huán)抱,盆地邊緣其他地段則主要為崗地和平原地帶。研究區(qū)地貌以平原崗地為主，其次為丘陵，而低山、中山較少(表1)。

表1 研究區(qū)地貌類型統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of geomorphic types in the research area

1.3 建造

南襄盆地位于秦嶺造山帶東段,地跨華北板塊和揚子板塊,地層出露較齊全。研究區(qū)中生代地層沿區(qū)域性斷裂帶呈近東西—北西向展布,多為陸相斷陷盆地沉積,主要包括三疊系、侏羅系及白堊系地層。三疊系下統(tǒng)主要為淺海相灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r,中上統(tǒng)主要為河流相砂巖、粉砂巖、泥巖。侏羅系主要出露上統(tǒng),巖性主要為河流相砂巖、粉砂巖、泥巖等。白堊系巖性主要為砂質(zhì)黏土巖、泥灰?guī)r夾砂巖及砂礫巖。研究區(qū)新生代地層包括古近系、新近系、第四系。古近系巖性主要為含礫砂巖、砂巖,夾薄層狀泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。新近系沉積過程很完整,巖性為礫巖、砂礫巖、粗粒砂巖、泥質(zhì)中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)細砂巖、砂質(zhì)泥巖等。全新統(tǒng)分布于現(xiàn)代主要河流及支流的兩岸，巖性為砂礫石層、粉砂層、黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土及黏土,大部分為河流一級階地和河床河漫灘沉積,部分為湖泊、沼澤、洪泛盆地沉積。

該區(qū)巖漿巖較發(fā)育,主要分布于青峰斷裂以北地區(qū),巖石種類較齊全。變質(zhì)巖是南襄盆地出露最廣泛的巖石,變質(zhì)作用時限從太古宙延續(xù)到古生代末期,變質(zhì)地層多呈近東西向的帶狀展布。

1.4 構(gòu)造

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征,將研究區(qū)劃分為3個一級構(gòu)造單元、5個二級構(gòu)造單元、11個三級構(gòu)造單元和1個獨立構(gòu)造單元[12](圖2)。

圖2 研究區(qū)大地構(gòu)造示意圖(據(jù)參考文獻[12]修編)Fig.2 Diagrammatic sketch of geotectonic in research area1.華北板塊；2.中秦嶺板塊；3.揚子板塊；4.華北陸塊；5.北秦嶺構(gòu)造帶；6.寨根—馬山口微陸塊；7.陡嶺—赤眉微陸塊；8.南秦嶺構(gòu)造帶；9.盆地區(qū)；10.主要斷層及編號；11.構(gòu)造單元界線；①.洛南—欒川斷裂；②.瓦學(xué)子—小羅溝斷裂；③.朱陽關(guān)—夏館斷裂；④.丹鳳—鎮(zhèn)平斷裂；⑤.木家埡—西峽斷裂；⑥.小陡嶺—田關(guān)斷裂；⑦.尖懷寨—黃風(fēng)埡斷裂；⑧.城口—房縣斷裂；⑨.新城—黃陂斷裂；⑩.丹霞寺—維摩寺斷裂；.松扒—龜山斷裂；.曲洼斷裂；.新野斷裂。

2 地質(zhì)災(zāi)害及地質(zhì)環(huán)境問題

2.1 山地地質(zhì)災(zāi)害

研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的滑坡主要集中在地形陡峻的山區(qū)、強烈切割的斜坡地帶、軟硬巖層互層及構(gòu)造強烈活動區(qū),尤其是褶皺、斷裂發(fā)育區(qū)。按滑坡體的物質(zhì)組成可劃分為土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡2種，按動力學(xué)性質(zhì)可分為牽引—推動型、推動型和加載—牽引型3種。滑坡主要分布于地形坡度>20°的地區(qū),少量可達50°～60°；其臨空面高度一般為數(shù)十米不等,大者可達數(shù)百米。

泥石流多發(fā)生在山高坡陡的中低山區(qū),溝谷呈“V”字形,溝床縱向比降大；其次是發(fā)生在粗?；◢弾r、片麻巖、碳酸鹽巖、碎屑巖發(fā)育且構(gòu)造強烈活動區(qū)以及崩塌、滑坡發(fā)育區(qū)，崩塌、滑坡為泥石流的形成提供大量的固體松散物質(zhì),在降水作用下誘發(fā)形成。

2.2 高氟水問題

在研究區(qū)丘陵地帶,主要發(fā)育變質(zhì)巖系,母巖中含有大量的氟元素。當(dāng)母巖風(fēng)化后,氟元素降雨沖刷進入土體,并保留在土體上部。高氟水主要賦存于淺層地下水(10 m以淺)中,所處含水層為中更新統(tǒng)黏土孔隙裂隙水含水層。據(jù)調(diào)查,地下水中氟含量為1.06～7.10 mg/L,屬水質(zhì)較差級別。

高氟地下水主要分布于南陽市東部—新野—唐河環(huán)線、鎮(zhèn)平縣南部、鄧州市中部及東部、桐柏縣西北部、棗陽市楊垱鎮(zhèn)及太平鎮(zhèn)、老河口市洪山咀辦事處等地區(qū),分布區(qū)面積分別為1 154.36 km2、1 101.98 km2、224.50 km2、131.04 km2、200 km2、80 km2。

2.3 地下水污染

盆地內(nèi)淺層地下水污染主要集中在河流一級階地,特別是城市及其排污溝渠附近,包括南陽、襄陽、老河口、棗陽、鄧州等城市。例如南陽市淺層地下水遭受嚴重污染,尤其是漏斗區(qū)內(nèi)水質(zhì)惡化,大量未經(jīng)處理的工業(yè)廢水排入地表水,使白河市區(qū)段嚴重污染,進而造成地下水污染狀況加劇。

2.4 地下水降落漏斗

地下水是南襄盆地的重要供水水源,局部地下水井網(wǎng)密度大,開發(fā)利用強度高。由于缺乏有效的監(jiān)控與管理,地下水超采嚴重，造成在區(qū)內(nèi)形成了多處規(guī)模不同的地下水降落漏斗。根據(jù)本次調(diào)查,區(qū)內(nèi)地下水降落漏斗主要有6處,分別是①南陽市區(qū)降落漏斗：枯水期漏斗中心水位為105.1 m(埋深21.22 m),豐水期漏斗中心水位為104.9 m(埋深21.40 m),為永久性漏斗；②新野—唐河地下水降落漏斗：形成于2012年,其漏斗區(qū)面積和中心水位埋深增長較快,2013年枯水期(5月)漏斗區(qū)面積為226.29 km2,漏斗中心最大水位埋深為6.57 m,與上年同期相比,面積增加了56.01 km2,漏斗中心水位下降了1.67 m；③襄陽市黃集鎮(zhèn)地下水降落漏斗：該區(qū)地下水開采層位為新近系裂隙孔隙水和中更新統(tǒng)孔隙承壓水,其中中更新統(tǒng)孔隙承壓水含水層由南至北變薄,在黃集鎮(zhèn)附近尖滅，因超采形成的漏斗呈橢圓形,面積約為10 km2；④棗陽市七方鎮(zhèn)地下水降落漏斗：20世紀90年代以后,城鎮(zhèn)居民生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水主要取自新近系裂隙孔隙水，因嚴重超采,所形成的地下水降落漏斗呈橢圓形,面積為11 km2；⑤襄陽市西工業(yè)區(qū)地下水降落漏斗：因多年大量開采地下水,形成地下水降落漏斗,漏斗呈橢圓形,長軸平行漢江河岸,漏斗區(qū)面積為6.9 km2；⑥襄陽市張灣—肖灣地下水降落漏斗：由于大量開采地下水形成地下水降落漏斗,漏斗呈長橢圓形,長軸平行于漢江河岸,漏斗區(qū)面積為33.86 km2,漏斗中心位于肖灣三隊,中心水位已下降6 m。

3 地質(zhì)適宜性評價

3.1 模糊數(shù)學(xué)法的原理

模糊數(shù)學(xué)法評價[13]主要是通過確定指標(biāo)的權(quán)重值和建立指標(biāo)模糊矩陣,根據(jù)計算得出的隸屬度來劃分評價等級。具體步驟如下[14]：

(1) 確定評價指標(biāo)U={u1,u2,u3,…,um}(u為評價指標(biāo)，m為指標(biāo)數(shù)目)。

(2) 確定適宜性評價等級標(biāo)準(zhǔn)集合C={c1,c2,c3,…,cn}(c適宜性評價等級標(biāo)準(zhǔn)，n為評價等級數(shù))。

(3) 確定各個評價指標(biāo)權(quán)重向量W={w1,w2,w3,…,wm}(w為指標(biāo)權(quán)重向量)。

(4) 進行實際評判,形成評判模糊矩陣R。

(5) 進行模糊轉(zhuǎn)換，S=W×R,其中S={s1,s2,s3,…,sm}(S為模糊轉(zhuǎn)換矩陣)。

(6) 得出歸一化后的模糊變換結(jié)果S′={s′1,s′2,s′3,…,s′m}(S′為歸一化后矩陣)。

(7) 根據(jù)隸屬度法,對S′作出評判。

3.2 模糊綜合法評判的過程

由于研究區(qū)范圍包括盆地區(qū)和盆地周緣地區(qū),將研究區(qū)劃分成1 km×1 km評價格網(wǎng)單元,共計劃分格網(wǎng)44 942個,其中盆緣區(qū)28 348個、盆地區(qū)16 594個。

3.2.1計算隸屬度,建立指標(biāo)模糊矩陣R

為了計算隸屬度,首先需要建立評級指標(biāo)體系。本文通過兩兩比較法確定研究區(qū)的評價指標(biāo),在評價指標(biāo)確定后進行指標(biāo)定量分析。參考國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn),將地質(zhì)適宜性評價集劃分為三個等級,即優(yōu)、中等、差,分別將確定的指標(biāo)進行量化分級,確定隸屬函數(shù),計算隸屬度。

3.2.2建立兩套評價指標(biāo)體系

合理選擇對評價目標(biāo)起主導(dǎo)作用、比較穩(wěn)定和可量化表示的評價因子是評價工作的關(guān)鍵。地質(zhì)環(huán)境評價參評因子的選擇原則為：①評價因子對研究區(qū)的場地規(guī)劃建設(shè)的地質(zhì)適宜性具有評價意義,盡可能全面反映地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量狀況；②評價因子可操作性強,所選的各指標(biāo)易于采集和等級量化；③各評價因子具有顯著的差異性。由于盆地區(qū)與盆緣區(qū)的地質(zhì)問題不同，場地選址的目的性不一樣，所以需要建立兩套評價指標(biāo)體系。

(1) 盆緣區(qū)評價指標(biāo)體系。盆緣區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)體系如圖3所示，該評價指標(biāo)體系以安全、穩(wěn)定為目標(biāo)。參照相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医M的經(jīng)驗，確定了南襄盆地盆緣區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

圖3 盆緣區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)體系Fig.3 Geological suitability evaluation of site planning andconstructing index system in basin edge area

表3 盆緣區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification standard for geological suitabilityevaluation of site planning and constructing index in basin edge area

(2) 盆地區(qū)評價指標(biāo)體系。盆地區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價體系如圖4所示。該評價指標(biāo)體系以宜居為目標(biāo),根本目的是為各級政府和有關(guān)部門制定經(jīng)濟發(fā)展計劃、能源政策、大型工程項目及區(qū)域規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。盆地區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

圖4 盆地區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)體系Fig.4 Geological suitability evaluation of site planning andconstructing index system in basin area

表4 盆地區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Classification standard of geological suitability evaluationof site planning and constructing index in basin area

3.2.3進行模糊矩陣歸一化運算

采用隸屬函數(shù)(rij)表示第i個評價因子(Ci)對應(yīng)第j級指標(biāo)基準(zhǔn)值的隸屬程度(0≤rij≤1)。當(dāng)Ci≤j級值Cij時,其隸屬度取0;當(dāng)Ci≥j+1級值Cij+1時,其隸屬度取1;當(dāng)Ci介于j與j+1級指標(biāo)值時,其隸屬度按式(1)、式(2)內(nèi)插法確定。

(1)

(2)

模糊矩陣歸一化運算的目的是將每一個評價指標(biāo)進行加權(quán)，通常采用加權(quán)乘積取最大值法[15]，公式如下：

(3)

通過模糊矩陣計算,得到各個評價單元格網(wǎng)的地質(zhì)適宜性隸屬度。通過比較每一個背景值的大小,即可確定評價的等級。

3.3 評價結(jié)果與分析

3.3.1評價結(jié)果

(1) 盆緣區(qū)評價結(jié)果。按盆緣區(qū)評價指標(biāo)體系對盆緣區(qū)進行評價。根據(jù)評價模型計算獲得每個單元格網(wǎng)得分,整理得到所有格網(wǎng)的綜合評判隸屬度,將盆緣區(qū)場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性分為適宜性區(qū)、基本適宜性區(qū)、適宜性差區(qū)三個等級(表5，圖5)。

表5 盆緣區(qū)適宜性評價區(qū)劃統(tǒng)計Table 5 Assessment of zoning statistics for suitability evaluationin basin edge area

(2) 盆地區(qū)評價結(jié)果。按盆地區(qū)評價指標(biāo)體系對盆地區(qū)進行評價。根據(jù)評價模型計算獲得每個單元格網(wǎng)得分,整理得到所有格網(wǎng)的綜合評判隸屬度,將盆地區(qū)地質(zhì)適宜性劃分為適宜性區(qū)、基本適宜性區(qū)、適宜性差區(qū)(表6，圖5)三個等級。

圖5 場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性評價圖Fig.5 Geological suitability evaluation of site planning and constructing1.盆地適宜性區(qū)(Ⅰ1)；2.盆地基本適宜性區(qū)(Ⅱ1)；3.盆地適宜性差區(qū)(Ⅲ1)；4.盆緣適宜性區(qū)(Ⅰ2)；5.盆緣基本適宜性區(qū)(Ⅱ2)；6.盆緣適宜性差區(qū)(Ⅲ2)；7.水系；8.南水北調(diào)干渠；9.南襄盆地范圍。

表6 盆地區(qū)適宜性評價區(qū)劃統(tǒng)計Table 6 Assessment of zoning statistics for suitability evaluation in basin area

3.3.2評價成果分析

在盆地平原地區(qū),由于坡度、高差變化不大,同時斷裂分布較少,因此該地區(qū)的適宜性分區(qū)結(jié)果主要受河流和膨脹土類型所控制。而在盆地周緣地區(qū),適宜性分區(qū)結(jié)果主要受地形地貌中坡度、高差因素所控制。

(1) 盆地適宜性區(qū)(Ⅰ1)。盆地適宜性區(qū)主要分布于距河流較遠且膨脹土類型為弱膨脹土的地區(qū)。該分區(qū)占地面積約14 294 km2,占盆地區(qū)面積的86.14%。在該分區(qū)進行規(guī)劃建設(shè)，引發(fā)地面沉降、膨脹土變形、地裂縫、地面不均勻沉降等地質(zhì)災(zāi)害的可能性低,具有較高的安全性,適宜作為城市建筑用地。

(2) 盆地基本適宜性區(qū)(Ⅱ1)。盆地基本適宜性區(qū)主要位于河流、湖泊等水域周邊。該分區(qū)占地面積約1 695 km2,占盆地區(qū)面積的10.21%。該區(qū)水系較發(fā)達,在取用水方面較為便利,但與此同時,在該區(qū)進行工程建設(shè)有可能引發(fā)地裂縫、地面不均勻沉陷等地質(zhì)災(zāi)害,其安全穩(wěn)定性一般,基本適宜作為城市建筑用地。

(3) 盆地適宜性差區(qū)(Ⅲ1)。盆地適宜性差區(qū)主要位于中等強度膨脹土分布區(qū)。該分區(qū)占地面積約605 km2,占盆地區(qū)面積的3.65%。該區(qū)安全穩(wěn)定性較低,作為建筑用地適宜性差。

(4) 盆緣適宜性區(qū)(Ⅰ2)。盆緣適宜性區(qū)主要分布于丘陵地區(qū)且坡度<10°的區(qū)域。該分區(qū)占地面積約21 813 km2,占盆地周緣地區(qū)面積的76.95%。

(5) 盆緣基本適宜性區(qū)(Ⅱ2)。盆緣基本適宜性區(qū)主要分布于坡度10°～20°或高差較小的低山地區(qū)。該分區(qū)占地面積約4 139 km2,占盆地周緣地區(qū)面積的14.60 %。在采取一定安全防護措施的基礎(chǔ)上,該區(qū)基本適宜進行工程建設(shè)施工,但在工程建設(shè)及建筑使用過程中必須采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧┖皖A(yù)警措施,預(yù)防可能發(fā)生的山地地質(zhì)災(zāi)害及不良地質(zhì)現(xiàn)象。

(6) 盆緣適宜性差區(qū)(Ⅲ2)。盆緣適宜性差區(qū)主要分布于坡度>20°或高差較大的中山地區(qū)。該分區(qū)占地面積約2 396 km2,占盆地周緣地區(qū)面積的8.45%。該區(qū)坡度較陡或海拔較高,在工程建設(shè)過程中可能會引發(fā)崩塌、滑坡等山地地質(zhì)災(zāi)害,故作為建筑用地適宜性差。建議在該區(qū)采取適當(dāng)?shù)纳降氐刭|(zhì)災(zāi)害預(yù)警措施,以防治地質(zhì)災(zāi)害帶來的威脅。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1) 根據(jù)南襄盆地地質(zhì)環(huán)境背景和存在的主要環(huán)境地質(zhì)問題,建立了盆緣區(qū)、盆地區(qū)地質(zhì)適宜性評價指標(biāo)體系，分別對盆緣區(qū)、盆地區(qū)進行地質(zhì)適宜性區(qū)劃，將南襄盆地劃分為盆地適宜性區(qū)、盆地基本適宜性區(qū)、盆地適宜性差區(qū)、盆緣適宜性區(qū)、盆緣基本適宜性區(qū)、盆緣適宜性差區(qū)等6個分區(qū)。

(2) 運用模糊綜合評價方法對南襄盆地場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性進行綜合評判,評判結(jié)果與野外踏勘調(diào)查的結(jié)果基本一致,說明評價結(jié)果合理、可靠。

4.2 建議

(1) 通過對南襄盆地場地規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性進行綜合評價,建議將規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜性差區(qū)劃定為禁止建設(shè)地區(qū),作為生態(tài)培育、生態(tài)建設(shè)首選地；將規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)基本適宜區(qū)劃定為限制建設(shè)地區(qū),根據(jù)地質(zhì)環(huán)境條件和工程建設(shè)規(guī)模進一步劃分控制等級,科學(xué)合理地引導(dǎo)開發(fā)建設(shè)行為；將規(guī)劃建設(shè)地質(zhì)適宜區(qū)作為城市發(fā)展優(yōu)先選擇的地區(qū),但建設(shè)行為要科學(xué)合理地確定開發(fā)模式、規(guī)模和強度。

(2) 南襄盆地盆地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境問題主要是人類活動導(dǎo)致和誘發(fā)的漸進性地質(zhì)環(huán)境問題,因此大部分地區(qū)適宜城市建設(shè)；盆地周緣地區(qū)主要以自然地質(zhì)作用直接引發(fā)的泥石流、崩塌、滑坡等突發(fā)性地質(zhì)環(huán)境問題為主,因此大部分地區(qū)適宜城市建設(shè)。建議在地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量差區(qū),根據(jù)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害隱患特點,加強監(jiān)測,防治措施以搬遷避讓為主、工程防治為輔。