宜荊荊城市群地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

李紅梅, 袁 琴, 趙德君

(湖北省地質(zhì)局 水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 荊州 434020)

2014年,中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議多次提到要將資源環(huán)境承載力納入到生態(tài)文明建設(shè)及城鎮(zhèn)化布局中[1-3]。2017年9月,中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《關(guān)于建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警長(zhǎng)效機(jī)制的若干意見》,指出要嚴(yán)格按照資源環(huán)境承載能力謀劃經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?？梢?當(dāng)前形勢(shì)下開展環(huán)境承載力評(píng)價(jià)與研究工作已上升至國(guó)家戰(zhàn)略。

地質(zhì)環(huán)境承載力是指在一定時(shí)期的一定區(qū)域內(nèi),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,系統(tǒng)功能朝著有利于人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)方向發(fā)展的前提條件下,地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)所能承受人類活動(dòng)和外部力量的影響與改變的最大能力[4-5]。隨著城市發(fā)展,科技水平和社會(huì)生產(chǎn)力不斷提高,開發(fā)利用地質(zhì)環(huán)境強(qiáng)度、規(guī)模與速度越來越大,地質(zhì)環(huán)境受到的影響程度亦日益劇增,考驗(yàn)著地質(zhì)環(huán)境承載力[6-7]。

宜荊荊城市群是湖北省區(qū)域經(jīng)濟(jì)空間發(fā)展格局中的重要區(qū)域,為全省經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)發(fā)揮重要的支撐作用[8]。因此,筆者結(jié)合相關(guān)科研項(xiàng)目對(duì)該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行了分區(qū)評(píng)價(jià),以期為該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)和決策信息。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)由湖北省宜昌市、荊州市和荊門市3個(gè)地級(jí)市組合構(gòu)成,總面積約4.7×104km2。區(qū)內(nèi)河湖密布,水系發(fā)達(dá),擁有豐富的水資源。境內(nèi)有大小河流800多條,主要有長(zhǎng)江、漢江、清江、沮漳河、黃柏河、香溪河、松滋河、虎渡河、藕池河、調(diào)弦河、漳河、西荊河、富水河、洪湖、長(zhǎng)湖等[9]。其中,三峽、清江、漢江構(gòu)成了三大主干水系,峽谷深,落差大,是中國(guó)水能資源富集的區(qū)域。

區(qū)內(nèi)地形總態(tài)勢(shì)是西北高東南低,地形起伏變化大,地貌形態(tài)多樣化,地貌形態(tài)包含有平原、崗地、丘陵、低中山、中山5種不同類型(圖1)。

研究區(qū)地處揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)一級(jí)大地構(gòu)造單元。區(qū)內(nèi)不同時(shí)期、不同規(guī)模、不同方向的斷裂發(fā)育,構(gòu)成有規(guī)律的網(wǎng)絡(luò)狀圖式。共劃分為3個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元,自西向東依次為上揚(yáng)子臺(tái)坪(Ⅱ1)、兩湖斷坳(Ⅱ2)、下?lián)P子臺(tái)坪(Ⅱ3)。研究區(qū)處于弱震區(qū),地震基本烈度值為Ⅵ度。通過對(duì)地震前后地殼形變測(cè)量及其與周圍地區(qū)地殼形變特征的對(duì)比,可見在地殼形變總趨勢(shì)較穩(wěn)定的地區(qū),即長(zhǎng)期上升或下降的地區(qū)和上升地區(qū)與下降地區(qū)相交地帶,易發(fā)生地震。在地殼上升和下降交替出現(xiàn)的地區(qū)內(nèi)部,由于能量的積累和釋放易于相互抵消,因而一般不易形成地震。區(qū)內(nèi)主要斷裂及地震分布如圖2。

據(jù)各縣(市、區(qū))地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),研究區(qū)共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害3 064處,主要分布于宜昌市三峽庫(kù)區(qū)、清江峽谷一帶,共發(fā)育各類地質(zhì)災(zāi)害2 735處。災(zāi)害類型為不穩(wěn)定斜坡、滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地裂縫等。地質(zhì)災(zāi)害以滑坡為主,其次為不穩(wěn)定斜坡,泥石流、地裂縫相對(duì)不發(fā)育(圖3)。其中滑坡災(zāi)害點(diǎn)1 579處,占51.53%;不穩(wěn)定斜坡災(zāi)害點(diǎn)791處,占25.82%;地裂縫災(zāi)害點(diǎn)22處,僅占0.72%。

圖1 研究區(qū)地貌圖Fig.1 Geomorphologic map of the study area1.中山(2 000～3 000 m);2.低中山(500～2 000 m);3.丘陵(200～500 m);4.崗地(50～200 m);5.平源(<50 m);6.分區(qū)界線;7.城市群界線;8.縣(市)級(jí)行政區(qū)界線;9.鎮(zhèn)(鄉(xiāng))級(jí)行政區(qū)界線;10.主要水系。

三峽庫(kù)區(qū)所在巴東縣、秭歸縣、興山縣等鄉(xiāng)鎮(zhèn),該區(qū)由于三峽庫(kù)區(qū)移民遷建工程的全面展開,新城集鎮(zhèn)建設(shè)和路橋工程施工形成了大量人工高邊坡,為了盡可能的利用有限的土地資源,這些新城集鎮(zhèn)建設(shè)往往依山就勢(shì),一般都采用前擋后挖的模式進(jìn)行場(chǎng)平,人工高邊坡的開挖與暴露,改變了邊坡原有的應(yīng)力場(chǎng)和滲流場(chǎng),一旦斜坡應(yīng)力超過巖土體強(qiáng)度極限時(shí),易發(fā)生變形破壞,加之該區(qū)地貌上山高坡陡,地貌發(fā)育受底層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制明顯,發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性較大,風(fēng)險(xiǎn)性高。沿清江峽谷一帶山高谷深,構(gòu)造較為發(fā)育,巖層軟硬相間,山高坡陡,巖石風(fēng)化強(qiáng)烈,邊坡穩(wěn)定性差,易形成崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害。由此,三峽庫(kù)區(qū)、清江峽谷一帶為群測(cè)群防監(jiān)測(cè)網(wǎng)中的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn),目前各部門正開展專業(yè)監(jiān)測(cè),便于最大限度地減少潛在地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)展。

研究區(qū)地下水資源豐富,多年平均地下水資源總量為112.97×108m3/a。其中宜昌市多年平均地下水資源總量為48.3×108m3/a,占總量的42.755%;荊州市多年平均地下水資源總量為49.35×108m3/a,占總量的43.684%;荊門市多年平均地下水資源總量為15.32×108m3/a,占總量的13.561%。荊州市監(jiān)利縣地下水天然資源量為各縣市最高值,高達(dá)11.81×108m3/a;當(dāng)陽(yáng)市最低,為1.15×108m3/a。洪湖市可開采資源量最大,為6.71×108m3/a(圖4)。

城鄉(xiāng)居民生活垃圾、工業(yè)“三廢”及農(nóng)業(yè)污染導(dǎo)致區(qū)內(nèi)淺層地下水及表層土壤污染較為嚴(yán)重。富含氮的工業(yè)廢水、生活廢水、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)用地膜、垃圾填埋場(chǎng)滲濾液等經(jīng)雨水和地表滲透淋濾產(chǎn)生高濃度的氨氮和硝酸鹽的滲濾液。由于無收集措施,致使產(chǎn)生的滲濾液直接排入到地下,污染淺層地下水及表層土壤,土壤質(zhì)量與水質(zhì)下降。

圖2 研究區(qū)主要斷裂及地震分布Fig.2 The distribution of major faults and earthquakes in the study area1.3.9～6級(jí)地震震中;2.3～3.9級(jí)地震震中;3.2～2.9級(jí)地震震中;4.主要斷裂及其編號(hào);5.城市群界線;6.縣(市)級(jí)行政區(qū)界線;7.鎮(zhèn)(鄉(xiāng))級(jí)行政區(qū)界線;8.主要水系。

圖3 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布Fig.3 Geological disaster distribution in the study area

研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造形式多樣,地質(zhì)遺跡豐富多彩,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),區(qū)內(nèi)共有95處地質(zhì)遺跡,主要分布于宜昌市。依其形成原因、自然屬性可分為7種類型,即:①地質(zhì)(體、層)剖面類,②地質(zhì)構(gòu)造類;③古生物類;④礦物與礦床類;⑤地貌景觀類;⑥水體景觀類;⑦環(huán)境地質(zhì)遺跡景觀類。其中地貌景觀類地質(zhì)遺跡點(diǎn)數(shù)量最多,為29處,占總數(shù)30.53%;水體景觀類次之,為25處,占總數(shù)26.32%;地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境地質(zhì)遺跡景觀類各4處(圖5)。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 指標(biāo)選取

綜合分析宜荊荊城市群區(qū)域地質(zhì)背景、地質(zhì)環(huán)境特征及地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀資料,在綜合考慮研究區(qū)各種地質(zhì)環(huán)境因子的基礎(chǔ)上,本著客觀性、易獲性、可表征性和可度量性原則,從地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造穩(wěn)定性、地下水富水性、表土環(huán)境、地質(zhì)遺跡6個(gè)方面構(gòu)建宜荊荊城市群地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(圖6)。其中,地形地貌為基礎(chǔ)性指標(biāo),地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、主要活動(dòng)性斷裂為研究區(qū)國(guó)土開發(fā)的限制因子;區(qū)內(nèi)地下水資源量豐富,地下水富水性為研究區(qū)優(yōu)勢(shì)因子;區(qū)內(nèi)表土環(huán)境污染較為嚴(yán)重,為研究區(qū)不利因子;地質(zhì)遺跡是較為特殊的地質(zhì)環(huán)境因子,分布區(qū)為主體功能區(qū)中禁止開發(fā)區(qū)域,即該因子為限制因子。

圖4 研究區(qū)各縣(市)地下水資源量分布Fig.4 Distribution of groundwater resources in each county of the study area

圖5 研究區(qū)不同類型地質(zhì)遺跡分布Fig.5 Distribution of different types of geological remains in the study area

圖6 地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.6 Assessment index system of geological environment carrying capacity

2.2 指標(biāo)權(quán)重

各評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力的影響程度各異,故權(quán)重值亦不相同,本次研究主要基于AHP層次分析法確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)地質(zhì)環(huán)境承載力的重要程度進(jìn)行兩兩對(duì)比評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)地質(zhì)環(huán)境承載力重要程度用1～7標(biāo)定,其中1表示指標(biāo)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力影響最小,7則表示最大,對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較構(gòu)造判斷矩陣(表1)。

對(duì)“地質(zhì)環(huán)境承載力”權(quán)重1,最大特征根λmax=6.00,六階判斷矩陣一致性比例CI、平均隨機(jī)一致性值CR,均為0,<0.1,滿足一致性檢驗(yàn),故得出的各指標(biāo)因子權(quán)重Wi(表1)是合理的。

表1 權(quán)重判斷矩陣Table 1 Weight judgment matrix

2.3 指標(biāo)因子賦值

根據(jù)宜荊荊城市群地質(zhì)環(huán)境特征及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)賦值(表2)。

3 評(píng)價(jià)方法與過程

3.1 評(píng)價(jià)方法

采用AHP層次分析法和MAPGIS空間分析進(jìn)行宜荊荊城市群地質(zhì)環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)。地質(zhì)環(huán)境承載力的評(píng)價(jià)是在綜合地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造穩(wěn)定性、地下水富水性、表土環(huán)境、地質(zhì)遺跡6個(gè)評(píng)價(jià)因子的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,反映宜荊荊城市群地質(zhì)環(huán)境承載力,其承載力指數(shù)基于上述6個(gè)子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)質(zhì)量指數(shù)合成,綜合加權(quán)指數(shù)數(shù)學(xué)模型如下:

I=W1F1+W2F2+W3F3+W4F4+W5F5+W6F6

(1)

式中:I為地質(zhì)環(huán)境承載力指數(shù);W1、W2、W3、W4、W5、W6分別表示地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造穩(wěn)定性、地下水富水性、表土環(huán)境、地質(zhì)遺跡評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重;F1、F2、F3、F4、F5、F6分別表示地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造穩(wěn)定性、地下水富水性、表土環(huán)境、地質(zhì)遺跡評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的賦值。

3.2 評(píng)價(jià)過程

3.2.1 評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

表2 地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)賦值表Table 2 Evaluation index system scale and index weight of geo-environmental carrying capacity

運(yùn)用柵格數(shù)據(jù)處理方法,基于MAPGIS網(wǎng)格剖分,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行10 km×10 km網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?將研究區(qū)劃分為591個(gè)評(píng)價(jià)單元,利用GIS拓?fù)渲亟ㄔ靺^(qū)功能生成評(píng)價(jià)單元剖分網(wǎng)格區(qū)文件(圖7)。

圖7 地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)單元剖分網(wǎng)格圖Fig.7 Meshed map of geo-environment carrying capacity evaluation unit

3.2.2 評(píng)價(jià)單元承載力指數(shù)計(jì)算與區(qū)劃

針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的6個(gè)因子,在充分收集整合以往地質(zhì)調(diào)查、評(píng)價(jià)成果資料基礎(chǔ)上,根據(jù)表2指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)各評(píng)價(jià)單元各項(xiàng)指標(biāo)賦值,形成研究區(qū)各單因子分區(qū)圖層。

通過MAPGIS空間疊加分析功能,對(duì)形成的單因子區(qū)圖層進(jìn)行區(qū)對(duì)區(qū)合并分析,提取區(qū)文件圖層ID及各屬性值,生成label文件,通過公式(1)及表2計(jì)算獲取各評(píng)價(jià)單元的地質(zhì)環(huán)境承載力指數(shù)I。

基于GIS空間分析模塊中的DTM分析,提取label文件中的地質(zhì)環(huán)境承載力指數(shù)I數(shù)據(jù),基于Tin模型三角剖分,經(jīng)過整理、約束、刪除等優(yōu)化步驟,形成研究區(qū)三角剖分網(wǎng)格,追蹤剖分等值線,對(duì)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行分區(qū)。采用自然斷點(diǎn)法,將地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)值分析結(jié)果分為四級(jí):①分區(qū)界線值≥4.69時(shí),為地質(zhì)環(huán)境承載能力強(qiáng)區(qū);②3.59≤分區(qū)界線值<4.69時(shí),為地質(zhì)環(huán)境承載能力較強(qiáng)區(qū);③2.81≤分區(qū)界線值<3.59時(shí),為地質(zhì)環(huán)境承載能力一般區(qū);④分區(qū)界線值<2.81時(shí),為地質(zhì)環(huán)境承載能力弱區(qū)。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

基于上述評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)過程獲取地質(zhì)環(huán)境承載力分區(qū)圖最初模型,經(jīng)過人工修飾、加工或合并、刪減等,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,最終形成研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)區(qū)劃圖(圖8),將研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力劃分為4個(gè)等級(jí)。

(1) 地質(zhì)環(huán)境承載力強(qiáng)區(qū):該區(qū)分布范圍最廣,主要分布于城市群東部,荊門—枝江—荊州一帶,面積為20 373.4 km2,約占整個(gè)宜荊荊城市群的42.64%。該地區(qū)地處江漢平原,地勢(shì)平緩,該區(qū)處于弱震區(qū),未發(fā)現(xiàn)較大的活動(dòng)斷裂及地震。地質(zhì)環(huán)境條件較好,地下水資源豐富,表土環(huán)境較好,暫未發(fā)現(xiàn)崩滑流等地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布。

圖8 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)區(qū)劃圖Fig.8 Geo-environmental carrying capacity evaluation and division of the study area1.承載能力強(qiáng);2.承載能力較強(qiáng);3.承載能力一般;4.承載能力弱;5.分區(qū)界線;6.城市群界線;7.縣(市)級(jí)行政區(qū)界線;8.鎮(zhèn)(鄉(xiāng))級(jí)行政區(qū)界線;9.主要水素。

(2) 地質(zhì)環(huán)境承載力較強(qiáng)區(qū):該區(qū)主要分布于城市群中部,面積為14 621.6 km2,約占整個(gè)城市群的30.6%。該區(qū)亦為城市群地質(zhì)環(huán)境修復(fù)區(qū),通過人為控制和治理,該區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題可以恢復(fù)以進(jìn)行安全開發(fā)的區(qū)域,該區(qū)域地貌以丘陵、低中山為主,為地質(zhì)災(zāi)害中—低風(fēng)險(xiǎn)區(qū),地下水資源量一般,局部地段土壤污染較為嚴(yán)重,局部發(fā)生過地震活動(dòng),但震級(jí)低,震源淺。

(3) 地質(zhì)環(huán)境承載力一般區(qū):主要分布于城市群西部興山—長(zhǎng)陽(yáng)、宜都—松滋一帶,零星分布于鐘祥、京山等縣(市)。該區(qū)總面積為11 006 km2,約占整個(gè)宜荊荊城市群的23.04%。該區(qū)亦為城市群地質(zhì)環(huán)境維護(hù)區(qū),是地質(zhì)環(huán)境不穩(wěn)定區(qū),通過地質(zhì)環(huán)境問題的治理和監(jiān)測(cè),可實(shí)現(xiàn)適度開發(fā)的區(qū)域。該區(qū)地貌類型多樣,中山、低中山、丘陵等地貌均有不同程度的分布。此外,該區(qū)包括了區(qū)內(nèi)構(gòu)造不穩(wěn)定區(qū),分布有活動(dòng)斷裂、各類地質(zhì)災(zāi)害、地震等,亦為地質(zhì)遺跡點(diǎn)較為集中分布區(qū),且區(qū)內(nèi)分布有國(guó)家、省級(jí)地質(zhì)遺跡點(diǎn)。不同區(qū)域內(nèi)地下水資源分布呈現(xiàn)出較大差異。

(4) 地質(zhì)環(huán)境承載力弱區(qū):主要分布于秭歸、五峰,零星分布于長(zhǎng)陽(yáng),該區(qū)分布范圍相對(duì)較小,總面積為1 775.9 km2,僅占整個(gè)宜荊荊城市群的3.72%。該區(qū)地貌類型以低中山為主,亦為城市群地質(zhì)環(huán)境保護(hù)區(qū),該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)較為強(qiáng)烈,秭歸一帶地震發(fā)生頻率高,其它類型地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),是地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。此外,區(qū)內(nèi)分布具有較高地學(xué)保護(hù)價(jià)值的國(guó)家級(jí)地質(zhì)公園。該區(qū)域需要限制性開發(fā),限制進(jìn)行大規(guī)模高強(qiáng)度工業(yè)化城鎮(zhèn)化開發(fā)。還應(yīng)在該區(qū)域建立地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系,依靠有效的監(jiān)測(cè)機(jī)制,建設(shè)預(yù)警平臺(tái),保障區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展。

5 結(jié)論

(1) 在綜合考慮研究區(qū)各種地質(zhì)環(huán)境因子的基礎(chǔ)上,從地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造穩(wěn)定性、地下水富水性、表土環(huán)境、地質(zhì)遺跡6個(gè)方面選取了具體評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建了研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(2) 基于層次分析法,結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)賦值、權(quán)重計(jì)算,構(gòu)建了地質(zhì)環(huán)境承載力指數(shù)數(shù)學(xué)模型。

(3) 基于GIS空間分析,將研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力分為強(qiáng)、較強(qiáng)、一般、弱四個(gè)不同等級(jí),其中,地質(zhì)環(huán)境承載力強(qiáng)區(qū)分布最廣,地處江漢平原;地質(zhì)環(huán)境承載力弱區(qū)分布范圍相對(duì)較小,對(duì)該區(qū)域應(yīng)限制性開發(fā),建立地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系及預(yù)警平臺(tái),保障可持續(xù)發(fā)展。