基于城市工程建設(shè)的福建莆田城區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

陳泉霖 葛曉明 陳文林

摘要： 為了研究福建莆田城區(qū)人類工程建設(shè)活動(dòng)與地質(zhì)環(huán)境承載力之間的關(guān)系，選取軟土埋深、軟土厚度、砂土液化、卵石及砂卵石層埋深、基巖埋深、地下水咸水與淡水分界、地下水腐蝕性、地震（場(chǎng)地類別）和推測(cè)斷層9個(gè)評(píng)價(jià)因子，以500 m×500 m網(wǎng)格為評(píng)價(jià)單元，利用GIS軟件和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)福建莆田城區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力。福建莆田城區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力屬于中等—高的區(qū)域占全區(qū)面積的90.18%，地質(zhì)環(huán)境承載力屬于低的區(qū)域占全區(qū)面積的9.82%，主要位于木蘭溪入海口附近。地質(zhì)環(huán)境承載力低的區(qū)域，不適合規(guī)劃、布置大型建筑。建議對(duì)已完成的重大工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握工程動(dòng)態(tài)，避免因地質(zhì)環(huán)境問題造成損失。

關(guān)鍵詞： 城市工程建設(shè);地質(zhì)環(huán)境承載力;模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法;福建莆田

中圖分類號(hào)：P642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-1871（2020）03-295-10

城市地質(zhì)環(huán)境是城市發(fā)展的基礎(chǔ)，人類工程活動(dòng)必須運(yùn)行在地質(zhì)環(huán)境承受的范圍內(nèi)才能保證城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展[1-5]。在城市建設(shè)規(guī)劃中，應(yīng)根據(jù)城市地質(zhì)環(huán)境條件，科學(xué)、合理地規(guī)劃城市發(fā)展方向和規(guī)模，充分發(fā)揮地質(zhì)環(huán)境效應(yīng)和潛能，使城市地質(zhì)環(huán)境與城市經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)及發(fā)展相協(xié)調(diào)[6-9]。城市地質(zhì)環(huán)境承載力指在特定時(shí)空條件和科技發(fā)展水平下，地質(zhì)環(huán)境允許人類改造的極限值[10-11]。如何解決城市發(fā)展引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題，在城市規(guī)劃中如何規(guī)避地質(zhì)環(huán)境限量，確定合理的城市建設(shè)強(qiáng)度是當(dāng)前城市規(guī)劃建設(shè)的重點(diǎn)。進(jìn)行定量的城市地質(zhì)環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)可進(jìn)一步把握城市發(fā)展中的地質(zhì)環(huán)境限制性因素，了解城市地質(zhì)環(huán)境閾限值，為城市規(guī)劃提供地質(zhì)依據(jù)，對(duì)城市發(fā)展中規(guī)避地質(zhì)環(huán)境限量具有重要意義。目前，城市地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)多以流域、圖幅等大區(qū)域研究居多[12-13]，對(duì)城市某一城區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的報(bào)道相對(duì)較少。

地質(zhì)環(huán)境承載力包含地面建筑、地下空間和地下水環(huán)境?；诔鞘泄こ探ㄔO(shè)的地質(zhì)環(huán)境承載力是維持城市地質(zhì)環(huán)境自身結(jié)構(gòu)有序工作的表征，總體以不發(fā)生質(zhì)變?yōu)槟康腫14-15]。基于城市工程建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)是針對(duì)支持城市工程建設(shè)特性而言的，主要反映人類生產(chǎn)、生活對(duì)地質(zhì)環(huán)境的依賴性。

隨著科學(xué)技術(shù)水平和社會(huì)生產(chǎn)力的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境開發(fā)、利用、改造的規(guī)模、強(qiáng)度及速度將越來越大，城市地質(zhì)環(huán)境面臨著巨大壓力，探討地質(zhì)環(huán)境對(duì)人類工程活動(dòng)影響的最大可支持能力是非常有必要的。本文以“福建省莆田市城市地質(zhì)調(diào)查”項(xiàng)目實(shí)際成果資料為基礎(chǔ)，以莆田城區(qū)為例進(jìn)行基于城市工程建設(shè)的地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)研究，為福建莆田城區(qū)可持續(xù)發(fā)展、規(guī)劃布局建設(shè)及重大工程選址提供參考。

1 研究區(qū)概況

福建莆田城區(qū)（莆田城市地質(zhì)調(diào)查重點(diǎn)區(qū)）總面積約80 km2，行政區(qū)劃含城廂區(qū)霞林街道、鳳凰山街道，荔城區(qū)鎮(zhèn)海街道、拱辰街道、新度鎮(zhèn)、黃石鎮(zhèn)，涵江區(qū)白塘鎮(zhèn)、三江口鎮(zhèn)及木蘭溪兩側(cè)大部分區(qū)域。

研究區(qū)主要地層為白堊紀(jì)石帽山群、侏羅紀(jì)南園組、前奧陶紀(jì)澳角（巖）群及第四系。侏羅紀(jì)南園組主要分布在研究區(qū)西部壺公山及莆田平原北部山區(qū);前奧陶紀(jì)澳角（巖）群出露在研究區(qū)南部山亭鄉(xiāng)，是區(qū)內(nèi)最老的地層。第四系主要為海陸相交互沉積，巖性主要為粉質(zhì)黏土、淤泥及淤泥質(zhì)土、砂。研究區(qū)北部有砂質(zhì)黏土類殘積層分布。

侵入巖廣泛分布于莆田南部、笏石半島、鷺峰山及平海灣后海附近大玵山，巖漿-侵入活動(dòng)受區(qū)域構(gòu)造制約，具多個(gè)構(gòu)造-巖漿旋回活動(dòng)特征。構(gòu)造主要由一系列NE向斷裂破碎帶、變質(zhì)帶、火山噴發(fā)帶、巖體侵入帶、巖脈及片麻理構(gòu)成。長(zhǎng)樂—南澳斷裂帶位于研究區(qū)南東部沿海，陂頭—西天尾高角度推測(cè)正斷層在研究區(qū)北西部及外圍延伸而過，東郊—涵江高角度推測(cè)正斷層貫穿研究區(qū)中部，沙縣—南日島斷裂帶梧桐—長(zhǎng)基高角度推測(cè)正斷層位于研究區(qū)西南部霞林街道和新度鎮(zhèn)（圖1）。

研究區(qū)位于莆田平原，平均坡度<2%，處于地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)區(qū)，下部淤泥及淤泥質(zhì)土等軟土分布廣且厚，局部地區(qū)存在地面沉降，多因早期建筑地基未有效處理所致。

2 水文及工程地質(zhì)特征

2.1 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)位于莆田平原，沉積了一套粗細(xì)疊置、厚薄不一的第四紀(jì)松散堆積物，構(gòu)成海積平原，平原后緣與丘陵臺(tái)地相連，含孔隙潛水。山前地帶主要為垂直補(bǔ)給和側(cè)向補(bǔ)給，即大氣降水和基巖裂隙水補(bǔ)給。濱海地區(qū)由于上部黏土、淤泥或淤泥質(zhì)土為相對(duì)隔水層巖組，不利于地表水滲入，透水性差、富水性弱，以側(cè)向補(bǔ)給為主，大氣降水和基巖裂隙水通過山前松散堆積物滲入地下補(bǔ)給平原區(qū)下部含水層，主要以地下徑流方式向木蘭溪側(cè)向排泄或直接向海域排泄。

研究區(qū)與興化灣地區(qū)的地下水具有垂直分帶性：表層第四紀(jì)孔隙含水層為淡水，中、下部第四紀(jì)孔隙含水層為微咸水、咸水，下部風(fēng)化基巖孔隙裂隙層地下水的分布特征為“上淡、中咸、下淡”，近岸區(qū)域地下水的分布特征為“上咸、中咸、下淡、底咸”。

2.2 工程地質(zhì)特征

研究區(qū)大部分土層上部為海相沉積，下部為河相沉積，沉積物自上而下由人工填土、粉質(zhì)黏土（黏土）、淤泥、砂、卵石等組成，第四紀(jì)沉積物厚度為10～30 m。淤泥、淤泥質(zhì)土等軟土天然含水量高、孔隙比大、壓縮性強(qiáng)，承載力低。強(qiáng)度低，攪動(dòng)后易產(chǎn)生流塑狀，在剪應(yīng)力作用下，土體產(chǎn)生緩慢而長(zhǎng)期的剪切變形，對(duì)地基的沉降影響較大，對(duì)堤岸、碼頭、地基穩(wěn)定性不利。砂土層為輕微、中等液化，主要為輕微液化。一般情況下，不宜將未經(jīng)處理的液化土層作為天然地基持力層。

3 研究方法

3.1 評(píng)價(jià)方法

模糊數(shù)學(xué)是研究和處理模糊性現(xiàn)象的一種數(shù)學(xué)理論和方法，已在醫(yī)學(xué)、氣象、心理、經(jīng)濟(jì)管理、石油、地質(zhì)、環(huán)境等方面取得了相關(guān)研究成果[16]。模糊數(shù)學(xué)用精確的數(shù)學(xué)手段對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象進(jìn)行描述、建模，以達(dá)到對(duì)其恰當(dāng)處理的目的[17]。

采用模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法，數(shù)學(xué)模型采用綜合指數(shù)評(píng)價(jià)模型，按一定標(biāo)準(zhǔn)賦予評(píng)價(jià)區(qū)域（評(píng)價(jià)單元）中地質(zhì)環(huán)境要素的不同評(píng)價(jià)因子一定的評(píng)價(jià)值，再加權(quán)求和[18-19]，其數(shù)學(xué)模型為

Z承載力=∑mi=1ai·Xi，

式中：Z承載力為評(píng)價(jià)單元地質(zhì)環(huán)境承載力綜合指數(shù);Xi為評(píng)價(jià)因子性狀數(shù)據(jù);ai為Xi評(píng)價(jià)因子權(quán)重;m為評(píng)價(jià)因子總數(shù)。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

采用500 m×500 m（單元格面積為0.25 km2）的正方形網(wǎng)格對(duì)研究區(qū)進(jìn)行劃分，共劃分評(píng)價(jià)單元361個(gè)（圖2）。

研究區(qū)位于莆田平原，地形地貌均一，地下水埋深多數(shù)為5 m以內(nèi)，對(duì)城市工程建設(shè)地下空間部分不具有指向性。針對(duì)福建莆田城區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)和存在的主要地質(zhì)環(huán)境問題，選取軟土埋深、軟土厚度、砂土液化、卵石及砂卵石層埋深、基巖埋深、地下水咸水與淡水分界、地下水腐蝕性、地震（場(chǎng)地類別）和推測(cè)斷層9個(gè)評(píng)價(jià)因子，采用專家定權(quán)法對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行定權(quán)（表1）。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇模糊子集計(jì)算公式，參照“福建省莆田市城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告”[20-21]中采用的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間，確定等級(jí)分區(qū)區(qū)間。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境承載力綜合指數(shù)，將地質(zhì)環(huán)境承載力分為四級(jí)（表2）。

4 結(jié)果及討論

4.1 單因子評(píng)價(jià)

4.1.1 軟土埋深

軟土埋深<2 m的區(qū)域分布面積為24.29 km2，占軟土分布區(qū)總面積的31.16%。主要分布在莆田市勝利街與八二一大街之間，拱辰街道莘郊、濠浦—新度鎮(zhèn)灰壁、海尾—黃石鎮(zhèn)清前、華堤、海濱一線及三江口鎮(zhèn)哆頭沿海一線。

軟土埋深2～5 m的區(qū)域分布較廣，面積為47.52 km2，占軟土分布區(qū)總面積的60.97%。主要分布于霞林街道、鎮(zhèn)海街道、拱辰街道辰門兜—城郊中學(xué)一線，新度鎮(zhèn)溪東—梧塘—洋埕—后湖一線，白塘鎮(zhèn)陳橋—黃石鎮(zhèn)西利、西洪、橋兜—三江口美尾、新浦—黃石遮浪及東甲一帶。

軟土埋深>5 m的區(qū)域分布面積為6.13 km2，占軟土分布區(qū)總面積的7.87%。主要分布于霞林街道陂頭、鐵灶、肖厝、下黃—新度鎮(zhèn)溝西、溝東、渠橋一線（圖3）。

4.1.2 軟土厚度

軟土最厚區(qū)為三江口鎮(zhèn)哆頭鹽場(chǎng)附近，厚22.7 m。整體上看，莆田重點(diǎn)區(qū)自西向東軟土層逐漸增厚，反映該區(qū)海進(jìn)、海退軟土層（淤泥與淤泥質(zhì)土）沉積的自然規(guī)律（圖4）。

4.1.3 砂土液化及場(chǎng)地類別

根據(jù)施工鉆孔及相關(guān)資料[22]，福建莆田城區(qū)（重點(diǎn)區(qū)）液化砂土分布無規(guī)律性，僅在木蘭溪兩岸飽和砂土分布較多，主要呈散點(diǎn)狀、斑狀不均勻分布，液化等級(jí)為輕微液化—中等液化，主要為輕微液化。自莆田市區(qū)辰門兜—鳳凰山街道—霞林街道—新度鎮(zhèn)西部沿線以西木蘭溪上游地區(qū)均為Ⅱ類場(chǎng)地，沿線以東為Ⅲ類場(chǎng)地（圖5）。

4.1.4 卵石及砂卵石層埋深

該層為主要含水層，厚度大、透水性強(qiáng)、連通性好、水量豐富，卵石層滲透系數(shù)為0.022 cm/s，均為強(qiáng)透水含水層，具有一定的承壓性，對(duì)地下建筑物影響較大。地下水通過地下徑流由高向低排泄，部分地區(qū)與市區(qū)內(nèi)河及木蘭溪存在一定水力聯(lián)系，相互補(bǔ)給。卵石及砂卵石層的承載力特征值為300～360 kPa，部分較厚卵石層呈中密或密實(shí)狀。

柳橋—社厝—溝西一線以西，卵石及砂卵石層埋深5.0～10.0 m。東墩—浦南—南箕—尾厝以西，卵石及砂卵石層埋深5.0～15.0 m。東墩—浦南—南箕—尾厝以東，卵石及砂卵石層埋深15.0 m以上（圖6）。

4.1.5 基巖埋深

福建莆田城區(qū)淤泥層較厚，通常選用基巖作為持力層，基巖埋深是重要的參考因子?；鶐r埋深越深，工程施工難度越大。研究區(qū)基巖埋深為20～30 m區(qū)域分布較廣泛（圖7）。

4.1.6 地下水咸水與淡水分界

莆田城區(qū)地下水大致以荔城區(qū)鎮(zhèn)海街道為界，西部為淡水區(qū)，東部為咸水區(qū)（圖8）。

4.1.7 地下水腐蝕性

以地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕性為例，在干濕交替工況下，莆田主城區(qū)小范圍存在中腐蝕性，鳳凰山、霞林街道、鎮(zhèn)海街道南東部及拱辰街道西部存在弱腐蝕性。鳳凰山、霞林街道、鎮(zhèn)海街道南東部及拱辰街道以東大面積存在中腐蝕性，拱辰街道濠浦、莘郊一帶及黃石鎮(zhèn)、三江口鎮(zhèn)沿海大部地區(qū)存在強(qiáng)腐蝕性，強(qiáng)腐蝕性區(qū)主要分布于木蘭溪兩岸沿海地區(qū)（圖9）。

4.1.8 推測(cè)斷層

根據(jù)莆田地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及防震相關(guān)工程規(guī)范[22-23]，研究區(qū)推測(cè)斷層兩側(cè)200 m為不適宜布局高層建筑地段。繪圖統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不適宜布局高層建筑的地段共計(jì)約5.47 km2，約占研究區(qū)總面積的6.84%（圖10）。

4.2 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)表1中的評(píng)價(jià)因子，按單因子等級(jí)做出單因子分區(qū)圖，并按對(duì)應(yīng)分值賦屬性，將8項(xiàng)單因子分區(qū)圖疊加，輸出屬性后，乘以各因子相應(yīng)權(quán)重，得出各評(píng)價(jià)單元綜合地質(zhì)環(huán)境承載力指數(shù)。借助MAPGIS軟件中DTM空間分析模塊進(jìn)行功能疊加整合分析，按照等級(jí)區(qū)間，經(jīng)修飾后，形成莆田城區(qū)城市建設(shè)地質(zhì)環(huán)境承載力綜合評(píng)價(jià)圖（圖11）?？芍?，福建莆田城區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力屬于中等—高的區(qū)域占全區(qū)面積的90.18%;地質(zhì)環(huán)境承載力低的區(qū)域占全區(qū)面積的9.81%，主要位于木蘭溪入?？诟浇５刭|(zhì)環(huán)境承載力低的區(qū)域不適合規(guī)劃、布置大型建筑，對(duì)已完成的重大工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握工程動(dòng)態(tài)情況，避免因地質(zhì)環(huán)境問題造成損失。

5 結(jié)論

（1）福建莆田城區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力中等—承載力高的區(qū)域占全區(qū)面積的90.18%，承載力低的區(qū)域占全區(qū)面積的9.82%，主要位于木蘭溪入?？诟浇?/p>

（2）莆田城區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力分帶明顯。地質(zhì)環(huán)境承載力高的區(qū)域呈條帶狀分布，承載力中等的區(qū)域呈不規(guī)則狀分布。承載力低的區(qū)域呈島狀零散分布于木蘭溪入海口兩岸地區(qū)，這些地區(qū)分布較厚軟土，基巖埋深較大，地下水腐蝕性強(qiáng)，不適合規(guī)劃與布置大型建筑。