城市地質環境安全性評價指標體系研究

曹二濤 張 弛 張 華

(中國地質礦業有限公司，北京 100029)

1 概述

城市是人類文明的標志，地質環境作為城市發展的重要載體，可為人類生產生活提供水源、土地、礦產等資源，另一方面，也通過一系列不良地質現象(如地震、滑坡、泥石流、地面塌陷、水土污染等)威脅著城市的安全。近年來，我國相繼發生汶川地震、玉樹地震、舟曲泥石流等地質災害造成了人民生命財產的極大損失。因此，如何預防、規避重大地質環境問題，保證城市地質環境安全，成為快速城市化進程中對地質工作的迫切需求[1]。

長久以來，美國、英國、德國、日本等發達國家在城市安全方面注重通過減災規劃和土地規劃來降低區域災害，強調災害風險控制的最有效手段就是通過土地利用規劃手段來限制土地開發行為，并形成相對成熟的城市安全評價和管理體系[2]。我國城市地質工作起步較晚，目前，與城市地質環境安全相關的工作還主要集中在單一方向上的研究[3]，例如城市地質資源供給、城市工程地質、礦山地質環境、地質災害等方面[4]，尚未形成統一的城市地質環境安全綜合評價方法體系。此外，我國地質環境問題種類多、發生頻率高，再加之許多地質環境脆弱地區分布有大量人口，使得其危害更為巨大[5-6]。因此，必須設法查明影響城市安全的地質環境問題，研究其影響機制，并形成可參考指標體系，從而為安全性評價提供基礎。

以下對城市地質環境安全性評價的概念及其內涵進行探討，并從城市建設與地質環境相互作用機制的角度出發，通過分析影響城市安全的地質環境要素，梳理城市地質環境安全性評價的思路，提出評價指標體系，對促進城市地質環境安全評價工作的開展具有重要意義。

2 城市地質環境安全性評價

2.1 概念

廣義來說，地質環境評價是對地質環境形成條件、結構、狀態、功能的現狀進行分析，在自然條件和人類活動影響作用下，對可能發生的變化趨勢進行預測，對其與社會經濟發展活動的協調進行定性或定量的評估[7]。

城市地質環境評價是地質環境評價的一個子類，基于城市開發建設的目的，對城市地質環境的優劣程度進行描述[8]。按照不同的分類方法，城市地質環境評價的類型有很多，其中最主要的類型有：安全性評價、適宜性評價、質量評價和風險評價[9-10]。

城市地質環境安全性評價是指綜合運用地質學和環境地質學的理論方法，從城市建設和人居環境安全的角度出發，在地質環境系統調查與分析基礎上，對地質環境進行定性或定量評價，確定不安全區域及其可能的影響范圍，提出必要的預防、避讓、控制對策。開展城市地質環境安全性評價對于城市規劃、建設、管理具有重要的基礎性意義，特別是對于合理確定城市建筑物抗震設防標準，確定工程建設和人類活動規避范圍都具有重要意義，同時對于提高我國對地震等自然災害的防災減災能力也有重要的作用[11]。

2.2 內容

就地質環境安全問題表現形式而言，安全性評價總體上可以歸納為“地質結構安全性評價”和“地球化學背景安全性評價”兩個方面，前者是物理層面，主要體現為地殼安全與地表地質安全；后者為化學層面，主要體現為水、土原生地球化學背景和污染現狀對人類健康生活的影響。

3 城市地質環境安全性評價指標體系

3.1 城市地質環境安全問題分析

為了合理構建評價指標體系并準確表征評價指標的性狀，有必要對地殼安全、地表地質安全和地球化學背景安全三類問題的發生機制、表現形式、危害程度等分別進行分析。

(1)地殼安全性

地殼安全問題由地球內動力地質作用所產生，如地震、火山、活動斷裂等。對我國城市而言，主要體現為地震與活動斷裂的威脅。我國有1 /3的大城市和2 /5的中等城市處在地震基本烈度為Ⅶ 度和Ⅶ 度以上地區。地震通過地震波直接破壞建筑物，或者衍生出地質災害對城市造成破壞。故可以在地震地質和現代構造活動調查研究的基礎上，以基本烈度為主要指標，并參照地震活動周期和斷層活動速率、地形變速率以及地應力等測量資料來確定地殼的穩定性。

活動斷層對城市安全的威脅體現在兩方面，一是斷層所帶來的直接危害，即活動斷層的地面錯動及其附近的伴生地面變形，往往會直接損害跨越斷層修建或建于其附近的構筑物；二是斷層活動所伴生的次生危害，如粉碎其附近巖土體、誘發斷裂帶次生地質災害等。

(2)地面安全性

地表地質安全指在內、外動力(以外動力為主)地質作用或人類活動影響下，地殼表面的安全程度，其危害主要表現為通過地表形變直接或間接破壞建筑結構。地表地質安全涉及的內容十分廣泛，如自然或人為誘發的崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷、砂土液化、地面塌陷、地面沉降、地裂縫等。此外，洪災危害也是地表安全需要考慮的重要內容，其衡量指標為地面高程與洪水位的相對高差，對于有可能發生洪水災害的城市，其建筑不應布設在地勢較低的區域。

(3)地球化學安全性

除了上述兩類顯性的地質環境安全問題以外，有害元素的遷移、富集等隱性地質環境問題也會影響人類健康安全。如放射性或者有毒元素超標、某些化學元素的嚴重不足或顯著偏高、以及常規元素構成致病組合等[12]。由此造成的地方病在我國部分城市仍有分布，其中，地方性砷中毒、氟中毒和大骨節病是我國主要的地方病病種[13-14]。與此同時，人類活動造成的水土環境中超標的有害重金屬、有機物、微生物等也嚴重威脅著城市居民的健康[15]。此外，地下水中過量的酸性成分會對地基形成侵蝕危害，如地下水中含有的二氧化碳與混凝土中的碳酸鈣反應形成重碳酸鈣，從而破壞混凝土結構;酸性水或含有游離氧的地下水對鋼鐵有較強的腐蝕作用。

3.2 城市地質環境安全性評價指標體系

城市地質環境安全問題分析是評價指標體系建立的基礎，在具體構建時，要特別體現“重點突出”和“針對性”[16]，即地質環境安全性評價在指標體系選取必須因城市而異、因地區而異、因問題而異。應選擇區域內最能體現地質安全的主導因素或因子參與評價，以下將評價指標體系總結為3大類共15項，并將安全程度劃分為三個等級，見表1。

表1 地質環境安全性評價指標體系及等級劃分

4 城市地質環境安全性評價思路與流程

4.1 評價思路

城市地質環境安全性評價是在搜集研究區已有資料與野外調查的基礎上，系統分析研究區地質環境現狀，確定威脅城市建設的地質環境安全性問題。然后，研究地質安全性問題與地質環境條件(因子、指標)之間的相互作用機制，建立條件與問題的定量對應關系，利用適當的定權及模型方法進行單要素的地質環境安全評價，并繪制單要素等級分區。

4.2 評價流程

通過各地質環境安全性單要素之間的相關疊加分析，展開地質環境安全性綜合評價。最后針對評價結果提出城市建設過程中地質安全的對策建議。評價流程如圖1所示。

圖1 城市地質環境安全性評價流程

5 案例分析

5.1 研究區地質背景

長三角地區地處揚子板塊東段，南部以“江山-紹興”斷裂與華夏板塊相接，西部、北部分別以“郯廬”斷裂和蘇魯造山帶與華北板塊毗鄰。該地區松散土體廣泛分布，巖體多呈孤丘零星狀點綴于平原之中，主要分布于江蘇省域的太湖沿岸帶、浙江省域的南部和西部，以及上海市域的西部青浦和松江區境內。

5.2 地質環境安全評價指標體系構建

長三角地區地質條件復雜，人類活動極為強烈[17]，存在的重大環境地質問題主要包括以下幾個方面。

(1)活動性斷裂

沿江開發帶內主要活動性斷裂共有11條。歷史上發生過多次中強地震，造成嚴重坍塌和沉降事故。例如溧陽一帶于1974年、1979年先后發生的6級和5級地震。

(2)特殊巖土

該區域發育有中-高壓縮性的黏性土、松散飽和砂土和膨脹土等類型的不良土體，容易引發各類工程地質問題，如軟土不均勻沉降導致建筑物傾斜開裂；松散飽和砂土易發生震動液化，產生“流砂”，造成建筑地基結構破壞；膨脹土易引起地基開裂、塌滑等。長江以南的上海、蘇錫常、杭嘉湖地區已有1/3范圍累積沉降超過200 mm，面積近10 000 km2。

(3)地下水污染

受農藥化肥、生活污水和工業排污影響，城市周邊及主要工業區成為污染的主要區域[18]。其中，三氮、COD、砷等指標為主要污染因子，有機污染零星分布。

針對長三角地區城市規劃和重大工程建設面臨的重大環境地質問題，根據研究區的基礎地質、工程地質、環境地質等資料，從地殼安全、地表安全和地球化學安全三個方面，構建了地質安全性指標體系。

5.3 地殼安全性指標及等級分區

在地震地質和現代構造活動調查研究基礎上，以基本烈度為主要指標，參照地震話動周期和斷層活動速率、地形變速率以及地應力等測量資料，劃分地殼安全性級別：基本烈度小于或等于6度為地殼安全區，7～8度為次安全區、大于8度為不安全區。根據長三角地區的地質構造特征和新構造運動與地震活動概況，對長三角地區地殼安全性進行評價，結果如圖2所示。

圖2 長三角地區地殼安全性評價分區

5.4 地面安全性指標及等級分區

長三角地區地質環境條件復雜，地面破壞類型多樣，有崩塌、滑坡、地面塌陷，地面沉降、水土流失、江海岸沖刷淤積、誘發地震等。其中，危害最為嚴重的地質災害類型為地面沉降[19]。通過對基礎地質條件、災害發育現狀及發展趨勢、人類活動程度等地面穩定性影響因素的分析，按照其易發強度或規模劃分為安全、次安全和不安全三個級別，結果如圖3所示。

圖3 長三角地區地面安全性評價分區

由圖3可知，上海是我國發生地面沉降現象最早、影響最大、危害最深的城市，江蘇的蘇錫常地區與浙江的杭嘉湖地區也相繼發生了地面沉降現象，地面沉降已直接影響到城市建設，工農業生產和人民生活，并對防洪、排澇和通航能力有較大影響。

滑坡在浙江省內發育較為嚴重，主要位于山地丘陵地帶，在城鎮附近和沿海港口碼頭亦有發生。

5.5 地球化學安全性指標及等級分區

長三角地區是我國人類活動最為劇烈的地區，具有區內地下水污染范圍廣、污染源分布多、污染物類型多樣等特點。

針對長三角地區地下水污染特點，可從地下水防污性能評價角度反饋污染風險。地下水防污性能是指地下水系統抵御污染物進入地下水的能力，反映了人類活動產生的所有污染物進入地下水的難易程度，它與含水層所處的地質、水文地質條件有關。按照地下水防污性能級別，可劃分為防污性能高、防污性能中等、防污性能差；分別對應地球化學安全性的安全區、次安全區和不安全區3個等級。

根據長三角地區的地下水條件，采用DRASTIC模型進行地下水防污性能評價，采用了如下幾個評價指標：地下水埋深、降雨入滲補給量、含水層巖性、土壤類型、地形坡度、包氣帶影響、含水層滲透系數。反映地下水在土壤、包氣帶以及含水層特性等控制因素下對地下水污染的風險(評價結果如圖4所示)。

圖4 長三角地區地球化學安全性評價分區

5.6 地質環境安全性綜合評價與分區

利用地質環境安全性單要素分析成果，基于MapGIS軟件平臺，采用圖形疊置法，開展地質環境安全性綜合評價和地質環境安全性等級分區，評價結果如圖5所示。

圖5 長三角地區地質環境安全性綜合評價分區

根據評價結果，對各等級分區進行統計分析，得到以下結果。

(1)地質環境安全區總面積為50 017 km2，占長三角地區陸域面積48.6%，主要集中在泰興-啟東的長江北岸地帶和太湖以南廣博的平原區。

(2)地質環境次安全區總面積為28 306 km2，占長三角地區陸域面積27.5%。主要分布在研究區西北部，這些區域地形起伏較大，地下水防污性較差，部分地區存在著較為嚴重的地質環境問題，如地裂縫和地面沉降。

(3)地質環境不安全區總面積為24 589 km2，占長三角地區陸域面積23.9%。主要在沿長江(從南京-鎮江，連接蘇錫常地區和上海全域)連續分布，同時，在金子巖-黃毛尖一線西北的條形地帶及東南沿海區域亦有分布。該類區域內存在嚴重的地面沉降、地質災害、地殼穩定性和地下水污染等問題。

根據前述分析，在安全性高的區域，開展相應城市活動較為適合；在次安全區，地質環境條件雖然基本滿足城市安全要求，但需要采取一定的工程措施整治后方可建設；而在不安全區，地質環境條件較差，需采取大量工程措施整治后才可建設，若工程治理代價太大或目前的技術方法難以達到理想的治理效果，可將其規劃為生態用地，從而保證城市地質安全。

6 結論

(1)地質安全是城市安全最基礎的組成部分，對地質環境進行定性或定量評價，圈定不安全區域及其影響范圍，并提出必要的預防、避讓、控制對策，對城市建設和人居環境安全意義重大。

(2)應在系統分析區域地質環境特征的基礎上，選取對城市安全影響最為重要的地質要素來構建指標體系。

(3)地質環境安全性評價指標體系一般具有普適性的特點，在開展具體工作時，需要根據不同城市的特點加以區別對待。