基于GIS空間分析的地質(zhì)環(huán)境承載能力評價
——以泰安市高新區(qū)為例

李曉波，趙新卓，郄亮，李靜

(1.山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 泰安 271000；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

摘要：近年來由于人類活動強(qiáng)度超出當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)環(huán)境承載能力，破壞了人與自然的平衡，帶來了一系列地質(zhì)災(zāi)害、地下水污染等環(huán)境問題。為科學(xué)合理地分析泰安市高新區(qū)地質(zhì)環(huán)境的承載能力，本文在分析研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造穩(wěn)定性、水土環(huán)境等地質(zhì)環(huán)境特征基礎(chǔ)上，構(gòu)建了地質(zhì)環(huán)境承載能力評價的5項(xiàng)本底因子和4項(xiàng)狀態(tài)評價指標(biāo)，采用 GIS 空間分析技術(shù)將各評價指標(biāo)進(jìn)行空間疊加，建立了評價矩陣，對高新區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載承載能力進(jìn)行了評價研究。結(jié)果表明研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力整體狀況較好，承載能力中等以上區(qū)占比86.15%，承載能力較弱區(qū)占比10.2%，承載能力弱占比3.52%。本研究成果為資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警提供靶區(qū)，同時也為國土空間規(guī)劃的編制提供依據(jù)。

0 引言

地質(zhì)環(huán)境承載能力是指資源環(huán)境開發(fā)利用與工程建設(shè)過程中，在維護(hù)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不破壞、功能不退化的前提下，地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性和質(zhì)量對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐保障能力[1-2]。近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦產(chǎn)、石油、地下水等資源大量開采以及水庫、水電站和道橋的修建等人類工程經(jīng)濟(jì)活動，造成了地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生、生態(tài)環(huán)境惡化等問題，大大超出了地質(zhì)環(huán)境承載能力，因此，開展地質(zhì)環(huán)境承載能力評價對于區(qū)域安全生產(chǎn)、空間布局和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義[3-6]。

近年來，國內(nèi)外地質(zhì)環(huán)境承載能力研究在評價技術(shù)方法、評價模型等方面取得了一定的成果。例如：李瑞敏等[7]提出了面向多要素地質(zhì)指標(biāo)體系的構(gòu)建思路、構(gòu)建步驟，為地質(zhì)環(huán)境承載能力評價指標(biāo)的創(chuàng)建、完善和應(yīng)用指明了方向；魏路、李小磊、秦先燕等[8-13]分別基于GIS技術(shù)對不同區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境承載能力評價方法進(jìn)行了研究；楊樂、丁贊等[14-15]采用層次分析法與GIS耦合模型的分析方法對研究區(qū)進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境承載力的研究，綜合多種因素使評價結(jié)果更加準(zhǔn)確、可信，以上這些研究進(jìn)展為本文的研究提供了參考借鑒。

泰安市高新區(qū)是國家級高新區(qū)，近年來由于人類工程經(jīng)濟(jì)活動的影響，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、水土污染日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，急需開展地質(zhì)環(huán)境承載力評價[16]。本文以泰安市高新區(qū)為例，通過分析該區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，建立了符合研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境承載能力評價指標(biāo)體系，利用GIS空間分析對高新區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力進(jìn)行評價。

1 研究區(qū)概況

泰安市高新區(qū)位于山東省泰安市中部，南依寧陽縣，北部及東北部分別與泰山區(qū)、岱岳區(qū)接壤，東與新泰市毗鄰，西與岱岳區(qū)相接，全區(qū)面積748km2。該區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)大陸性氣候，四季分明，地表水系發(fā)育，有大汶河，柴汶河，山陽水庫和彩山水庫等。研究區(qū)地處魯中山區(qū)西北部，地勢以徂徠山為最高點(diǎn)，向四周地勢逐漸降低，區(qū)內(nèi)地貌按成因類型可分為侵蝕構(gòu)造中度切割中山、剝蝕、溶蝕淺切割丘陵、山間河谷沖洪積平原，地形起伏較大。研究區(qū)位于華北板塊(Ⅰ)、魯西隆起區(qū)(Ⅱ)、魯中隆起區(qū)(Ⅲ)的中部，新甫山-萊蕪斷隆(Ⅳ)的新甫山凸起區(qū)(Ⅴ)，區(qū)內(nèi)基底褶皺運(yùn)動強(qiáng)烈，形成徂徠山復(fù)式背斜，蓋層構(gòu)造以系列弧形斷裂、NNW 向及近 EW 向斷裂為主(圖1)。

2 地質(zhì)環(huán)境特征

2.1 地質(zhì)災(zāi)害

研究區(qū)地形、地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及人類工程活動等條件是造成區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育類型的主要因素，而上述因素與氣象、水文、巖體風(fēng)化、植被等因素耦合，共同制約著區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育規(guī)模與發(fā)育程度。據(jù)泰安市1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報告，研究區(qū)內(nèi)崩塌滑坡泥石流共發(fā)育20處，其中滑坡隱患1處、崩塌隱患10處、泥石流隱患9處、巖溶塌陷隱患2處，規(guī)模等級均為小型(圖2)。

1—崩塌；2—滑坡；3—泥石流；4—巖溶塌陷；5—地表水系

2.2 構(gòu)造穩(wěn)定性

影響構(gòu)造穩(wěn)定性主要參數(shù)包括地震動峰值加速度和斷裂活動性。根據(jù)中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306—2015)，研究區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度，屬于建筑抗震危險地段，即屬于Ⅱ級次穩(wěn)定區(qū)，所以只需考慮斷裂活動性這一評價指標(biāo)，區(qū)內(nèi)發(fā)育活動斷裂3條，分別為岱道庵?jǐn)嗔?、橋溝斷裂和徂徠山斷裂?/p>

2.3 巖溶塌陷

由于過量開采巖溶水，研究區(qū)內(nèi)巖溶塌陷較為發(fā)育，主要見于舊縣水源地周邊。其中低易發(fā)區(qū)占研究區(qū)總面積的92.02%，中易發(fā)區(qū)占比為6.01%，高易發(fā)區(qū)占比為1.97%(圖3)。

1—巖溶塌陷高易發(fā)區(qū)；2—巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)；3—巖溶塌陷不易發(fā)區(qū)

在巖溶塌陷危險性和易損性分項(xiàng)測算的基礎(chǔ)上，集成巖溶塌陷危險性和易損性評價，通過綜合分析巖溶塌陷易發(fā)程度、危害程度和發(fā)育程度，形成風(fēng)險性綜合評價結(jié)果，研究區(qū)不存在巖溶塌陷高風(fēng)險區(qū)，中風(fēng)險區(qū)在舊縣水源地附近，面積占比為7.98%，其他區(qū)域均為低風(fēng)險區(qū)。

2.4 水土環(huán)境

研究區(qū)前期地下水水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)相對匱乏，本次研究暫不考慮淺層地下水背景值影響，僅考慮淺層地下水水質(zhì)的影響。根據(jù)泰安市1∶5萬地下水污染調(diào)查成果，按照《國土資源環(huán)境承載能力評價技術(shù)要求(試行)》中淺層地下水水質(zhì)等級標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)不存在Ⅰ級水，Ⅱ級水占比為57.64%，Ⅲ級水占比為42.36%。按照土壤環(huán)境地球化學(xué)等級標(biāo)準(zhǔn)(DZ/T0265—2016)，研究區(qū)土壤質(zhì)量等級主要為Ⅰ級(圖4)。

1—孔隙水Ⅱ級水；2—孔隙水Ⅲ級水；3—裂隙水Ⅱ級水；4—裂隙水Ⅲ級水

2.5 地質(zhì)遺跡和地質(zhì)公園

研究區(qū)有龍灣省級地質(zhì)公園，可直接圈劃出地質(zhì)公園空間分布范圍，其主要分布在徂徠山中部，其中一級保護(hù)區(qū)面積7.9km2，二級保護(hù)區(qū)面積1.1km2，三級保護(hù)區(qū)面積3.5km2。

3 地質(zhì)環(huán)境承載能力評價方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)崩塌、滑坡、泥石流、巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)主要基于泰安市1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目成果以及泰安市舊縣地區(qū)巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與評價項(xiàng)目成果；水土環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)主要基于泰安市1∶5萬地下水污染調(diào)查項(xiàng)目成果；地質(zhì)公園數(shù)據(jù)主要基于泰安市生態(tài)保護(hù)紅線劃定項(xiàng)目成果；并對搜集的資料根據(jù)實(shí)際踏勘情況進(jìn)行相應(yīng)的更新、修改，以滿足評價需要。

3.2 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)《國土資源環(huán)境承載能力評價技術(shù)要求(試行)》，從本底和狀態(tài)2個角度評價地質(zhì)環(huán)境承載能力。其中，承載本底為長期穩(wěn)定的因子反映資源稟賦與環(huán)境容量的優(yōu)劣程度；承載狀態(tài)則為動態(tài)變化因子反映人類對地質(zhì)環(huán)境開發(fā)、利用和改造的結(jié)果。

本文在綜合分析研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景條件、地質(zhì)環(huán)境特征及地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀資料的基礎(chǔ)上，以科學(xué)性、協(xié)調(diào)性、差異性、層次性、動態(tài)性和可行性為指導(dǎo)原則，選取地質(zhì)災(zāi)害、構(gòu)造穩(wěn)定性、水土環(huán)境質(zhì)量等級、地質(zhì)遺跡4個方面構(gòu)建研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力評價指標(biāo)體系。其中，突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害、主要活動斷裂、地質(zhì)遺跡為國土空間開發(fā)的較強(qiáng)限制性因子；研究區(qū)內(nèi)淺層地下水水質(zhì)較差，為國土空間開發(fā)的不利因子。

本文基于研究區(qū)國土功能定位和地質(zhì)環(huán)境特征，以區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)環(huán)境問題為導(dǎo)向，選取本底評價指標(biāo)為5項(xiàng)，狀態(tài)評價指標(biāo)4項(xiàng)，建立研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力評價指標(biāo)體系，并對評價指標(biāo)進(jìn)行等級劃分[17-18](表1)(1)山東省第五地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東省泰安市岱岳區(qū)1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查報告,2012年。。

表1 地質(zhì)環(huán)境承載能力評價指標(biāo)體系

3.3 評價過程

對選取的本底及狀態(tài)評價因子，基于ArcGIS網(wǎng)格剖分功能，對各評價因子進(jìn)行1km×1km網(wǎng)格劃分，共計(jì)劃分為140個評價單元。通過綜合指數(shù)模型定性對各個評價因子進(jìn)行空間疊加評價，形成本底及狀態(tài)評價結(jié)果，通過科學(xué)設(shè)置分級標(biāo)準(zhǔn)，將承載本底劃分為高、較高、中、較低、低5個等級，完成承載本底評價；通過科學(xué)設(shè)置狀態(tài)閾值，將承載狀態(tài)劃分為超載、均 衡(臨界超載)、盈余(不超載)3 種狀態(tài)，完成承載狀態(tài)評價。地質(zhì)環(huán)境承載能力的綜合評價以承載本底和承載狀態(tài)評價結(jié)果為基礎(chǔ)，運(yùn)用ArcGIS空間疊加分析功能進(jìn)行定性評價[19-20]，根據(jù)(表2)判別矩陣，將地質(zhì)環(huán)境承載能力劃分為強(qiáng)、較強(qiáng)、中、較弱、弱5個等級。

表2 地質(zhì)環(huán)境承載能力等級

4 地質(zhì)環(huán)境承載能力評價結(jié)果

4.1 承載本底評價結(jié)果

區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境承載本底整體較高，承載本底高、較高區(qū)域面積占比為80.21%，由主要分布在研究區(qū)南部房村鎮(zhèn)、良莊鎮(zhèn)、天寶鎮(zhèn)，該區(qū)域?yàn)楸浪履嗍鳌r溶塌陷低易發(fā)區(qū)，構(gòu)造穩(wěn)定性較好(圖5)；承載本底中區(qū)域主要分布在徂徠山周邊及研究區(qū)西北區(qū)域，占研究區(qū)總面積的14.19%，該區(qū)域?qū)俦浪履嗍?、巖溶塌陷中易發(fā)區(qū)；承載本底較低區(qū)域分布在徂徠山附近及舊縣水源地區(qū)域，為崩塌滑坡泥石流、巖溶塌陷中高易發(fā)區(qū)，且構(gòu)造穩(wěn)定性較差，占研究區(qū)總面積的5.6%。

4.2 承載狀態(tài)評價結(jié)果

區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境承載狀態(tài)總體為均衡(臨界超載)—超載狀態(tài)，由圖6可知承載狀態(tài)均衡區(qū)在研究區(qū)分布比較分散，主要在研究區(qū)北部、東部、西部呈條帶狀分布，在中部零星分布，該區(qū)域主要為崩塌滑坡泥石流、巖溶塌陷中風(fēng)險區(qū)、低風(fēng)險區(qū)及淺層地下水水質(zhì)等級為Ⅱ級區(qū)域，占研究區(qū)總面積的38.6%；承載狀態(tài)超載區(qū)主要分布在徂徠山周邊以及研究區(qū)南部區(qū)域，該區(qū)域崩塌滑坡泥石流、巖溶塌陷高風(fēng)險區(qū)以及淺層地下水水質(zhì)等級為Ⅲ級區(qū)域，占研究區(qū)總面積的61.4%；研究區(qū)內(nèi)不存在盈余區(qū)域。

1—承載狀態(tài)均衡區(qū)；2—承載狀態(tài)超載區(qū)

4.3 承載能力綜合評價

根據(jù)本底評價等級和狀態(tài)評價結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)環(huán)境綜合承載能力評價矩陣，研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力評價結(jié)果由強(qiáng)到弱可分為5個區(qū)(圖7)：

1—承載能力強(qiáng)；2—承載能力較強(qiáng)；3—承載能力中等；4—承載能力較弱；5—承載能力弱；6—承載能力分區(qū)及編號

(1)地質(zhì)環(huán)境承載能力強(qiáng)區(qū)(Ⅰ)。分為3個亞區(qū)，分別為：泉河村-興龍莊村-南官莊村亞區(qū)(Ⅰ1)，朱家莊村-薛莊南村-山陽西村亞區(qū)(Ⅰ2)，研究區(qū)東部及東北部區(qū)域(Ⅰ3)。總面積為187.26km2，占研究區(qū)總面積的25.04%。該區(qū)域大部分為山間河谷沖積平原，局部為淺切割丘陵，地勢較為平坦，起伏變化不大；該區(qū)主要巖性以沖洪積的砂質(zhì)黏土、砂層為主；該區(qū)域崩塌滑坡泥石流以及巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害不易發(fā)，淺層地下水水質(zhì)等級為Ⅱ級，無地質(zhì)遺跡分布。

(2)地質(zhì)環(huán)境承載能力較強(qiáng)區(qū)(Ⅱ)。該區(qū)分布面積較大，主要分布在研究區(qū)南部，西部及東北部有零星分布，面積為319.50km2，占研究區(qū)總面積的42.72%。該區(qū)大部分為山間河谷沖積平原，局部為淺切割丘陵，地勢較為平坦；該區(qū)巖性以沖洪積的砂質(zhì)黏土、砂層為主；大部分處于崩塌滑坡泥石流的不易發(fā)區(qū)，局部處于崩塌滑坡泥石流的低易發(fā)區(qū)，處于巖溶塌陷不易發(fā)區(qū)，地下水水質(zhì)等級為Ⅲ級。

(3)地質(zhì)環(huán)境承載能力中等區(qū)(Ⅲ)。該區(qū)分為2個亞區(qū)，總面積為137.52km2，占研究區(qū)總面積的18.39%。

徂徠山周邊亞區(qū)(Ⅲ1)：該區(qū)為侵蝕構(gòu)造中度切割中山，所處地勢較高，地形坡度一般；該區(qū)巖性以花崗巖為主處于崩塌滑坡泥石流的中低易發(fā)區(qū)，巖溶塌陷處于不易發(fā)區(qū)，地下水水質(zhì)等級為Ⅲ級。

大汶河流域北段亞區(qū)(Ⅲ2):該區(qū)為山間河谷沖積平原，地勢較平坦；主要巖性以灰?guī)r為主，上覆第四系砂質(zhì)黏土該區(qū)崩塌滑坡泥石流易發(fā)性低，巖溶塌陷為中高易發(fā)性，地下水水質(zhì)等級Ⅱ級。

(4)地質(zhì)環(huán)境承載能力較弱區(qū)(Ⅳ)。該區(qū)分為3個亞區(qū)，總面積為76.28km2，占研究區(qū)總面積的10.2%，分別敘述如下：

舊縣水源地亞區(qū)(Ⅳ1)：該區(qū)為沖洪積平原，主要巖性為巖溶發(fā)育的灰?guī)r及白云巖，第四系覆蓋層厚度較薄，易產(chǎn)生巖溶塌陷為巖溶塌陷的高、中易發(fā)區(qū)，崩塌滑坡泥石流不易發(fā)，地下水水質(zhì)等級為Ⅱ級。

徂徠山西部亞區(qū)(Ⅳ2)：該區(qū)為侵蝕構(gòu)造中度切割中山，地勢較高，以花崗巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，易發(fā)生崩塌滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，崩塌滑坡泥石流易發(fā)程度中等，巖溶塌陷不易發(fā)，地下水水質(zhì)等級為Ⅱ級。

徂徠山南部亞區(qū)(Ⅳ3)：該區(qū)為侵蝕構(gòu)造中度切割中山，地勢較高，地形坡度較大，相對高差較大；巖性以花崗巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體易崩解成塊石、碎屑，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，形成大厚度的風(fēng)化殘積層，易發(fā)生崩塌滑坡泥石流巖溶塌陷處于不易發(fā)區(qū)，地下水水質(zhì)等級為Ⅲ級。

(5)地質(zhì)環(huán)境承載能力弱區(qū)(Ⅴ)。該區(qū)主要分布在徂徠山中部，面積為26.30km2，占研究區(qū)總面積的3.52%，該區(qū)為侵蝕構(gòu)造中度切割中山，地勢較高，地形坡度較大；巖性以花崗巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，在降雨或振動等外力作用下，易產(chǎn)生崩塌現(xiàn)象；為崩塌滑坡泥石流高易發(fā)區(qū)，巖溶塌陷不易發(fā)區(qū)，地下水水質(zhì)等級為Ⅱ級。

5 結(jié)論和建議

本文以泰安市高新區(qū)為研究對象，從地質(zhì)災(zāi)害、活動斷裂、水土環(huán)境、地質(zhì)遺跡等方面分別對地質(zhì)環(huán)境承載本底、承載狀態(tài)、承載能力3個方面進(jìn)行了評價，得出以下結(jié)論：

(1)以泰安市地質(zhì)環(huán)境特征為基礎(chǔ)，選取崩塌滑坡泥石流易發(fā)性、斷裂活動性、巖溶塌陷易發(fā)性、土壤質(zhì)量背景值、地質(zhì)遺跡類型5個本底評價因子，崩塌滑坡泥石流風(fēng)險性、巖溶塌陷風(fēng)險性、水土環(huán)境質(zhì)量等級、地質(zhì)公園空間分布4個狀態(tài)評價因子，共9個評價因子，構(gòu)建了承載力等級評價指標(biāo)體系。

(2)采用GIS空間分析技術(shù)和綜合指數(shù)模型對各個指標(biāo)進(jìn)行空間疊加分析，結(jié)果表明，研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力整體狀況較好，承載能力中等以上區(qū)域占研究區(qū)總面積的86.15%，承載能力較弱區(qū)域占10.2%，承載能力弱區(qū)僅占3.52%。

(3)通過綜合研究各評價因子的狀態(tài)分布對制約地質(zhì)環(huán)境承載能力的主要因素進(jìn)行分析可知：制約研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力弱的主要因素為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較多、淺層地下水水質(zhì)較差。因此，建議對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害治理、排除地質(zhì)災(zāi)害隱患，改善地質(zhì)環(huán)境；對地下水水質(zhì)較差區(qū)域，加大地下水污染的防治，進(jìn)行地下水污染修復(fù)治理，使地下水水質(zhì)得到改善，提高其地質(zhì)環(huán)境承載力。