基于gis的昆明盆地地質(zhì)環(huán)境承載力分級研究

基于gis的昆明盆地地質(zhì)環(huán)境承載力分級研究

環(huán)境承擔(dān)能力是指環(huán)境系統(tǒng)支持人類社會(huì)發(fā)展活動(dòng)的能力。地質(zhì)環(huán)境承載力是環(huán)境承載力的重要組成部分,是指地質(zhì)環(huán)境條件,包括地質(zhì)基礎(chǔ)條件和災(zāi)害易發(fā)性等,對人類社會(huì)發(fā)展活動(dòng)的支持能力。城市地質(zhì)環(huán)境承載力分析,是從地質(zhì)環(huán)境條件的角度,分析適宜城市發(fā)展的區(qū)域、發(fā)展規(guī)模,及發(fā)展水平。倪師軍等從城市地質(zhì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)方面進(jìn)行了指標(biāo)體系的研究,認(rèn)為城市地質(zhì)環(huán)境評價(jià)應(yīng)由三級指標(biāo)體系組成。本研究參考該評價(jià)指標(biāo)體系的同時(shí),結(jié)合研究區(qū)域的地質(zhì)特征,對其第三級指標(biāo)體系進(jìn)行了擴(kuò)展,除地質(zhì)基礎(chǔ)條件及活動(dòng)斷裂、地震、滑坡和泥石流等常見地質(zhì)災(zāi)害外,還考慮了城市地質(zhì)建筑材料、軟土等要素。地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem,簡稱GIS)是一門以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),并具有強(qiáng)大空間分析功能的計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)。選擇GIS作為地質(zhì)環(huán)境承載力分析的工具,具有存儲(chǔ)、顯示和處理圖像快捷的特點(diǎn)。同時(shí),利用其強(qiáng)大的空間分析功能,實(shí)現(xiàn)多地質(zhì)要素層控制下的城市地質(zhì)環(huán)境條件疊置分析,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的區(qū)域分級。昆明市坐落在昆明盆地之中,是云南省經(jīng)濟(jì)、政治、文化中心,是連接?xùn)|南亞和南亞的門戶城市。昆明盆地又是位于中國南北構(gòu)造帶南端的一個(gè)構(gòu)造盆地,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,湖泊地貌分布廣泛,地基軟弱的特點(diǎn)突出。因此,昆明城市如要健康地發(fā)展,有必要對其進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境承載力方面的分析。本研究對昆明盆地內(nèi)等高線在2000m以下區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境評價(jià)與分析,研究城市發(fā)展的有利地質(zhì)條件與不利地質(zhì)條件,并選擇GIS軟件ArcView,利用其空間疊置技術(shù),對地質(zhì)條件控制下的市域區(qū)和規(guī)劃區(qū)新建、擴(kuò)建區(qū)域進(jìn)行了分級。本次分析的數(shù)據(jù)來源為:1∶5萬的昆明盆地地形圖、1∶5萬的昆明盆地水文地質(zhì)圖、昆明盆地軟土分布工程勘查圖、區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(昆明幅),及其它輔助資料。1地質(zhì)及地貌特征昆明盆地在大地構(gòu)造上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)康滇古隆起東緣,處在滇中經(jīng)向構(gòu)造體系與緯向構(gòu)造體系交匯部位,夾持于川滇經(jīng)向構(gòu)造帶的普渡河斷裂與小江斷裂之間。南北向構(gòu)造為區(qū)內(nèi)的主控構(gòu)造,對本地區(qū)的地層、構(gòu)造發(fā)育、地貌形態(tài)特征的分布等起著重要的控制性作用。東西向構(gòu)造次之,褶皺不發(fā)育,多被斷裂破壞成斷塊狀,各斷塊為傾向各異的單斜層。昆明盆地基底主要由早古生代地層構(gòu)成,盆地邊緣則由元古界昆陽群至第三系始新統(tǒng)路美邑組組成。盆地西側(cè)出露震旦系,其上疊置有東西向的晚三疊紀(jì)到白堊紀(jì)的中生代坳陷。盆地北部出露由古生代地層組成的褶皺構(gòu)造,褶皺軸向近南北,其上還疊置有同方向的中生代坳陷。盆地東緣出露北東走向的古生代地層,其上疊置有同方向展布的晚三疊世到侏羅紀(jì)坳陷。盆地南緣為晚新生代沉積,蓋于南北向分布的昆陽群至路美邑組地層之上。昆明盆地以湖泊地貌為主,其它還有巖溶地貌、侵蝕地貌、侵蝕溶蝕地貌等(圖1)。湖泊地貌分為第三紀(jì)湖積地貌及第四紀(jì)沖湖積地貌,為評價(jià)區(qū)域的主要地貌。大板橋以南上甸、三十畝以及圓通山、五華山等地為巖溶地貌,呈貢以東寶象河水庫周圍為侵蝕地貌,梁王山、西山、大板橋-日昨云一帶為侵蝕溶蝕地貌。其它區(qū)域均屬于湖泊地貌。2影響昆明城市發(fā)展的主要地質(zhì)因素2.1斷裂構(gòu)造及構(gòu)造本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)復(fù)雜。活動(dòng)強(qiáng)烈的南北、東西向控制大斷裂,將區(qū)域分割成塊狀。盆地內(nèi),除東側(cè)有著名的深大斷裂——小江斷裂以外,第三紀(jì)、第四紀(jì)沉積層之下隱伏有多條與斷陷盆地形成有關(guān)的斷裂(圖2),自西向東有:NS向的普渡河-西山斷裂、普吉-韓家村斷裂、蛇山斷裂、黑龍?zhí)?官渡斷裂、盤龍江斷裂、白邑-橫沖斷裂,NEE、EW向的車家壁-大樹營斷裂、NW向富民-呈貢斷裂和NE向大春河斷裂。普渡河—西山斷裂控制西緣,白邑—橫沖斷裂位于盆地的東緣。昆明東邊的小江斷裂北起東川,經(jīng)尋甸、嵩明、宜良后延出昆明轄區(qū),在本研究區(qū)內(nèi)分為東西兩支。小江斷裂地震帶是知名的強(qiáng)震活斷裂,但距離昆明主城區(qū)相對較遠(yuǎn)。無論大的控制性斷裂或次一級斷裂的節(jié)理裂隙系統(tǒng),對各類工程,特別是大的水利工程、鐵路工程都有直接影響。例如在成昆鐵路施工中,為了繞避斷裂,多次架橋跨河。因此,斷裂構(gòu)造對城市發(fā)展的影響較大,一方面,影響通往昆明的鐵路、公路、引水管道等工程,另一方面影響建筑安全。2.2工程地質(zhì)分析這里的軟土是指晚更新世以來形成的埋深約在30m范圍內(nèi)的軟土。按沉積規(guī)律,昆明盆地淺層軟土分為湖相沉積、沼澤沉積、河灘相沉積等三大類型。其中,分布最為廣泛的是湖相沉積軟土,它是晚更新世以來,湖面在縮小的過程中形成的湖相堆積物。湖相沉積軟土堆積范圍主要集中在昆明馬街—梁家河—小板橋—呈貢—晉城—晉寧一線向滇池一側(cè)的廣大區(qū)域。其頂板埋深一般在0～10m,層厚3～5m,呈層狀展布,局部地段呈夾層或透鏡狀,屬裸露-埋藏型軟弱土體。這類軟土有機(jī)質(zhì)含量極高,植物殘?bào)w大量保存,有機(jī)物纖維大于15%,總腐植酸大于30%,呈軟-流塑狀,松軟欠固結(jié)。沼澤沉積軟土是形成于上述湖相沉積區(qū)以外的濱湖地區(qū)及一些低凹沼澤濕地,這類軟土主要零散地分布于昆明市西北及北區(qū),另外,在昆明西北部海源寺及中部的翠湖等地也有,分布面積相對較小。河灘沉積軟土分布在河流的周圍地區(qū),例如盤龍江周邊,但這類軟土的分布范圍也相對較小。軟土區(qū)在工程地質(zhì)上的危害性表現(xiàn)為強(qiáng)度低、承載力小,靈敏度高、壓縮性高、易變形,嚴(yán)重影響建筑物的地基穩(wěn)定性。而其成因復(fù)雜,分布很不穩(wěn)定的特點(diǎn),使得其工程地質(zhì)性質(zhì)更為特殊。因此,軟土是影響昆明城市發(fā)展的最嚴(yán)重要素之一。2.3基巖結(jié)構(gòu)及變形昆明盆地的巖溶地貌主要分在西山、?？?、大板橋附近的南上甸和三十畝、梁王山、圓通山,黑龍?zhí)段鞫说鹊?圖3)。對主城區(qū)工程建設(shè)有影響的主要是后四個(gè)地方的巖溶地貌。巖溶區(qū)地層主要為二疊系下統(tǒng)的棲霞組和茅口組地層(P1q+m),巖性主要為灰色、灰白色,及灰黑色中厚層塊狀灰?guī)r,或虎斑狀白云質(zhì)灰?guī)r。石炭系的部分地層也發(fā)育有巖溶地貌,或是巖溶的潛在發(fā)育區(qū)(圖3),巖性為淺灰色、灰白色厚層塊狀灰?guī)r。巖溶影響地基的穩(wěn)定性,表現(xiàn)為:溶洞頂板易坍塌,使地基下沉;溶洞、溶槽、石芽、漏斗等巖溶形態(tài)造成基巖面起伏較大,使地基不均勻下沉;同時(shí),巖溶地區(qū)較復(fù)雜的水文地質(zhì)條件,易產(chǎn)生新的工程地質(zhì)問題,造成地基惡化。2.4影響筑筑質(zhì)量的因素絕大多數(shù)建筑物都需要天然建筑材料,如土料、砂、碎石塊、石料等,因此保證足夠的符合質(zhì)量要求的建筑材料,對建筑的穩(wěn)定、質(zhì)量和造價(jià)都有決定性作用。昆明主城周邊天然建筑材料豐富,如周邊區(qū)域分布的N2地層中的粘土可作耐火材料,陡山沱組的沙巖等可作砂石料,泥盆石炭二疊系的灰?guī)r、昆陽群的大龍口組灰?guī)r均可作石料,質(zhì)純的可作水泥石灰的原料。附近各大河流中的粗、中、細(xì)砂,可作為砂料。因此,豐富的天然建筑材料對昆明城市的發(fā)展是有利的。2.5破壞烈度及破壞作用昆明盆地內(nèi),自有地震歷史記錄的1600年至今,共發(fā)生過6次5級以上的地震(表1),其破壞烈度在6～7度,最大震級為5.7級,推測其罕遇地震危險(xiǎn)可能達(dá)6級左右,破壞烈度最大可能為8度左右,即與1833年楊林8級地震(距昆明盆地4公里左右)對昆明造成的破壞烈度大致相當(dāng),目前通常以該烈度作為昆明抗震設(shè)防烈度參照。但根據(jù)地震監(jiān)測情況和地震專家分析,在昆明市區(qū)不會(huì)發(fā)生6級以上破壞性地震。地震的破壞作用是使地表突發(fā)破裂及錯(cuò)動(dòng)位移,地基液化、失效,建筑物錯(cuò)位、撕裂、傾伏;以及地震波振動(dòng)作用對建筑物的破壞,如房屋倒塌、橋梁斷落、鐵軌變形等;另外,還會(huì)引起城市周圍山體崩塌、滑坡等。除了直接破壞效應(yīng)外,還會(huì)引發(fā)火災(zāi)、洪水、瘟疫等次生災(zāi)害效應(yīng)。2.6不同因素之間的關(guān)系2.6.1普渡河及發(fā)揮深化活動(dòng)是引發(fā)地震的主要原因昆明盆地挾持于普渡河-西山斷裂地震帶與小江斷裂地震帶之間,盆地內(nèi)地震的發(fā)生與斷裂活動(dòng)息息相關(guān)。例如呈貢分別于1600年和1937年發(fā)生的5.3級、5級地震的震中都位于富民-呈貢斷裂帶上;官渡1696年的5.7級地震的震中發(fā)生在黑龍?zhí)?官渡斷裂帶上;1943年的車家避5級地震的震中位于普渡河-西山斷裂帶上。在諸多斷裂中,普渡河-西山斷裂是昆明盆地西緣最重要的控制性斷裂,其破碎帶寬達(dá)數(shù)百米,深度達(dá)25km以上。據(jù)歷史資料的考證,自公元1332年以來,沿該斷裂帶發(fā)生5級以上的地震(包括昆明盆地以外)共18次。一方面,盆地內(nèi)斷裂的活動(dòng)是引發(fā)地震的主要原因;但另一方面,地震的發(fā)生也常常引起斷裂的位移和蠕動(dòng)。2.6.2土層厚度對斷裂斷裂作用的影響一方面,當(dāng)軟土覆蓋達(dá)到一定厚度時(shí),對活動(dòng)斷裂的剪切破壞具有屏蔽作用。根據(jù)有關(guān)研究認(rèn)為,土質(zhì)越松軟,其塑性變形率越大;土層厚度越大,其變形加權(quán)值就越大,對活動(dòng)斷裂剪切破壞的屏蔽作用就越強(qiáng)。因此,軟土可以減弱斷裂對建筑的剪切破壞作用。但另一方面,軟土對低頻地震波具有放大作用,這種放大作用能增大高層建筑的振動(dòng)幅度,增強(qiáng)對建筑結(jié)構(gòu)的破壞作用。2.6.3巖溶對工程的價(jià)值一方面,巖溶是一種不良地質(zhì)現(xiàn)象,分布在盆地內(nèi)部,給工程的施工帶來很大的難度;另一方面,分布在昆明盆地周邊的巖溶,卻給城市建設(shè)帶來了豐富的建筑材料。巖溶區(qū)的巖石可以作為石料使用,灰質(zhì)純的還可以可作水泥石灰的原料。但總的說來,巖溶給工程帶來的造價(jià),遠(yuǎn)大于其建筑材料的價(jià)值。綜合以上,影響昆明城市發(fā)展的各地質(zhì)條件因素及其影響程度概括如表2所示。3基于gis和地質(zhì)環(huán)境的城市發(fā)展分類和評價(jià)3.1分析流程3.1.1評價(jià)單元的確定根據(jù)上述分析,影響昆明城市發(fā)展環(huán)境承載力的主要地質(zhì)要素是地形、構(gòu)造(主要是斷裂)、軟土、巖溶、天然建材、地震等,需要分別建立這些要素的圖層。首先進(jìn)行矢量化操作。將所有圖形,包括地形圖、水文地質(zhì)圖、軟土分布圖等,進(jìn)行矢量化操作。經(jīng)過地圖掃描、配準(zhǔn)、屏幕跟蹤矢量化、屬性賦值等一系列操作,完成圖件的基本矢量化工作。其次是要素層的提取。在建立好的矢量文件庫中,提取參加本次城市發(fā)展分級的地質(zhì)要素,如斷裂、軟土、巖溶等,分別建立各要素的圖層。第三步是劃分柵格單元,也即建立評價(jià)單元。本次研究根據(jù)區(qū)域特點(diǎn),選擇單元格大小為100m×100m。3.1.2要素權(quán)重的重根據(jù)參加分析的要素分單元格進(jìn)行打分,有利城市發(fā)展的要素為正分,反之為負(fù)分(據(jù)表2),無要素分布的值為0。各地質(zhì)要素的權(quán)重根據(jù)其影響程度(表2)確定,例如地形為3,斷裂為-2。本次研究,由于地震、建材、地形等要素在區(qū)域內(nèi)變化不大,因此這些要素層的各單元格分值一致,可以統(tǒng)一賦值。對于斷裂、巖溶、軟土等要素,本次研究為了簡化起見,只根據(jù)單元內(nèi)是否存在進(jìn)行打分,要素不區(qū)分強(qiáng)弱。例如在軟土要素圖層中,有軟土分布的區(qū)域即為-3,無軟土分布的區(qū)域即為0,對軟土的深淺不加區(qū)分。3.1.3擴(kuò)展模塊的實(shí)現(xiàn)該研究選用ArcView3.2軟件進(jìn)行。借用ArcView的“SpatialAnalysis”擴(kuò)展模塊進(jìn)行該操作(詳細(xì)方法參見文獻(xiàn))。將上述所有要素層進(jìn)行疊置分析,疊置后各柵格單元的分值為各要素層的綜合分,即各要素的累計(jì)加分。得到地質(zhì)要素的綜合評分圖,將其作為地質(zhì)承載力的依據(jù),也即城市發(fā)展分級的依據(jù)。3.2iii類區(qū)地面質(zhì)分區(qū)研究得出,區(qū)域內(nèi)所有單元的綜合評分值介于1～9之間,根據(jù)分值由高至低平均分段,將昆明市市域區(qū)和規(guī)劃區(qū)分為三個(gè)等級區(qū)域,即:I類適宜建設(shè)區(qū)(圖4的I區(qū),總評分>6)、II類適度控制建設(shè)區(qū)(圖4的II區(qū),4≤總評分≤6)、Ⅲ類中度控制建設(shè)區(qū)(圖4的Ⅲ區(qū),1≤總評分≤3)。I類區(qū)既無軟土層的分布,也無巖溶分布,斷裂相對較少,對建筑工程非常有利,因此是城市發(fā)展的最佳區(qū)域;II類區(qū)分布在規(guī)劃區(qū)的邊部,基本無軟土分布,斷裂也相對較少,但是巖溶分布廣泛,因此要適度控制工程的建設(shè);Ⅲ類區(qū)域靠近滇池,無巖溶分布,卻是軟土分布廣泛的區(qū)域,并且斷裂分布相對集中,此區(qū)域工程難度大,因此屬于中度控制建設(shè)區(qū)域。3.3軟土層的分布綜合研究認(rèn)為,在昆明盆地內(nèi)不存在嚴(yán)格控制的建設(shè)區(qū)(總評分<0)?？偟膩碚f,三個(gè)區(qū)域內(nèi),對昆明城市發(fā)展的有利地質(zhì)因素是平坦地形、周邊豐富的天然建筑材料等,不利因素是靠近滇池湖的廣大陸地區(qū)域的軟土地層的分布、區(qū)域處于地震帶上、眾多的活動(dòng)斷裂,及部分巖溶地貌的分布。其中,軟土層的廣泛分布最為突出?；隆⒈浪?、倒石堆,危石、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害在評價(jià)區(qū)域內(nèi)基本上沒有發(fā)生的可能,但是在周邊的山地還是偶有發(fā)生,影響通往昆明城市的公路、鐵路、輸水管道等工程,間接地影響城市的發(fā)展。3.4工程地質(zhì)問題對于I類區(qū)域,該區(qū)為工程地質(zhì)條件相對較好區(qū),區(qū)內(nèi)基本無不良地質(zhì)現(xiàn)象,地基承載力相對較高,工程上無需采取過多防范措施,區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)工程造價(jià)相對較為經(jīng)濟(jì)。該區(qū)的規(guī)劃建議:為適宜建設(shè)區(qū),可以加大規(guī)劃力度。對于II類區(qū)域,區(qū)內(nèi)主要工程地質(zhì)問題是巖溶廣泛分布。對于巖溶分布區(qū)應(yīng)采用挖填、跨蓋、灌注和排導(dǎo)等工程措施。規(guī)劃建議:巖溶區(qū)地基承載力較好,可以規(guī)劃規(guī)模大、載重大、重要性高的建(構(gòu))筑物,但在基礎(chǔ)施工前要充分查明溶洞的發(fā)育情況,并做好相應(yīng)的處理措施,因此會(huì)增加基礎(chǔ)投入成本。對于Ⅲ類區(qū)域,區(qū)內(nèi)主要工程地質(zhì)問題是軟土問題。該區(qū)應(yīng)采取的主要工程措施為:(1)采用深層攪拌、高壓旋噴等進(jìn)行地基土加固處理;(2)采用以摩擦為主的樁型作建筑物地基基礎(chǔ)。該區(qū)規(guī)劃建議:控制規(guī)劃高層建筑及載重大的建(構(gòu))筑物,對區(qū)域內(nèi)擬建建(構(gòu))筑物,必須加強(qiáng)軟土處理措施,并實(shí)施