基于GIS空间分析的地质环境承载能力评价——以泰安市高新区为例

李晓波，赵新卓，郄亮，李静

(1.山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000；2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

摘要：近年来由于人类活动强度超出当地的地质环境承载能力，破坏了人与自然的平衡，带来了一系列地质灾害、地下水污染等环境问题。为科学合理地分析泰安市高新区地质环境的承载能力，本文在分析研究区内地质灾害、构造稳定性、水土环境等地质环境特征基础上，构建了地质环境承载能力评价的5项本底因子和4项状态评价指标，采用 GIS 空间分析技术将各评价指标进行空间叠加，建立了评价矩阵，对高新区地质环境承载承载能力进行了评价研究。结果表明研究区地质环境承载能力整体状况较好，承载能力中等以上区占比86.15%，承载能力较弱区占比10.2%，承载能力弱占比3.52%。本研究成果为资源环境承载能力监测预警提供靶区，同时也为国土空间规划的编制提供依据。

0 引言

地质环境承载能力是指资源环境开发利用与工程建设过程中，在维护区域地质环境系统结构不破坏、功能不退化的前提下，地质环境稳定性和质量对社会经济发展的支撑保障能力[1-2]。近年来，随着社会经济的快速发展，矿产、石油、地下水等资源大量开采以及水库、水电站和道桥的修建等人类工程经济活动，造成了地质灾害频繁发生、生态环境恶化等问题，大大超出了地质环境承载能力，因此，开展地质环境承载能力评价对于区域安全生产、空间布局和生态文明建设具有重要意义[3-6]。

近年来，国内外地质环境承载能力研究在评价技术方法、评价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质指标体系的构建思路、构建步骤，为地质环境承载能力评价指标的创建、完善和应用指明了方向；魏路、李小磊、秦先燕等[8-13]分别基于GIS技术对不同区域的地质环境承载能力评价方法进行了研究；杨乐、丁赞等[14-15]采用层次分析法与GIS耦合模型的分析方法对研究区进行地质环境承载力的研究，综合多种因素使评价结果更加准确、可信，以上这些研究进展为本文的研究提供了参考借鉴。

泰安市高新区是国家级高新区，近年来由于人类工程经济活动的影响，地质灾害频发、水土污染日趋严重，严重制约了当地社会经济的可持续发展，急需开展地质环境承载力评价[16]。本文以泰安市高新区为例，通过分析该区域的地质环境特点，建立了符合研究区的地质环境承载能力评价指标体系，利用GIS空间分析对高新区地质环境承载能力进行评价。

1 研究区概况

泰安市高新区位于山东省泰安市中部，南依宁阳县，北部及东北部分别与泰山区、岱岳区接壤，东与新泰市毗邻，西与岱岳区相接，全区面积748km2。该区属暖温带季风大陆性气候，四季分明，地表水系发育，有大汶河，柴汶河，山阳水库和彩山水库等。研究区地处鲁中山区西北部，地势以徂徕山为最高点，向四周地势逐渐降低，区内地貌按成因类型可分为侵蚀构造中度切割中山、剥蚀、溶蚀浅切割丘陵、山间河谷冲洪积平原，地形起伏较大。研究区位于华北板块(Ⅰ)、鲁西隆起区(Ⅱ)、鲁中隆起区(Ⅲ)的中部，新甫山-莱芜断隆(Ⅳ)的新甫山凸起区(Ⅴ)，区内基底褶皱运动强烈，形成徂徕山复式背斜，盖层构造以系列弧形断裂、NNW 向及近 EW 向断裂为主(图1)。

2 地质环境特征

2.1 地质灾害

研究区地形、地貌、地层岩性、地质构造及人类工程活动等条件是造成区内地质灾害发育类型的主要因素，而上述因素与气象、水文、岩体风化、植被等因素耦合，共同制约着区内地质灾害的发育规模与发育程度。据泰安市1∶5万地质灾害调查报告，研究区内崩塌滑坡泥石流共发育20处，其中滑坡隐患1处、崩塌隐患10处、泥石流隐患9处、岩溶塌陷隐患2处，规模等级均为小型(图2)。

1—崩塌；2—滑坡；3—泥石流；4—岩溶塌陷；5—地表水系

2.2 构造稳定性

影响构造稳定性主要参数包括地震动峰值加速度和断裂活动性。根据中国地震动参数区划图(GB18306—2015)，研究区内地震动峰值加速度为0.10g，相当于地震基本烈度Ⅶ度，属于建筑抗震危险地段，即属于Ⅱ级次稳定区，所以只需考虑断裂活动性这一评价指标，区内发育活动断裂3条，分别为岱道庵断裂、桥沟断裂和徂徕山断裂。

2.3 岩溶塌陷

由于过量开采岩溶水，研究区内岩溶塌陷较为发育，主要见于旧县水源地周边。其中低易发区占研究区总面积的92.02%，中易发区占比为6.01%，高易发区占比为1.97%(图3)。

1—岩溶塌陷高易发区；2—岩溶塌陷中易发区；3—岩溶塌陷不易发区

在岩溶塌陷危险性和易损性分项测算的基础上，集成岩溶塌陷危险性和易损性评价，通过综合分析岩溶塌陷易发程度、危害程度和发育程度，形成风险性综合评价结果，研究区不存在岩溶塌陷高风险区，中风险区在旧县水源地附近，面积占比为7.98%，其他区域均为低风险区。

2.4 水土环境

研究区前期地下水水质监测数据相对匮乏，本次研究暂不考虑浅层地下水背景值影响，仅考虑浅层地下水水质的影响。根据泰安市1∶5万地下水污染调查成果，按照《国土资源环境承载能力评价技术要求(试行)》中浅层地下水水质等级标准，研究区不存在Ⅰ级水，Ⅱ级水占比为57.64%，Ⅲ级水占比为42.36%。按照土壤环境地球化学等级标准(DZ/T0265—2016)，研究区土壤质量等级主要为Ⅰ级(图4)。

1—孔隙水Ⅱ级水；2—孔隙水Ⅲ级水；3—裂隙水Ⅱ级水；4—裂隙水Ⅲ级水

2.5 地质遗迹和地质公园

研究区有龙湾省级地质公园，可直接圈划出地质公园空间分布范围，其主要分布在徂徕山中部，其中一级保护区面积7.9km2，二级保护区面积1.1km2，三级保护区面积3.5km2。

3 地质环境承载能力评价方法

3.1 数据来源

研究区崩塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷等地质灾害数据主要基于泰安市1∶5万地质灾害调查项目成果以及泰安市旧县地区岩溶塌陷地质灾害调查与评价项目成果；水土环境质量数据主要基于泰安市1∶5万地下水污染调查项目成果；地质公园数据主要基于泰安市生态保护红线划定项目成果；并对搜集的资料根据实际踏勘情况进行相应的更新、修改，以满足评价需要。

3.2 评价指标体系构建

根据《国土资源环境承载能力评价技术要求(试行)》，从本底和状态2个角度评价地质环境承载能力。其中，承载本底为长期稳定的因子反映资源禀赋与环境容量的优劣程度；承载状态则为动态变化因子反映人类对地质环境开发、利用和改造的结果。

本文在综合分析研究区地质环境背景条件、地质环境特征及地质环境现状资料的基础上，以科学性、协调性、差异性、层次性、动态性和可行性为指导原则，选取地质灾害、构造稳定性、水土环境质量等级、地质遗迹4个方面构建研究区地质环境承载能力评价指标体系。其中，突发性地质灾害、主要活动断裂、地质遗迹为国土空间开发的较强限制性因子；研究区内浅层地下水水质较差，为国土空间开发的不利因子。

本文基于研究区国土功能定位和地质环境特征，以区内主要地质环境问题为导向，选取本底评价指标为5项，状态评价指标4项，建立研究区地质环境承载能力评价指标体系，并对评价指标进行等级划分[17-18](表1)(1)山东省第五地质矿产勘查院,山东省泰安市岱岳区1∶5万地质灾害调查报告,2012年。。

表1 地质环境承载能力评价指标体系

3.3 评价过程

对选取的本底及状态评价因子，基于ArcGIS网格剖分功能，对各评价因子进行1km×1km网格划分，共计划分为140个评价单元。通过综合指数模型定性对各个评价因子进行空间叠加评价，形成本底及状态评价结果，通过科学设置分级标准，将承载本底划分为高、较高、中、较低、低5个等级，完成承载本底评价；通过科学设置状态阈值，将承载状态划分为超载、均 衡(临界超载)、盈余(不超载)3 种状态，完成承载状态评价。地质环境承载能力的综合评价以承载本底和承载状态评价结果为基础，运用ArcGIS空间叠加分析功能进行定性评价[19-20]，根据(表2)判别矩阵，将地质环境承载能力划分为强、较强、中、较弱、弱5个等级。

表2 地质环境承载能力等级

4 地质环境承载能力评价结果

4.1 承载本底评价结果

区内地质环境承载本底整体较高，承载本底高、较高区域面积占比为80.21%，由主要分布在研究区南部房村镇、良庄镇、天宝镇，该区域为崩塌滑坡泥石流、岩溶塌陷低易发区，构造稳定性较好(图5)；承载本底中区域主要分布在徂徕山周边及研究区西北区域，占研究区总面积的14.19%，该区域属崩塌滑坡泥石流、岩溶塌陷中易发区；承载本底较低区域分布在徂徕山附近及旧县水源地区域，为崩塌滑坡泥石流、岩溶塌陷中高易发区，且构造稳定性较差，占研究区总面积的5.6%。

4.2 承载状态评价结果

区内地质环境承载状态总体为均衡(临界超载)—超载状态，由图6可知承载状态均衡区在研究区分布比较分散，主要在研究区北部、东部、西部呈条带状分布，在中部零星分布，该区域主要为崩塌滑坡泥石流、岩溶塌陷中风险区、低风险区及浅层地下水水质等级为Ⅱ级区域，占研究区总面积的38.6%；承载状态超载区主要分布在徂徕山周边以及研究区南部区域，该区域崩塌滑坡泥石流、岩溶塌陷高风险区以及浅层地下水水质等级为Ⅲ级区域，占研究区总面积的61.4%；研究区内不存在盈余区域。

1—承载状态均衡区；2—承载状态超载区

4.3 承载能力综合评价

根据本底评价等级和状态评价结果，结合地质环境综合承载能力评价矩阵，研究区地质环境承载能力评价结果由强到弱可分为5个区(图7)：

1—承载能力强；2—承载能力较强；3—承载能力中等；4—承载能力较弱；5—承载能力弱；6—承载能力分区及编号

(1)地质环境承载能力强区(Ⅰ)。分为3个亚区，分别为：泉河村-兴龙庄村-南官庄村亚区(Ⅰ1)，朱家庄村-薛庄南村-山阳西村亚区(Ⅰ2)，研究区东部及东北部区域(Ⅰ3)。总面积为187.26km2，占研究区总面积的25.04%。该区域大部分为山间河谷冲积平原，局部为浅切割丘陵，地势较为平坦，起伏变化不大；该区主要岩性以冲洪积的砂质黏土、砂层为主；该区域崩塌滑坡泥石流以及岩溶塌陷等地质灾害不易发，浅层地下水水质等级为Ⅱ级，无地质遗迹分布。

(2)地质环境承载能力较强区(Ⅱ)。该区分布面积较大，主要分布在研究区南部，西部及东北部有零星分布，面积为319.50km2，占研究区总面积的42.72%。该区大部分为山间河谷冲积平原，局部为浅切割丘陵，地势较为平坦；该区岩性以冲洪积的砂质黏土、砂层为主；大部分处于崩塌滑坡泥石流的不易发区，局部处于崩塌滑坡泥石流的低易发区，处于岩溶塌陷不易发区，地下水水质等级为Ⅲ级。

(3)地质环境承载能力中等区(Ⅲ)。该区分为2个亚区，总面积为137.52km2，占研究区总面积的18.39%。

徂徕山周边亚区(Ⅲ1)：该区为侵蚀构造中度切割中山，所处地势较高，地形坡度一般；该区岩性以花岗岩为主处于崩塌滑坡泥石流的中低易发区，岩溶塌陷处于不易发区，地下水水质等级为Ⅲ级。

大汶河流域北段亚区(Ⅲ2):该区为山间河谷冲积平原，地势较平坦；主要岩性以灰岩为主，上覆第四系砂质黏土该区崩塌滑坡泥石流易发性低，岩溶塌陷为中高易发性，地下水水质等级Ⅱ级。

(4)地质环境承载能力较弱区(Ⅳ)。该区分为3个亚区，总面积为76.28km2，占研究区总面积的10.2%，分别叙述如下：

旧县水源地亚区(Ⅳ1)：该区为冲洪积平原，主要岩性为岩溶发育的灰岩及白云岩，第四系覆盖层厚度较薄，易产生岩溶塌陷为岩溶塌陷的高、中易发区，崩塌滑坡泥石流不易发，地下水水质等级为Ⅱ级。

徂徕山西部亚区(Ⅳ2)：该区为侵蚀构造中度切割中山，地势较高，以花岗岩为主，节理裂隙较发育，易发生崩塌滑坡泥石流等地质灾害，崩塌滑坡泥石流易发程度中等，岩溶塌陷不易发，地下水水质等级为Ⅱ级。

徂徕山南部亚区(Ⅳ3)：该区为侵蚀构造中度切割中山，地势较高，地形坡度较大，相对高差较大；岩性以花岗岩为主，节理裂隙较发育，岩体易崩解成块石、碎屑，结构稳定性差，形成大厚度的风化残积层，易发生崩塌滑坡泥石流岩溶塌陷处于不易发区，地下水水质等级为Ⅲ级。

(5)地质环境承载能力弱区(Ⅴ)。该区主要分布在徂徕山中部，面积为26.30km2，占研究区总面积的3.52%，该区为侵蚀构造中度切割中山，地势较高，地形坡度较大；岩性以花岗岩为主，节理裂隙发育，在降雨或振动等外力作用下，易产生崩塌现象；为崩塌滑坡泥石流高易发区，岩溶塌陷不易发区，地下水水质等级为Ⅱ级。

5 结论和建议

本文以泰安市高新区为研究对象，从地质灾害、活动断裂、水土环境、地质遗迹等方面分别对地质环境承载本底、承载状态、承载能力3个方面进行了评价，得出以下结论：

(1)以泰安市地质环境特征为基础，选取崩塌滑坡泥石流易发性、断裂活动性、岩溶塌陷易发性、土壤质量背景值、地质遗迹类型5个本底评价因子，崩塌滑坡泥石流风险性、岩溶塌陷风险性、水土环境质量等级、地质公园空间分布4个状态评价因子，共9个评价因子，构建了承载力等级评价指标体系。

(2)采用GIS空间分析技术和综合指数模型对各个指标进行空间叠加分析，结果表明，研究区地质环境承载能力整体状况较好，承载能力中等以上区域占研究区总面积的86.15%，承载能力较弱区域占10.2%，承载能力弱区仅占3.52%。

(3)通过综合研究各评价因子的状态分布对制约地质环境承载能力的主要因素进行分析可知：制约研究区地质环境承载能力弱的主要因素为地质灾害发育较多、浅层地下水水质较差。因此，建议对地质灾害易发区进行地质灾害治理、排除地质灾害隐患，改善地质环境；对地下水水质较差区域，加大地下水污染的防治，进行地下水污染修复治理，使地下水水质得到改善，提高其地质环境承载力。