地质环境质量评价的基本类型

地质环境质量评价的基本类型

随着人口的快速增长、经济的快速发展和自然资源的大量消耗，不仅会导致环境和生态环境的恶化，还会导致频繁发生自然灾害（包括自然灾害）。人类生存的环境质量恶化，环境问题在社会和经济发展中的制约作用也变得越来越明显。为此,1992年6月联合国在巴西召开了世界环境与发展大会,制定了《21世纪议程》,提出了在发展经济的过程中保护全球环境的目标,旨在通过国际社会的一致行动,遏制全球环境恶化的趋势,协调环境与发展的关系。我国是世界上地质灾害最为严重的国家之一,地质灾害具有类型多、分布广和成灾强度高的特点。这些地质灾害大部分发生在承载能力较低的地区,给当地的经济发展和社会稳定构成了严重的威胁。地质灾害是地质环境质量低劣的表现,它的频发不仅反映了自然地质环境的脆弱性,而且反映了人类工程经济活动与地质环境之间矛盾的激化。要使人类工程经济活动与地质环境之间保持较为协调的关系,就必须对地质环境质量现状进行评价,以了解不同经济发展过程中区域地质环境的基本态势和变化趋势,为环境管理和城市规划等提供依据。1地质环境系统及其评价体系1.1对地质环境的影响地球表面的自然环境是人类赖以生存和发展的物质基础。它主要包括气候环境、水环境、地质环境、生态环境。地质环境是自然环境系统中影响人类生存与发展最重要的组成部分,它由地层、岩石、地质构造、地貌和地质资源以及人类社会等5个子系统构成,其上限是岩石圈表层与大气圈、水圈、生物圈和人类相互作用的界面,其下限是人类工程经济活动和地质环境相互作用、相互影响的最大深度。地质环境系统与自然环境系统相互影响,同时又受到人类活动的影响,并通过人类工程经济活动与社会经济系统发生联系。特定地质环境中的人群为生存与发展所进行的一切人为活动,必将受到地质环境的制约,同时也对地质环境产生一定的影响,使之出现多方面的不平衡,进而改变地质环境质量。一但地质环境质量的改变超出了其容量,将使地质环境发生变异并产生地质环境问题。按地质环境质量变化的性质,地质环境问题大致可分为化学的和物理的两类。化学的地质环境问题是指地质环境质量的变化是化学变化过程,主要表现为其中某些地质环境要素化学组成的变化;物理地质环境问题是指地质环境质量的变化是物理变化过程,表现为其中某些地质环境要素物理结构和状态的变化。其中,与原生地质环境不良有关所引起的物理地质环境问题主要包括地震、火山、崩塌、滑坡、泥石流、水土流失、地裂缝、地面塌陷、地面沉降等地质灾害。一般而言,地质环境质量的物理变化较化学变化来得更为迅速和直接,对社会经济的影响程度更为深远。1.2地质环境质量评价的主要类型由于地质环境是对特定的人类工程经济活动作出响应的地质环境的有机整体。从这种意义上看,地质环境具有自然和社会双重属性。因此,从自然和社会两个层面上考察,地质环境质量评价可大致分为基于自然属性的地质环境质量评价和基于社会属性的地质环境质量评价两大类。基于自然属性的地质环境质量评价大致有单灾种危险性评价、多灾种危险性综合评价、区域稳定性(包括地壳和构造稳定性)评价、地质环境质量综合评价等类型。基于社会属性的地质环境质量评价大致分为单灾种危害性或风险评价和易损性评价、多灾种危害性或风险和易损性评价、地质环境质量经济评价等类型。2地质量评价研究现状2.1受灾害害的风险评估2.1.1基于gis的滑坡灾害危险性定性分析技术在确定常态基80年代初,Radbruch-Hall等开展了全美大陆1∶750万比例尺滑坡灾害评价图的研绘工作。该研究从滑坡形成发育条件出发,选择了岩性、构造、地貌、降雨、滑坡类型、滑坡发生频率等作为评价指标,将区域自然地理单元划分为高发区、中发区、低发区,以及高易损区、中易损区和低易损区6种类型。通过某一单元中滑坡分布面积与单元面积之比的计算,确定了高发区、中发区和低发区。90年代初,Gupta等将GIS技术应用在喜马拉雅山麓Rumgana流域滑坡灾害危险性评价中,选择了滑坡发育的控制因素,给出了一个滑坡危险性评价指标,将滑坡灾害风险分为低、中、高三个等级。通过GIS的叠加分类模型功能,将各因子权重进行叠加,勾绘了滑坡危险性分区图,从而奠定基于GIS技术的滑坡灾害危险性定量评价的基础。80年代以前,我国单灾种危险性评价研究一直停留在铁路、公路沿线以及其他工程建设区崩塌、滑坡和泥石流灾害危险性定性分析阶段。近十余年来,随着区域性经济建设特别是城市化发展的需要,相继开展了一系列区域性地质灾害研究工作,编绘出版了《1∶500万中国地质灾害类型图》、《1∶600万中国滑坡灾害分布图》、《1∶600万中国泥石流分布及其灾害危险性区划图》等图件。这些图件较为全面地反映了我国地质灾害的空间发育规律。2.1.2山地泥石流灾害危险性评价模型70年代初,Hewitt等曾提出“一地多灾”的研究构想。这一技术路线要求对一定区域的灾害性事件的所有类型谱、统计聚集特征、以及相互关系进行描述,每个灾种特征项有强度、轮回周期和过去的损失记录,但这一设想由于种种原因未能付诸实施。基于这一思路,PugetSound研究人员,针对本区洪水、地震、风暴、大火、火山活动等灾害,将每一灾种绘制一张图件,每一灾种图都被设计作为更细致分析过程的输入项,据此生成总的潜在损失图。80年代初,Radbruch-Hall又研绘了1∶750万全美大陆环境地质评价图系。选择了滑坡、岩溶、火山灾害、地震概率、滞水区、陡倾斜坡和膨胀土等地质问题作为评价指标。运用数字化仪并转化为删格形式,通过图形叠加生成环境地质质量评价图。此后,VanWesten等基于GIS系统进行了山地地质灾害风险分析。90年代以来,我国也相继开展了区域性地质灾害危险性评价工作,并建立了各类地质灾害危险性评价模型。其中,张业成等针对我国崩塌、滑坡、泥石流、岩溶塌陷等灾害,建立了地质灾害危险性指数评价模型和危险性评价分析模型,并研绘了地质灾害强度分布图和区划图。其中:(1)地质灾害综合危险性评价模型为:Zw=Zwb·Ab+Zwn·An+Zwt·At式中:Zw地质灾害综合危险性指数;Zwb、Zwn、Zwt分别代表崩滑流、泥石流、岩溶塌陷的危险性指数;Ab、An、At分别代表崩滑流、泥石流、岩溶塌陷的危险性权重。(2)任一类地质灾害危险性评价模型为:Zwi=Zli·Ali+Zqi·Aqi式中:Zl、Zq分别代表该类地质灾害的历史强度和潜在强度;Al、Aq分别代表该类地质灾害的历史强度和潜在强度的权重。(3)历史灾害强度评价模型为:Z=G·M·P式中:Z代表灾害强度指数;G、M、P分别代表历史灾害规模、密度、频次的评判等级值,按3类灾害的体积、影响面积等指数分级取值。(4)潜在灾害强度评价模型为:Zq=K·(D·Ad+X·Ax+Q·Aq+R·Ar)式中:Zq代表地质灾害潜在活动强度指数;D、X、Q、R分别代表控制灾害形成与发育的地质条件、地形地貌条件、气候植被条件、人为条件充分程度的标度指数;Ad、Ax、Aq、Ar分别代表地质、地形地貌、气候植被、人为作用等条件的权重。殷跃平等对我国地质灾害类型、分布规律、成因机制、级别及其灾害损失程度等进行分析的基础上,运用专家打分、模糊综合评价和危险性指数等方法对地质灾害现状进行了综合评价,绘制了目前我国地质灾害的现状评价图,综合表征了我国目前地质质害的空间发育现状。2.2评价模型的建立区域稳定性(包括地壳和构造稳定性)评价是在重大工程建设项目的基础上发展起来的。目前多数评价研究工作限于定性分析。近年来,在定性分析基础上,引入了模糊数学综合评判模型和GIS支持的评价模型,对定量化评价进行了有益的探索。陈礼昌等采用遥感技术、计算机技术、GIS技术和计算机自动制图系统等,建立了“新亚欧大陆桥(中国段)铁路沿线地带”构造稳定性评价模型等。据此共划分了27个构造稳定性分区单元。2.3基于生物因素的地质环境评价90年代初,Cendrero等提出了基于自然单元分级体系的环境质量评价新思路。该方法将人类环境视为由许多不同的环境因子构成的自然单元,每一单元具有相对的均一性,高级单元的性状用低级单元的综合指标来表征。评价环境因素和整体环境的质量时,根据问题性质,选择评价因子,并将其转化为可比的指标,然后,按评价指标的相对重要性加权综合,用环境因素质量的综合指标来衡量整体环境的质量。在评价地质环境时,将地球表层分为三组因素:非生物因素、生物因素和人类活动因素。其中,非生物因素包括地表基岩、地形地貌、地表过程、气候特征等。非生物因素根据不同的构成因子,进一步划分不同等级的动力地貌单元(MD)体系。一级单元为MD环境,按气候和大尺度构造地貌划分;二级单元为MD系统,按岩性与地貌因素划分;三级单元为MD单元,主要反映土壤、活动性地质过程、动植物特征等,该方法被广泛应用于区域总体规划、土地利用分区等方面。基于这一思路,毛同夏等提出了基于系统分析的地质环境评价构想。该方法将地质环境分为由岩石环境、土环境、水环境三个子系统组成的内部系统和大气圈、水圈、生物圈、地球内部圈层组成的外部系统,以分属于岩石环境、土环境、水环境三个子系统的水资源分布、水土流失、地震、崩滑流、土地沙化、土壤盐碱化、地面变形、水体污染、地下水位下降、海水入侵等10类地质灾害和环境地质问题作为评价因子。以层次分析法为基本方法,建立了3个子系统的评价模型。按经纬度1°×1°剖分网格单元,求出网格单元内各类环境评价因子的强度指数和相应的权重,根据各子系统的质量综合体现地质环境系统总体质量的原则,建立地质环境系统层次结构评价模型,进而求取整个地质环境系统的综合质量指数。60年代中期,模糊数学理论的诞生和发展,给地质环境质量综合评价,特别是定量评价产生了新的飞跃。特别是模糊逻辑、模糊数学综合评判、模糊因子分析、模糊模式识别、模糊主成分分析等的广泛应用,使得更精确地刻划地质环境质量特征成为可能。模糊数学综合评价的基本思路是基于地质环境质量以及影响因素、因子边界的模糊性,通过建立地质环境质量评价指标体系、指标量化分级体系、指标权值分配体系、构造模糊数学评价模型,进而对区域地质环境质量进行区划。2.4风险评估2.4.1自然灾害风险的自然因素著名滑坡专家Vames认为:自然灾害是指某一特定时间内特定地点潜在损坏现象发生的概率,强调从易损性和风险性的角度进行灾害预测。某一地区总的灾害风险意味着由于特定的自然现象造成的人员伤亡、财产损失和经济活动中断的期望值。基于这一思路,建立了风险评价模型。我国地震界研绘了1∶1000万我国未来50年地震灾害损失预测图。计算单元以1985年国家颁布的2371个县级行政区划、各类建筑物面积和价值以及人口统计资料等为准。该研究以我国第三代地震烈度区划图为基础,建立了人员伤亡和建筑物损失矩阵。2.4.2易损性分析模型70年代初,Alfors等针对加利福尼亚州城市地质环境地质问题,选择了地震、矿产资源损失、滑坡、洪水、侵蚀、膨胀土、活断层位移、火山、海啸和地面沉陷等10种对城市化有影响的灾害因子,对各种因子按相对严重程度作出分区,设定一典型化城市单元,以模拟方式置入各种地质问题的不同等级,分别计算区内居民由地质问题造成的预计年人均损失值(GP)作为地质问题指数,将区内按一定精度划分网格单元,求出网格单元内具有威胁性的不同类型和严重程度的GP值之和,作为该单元内居民承受的各种地质问题造成的年人均总损失值。在此基础上,Petak等对美国的自然灾害进行了风险评价,涉及了地震、膨胀土、滑坡、洪水泛滥、风暴大浪、海啸、陆地龙卷风、飓风、强烈风暴等9种自然灾害,建立了以计算机为基础的灾害模型、影响面模型和易损性模型。灾害模型按事件强度给出了美国各州、县各种自然灾害事件的发生概率;影响面模型和易损性模型收入了大量的统计数据,可按州、县及县以下灾害区给出受影响建筑物及其内部财产的价值和承受风险的人口数,以及受影响资产的类型和易损程度。Mejia等在GRASS系统的支持下,对哥伦比亚麦知德林地区基岩及第四纪地层、构造、气候、地形、地貌形成过程、土地利用、水文等因素综合分析研究,进而对该区地质灾害危险性进行了综合评价。Cendrero等运用“易损性”这一概念对西班牙北部比斯开发区地质灾害进行了编图,并引入了不稳定指数和风险指数两个概念。不稳定指数和风险指数反映了灾害过程的两个方面,不稳定指数刻画了地质灾害的发育程度、发生频率,描述了灾害的物理特性;风险指数强调了灾害的社会效益,刻划了灾害所造成的或将要造成的社会影响。2.5对城市地质环境的质量指标进行研究地质环境对于城市建设与发展的影响主要表现为两大主题:一是地质环境质量的优劣和稳定程度制约着人类工程建设活动;二是人类工程建设活动又不断地影响和改造地质环境。因此,在城市发展与建设中,城市地质环境与人类工程经济活动成为一对矛盾综合体。地质环境质量经济评价就是基于这一思路,运用系统分析的方法,从地质环境对人类工程建设制约作用的确定性和不确定性两方面出发,确定影响城市建设与发展的地质环境主要因素,围绕主要因素建立用以反映地质环境开发费用的承载岩土体和表征地质环境开发利用风险程度的灾害损失经济学模型。以此为基础,建立用于区域评价的指标数学模型,并根据计算结果确定相应的分区判别标准,对城市地质环境质量进行评价。Laird等从经济学角度对旧金山地区土地潜力进行了定量评价,选择了矿产、能源、水、土壤等资源和地震、斜坡稳定性、洪水、承载物质、侵蚀与沉积、火山活动等约束条件作为评价因子。以货币值表征地质环境的利用潜力。他首先选择研究的土地利用类型、地质灾害约束条件和自然资源要素;按每种开发利用类型计算各种地质条件下土地利用的“社会成本”继而求出总社会成本,以此来衡量土地对各种利用方式的承受能力。最后作出区域土地能力分