环境工程地质课程报告

城市工程地质环境综合评价发展现状及研究方法浅析1引言城市地质环境是城市存在和发展的物质基础和基本保障，是城市人们生产活动的载体，也是城市人们生产活动的主要对象。随着城市化进程的不断加快，形成了“菜粮要移位，村镇要搬家，道路要加宽，建筑向立体空间发展”的局面。城市不断扩建和新建导致了越来越多的城市地质灾害。地震、火山、崩塌、滑坡、泥石流、矿井突水、地面沉降、地面塌陷、地裂缝、水土流失、砂土液化、海水入侵、海岸侵蚀、地下水水质恶化等地质灾害严重阻碍了城市的快速发展。通过对全国196个城市调查显示，65个城市存在地下水降落漏斗，129个城市地下水污染，65个城市土壤污染，56个城市存在特殊土工程问题，87个城市有崩滑流现象，28个城市存在地面沉降，19个城市存在着地裂缝，55个城市有地面塌陷，36个城市存在岸坡失稳及海岸侵蚀淤积。据不完全统计，各类环境地质问题造成经济损失共计18799亿元，仍有147万人的生命财产安全面临环境地质问题的威胁，如不采取防治措施，还将造成9067亿元的经济损失［1］。城市化高速发展造成了城市生存环境的脆弱性及城市灾害的复杂性，正视城市生存环境恶化的现状，寻求合理的解决途径，已成为保障城市可持续发展的迫切要求。2城市工程地质环境综合评价的研究意义工程地质环境质量评价近几十年来，世界各国都不同程度的受到环境问题的严重挑战，例如水土的大量流失，森林覆盖率锐减，臭氧层破坏，酸雨，大气和地表水的品质恶化等。人类生存与发展受到了严重威胁。同时，人们也逐渐认识到在环境质量与人类需要之间客观的存在一种特定的关系环境质量的价值。所谓环境质量评价(environmentqualityevaluation),是评价环境质量价值，而不是评价环境质量本身，是对环境质量与人类社会生存发展需要满足程度进行评定。环境质量评价的对象是环境质量与人类生存发展需要之间的关系，也可以说环境质量评价所探讨的是环境质量的社会意义［2］。工程地质环境是指与人类经济活动有关的地质环境，而工程地质环境质量则是地质环境对工程建设或人类经济活动所表现的素质优劣程度。工程地质环境质量既表现了工程地质条件对工程建设的适应性，还反映了工程地质环境对工程活动影响的敏感性。前者主要指地质环境中各因素对工程兴建及运行的满足程度，即工程地质条件的优劣问题；后者是指由于工程活动的影响，工程地质环境状态的变化趋工程地质环境是指与工程相关的地壳上部的岩石、水、空气和生物相互关联多成分系统。这个系统以地表为其上限，以人类作用于地壳深度为其下限。工程地质环境是城市总体规划中的一项重要工作，合理确定可适宜发展的用地不仅是以后各项专题规划的基础，而且可促进城市的整体布局和经济发展。工程地质环境质量评价研究意义工程地质环境是城市总体规划中的一项重要工作，合理确定可适宜发展的用地不仅是以后各项专题规划的基础，而且可促进城市的整体布局和经济发展。城市工程地质环境质量评价的主要目的就是研究人类工程经济活动与地质环境的相互制约、相互依存的关系，而城市工程环境地质评价的成果可以使城市规划人员全面认识影响整个城市工程地质环境质量的各种因素以及这些因素与工程地质环境质量之间的响应机制，能够促使城市规划人员提供高质量的城市发展规划方案，有利于规避地质环境中对工程建设不利因素，合理利用的土地资源，促进城市工程建设发展与地质环境的协调发展。3城市工程地质环境综合评价发展现状3.1国外研究现状城市环境地质研究的内容主要是城市地区常见的环境工程地质问题、环境水文地质问题和地质灾害防治三大方面［3］。城市工程地质环境研究可追溯到20世纪20年代，德国出版了用于城市规划的特殊土壤图系用以支持城市规划。二战后，德国、捷克、斯洛伐克和荷兰等国对城市地区的土壤和岩石自然属性进行了一系列填［4］。现代意义上的城市工程地质环境研究开始于20世纪60年代末期。1969年美国市政工程协会发表了一份《城市规划艺术》的报告，将地质学家、地理学家、土壤学家、环境地球化学家包括到城市规划研究专业人员当中。随后美国地质学家CA.KaYe(1969)、R.F.legge(1972)和R.BoWen(1982)三部专著的出版把城市地质研究提升到系统理论高度⑸1977年，GonzezaDeVallejoL.提出以城市规划和发展为目的工程地质评价应提供基础图件、工程地质图、影响因素图、城市适宜性图、土地系统图件等，并对西班牙Tenerife地区开展了1：25000的地貌图、工程地质图、工程地质条件基础上的城市适宜性填图工作［6］。1981年，西班牙学者GonzalezDeVallejo等分析了受地质因素控制的拉古纳火山土的工程地质特征，重点研究了矿物方面影响，特别是在分类测试结果基础上研究了火山土的结构强度和变形特性，认为土壤结构是导致这些不寻常性质的主要因素［7］。1982年，S.Malomo等论述了适用于热带地区的工程地质填图技术方法，并把这些技术方法用于尼日利亚正在建设的新首都阿布贾1：25000的城市规划的工程地质填图中［8］。1983年，Carrara.A利用多变量模型对意大利南部两个不同地质条件地区滑坡进行检验发现，多元回归分析对预测现行滑坡和潜在滑坡非常有用，能区分稳定区和非稳定［9］。1986年，LokinP等描述了南斯拉夫贝尔格莱德城区被黄土覆盖的泥灰岩风化带的岩土体结构，并对经过风化带、不稳定斜坡、地面塌陷以及地面沉降区岩体开挖出现的工程地质问题及地下结构的稳定性进行了讨论［10］。1990年，印度学者R.P.GUPTA和B.C.JOSH揭示了岩性、构造、地貌、土地利用类型等因素与滑坡分布特征的关系，利用GIS对喜马拉雅山脉的滑坡进行了评价，并把该区滑坡分为高危险区、中危险区、低危险区三个等［11］。1991年,I.Hadzinakos等利用多准则回归法对希腊23个地区滑坡稳定性进行了评价【⑵A.P.Wislocki和S.P.Bentley构建了专家系统模型，并利用遥感监测数据对威尔士南部滑坡进行了评价［13］。年，克罗拉多大学MarioMejia-Navarro应用GIS采用加权方法对科罗拉多州GlenwoodSprings地区建立了地质灾害风险评估的决策支持系统，并圈出了最适合未来城市发展地段及高风险地段，从而为城市规划和建设提供了依［14］。年，RusselU.Maharaj从地形地貌、气候、地质构造、土壤侵蚀、地质环境问题及岩土体的物理力学性质对印度西部Jamaica地区的热带岩土进行了研究分析，从而为该区土地使用规划和工程建设提供了指导［15］。1999年，FranckLavigne从人口密度、危险特征、危险等级、防治对策4个方面对由火山威胁印度尼西亚的Yogyakarta市进行了评价，并绘制了1：2000的火山危险等级图［16］；FaustoGuzzetti等采用基于GIS和多元统计方法对意大利中部的滑坡危险性进行评价，并把该区划分为高危险区、中等危险区、低危险区、超低危险区四个等［17］。2000年，英国学者ConorG.Smyth选取地貌、气候、土地利用类、斜坡岩土类型、降雨、斜坡改造程度等因素为评价指标，对巴西的Niter6i市滑坡灾害易发性的进行了评价冋2002年，英国纽卡斯尔大学的S.Kalogirou利用专家系统和GIS平台从土地的自然属性和经济角度对土地使用类型的适宜性进行了评［19］。2004年，印度学者N.SubbaRao和RPrathapReddy选取了岩性类型、地形坡度、含水层岩性、孔隙度、渗透系数、地下水埋深、地下水PH值、地下水无机含量为评价指标，分别对波状平原、河流冲积平原及滨海平原的地质环境进行了评［20］；韩国的学者Yoon-YoungKim指出首尔地区含水层受到污染扩散工业园区、储油罐渗漏渗透、垃圾填埋场渗滤液影响，并对该区水化学质量进行了评价［21］。2005年，PierreThierry等采用地质统计法、光谱分析和雷达穿透技术对法国Orleans市岩溶塌陷特征的进行了分析［22］。2007年，土耳其地球海洋研究所EAIparslan利用GIS平台，选取了主断层、地基类型、地形坡度、场地加速度四个指标，对地震灾害威胁Bolu地区的居住环境适宜性进行了评价，从而为以后防灾减灾提供了科学参考［23］;英国加的夫大学的MichaelFedeski基于GIS构造受到洪水和地质灾害威胁的建筑物风险评价方法，并以Lewes镇为例进行了验证㈣2008年，MarioFloris和FrancescaBozzano为了评估降雨诱发滑坡复活的机率，对降雨诱发滑坡复活的传统概率阈值模型进行了改进［25］；R.Brinkmann等从形状、圆度指数、周长、面积、长度、宽度和方向七个因素对美国佛罗里达州Tampa海湾地区天坑分布特征与喀斯特地形的关系进行了研究［26］。2009年，匈牙利学者GyozoJordan论述怎么利用地质信息进行矿山污染风险性评估［27］；MozaferShari等利用多目标决策分析方法和GIS软件对以色列西部Kurdistan省的危险垃圾处理场的选址适宜性进行了评估［28］。2010年，DanangSriHadmoko，FranckLavigne，JununSartohadi利用GIS对印度尼西亚MenorehMountains以东地区进行滑坡危险性和风险性评价，划分出低危险区、中危险区和高危险区，从而为该区的防灾减灾和土地规划提供了依据［29］；A.Malinowska利用G1S和简单的专业方法对波兰最大矿区的建筑物易损性进行了评价［30］；葡萄牙国家工程实验室的A.CamposCosta对里斯本市的地震风险减灾（SRMA）进行了分析评价的2011年，埃及开罗大学建筑工程系的AymanHassaanAhmedMahmoud为保持城市生态平衡和绿地管理，利用GIS和生态阈值方法对沙漠城市El-Sadat市发展绿地进行了适宜性评价阳；英国的麦考利研究所的M.J.Aitkenhead分别用层次分析法（AHP）、频率比（FR）、逻辑回归（LR）、人工神经网络（ANN）四种模型绘制了苏格兰土地覆盖图，并对不同方法绘制地图的精度做了比较，其中人工神经网络法的精度最高，频率比法的精度其次，逻辑回归法的精度最差［33］。从以上分析可以看出国外城市工程地质环境评价方法主要有：层次分析法、神经网格法、多目标决策分析法、地理信息系统方法（GIS）等。国外城市地质环境评价经历了从定性到半定量的评价，目前多以GIS为平台，采用构建评价指标体系和加权模型对城市地质环境进行半定量评价。国内研究现状工程地质环境质量评价开始于二十世纪八十年代的中后期，在这期间全国开展了北京、沈阳、南京等许多大中城市的环境质量评价工作，并作了许多区域和大型工程项目的环境质量评价工作。我国将环境影响评价以法律的形式肯定下来。1979年公布的《中华人民共和国环境保护法》中规定：一切企业及事业单位选址、设计、改建、扩建工程时必须提出环境影响报告书，经环保部门和其他有关部门审查批准后，才能进行设计。同时指出老城区改造和新城区的建设中，应当根据气象、地貌、水文、生态等条件对工业区、居住区、公共设施、绿化地带等做出环境影响评价。1989年颁布经过修改后《中华人民共和国环境保护法》中，重申了环境影响评价制度［34］。近十年来，结合江河水利水电资源开发、城市规划、核电站选址等大型工程，如黄河中上游流域水利工程、长江三峡工程、辽南核电站选址等，对区域工程地质环境质量进行深入的调查与评价，同一时期，对深圳、烟台、青岛、厦门、海口等城市也进行了较深入的工程地质研究。通过研究，初步形成了一套中国自己城市工程地质环境评价理论，概括起来主要包含以下几个方面：谭周地提出的工程地质环境稳定性评价理论，方鸿琪和杨闽中提出城市工程地质环境分析理论；王思敬提出了工程地质环境系统分析评价理论等。他们提出的评价方法主要有模糊综合评判法、聚类分析、模糊聚类、层次分析法、德尔菲法等［35］。钟佐桑指出地质环境是由生物因素和非生物因素组成的环境系［36］，具有恢复调节功能。年，胡海涛通过对区域地质环境条件差异性及人类工程活动所引起的地质灾害的问题进行研究分析，得出比较完善的规划体现，并指出了主要人类工程活动与地质环境相互作用强烈的地区［37］。年，蔡鹤生、唐朝晖等以系统分析理论为指导，提出了地质环境质量综合评价敏感因子的模型；贾永刚、刘红军等以系统工程理论为指导，利用模糊综合评判方法对青岛市地质环境的适宜性进行了分区并予以评价；王健、高学忠、张林完成了黄海龙羊峡至青铜峡段环境工程地质分区图［38~39］。1999年，方鸿琪、杨闽忠等出版了《城市工程地质环境分析原理》；贾永刚、孙永福、单红仙等完成了胶州湾工程地质环境质量评价并形成了分区［40~41］。2000年，戴福初探讨分析了以GIS为支撑工具建立城市地质环境空间数据库的方法，并初步划分了城市用地的类型［42］；肖和平归纳了城市地质灾害的成因，并提出相应的防治对策［43］。年，李相然完成了山东省教委资的助“工程地质环境质量评价理论在城市规划与土地利用中的应用研究”（J99E06）项目屮］，对烟台市区的工程地质环境进行了评价；谭卓英以大系统大协调为出发点，建立了城市发展系统的识别模式体系［45］。年，方鸿琪指出地质条件、地理环境，地质灾害在城市工程地质环境评价中有着特殊的重要性是城市建设的基础；徐泽民等对成都地铁环境工程地质做出了评［46］。年，陈晓键对西安市规划建设中的工程地质环境问题进行了探［47］；戴英对兰州地质环境敏感性进行了评价并形成了相应的图［48］年，李祖刚利用模糊聚类对西安市工程地质环境进行了分区和评价；尹喜霖采用模糊数学综合评判方法分析了佳木斯环境工程地质环境质量；8月，中国地质调查局发布了“城市环境地质问题调查评价规范”［49］。年，张惠平等分析了城市地下工程建设中的各种环境工程地质问题，提出了地下工程建设环境工程地质问题的预防途径及治理措施；李相然采用层次分析法对济南市地质灾害与环境岩土工程问题进行了分区并形成动态的跟踪体［50］。2006年，苏惠敏等研究了影响西安市工程地质评价的关键因素，并利用GIS对西安市工程地质环境进行了综合评价［51］；2007年，刘勇等利用GIS数据、多准则和系统动力技术对武汉汉阳区城市土地适宜性进行了评价［52］；2008年，金志丰等借助GIS空间分析技术，运用约束型和引导型指标叠合判断方法，将海门沿江地区划分为四个保护区［53］；年,罗婧利用AHP法和GIS空间分析法，对陇南灾区建设用地适宜性进行评价网程雨等利用OWA决策和次序权重与GIS结合对城镇建设用地防灾适宜性进行评价［55］年，娄新刚建立了城市空间数据库和地质环境质量评价模型［56］，王志强等把人工神经网络和GIS相结合对天津生态城地质环境进行了评价［57］。此外，我国学者还进行了许多相关的研究，并取得了一定的成果，如刘广润的“论城市环境地质研究”，李相然的“城市规划地质工作研究的几个基本问题”，韩文峰和宋畅“我国城市化中的城市地质环境与城市地质作用探讨”，王思敬的“论人类工程活动与地质环境的相互作用及其环境效应”，刘传正“区域地质灾害评价预警的递进分析理论与方法”等［58-60］。存在的问题与发展趋势从以上国内外研究动态总结可见，城市工程地质环境质量评价随着现代科学技术的飞速发展，广泛吸收了现代地质学、现代数学、系统科学、计算机技术的新理论、新方法，评价技术和方法趋于多样化，使得工程地质环境评价的质量和精度有了较大提高，为今后进一步研究工作提供了基本思路和方法借鉴，但城市工程地质环境质量评价中仍存在着如下问题：地质环境评价工作中，对城市规划建设发展的需求了解不够，存在着一定程度上的断层。而且各种城市工程地质环境研究工作依然提交的是专业性地质成果，即工程地质综合分区图，在表现形式上与规划研究的要求相差甚远，规划人员难以理解地质环境评价工作的内容，使得地质环境评价工作的研究成果不能为城市规划、城市建设提供有效的服务。缺乏对规划工程地质环境质量标准制定与评价系统理论研究。规划工程地质环境质量没有明确的概念，缺乏理论的支撑，因而，目前还没有形成一个完整的学科体系。工程地质环境信息与城市规划信息不能更好的相互传输，而且也未能有效的消除城市环境工程地质问题的发生。城市工程地质环境是一个动态变化过程，它影响着城市建设工作，同时城市建设工作也影响城市工程地质环境。而由于缺乏专业间相互沟通，规划人员难以理解工程地质工作所提供的各种地质信息，而地质工作者对规划工作不甚了解，很难把地质信息有效地转化为规划所用。城市工程地质环境评价中对指标选取和综合评价方法上研究较多，而对评价结果有较大影响的权重赋值方法研究较少，使得评价成果有失客观公正性。从以上分析可以看出，城市工程地质环境质量评价方法和量化程度研究仍是今后研究的发展趋势，评价技术和方法上趋于采用综合多种模型的优点进行融合。参考文献刘长礼，侯宏冰，张云•等•全国主要城市环境地质调查评价成果梳理研究报告[R]•中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄:2009.16-59.尹喜霖，王勇，李翠•佳木斯市区环境工程地质质量综合评价J]•北方环境,2004,2(6):81-84.刘广润.论城市环境地质研究[」].火山地质与矿产.2001.22(2):79-83.张丽君•国际城市地质工作的主要态势J].国土资源情报.2001,6:1-13.张倬元•城市地质学形成的历史回顾与发展前景展望J]•大自然探索.1987.6(3):26-30.GonzaezaDeVallejo.L.EmpresaNacionalADARO.Serran.EngineeringgeologyforurbanplanninganddevelopmentwithanexamplefromTenerife(CanaryIslands)[J].BulletinoftheInternationalAssociationofengineeringgeology，1977，15(1):37-43.GonzalezDeVallejo,L丄,JimenezSalas.J.A,LegueyJimenez.S.EngineeringgeoloofthetropicalvolcanicsoilsofLaLaguna，Tenerife[J].EngineeringGeology.1981.17(1):1-17.Malomo.S.,Olorunniwo,MA,Ogunsanwo.O.Engineeringgeologicalmappinginterrainsoftropicalweathering-anexamplefromAbuja,NiAria[J].EngineeringGeology,1983,19(2):133-148.Carrara.A.Multivariatemodelsforlandslidehazardevaluation[J].In!AssocMathGeol1983,15:403-426.Lokin.P,Pavlovic.N,Bogdanovic.A,etal.Engineeringgeologicalproblemsinconstructionofunderg'oundstructuresinurbanareasofBelAade.Proc5thInternationCongressInternationAssociationofEngineeringGeology.BuenosAires.20-25October19861/3,1877-1885.R.P.GUPTA,B.C.JOSH.LandslidehazardzoningusingtheGISApproach—AcasestudyfromtheRanigiingaCatchment.Himalayas[J].EngineeringGeology,1990.28(1-2):119-131.Hadzinakos,D.Yannacopoulos.etal.ApplicationoftheMINORAdecisionsupportsystemtotheevaluationoflandslidefavourabilityofinGreece[J].EuropeanJournalofOperationalResearch.1991,50(1):61-75.A.P.Wislocki,S.P.Bentley.Anexpertsystemforlandslidehazardandriskassessment[J].Computers&Stmctures.1991.40(1):169-172MarioMejfa.Navarro,EllenE.Wohl,SherryD.Oaks.GeologicalhazardsvulnerabilityandriskassessmentusingGIS:modelforGlenwoodSpring,Colorado[J].Geomorphology.1994.10(1-4):331-354.RussellJ.Maharaj.Engineeringgeologicalmappingoftropicalsoilsforland-useplanningandgeotechnicalpurposes:AcasestudyfromJamaica.WestIndies[J].EngineeringGeology.1995.40(3-4):243-286.Franck.Laharhazardmicro-zonationandriskassessmentinYogyakartacity.Indonesia[J].GeoJouma1999.49(2):173-183.FaustoGuzzetti,AlbertoCarrara.MauroCardinali.Landslidehazardevaluation:areviewofcurrenttechniquesandtheirapplicationinamultiscalestudy.CentralItaly[J].Geomorphology,1999.31:181-216.ConorG.Smyth,Stq>henA.Royle.Urbanlandslidehazards:incidenceandcausativefactorsinNitcroi.RiodeJaneiroState.Brazil[J].AppliedGeography.2000.20(2):95-117.SKalogirou.ExpertsystemsandGIS:anapplicationoflandsuitabilityevaluation[J].Qomputer,EnvirotvuentandUrbansystems,2002,26(2-3):89-112.N.SubbaRao.R.PrathapReddy.Geo-environmentalappraisalinadevelopingurbanarea[J].EnvironmentalGeology2004,47:20-29.[21]Yoon-YoungKim.Analysisofhydrochemicalprocessescontrollingtheurbang"oundwatersysteminSeoularea,Korea[J].GeosciencesJournal2004.8(3):313-318.PierreThierry.NicoleDebeblia,ArdnandBitri.Geophysicalandgeologicalcharacterisationofkarsthazardsinurbanenvironments:applicationtoOrleans(France)[J).BullEngGeolEnviron,2005,64(2):139-150.E.Alparslan.F.Ince.B.Erkan,etaI.AGISmodelforsettlementsuit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