石旭飛,江 山,郭曉東,趙海卿
中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心,遼寧 沈陽 110000
長(長春)吉(吉林)圖(圖們)經(jīng)濟區(qū)是我國東北地區(qū)重要的工業(yè)基地,是振興東北老工業(yè)基地國家戰(zhàn)略的重要組成部分[1].但是,在城市建設(shè)與發(fā)展過程中,各種自然與人為誘發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害[2-4]嚴(yán)重阻礙了長吉圖經(jīng)濟區(qū)經(jīng)濟社會的發(fā)展[5-6].因此,如何保持人類經(jīng)濟活動在無害少災(zāi)的環(huán)境中生存發(fā)展并保持與地質(zhì)環(huán)境較為協(xié)調(diào)的關(guān)系,是擺在區(qū)域規(guī)劃者、城市建設(shè)者、環(huán)境地質(zhì)研究者面前一個難題.
解決上述問題的一個重要方法是對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行區(qū)劃.目前國內(nèi)外研究地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的方法主要有GIS法[7-10]、數(shù)理統(tǒng)計法[11-15]、數(shù)學(xué)模型法[16-19].由于地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性[20-21],上述方法均是基于地質(zhì)災(zāi)害的影響因素和地質(zhì)現(xiàn)象作出宏觀評價,有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃定量研究還較為缺乏.
綜上,本研究在調(diào)查分析長吉圖經(jīng)濟區(qū)內(nèi)存在的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等環(huán)境地質(zhì)問題的數(shù)量及其影響因素的基礎(chǔ)上,利用地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性指數(shù)法對上述地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性進行定量研究并分區(qū),為研究區(qū)優(yōu)化配置利用地質(zhì)資源與國土空間規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù).
長吉圖經(jīng)濟區(qū)位于吉林省中東部,包括吉林省長春市城區(qū)、德惠市、九臺市和農(nóng)安縣,吉林市城區(qū)、蛟河市和永吉縣,及延邊朝鮮族自治州全境,面積約72 000 km2.研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,降水多集中于6—9月份,占全年降水量的80%以上.雨季多暴雨,常造成江河泛濫,誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害.區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密布,以長白山群峰為中心,向西北和東北分別形成松花江、圖們江二大水系(圖1).
圖1 長吉圖經(jīng)濟區(qū)地貌分區(qū)及多年平均降水量等值線圖Fig.1 Geomorphic division and multiyear average precipitation isoline in the CJT Economic Zone
研究區(qū)地勢東南高西北低,起伏較大.全區(qū)自東向西以北東向為主的山嶺、盆地平行排列,相間分布.研究區(qū)基巖主要有以奧陶系和侏羅系泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖互層為主要特征的泥質(zhì)巖類以及變質(zhì)的中基性-酸性巖漿巖、碳酸鹽巖和三疊系、白堊系夾煤層的沉積碎屑巖.研究區(qū)第四系分布廣泛,以河流沖積、沖洪積和冰川堆積為主.中更新統(tǒng)黃土狀亞砂土、亞黏土比較發(fā)育.
研究區(qū)地下水資源豐富,在山區(qū)地下水主要賦存于基巖裂隙中,而在平原區(qū)及山間盆地、河谷區(qū)地下水主要賦存于松散堆積物的孔隙中,富水性差別大.
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)指具備地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌和氣候條件,或可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域.作者在分析研究區(qū)內(nèi)主要環(huán)境地質(zhì)問題的特征與影響因素的基礎(chǔ)上,利用原國土資源部下發(fā)的《<縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與區(qū)劃基本要求>實施細(xì)則》[22]中的地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性指數(shù)法對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)進行劃分,進而分析研究區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題的分布特征.
將研究區(qū)進行網(wǎng)格剖分,每個單元面積為1 km×l km~3 km×3 km.對于地質(zhì)條件變化不大的地區(qū),單元面積可取高限;對于地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū),單元面積可取低限.計算每個單元格的地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性指數(shù)Z:
式中:Zq為潛在地質(zhì)災(zāi)害強度指數(shù);r1為潛在地質(zhì)災(zāi)害強度權(quán)值;Zx為現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害強度指數(shù);r2為現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害強度權(quán)值.
潛在地質(zhì)災(zāi)害強度指數(shù)按以下公式計算:
式中,Ti分別為控制評價單元地質(zhì)災(zāi)害形成的地質(zhì)條件(D)、地形地貌條件(X)、氣候植被條件(Q)、人為條件(R)充分程度的表度分值,各評價指標(biāo)的選取與評判標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)具體情況而定;Ai分別為各條件的權(quán)值,根據(jù)實際情況分配.
現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害強度指數(shù)可以用單元格災(zāi)害點密度、災(zāi)害面積密度以及災(zāi)害體積密度求得:
式中,a為歸一化處理后的災(zāi)害個數(shù)密度系數(shù);b為歸一化處理后的災(zāi)害面積密度系數(shù);c為歸一化處理后的災(zāi)害體積密度系數(shù),地面塌陷災(zāi)害體積密度系數(shù)為0.
根據(jù)各評價單元的地質(zhì)、地形地貌、氣候以及人類工程活動等條件,利用MapGIS軟件空間分析功能計算各評價單元的潛在地質(zhì)災(zāi)害強度指數(shù)與現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害強度指數(shù),賦權(quán)后計算得到各評價單元的地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性指數(shù),并根據(jù)計算結(jié)果合并相同單元格,劃定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū).
崩塌是長吉圖經(jīng)濟區(qū)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)生頻度最大的災(zāi)害類型,區(qū)內(nèi)一般包括巖崩和土崩兩種類型.
研究區(qū)巖崩多分布在坡角受人為破壞、巖體裸露、坡度較陡的山坡處,尤其是江河沿岸,具有崩落滾動特點,水平位移較小.區(qū)內(nèi)土崩坡角基本處于天然狀態(tài),坡度40~45°左右,多發(fā)生于表層松散物質(zhì)發(fā)育、植被稀少的山體坡角處.崩塌時具有一定的水平位移,面積較大,厚度較小.單體崩塌具有多次重復(fù)發(fā)生性,表現(xiàn)為某一崩塌帶(群)一年內(nèi)或多年內(nèi)多次重復(fù)發(fā)生,有時每年發(fā)生2~5次,如長白山天池地區(qū).
研究區(qū)崩塌的區(qū)域空間分布規(guī)律主要表現(xiàn)為在某些地區(qū)成群、成帶、連片地集中分布,絕大多數(shù)分布在中低山區(qū),其次為低山丘陵區(qū),尤其是集中分布在老嶺中山區(qū)及圖們江沿岸,均發(fā)育在地形高差大(一般高差大于300 m)、坡度陡(坡角40°以上)的地區(qū).區(qū)內(nèi)崩塌點巖土體類型以巖漿巖為主,占72.8%;碎屑巖占15.9%;變質(zhì)巖占11.2%.此與區(qū)內(nèi)巖體類型分布面積比例基本一致.從發(fā)生時間上看,發(fā)生于6—9月的崩塌占研究區(qū)全年崩塌的87.4%,其中7—8月占65.6%,說明崩塌與降水關(guān)系密切,具有明顯的正相關(guān)性.
泥石流是研究區(qū)東部中低山區(qū)分布較普遍、活動較頻繁的地質(zhì)災(zāi)害,主要以河谷型水石流和溝谷型泥石流為主.區(qū)內(nèi)引發(fā)泥石流地質(zhì)災(zāi)害的降雨臨界值約為:24 h降水量大于100 mm,或48 h連續(xù)降水量大于150 mm.研究區(qū)大型泥石流周期為10~20年發(fā)生一次,小型泥石流災(zāi)害發(fā)生周期為2~3年發(fā)生一次.
研究區(qū)泥石流絕大部分分布在張廣才嶺-龍崗山的中低山區(qū).河谷型水石流分布在山間坡降較大、地形開闊,物源廣泛的河谷中,其形成區(qū)與流通區(qū)無明顯界線,搬運路程較長,具有流速快、能量大、破壞力強的特點.溝谷型泥石流分布于中低山山區(qū)易于匯水、地形坡度大、沖溝發(fā)育、無常年流水、碎屑物質(zhì)豐富的溝谷中,物源范圍小,具有發(fā)生頻率高、規(guī)模小的特點.
研究區(qū)泥石流多以稀性泥石流為主,一般均發(fā)育多條泥石流支溝,坡降20°左右,常成群集中分布.從泥石流中的固體碎屑物質(zhì)組成上看,河谷型由碎石、礫石、砂及黏土組成,粒徑大小相差不太懸殊,有一定的磨圓度和分選性;溝谷型由塊石、角礫、砂、黏土及耕植土組成,粒徑大小相差十分懸殊,磨圓度差,且無分選性.泥石流流體運動特征也有差別.河谷型泥石流屬稀性泥石流,固體碎屑物質(zhì)在流體中具有明顯的垂直分帶性,土粒與砂粒呈懸浮狀態(tài),紊流運動,被搬運距離遠;碎石、礫石在流體中為半懸浮狀態(tài),在流體下部以翻滾、跳躍和被推移的搬運,被搬運距離相對較近.溝谷型泥石流屬黏性,固體碎屑物質(zhì)含量高,其運動除靠流體搬運外,由于坡度大,自身還具有較大的下滑力.因此,固體碎屑物質(zhì)在流體中沒有明顯的垂直分帶性,塊石、碎石、砂、土混雜.研究區(qū)泥石流的堆積特征主要有:河谷型泥石流堆積區(qū)比例大,自上而下略有粒徑由大到小的總體趨勢,多次活動后,堆積扇軸方向變化較小,堆積物疊加為主;溝谷型泥石流堆積區(qū)比例很小,粒徑分布無明顯規(guī)律,多次活動后,堆積扇扇軸擺動大,堆積物相接,部分疊加方式分布.
坡面型泥石流主要分布在老嶺山脈,一般分布在山體坡角40~50°的坡面稍凹處,其特點是流通區(qū)極短,供給區(qū)與堆積區(qū)幾乎相連.堆積物近錐體型,規(guī)模一般較小,泥石流溝總長度百余米左右,供給區(qū)長度50~80 m,堆積區(qū)長30~60 m,堆積物無分選,暴發(fā)時間短.
研究區(qū)內(nèi)滑坡分布較少,但危害較大,多屬巖體蠕動滑坡,具有間歇性活動特點,已發(fā)生的滑坡均為小型.研究區(qū)內(nèi)滑坡按動力成因多屬自然滑坡,按滑坡體物質(zhì)組成劃分多屬土體滑坡,滑動面為碎石土滑坡體與基巖接觸面.區(qū)內(nèi)滑坡具有較明顯的形態(tài)特征一致性,即滑坡要素基本相同.滑坡體上部由破碎松散的土石組成,表面起伏不平,周界不明顯;滑坡壁高度1~5 m左右,陡度60~70°左右;滑動面(帶)傾向與坡體總體坡度基本一致,與滑動方向基本一致的剪切裂縫成群出現(xiàn),一般延伸長度20~30 m,個別達50 m左右,多數(shù)寬度為5~10 cm,最寬達30 cm,相對錯距一般0.3~1.0 m,最大為1.5 m.
地面塌陷是研究區(qū)造成單位面積國民經(jīng)濟損失最大的地質(zhì)災(zāi)害,多為采礦引起.多年以來,各礦山均有不同程度的地面塌陷發(fā)生,尤其是琿春市、九臺市、蛟河市等煤礦分布較多的城市.研究區(qū)地面塌陷坑一般為近橢圓形或近圓形,比采空區(qū)范圍稍大,塌陷深度從內(nèi)到外,由大變小,有時數(shù)個塌陷坑相連或部分重疊.
通過利用地質(zhì)災(zāi)害綜合危險性指數(shù)法對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行計算,將研究區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題分為4個高易發(fā)區(qū)、2個中易發(fā)區(qū)和3個低易發(fā)區(qū)(圖2).
圖2 長吉圖經(jīng)濟區(qū)環(huán)境地質(zhì)問題分區(qū)圖Fig.2 Environmental geological zoning map of the CJT Economic Zone
主要分布于地質(zhì)構(gòu)造密集,巖土體類型復(fù)雜,年降雨量較大的長白中低山區(qū),分布面積16 048 km2,占研究區(qū)總面積的22.31%.區(qū)內(nèi)有崩塌369處,滑坡61處,泥石流285處,地裂縫及地面塌陷11處,共計726處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的46.75%,平均地質(zhì)災(zāi)害點密度為4.52個/100 km2.
(1)和龍-龍井-延吉-琿春高易發(fā)區(qū)(I1)
位于長吉圖經(jīng)濟區(qū)的東南部的和龍市、龍井市、延吉市及琿春市和西北部的的安圖縣部分地區(qū),分布面積11 751 km2,占研究區(qū)總面積的16.34%.區(qū)內(nèi)巖土體類型主要為堅硬的中厚層狀以砂礫巖為主的巖組、軟弱的中層—薄層狀以砂礫巖為主的巖組及堅硬塊狀以花崗巖為主的侵入巖巖組,北西向及北東向斷裂發(fā)育.區(qū)內(nèi)地貌由長白火山與熔巖臺地區(qū)、延邊中山低山區(qū)及延吉、和龍、圖們、琿春丘陵盆地等組成.區(qū)內(nèi)有崩塌336處,泥石流152處,滑坡58處、地裂縫及地面塌陷7處,共計553處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的35.61%,平均密度為4.71個/100 km2,為崩塌、滑坡、泥石流高易發(fā)區(qū)域.
(2)嘎呀河上游高易發(fā)區(qū)(I2)
位于汪清縣嘎呀河上游沿岸,分布面積2 772 km2,占研究區(qū)總面積的3.85%.區(qū)內(nèi)巖土體類型主要為砂礫巖及軟弱的中厚—薄層狀黏土,為泥石流的形成提供了豐富的物源條件.區(qū)內(nèi)地貌類型主要為中低山.區(qū)內(nèi)有泥石流76處,崩塌14處,滑坡2處,共計92處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的5.92%,平均密度為3.32個/100 km2,為泥石流高易發(fā)區(qū).
(3)安圖縣松江-永慶高易發(fā)區(qū)(I3)
位于研究區(qū)東南部安圖縣所屬三道鄉(xiāng)、松江鎮(zhèn)、兩江鎮(zhèn)、小沙河鄉(xiāng)及永慶鄉(xiāng),分布面積1 406 km2,占研究區(qū)總面積的1.95%.區(qū)內(nèi)巖土體類型以較堅硬夾軟弱的中厚—薄層狀砂礫巖黏土巖互層巖組為主,地貌類型主要為中低山.區(qū)內(nèi)有泥石流55處,崩塌14處,地裂縫及地面塌陷4處,共計73處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的4.70%,平均密度為5.19個/100 km2,為泥石流高易發(fā)區(qū)域.
(4)長白山天池高易發(fā)區(qū)(I4)
位于長白山天池周邊,分布面積119 km2,占研究區(qū)總面積的0.17%.區(qū)內(nèi)巖土體類型主要為塊狀堅硬玄武巖,地貌屬長白山火山中山區(qū),地形坡度大.崩塌、泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率高,現(xiàn)有崩塌5處,泥石流2處,滑坡1處,總計8處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的0.52%,平均密度為6.72個/100 km2,為崩塌、泥石流、滑坡高易發(fā)區(qū)域.
主要分布在巖土體類型較多或地質(zhì)構(gòu)造較密集的東部低山丘陵及部分中低山地區(qū),分布面積34 599 km2,占研究區(qū)總面積48.10%.區(qū)內(nèi)有崩塌364處,滑坡63處,泥石流179處,地面塌陷及地裂縫65處,共計671處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的43.21%,平均密度為1.94個/100 km2.
(1)吉林-蛟河-敦化-汪清中易發(fā)區(qū)(II1)
位于研究區(qū)中部及東部的蛟河市、永吉縣、敦化市、汪清及安圖縣的部分地區(qū),分布面積32 595 km2,占研究區(qū)總面積的45.31%.區(qū)內(nèi)巖土體類型復(fù)雜,變質(zhì)巖、花崗巖、碎屑巖、土體均有分布,地貌類型大部分為低山丘陵,部分為中低山.區(qū)內(nèi)有崩塌313處,滑坡62處,泥石流173處,地面塌陷及地裂縫53處,共計601處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的38.70%,平均密度為1.84個/100 km2.區(qū)內(nèi)受人類工程活動影響比較強,巖土體較為松散,在公路沿線及巖土體類型接觸帶附近發(fā)生崩塌災(zāi)害較多,加之年平均降雨量較大,在汛期常發(fā)生泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,為崩塌、泥石流中易發(fā)區(qū)域.
(2)九臺-上河灣中易發(fā)區(qū)(II2)
位于九臺市,呈帶狀分布,面積2 004 km2,占研究區(qū)總面積的2.79%.區(qū)內(nèi)巖土體類型為砂礫巖、火山巖及砂類土,地貌類型為低山丘陵及沖洪積臺地,地形坡度10~40°.區(qū)內(nèi)煤礦、采石場較多,人類工程活動比較劇烈,地面塌陷災(zāi)害較為發(fā)育.區(qū)內(nèi)有崩塌51處,滑坡1處,泥石流6處,地面塌陷及地裂縫12處,共計70處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的4.51%,平均密度為2.79個/100 km2.由于區(qū)內(nèi)九臺煤礦開采并且修建鐵路、公路較多,因此引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較多,屬崩塌、地面塌陷為主的中等易發(fā)區(qū)域.
主要分布在巖土體類型較少,地質(zhì)構(gòu)造密度較低的地區(qū)以及平原區(qū),分布面積21 288 km2,占研究區(qū)總面積的29.59%.區(qū)內(nèi)有崩塌123處,滑坡10處,泥石流23處,地面塌陷及地裂縫1處,共計157處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的10.11%,平均密度為0.74個/100 km2.該區(qū)域大部地區(qū)地形比較平緩,地質(zhì)構(gòu)造較不發(fā)育,丘陵區(qū)森林植被覆蓋較好,不易發(fā)生危害性較大的地質(zhì)災(zāi)害.
(1)雙陽-萬昌-孤店子低易發(fā)區(qū)(III1)
位于伊舒槽地、伊通縣及吉林市,分布面積5 270 km2,占研究區(qū)總面積的7.33%.區(qū)內(nèi)有崩塌28處,滑坡3處,泥石流11處,地面塌陷及地裂縫1處,共計43處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的2.77%,平均密度為0.82個/100 km2.區(qū)內(nèi)巖土體類型較簡單,以砂類土和黏性土為主.該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害以土質(zhì)崩塌、水土流失為主,主要分布在河流沿岸,其表現(xiàn)形式多為人工切坡或河流沖刷形成的陡坎而導(dǎo)致的崩塌.
(2)林海-海浪低易發(fā)區(qū)(III2)
位于蛟河市與敦化市北部蛟河、牡丹江的上游,分布面積4 672 km2,占研究區(qū)總面積的6.49%.區(qū)內(nèi)有崩塌28處,滑坡6處,泥石流12處,共計46處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的2.96%,平均密度為0.98個/100 km2.區(qū)內(nèi)巖土體類型主要有堅硬塊狀中厚花崗巖、薄層狀軟弱花崗巖風(fēng)化殼、較堅硬塊狀-厚層狀火山碎屑巖,為崩塌低易發(fā)區(qū)域.
(3)平原地區(qū)為主地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)(III3)
主要分布在長春-德惠-農(nóng)安一帶,地形比較平坦,分布面積11 346 km2,占研究區(qū)總面積的15.77%.區(qū)內(nèi)共有67處小型崩塌點,1處滑坡點,共計68處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的4.38%,平均密度為0.60個/100 km2.區(qū)內(nèi)巖土體類型較簡單,主要為黃土狀亞黏土、亞砂土、砂、泥巖等.區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害以土質(zhì)崩塌為主,多分布在河流沿岸,其表現(xiàn)形式多為人工切坡或河流沖刷形成的陡坎.
(1)研究區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素是降水、地形地貌、巖土體類型、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動.區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生多由以上數(shù)種因素共同作用產(chǎn)生,其中降水是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的最主要的原因,其次為地形地貌.
(2)研究區(qū)內(nèi)的和龍市、龍井市、延吉市、琿春市、安圖縣部分地區(qū)、汪清縣嘎呀河上游沿岸以及長白山天池周邊等地為崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū),共有地質(zhì)災(zāi)害點726處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的46.75%;蛟河市、永吉縣、敦化市、汪清縣等低山丘陵地區(qū)為崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū),共有地質(zhì)災(zāi)害點671處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的43.21%;伊通縣、吉林市和長春-德惠-農(nóng)安一帶為崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū),共有地質(zhì)災(zāi)害點157處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的10.11%.
(3)研究區(qū)內(nèi)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)分布面積約占研究區(qū)總面積的22.31%,平均密度為4.52個/100 km2;中易發(fā)區(qū)分布面積約占研究區(qū)總面積48.10%,平均密度為1.94個/100 km2;低易發(fā)區(qū)分布面積約占研究區(qū)總面積29.59%,平均密度為0.74個/100 km2.