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海岸带城市地质环境特征与 海岸带城市地质环境特征与 主要地质环境问题主要地质环境问题 陈梦熊 （国土资源部咨询研究中心，100035，北京） 摘要 在综合分析我国海岸带地质环境基本特征的基础上， 重点对上海市当前存在的主要 环境问题及其防治措施，进行了分析论证。特别由于海平面上升，对今后地质环境可能造 成的不利影响，以及海岸带广泛分布的软土层，对地下空间开发造成的影响，分别进行了 比较深入的探讨。 关键词海岸带 地质环境 特征 一、前言 我国海岸线很长，是全球海岸线最长的国家之一。沿海地区人口稠密，经 济发达，全国70以上的大、中城市，都集中在沿海地区。沿海自然环境与地质 条件均较复杂，自实行改革开放以来，经济建设突飞猛进在大规模的经济建 设中，不少地方地质环境遭到严重破坏，各类地质灾害频频发生。特别是近年 来由于温室效应引发的海平面上升，将使沿海地区的地质环境更趋复杂化；对 今后沿海自然环境的演变，以及对社会经济的发展，都会带来严重影响，是一 个值得关注的全球性问题。 人类赖以生存和发展的空间，是一个由大气圈、岩石圈、生物阁、水圈组 成的一个巨大而又复杂的动态体系；各圈层之间互相作用、相互依存，构成人 类生存的总环境口其中地质环境对人类生活、生产活动的关系最为密切。查明 城市地质环境，研究各种地质灾害和综合评价地质环境质量，是为城市规划、 城市各类资源的合理开发利用，提供基础资料。 二、沿海地区地质环境的基本特征 我国沿海和海域，地质环境复杂多变。近年来随着沿海经济的迅速发展和 海洋资源的大规模开发，地质环境遭到日益严重的破坏。在自然条件和人类活 动的综合作用下，各类地质灾害频繁发生。因此，当前保护沿海地区的地质环 境，防治地质灾害，就显得十分重要。以下对我国沿海地区地质环境的基本特 征与存在的主要环境地质问题（图1），综述如下 1.平原海岸淤泥质软土发育滨海平原海相淤泥质软土普遍分布，属软弱 地基。对沿海城市建筑、工业基地、码头海港、铁路公路路基，以及机场等各 类建筑物不利，是选线选址阶段就必须查明的主要地质问题。许多滨海城市， 如上海、天津等，由于过量开采地下水，使软土层释水压缩而发生地面沉降， 对国民经济和人民生活造成严重危害。 2.岩石风化壳发育 隆起带基岩海岸以花岗岩、 火山岩、 变质岩等分布最广， 风化作用强烈（包括北方地区），风化带的厚度可达10-5Om左右，不仅对建筑基 础不利，而且也是造成山坡塌方、水土流失等地质灾害的主要原因。部分地段分 布碳酸盐岩，岩溶化作用强烈，但岩溶水资源丰富，是大连、秦皇岛、广州等城 市重要供水水源之一。不少地区由于过量开采地下水，造成岩溶塌陷，影响地面 建筑物。矿区由于坑道排水，造成地面塌陷更为严重。 3.海岸侵蚀与河口淤积加剧我国沿海海岸极不稳定，一方面上升海岸由 于海浪、海潮的强烈冲刷，出现明显的蚀退现象，造成岸坡崩塌式滑动，使海 岸建筑以及土地资源或旅游资源等遭受破坏，并威胁港口码头的安全。另一方 面，深河、黄河、长江、珠江等大河河口及临近地区，海岸不断淤涨，如黄河 三角洲每年以2-3km的速度向前伸展；同时在自然因素与人为作用双重影响下， 一些港口和航道淤塞严重，影响海港与航道的正常运行。海岸侵蚀或河口淤积， 都一定程度地受地壳升降运动强弱的控制与影响。 4.沿海城市三废污染严重由于沿海地区人口密集，工业发达，三废污染十 分突出；而且广大农村由于乡镇企业的发展，以及施用农药化肥和实行污灌等 原因，污染情况也极严重。城市生活污水及工业废水的不合理排放，以及生活 垃圾和工业废渣的缺乏科学管理，对地表水、地下水造成的污染，不仅危及人 体健康，并影响河流、湖泊及海洋，大量水生生物死亡，同时也破坏了淡水资 源，使城市供水水源更趋紧张。同样大气污染不仅影响人体健康，而且形成全 球性的“温室效应”，影响全球气候的变化。 5.地下水咸淡交错、水质复杂沿海平原由于第四纪以来，受多次海侵的影 响，大部分地区有咸水层分布。北方地区浅部以咸水层为主，有些地方淡水层埋 藏很深 南方常见咸淡水层交错分布， 或淡水层中夹残留咸水透镜体 （如宁波） 。 许多滨海城市如大连、秦皇岛、莱州、宁波、北海等，由于大量开采地下水，动 水位降低到海平面以下，造成海水入侵或咸水入侵。河北黄骅等地区分布高氟地 下水，不少居民中毒。有些沿海地区，可能由于地下水含腐殖酸较高，癌症发病 率明显高于一般地区。例如江苏启东、上海、浙江、福建、广东等沿海地区，均 为肝癌的高发地区，死亡率往往高于内地。 6.活动断裂与地震东部沿海位处环太平洋地震带，活动断裂发育，许多滨 海城市存在地震活动、影响区域地壳稳定性。例如海城、唐山、天津等地，在70 年代均发生过7级左右的破坏性强震。南方福州附近及广州、深圳一带，地震烈 度达7-8度。渤海湾、黄海、东海海域，也曾多次发生6级以上地震。现沿海地区 的地震活动，是重大地质灾害问题之一。 沿海地区由于国民经济的迅速发展， 新兴城镇不断扩大， 城市人口日益增长， 工业厂矿或乡镇企业如雨后春笋，交通运输业如铁路、公路、机场、海港、码头 等建设日新月异。入类活动的加剧，使各类地质灾害频繁发生，地质环境问题日 益突出，引起各方关注。如由于各类工程建设造成的滑坡、崩塌、地基沉陷、矿 坑突水、坑道塌落等地质灾害由于水资源过量开采造成的地面沉降、岩溶塌陷、 地裂缝、海水入侵、水质恶化、名泉涸竭等现象;由于农业活动造成的农药化肥 对土壤、水体的污染、山坡植被破坏导致水土流失，围海、围湖造成河道、港口 淤积，洪涝灾害加剧，由于三废的不合理排放，造成环境污染，等等。 图1 我国沿海地区地质环境的基本特征与存在的主要环境地质问题 三、海平面上升对地质环境的影响 引起海平面上升的原因十分复杂， 其中由于工业发展而产生的大量CO2等 “温 室气体”，是造成温室效应并导致气候暖化、引发海平面上升的主导因素。沿海 三角洲平原由于地质作用造成的地壳下沉与人为作用， 即地下水开采所造成的地 面沉降，使海平面上升问题更加复杂化。特别是人为作用造成的地面沉降，其下 降幅度往往大于海平面的上升率，成为相对海平面上升幅度中的主要因素。因此 预测相对海平面的上升变化，比评估理论海平面上升值更具现实意义。 1992年中科院地学部组织考察组，对沿海地区海平面上升问题进行了专门 考察， 并根据国内外有关资料的综合分析 对我国沿海三大三角洲地区， 到2050 年海平面可能达到的上升幅度，做出如下初步的综合评估 （1）珠江三角洲地 区海平面上升幅度为50-60cm； （2）长江三角洲地区，海平面上升幅度为 60-80cm；（3）天津地区海平面上升幅度为70-90cm。根据上述估算，从全国范 围来看，海平面上升幅度大致介于0.5-1m之间。但由于非确定性因素太多，在 目前还很难做出更精确的预测。 如果到2050年，海平面上升按0.5-1m的幅度对地质环境可能发生的影响进 行预测，那么其可能造成的危害，是十分惊人的。例如海平面上升0.5m，天津 市44的面积将被导致海浪作用加强，风暴潮加剧；据计算潮位上升1cm，潮差 将增加0.34-0.69cm，风暴潮的强度和频率将随海平面上升幅度的增加而增大。 潮位提升使潮流顶托作用加强，导致洪涝灾害加重，河口海水倒灌，咸水入侵。 沿海城市由于地下水过量开来形成海水入侵，其影响范围将迅速扩大。海潮顶 托作用使洞口淤积作用加强，河床抬高影响航道运行；污水排放受阻，使污染 范围扩大。海平面上升，直接使沿海海堤等防御工程以及各种建筑物的防卫功 能大大降低。例如上海外滩防洪墙按千年一遇设计，但相对海平面上升0.5m， 则堤防标准将降为百年一遇。因此，当前沿海地带正在规划设计中的公路、铁 路、海港、码头、机场、厂矿，以及城市建筑等，如果不考虑海平面上升因素， 提高设计标准，那么其后果是不堪设想的（图2）。 四、海岸带城市主要地质环境问题的探讨 1.海平面上升与控制地面沉降2自20世纪50年代以来， 由于温室效应全球变 暖日益明显，海平面上升也同样日益呈加剧趋势。据1992年中科院考察组的预 测，若迭加地面沉降，到2050年海平面将上升6040cm若按1990’s的上升速率， 预测到2100年将超过1.5m。国外专家根据C02的排放量计算，到2050年排放量可 能增加一倍，海平将上升到1m左右。由于不确定因素很多，因此对海平面上升 幅度不可能做出精确判断。但地面沉降对海平面上升造成的相对升降幅度具有 重要作用，即地面沉降量越大，海平面相对变幅也愈大，所以严格控制地面沉 降，对减轻由于海平面上升造成的灾害，至关重要。 2.海平面上升与陆地海侵 海平面上升首先将使沿海大片低洼地区被淹没， 据估计海平面上升100cm，长江三角洲海拔2m以下的150Okm 2低洼地，将大部分 被淹没。滩涂地带首当其冲，大片土地受海水侵没，会导致地基软化、地下水 位上升、水质变咸、土壤盐碱化加重，生态环境恶化。据计算长江三角洲海平 面上升40-100cm，各海区0.3。等盐度线的入侵距离将普遍增加3km。上海市沿 海盐碱地面积约53.4万亩，势将逐渐扩大；大片围垦的滩涂耕地将受到严重威 胁。 据预测，上海海平面上升50cm时，沿江河水的含盐量，全年将有2000小时 超过饮用水标准。 咸水入侵的距离， 在枯季将比现状增加6.5km。 每年枯季 （11-4 月） 海水入侵可上达闵行附近，长达60-100天。1979年大旱，海水向上延伸 175km，崇明岛被海水围困达5个月之久，对沿江厂矿和水厂、水库造成严重损 失。除气候因素外，地面沉降和重大工程如南水北调和三峡水库的建设，如果 下泄水量得不到合理调节，都会加剧海平面上升对海水入侵造成的危害。 3.风暴潮与洪涝灾害加剧;海平面上升使水深和潮差加大， 海浪和潮流作用 随之加强。据实验水深增加一倍，海浪强度增5.6倍。海平面上升导致风暴潮的 强度和频率都会随之加强，造成严重经济损失。近几十年来的许多具体事实， 都足以证明。据预测相对海平面上升50cm，将使现状百年一遇的风暴潮变为10 年一遇。海平面上升使潮流顶托作用加强，入侵速度加快，入侵范围扩大，从 而使沿海低洼地洪涝灾害加重。 黄浦江吴淞口平均高潮位为5.7cm， 而上海市平 均高程仅为吴淞口标高4m左右，因而洪涝潮汛，是上海面临的一个重大隐患。 4.河口淤积作用加强，造成河道淤塞海平面上升使河流侵蚀基准面抬高， 海潮顶托作用增强，加强了河流下游的淤积作用，使河床相应抬高，不仅增加 洪涝灾害的危险而且造成河道淤塞，严重影响航道海港的正常运行口上海吴淞 口宽约40km的拦门沙，水深仅6m左右，每年清淤量达2000万m3，严重影响通航 能力。据预测，如果海平面上升0.5m，拦门沙可能内移1km，危害程度也将更为 扩大。河道淤塞导致词道水位抬高，在潮流顶托的双重影响下，河流自排时间 缩短，排水速度减缓，不仅洪涝威胁加大，而且由于排水不畅使城镇污水排放 困难，甚至倒灌造成河网内水域污染扩大、加重，使供水水质恶化，直接威胁 供水水源地。 5.海平面上升对工程建筑防御功能的影响海平面上升直接使沿海许多防 御工程以及其它各种建筑物的防卫功能大大降低口例如由于海平面上升，使原 来修建的堤围及，海堤的设计标准降级，急需重新调整设计，加强防御能力， 以避免不必要的损失。例如上海外滩为保证安全，防洪墙高程按千年一遇标高 修建，但相对海平面上升0.5m，则堤防标准将降为百年一遇，抗灾能力将显著 降低口上海老港区码头标高都在5.8m左右，海平面上升会造成受风暴潮淹没次 数的增加，受淹港区扩大，港区功能将逐渐衰退，愈来愈不能适应上海经济发 展的需要。海平面上升使桥闸净空减小，将严重影响河流运行的功能。有些深 水港由于淤积影响而减低了水深，不能发挥深水港的作用。目前上海市正在开 始大规模的城市建设，包括铁路、公路、码头、海港、机场等，都正在规划、 设计或兴建之中，如果不考虑海平面上升因素提高设计标准，那么其后果将是 十分严重的。 6.地面沉降的危害及其治理主要由超量开采地下水造成的地面沉降，是 海岸带城市普遍存在的重大地质灾害问题之一。上海市地面沉降的发展，从上 世纪20年代以来，大致可划分两个阶段。前期为快速沉降时期（1921-1965）， 地面累计沉降量为1.69m， 年均沉降37.6mm 后期为控制沉降时期 （1966至今） ， 平均累积沉降量251.3mm，年均沉降量约6.8mm。由此可见，由于采用了综合治 理措施，上海地面沉降从上世纪70年代以来，已基本得到控制。但从90年代起， 由于城市迅猛发展，加强了深部第4、5含水层的开发，使地面沉降又有加剧趋 势。大面积高层建筑物的兴建，经监测也证明成为形成地面沉降的重要因素之 一。据研究这一时期由于工程施工产生的地面沉降，约占总沉降量的32。地面 沉降不仅对地面、地下建筑物造成损害与破坏，而且加重洪涝等自然灾害的危 害。 特别是地面沉降与海平面上升相迭加， 将大大加重海平面上升造成的损失。 据上海地调院对上海市地面沉降灾害经济损失做出的评估，在1921-2000 年间80年间所造成的经济损失，约为2898.22亿元，平均年均约36.23亿元，其 中以间接经济损失为主， 约占总经济损失的95。 在同时期内如果在不控制沉降 的情况下， 据评估经济损失达3106.60亿元。 因而上海市控制地面沉降所取得的 经济效益，高达208.38亿元，年均5.79亿元。今后上海市仍面临地面沉降灾害 的风险，为降低损失风险，上海市应进一步加大对地面沉降的控制，提高治理 力度，增加减灾防灾投入，以取得更大的控沉减灾效益。 7.关于软土层与开发地下空间上海第四纪海陆相沉积厚达300-40Om， 岩性 岩相变化复杂。全区在垂向上共划分为5个承压水层，相对存在4个隔水层。浅 部70m之内，含有3个软土层与3个硬土层，常与饱和或半饱和粉砂层相间分布。 其中三个硬土层是本地区地面建筑物的主要持力层。由于地下工程一般都限于 浅部50m以内， 因此地下建筑物很难躲开或脱离软土层和流砂层， 因而地下工程 的施工条件十分困难。 软土层具有明显的结构性与流变性，因此在施工过程中，软土结构容易受 到工程活动的破坏，使其强度随之发生变化。特别是地下空间的开发，还将改 变软土的应力状态，不但会产生较大的固结沉降，而且会触发或加剧软土的次 固结沉降（流变），导致软土地基变形。在地下空间开发的影响范围内，粉砂 或砂质粉土层普遍具有渗流液化的特性；渗流液化不仅可在浅部砂层中发生， 在中、深部砂层，由于承压水的压力水头较高，因此在地下工程施工时，如不 采取有效的防渗措施， 就有可能在开挖面上， 由于渗水而发展成大规模的流砂、 涌砂，并可能同时触发大量的土体流动，使周围环境受到严重破坏。特别是当 地下工程从江、河等地表水体下穿越时，由流砂形成的管涌，可能使大量泥砂 和地表水体涌入地下结构物，造成重大财产损失或人员伤亡。 上海市对地下工程施工已有比较丰富的经验，例如上海地铁在施工条件十 分艰难的情况下，克服了种种困难，基本上全部在软土及流砂层中安全通过； 但由于软土层的复杂性， 意外事故仍时有发生。 为了保证施工安全与工程质量， 必须事先加强工程地质、水文地质工作，查明第四纪地层结构，软土层、流砂 层、硬土层、含水层、隔水层之间的相互关系与空间分布，各承压含水层的水 头压力及其水力联系，等等。特别是要查明软土层的层次变化、厚度变化，以 及水平方向与垂向之间物理力学性质的变化。例如软土的含水量、孔隙比、渗 透性、各向异性、不均匀性、饱和与非饱和性、固结与次固结性（流变）等特 性。地下工程属于岩土工程范畴，但岩土工程必须以水文地质工程地质工作为 基础，进行规划、设计。上海地调院（原上海地矿局）几十年来己完成大量基 础性工作，基本掌握全区水文地质工程地质条件的区域规律。但联系到具体工 程，就需要进一步进行详细勘察，同时还要加强有关软基加固技术、砂土抗液 化的工程措施，以及地下工程的排水疏干方法等的调查研究。 8.关于地震与活动断裂上海并非地震频发地区，但新构造运动比较发育， 并有活动断裂分布，值得注意。上海地震裂度定为6-7度，按规定7度就需要设 防，重要工程需要增加1度进行设计。由于上海市软土层及流砂层十分发育，地 下水位较高，水文地质工程地质条件较为复杂，应考虑在基本烈度的基础上， 根据地质条件的差异，有的地区可增加1度，有的地区可减少1度，编制成小区 域地震烈度分区图，以供设计部门参考。地震微震虽无破坏作用，但频率高， 对软土或流砂层液化、活动断裂和地裂隙的发展，能起到激化作用，值得进一 步研究。 9.关于三废污染及其防治上海地表水污染较为严重，近年来经大力整治， 已有所好转但今后受海平面上升影响，河水受海潮顶托，可能造成排污困难。 固体废物特别是城市垃圾的处理，尚未引起足够的重视许多垃圾填埋场，不 能达到工程规定要求，反而成为地表水和地下水的污染源。今后要加强为垃圾 填埋场选址和工程设计进行的水文地质工程地质勘察， 保证填埋场的工程质量。 由工业废气排放造成的酸雨，有日渐加重的趋势，值得重视。此外，由于受原 生环境的影响，滨海地区土体或水体中的含砷量较高，对人体有害。特别是含 硝酸盐较高，与海产品中的仲胺化合生成亚硝酸胺化合物，属于致癌物质，因 而癌症发病率较高，需要采取防治措施。 五、结束语 以上各类地质环境问题，实际上都是多种因素互相作用、互相影响形成的， 包括自然环堤因素与人类活动影响。例如地面沉降主要由于人类过量开采地下 水形成，但又与软土层的厚度、地壳运动，以及高层建筑等不同因素密切相关。 海平面上升与地面沉降本无直接关系，但两者相迭加，就会大大加剧地质灾害 的危害程度。海平面上升造成沿海江河海水入侵，既受气候条件和地面沉降的 影响，又受工程建设，如南水北调以及三峡水库等重大工程的制约。次要因素 有时也会转化为主要因素，可见海岸带的地质环境问题十分复杂。在上述各个 地质环境问题中，尤以海平面上升涉及的地质环境问题最为广泛，地面沉降在 各类地质灾害中所造成的经济损失最大。由于城市的高度发展，地下空间的开 发日益重要，软土变形对地下工程的影响，将成为海岸带一个新的重要的地质 环境问题。 地质环境既是自然环境中的一个组成部分，又和人类社会经济活动密切相 关，相互作用，相互制约，形成一个统一地错综复杂的动力系统。在它们相互 作用并不断演化的过程中，既可向良性循环发展，也可形成恶性循环。研究它 们之间的内在联系与演变规律，进而控制和消除有害的物质作用，使人类社会 经济活动与自然环境相协调，保护和合理利用地质环境，达到改善地质环境的 目的，使其有利于人类生存和有利于发展生产。 The City Geo-Environmental characteristics on Chinas coastal zone and the major Geo-Environment problems Chen Mengxiong The Consult Research-Centre, State-Land-Resources Ministry , 100035 , Beijing Abstract Based on Geo-environment characteristics of our coastal zone of comprehensive Analysis, it is focused on the present exist major environment problems and counter measurement are analyzed and proven. Especially the sea level uprising will bring harmful effect, as well as the soft clay ation widely distributed on the coast zone will cause harmful effect for the ground space development. For all these problems are profoundly discussed in the paper. Key words coastal zone, geo-environment, characteristics,