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1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第37卷 第1期 2010年1月 水文地质工程地质 HYDROGEOLOGY 21中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室,北京 100101 摘要定量评价经济活动所造成的区域地质环境压力及其动态变化,是当前我国加强地质环境管理、 协调经济发展与环 境效应面临的一个基本问题。本文首先利用物质流分析方法对我国1997～2006年省域地质环境与区域经济的物质流 进行核算,在此基础上建立了地质环境压力评价指标。所建立的评价指标不仅考虑了区域经济活动强度,同时考虑了区 域生态承载力,能够更好地反映经济活动对地质环境压力的大小。评价结果表明 1997～2006年,我国各省域地质环境 压力均呈增加趋势,但增长速率存在很大差异;我国地质环境压力重心在过去10年中发生了东移,从中部的山西能源基 地转移到了东部沿海的环渤海湾经济区和长三角经济区;降低地质环境压力的途径包括两个方面一是提高资源利用效 率,减少地质环境开发活动;二是控制废弃物对地质环境的污染,而重点在于前者。 关键词地质环境压力;物质流;生态承载力;评价指标 中图分类号 X82012 文献标识码 A 文章编号 1000236652010 0120095207 收稿日期 2009202216;修订日期 2009208221 基金项目国家自然科学基金资助项目40501010 ;中国地质 调查局地质大调查项目1212010660204 作者简介杨建锋19712 , 男,副研究员,博士,从事水文地质 环境地质研究。 E2mail jf . yangsohu. com 近年来,随着我国经济持续快速增长,农业生产、 资源开发、 工程建设、 城市化等经济活动对我国地质环 境的扰动达到了前所未有的程度,地质环境压力不断 增大,诱发了一系列地质环境问题。例如, 1998～2007 年全国每年地质灾害造成的死亡人数占自然灾害总死 亡人数的2919 [1 ] ;全国2 /3城市地下水水质普遍下 降, 300多个城市由于地下水污染造成供水紧张 [2 ]。 如果经济活动对地质环境的压力超过其承载能力,则 可能造成难以估量的灾难。如何定量评价经济活动所 造成的区域地质环境压力及其动态变化,从而协调经 济发展与环境效应,降低经济发展的地质环境成本,是 当前我国地质环境管理面临的一个基本问题。 物质流分析从物质的质量出发,通过跟踪社会经 济对自然资源的开发、 利用以及遗弃过程,揭示区域内 的物质流动特征,找出地质环境压力的直接来源,从而 能够有针对性地提出地质环境开发利用和管理措 施 [3～4]。采用物质流分析方法 , Niu等估算了我国社 会经济每年搬运的土壤和岩石数量 [5 ] , Chen等对我国 经济环境系统物质输入进行了估算 [6 ] ,杨建锋对我国 地质环境与社会经济的物质流进行了核算,结果表明 我国从地质环境获取的物质需求总量呈增加态势,致 使我国地质环境压力不断增大 [7 ]。以物质流分析成 果为基础,杨建锋等构建了地质环境压力评价指标体 系,并对我国2006年省域地质环境压力进行了比较评 价 [8 ]。本文首先利用物质流分析方法对我国 1997～ 2006年省域地质环境与区域经济的物质流进行核算, 在此基础上对我国区域地质环境压力变化进行了定量 评价。 1 理论与方法 社会经济从地质环境获取所需要的资源,包括化 石能源、 金属矿石、 地下水等,形成了地质环境向社会 经济的输入物质流;社会经济在生产和消费过程中排 出的工业垃圾、 生活垃圾、 废水等,形成了社会经济向 地质环境的输出物质流。这样,社会经济通过输入、 输 出流向地质环境施加了两种压力经济活动对地质环 境的开发压力和废弃物排放对地质环境的污染压力。 在这两种压力下,产生了各种地质环境问题。 111 物质流分析 输入物质流包括直接物质输入和隐流。直接物质 输入是指取自地质环境并进入社会经济系统的物质, 包括化石能源、 金属矿产等。地下水也属于直接物质 输入,但由于其输入量一般高于其它物质总和一个数 量级,一般将地下水单列。隐流是指社会经济在获取 地质资源时所需移动的、 本身不进入社会经济系统的 物质,包括开采地质资源需要剥离的岩石、 经济活动造 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 96 杨建锋,等我国区域地质环境压力变化的定量评价2010年 成的土壤流失等。输出物质流包括区域内物质输出、 区域外物质输出和隐流。区域内物质输出是指社会经 济在加工、 制造、 利用、 遗弃等生产-消费过程中排放 到地质环境中的各种物质,包括工业垃圾、 生活垃圾 等。区域外物质输出是以产品的形式出口到区域外的 矿产品、 半成品或成品。详细的物质流计算方法参见 参考文献[7 ],本文不再赘述。 112 地质环境压力评价指标 地质环境压力指数,指在经济发展过程中,由于矿 产资源开发、 工程建设、 城市化、 农业生产等经济活动 以及生产-消费过程中固体废弃物、 垃圾、 污水排放, 对地质环境造成的压力大小。评价指标体系包括9个 指标表 1 。地质环境压力指数按照下式计算 [8] Gk ∑ n i 1 Wi∑ m j1 wjxjk1 式中 Gk k地区地质环境压力指数; Wi 主体评价指标的权重; wj 群体指标的权重; xjk 各k地区j指标的标准值; n 主体评价指标的个数; m 群体评价指标的个数。 表1 地质环境压力评价指标体系 Table 1 uation index of geo2environmental pressure 目标层准则层指标层指标含义 地质环境 压力指数 地质环境开 发压力指数 地质环境污 染压力指数 矿产资源开发强度 单位面积矿产资源开发量及其隐流,包括能源矿产、 黑色金属矿产、 有色金属矿产、 工业矿物、 建 筑材料等。 工程建设开发强度单位面积工程建设搬移土石量,包括水利工程建设、 公路建设和铁路建设等。 房屋建设开发强度单位面积房屋建设搬移土石量,包括住宅建设、 商品楼建设等。 农田土壤侵蚀强度单位面积农田土壤侵蚀量。 地下水开采程度地下水现状开采量与地下水可开采资源量的比值。 固体废物排放强度 单位面积工业固体废物排放量,包括危险废物、 冶炼废渣、 粉煤灰、 炉渣、 煤矸石、 尾矿、 放射性废 物等。 生活垃圾排放强度单位面积城市生活垃圾排放量。 化肥施用强度单位面积化肥施用量。 废水污染物排放强度 单位面积废水污染物排放量。污染物包括工业废水和生活废水中的汞、 镉、 六价铬、 铅、 砷、 挥发 酚、 氰化物、 石油类、 氨氮等。 由于自然条件的差异,不同地区地质环境承载力 是不相同的。同样的经济活动规模,在不同地区造成 的地质环境压力也可能并不相同。因此,在计算“ 矿 产资源开发强度 ” 等指标时,不能简单地将相应的物 质流平均分摊到“ 国土面积 ” 上。为了使不同地区地 质环境压力具有横向可比性,有必要将不同地区的国 土面积按照某一标准转换为具有相同承载能力的标准 土地面积。生态足迹方法为此提供了成熟的解决方 案 生态承载力 [9 ]。 113 生态承载力计算 20世 纪90年 代 生 态 经 济 学 家Rees和 Wackernagel提出了生态足迹理论 [10 ]。该理论认为 维持给定数量人口的经济社会发展,需要一定面积的 土地提供经济活动所消耗的自然资源,同时消纳生产 -消费过程中排放的废弃物。由于不同地区的自然条 件和土地利用方式存在很大差异,为了便于地区间的 比较和评价,该理论定义了标准化的生物生产性土地 面积,其度量单位为全球公顷gha。通过引入均衡 因子和产量因子,生态足迹方法可将一个地区实有的 国土面积转换为标准生物生产性土地面积。一个地区 的标准生物生产性土地面积就是该地区的生态承载 力。如果该地区社会经济活动超过了其生态承载力, 则说明其生态环境不足以支撑当地人口的生产和消费 水平,其经济发展可持续能力较差。 从以上论述可知,某一地区的生态承载力表示该 地区所具有的开发自然资源和消纳废弃物的最大承载 负荷。所以,可以把采用物质流方法计算得到的一个 地区的物质流平均分摊到其标准生物生产性土地面积 即生态承载力上,代表该地区经济活动对地质环境 的平均压力。这样,不同地区的物质流所分摊的土地 均是具有相同承载能力的生物生产性土地,所计算得 出的地质环境压力是在同一参照系下真实的、 可比较 的数量指标。 自1999年生态足迹方法引入我国以来,生态承载 力的研究成果已经覆盖了我国所有省域。本文采用中 国21世纪议程管理中心可持续发展战略研究组的计 算成果表 2 [11]。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期水文地质工程地质 97 表2 中国各地区生态承载力 Table 2 Provincial bio2capacity gha 地区生态承载力地区生态承载力地区生态承载力地区生态承载力地区生态承载力 北京3 311 272黑龙江61 012 371山东34 427 568重庆12 174 600青海20 620 026 天津2 459 457上海1 898 316河南33 682 584四川45 343 076宁夏6 039 252 河北31 224 720江苏22 135 488湖北22 074 536贵州23 102 850新疆26 855 676 山西20 540 310浙江15 406 038湖南27 395 760云南43 660 416总计79 055 9564 内蒙古68 668 776安徽25 943 324广东29 132 182西藏37 741 100 辽宁23 393 760福建15 109 263广西26 350 430陕西27 556 620 吉林29 429 664江西21 072 600海南5 581 404甘肃27 216 126 注由于缺乏相关数据,本次评价暂不包括台湾。 2 数据与处理 我国人口、 地区生产总值等数据是按照行政区域 统计的,所以本次评价以省级行政区域为单元,以 1997、2000、2003、2006年为评价年,通过这4年的数 据反映1997～2006年地质环境压力变化情况。由于 缺乏相关数据,本次评价暂不包括台湾。 社会经济数据包括人口、 地区生产总值、 耕地面积 等,来源于 中国统计年鉴 。能源矿产产量数据来源 于 中国能源统计年鉴 。黑色金属矿产产量数据来 源于 中国钢铁统计年鉴 和 中国矿业年鉴 。有色 金属、 非金属矿产、 建筑材料产量数据来源于中国有 色金属工业年鉴 和 中国国土资源年鉴 。水利建设 数据来源于中国水利年鉴 。交通数据包括公路里 程、 铁路里程来源于中国统计年鉴 和中国交通年 鉴 。房屋建设数据来源于 中国建筑业年鉴 。人类 活动下产生的水土流失,仅包括农业活动造成的农田 土壤流失,采用孙新章等人的研究成果 [12 ]。地下水开 采量来源于 中国水资源公报 ,地下水可开采资源量 来源于新一轮全国地下水资源评价成果 [2]。废弃物 排放数据包括工业固体废弃物、 城市生活垃圾、 废水排 放量、 废水污染物等,来源于中国环境统计年鉴 。 农业化肥施用量来源于 中国农业年鉴 。 矿产开发的隐流计算采用隐流比率法。铁矿石、 有色金属矿石的隐流比率根据中国矿业年鉴 、 中 国有色金属工业年鉴 上提供的往年隐流数据计算而 得。其他金属、 非金属、 建筑材料和原煤地下开采的隐 流比率采用德国Wuppertal研究所物质流数据库提供 的数据。 本文收集了1997、2000、2003、2006年4个年份的 相关数据,有个别数据存在缺失情况。为了保证计算 的连续,采用间接方法对缺失数据进行了估算,即建立 其与相关指标的统计关系,推算得出缺失数据。例如, 水利工程建设土方量和石方量数据缺失1997年的数 据,则利用1998年的数据建立土方量、 石方量与水利 基本建设投资完成额之间的统计关系,然后根据1997 年的水利基本建设投资完成额推算得出1997年水利 工程建设土方量和石方量数据。1997年和2000年有 部分统计数据重庆和四川没有分开,因此这两年重庆 和四川是作为一个省域进行评价的。 3 结果与讨论 311 1997～2006年各省物质流变化 表3列出了1997～2006年我国各省输入物质流 和输出物质流核算结果。从表3可以看出, 1997～ 2006年,我国各省的输入物质流和输出物质流均呈增 长趋势,说明各个省的经济活动对本地地质环境的开 发、 扰动和污染的程度不断加大。输入物质流增长最 快的5个省份是天津、 宁夏、 浙江、 上海和山东,年平均 增长 率 分 别 为3712、2815、2813、2810和 2515;输出物质流增长最快的5个省份是西藏、 福 建、 贵 州、 内 蒙古 和 青 海,年 平均 增 长 率 分 别 为 4216、3915、3811、2115和1912。 312 省域地质环境压力对比 表4给出了我国各省域地质环境压力评价结果。 从表4和图1可以看出, 1997～2006年,我国各省域 地质环境压力均呈增长趋势。1997年地质环境压力 最大的5个省分别是上海、 北京、 山西、 河北和辽宁,平 均地质环境压力指数为3218; 2006年地质环境压力最 大的5个省分别是上海、 浙江、 山西、 天津和北京,平均 地质环境压力指数为6116,比1997年增加了8718。 1997年地质环境压力最小的5个省分别是海南、 新 疆、 内蒙古、 青海和西藏,平均地质环境压力指数为 410; 2006年地质环境压力最小的5个省分别是内蒙 古、 黑龙江、 广西、 青海和西藏,平均地质环境压力指数 为810,比1997年增加了10010。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 98 杨建锋,等我国区域地质环境压力变化的定量评价2010年 表3 1997～2006年我国各省输入物质流和输出物质流核算结果 Table 3 Materi al flow analysis results for provi ncial economy from 1997 to 2006 地区 输入物质流不含地下水 104 t 固体输出物质流104 t 1997年2000年2003年2006年年平均增长率 1997年2000年2003年2006年年平均增长率 北京18 02119 00918 10227 2305171 5941 4021 6551 909212 天津4 5477 25910 81819 75137127147118341 4711118 河北90 20195 669126 281210 03814186 7347 8629 97115 2111410 山西125 66894 777143 031200 8786164 6708 3579 94312 3811813 内蒙古46 66868 53460 486117 84016193 1232 7614 1329 1582115 辽宁66 17479 93977 930122 5169157 7158 5109 15413 888819 吉林34 68637 22741 92173 15412132 3412 3572 4393 498515 黑龙江66 92494 09071 47192 0434124 5093 7334 2665 071114 上海6 8196 94312 73924 01228101 7981 8982 2602 736518 江苏84 22099 558117 611175 01012103 3573 8895 0038 3871616 浙江59 548107 664129 594211 35728131 5451 9122 7413 8781618 安徽57 88191 96188 722173 22622113 3883 3964 2105 719716 福建34 82735 98642 20363 7949121 0262 5313 3674 6783915 江西37 05554 48969 44894 65917134 1575 1016 5307 797917 山东94 303127 747136 715310 90025155 7586 5988 40212 4421219 河南76 51683 91583 989198 88317183 7614 5965 5868 7051416 湖北59 99069 15581 216162 38519102 8893 7154 1965 296913 湖南43 13388 04488 49184 27810162 1902 8953 3864 4081112 广东73 068118 96999 728153 05112122 3932 7503 8934 9101117 广西45 84435 19154 33445 9140101 9762 4413 6334 3161312 海南7 23014 27215 29116 2281318197192210235212 四川106 558156 848162 240179 8127165 0426 8507 52010 4351119 贵州4 273136 46550 06280 4309181 3742 5914 0346 0863811 云南68 40666 69975 111173 39217112 3263 4623 7456 3331911 西藏5 25927 5426 46714 62319183453471634216 陕西69 79075 55882 974104 2865152 4772 9803 4415 2311214 甘肃48 83457 19953 44469 9904181 8111 9562 4182 936619 青海9 20520 54016 13119 09811193484404429491912 宁夏6 41112 17214 61422 8522815509578726926911 新疆30 20332 73449 67467 77913189591 0571 5121 9961210 注由于1996年、2000年四川省与重庆市部分统计数据没有分开,在计算时将重庆市包含在四川省内;由于缺乏相关数据,本次评价暂不包括台湾。 表4 1997～2006年我国各省域地质环境压力指数计算结果 Table 4 Calculation results of provi ncial geo2environmental pressure from 1997 to 2006 地区1997年2000年2003年2006年年平均增长率 地区1997年2000年2003年2006年 年平均增长率 西藏01022163011611191 91018新疆518761879186131231015 浙江191453319341116651011711广东121912011617163261171012 青海11874137314641641613福建11144131711614224137918 云南713271558145191191518江苏2015324105271654114911 重庆91471319726142251471418上海43147431025517283198818 安徽12127181111810331271416吉林810691061010315104811 湖北14131617419149361361313河北26102271123215546173715 宁夏71841216915124201941313山西33198301014115955189618 山东201742610527108501471219辽宁22101241852510236136615 天津20158271063311521281214四川9147131971112914132611 河南161241714317185351161119陕西15175171041812622181415 海南6132111912155131491113甘肃12119131941316116167318 内蒙古517471567175121821111北京38148391533718850158316 贵州816481521119919101019广西818171351112410141312 湖南81531615517112161991017黑龙江917310174815210176118 江西11131151551914925161015 注由于缺乏相关数据,本次评价暂不包括台湾。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期水文地质工程地质 99 虽然各省域地质环境压力均呈增长趋势,但各省 增长速率有很大差异。从表3可知,年平均增长率最 大的是西藏,高达191018 ,说明虽然在所有省份中 西藏地质环境压力是最小的,但其地质环境压力增长 是最快的。其次是浙江、 青海、 云南、 重庆。年平均增 长率最小的省份有北京、 广西和黑龙江,说明其社会经 济发展对地质环境压力处于缓慢增加状态。但北京与 广西、 黑龙江不同,北京地质环境压力底数大,虽然年 平均增长率小,但其绝对数量很大;广西和黑龙江地质 环境压力底数小,年平均增长率小,绝对数量也小。 图1 我国1997年和2006年省域地质环境压力对比 Fig. 1 Comparison of provinci al geo2environmental pressure in 1997 and 2006 根据4年评价结果,绘制成图2。从图中可以看 出,大体上地质环境污染压力指数与地质环境开发压 力指数呈正相关关系,开发压力越大,则污染压力也越 大。这说明一个地区地质环境开发强度越大,则经济 活动对环境污染的可能越大。因此,降低一个地区地 质环境压力的途径包括两个方面一是提高资源利用 效率,减少地质环境开发活动;二是控制废弃物对地质 环境的污染,而重点在于前者。 图2 地质环境开发压力指数与地质环境 污染压力指数的关系 Fig. 2 Relationship between development pressure i ndex and contam ination pressure index of geo2environment 313 区域地质环境压力变化 按照评价结果对地质环境压力进行了定性分级 地质环境压力很大≥ 50 、 地质环境压力大 30 ～50 、 地质环境压力中等 20 ～30 、 地质环境压力小 10 ～20 、 地质环境压力很小 10。从图3可 知, 1997～2006年,地质环境压力很大及大的区域面 积呈扩大态势,从1997年的3个省域增加到2006年 的12个省域;而地质环境压力很小的区域面积逐年减 少,从1997年的12个省域减少到2006年的2个省 域。从区域分布来说,总体上地质环境从东部沿海地 区向西部地区呈减小态势,地质环境压力大的区域主 要分布在东部沿海地区和长江以北的中部地区。 分析我国地质环境压力重心,可以推知我国地质 环境压力重心在过去10年中发生了东移,从中部的山 西能源基地转移到了东部沿海的环渤海湾经济区和长 三角经济区。1997～2006年,上海、 北京和山西3个 省域的地质环境压力始终处于大或很大的状态,说明 经济活动对地质环境产生了越来越大的压力,其累积 效应使其成为地下水污染、 地面沉降、 矿山地质灾害等 地质环境问题频繁、 集中发生的区域。 从地质环境压力区域分布和经济增长区域分布的 关系来看,地质环境压力较大的区域往往也是经济发 展较快的区域,地质环境压力的重心也与我国经济增 长的两极 长三角经济区和环渤海湾经济区相重 合。这是由我国所处的经济发展阶段所决定的我国 正处在加快工业化和城市化的进程中,长期以来高投 入、 高消耗、 高排放、 低效率的粗放型经济增长方式未 能得到根本扭转,地质资源需求不断增加,废弃物的排 放亦随之增加。 4 结论 1 1997～2006年,我国各省域地质环境压力均 呈增长趋势,但是各省域地质环境压力增长速率存在 很大差异。2006年地质环境压力最大的5个省域平 均地质环境压力比1997年增加了8718 ,地质环境 压力最小的5个省域平均地质环境压力比1997年增 加了10010。 2我国地质环境压力重心在过去10年中发生 了东移,从中部的山西能源基地转移到了东部沿海的 环渤海湾经济区和长三角经济区。上海、 北京和山西 3个省域的地质环境压力始终处于大或很大的状态, 其累积效应使其成为地质环境问题频繁、 集中发生的 区域。 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 100 杨建锋,等我国区域地质环境压力变化的定量评价2010年 图3 1997～2006年我国区域地质环境压力变化示意图 Fig. 3 Changes in provincial geo2environmental pressure from 1997 to 2006 3降低地质环境压力的途径包括两个方面一 是提高资源利用效率,减少地质环境开发活动;二是控 制废弃物对地质环境的污染,而重点在于前者。 参考文献 [ 1 ] 中国人民共和国国土资源部.中国地质环境公报 2007 [R ].北京中华人民共和国国土资源部, 2008. [ 2 ] 张宗祜,李烈荣.中国地下水资源综合卷 [M ]. 北京中国地图出版社. [ 3 ] Rogich D, Cassara A, Wernich I,et al. Material flows in the United States a physical accounting of the U. S .industrial economy [R ]. Washington DC World Resources Institute report, 2008. [ 4 ] European Environment Agency .Sustainable use and management of natural resources [R ]. Luxembourg EEA report, 2005 1 - 68. [ 5 ] Niu W,Harris W M.Chinathe forecast of its environmental situationin the 21st century [ J ]. Journalof EnvironmentalManagement, 1996, 47 101 - 114. [ 6 ] Chen X,Qiao L.APreliminary Material Analysis of China [J ].Population and Environment, 2001, 231 117 - 126. [ 7 ] 杨建锋.我国地质环境与社会经济的物质流分析 [J ].自然资源学报, 2008, 23 4 553 - 559. 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Developm ent Research Center of China Geological Survey, B eijing 100037, China; 2.Institute of Geographical Sciences and Natural Resources Research, Beijing 100101, China Abstract In order to strengthen regional geo2environmentalmanagement and reduce environmental side effect of economic development,it is urgent to uate temporal changes in regional geo2environmental pressure caused by economic activities for decision2makers .This paper esti mates material flows from and to its geo2 environment for each provincial industrial economy from 1997 to 2006 using the of material flow accounting, and establishes an index system of regional geo2environment pressure uation.The index system takes account of economic activity intensity and regional ecological carry capacity .It reasonably reflects real regional geo2environmental pressure.The uation results indicate that regional geo2environmental pressure for each province rose from 1997 to 2006, but their rates differed greatly .The epicenter of geo2 environmental pressure in China moved eastward in past 10 years from Shanxi energy base in middle China to the Bohai Sea economic region and the Yangtze River Delta along the east coast .Solutions to decrease geo2 environmental pressure may include two measuresto increase resources utilization efficiency and reduce development activities of geo2environment, and to controlwaste drainage to reduce possible contamination. Key words geo2environmental pressure; material flow; ecological carrying capacity; index 责任编辑汪美华 上接第94页 [ 7 ] 黄英,符必昌,金克盛,等.不同排水条件加筋红土 三轴试验研究[J ].昆明理工大学学报理工版, 2006, 311 56 - 60. [ 8 ] 黄英,符必昌,金克盛,等.加筋红土的广义等效围 压和极限平衡条件[J ].岩土力学, 2007, 28 3 533 - 539. [ 9 ] 黄英,何发祥,符必昌.玻璃纤维与红土的界面作 用特性研究[J ].水文地质工程地质, 2003, 30 4 7 - 12. Strength research of rei nforced laterite i n different failure models HUANG Ying, FU Bi2chang, J I N Ke2sheng Kunm ing University of Science and Technology, Kunm ing 650051, China Abstract Base on equivalent confinement pressure and according to the different functions of the materials when the reinforced soil is pull or cohering to failure, the ula of equivalent confining pressure is carried out in the t wo failure models in which it is abated and the strength parameters are decided,the affect of drainage on the strength