地质灾害对唐山市城市扩展的影响

〔文章编号〕　1002-2031(2007)11-0040-04地质灾害对唐山市城市扩展的影响汪宝存　苗　放　赖德军　晏明星　孙德亮 〔摘　要〕　如何准确地获取城市扩展的信息,并分析地质灾害对城市扩展的影响,对于指导城市规划具有重要的指导意义。

首先利用四个时相的MSS 、T M 、CBERS -2遥感图像,提取唐山市28年来建成区的面积,并且对四个时期城市建成区的扩展进行了全面分析。

然后从地质灾害的角度,分析了地震、岩溶塌陷、采煤塌陷这三个地质灾害对唐山市城市扩展的影响。

最后针对唐山市未来的城市扩展提出了建议。

〔关键词〕　唐山市;城市扩展;地震;地质灾害〔中图分类号〕　P694;T U984.11+4 〔文献标识码〕　A 〔作者简介〕　汪宝存(1980—),男,汉族,山东临沂人,成都理工大学地球科学学院硕士研究生,研究方向为I T 技术及其在地学中的应用;苗放(1958—),男,汉族,北京市人,成都理工大学信息工程学院院长,教授,博士,研究方向为空间信息技术及应用。

〔基金项目〕　国家高技术研究发展计划(2005AA644030-8)———863计划项目。

〔收稿日期〕　2007-05-20〔修回日期〕　2007-07-26 唐山市是一个地质灾害多发的城市。

1976年7月28日,唐山大地震夺去了24万人的生命,市区地面建筑和城市基础设施几乎全部被毁,直接经济损失达30多亿元。

震后,唐山市人民经过近30年的奋发努力,新唐山市重新崛起并走上了振兴之路。

本文利用遥感和地理信息系统技术,提取唐山市震后城市扩展的信息,结合唐山市易发生的几种地质灾害,分析了地质灾害对唐山市城市建设的影响。

一　城市边界信息的提取 1.唐山市概况唐山市是一座具有百年历史的重工业城市,位于东经118°04′-118°17′,北纬39°32′-39°44′之间。

唐山市地势平坦,有陡河从北往南穿城而过,属温带大陆性气候,平均气温10℃-11.3℃之间,平均降水量620-750毫米之间。

近年来随着人口的增长、经济的发展以及投资环境的不断改善,唐山市的建城区迅速扩展。

2.数据来源本文选用了MSS 、T M 和CBERS -2三种传感器四个时相的遥感图像。

具体信息如表1: 表1　MSS 、T M 和C BERS -2的一些参数波段数数据获取时间分辨率MSS 41977年7月4日79米T M 61988年7月3日1994年9月6日30米CBERS -242004年8月19日19.5米 3.遥感图像预处理为了保证遥感信息提取的可靠性、准确性以及后期遥感专题信息空间分析的正确性,首先对遥感图像进行大气校正,以获得准确的地表反射率特征。

在此基础上,对四个时相的遥感图像进行了几何精校正和配准。

从唐山市1∶50000地形图上选取控制点对四个时相的遥感数据进行校正,使它们具有相同的投影坐标系统。

4.城市边界的提取常用的遥感图像分类方法是以贝叶斯(Bayes )分类方法为代表的统计方法。

贝叶斯分类是在各类　总第148期城市问题2007年第11期　光谱数据满足统计正态性假设的条件下,理论上能获得最小的分类误差[1]。

杨存建和陈敏曾分别用谱间结构阈值法从T M影像上半自动地提取居民地信息[2-3]。

查勇、倪绍祥和杨山根据归一化差分植被指数(Nor malized D ifference Vegetable I ndex),提出归一化建筑指数(简称NDB I指数,Nor malized D ifference Built-up I ndex),利用T M图像成功提取了无锡市城镇用地信息[4]。

但是,由于城市地物的复杂性,存在着严重的同谱异物和异物同谱的现象,要想准确地提取出城市边界信息存在较大的难度。

为了准确地提取唐山市的城市边界信息,采用屏幕数字化技术直接从遥感图像上提取城市建筑物信息,具体的工作在A rc Map中完成。

二　城市扩展空间分析 1.城市扩展面积、速率将得到的数字化城市边界信息进行统计获得四个年份的建成区面积(表2)。

从统计结果可以看出,唐山市震后28年来城市建成区面积迅速扩大,从1976年的38.22平方公里增长到2004年的89195平方公里,建成区面积增加了51.73平方公里,年平均增长1.85平方公里,年均增长率4184%。

从表3可以看出,大地震之后的三个时间段里城市的年扩展速度不断增大,1976-1988年间只有1.60平方公里,1994-2004年达到了2.10平方公里。

而城市扩展的年平均增长率却不断下降,从1976-1988年间的4118%降到1994-2004年的3104%。

表2　四个年份的建成区面积(单位:平方公里)1976198819942004建成区面积38.2257.4068.9789.95 表3　建成区扩展的速度1976-19881988-19941994-20041976-2004年均增长速度(平方公里) 1.60 1.93 2.10 1.85年均增长率(%) 4.18 3.36 3.04 4.84 2.城市扩展的方向为了清楚地反映唐山市城市扩张的方向,将1976和2004年(图1A),1976和1988年(图1B), 1988和1994年(图1C),1994和2004年(图1D)提取的城市建成区边界图叠加,利用ARCGI S强大空间分析工具进行分析。

从图1可以看出,唐山市震后的扩展有明显的方向性,主要是向北和向西这两个方向,而向南和向东两个方向的城市扩展非常缓慢。

具体的统计如下:在1976年到2004年这28年间,唐山市建成区往北扩展了26.49平方公里,占总扩展面积的51.21%,往西扩展了15.17平方公里,占总扩展面积的29.33%,往南扩展了6.37平方公里,占总扩展面积的12.31%,往东扩展了3.70平方公里,占总扩展面积的7.15%。

图1　四个时间段的城市扩展图 三　地质灾害对城市扩展的影响 唐山市地处华北平原的东北部,为低山丘陵和山岗平原交接地带。

北部山区主要为太古界、元古界地层;南部平原区第四系之下为古生界含煤地层。

区内褶皱构造发育,主要有开平向斜、卑子院背斜;断层大体沿陡河分布,斜穿市区,并均为活断层。

活断层及古生界碳酸盐岩的存在,以及煤炭的大量开采是唐山市地质灾害频繁的主要原因。

唐山市是一个以地震灾害为主,伴有岩溶塌陷、采煤塌陷等多种地质灾害的城市[5]。

1.地震对唐山市城市扩展的影响唐山市位于唐山断裂带上,唐山断裂带是市内一条与褶皱相伴生的复杂断裂构造带,主要分布于所在背斜的东南翼和开平向斜的西北翼,由一系列相互平行的NNE-NE向断裂组成(图2),控制着本区的地震与地质构造活动[6]。

1976年7月28日凌晨3时42分,唐山市发生7.8级强烈地震,震中烈度高达11度。

据有关方面统计,这次地震使城市一般民用建筑物毁坏94%,工业建筑物倒塌和遭受不同程度毁坏高达90%[7]。

唐山市被夷为平地,今天的唐山市是在震后废墟上重新建设起来的。

据震后对唐山市的全面勘查结果,国家提出了唐山市的总体发展战略,实行收缩重建的方针。

其基本精神是压缩城市规模,控制城市人口,减少占地面积,加快住宅建设。

具体的规划方案是,将穿城而过的陡河和位于市中心的大城山作为天然屏障,以东为钢铁和陶瓷工业区,以北为机械工业区,以西为生活区。

由于路南区地质条件复杂并有一条活动断裂带,因此决定原路南区不再重建,原来的唐山机车车辆厂、齿轮厂等八个较大的工厂搬到距唐山市25公里的新区进行重建。

从图1和最后的分析结果也可以看出,唐山市建成区往南仅扩展了6.37平方公里,只占总扩展面积的12.31%。

城市的重新建设充分考虑到地震的危害,市中心区内几乎都是六层以下的建筑,其中以三、四层居多。

这些建筑的墙体加厚,达到抗震八度,建筑物之间的宽度加大,而且大量增加了城市绿地和水域的面积。

由此可以看出,地震对唐山市城市扩展的影响主要是:由于防震的要求,大大增加了重建的费用;国家压缩了城市建设规模,唐山市城市的扩展速度放慢。

2.岩溶塌陷对唐山市城市扩展的影响唐山市是我国岩溶塌陷比较严重的城市之一。

图　唐山市地质灾害分布图据现有记载,市内的岩溶塌陷最早可上溯到1920年,由当时煤矿突水引起,而后至1975年的50多年几乎没有塌陷发生。

1976年以后,岩溶塌陷的发生开始增多。

92%以上的塌陷发生在1976-1991年的15年中,其中1984-1988年最为活跃,1988年为塌陷高峰年(占总塌陷的35%)。

一年之中,塌陷多发生在6-10月,塌陷发生前一般无明显征状,具有突发性的特点[8]。

根据魏风华、王洪涛等人的研究表明,超量开采岩溶地下水是唐山市岩溶塌陷产生的主要原因,其次是地震的原因[9-10]。

由于过度开采地下水,在岩溶腔内形成负压,当压力达到一定程度时就会在地表出现塌陷。

频繁的地震对地表盖层土体的结构产生影响,使其连续性遭到破坏,渗透性增强,加速了塌陷的发展。

从图2可以看出,唐山市的岩溶塌陷主要分布在新华道和北新道的中东部两侧以及大钊公园—凤凰山一带。

这一带是唐山市最繁华的地段,是各种商业、政府办公机关、高等院校以及企业和居民点非常密集的地区[11]。

由于岩溶塌陷,城市的地基稳定性变差,难以支撑高层建筑物,从一个方面制约了唐山市的建筑物向高层发展。

总之,岩溶塌陷对唐山市的发展产生了严重的危害,位于黄金地段的商业区不能密集开发,难以形成集聚效益,土地的利用效率低,开发回报低。

3.采煤塌陷对唐山市城市扩展的影响开滦煤矿已有120多年的开采历史,从图2可以看出,共有唐山、马家沟、缸窑和荆各庄4个煤矿分布在唐山市建成区。

开滦煤矿煤层总厚度17.3米,其中开采煤层与局部可采煤层共10层,平均总厚度15.7米。

各生产矿井一般主采2-4个煤层,开采方法为下行开采,大部分为综采、高档普采,小部分为炮采和落垛式开采,全部陷落法管理顶板[12]。

由此产生了严重的塌陷问题,并且在塌陷区出现了地面积水(图2)。

和岩溶塌陷一样,采煤塌陷也导致城市地基稳定性变差,同时由于地面出现积水导致环境变差,从两个方面阻碍了城市的扩展。

位于市中心以南的唐山矿的塌陷区面积达到了18平方公里,由于塌陷区平均高度较市区低约20米,周边居民陆续搬迁,几十年的沉降过程使这里成了人迹罕见的废弃地,市区排放的雨水、污水、各种垃圾以及电厂的粉煤灰都集中到这里,垃圾山最高处达20米[13]。

加上塌陷区下面有活动断层存在,严重阻碍了建成区向南发展。

位于市中心以东的马家沟矿的塌陷和积水也达到了相当的面积。

28年来,唐山市的建成区往东仅扩展了3.70平方公里,占总扩展面积的7.15%。

由于位于市中心东北的荆各庄矿也已经和建成区接壤,可以预测,荆各庄矿将阻碍唐山市继续往北扩展。