0 引言

南港填海造陆区作为天津市“双城、双港”空间发展战略的重要组成部分，是开发建设的专业化工业园区。填海工程在许多国家沿海地区的城市化过程中都起到了很大的作用，从各地实践情况而言也确为当时经济社会发展所必需（沙爽，2014）。但在围填造陆过程中甚少考虑地质环境条件和未来对地质环境的影响，导致目前填海造陆对环境产生的负效应在种类上多于正效应（孙书贤，2004；孙志霞，2009；张明慧等，2012；李婷，2013）：如吹填造陆堆积物固结缓慢以及区块本底的厚层淤泥质软土共同引发的地面沉降，海洋水文条件的改变和破坏，沿海低地地下水环境变化，以及对原有的海洋生态系统的影响等。因此，开展针对填海造陆区的地质环境承载能力评价研究，有利于更加清晰地认识该类区域的地质环境特点和发展短板，并结合不同功能分区产业发展研判对地质环境较低区域进行限制性措施，是满足天津海洋经济快速持续发展与防灾减灾、建设生态海岸带需求的重要基础性工作。

中国科学家对承载能力相关研究始于 20 世纪 90 年代初（叶文虎等，1992；Rees，1996；李扬和汤青，2014；廖慧璇等，2016；王念秦等，2019），马传明和马义华（2007）正式提出“地质环境承载能力”概念，并总结其客观性、可变性和可控性的 3 大特点 （马传明和马义华，2007；余志山等，2008）。逐渐从研究自然属性为主的简单系统到耦合“人口—资源 —环境—经济—社会”的复杂系统，开展对城市、区域等诸要素的综合研究（唐剑武等，1997；赵兵， 2008；安海忠和李华姣，2016；封志明等，2017；杜蕾和谢婉丽，2018；余茹和成金华，2018；邵海等， 2022）。2016年7月原国土资源部发布《国土资源环境承载力评价技术要求（试行）》，明确其定义为“资源环境开发利用与工程建设过程中，在维护区域地质环境系统结构不破坏、功能不退化的前提下，地质环境稳定性和质量对社会经济发展的支撑保障能力”。目前国内相关研究（唐剑武等，1997；余志山等，2008；赵兵，2008；姚治华等，2010；杨乐等， 2014；王奎峰等，2015；郑懿珉等，2015；安海忠和李华姣，2016；李念春，2016；杜蕾和谢婉丽，2018）多侧重于资源环境、生态环境、城市地质环境、矿山地质环境等方面，而近年来近岸沿海地区的工作主要侧重于环境地质调查与评价，滨海地区甚至地质条件较为复杂的填海造陆区地质环境承载力研究鲜见。

本文以天津南港填海造陆区为研究对象，通过水土地质环境调查、海域地形地貌测量、数值模拟试验和地质环境背景与规划建设资料分析，在综合填海造陆区地质环境和社会经济活动特点的基础上，以地质环境系统为承载主体，人类社会经济活动为承载客体，选取海洋地质、工程地质、水土环境、岸线稳定性和地壳稳定性5类评价因子，结合规划建设用地类型，构建三级评价指标体系。运用层次分析评价法，结合研究区 5 个功能分区的不同产业结构对地质环境的影响确定指标权重、划分评价等级，进行天津南港填海造陆区地质环境承载能力评价研究。

1 研究区概况

天津南港填海造陆区即南港工业区位于独流减河入海口南侧，规划范围北至独流减河右治导线，南至青静黄河左治导线，西至津歧公路，东至海水等深线约-4. 0 m。根据《天津南港工业区总体发展规划（2009—2023 年）》，总规划范围约 200 km²，包括石化产业区、冶金装备制造产业区、港口物流产业区、综合产业区和现代服务业区 5 类功能分区 （图1），并建有东、西 2 个石化专用和综合性港区。截至 2015 年 10 月，南港工业区累计完成填海面积 65 km²，加上原有陆域面积 38 km²，作为本次研究评价范围；同时考虑围海造陆对相邻海域的影响范围，海域调查自南港工业区规划边界向海区延伸 5 km，面积共约400 km²。

1.1 地质环境特征

（1）海洋地质：研究区填海造陆前的底质类型主要包括黏土质粉砂（YT）、粉砂质砂（TS）和砂（S）3 种类型，且以黏土质粉砂为主。研究区填海前整体呈西高东低之势，区域海底地形起伏变化相对平缓，仅西港池、东港池及其北侧一带海底地形起伏变化相对较大。

（2）工程地质：区内工程地质情况较为复杂，南北方向水平地质分层较为均匀稳定，差异较小；东西方向水平方向地层分布自西向东包括既有陆域区、海域素土回填成陆区、海域吹填成陆区3种地质区域。

（3）水土环境：研究区地下水垂向上为咸—淡水双层结构，区内无浅层淡水分布。第四系上部为咸水体覆盖，水质较差，利用价值较低，但填海造陆区的工程建设与该深度内水土环境互相影响最大，主要为潜水和对应层位的土壤水土腐蚀性和重金属影响。区内深层高水头承压淡水，是主要开采含水层。石油化工等企业产生的污染基本不会波及到深层水，但仍存在较大程度的潜在威胁。

（4）海洋水文：区域海洋水文特征主要受潮流、波浪和海流影响。波浪与潮流是海域的主要动力因素，堤岸与底质主要被波浪侵蚀，而泥沙主要由潮流输送。波浪主要为风浪类型，波高一般约 0.3 m，大于2 m的大浪多出现在冬春季。潮汐一般为不规则半日潮，平均潮差 2.31~2.51 m。潮流涨落运动为往复流，总体方向由南东向北西。

1.2 地质环境问题

（1）地面沉降：南港填海造陆区陆域地面沉降主要受区域地下水开采的影响，填海造陆部分地面沉降的原因还包括欠固结软土的固结、围海造陆处理后残余沉降和建设荷载作用下土层的变形。总体沉降情况由西向东呈现出明显的增大趋势。

（2）砂土液化：本地区地震烈度为Ⅶ度，天津市在 1976 年唐山大地震时多数地区产生喷砂冒水现象。埋深20 m以上局部分布有饱和粉（砂）土，其黏粒含量一般小于 10%，初步可将该层饱和粉（砂）土判定为液化土。

（3）软土变形：南港工业区（一期）由吹填造陆而成，软土发育普遍，全新世地层内淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土和淤泥广泛分布。西部向东逐渐加厚，同时土体受海水浸渍影响，为盐渍化软土（程绪江等，2021）。

（4）岸线侵蚀：研究区海岸属于淤泥质海岸，泥沙颗粒较细，沉降速度较慢。本身西-东向潮流在遇围堤前沿后向两侧近 180°扩散，一股向北侧顺时针偏转后流入南港工业区航道；一股水流表现为向南侧逆时针偏转，夹角处附近易出现淤积，海堤基堤处易出现冲刷。

（5）风暴潮：滨海新区在大潮期间与向岸风的共同作用下容易发生风暴潮灾害，以7—8月份出现较多。南港填海造陆区由于存在地面沉降现象，造成海堤标高降低，抗风暴潮的能力降低，会加重风暴潮灾害的危害性。

（6）活动断裂：南港填海造陆区及周边范围内主要发育有北大港断裂、歧中断裂和海一断裂，均为正断层。其中，北大港断裂是新近纪以来的活动断裂；歧中断裂和海一断裂及其次一级断裂活动时期为晚更新世以来的活动断裂，其影响范围为南港填海造陆区北部。

1.3 产业结构分析

南港工业区产业发展方向为以石化、冶金装备制造和港口物流为主导产业，以综合产业和现代服务业为辅助配套产业。近期满足重大项目需要建设码头，远期建设专业化综合性港区。

（1）石化产业：石化产业区发展各类原材料共享的石化下游产业，建设石油储备基地，将形成大型石化产业集群。该区土壤和地下水易受污染，主要存在产业泄漏石油类污染物对土壤和地下水环境污染的潜在威胁，即石化污染物在包气带和地下水中的迁移扩散；此外，考虑区内工程构筑物稳固性和临岸安全性，地质环境影响因素还应考虑工程地质条件、水土腐蚀性、岸线稳定性等。

（2）冶金装备制造产业：冶金装备制造产业区预计接纳天津的部分新增钢铁，并大力发展钢铁精深加工和利用钢铁冶金产品为原材料的装备制造业，形成上下游产业链结合的冶金装备制造业产业集群。该区可能在生产过程中存在土壤污染风险； 地质环境影响因素除工程地质条件和水土腐蚀性，还需考虑本区存在的活动断裂的影响。

（3）港口物流产业：港口物流产业区预计形成以大宗散货物流、保税物流和业主码头为主的港口物流体系。对地质环境影响主要是生产过程中对土壤环境的污染；地质环境对此类区域建设用地的影响要素主要是工程地质条件、水土腐蚀性，且由于此区近岸且存在活动断裂，还需考虑岸线稳定性和地壳稳定性指标。

（4）综合产业：综合产业区主要为应对产业发展的不确定性，适应新产业链培育的要求，并可作为主导产业的扩展用地。其对地质环境影响同样是生产过程中可能对土壤环境的污染；地质环境对综合产业区建设用地的影响要素主要是工程地质条件、水土腐蚀性，以及本区存在的活动断裂带危险性。

（5）现代服务业：现代服务业区域提供生产服务和部分生活服务，对地质环境影响主要是生产过程中可能产生的土壤污染风险；地质环境对现代服务业区建设用地的影响要素主要是工程地质条件和水土腐蚀性。

2 天津南港填海造陆区地质环境承载能力评价

2.1 评价指标体系

基于科学性、层次性、可行性、定性与定量分析原则的基础上，综合天津南港工业区功能定位与填海造陆区地质环境特点，构建研究区地质环境承载能力三级评价指标体系（图2）。以地质环境系统为承载主体，评价要素包括海洋地质条件（海底底质、海底地形）、工程地质条件（地面沉降、砂土液化、软土分布厚度、桩基工程质量）、水土环境（水土腐蚀、土壤环境质量、地下水环境容量）、岸线稳定性情况 （波浪场、潮流、岸线侵蚀及风暴潮）、地壳稳定性情况（活动断裂危险性）；承载客体主要为反映人类社会活动的不同建设用地类型。

2.2 评价数据来源

地质环境承载主体评价数据来源主要为本单位2016年8月至2017年5月开展的1∶2.5万水土地质环境调查和海域地形地貌测量野外采集实测数据，室内模拟试验数据、模拟结果、部分监测数据，以及研究区相关成果报告；承载客体研究区产业结构分布情况来源为《天津南港工业区总体发展规划 （2009—2023 年）》、《天津南港工业区分区规划 （2009—2020年）》和2017年实际建设分布情况。

2.3 评价方法与流程

2.3.1 单因子评价

天津南港填海造陆区地质环境承载能力评价首先在研究区范围内对承载主体的5类评价要素中的各类评价因子开展单因子评价分析，依据国内外文献资料以及前人研究成果（马勇等，2011；罗伟等，2013），分别开展单因子分段定级和评价区划； 并对不同量纲的评价指标进行归一化处理，进行量化赋值（表1）。

其中，由于研究区范围较小，岸线稳定性中的风暴潮因子对整个区域的影响强度基本相同，较难做出分区分级的量化，故并未参与本次评价指标的量化赋值。但该项评价因子需列入指标体系，对同类型区域的地质环境承载能力评价具有指导意义。

2.3.2 综合评价

地质环境承载能力综合评价首先要针对承载客体不同产业功能分区建设发展特点，开展产业结构对地质环境的影响分析，通过上文“产业结构分析”结果分别确定5类功能分区地质环境影响指标。并利用层次分析法（AHP）进行指标之间两两重要程度比较（表2），分别构建了准则层对5个功能分区目标层的 U—M 阶判断矩阵、指标层对准则层的 M—C 阶判断矩阵，通过算数平均法计算获得不同功能分区下的各类评价指标权重值（表3）。

建立评价指数 P_z对天津南港填海造陆区地质环境承载能力进行评价，对评价指标分别建立数据层，对地质环境承载能力进行综合加权求和，计算公式如下：

式（1）中，P_z为地质环境承载能力分值，W_i为第i 个评价指标的权重，C_i为第i个评价指标评价结果的量化赋值分值。

通过上述模型的计算方法，可以得到每个单元的地质环境承载能力评价指数 P_z，其数值在 2~9 之间，并将其划分为5个等级（表4）。运用GIS空间叠加功能，得到研究区地质环境承载能力综合评价结果。

3 综合评价结果

按照天津南港填海造陆区地质环境承载能力的五级评价标准，根据相关指标因子的分区情况，结合地质环境承载能力评价模型，将基础类评价指标进行空间叠加组合，实现南港填海造陆区地质环境承载能力等级划分（图3），研究区地质环境承载能力综合评价结果包括较高、中等和较低 3 个等级。

（1）地质环境承载能力较高区域：南港填海造陆区西港池西南（西部综合产业区）和邻近石化产业区部分区域的地质环境承载能力分值 7.8 分，地质环境承载能力相对较高，约占填海造陆区面积的 8%。西部综合产业区部分区域桩基工程质量较好，主要地质环境如地面沉降、水土腐蚀、土壤地球化学等级单因子评价结果皆为较佳水平，表明该区域地质环境条件相对良好；所包含的石化产业区部分，地下水石油污染物运移模拟结果也表明地下水环境容量水平较高。

（2）地质环境承载能力中等区域：南港填海造陆区中南部大部分区域（现代服务业、西南部综合产业区、南部石化产业区）以及北部冶金装备制造业部分区域，地质环境承载能力分值6.6分，地质环境承载能力中等，约占填海造陆区面积的 54%。该部分区域砂土液化、水土腐蚀性、桩基工程质量等主要地质环境条件相对稳定，地质环境承载能力单因子评价结果皆属中等。

（3）地质环境承载能力较低区域：南港填海造陆区西北部（西北部石化产业区）部分区域、东北部近海区域（东西港池沿岸港口物流区及北部综合产业区近岸部分）及中部小部分区域地质环境承载能力分值5.8分，承载能力等级为较低，约占填海造陆区面积的 38%。此类区域桩基工程质量、地面沉降等因素承载能力条件相对较低，且存在晚更新世以来活动断裂。其中港口物流区作为近海区域，易受风暴潮、风浪等影响，岸线稳定性条件较差；西北部石化产业区水土腐蚀性与地下水环境容量，特别是苯的环境容量水平相对较差，且桩基工程质量基本处于Ⅲ级水平。

4 研究区地质环境管理控制建议

（1）地质环境承载能力较高区域

该部分区域整体在规划建设过程中还需进一步注意地面沉降防治，合理进行软土地基处理。在进行排水系统规划设计中，应考虑地面沉降对排水系统正常运行产生的作用，合理确定排水系统坡向、坡度，预留排水泵站站址，预防地面沉降对排水系统影响。

（2）地质环境承载能力中等区域

此类区域整体在建设规划过程中，需注重防护措施。在砂土液化区进行构筑过程中，一方面可对液化土层进行换土填层、加固处理或增加盖层。另一方面，可对基础及上部结构综合考虑采用如下措施：选择合适基础埋置深度，调整基础底面积，减小基础偏心；加强基础的整体性和刚性，减轻上部荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝。

（3）地质环境承载能力较低区域

①对于区内石化产业区，在制定合理废水、废气排放措施，加强有机物泄漏防护工作的基础上，还需确保在对地面沉降影响程度小于地面沉降控制规划要求前提下方可进行油气开发。同时，也需注意地面沉降对于油气输送管道的影响。

②对于港口物流产业区，必须考虑运行期内地面沉降量对地面高程的损失量以及海平面上升量，加强海堤稳定性防护、提升海堤设防高度，并保证储货区与码头的安全距离，合理制定防潮、防洪措施。码头堆货区建议采用复合地基进行处理，提高地基土强度，避免因堆货加剧地面沉降。

③对于区域内冶金装备制造产业区、港口物流产业区和综合产业区内存在的活动断裂，需加强区域构造和断裂活动性规律研究，加强地震动态实时监测。南港一期用地范围内抗震设防烈度为 7 度，因此区内各类建筑工程应按《建筑工程抗震设防分类标准（GB 50223-2008）》（中华人民共和国住房和城乡建设部，2008）确定抗震设防类别，按其抗震设防要求进行抗震设防，并避免在断裂带危险范围内进行永久性构筑物的搭建。

5 结论

（1）本文针对天津南港填海造陆区地质环境特点和南港工业区工程建设需求，明确承载主体为地质环境系统，评价因子选取海洋地质、工程地质、水土环境、岸线稳定性以及地壳稳定性，承载客体主要为人类社会活动的不同建设用地类型，建立天津南港填海造陆区地质环境承载能力评价指标体系。

（2）采用层次分析评价方法，根据水工环地质调查与试验、监测数据，开展不同功能区地质环境承载能力专项因子评价研究，确定指标权重、划分评价等级，完成研究区承载能力综合评价。研究区整体可划分为较高、中等和较低 3 个等级。仅西港池西南的综合产业区和邻近石化产业区部分区域承载能力较高，面积占比约为 8%；研究区总体承载能力为中等—较低等级。并根据承载能力等级分区的实际产业发展情况，从地质环境改善、规划建设、防灾减灾和安全生产方面提出了相应管控建议。

参考文献