層次分析法在大慶市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中的應(yīng)用

孫乃泉，孫 麗，楊詠梅

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069;2.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西西安 710054;3.黑龍江省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查所，黑龍江 哈爾濱150080;4.長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院 陜西 西安 710064)

城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是按一定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法對城市地質(zhì)環(huán)境的優(yōu)劣程度進(jìn)行描述，包括地質(zhì)環(huán)境的適宜性評價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)。在地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)過程中，往往要選擇多個環(huán)境要素和環(huán)境因子一起參與評價(jià)，且在這些評價(jià)因子綜合時，需要確定它們對總體地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響程度的大小，以及評價(jià)單元劃分原則。又因地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)是一個復(fù)雜的多信息綜合分析過程，其數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有空間數(shù)據(jù)，又有屬性數(shù)據(jù)，因此需要有功能強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)庫管理功能才能滿足要求。同時，地質(zhì)環(huán)境信息具多源性，模糊性、非確定性和隨機(jī)性，使信息處理和空間分析的模型十分復(fù)雜。傳統(tǒng)的評價(jià)方法和手段，要么無能為力，要么簡化而缺失大量的信息，導(dǎo)致成果可靠程度降低。為此有效的環(huán)境地質(zhì)問題分析方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。

1 自然地理及主要環(huán)境地質(zhì)問題

大慶市在大地構(gòu)造上位于小興安嶺—松嫩地塊的中央坳陷帶，晚白堊世中期后，在斷(坳)陷作用下，發(fā)生不均衡沉積，堆積了巨厚的白堊系、第三系泥巖、砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及第四系松散沉積物[5]。

大慶油田的開發(fā)、建設(shè)，對大慶市及其周邊地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的破壞。造成土地“三化”面積日益擴(kuò)大、土壤和水質(zhì)污染加劇，區(qū)域地下水位大幅度持續(xù)下降，地面變形現(xiàn)象逐年加劇。上述各類地質(zhì)環(huán)境問題已使該地區(qū)的環(huán)境容量和承載力接近極限，環(huán)境的惡化已嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用裾５纳a(chǎn)秩序和生活質(zhì)量，成為制約大慶市經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素[6-7]。

2 層次分析法

在地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)中，對眾多的評價(jià)因子進(jìn)行綜合時，對各個變量具有權(quán)衡輕重作用的數(shù)值，即稱為權(quán)重(權(quán)值)。由權(quán)值的概念可知，既然地質(zhì)環(huán)境評價(jià)中不同評價(jià)因子間的權(quán)重是反映相對某評價(jià)觀點(diǎn)的“重要”程度的數(shù)值，故可以理解為，求權(quán)值的過程就是一種對于不同評價(jià)因子間“重要”性程度的分析過程，屬于程度分析的范疇。

但由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性、不可逆性、模糊性等，科學(xué)、合理地評定各環(huán)境因子的權(quán)值有很大難度，因此，本文選用專家打分—層次分析法來確定權(quán)重。

層次分析法為相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜問題的決策和排序提供了一種新的、簡潔而實(shí)用的建模方法。運(yùn)用層次分析法建模，大體上可按下面三個步驟進(jìn)行:

(1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型;

(2)構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣;

(3)層次單排序及一致性檢驗(yàn);

2.1 遞階層次結(jié)構(gòu)的建立與特點(diǎn)

應(yīng)用AHP分析決策問題時，首先要把問題條理化、層次化，構(gòu)造出一個有層次的結(jié)構(gòu)模型。在這個模型下，復(fù)雜問題被分解為元素的組成部分。這些元素又按其屬性及關(guān)系形成若干層次。上一層次的元素作為準(zhǔn)則對下一層次有關(guān)元素起支配作用[8-9]。這些層次可以分為三類:

(1)最高層:這一層次中只有一個元素，一般它是分析問題的預(yù)定目標(biāo)或理想結(jié)果，因此也稱為目標(biāo)層。

(2)中間層:這一層次中包含了為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，它可以由若干個層次組成，包括所需考慮的準(zhǔn)則、子準(zhǔn)則，因此也稱為準(zhǔn)則層。

(3)最底層:這一層次包括了為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種措施、決策方案等，因此也稱為措施層或方案層。

遞階層次結(jié)構(gòu)中的層次數(shù)與問題的復(fù)雜程度及需要分析的詳盡程度有關(guān)，一般地層次數(shù)不受限制。每一層次中各元素所支配的元素一般不要超過9個。這是因?yàn)橹涞脑剡^多會給兩兩比較判斷帶來困難。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

在建立了層次分析結(jié)構(gòu)后，針對上一層次某些因素，對下層次有關(guān)因素就相對重要性進(jìn)行兩兩比較。先從最底層開始，評價(jià)因子兩兩進(jìn)行優(yōu)劣評比。全部比較結(jié)果用矩陣A=(aij)n×n表示，稱A為 Z-X之間的成對比較判斷矩陣(簡稱判斷矩陣)。容易看出，若 xi與 xj對 Z的影響之比為 aij，則xj與xi對Z的影響之比應(yīng)為:

關(guān)于 aij值的確定，T.L.Satty等建議引用數(shù)字 1-9及其倒數(shù)作為標(biāo)度。1-9標(biāo)度的含義見表1:

表1 層次分析定權(quán)法的判斷矩陣標(biāo)度及其含義

使用標(biāo)度法時有兩點(diǎn)要求:(1)要求進(jìn)行比較的因素具有相同的數(shù)量級:(2)兩個比較的因素優(yōu)劣程度盡可能用定量表示。

2.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

判斷矩陣A對應(yīng)于最大特征值 λmax的特征向量 W，經(jīng)歸一化后即為同一層次相應(yīng)因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權(quán)值，這一過程稱為層次單排序。

上述構(gòu)造成對比較判斷矩陣的辦法雖能減少其它因素的干擾，較客觀地反映出一對因子影響力的差別。但綜合全部比較結(jié)果時，其中難免包含一定程度的非一致性。如果比較結(jié)果是前后完全一致的，則矩陣A的元素還應(yīng)當(dāng)滿足:

需要檢驗(yàn)構(gòu)造出來的(正互反)判斷矩陣 A是否嚴(yán)重地非一致，以便確定是否接受 A。對判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)的步驟如下:

(1)計(jì)算一致性指標(biāo):

(2)查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo) RI。對 n=1，…，9，Saaty給出了 RI的值，如表2所示。

(3)計(jì)算一致性比例CR

當(dāng)CR＜0.10時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。

表2 層次分析法的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值

3 系統(tǒng)運(yùn)行與評價(jià)功能實(shí)現(xiàn)

依照層次分析法在ArcGIS Engine平臺上開發(fā)大慶市地質(zhì)環(huán)境評價(jià)系統(tǒng)，依次完成系統(tǒng)主界面、地圖顯示與操作功能、數(shù)據(jù)查詢功能、圖形矢量化功能、空間分析功能及輸入輸出等功能。

一個系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否的合理，必須通過實(shí)際運(yùn)行后才可以確定。首先，根據(jù)大慶市地質(zhì)環(huán)境問題現(xiàn)狀調(diào)查成果，選擇對城市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量影響較大的區(qū)域穩(wěn)定性、天然地基承載力、地下水防污性、土壤污染程度、土體的凍脹凍融性等五項(xiàng)作為評價(jià)因子。以土壤污染評價(jià)為例:在充分搜集有關(guān)土壤污染資料基礎(chǔ)上，通過補(bǔ)充取樣、加大樣品密度，以滿足本次評價(jià)精度要求。評價(jià)因子及各區(qū)域土壤污染現(xiàn)狀見表3。

在單因子評價(jià)基礎(chǔ)上，選擇銅、鉛、鎘、鉻、汞、硫化物、酚類及石油總烴八項(xiàng)單因子污染評價(jià)分區(qū)圖進(jìn)行疊合，得到土壤主要污染物綜合污染分區(qū)圖。取污染程度最高者為綜合污染程度等級。對建成區(qū)內(nèi)的建筑物覆蓋區(qū)未作評價(jià)。土壤污染評價(jià)界面如圖5.10所示。

(2)利用系統(tǒng)的空間分析功能中區(qū)對區(qū)的合并分析功能，對以上單要素圖形分別進(jìn)行區(qū)合并操作。合并后生成的面文件中的每個區(qū)，即能以評價(jià)因子的不同而相互分區(qū)，反映各個評價(jià)因子的影響，同時又能從

屬性數(shù)據(jù)庫中為各評價(jià)因子提供權(quán)值，可以直接用作評價(jià)單元(圖1)。

表3 評價(jià)因子及各區(qū)域土壤污染現(xiàn)狀表

圖1 單因子評價(jià)界面

對于城市建筑物覆蓋區(qū)未進(jìn)行單因子評價(jià)的區(qū)域，在進(jìn)行區(qū)合并操作時，也應(yīng)以面文件形式存儲，并賦值為零。

(3)在求得權(quán)重的基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)的空間疊加分析功能，實(shí)現(xiàn)評價(jià)因子指標(biāo)的自動提取，通過輸入輸出功能，將評價(jià)因子的指標(biāo)輸出，作為模糊綜合評判模型的數(shù)據(jù)源，利用已得的權(quán)重進(jìn)行模糊綜合評價(jià)。最后將評價(jià)結(jié)果輸入系統(tǒng)，與空間數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，進(jìn)行結(jié)果的可視化輸出。

綜合評價(jià)的評價(jià)單元空間疊加分析生成和綜合評價(jià)如圖2所示。

圖2 地質(zhì)環(huán)境綜合評價(jià)

4 結(jié)語

層次分析法是在對復(fù)雜的決策問題的本質(zhì)、影響因素及其內(nèi)在關(guān)系等進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，利用較少的定量信息使決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供簡便的決策方法。應(yīng)用層次分析法對大慶市地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行分析研究，建立基于GIS平臺的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)信息系統(tǒng)，對大慶市地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)。評價(jià)系統(tǒng)在水環(huán)境和土壤環(huán)境評價(jià)方面實(shí)現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測信息的采集、處理、存儲、分析一體化，提高城市環(huán)境地質(zhì)工作的反應(yīng)速度和應(yīng)變能力。

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