GIS層次分析法在地質環(huán)境保障能力評價中的應用
——以山東半島藍色經濟區(qū)為例

劉治政，朱恒華，王晶晶，孟盼盼，王瑋，尚浩，劉柏含，李雙

(1.山東省地質調查院，山東 濟南 250014;2.煙臺市地質環(huán)境監(jiān)測站，山東 煙臺 264000)

0 引言

地質環(huán)境保障能力是指地質環(huán)境條件對經濟發(fā)展和基礎建設的支撐能力，包括水土資源環(huán)境、礦產資源環(huán)境、海洋環(huán)境、基本環(huán)境地質條件以及人類活動影響等的支撐力。地質環(huán)境保障能力評價是涉及多層次、多因素作用的空間綜合評價，評價結果將對重大工程建設、城市規(guī)劃、礦產資源開發(fā)利用等的決策提供重要的依據(jù)。

山東半島藍色經濟區(qū)建設要以系統(tǒng)的基礎地質資料為依據(jù)，重大工程建設需進行地質環(huán)境研究，經濟區(qū)發(fā)展還需土地、水、礦產等各種資源作保障，開發(fā)建設過程中需要統(tǒng)籌考慮海岸帶資源的利用與保護(1)山東省地質調查院，山東半島藍色經濟區(qū)地質環(huán)境保障調查報告，2015年。，因此，需要對山東半島藍色經濟區(qū)進行地質環(huán)境保障能力的綜合評價。

1 GIS層次分析法

GIS層次分析法是基于地理信息系統(tǒng)(GIS)的層次分析，首先將可能影響分析目標結果的相關指標按隸屬關系劃分為若干層次，利用專家打分的方法，對各層次指標的相對重要性給出定量指標，綜合不同專家的意見計算出不同層次不同指標的重要性權值[1-3]，作為綜合分析的基礎，然后利用GIS的空間分析功能，遵循一定的規(guī)則進行單指標的空間疊加運算，最終生成分析目標的評價結果(圖1)。

圖1 GIS層次分析法流程圖

1.1 評價指標選取

評價指標的選取是對評價對象進行理論分析、事實概括的過程，通過抽象化的方法，對有顯著區(qū)別的事實資料進行綜合，在特殊性標識的基礎上形成評價指標，是一個從表面到內部、從現(xiàn)象到本質、從個別到一般、從偶然到必然的轉變[4-7]。

首先對事實資料進行系統(tǒng)分析，確定評價體系的層次，并對收集的數(shù)據(jù)進行分析計算，初步構建評價指標體系，然后運用層次分析法進行指標篩選，使建立的評價體系既科學又易于操作。另外，指標選取過程中還要確定各指標量化方法和權重計算方法。

1.2 評價指標權重確定

1.2.1 構建判斷矩陣

構建判斷矩陣目的在于分析下層指標對上層相對重要性影響程度的大小。采用1～9標度法[8-9]使判斷定量化，根據(jù)評比給出權值，然后根據(jù)分層結構和上下層間的指標隸屬關系，構建判斷矩陣(式1)：

(式1)

式中：R—判斷矩陣，滿足bij=1/bji；bij—對目標而言，bi對bj的相對重要程度，專家打分得到，取1，2，3……9及它們的倒數(shù)。

1.2.2 計算指標權重

采用和積法計算各層指標對系統(tǒng)目標的合成權重，進行總排序，以確定最底分層要素的重要程度。

1.2.3 一致性檢驗

為保證判斷矩陣的精確度，減少人為判斷帶來的偏差，引入一致性判斷矩陣指標C.I.(矩陣R的最大特征根λmax與階數(shù)n差值除以階數(shù)減1)及一致性判斷系數(shù)C.R.[10](C.I.與R.I.的比值，R.I.為平均隨機一致性指標，通過表1查取[11])，當C.R.<0.1時，通過一致性檢驗，否則，需要調整指標權值。

表1 判斷矩陣平均隨機一致性指標R.I.

1.3 圖形的空間處理

GIS能對空間數(shù)據(jù)進行深加工或分析，完成與地理相關的分析、評價、預測和輔助決策的任務[12]。地質環(huán)境保障能力評價中涉及的GIS空間分析有：空間疊合分析、空間緩沖區(qū)分析等[13-14]。

空間疊合分析指將2個地理對象的圖層進行疊合，以產生空間區(qū)域的多重屬性特征，或建立地理對象之間的空間對應關系，根據(jù)對象特征的不同，分為點與多邊形疊合、線與多邊形疊合和多邊形與多邊形疊合3種類型。

空間緩沖區(qū)分析是根據(jù)分析對象的點、線、面實體自動建立與之周圍有一定距離的帶狀區(qū)，用以識別這些實體或主體對鄰近對象的輻射范圍或影響程度，以便為某項分析或決策提供依據(jù)。

1.4 地質環(huán)境保障能力分區(qū)

在評價指標權重確定和圖形空間處理基礎上，對各指標進行判別、提取，再以綜合指數(shù)法進行信息的空間疊加得出地質環(huán)境保障能力狀況[15](式2)，最后按照分級標準進行地質環(huán)境保障能力分區(qū)。

(式2)

式中：x—綜合指數(shù)；xi—指標性狀取值；ai—指標權重；m—評價指標個數(shù)。

2 山東半島藍色經濟區(qū)基本概況

山東半島藍色經濟區(qū)南起日照市，北至濱州市，包括青島、煙臺、威海、濰坊、日照和東營6市以及濱州的無棣、沾化2縣的行政范圍，陸域面積6.4萬km2。

地層可分為魯東地層(Ⅰ區(qū))、魯西地層(Ⅱ區(qū))、華北地層分區(qū)(Ⅲ)3個地層分區(qū)，Ⅰ、Ⅱ地層分區(qū)以昌邑-大店斷裂為界，Ⅱ、Ⅲ地層分區(qū)以齊河-廣饒斷裂為界。Ⅰ區(qū)發(fā)育前寒武紀和中、新生代地層，缺失古生代沉積。Ⅱ區(qū)地層發(fā)育最全，主要缺失奧陶紀上統(tǒng)至石炭紀下統(tǒng)。Ⅲ區(qū)全區(qū)第四系覆蓋，下伏新太古代、古生代、中生代、新生代地層，缺失奧陶紀上統(tǒng)至石炭紀下統(tǒng)。

根據(jù)區(qū)內地下水賦存條件與分布規(guī)律不同，水文地質分區(qū)有魯西北平原松散巖類水文地質區(qū)、魯西南中低山丘陵碳酸鹽巖類為主水文地質區(qū)、魯東低山丘陵松散巖、碎屑巖、變質巖類水文地質區(qū)，各分區(qū)內地下水的補、徑、排因受地形、構造、人類活動等多種因素的共同影響而呈現(xiàn)不同的特征。

3 山東半島藍色經濟區(qū)地質環(huán)境保障能力評價

3.1 評價指標的選取

選取資源環(huán)境承載力和地質環(huán)境適宜性為一級評價指標。資源環(huán)境承載力是可持續(xù)發(fā)展的范疇，以地質環(huán)境與自然資源為基礎，同環(huán)境承載能力相協(xié)調，與地質環(huán)境保障能力息息相關，包括8個二級評價指標[16-18]；地質環(huán)境適宜性是指在一個具體的生態(tài)地質環(huán)境內，環(huán)境中的地質要素為環(huán)境中的人、動物等生物群落所提供的生存空間的大小及對其正向演替的適宜程度，是地質環(huán)境保障能力優(yōu)劣程度的一種體現(xiàn)，包括3個二級評價指標。地質環(huán)境保障能力評價涉及到經濟、社會、地質條件及生態(tài)環(huán)境等多種要素，是典型的結構化、多層次、多目標的評價問題。采用層次分析方法，最終確定了選取指標的層次結構指標體系(圖2)。

D1—耕地保障;D2—生存空間;D3—經濟承載;D4—生態(tài)承載;D5—人口數(shù)量;D6—國民生產總值;D7—水資源量;D8—降水量;D9—海洋漁業(yè)資源;D10—岸線資源;D11—礦產資源量;D12—國內生產總值;D13—土地資源適宜性;D14—土地利用程度;D15—土地開發(fā)問題;D16—水環(huán)境生態(tài)承載;D17—水環(huán)境人口承載;D18—水環(huán)境經濟承載;D19—近海水質等級;D20—地理條件;D21—工程地質;D22—水文地質;D23—環(huán)境地質;D24—地形;D25—水文地質;D26—工程地質;D27—環(huán)境地質;D28—可利用資源;D29—地形地貌;D30—水文地質;D31—工程地質;D32—環(huán)境地質;D33—可利用資源;D34—地形地貌;D35—水文地質;D36—環(huán)境地質;D37—可利用資源

3.2 評價因子量化分級

根據(jù)山東半島藍色經濟區(qū)地質環(huán)境的特點及相關評價因子的評價結果，并充分考慮地質環(huán)境現(xiàn)狀對藍色經濟區(qū)建設的保障能力，對各個二級評價因子進行量化分級(表2)。

3.3 指標權數(shù)的確定

通過對數(shù)最小二乘法、最優(yōu)傳遞矩陣法進行一致性調整，使其一致性比率<0.1，滿足一致性要求后，求取各評價因子權重。求得每層各因子權重后進行檢驗，均滿足歸一性檢驗的要求(表2)。

表2 評價因子的量化分級標準及權重值

3.4 評價單元劃分

評價中先采用1km2×1km2正方形網格法進行評價單元劃分，然后對評價因子狀態(tài)有突變的單元按不規(guī)則多邊形法進行細分，以確保單個評價單元內的各評價因子狀態(tài)是具有相同特性的最小地域單元。

3.5 圖形空間處理

首先利用MapGIS對二級評價因子矢量化之后的區(qū)文件進行拓撲錯誤檢查，屬性賦值，將檢查后的評價因子轉化為GMAP可識別的SHAPE文件，然后利用GMAP對轉化后二級評價因子進行測試檢驗。

3.6 地質環(huán)境保障能力綜合指數(shù)計算

以綜合指數(shù)法為基礎進行各類信息的空間疊加，得出各評價單元的綜合指數(shù)，疊加完成之后生成MapGIS可以識別的GS ASCII(*grd)GRD數(shù)據(jù)。

3.7 地質環(huán)境保障能力分區(qū)

經過因子量化和分值比較，將地質環(huán)境保障能力評價結果按綜合分值分為5級，即強、較強、中等、較弱、弱(表3)。

表3 地質環(huán)境保障能力評價分級標準

利用MapGIS-空間分析-dtm分析模塊將GRD數(shù)據(jù)按照評價分級標準進行分級，將自動生成的分區(qū)結合區(qū)內實際情況進行人工修編，形成最終的綜合分區(qū)(圖3)。

1—保障能力強區(qū)；2—保障能力較強區(qū)；3—保障能力中等區(qū)；4—保障能力較弱區(qū)；5—保障能力弱區(qū)；6—保障能力分區(qū)界線

3.8 地質環(huán)境保障能力評價

根據(jù)綜合分區(qū)結果，結合山東半島藍色經濟區(qū)地質環(huán)境條件進行地質環(huán)境保障能力評價，結果顯示(表4)，地質環(huán)境具有保障藍色經濟區(qū)建設和發(fā)展的能力，但保障能力中等以上區(qū)域面積占比較小，多數(shù)地區(qū)地質環(huán)境條件、適宜性、承載力等客觀形勢嚴峻，建設過程中需要有針對性的采取工程保障措施。

表4 山東半島藍色經濟區(qū)地質環(huán)境保障能力分區(qū)結果

3.8.1 地質環(huán)境保障能力強區(qū)

分布在東營市東營區(qū)西南部(Ⅰ-1)及煙臺海陽市與萊陽市的交界區(qū)域(Ⅰ-2)，約占總面積的0.5%。

Ⅰ-1區(qū)土地資源豐富，水資源開發(fā)優(yōu)勢明顯，區(qū)內及周邊石油資源豐富，土地環(huán)境綜合條件較好，水環(huán)境沒有受到嚴重污染，水文地質條件相對差，屬于地質環(huán)境承載力強區(qū)，地質環(huán)境適宜性化工業(yè)適宜性良好；Ⅰ-2區(qū)土地資源供給充足，地下水開發(fā)利用條件較差，水土環(huán)境總體較好，水文地質條件一般，屬于地質環(huán)境承載力強區(qū)，地質環(huán)境適宜性為工程建設適宜性良好。

3.8.2 地質環(huán)境保障能力較強區(qū)

分布在無棣縣中南部、東北部及沾化北部地區(qū)(Ⅱ-1)，東營市黃河故道流域至廣饒縣駐地一線(Ⅱ-2)，煙臺萊陽市與海陽市大部分地區(qū)(Ⅱ-3)，占總面積的12.0%。

Ⅱ-1及Ⅱ-2區(qū)土地開發(fā)潛力巨大，海洋資源比較豐富，水環(huán)境容易受到污染，大部分地區(qū)土壤環(huán)境質量較好，存在土壤鹽漬化等地質環(huán)境問題，水文地質條件相對較差，分別屬于地質環(huán)境承載力一般區(qū)和強區(qū)，Ⅱ-1區(qū)適宜布局一般產業(yè)基地，Ⅱ-2區(qū)適宜布局石油與化工業(yè)；Ⅱ-3區(qū)土地資源供給充足，水資源是發(fā)展短板，無土壤污染區(qū)分布，近海環(huán)境條件較好，地質環(huán)境問題較少，水文地質條件一般，屬于地質環(huán)境承載力強區(qū)，適宜布局石油與化工業(yè)。

3.8.3 地質環(huán)境保障能力中等區(qū)

連片狀分布在煙臺市北部及威海市中部地區(qū)(Ⅲ)，占總面積的20.8%。

Ⅲ區(qū)土地資源相對貧乏，地表水資源可提供一定保障，礦產資源和海洋資源比較豐富，地下水質量相對較差，土壤環(huán)境質量較好，近海環(huán)境條件相對較好。存在崩、滑、流等環(huán)境地質問題，水文地質條件一般，大部分地區(qū)屬于地質環(huán)境承載力較強區(qū)，一般產業(yè)基地布局適宜性以較好和中等為主，化工業(yè)適宜區(qū)分布在龍口至萊州沿海一線等地。

3.8.4 地質環(huán)境保障能力較弱區(qū)

集中分布在濰坊市中部、青島市南部、日照市五蓮縣之外大部分地區(qū)(Ⅳ)，占總面積的38.8%。

Ⅳ區(qū)土地資源比較集中，地表水供給能力較強，地下水富水性整體較差，有礦產資源分布但開采規(guī)模相對較小，地下水環(huán)境和海洋環(huán)境條件較差，大量存在有崩、滑、流等地質環(huán)境問題，屬于地質環(huán)境承載力較弱區(qū)，化工業(yè)適宜性以較差和中等為主，一般產業(yè)基地適宜性以較好和中等為主。

3.8.5 地質環(huán)境保障能力弱區(qū)

分布在濰坊市北部沿海至平度市一線(Ⅴ-1)、濰坊市西部地區(qū)(Ⅴ-2)、五蓮縣(Ⅴ-3)、嶗山地區(qū)(Ⅴ-4)及昆崳山附近地區(qū)(Ⅴ-5)等，分布范圍較廣，占總面積的27.9%。

Ⅴ-1區(qū)土地資源比較集中，水資源條件差，海洋資源薄弱，土壤重度鹽漬化，地下水環(huán)境條件極差，海水入侵覆蓋全區(qū)，屬于地質環(huán)境承載力弱區(qū)，一般產業(yè)基地適宜性差，石油與化工業(yè)適宜性以較好和中等為主；Ⅴ-2—Ⅴ-5區(qū)人均土地面積較少，水資源條件差，礦產資源貧乏，水環(huán)境和土壤環(huán)境條件差，崩、滑、流等地質環(huán)境問題分布密集，地質環(huán)境條件中等—弱，地質環(huán)境承載力以中等區(qū)為主，一般產業(yè)基地適宜性以中等—較強為主，化工業(yè)適宜性以差和較差為主。

4 結論

(1)地質環(huán)境保障能力的評價涉及到可能影響該區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的經濟、社會、地質條件及生態(tài)環(huán)境等多種影響因素，屬于多層次、多因素作用的空間綜合評價，是典型的結構化、多目標評價問題。

(2)研究區(qū)范圍廣闊，資源、環(huán)境條件復雜，人類活動特征具有明顯的地域性，地質環(huán)境保障能力評價指標選取過程中，以資源與環(huán)境為基礎，綜合考慮了產業(yè)布局、發(fā)展規(guī)劃等因素。利用層次分析法確定的該區(qū)域評價指標體系為2個領域層指標、11個準則層指標、37個指標層指標，既科學又易于操作，指標權重的選取也更具代表性。

(3)評價結果表明研究區(qū)地質環(huán)境具有保障藍色經濟區(qū)建設和發(fā)展的能力，但保障能力中等以上區(qū)域面積，占比較小，多數(shù)地區(qū)地質環(huán)境條件、適宜性、承載力等客觀形勢嚴峻，建設過程中需要有針對性的采取工程保障措施，與實際相符，證明利用GIS層次分析法進行地質環(huán)境保障能力評價是可靠的。