基于層次分析法的北川縣環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)

孫金輝, 謝忠勝, 陳 歡, 黃 海, 李金洋

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心, 四川 成都 610081; 2.中國地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所, 四川 成都 611734)

涪江流域山區(qū)城鎮(zhèn)擴(kuò)張速度受地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等因素約束和制約影響，出現(xiàn)部分場鎮(zhèn)超荷載運(yùn)行而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均等問題嚴(yán)重，如何科學(xué)評價(jià)涪江流域山區(qū)城鎮(zhèn)環(huán)境地質(zhì)承載力現(xiàn)狀問題迫在眉睫。目前，對于山區(qū)城鎮(zhèn)環(huán)境地質(zhì)承載力的研究多停留在概念描述上，而針對承載力評價(jià)的指標(biāo)體系和評價(jià)模型相對較少。國內(nèi)承載力概念最早出現(xiàn)于1991年中國科研項(xiàng)目《我國沿海經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)環(huán)境的綜合研究：福建省湄洲灣開發(fā)區(qū)環(huán)境規(guī)劃綜合研究總報(bào)告》[1]，后續(xù)主要研究多集中在環(huán)境要素承載力方面，如水環(huán)境地質(zhì)承載力、土地承載力、旅游環(huán)境地質(zhì)承載力[2-4]的研究等。本研究承載力評價(jià)以長江流域上游涪江地區(qū)的山區(qū)城鎮(zhèn)為研究對象，以綿陽市北川縣為環(huán)境地質(zhì)承載力載體，旨在探索開拓出山區(qū)城鎮(zhèn)環(huán)境地質(zhì)承載力的評價(jià)體系和評價(jià)指標(biāo)，為西南山區(qū)城鎮(zhèn)科學(xué)、高效的長期規(guī)劃提供有力依據(jù)。本研究針對上述科學(xué)問題，利用層次分析法建立了合理并且完善的環(huán)境地質(zhì)承載力評級指標(biāo)體系。選取涪江流域典型山區(qū)城鎮(zhèn)綿陽市北川縣，通過深入系統(tǒng)的調(diào)查及以往資料研究工作，進(jìn)行系統(tǒng)的環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)，研究方法及評價(jià)體系可為西南山區(qū)城鎮(zhèn)環(huán)境地質(zhì)承載力科學(xué)評價(jià)提供參考。

1 數(shù)據(jù)收集及方法

1.1 北川縣環(huán)境地質(zhì)介紹

北川縣屬四川省綿陽市所轄，位于綿陽市西北部，東接江油，南鄰安縣，西靠茂縣，北抵松潘、平武。在地質(zhì)構(gòu)造上位于青藏高原東部邊緣的龍門山構(gòu)造帶內(nèi)，由一系列北東向展布、左行雁行斜列的緊密褶皺和3條主干大斷裂及次級斷層系組成，自東向西是龍門山前主邊界斷裂帶、主中央斷裂帶和后龍門山大斷裂構(gòu)成的復(fù)雜褶皺沖斷帶,區(qū)內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，歷經(jīng)多次構(gòu)造變動(dòng)，加之不同時(shí)期的外動(dòng)力地質(zhì)條件改造作用，形成了地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地貌景觀相對復(fù)雜的地質(zhì)背景條件。北川縣總體處于成德綿經(jīng)濟(jì)圈西北側(cè)，其中縣城中心位于西部山前發(fā)展軸北部。作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)與生態(tài)保護(hù)區(qū)過渡區(qū)域，北川縣為成德綿經(jīng)濟(jì)圈發(fā)展提供了有利保障，其生態(tài)自然保護(hù)區(qū)又為生態(tài)保護(hù)提供了廣闊空間。整體上呈現(xiàn)了地形地貌的多級跨度，生態(tài)保護(hù)與人類活動(dòng)的接觸漸變，以及地質(zhì)災(zāi)害的典型發(fā)育等特點(diǎn)。所以對北川縣的環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)既有經(jīng)濟(jì)意義，又有地質(zhì)防治意義，對北川縣的長期規(guī)劃發(fā)展提供有力基礎(chǔ)。

1.2 計(jì)算方法選取

在現(xiàn)有的所有權(quán)重計(jì)算方法中，層次分析法被普遍認(rèn)為是合理有效的定權(quán)方法。由于層次分析法結(jié)合了專家打分法的定性分析優(yōu)點(diǎn)，又采用適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型進(jìn)行定量分析，彌補(bǔ)了定性與定量的不足之處，比較適合于既具有定性指標(biāo)又具有定量指標(biāo)的評價(jià)領(lǐng)域。應(yīng)用層次分析法決策問題時(shí),首先要分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系,把問題條理化、層次化,構(gòu)造出一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型。

層次分析法程序設(shè)計(jì)如圖1。具體步驟如下:

(1) 構(gòu)造判斷矩陣。對于X1,X2,…，Xn個(gè)評價(jià)指標(biāo)，由專家組運(yùn)用表兩兩比較得判斷矩陣X，如圖1所示。

圖1 環(huán)境地質(zhì)承載力層次分析法程序

(2) 層次分析法確定權(quán)值。假設(shè)有一同階正向量A，使得存在XA=λmaxA，則λmax為矩陣X的最大特征值，A為對應(yīng)于λmax的特征向量。解其特征方程得A，經(jīng)正規(guī)化后，其各分量即為所對應(yīng)的X1，X2,…，Xn的權(quán)值。理論上講，上式是可以解出的，但如果評價(jià)指標(biāo)過多，則其計(jì)算方法較為復(fù)雜，計(jì)算量較大，很難解出。本文中采用求根法來計(jì)算特征向量的近似解。

①將判斷矩陣按行求：

(1)

②歸一化：

(2)

③求最大特征值：

(3)

(3) 進(jìn)行一致性和隨機(jī)性檢驗(yàn)。由于客觀事物的復(fù)雜性及對事物認(rèn)識的片面性，構(gòu)造的判斷矩陣不一定是一致性矩陣，但當(dāng)偏離一致性過大時(shí)，會導(dǎo)致一些問題的產(chǎn)生。因此得到λmax后，還需進(jìn)行一致性和隨機(jī)性檢驗(yàn)。

GIS技術(shù)作為在環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)中的分析工具，其強(qiáng)大的空間分析功能，可以快速高效的處理環(huán)境地質(zhì)承載力的各個(gè)評價(jià)因子圖層，并通過多因子評價(jià)模型分析，從而得出研究區(qū)的環(huán)境地質(zhì)承載力指數(shù)。GIS技術(shù)多因子綜合評價(jià)模型。

1.3 北川縣環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)體系建設(shè)

環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)指標(biāo)體系主要從地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和社會環(huán)境3個(gè)方面獲取承載力評價(jià)因子。筆者根據(jù)北川縣調(diào)查資料與區(qū)域地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，建立適合西南山區(qū)城鎮(zhèn)的環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。

表1 北川縣環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)指標(biāo)體系

綿陽市北川縣處于龍門山構(gòu)造發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)環(huán)境因素直接制約了該縣域的發(fā)展，參考以往研究中地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)[10-12]，確立了北川縣環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)體系的一個(gè)重要準(zhǔn)則層—地質(zhì)環(huán)境，建立地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性等相關(guān)一級指標(biāo)層，并細(xì)化至斷裂帶密度、斷層距離等2級指標(biāo)，形成完整系統(tǒng)的便于GIS中可量化的指標(biāo)體系。生態(tài)環(huán)境作為環(huán)境地質(zhì)的重要因素，也是北川縣環(huán)境地質(zhì)承載力的重要組成部分。主要包含水資源、礦山資源及旅游資源。在評價(jià)體系中將生態(tài)環(huán)境作為體系的一個(gè)準(zhǔn)則，既是秉承了環(huán)境地質(zhì)承載力的核心概念[4-6]，也是結(jié)合了北川縣生態(tài)建設(shè)及未來發(fā)展方向。具體全面衡量區(qū)域環(huán)境地質(zhì)承載力[13]，僅通過厘定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性及環(huán)境資源供給能力并不夠全面，涉及人口及經(jīng)濟(jì)因子、基礎(chǔ)建設(shè)因子的社會環(huán)境也是環(huán)境承載力量化模型的一個(gè)關(guān)鍵性因素，而人口的密集程度分布及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展分布，也作為承載力評價(jià)體系中的重要因子。評價(jià)體系的建立是基于各項(xiàng)因子相互獨(dú)立的前提下，選取與環(huán)境地質(zhì)承載力相關(guān)的因素作為評價(jià)的二級指標(biāo)。在理想狀態(tài)中各因素保持獨(dú)立，但是各指標(biāo)具有一定相關(guān)性。根據(jù)各因素指標(biāo)相關(guān)性分析(表2)，對于相關(guān)系數(shù)在0.3以內(nèi)的可以認(rèn)為相關(guān)性較差，則可以選取該評價(jià)指標(biāo)。

表2 北川縣環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析

2 體系評價(jià)結(jié)果

根據(jù)評價(jià)指標(biāo)對于研究區(qū)域環(huán)境地質(zhì)的影響程度，采用專家打分法對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分，再對打分情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到各指標(biāo)重要性分值，獲取各指標(biāo)的權(quán)重值。由評價(jià)指標(biāo)層的權(quán)重值可見(表3)，地質(zhì)環(huán)境中地質(zhì)災(zāi)害、生態(tài)環(huán)境中的礦山和社會環(huán)境中的人口經(jīng)濟(jì)因子是環(huán)境地質(zhì)承載力的主導(dǎo)因素；其次是地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、基礎(chǔ)設(shè)施因子；其余指標(biāo)的影響程度較小。

表3 研究區(qū)環(huán)境地質(zhì)評價(jià)指標(biāo)層權(quán)重

3 討 論

根據(jù)北川縣現(xiàn)狀城市環(huán)境地質(zhì)調(diào)查情況以及對北川縣后續(xù)建設(shè)發(fā)展程度的判定，參照《國土資源環(huán)境承載力評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(試行)》指出環(huán)境地質(zhì)承載能力評價(jià)，原則上以自然單元的單要素評價(jià)和綜合評價(jià)為基礎(chǔ)，以保證評價(jià)結(jié)果的科學(xué)性。北川縣環(huán)境地質(zhì)承載力現(xiàn)狀呈現(xiàn)均衡(臨界超載)、盈余(不超載)兩種狀態(tài)，未見超載狀態(tài)，附圖3中將均衡狀態(tài)細(xì)分為承載力高、承載力較高兩種，將盈余狀態(tài)細(xì)分為承載力較低、承載力低兩種。北川縣環(huán)境地質(zhì)承載力區(qū)域共涉及承載力高、較高、較低、低4類。

(1) 環(huán)境地質(zhì)承載力高。該區(qū)域面積約占29.1%，位于沿青片河、白草河、都壩河兩岸區(qū)域，主要優(yōu)勢：部分為場鎮(zhèn)聚集區(qū)，交通便利，水土資源較豐富，支撐旅游產(chǎn)業(yè)的必要條件；劣勢：多處于構(gòu)造中山地貌，地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育，場鎮(zhèn)及公路受災(zāi)害威脅較多，人類活動(dòng)影響強(qiáng)烈，場鎮(zhèn)可開發(fā)面積有限。規(guī)劃建議：北川縣的主要場鎮(zhèn)貫穿道路區(qū)域，強(qiáng)工程措施與強(qiáng)生態(tài)治理措施相結(jié)合，生態(tài)邊坡治理措施美觀有效。重點(diǎn)場鎮(zhèn)優(yōu)化設(shè)計(jì)：充分發(fā)揮場鎮(zhèn)地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)，因地制宜，劃分場鎮(zhèn)地質(zhì)環(huán)境分區(qū)，優(yōu)化場鎮(zhèn)建設(shè)，限制場鎮(zhèn)不恰當(dāng)開發(fā)。

(2) 環(huán)境地質(zhì)承載力較高。該區(qū)域面積約占45.6%，為河谷兩側(cè)斜坡地段及人類活動(dòng)至自然保護(hù)區(qū)緩沖區(qū)，以及部分低山丘陵地貌區(qū)域。優(yōu)勢：礦產(chǎn)資源蘊(yùn)含量大，人類工程活動(dòng)擾動(dòng)較少，交通較便利，區(qū)內(nèi)可開發(fā)的旅游產(chǎn)業(yè)較多；劣勢：礦山生態(tài)恢復(fù)形勢嚴(yán)峻，局部小型地質(zhì)災(zāi)害影響的聚集區(qū)治理，潛在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育及防治。規(guī)劃建議：科學(xué)合理開采存量礦山，對于廢棄礦山及開發(fā)中礦山開展礦山環(huán)境恢復(fù)治理工程，包含礦山災(zāi)害治理、礦山復(fù)墾等措施；針對小型地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及潛在地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行生態(tài)地質(zhì)治理，建設(shè)綠色、生態(tài)北川。

(3) 環(huán)境地質(zhì)承載力較低。該區(qū)域面積約占20.3%，為自然保護(hù)區(qū)過渡帶與安昌、永安的過渡區(qū)。優(yōu)勢：地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性低，人口密度較低，其中自然保護(hù)區(qū)過渡區(qū)存在大量可旅游開發(fā)區(qū)域及現(xiàn)有旅游區(qū)擴(kuò)建空間。劣勢：未開發(fā)程度較大，需要投入大量人力物力進(jìn)行改造。規(guī)劃建議：自然保護(hù)區(qū)過渡帶的旅游區(qū)開發(fā)及現(xiàn)有旅游區(qū)的改擴(kuò)建，形成北川縣獨(dú)有的生態(tài)旅游區(qū)，創(chuàng)建多個(gè)國家5A級旅游景點(diǎn)及羌族特色農(nóng)家樂。

(4) 環(huán)境地質(zhì)承載力低。該區(qū)域面積約占4.9%，為安昌鎮(zhèn)、永安鎮(zhèn)集中區(qū)及自然保護(hù)區(qū)。優(yōu)勢：地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)已經(jīng)基本完善，人口經(jīng)濟(jì)發(fā)現(xiàn)狀情況較為發(fā)達(dá)。劣勢：自然保護(hù)區(qū)屬于不得開發(fā)區(qū)域，縣城中心區(qū)域可供開發(fā)區(qū)域具有一定局限性。規(guī)劃建議：優(yōu)化中心區(qū)域建設(shè)，控制區(qū)域建設(shè)規(guī)模，自然保護(hù)區(qū)域保持生態(tài)物種原樣性不得開發(fā)改造。

4 結(jié) 論

(1) 環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)體系依據(jù)地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和社會環(huán)境3個(gè)準(zhǔn)則層，劃分了地質(zhì)構(gòu)造等10個(gè)指標(biāo)層建立北川縣評價(jià)體系，對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化處理，建立了適合西南山區(qū)城鎮(zhèn)環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)的體系模型。

(2) 采用層次分析法及GIS空間處理技術(shù)針對環(huán)境地質(zhì)承載力評價(jià)提供技術(shù)支撐，結(jié)合專家打分法確定評價(jià)因子各自權(quán)重值，結(jié)果驗(yàn)證表明該方法效果較好，但由于地質(zhì)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，該評價(jià)體系只適用于西南山區(qū)城鎮(zhèn)相似區(qū)域。