基于組合權(quán)重的金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)

王 欣, 趙其華 , 張朝俊,王 紅

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059;2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059)

地質(zhì)環(huán)境是生態(tài)環(huán)境的載體，生態(tài)環(huán)境是地質(zhì)環(huán)境的“屏障”，生態(tài)環(huán)境的優(yōu)劣與發(fā)展演化在很多方面受地質(zhì)環(huán)境的影響，而兩者的穩(wěn)定運(yùn)行又為人類(lèi)生存環(huán)境提供了堅(jiān)實(shí)的保障。生態(tài)地質(zhì)環(huán)境作為一個(gè)組合概念，前人給出了不同的定義與研究方向[1-4]，但始終離不開(kāi)巖石圈近地表受人為影響的地帶。其本底值取決于地質(zhì)環(huán)境，而承載力則受地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境三者的共同制約與影響。目前，許多學(xué)者針對(duì)環(huán)境承載力進(jìn)行了許多研究并取得豐碩的成果[5-10]，但其評(píng)價(jià)指標(biāo)主要集中在生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與人類(lèi)社會(huì)環(huán)境系統(tǒng)的組合上，有關(guān)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)卻很少。隨著我國(guó)生態(tài)環(huán)境的日益惡化與山區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快，許多學(xué)者圍繞不同區(qū)域開(kāi)展了生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力的綜合評(píng)價(jià)，并取得豐碩的成果[11-14]，但由于評(píng)價(jià)指標(biāo)眾多且難以量化，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果適用性不強(qiáng)。因此，許多學(xué)者利用GIS強(qiáng)大的空間可視化及統(tǒng)計(jì)分析功能開(kāi)展了不同區(qū)域的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力研究[15-19]，其研究成果不僅直觀(guān)地展現(xiàn)了承載力在空間上的差異性，而且為決策提供了有力的依據(jù)。但是，由于不同區(qū)域生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的復(fù)雜性與差異性，目前在評(píng)價(jià)過(guò)程中，權(quán)重的確定上仍存在一定的分歧，沒(méi)有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。因此，本文從權(quán)重計(jì)算入手，通過(guò)將權(quán)重組合，降低權(quán)重計(jì)算的人為主觀(guān)性，以期對(duì)金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行客觀(guān)的評(píng)價(jià)。

1 金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境背景

1.1 社會(huì)環(huán)境

金陽(yáng)縣地理坐標(biāo)為102°56′～103°30′E，27°22′～27°58′N(xiāo)，位于四川省涼山彝族自治州東部邊緣，坐落于金沙江大峽谷北岸，東南與云南省昭通市隔金沙江相望，西與布拖縣毗鄰，東北與雷波縣相接，西北與昭覺(jué)縣相連。金陽(yáng)縣域總面積約1 587 km2，共轄34個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，截止2016年末總?cè)丝谶_(dá)20.6萬(wàn)人，人口密度129.8人/km2，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值28.9億元，人均GDP達(dá)14 052元，對(duì)外交通主要依賴(lài)于省道S208線(xiàn)，交通安全通道單一，道路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不均衡。

1.2 生態(tài)環(huán)境

金陽(yáng)縣全縣年平均氣溫15.7℃，年平均降水量800 mm，屬中亞熱帶季風(fēng)季候，降雨集中在5月—10月，時(shí)空分布不均，局部暴雨現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。地下水資源貧乏，共發(fā)育大小23條河流，均屬金沙江水系，三條主干流近南北向縱貫全縣，從西向東依次為西溪河、金陽(yáng)河、金沙江，其中金沙江境內(nèi)全長(zhǎng)98.8 km，沿河發(fā)育多條沖溝，受自然和人類(lèi)活動(dòng)的影響，水土流失嚴(yán)重。據(jù)遙感影像統(tǒng)計(jì)，金陽(yáng)縣耕地面積247.2 km2，占全縣總面積的15.5%，且大都處于金沙江及其支流沿岸的陡坡地帶。植被歸一化指數(shù)介于-0.26～0.56，以草地、灌木林為主，植被覆蓋率不均衡，全年空氣質(zhì)量良好，人均生態(tài)承載力0.85 hm2/人，略高于全國(guó)人均0.8 hm2/人[20]，隨著人口的增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，會(huì)出現(xiàn)生態(tài)赤字的情況。另外，金陽(yáng)縣耕地與草地生態(tài)承載力占比達(dá)78%，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較差，一經(jīng)破壞，將很難恢復(fù)。

1.3 地質(zhì)環(huán)境

金陽(yáng)縣總體地勢(shì)西北高東南低，是山原地貌向山地地貌過(guò)渡的區(qū)域，波洛梁子與東山梁子為境內(nèi)兩大山脈，以波洛梁子為界，西部為涼山山原地貌，東部為中山山地地貌，最高海拔4 036 m，最低海拔447 m，落差3 589 m。金陽(yáng)縣屬上揚(yáng)子臺(tái)拗涼山隆褶區(qū)，為“川滇南北構(gòu)造帶”與“華夏式”構(gòu)造交匯處，主要構(gòu)造體系金沙江斷裂束，屬小江斷裂波及范圍，構(gòu)造骨架為燕山運(yùn)動(dòng)期產(chǎn)物，以北東向和南北向構(gòu)造為主[21]。斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，其中金陽(yáng)斷裂近南北向穿越縣城主城區(qū)，構(gòu)造裂隙發(fā)育，斷裂面兩側(cè)巖體擠壓破碎強(qiáng)烈。區(qū)內(nèi)地層除白堊系、石炭系缺失外，其余均有出露，寒武系、奧陶系、志留系地層廣泛分布于縣域中部，巖性以碳酸鹽巖夾碎屑灰?guī)r為主，二疊系峨眉山玄武巖在北部山原地區(qū)大面積出露，震旦系、二疊系、侏羅系地層以長(zhǎng)條狀分布于金沙江、金陽(yáng)河沿岸，地層巖性主要為變質(zhì)砂巖、灰?guī)r、泥巖。據(jù)已有地震資料顯示，金陽(yáng)縣未有7級(jí)以上地震記載，地震烈度Ⅶ度。截止2018年，全縣共發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害(隱患)點(diǎn)211處，災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)14.36個(gè)/100km2，其中滑坡137處，崩塌23處，泥石流39處，不穩(wěn)定斜坡12處，主要集中分布在斷裂及水系附近(見(jiàn)圖1)。

2 數(shù)據(jù)處理與評(píng)價(jià)模型

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)價(jià)流程

本研究采用的數(shù)據(jù)包括：(1)30 m分辨率的DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)，用于提取地形地貌數(shù)據(jù)、河網(wǎng)數(shù)據(jù)；(2)30 m分辨率的Landsat 8遙感影像數(shù)據(jù)(2018年)，用于提取植被歸一化指數(shù)(NDVI)與土地利用情況數(shù)據(jù)，生態(tài)承載力數(shù)據(jù)在土地利用情況數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用生態(tài)足跡法計(jì)算得到；

圖1 金陽(yáng)縣地質(zhì)環(huán)境示意圖

(3)1：5萬(wàn)數(shù)字地質(zhì)圖，用于工程巖組分類(lèi)及地質(zhì)構(gòu)造矢量化；(4)地震動(dòng)峰值加速度數(shù)據(jù)由國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心獲??；(5)四川蜀通巖土公司提供的2018年金陽(yáng)縣地質(zhì)災(zāi)害編錄數(shù)據(jù)及野外調(diào)查資料；(6)降雨量數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)下載后空間插值處理得到；(7)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)由中國(guó)空氣質(zhì)量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)獲取后空間插值處理得到；(8)人口、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)通過(guò)金陽(yáng)縣統(tǒng)計(jì)年鑒獲??；(9)道路數(shù)據(jù)通過(guò)公開(kāi)發(fā)表資料進(jìn)行矢量化處理得到。

通過(guò)對(duì)金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)的調(diào)查與相關(guān)資料的收集與分析，將金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)劃分為地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和社會(huì)環(huán)境三個(gè)子系統(tǒng)。通過(guò)層次分析法構(gòu)建了一套遞階式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。地質(zhì)環(huán)境子系統(tǒng)從地形地貌、地質(zhì)災(zāi)害、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造四個(gè)方面考慮，共選取10個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)；生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)借鑒前人的研究成果[13-19]，主要從水、土資源與環(huán)境質(zhì)量三方面進(jìn)行考慮，共選取6個(gè)二級(jí)指標(biāo)；社會(huì)環(huán)境子系統(tǒng)從人口、經(jīng)濟(jì)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)狀況三方面進(jìn)行考慮，共選取3個(gè)二級(jí)指標(biāo)。具體評(píng)價(jià)流程見(jiàn)圖2。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分級(jí)

在原始數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，使用ArcGIS軟件建立各評(píng)價(jià)指標(biāo)的專(zhuān)題圖層，并進(jìn)行坐標(biāo)系的統(tǒng)一轉(zhuǎn)換與投影，具體處理流程在此不再贅述。在評(píng)價(jià)過(guò)程中，首先統(tǒng)計(jì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)的分布特征，依據(jù)自然間斷法和金陽(yáng)縣實(shí)際情況對(duì)其進(jìn)行4級(jí)劃分，得出分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表1)。其次，將各指標(biāo)圖層轉(zhuǎn)換成30 m×30 m空間分辨率的柵格數(shù)據(jù)，最后利用重分類(lèi)功能，將相應(yīng)柵格按分值4、3、2、1進(jìn)行賦值。

圖2 評(píng)價(jià)流程圖

2.3 權(quán)重的確定

2.3.1 AHP法

層次分析法(AHP)可以合理地確定指標(biāo)權(quán)重的排序，一般不會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際重要程度相悖的情況[22]。每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重按遞階層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分系統(tǒng)、分層次計(jì)算得到。在層次模型建立的基礎(chǔ)上，使用專(zhuān)家打分法對(duì)不同指標(biāo)按重要性等級(jí)進(jìn)行相互比較，從而構(gòu)建出判斷矩陣，采用“和積法”算出判斷矩陣的特征向量，根據(jù)式(1)求得最大特征根，用式(2)、式(3)進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，若CR<0.1，則一致性檢驗(yàn)通過(guò)，否則，修正原判斷矩陣，直到一致性檢驗(yàn)通過(guò)。經(jīng)上述計(jì)算后得到主觀(guān)權(quán)重(見(jiàn)表2)。

(1)

CI=(λmax-n)/(n-1)

(2)

CR=CI/RI

(3)

式中:λmax為最大特征根;(AW)i為向量AW的第i個(gè)分量;n為指標(biāo)個(gè)數(shù);CR為一致性比例;CI為一致性檢驗(yàn)指標(biāo);RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

表1 金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

注：MPa:表示巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度；hm2表示公頃；表中的1、2、3、4為不同等級(jí)評(píng)分。

表2 基于層次分析法確定的主觀(guān)權(quán)重

2.3.2 CRITIC法

CRITIC法能反映各指標(biāo)之間差異分布的特性，通過(guò)指標(biāo)間的對(duì)比強(qiáng)度和沖突性來(lái)計(jì)算權(quán)重[23]。其中，對(duì)比強(qiáng)度用標(biāo)準(zhǔn)差表示，標(biāo)準(zhǔn)差越大，差異性越明顯，對(duì)承載力的影響越大。沖突性由相關(guān)系數(shù)計(jì)算得到，相關(guān)性越大，沖突性越小，指標(biāo)越相似，對(duì)承載力的影響越相同。計(jì)算過(guò)程如下：首先計(jì)算各指標(biāo)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差STD與協(xié)方差，確定協(xié)方差矩陣，由協(xié)方差矩陣計(jì)算得到相關(guān)系數(shù)rij矩陣。在相關(guān)系數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，沖突性由式(4)獲得，根據(jù)式(5)、式(6)分別計(jì)算得到各指標(biāo)的信息量與客觀(guān)權(quán)重(見(jiàn)表3)。

(4)

Cj=σj·Rj

(5)

(6)

式中：Rj表示沖突性;rij為指標(biāo)i和j之間的相關(guān)系數(shù);n為指標(biāo)數(shù)量;Cj表示第j項(xiàng)指標(biāo)所包含的信息量;σj為標(biāo)準(zhǔn)差;Wj表示第j項(xiàng)指標(biāo)的客觀(guān)權(quán)重。

表3 基于CRITIC法確定的客觀(guān)權(quán)重

2.3.3 權(quán)重組合

本文采用線(xiàn)性功效系數(shù)法將主觀(guān)權(quán)重與客觀(guān)權(quán)重進(jìn)行組合[24]，經(jīng)線(xiàn)性加權(quán)后得到綜合權(quán)重。計(jì)算過(guò)程如下：首先通過(guò)式(7)建立權(quán)重之間的函數(shù)關(guān)系，然后根據(jù)式(8)求得主、客觀(guān)權(quán)重的分配系數(shù)，最后依據(jù)式(9)對(duì)主、客觀(guān)權(quán)重進(jìn)行線(xiàn)性加和，求得綜合權(quán)重(見(jiàn)表4)。

(7)

(8)

wc=αwsi+βwoi

(9)

式中:ws、wo為主、客觀(guān)權(quán)重;i為指標(biāo)個(gè)數(shù);α、β為主、客觀(guān)權(quán)重分配系數(shù);wc為綜合權(quán)重。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重

以地質(zhì)環(huán)境子系統(tǒng)B1各指標(biāo)權(quán)重為例，將主觀(guān)權(quán)重、客觀(guān)權(quán)重、組合權(quán)重三種不同類(lèi)型的權(quán)重值進(jìn)行比較(見(jiàn)圖3)發(fā)現(xiàn)，組合權(quán)重值介于主、客觀(guān)權(quán)重值之間，一定程度上彌補(bǔ)了主、客觀(guān)權(quán)重的不足。其他兩個(gè)子系統(tǒng)類(lèi)似。

2.4 評(píng)價(jià)模型

在建立指標(biāo)體系分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重計(jì)算的基礎(chǔ)上，構(gòu)建金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)模型如下：

(10)

(11)

式中：C為生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力綜合值；WBi為第i個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重值;Vi為第i個(gè)子系統(tǒng)的承載力評(píng)價(jià)值;Wij為第i個(gè)子系統(tǒng)的第j個(gè)指標(biāo)權(quán)重;Cij為第i個(gè)子系統(tǒng)的第j個(gè)方案層指標(biāo)歸一化后的值;n為子系統(tǒng)的個(gè)數(shù);m為第i個(gè)子系統(tǒng)中方案層評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

圖3 地質(zhì)環(huán)境子系統(tǒng)指標(biāo)權(quán)重值比較

2.5 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

綜合上述評(píng)價(jià)方法與模型，通過(guò)ArcGIS的柵格計(jì)算功能將各評(píng)價(jià)指標(biāo)柵格圖層乘以綜合權(quán)重進(jìn)行加權(quán)總和后得到各子系統(tǒng)的承載力空間分級(jí)圖。利用自然斷點(diǎn)分級(jí)方法，將承載力評(píng)價(jià)值分為優(yōu)、良、中、差四個(gè)等級(jí)。對(duì)各系統(tǒng)不同等級(jí)所占面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后得到圖4。

圖4 各系統(tǒng)對(duì)應(yīng)不同等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)

結(jié)合圖4各系統(tǒng)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力分級(jí)圖發(fā)現(xiàn)：

承載力為優(yōu)的區(qū)域，主要分布在縣城西北部，馬依足鄉(xiāng)與老寨子鄉(xiāng)部分區(qū)域。該區(qū)地形較為平坦，平均海拔在2 200 m以上，地質(zhì)災(zāi)害基本不發(fā)育，地層巖性以堅(jiān)硬巖為主。發(fā)育小型斷裂，地震動(dòng)峰值加速度0.1g，植被茂密，人口分布較少。各子系統(tǒng)承載力均為優(yōu)，地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果面積相近，約占全縣總面積的17.3%左右，社會(huì)環(huán)境系統(tǒng)為優(yōu)的區(qū)域較多主要原因在于金陽(yáng)縣人口集中分布在少數(shù)幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，交通不發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)落后。

承載力為良的區(qū)域，主要分布在縣城中西部，坡度8°～15°，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較少，地層巖性以較硬巖類(lèi)為主，斷裂以小型斷裂為主，地震動(dòng)峰值加速度0.1g，垂向上主要分布在海拔2 200 m以上的中高山區(qū)域以及1 300 m以上的河谷區(qū)域，植被覆蓋中等，交通較為落后。各子系統(tǒng)與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果面積相近，約占全縣面積的37%左右。

承載力為中的區(qū)域，主要分布在南東部及北東部，垂向上分布在海拔1 300 m～2 100 m之間的半山人口聚集區(qū)域，該區(qū)域地形起伏較大，往往位于緩坡與陡坎交界地帶，人口密度中等，地質(zhì)災(zāi)害中等易發(fā)，中部及南東沿江斷裂較發(fā)育，地震動(dòng)峰值加速度0.15g，地層巖性以軟巖為主。地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果面積相近，約占全縣總面積的30.8%左右，社會(huì)環(huán)境系統(tǒng)為中的區(qū)域有100.4 km2，主要為縣城中部人類(lèi)工程活動(dòng)加劇所致。

承載力為差的區(qū)域，主要分布在縣城北部及中東部沿江區(qū)域，該區(qū)地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，斷裂構(gòu)造密集，由于地形起伏較大，且山區(qū)河流流量隨季節(jié)變化較大，河谷沖刷下切，侵蝕作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致兩岸岸坡陡峻，斜坡地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育，沿交通干線(xiàn)崩塌現(xiàn)象也比較普遍。地層巖性以泥巖、頁(yè)巖、砂巖等互層狀較硬巖為主。地震動(dòng)峰值加速度為0.15g。植被破壞嚴(yán)重，為金陽(yáng)縣主要人口聚集地，耕地較多，北部區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，水土流失嚴(yán)重。地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果十分相近，約占全縣總面積的14.7%，社會(huì)環(huán)境系統(tǒng)急劇下降，只有30.1 km2，體現(xiàn)了人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)相對(duì)集中的情況。

3 結(jié)論與討論

本文以山區(qū)城鎮(zhèn)金陽(yáng)縣為例，構(gòu)建了金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將組合權(quán)重應(yīng)用到評(píng)價(jià)模型中去，并進(jìn)行了實(shí)證評(píng)價(jià)，得到了金陽(yáng)縣生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力的現(xiàn)狀和空間格局，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際調(diào)查結(jié)果較吻合。結(jié)果顯示，金陽(yáng)縣整體生態(tài)承載力中等，生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，為長(zhǎng)江上游生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供了保障，但是復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境又決定了其生態(tài)環(huán)境的脆弱性，一旦遭到破壞則很難恢復(fù)。另一方面，基于組合權(quán)重建立的評(píng)價(jià)模型，可以從更客觀(guān)的角度對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行定量綜合評(píng)價(jià)。

與此同時(shí)，在研究過(guò)程中，由于數(shù)據(jù)收集的難易程度，沒(méi)有做時(shí)間序列上的比較。對(duì)于降水與空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，縣域尺度的空間分布只能通過(guò)地統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行空間插值得到。此外，針對(duì)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境承載力的量化模型和評(píng)價(jià)方法應(yīng)用相對(duì)較少，在進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，可以結(jié)合不同評(píng)價(jià)目的對(duì)不同子系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)的評(píng)價(jià)。