廊坊市城市地質(zhì)環(huán)境綜合影響評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

李 琴 李慶林 成運(yùn)利

(1.河北省地球物理勘查院 廊坊 065000；2.山東省煤田地質(zhì)局第一勘探隊(duì) 青島 266000)

廊坊市地處環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中心地帶,素有京津走廊明珠之稱,在河北省國民經(jīng)濟(jì)中占有重要份額。隨著城市化進(jìn)程的加速,在砂土液化、軟土地基等工程地質(zhì)問題基礎(chǔ)上逐漸疊加了地面沉降及環(huán)境污染等地質(zhì)災(zāi)害問題(圖1)。

廊坊市城市地質(zhì)環(huán)境綜合影響評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃項(xiàng)目系統(tǒng)收集了區(qū)內(nèi)各種地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育狀況和承載體空間分布定量數(shù)據(jù),進(jìn)行了科學(xué)合理的集成處理,編制了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性與環(huán)境影響強(qiáng)度指數(shù)系列專題圖件,獲得科學(xué)結(jié)論,提出了城市化進(jìn)程建議。

圖1 研究區(qū)廊坊市地理位置圖

1 評(píng)價(jià)體系模型的建立

依據(jù)代表性、可操作性和可比性等原則,充分收集區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害及受災(zāi)對(duì)象的資料,對(duì)其進(jìn)行整理,利用MAPGIS、ACCESS 等軟件建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和基礎(chǔ)圖形庫；用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)各類地質(zhì)環(huán)境問題的影響因子進(jìn)行疊加分析,建立城市地質(zhì)環(huán)境問題危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,利用現(xiàn)代計(jì)算技術(shù),計(jì)算區(qū)內(nèi)地震加速度、地面沉降、地裂縫、地震砂土液化、地下水污染、土壤污染、地下水漏斗、地下咸水等地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各指標(biāo)的權(quán)重,進(jìn)行各類地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)并分區(qū)。然后,收集各類承災(zāi)體的有關(guān)資料進(jìn)行城市地質(zhì)災(zāi)害易損性評(píng)價(jià),根據(jù)各類承災(zāi)體的分布、數(shù)量及價(jià)值,計(jì)算物質(zhì)財(cái)富、土地資源的價(jià)值密度和人口密度,評(píng)價(jià)各類城市地質(zhì)環(huán)境問題對(duì)人員、物質(zhì)財(cái)富、土地資源的易損性進(jìn)行評(píng)估。最后,在進(jìn)行城市地質(zhì)環(huán)境問題危險(xiǎn)性和易損性評(píng)價(jià)及區(qū)劃工作的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同地質(zhì)環(huán)境問題的發(fā)生、發(fā)展、危害強(qiáng)度、城市特征及城市防災(zāi)減災(zāi)等因素,采用層次分析法和模糊數(shù)學(xué)的方法研究地質(zhì)環(huán)境問題綜合風(fēng)險(xiǎn),建立地質(zhì)環(huán)境問題綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,利用因子分析及模糊數(shù)學(xué)方法,確定體系內(nèi)各因子的權(quán)重,評(píng)價(jià)城市地質(zhì)環(huán)境問題綜合影響并進(jìn)行城市地質(zhì)環(huán)境問題綜合影響風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

承災(zāi)體類型劃分的依據(jù)和原則主要是： 符合地質(zhì)環(huán)境問題特點(diǎn),根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害破壞效應(yīng),界定承災(zāi)體范圍；充分考慮不同承災(zāi)體的共性和個(gè)性特征,同類型的承災(zāi)體的性能、功能、破壞方式以及價(jià)值屬性和核算方式基本相同或相似。根據(jù)上述原則,廊坊市承災(zāi)體劃分為人口和房屋建筑兩大類。建筑物密度采取實(shí)地調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方式,按照主干街道劃分統(tǒng)計(jì)單元,進(jìn)行逐項(xiàng)統(tǒng)計(jì)。人口密度資料采用網(wǎng)絡(luò)查詢方法,以街道和鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

城市地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及城市地質(zhì)環(huán)境的綜合影響評(píng)價(jià)涉及大量的相互關(guān)系、相互影響、相互制約的因素,各因素又有不同的量綱,缺乏統(tǒng)一的衡量性,各因素對(duì)城市地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性及綜合影響的目標(biāo)有著不同的重要性。因此,其在地質(zhì)環(huán)境危險(xiǎn)性及綜合影響評(píng)價(jià)中的地位也各有不同,指標(biāo)體系各要素各具內(nèi)涵,要想把它們納入統(tǒng)一的評(píng)價(jià)體系,必須將其統(tǒng)一進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以便于以后的工作在一致化的狀態(tài)上進(jìn)行。為此,采用歸一化方法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,其流程如圖2所示。

歸一化公式為： Xi*=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中,Xi、Xi*分別表示數(shù)據(jù)歸一化前后的值；

Xmin、Xmax分別表示樣本數(shù)據(jù)中的最小值、最大值。

圖2 廊坊市地質(zhì)環(huán)境綜合影響評(píng)價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)體系模型圖

2 參數(shù)計(jì)算與圖件制作

通過地質(zhì)災(zāi)害基本因素和觸發(fā)因素與區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系研究的結(jié)果,對(duì)基本因素和觸發(fā)因素進(jìn)行分類,從而確定最有效的區(qū)劃變量。采用信息模型和相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型,以控制地質(zhì)災(zāi)害的背景因素和觸發(fā)因素為基礎(chǔ),采取定量與定性相結(jié)合的工程地質(zhì)類比原理、統(tǒng)計(jì)原理,以MAPGIS地理信息系統(tǒng)軟件為空間分析平臺(tái),建立多圖層的空間DEM 分析模型,從而確定各因素與單災(zāi)種地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)關(guān)系和權(quán)重系數(shù),定量分析不同環(huán)境地質(zhì)中各因素與單災(zāi)種地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域關(guān)系及其時(shí)空規(guī)律。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多因素—單災(zāi)種、多因素—多災(zāi)種的總體分析。

依據(jù)區(qū)域地震加速度、砂土液化、地面沉降量和表層土壤汞含量及潛水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)資料,分別采集1： 5萬地形圖上1km×1km 網(wǎng)格中心所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),錄入excel電子表格中,構(gòu)成地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)數(shù)據(jù)庫,同時(shí)在人口密度和建筑物密度分布圖上采集對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),構(gòu)成地質(zhì)災(zāi)害社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性分區(qū)數(shù)據(jù)庫。

利用原始數(shù)據(jù)/最大值的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)指標(biāo)Di=C1(地震加速度)+C2(砂土液化)+C3(地面沉降量)+C4(表層土壤汞含量)+C5(潛水風(fēng)險(xiǎn)指數(shù))。

綜合影響指標(biāo)權(quán)數(shù)Ci是對(duì)象評(píng)價(jià)集和因子相對(duì)重要性大小的表征測度值,其確定方法主要有專家估測法、頻數(shù)統(tǒng)計(jì)法、主成分分析法、層次分析法和模糊逆方程法等。

因子分析根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)來尋覓其內(nèi)在原因,而就評(píng)價(jià)而言,這種現(xiàn)象的內(nèi)在聯(lián)系正表現(xiàn)了評(píng)價(jià)指標(biāo)之間對(duì)評(píng)判對(duì)象的相互影響及其對(duì)討論對(duì)象的相對(duì)貢獻(xiàn),亦即相對(duì)重要性權(quán)值,因而這種方法求得的權(quán)值是直接來自客觀環(huán)境的。

提取主成分。設(shè)評(píng)價(jià)指集U={X1,X2,…,Xn},有m 組樣本ti(1,2,3,…,m},每組樣本有對(duì)應(yīng)于U中各個(gè)指標(biāo)的指標(biāo)值xij(j=1,2,3,…,n},用表格表示,并對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,以消除量綱影響。

第一步,求指標(biāo)Xj與Xk(j,k=1,2,…,n)的相關(guān)系數(shù),由此得到指標(biāo)相關(guān)矩陣R=(rij)n×n；第二步,求相關(guān)矩陣R 的特征值與特征向量。其中,特征值由行列式|R-λE|=0求出,E 是單位矩陣,與R 同型,λ是特征值。特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量由方程(R-λE)=0求出,X 是特征值λ對(duì)應(yīng)的特征向量；第三步,確定主成分。設(shè)R 的特征根按大小排序?yàn)棣?,λ2,…,λn,稱λi所對(duì)應(yīng)的指標(biāo)為第i主成分,trR=λ1+λ2,…,λn,稱λi/trR 是第i主成分的貢獻(xiàn)(表1、表2、表3、表4、表5)。

確定各因素因子負(fù)載,它是特征根或特征值的均方根與其對(duì)應(yīng)的特征向量值的乘積,然后經(jīng)過一系列變換可求得各指標(biāo)的權(quán)數(shù)。

表1 廊坊市地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)變量相關(guān)系數(shù)矩陣

表2 特征根結(jié)果表

表3 特征向量表

表4 初始因子矩陣

表5 旋轉(zhuǎn)因子矩陣

先計(jì)算某一變量指標(biāo)在各主成分的初始因子載荷除以所有載荷絕對(duì)值之和,再將這些比值相加,得到相應(yīng)變量的初始權(quán)重,最后歸一化為百分比(表6)。

表6 權(quán)重計(jì)算過程

易損性隸屬度函數(shù)的確定,要給模糊的事物以適當(dāng)?shù)募厦枋?必須規(guī)定新的假設(shè),類似特征函數(shù),引入隸屬度函數(shù)概念：

其中： A稱為模糊集合,由0,1及μA(x)構(gòu)成,表示元素x屬于模糊集合A的程度,取值范圍為[0,1]。

一般情況下,多用推理方法根據(jù)有關(guān)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)近似確定隸屬函數(shù)。在實(shí)際工作中,二元對(duì)比排序法常常能對(duì)不易量化的概念得到較好的數(shù)據(jù)處理,具體確定時(shí)要注意剔除歪曲對(duì)比成分。

優(yōu)先關(guān)系定序法依據(jù)某種特性,在各元素之間確定優(yōu)劣比較關(guān)系,以建立優(yōu)先關(guān)系,再通過取不同特征值,截取矩陣,進(jìn)而決定總的排序。

相對(duì)比較法是把論域中的各元素,按某種特性,在兩兩元素之間對(duì)比,以建立二元比較級(jí),然后通過矩陣轉(zhuǎn)化為總體的排序而求得隸屬度(表7、表8)。

表7 廊坊市地質(zhì)環(huán)境問題社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損程度一覽表

表8 廊坊市地質(zhì)環(huán)境問題社會(huì)經(jīng)濟(jì)易損性模糊隸屬度函數(shù)表

根據(jù)上述結(jié)果,確定地質(zhì)環(huán)境影響強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算公式：

If=∑ai×Di×H1i+∑bi×Di×H2i

=(0.12×地震加速度+0.04×砂土液化+0.20×地面沉降+0.28×土壤污染+0.36×潛水風(fēng)險(xiǎn))×人口密度+(0.31×地震加速度+0.24×砂土液化+0.31×地面沉降+0.035×土壤污染+0.105×潛水風(fēng)險(xiǎn))×建筑密度

其中： ai人口易損性模糊隸屬度；bi建筑物密度易損性模糊隸屬度；Di地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)指數(shù)；H1i標(biāo)準(zhǔn)化人口密度；H2i標(biāo)準(zhǔn)化建筑物密度。

在MAPGIS地理信息系統(tǒng)軟件上繪制地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)曲線、人口密度分布曲線、建筑物密度分布曲線和地質(zhì)環(huán)境影響強(qiáng)度色區(qū),進(jìn)而確定地質(zhì)環(huán)境綜合影響風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)體系(表9)。

表9 地質(zhì)環(huán)境綜合影響風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃指標(biāo)體系

3 研究結(jié)果

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)學(xué)研究表明,適度發(fā)展大城市,積極發(fā)展中小城市,加快小城鎮(zhèn)建設(shè),引導(dǎo)城市群發(fā)展,形成功能完備、布局合理、規(guī)模適度、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的城市體系,可以促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展,提高資源集中和優(yōu)化配置及人口聚集程度,解決就業(yè)問題,拉動(dòng)內(nèi)需,吸收農(nóng)村剩余勞動(dòng)力。

按照現(xiàn)有的發(fā)展模式,城鎮(zhèn)化的真正驅(qū)動(dòng)力是現(xiàn)代工商業(yè)的興旺發(fā)達(dá)。人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育情況,其范圍、頻率、強(qiáng)度和破壞程度均與人口增長及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有大體同步消長的相互關(guān)系。大規(guī)模工業(yè)化的過程,必然改變地球表層化學(xué)物質(zhì)的分布分配狀況,給人類生態(tài)環(huán)境帶來正負(fù)兩方面的影響。

本次研究結(jié)果表明,該區(qū)幾乎所有城市建成區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響強(qiáng)度指數(shù)均達(dá)較大級(jí)別,意味著不適應(yīng)大規(guī)模城市化進(jìn)程,應(yīng)在項(xiàng)目、資金、設(shè)備、人員等多個(gè)方面,加以適度限制,從而避免地質(zhì)災(zāi)害所造成的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。而固安西部、三河燕郊東北部地質(zhì)環(huán)境影響強(qiáng)度指數(shù)較小,尚有一定發(fā)展城市化潛力,在其它條件容許情況下,可加快發(fā)展城市化進(jìn)程。其余多為中等區(qū),可適度發(fā)展城市化進(jìn)程。

對(duì)于地下水下降漏斗及地面沉降發(fā)育區(qū),應(yīng)大力推廣城市中水回用和農(nóng)村節(jié)水灌溉等措施；對(duì)于砂土液化嚴(yán)重區(qū)應(yīng)采取相應(yīng)的工程樁基措施,以加強(qiáng)防震抗震能力,最大限度避免地震造成人員傷亡。對(duì)于土壤毒重金屬污染地區(qū),可考慮采用地球化學(xué)過程學(xué)方法進(jìn)行污染修復(fù)。