丁 贊， 沈 銘

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 武漢 430034)

地質(zhì)環(huán)境承載力是指一定時(shí)期一定區(qū)域內(nèi)，在一定的環(huán)境目標(biāo)下，維持地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不發(fā)生質(zhì)的改變，系統(tǒng)功能朝著有利于人類社會(huì)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)方向發(fā)展的前提下，地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)所能承受人類活動(dòng)和外部力量的影響與改變的最大能力[1]。地質(zhì)環(huán)境承載力從人類—環(huán)境—經(jīng)濟(jì)相關(guān)系統(tǒng)中，通過(guò)探討地質(zhì)環(huán)境與人類活動(dòng)之間的相互關(guān)系，表述地質(zhì)環(huán)境對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的承載能力，并用人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的強(qiáng)度、方向、規(guī)模等來(lái)表現(xiàn)[2-3]。地質(zhì)環(huán)境承載力是一個(gè)特定的值，但隨著目標(biāo)條件的變化、科技水平的提高，它又是動(dòng)態(tài)的。地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)是在地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上，按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)方法評(píng)估地質(zhì)環(huán)境承載力的優(yōu)劣。對(duì)于評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，指標(biāo)的構(gòu)建、權(quán)重的確定和數(shù)學(xué)模型的選擇都是相當(dāng)重要的步驟，貫穿于地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的全過(guò)程之中。國(guó)內(nèi)學(xué)者自上世紀(jì)90年代以來(lái)相繼對(duì)地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行了研究。王浩等[4]依據(jù)西北內(nèi)陸干旱區(qū)的特點(diǎn)，對(duì)其水資源承載力進(jìn)行研究，并對(duì)其可承載的人口進(jìn)行預(yù)測(cè)；馬傳明等[5]在可持續(xù)發(fā)展的理念下，討論地質(zhì)環(huán)境承載力內(nèi)在涵義，即地質(zhì)環(huán)境對(duì)人類社會(huì)的承受閾值就是地質(zhì)環(huán)境承載力;王念秦等[6]以西安市臨潼區(qū)為研究區(qū)，對(duì)其地質(zhì)環(huán)境承載力進(jìn)行多時(shí)段評(píng)價(jià)；蔣仁偉等[7]以白馬紅格礦區(qū)為研究區(qū)，從五個(gè)要素層建立礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系，對(duì)其承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

黃石市是全國(guó)第二批資源枯竭城市，華中地區(qū)重要的原材料工業(yè)基地，也是國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的沿江開(kāi)放城市。筆者從生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境三個(gè)方面選取16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系，使用層次分析法確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)ArcGIS軟件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到黃石市地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)獲取

黃石市位于湖北省東南部，長(zhǎng)江中游南岸，是長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶(武漢—黃石段)的城市之一，地跨東經(jīng)114°31′～115°30′，北緯29°30′～30°15′，總面積約4 583 km2。研究區(qū)為典型的亞熱帶東亞大陸性氣候，四季分明，光照充足，雨量豐富。區(qū)內(nèi)水系主要為富水水系、大冶湖水系、保安湖水系。區(qū)內(nèi)地貌格局受地質(zhì)構(gòu)造體系與巖性構(gòu)造控制，具有帶狀相間的低山、丘陵、沉積盆地和火山盆地等地貌組合特點(diǎn)。地勢(shì)上表現(xiàn)為西南高東北低。研究區(qū)所處大地構(gòu)造位于揚(yáng)子板塊北緣，襄樊—廣濟(jì)斷裂以南，在燕山運(yùn)動(dòng)的影響下，伴隨著強(qiáng)烈的巖漿侵入和斷裂構(gòu)造復(fù)雜化，致使本地層褶皺和巖漿侵入接觸變質(zhì)，銅、鐵、金等多金屬礦產(chǎn)，石灰石、天青石、大理巖等非金屬礦產(chǎn)均很豐富，是長(zhǎng)江中下游成礦帶的重要組成部分，是湖北省最主要的礦產(chǎn)地[8-9]。由于礦產(chǎn)資源的持續(xù)開(kāi)采，黃石市尤其是大冶市地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)環(huán)境均受到嚴(yán)重破壞，主要表現(xiàn)為崩塌、滑坡、泥石流、水土流失等。

研究區(qū)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)主要包括影像數(shù)據(jù)與各類評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)(圖1)。其中，研究采用的礦山開(kāi)采數(shù)據(jù)與地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)由湖北省地質(zhì)環(huán)境總站提供，影像數(shù)據(jù)是從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載的覆蓋黃石區(qū)域的2018年4月17日Landsat8影像，空間分辨率為30 m，從該影像中提取歸一化植被指數(shù)(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)與歸一化建筑指數(shù)(NDBI，Normalized Difference Build-up Index)。NDVI由近紅外波段與紅波段的差值比近紅外波段與紅波段之和求得，反映植被覆蓋情況，該值越大，表明植被覆蓋越茂盛；NDBI由中紅外波段與近紅外波段之差比中紅外波段與近紅外波段之和求得，表示建筑物分布情況。數(shù)字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)是從美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)網(wǎng)站獲取的ASTER GDEM V2 數(shù)據(jù)，分辨率為30 m，可提取坡度指標(biāo)。人口數(shù)量、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)數(shù)據(jù)均來(lái)自于《黃石統(tǒng)計(jì)年鑒》(2018年)。

圖1 研究區(qū)行政區(qū)劃Fig.1 Administrative division of the study area

2 指標(biāo)體系與方法

2.1 評(píng)價(jià)單元選取與劃分

由于不同區(qū)域的地質(zhì)要素存在差異性與復(fù)雜性，要做到較為精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)，需要將研究區(qū)劃分為若干個(gè)小圖元，即評(píng)價(jià)單元。評(píng)價(jià)單元是具有相同特征的最小的地域單元，評(píng)價(jià)單元一般有行政區(qū)單元、網(wǎng)格單元、斜坡單元，本研究根據(jù)已有的數(shù)據(jù)資料結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境，選取30 m×30 m的網(wǎng)格單元進(jìn)行評(píng)價(jià)，共計(jì)4 631 647個(gè)評(píng)價(jià)單元。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

如定義所述，地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的最終目的是協(xié)調(diào)人—地—生三者之間關(guān)系，因此，本研究選取地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境三個(gè)準(zhǔn)則層，依據(jù)針對(duì)性、簡(jiǎn)明性、普適性、數(shù)據(jù)易取得、指標(biāo)可量化等原則選取地層巖性、坡度、降雨等共16個(gè)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。針對(duì)黃石市是依賴礦業(yè)發(fā)展的城市，本研究在評(píng)價(jià)體系中加入礦區(qū)破壞程度因子，并從圖斑開(kāi)采程度與開(kāi)采密度對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，其中圖斑開(kāi)采程度從圖斑類型、開(kāi)采方式、開(kāi)采礦種、占地類型四個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行分析。

圖2 黃石地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系Fig.2 Evaluation system of geological environmentcarrying capacity in Huangshi City

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

由于評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)物理意義不同，數(shù)據(jù)的量綱也不一定相同，相互間可對(duì)比性較差，因此，對(duì)原始數(shù)據(jù)需進(jìn)行統(tǒng)一的定性描述，根據(jù)其對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的影響程度大小，賦予對(duì)應(yīng)的分值，以反映地質(zhì)環(huán)境的現(xiàn)狀情況[2]。為了全面反映各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的信息，以越大越優(yōu)型為原則進(jìn)行賦值[10]。結(jié)合前人的研究成果及專家咨詢，按照各指標(biāo)對(duì)地質(zhì)環(huán)境承載力影響的程度，將各項(xiàng)指標(biāo)分為好、較好、中等、較差、差五個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的分值為5，4，3，2，1。表1為研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力各因子分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，表2為圖斑開(kāi)采程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性、模糊性，用精確的數(shù)學(xué)模型求解各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重難度很大，而層次分析法可在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步確定權(quán)重，是一種合理可行的賦權(quán)方法。層次分析法將決策問(wèn)題按總目標(biāo)、各層子目標(biāo)、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的順序分解為不同的層次結(jié)構(gòu)，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得同一層次各個(gè)因素對(duì)隸屬于上一層次因素的相對(duì)重要性。本研究中構(gòu)建的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系已將各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分層處理，結(jié)合目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層之間的層次關(guān)系，在不同因素之間，兩兩比較其重要程度，構(gòu)造判斷矩陣。通過(guò)求解判斷矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，即可得到各因子的權(quán)值。最后需要對(duì)所構(gòu)造的判斷矩陣進(jìn)行一致性和隨機(jī)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)公式為:

表1 黃石市地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification of geological environment carrying capacity evaluation indicators in Huangshi City

表2 圖斑開(kāi)采程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Classification of damage degree in mining area

CR=CI/RI

(1)

本文使用Matlab軟件對(duì)各個(gè)判斷矩陣進(jìn)行求解，得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值，如表4所示。

表3 AHP平均一致性指標(biāo)值Table 3 AHP average consistency indicator value

表4 黃石市地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Table 4 Weights of geological environment carrying capacityevaluation indicators in Huangshi City

2.5 綜合評(píng)價(jià)模型

根據(jù)研究區(qū)的特點(diǎn)與已收集的數(shù)據(jù)資料，為了能全面反映研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載情況，本文采用綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究。具體計(jì)算過(guò)程如下:

(2)

式中：P為承載力得分值；Wi為評(píng)價(jià)指標(biāo)Xi的權(quán)值；Xi為評(píng)價(jià)指標(biāo)經(jīng)過(guò)分級(jí)處理后的值。

該過(guò)程利用ArcGIS軟件中的地圖代數(shù)工具進(jìn)行操作，得到黃石市地質(zhì)環(huán)境承載力得分。

3 地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)結(jié)果

獲得黃石市最終的地質(zhì)環(huán)境承載力分值后，采用自然斷點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行分級(jí)，得到圖3，其分區(qū)面積及各區(qū)面積百分比如圖4所示。

圖3 黃石市地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.3 Evaluation of the geological environmentcarrying capacity of Huangshi City

圖4 黃石市地質(zhì)環(huán)境承載力分區(qū)面積及占比Fig.4 Area and proportion of geological environmentcarrying capacity of Huangshi City

如圖3所示，地質(zhì)環(huán)境承載力差的區(qū)域主要集中在黃石市北部磁湖附近、大冶湖西側(cè)區(qū)域，以及陳貴鎮(zhèn)附近，該區(qū)域面積約161.68 km2，約占總面積的3.9%。主要優(yōu)勢(shì)在于經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，交通便捷；劣勢(shì)在于地質(zhì)災(zāi)害程度較為嚴(yán)重，且人口密集，受到的威脅大，是制約其地質(zhì)環(huán)境承載力的重要因子，建議對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)治理，開(kāi)展地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)，改善地質(zhì)環(huán)境承載狀態(tài)，建設(shè)綠色、生態(tài)黃石。

地質(zhì)環(huán)境承載力較差的區(qū)域面積約560.10 km2，約占總面積13.5%，其主要分布在承載力差的區(qū)域附近、金湖街道區(qū)域內(nèi)，受礦山開(kāi)采程度影響較大，建議對(duì)該區(qū)域開(kāi)展礦山治理工程。

地質(zhì)環(huán)境承載力中等區(qū)域面積約1 047.85 km2，約占總面積25.26%，分布范圍較廣，在大冶湖北側(cè)區(qū)域較為集中，受地層巖性因子的影響較大，多為第四紀(jì)砂礫層，極軟弱巖組。

地質(zhì)環(huán)境承載力較好區(qū)域面積最大，約占總面積33.7%，主要分布在南部陽(yáng)新縣、保安湖東側(cè)區(qū)域，人類活動(dòng)擾動(dòng)較少，建議對(duì)其科學(xué)開(kāi)發(fā)利用，提高經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。

地質(zhì)環(huán)境承載力好的區(qū)域主要分布在南部洋港鎮(zhèn)、楓林鎮(zhèn)、王英鎮(zhèn)內(nèi)，面積約980.55 km2，約占總面積23.64%，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育少，人口密度較小，危險(xiǎn)性低。建議對(duì)該區(qū)域進(jìn)行合理規(guī)劃開(kāi)發(fā)，發(fā)掘其旅游資源，建設(shè)陽(yáng)新縣獨(dú)有的生態(tài)旅游區(qū)。

4 結(jié)論

本次研究以黃石市為主要研究區(qū)，從生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境三個(gè)方面建立其地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)體系，基于RS和GIS技術(shù)，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析討論，得出如下結(jié)論：

(1) 從地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)環(huán)境三個(gè)環(huán)境中選取了地層巖性、高程、坡度等16個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于黃石市依托礦業(yè)發(fā)展的特點(diǎn)，從礦山開(kāi)采方式、開(kāi)采礦種、所屬類型以及占地類型對(duì)礦區(qū)破壞程度因子再次分級(jí)，構(gòu)建適合黃石市地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行分級(jí)賦值。

(2) 利用層次分析法計(jì)算得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)GIS空間分析技術(shù)，采用綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行疊加分析，得到黃石市地質(zhì)環(huán)境承載力評(píng)價(jià)結(jié)果，利用自然間段法對(duì)結(jié)果分級(jí)，結(jié)果表明，地質(zhì)環(huán)境承載力在整個(gè)黃石區(qū)域內(nèi)分布大致為西南好、東北差，整體情況較好；林地較多的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力較高，水域附近區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境承載力多為中等狀態(tài)，但北部磁湖附近、大冶湖西側(cè)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力多為差的狀態(tài)，南部陽(yáng)新縣地質(zhì)環(huán)境承載力整體較高。

(3) 在結(jié)果分級(jí)的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究過(guò)程中各評(píng)價(jià)因子的狀態(tài)分布對(duì)制約地質(zhì)環(huán)境承載力的主要因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)北部地質(zhì)環(huán)境承載力差的主要因素是其地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育較多，加之其人口密度大，經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好，使得可承載的空間小，建議對(duì)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)治理，排除地質(zhì)災(zāi)害隱患，改善地質(zhì)環(huán)境，提高其地質(zhì)環(huán)境承載力；南部陽(yáng)新縣地質(zhì)環(huán)境承載力相對(duì)較高，是由于其環(huán)境開(kāi)發(fā)程度低、社會(huì)環(huán)境中的各評(píng)價(jià)因子較高、可承載的空間大，建議在保持好現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)其旅游資源、農(nóng)業(yè)資源等進(jìn)行適度開(kāi)發(fā)，從可持續(xù)發(fā)展的角度，適當(dāng)加強(qiáng)其交通建設(shè)，促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。