黃石市地質環境承載力研究

丁 贊， 沈 銘

(湖北省地質環境總站，湖北 武漢 430034)

地質環境承載力是指一定時期一定區域內，在一定的環境目標下，維持地質環境系統結構不發生質的改變，系統功能朝著有利于人類社會、經濟活動方向發展的前提下，地質環境系統所能承受人類活動和外部力量的影響與改變的最大能力[1]。地質環境承載力從人類—環境—經濟相關系統中，通過探討地質環境與人類活動之間的相互關系，表述地質環境對人類社會經濟活動的承載能力，并用人類社會經濟活動的強度、方向、規模等來表現[2-3]。地質環境承載力是一個特定的值，但隨著目標條件的變化、科技水平的提高，它又是動態的。地質環境承載力評價是在地質環境調查的基礎上，按照一定的評價標準和評價方法評估地質環境承載力的優劣。對于評價來說，指標的構建、權重的確定和數學模型的選擇都是相當重要的步驟，貫穿于地質環境承載力評價的全過程之中。國內學者自上世紀90年代以來相繼對地質環境承載力進行了研究。王浩等[4]依據西北內陸干旱區的特點，對其水資源承載力進行研究，并對其可承載的人口進行預測；馬傳明等[5]在可持續發展的理念下，討論地質環境承載力內在涵義，即地質環境對人類社會的承受閾值就是地質環境承載力;王念秦等[6]以西安市臨潼區為研究區，對其地質環境承載力進行多時段評價；蔣仁偉等[7]以白馬紅格礦區為研究區，從五個要素層建立礦區地質環境承載力評價體系，對其承載力進行評價。

黃石市是全國第二批資源枯竭城市，華中地區重要的原材料工業基地，也是國務院批準的沿江開放城市。筆者從生態環境、地質環境、社會環境三個方面選取16個評價指標，建立地質環境承載力評價體系，使用層次分析法確定各個指標的權重，通過ArcGIS軟件進行綜合評價，得到黃石市地質環境承載力評價結果。

1 研究區概況及數據獲取

黃石市位于湖北省東南部，長江中游南岸，是長江經濟帶(武漢—黃石段)的城市之一，地跨東經114°31′～115°30′，北緯29°30′～30°15′，總面積約4 583 km2。研究區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。區內水系主要為富水水系、大冶湖水系、保安湖水系。區內地貌格局受地質構造體系與巖性構造控制，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。地勢上表現為西南高東北低。研究區所處大地構造位于揚子板塊北緣，襄樊—廣濟斷裂以南，在燕山運動的影響下，伴隨著強烈的巖漿侵入和斷裂構造復雜化，致使本地層褶皺和巖漿侵入接觸變質，銅、鐵、金等多金屬礦產，石灰石、天青石、大理巖等非金屬礦產均很豐富，是長江中下游成礦帶的重要組成部分，是湖北省最主要的礦產地[8-9]。由于礦產資源的持續開采，黃石市尤其是大冶市地質環境和生態環境均受到嚴重破壞，主要表現為崩塌、滑坡、泥石流、水土流失等。

研究區的評價數據主要包括影像數據與各類評價指標數據(圖1)。其中，研究采用的礦山開采數據與地質災害數據由湖北省地質環境總站提供，影像數據是從地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)下載的覆蓋黃石區域的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(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)與歸一化建筑指數(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。數字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)是從美國國家航空航天局(NASA)網站獲取的ASTER GDEM V2 數據，分辨率為30 m，可提取坡度指標。人口數量、經濟指標數據均來自于《黃石統計年鑒》(2018年)。

圖1 研究區行政區劃Fig.1 Administrative division of the study area

2 指標體系與方法

2.1 評價單元選取與劃分

由于不同區域的地質要素存在差異性與復雜性，要做到較為精準的評價，需要將研究區劃分為若干個小圖元，即評價單元。評價單元是具有相同特征的最小的地域單元，評價單元一般有行政區單元、網格單元、斜坡單元，本研究根據已有的數據資料結合研究區地質環境，選取30 m×30 m的網格單元進行評價，共計4 631 647個評價單元。

2.2 評價指標體系構建

如定義所述，地質環境承載力評價的最終目的是協調人—地—生三者之間關系，因此，本研究選取地質環境、生態環境、社會環境三個準則層，依據針對性、簡明性、普適性、數據易取得、指標可量化等原則選取地層巖性、坡度、降雨等共16個評價因子進行地質環境承載力評價，評價指標體系如圖2所示。針對黃石市是依賴礦業發展的城市，本研究在評價體系中加入礦區破壞程度因子，并從圖斑開采程度與開采密度對其進行分級，其中圖斑開采程度從圖斑類型、開采方式、開采礦種、占地類型四個方面對其進行分析。

圖2 黃石地質環境承載力評價體系Fig.2 Evaluation system of geological environmentcarrying capacity in Huangshi City

2.3 評價指標分級

由于評價體系中各指標物理意義不同，數據的量綱也不一定相同，相互間可對比性較差，因此，對原始數據需進行統一的定性描述，根據其對評價目標的影響程度大小，賦予對應的分值，以反映地質環境的現狀情況[2]。為了全面反映各指標原始數據所蘊含的信息，以越大越優型為原則進行賦值[10]。結合前人的研究成果及專家咨詢，按照各指標對地質環境承載力影響的程度，將各項指標分為好、較好、中等、較差、差五個等級，對應的分值為5，4，3，2，1。表1為研究區地質環境承載力各因子分級標準，表2為圖斑開采程度分級標準。

2.4 評價指標權重

由于地質環境的復雜性、模糊性，用精確的數學模型求解各評價指標的權重難度很大，而層次分析法可在數學模型的基礎上結合專家經驗進一步確定權重，是一種合理可行的賦權方法。層次分析法將決策問題按總目標、各層子目標、評價準則的順序分解為不同的層次結構，然后用求解判斷矩陣特征向量的辦法，求得同一層次各個因素對隸屬于上一層次因素的相對重要性。本研究中構建的評價指標體系已將各評價指標進行了分層處理，結合目標層、準則層、指標層之間的層次關系，在不同因素之間，兩兩比較其重要程度，構造判斷矩陣。通過求解判斷矩陣的最大特征值及其對應的特征向量，即可得到各因子的權值。最后需要對所構造的判斷矩陣進行一致性和隨機性檢驗，檢驗公式為:

表1 黃石市地質環境承載力評價指標分級標準Table 1 Classification of geological environment carrying capacity evaluation indicators in Huangshi City

表2 圖斑開采程度分級標準Table 2 Classification of damage degree in mining area

CR=CI/RI

(1)

本文使用Matlab軟件對各個判斷矩陣進行求解，得到各個評價指標的權值，如表4所示。

表3 AHP平均一致性指標值Table 3 AHP average consistency indicator value

表4 黃石市地質環境承載力評價指標權重Table 4 Weights of geological environment carrying capacityevaluation indicators in Huangshi City

2.5 綜合評價模型

根據研究區的特點與已收集的數據資料，為了能全面反映研究區地質環境承載情況，本文采用綜合評價方法進行研究。具體計算過程如下:

(2)

式中：P為承載力得分值；Wi為評價指標Xi的權值；Xi為評價指標經過分級處理后的值。

該過程利用ArcGIS軟件中的地圖代數工具進行操作，得到黃石市地質環境承載力得分。

3 地質環境承載力評價結果

獲得黃石市最終的地質環境承載力分值后，采用自然斷點法對其進行分級，得到圖3，其分區面積及各區面積百分比如圖4所示。

圖3 黃石市地質環境承載力評價分區Fig.3 Evaluation of the geological environmentcarrying capacity of Huangshi City

圖4 黃石市地質環境承載力分區面積及占比Fig.4 Area and proportion of geological environmentcarrying capacity of Huangshi City

如圖3所示，地質環境承載力差的區域主要集中在黃石市北部磁湖附近、大冶湖西側區域，以及陳貴鎮附近，該區域面積約161.68 km2，約占總面積的3.9%。主要優勢在于經濟發展較好，交通便捷；劣勢在于地質災害程度較為嚴重，且人口密集，受到的威脅大，是制約其地質環境承載力的重要因子，建議對地質災害點進行修復治理，開展地質環境監測，改善地質環境承載狀態，建設綠色、生態黃石。

地質環境承載力較差的區域面積約560.10 km2，約占總面積13.5%，其主要分布在承載力差的區域附近、金湖街道區域內，受礦山開采程度影響較大，建議對該區域開展礦山治理工程。

地質環境承載力中等區域面積約1 047.85 km2，約占總面積25.26%，分布范圍較廣，在大冶湖北側區域較為集中，受地層巖性因子的影響較大，多為第四紀砂礫層，極軟弱巖組。

地質環境承載力較好區域面積最大，約占總面積33.7%，主要分布在南部陽新縣、保安湖東側區域，人類活動擾動較少，建議對其科學開發利用，提高經濟發展水平。

地質環境承載力好的區域主要分布在南部洋港鎮、楓林鎮、王英鎮內，面積約980.55 km2，約占總面積23.64%，地質災害發育少，人口密度較小，危險性低。建議對該區域進行合理規劃開發，發掘其旅游資源，建設陽新縣獨有的生態旅游區。

4 結論

本次研究以黃石市為主要研究區，從生態環境、地質環境、社會環境三個方面建立其地質環境承載力評價體系，基于RS和GIS技術，對評價結果進行分析討論，得出如下結論：

(1) 從地質環境、生態環境、社會環境三個環境中選取了地層巖性、高程、坡度等16個評價指標，基于黃石市依托礦業發展的特點，從礦山開采方式、開采礦種、所屬類型以及占地類型對礦區破壞程度因子再次分級，構建適合黃石市地質環境承載力評價的指標體系，對各個因子進行分級賦值。

(2) 利用層次分析法計算得出各評價指標的權重，通過GIS空間分析技術，采用綜合評價模型對各個評價指標進行疊加分析，得到黃石市地質環境承載力評價結果，利用自然間段法對結果分級，結果表明，地質環境承載力在整個黃石區域內分布大致為西南好、東北差，整體情況較好；林地較多的區域地質環境承載力較高，水域附近區域的地質環境承載力多為中等狀態，但北部磁湖附近、大冶湖西側區域地質環境承載力多為差的狀態，南部陽新縣地質環境承載力整體較高。

(3) 在結果分級的基礎上，結合研究過程中各評價因子的狀態分布對制約地質環境承載力的主要因素進行分析，發現研究區北部地質環境承載力差的主要因素是其地質災害發育較多，加之其人口密度大，經濟發展較好，使得可承載的空間小，建議對地質災害點進行修復治理，排除地質災害隱患，改善地質環境，提高其地質環境承載力；南部陽新縣地質環境承載力相對較高，是由于其環境開發程度低、社會環境中的各評價因子較高、可承載的空間大，建議在保持好現狀的基礎上，對其旅游資源、農業資源等進行適度開發，從可持續發展的角度，適當加強其交通建設，促進其經濟發展。