廊坊市城市地質環境綜合影響評價與風險區劃

李 琴 李慶林 成運利

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

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

廊坊市城市地質環境綜合影響評價與風險區劃項目系統收集了區內各種地質災害發育狀況和承載體空間分布定量數據,進行了科學合理的集成處理,編制了地質災害危險性、社會經濟易損性與環境影響強度指數系列專題圖件,獲得科學結論,提出了城市化進程建議。

圖1 研究區廊坊市地理位置圖

1 評價體系模型的建立

依據代表性、可操作性和可比性等原則,充分收集區內地質環境、地質災害及受災對象的資料,對其進行整理,利用MAPGIS、ACCESS 等軟件建立基礎數據庫和基礎圖形庫；用層次分析法和模糊數學的方法對各類地質環境問題的影響因子進行疊加分析,建立城市地質環境問題危險性評價指標體系,利用現代計算技術,計算區內地震加速度、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、地下咸水等地質環境評價指標體系中各指標的權重,進行各類地質災害危險性評價并分區。然后,收集各類承災體的有關資料進行城市地質災害易損性評價,根據各類承災體的分布、數量及價值,計算物質財富、土地資源的價值密度和人口密度,評價各類城市地質環境問題對人員、物質財富、土地資源的易損性進行評估。最后,在進行城市地質環境問題危險性和易損性評價及區劃工作的基礎上,根據不同地質環境問題的發生、發展、危害強度、城市特征及城市防災減災等因素,采用層次分析法和模糊數學的方法研究地質環境問題綜合風險,建立地質環境問題綜合風險評價指標體系,利用因子分析及模糊數學方法,確定體系內各因子的權重,評價城市地質環境問題綜合影響并進行城市地質環境問題綜合影響風險區劃。

承災體類型劃分的依據和原則主要是： 符合地質環境問題特點,根據地質災害破壞效應,界定承災體范圍；充分考慮不同承災體的共性和個性特征,同類型的承災體的性能、功能、破壞方式以及價值屬性和核算方式基本相同或相似。根據上述原則,廊坊市承災體劃分為人口和房屋建筑兩大類。建筑物密度采取實地調查統計的方式,按照主干街道劃分統計單元,進行逐項統計。人口密度資料采用網絡查詢方法,以街道和鄉鎮為單位進行統計。

城市地質環境危險性評價及城市地質環境的綜合影響評價涉及大量的相互關系、相互影響、相互制約的因素,各因素又有不同的量綱,缺乏統一的衡量性,各因素對城市地質環境危險性及綜合影響的目標有著不同的重要性。因此,其在地質環境危險性及綜合影響評價中的地位也各有不同,指標體系各要素各具內涵,要想把它們納入統一的評價體系,必須將其統一進行標準化,以便于以后的工作在一致化的狀態上進行。為此,采用歸一化方法對各指標進行標準化,其流程如圖2所示。

歸一化公式為： Xi*=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中,Xi、Xi*分別表示數據歸一化前后的值；

Xmin、Xmax分別表示樣本數據中的最小值、最大值。

圖2 廊坊市地質環境綜合影響評價與風險區劃指標體系模型圖

2 參數計算與圖件制作

通過地質災害基本因素和觸發因素與區域地質災害關系研究的結果,對基本因素和觸發因素進行分類,從而確定最有效的區劃變量。采用信息模型和相關的統計模型,以控制地質災害的背景因素和觸發因素為基礎,采取定量與定性相結合的工程地質類比原理、統計原理,以MAPGIS地理信息系統軟件為空間分析平臺,建立多圖層的空間DEM 分析模型,從而確定各因素與單災種地質災害的相關關系和權重系數,定量分析不同環境地質中各因素與單災種地質災害的區域關系及其時空規律。在此基礎上進行多因素—單災種、多因素—多災種的總體分析。

依據區域地震加速度、砂土液化、地面沉降量和表層土壤汞含量及潛水風險指數資料,分別采集1： 5萬地形圖上1km×1km 網格中心所對應的數據,錄入excel電子表格中,構成地質災害危險性分區數據庫,同時在人口密度和建筑物密度分布圖上采集對應數據,構成地質災害社會經濟易損性分區數據庫。

利用原始數據/最大值的方法對數據進行標準化。

地質災害危險性分區指標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(潛水風險指數)。

綜合影響指標權數Ci是對象評價集和因子相對重要性大小的表征測度值,其確定方法主要有專家估測法、頻數統計法、主成分分析法、層次分析法和模糊逆方程法等。

因子分析根據評價對象的指標來尋覓其內在原因,而就評價而言,這種現象的內在聯系正表現了評價指標之間對評判對象的相互影響及其對討論對象的相對貢獻,亦即相對重要性權值,因而這種方法求得的權值是直接來自客觀環境的。

提取主成分。設評價指集U={X1,X2,…,Xn},有m 組樣本ti(1,2,3,…,m},每組樣本有對應于U中各個指標的指標值xij(j=1,2,3,…,n},用表格表示,并對原始數據進行標準化,以消除量綱影響。

第一步,求指標Xj與Xk(j,k=1,2,…,n)的相關系數,由此得到指標相關矩陣R=(rij)n×n；第二步,求相關矩陣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。特征值所對應的特征向量由方程(R-λE)=0求出,X 是特征值λ對應的特征向量；第三步,確定主成分。設R 的特征根按大小排序為λ1,λ2,…,λn,稱λi所對應的指標為第i主成分,trR=λ1+λ2,…,λn,稱λi/trR 是第i主成分的貢獻(表1、表2、表3、表4、表5)。

確定各因素因子負載,它是特征根或特征值的均方根與其對應的特征向量值的乘積,然后經過一系列變換可求得各指標的權數。

表1 廊坊市地質環境評價變量相關系數矩陣

表2 特征根結果表

表3 特征向量表

表4 初始因子矩陣

表5 旋轉因子矩陣

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

表6 權重計算過程

易損性隸屬度函數的確定,要給模糊的事物以適當的集合描述,必須規定新的假設,類似特征函數,引入隸屬度函數概念：

其中： A稱為模糊集合,由0,1及μA(x)構成,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,多用推理方法根據有關人員的實踐經驗近似確定隸屬函數。在實際工作中,二元對比排序法常常能對不易量化的概念得到較好的數據處理,具體確定時要注意剔除歪曲對比成分。

優先關系定序法依據某種特性,在各元素之間確定優劣比較關系,以建立優先關系,再通過取不同特征值,截取矩陣,進而決定總的排序。

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

表7 廊坊市地質環境問題社會經濟易損程度一覽表

表8 廊坊市地質環境問題社會經濟易損性模糊隸屬度函數表

根據上述結果,確定地質環境影響強度指數計算公式：

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×潛水風險)×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×潛水風險)×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地質災害危險性分區指數；H1i標準化人口密度；H2i標準化建筑物密度。

在MAPGIS地理信息系統軟件上繪制地質災害危險性指數曲線、人口密度分布曲線、建筑物密度分布曲線和地質環境影響強度色區,進而確定地質環境綜合影響風險區劃指標體系(表9)。

表9 地質環境綜合影響風險區劃指標體系

3 研究結果

現代經濟學研究表明,適度發展大城市,積極發展中小城市,加快小城鎮建設,引導城市群發展,形成功能完備、布局合理、規模適度、結構優化的城市體系,可以促進第三產業發展,提高資源集中和優化配置及人口聚集程度,解決就業問題,拉動內需,吸收農村剩余勞動力。

按照現有的發展模式,城鎮化的真正驅動力是現代工商業的興旺發達。人類社會經濟活動是地球生態系統的重要組成部分,區域地質災害的發育情況,其范圍、頻率、強度和破壞程度均與人口增長及經濟發展具有大體同步消長的相互關系。大規模工業化的過程,必然改變地球表層化學物質的分布分配狀況,給人類生態環境帶來正負兩方面的影響。

本次研究結果表明,該區幾乎所有城市建成區地質環境影響強度指數均達較大級別,意味著不適應大規模城市化進程,應在項目、資金、設備、人員等多個方面,加以適度限制,從而避免地質災害所造成的社會經濟損失。而固安西部、三河燕郊東北部地質環境影響強度指數較小,尚有一定發展城市化潛力,在其它條件容許情況下,可加快發展城市化進程。其余多為中等區,可適度發展城市化進程。

對于地下水下降漏斗及地面沉降發育區,應大力推廣城市中水回用和農村節水灌溉等措施；對于砂土液化嚴重區應采取相應的工程樁基措施,以加強防震抗震能力,最大限度避免地震造成人員傷亡。對于土壤毒重金屬污染地區,可考慮采用地球化學過程學方法進行污染修復。