物元 -層次模型在鹽城市地質環境脆弱性評價中的應用

薛懷友,郭炳躍,劉建東,戴盛啟

(江蘇省地質礦產調查研究所,江蘇 南京 210018)

物元 -層次模型在鹽城市地質環境脆弱性評價中的應用

薛懷友,郭炳躍,劉建東,戴盛啟

(江蘇省地質礦產調查研究所,江蘇 南京 210018)

地質環境脆弱性制約著區域的規劃和發展,因此,進行地質環境脆弱性評價,可以為區域的發展提出專業建議,減少不必要的投資。從地質環境出發,建立了地質環境脆弱性評價指標體系,運用物元改進的層次分析評價模型,極大地提高了評價精度。

地質環境脆弱性;物元模型;層次分析;江蘇鹽城

0 引言

地質環境系統是比較復雜的動態系統,影響地質環境脆弱性的參數很多,且參數與環境之間的某些機理尚不十分清楚。人們在制定地質環境系統的等級標準,現狀分級及脆弱性評價等客觀上又存在著模糊性和不相容性,故在地質環境脆弱性評價時難免遺漏了一些因素,有些可能是很重要的因素。物元 -層次模型可以解決不相容問題,適用于多因子評價問題。傳統的模糊綜合評判權值分配,常常由專家來確定,往往帶有較大的主觀性,采用美國匹斯堡大學 TL Saaty教授提出的層次方法,通過兩兩比較的特征根法,利用了盡可能多的信息,提高了評價結果的精度。運用 ArcGIS的疊加分析、地學統計功能,使地質環境脆弱性評價更加方便、精確。

1 物元 -層次模型

1.1 基本概念

物元是一種賦予屬性和屬性值的評價單元,且每一個屬性值都是唯一的 (即屬性中只含有一個等級,不能和其他等級相容)。物元的屬性是指在進行脆弱性評價時選取的脆弱性評價因子,因此,物元的周邊由評價因子等級分界線組成。

層次分析法 Analytic Hierarchy Process(AHP),是美國運籌學家 T L Saaty等人 20世紀 70年代提出的,是一種定量與定性相結合的方法,適用于較為復雜、較為模糊的問題,難以完全用定量分析方法時問題的求解。所謂層次分析就是將研究的問題按各因素之間的關系,建立系統的遞階層次結構,根據層次結構分析各層次之間及層次中的各個元素的相對重要性,進行兩兩比較,確定各因素權重。

所謂物元 -層次模型是利用層次分析法確定物元屬性權重的評價模型。采用物元 -層次模型評價地質環境脆弱性,可以提高評價精度,但需要大量繁瑣的單元劃分工作。利用 ArcGIS的疊加分析分功能,可以非?？旖莸膭澐謫卧?實現評價區“物元化”。ArcGIS還具有地學統計功能,使地質環境脆弱性評價更加方便、精確。

1.2 劃分單元

對于傳統的柵格單元劃分方法,如果柵格劃分不夠小,往往造成在同一單元內,同一指標的兩個等級并存,或把均一性較好的區域割開,與評價單元劃分的目的背道而馳。否則柵格單元數目巨大,增加大量的計算工作,降低工作效率。因此,本次單元劃分采用不規則多邊形網椿劃分法,即以各種評價指標突變的界限為單元邊界,同時對于單元的大小不予限制 (圖 2)。

本次單元劃分是利用ArcGIS的疊加分析功能,實現不規則多邊形網椿劃分 (物元化)。

圖2 單元劃分示意圖

1.3 計算脆弱度

式 (1)中,G為物元的脆弱度;Vi為物元第 i個屬性值;Wi為物元第 i個屬性的權重值。

物元 -層次脆弱性評價模型建模流程見圖 3。

2 應用舉例

以鹽城市為例,說明物元 -層次模型在地質環境脆弱性評價中的應用 (資料來源于江蘇省地質環境脆弱性調查項目)。

2.1 鹽城市地質環境條件

2.1.1 地形地貌 鹽城市區為中國東部大平原的一部分,地勢低洼而平坦。因處海濱河口地帶,河道縱橫、溝渠網布,地形由西北、東南向中部緩傾,地面高程(以廢黃河零點計)大部分在 2.0m～2.5m,小于 2.5m區段面積占總面積的 60%,海拔高程除鹽城—阜寧一線斷續分布的古砂堤及廢黃河高漫灘標高大于 4m外,一般均在 1.6m～2.4m。

依據全新世以來的海侵、海退、河湖變遷及其相關的松散沉積特征,將本區分為四大地貌區,即濱海沖海積平原、里下河瀉湖平原、濱海輻射沙洲和廢黃河三角洲。

2.1.2 區域穩定性 本區位于蘇魯隆起東南側的蘇北凹陷內,尤其在燕山構造運動改造下,區內基巖次級隆起與凹陷較為發育。

隨著隆起與凹陷的形成,斷裂構造相伴而生,據部分鉆孔揭露資料,得知本區隱伏斷裂以北東向為主,次為北西向,主要斷裂有淮陰—響水口斷裂、穆莊—新星斷裂、鹽城斷裂帶、古河—漁業斷裂、劉家埝—龍王廟斷裂和陳家堡—小海斷裂,這些斷裂活動時期均為新第三紀前,新第三紀以后乃至第四紀活動跡象少見,可見區域穩定性較好。

2.1.3 工程地質條件 鹽城市屬于松散沉積平原區,針對這一特點,以“不同沉積單元的巖土組合特征”為劃分原則,分為四大工程地質區,即濱海沖海積平原工程地質區、里下河瀉湖平原、濱海輻射沙洲工程地質區、廢黃海三角洲工程地質區。鹽城市工程地質條件的物理力學性能見表 1。

2.1.4 水文地質條件 鹽城市為廣闊平原,出露巖性均為松散沉積的粘性土、砂性土,由此決定了地下水類型為松散層孔隙潛水。據巖性及部分抽水試驗資料得知：射陽河口及新洋港河口間河間地塊、河濱帶以及少量古貝殼砂堤帶水量最富,標準井型單井出水量 ＞1 000m3/d,局部地段含水層缺失,水量＜100m3/d,其他區段均為 100m3/d～1 000m3/d。水位受降水量影響,豐水期水位升高 1m左右,枯水期水位下降至 1.5m～3.0m間,由于古砂堤及河堤的微地貌影響,水位局部變化,流向多由砂堤、河堤向外側低洼平原匯集,總體流向由南向北、由南西向北東,最終排泄于黃海。

表1 巖土物理力學性質

2.1.5 地質災害 鹽城市地質災害和地質環境問題主要類型有地面沉降、海岸崩塌和水質咸化等。它們的分布規律見圖 4。

圖4 鹽城市地質災害評價因子圖

2.2 評價指標體系

評價指標并不是隨便取得的,必須在對地質環境狀況進行充分分析的基礎上,依據以下原則進行選取。

科學性。選取的指標能夠真實、客觀反映工作區的脆弱性,把指標體系建立在科學的基礎之上。

系統性。選取的指標應作為一個有機整體,充分反映工作區的脆弱性。

可操作性。一是指標數據的獲取要可行,二是得到指標數據要符合評價方法的要求。

獨立性。選取的指標應相互獨立,不能交叉或重疊,重復反映同一個方面。

非均衡性。不同的指標其權重不同,能反映出對脆弱性的貢獻大小,即對地質環境脆弱性有重要影響的給予較大的權重,否則給予較小的權重。

根據鹽城市地質環境特點選取評價指標(圖 5)。輕度 (＜1g/L),三級。

圖5 鹽城市脆弱性評價指標體系

水土體污染強度。按包氣帶巖性分為極易污染、易污染、不易污染 ,三級 ,取值分別為 10、6、1。

地下水開采強度。根據地下水富水性與地下水開采量之比,分超采、基本平衡、具有較大的開采潛力 ,取值分別為 10、5、0。

灘涂圍匡速度。按灘涂圍匡速度與淤積速度之比,分為過量、平衡、有潛力,三級,取值分別為 10、5、0。

工程建設密度。按人口密度分大于 1 000人/km2、800人 /km2～1 000人 /km2、600人 /km2～800人 /km2、400人 /km2～600人 /km2、小于 400人 /km2,五級 ,取值為 10、7、5、3、1。

2.3 評價結果

利用物元 -層次模型對鹽城市地質環境脆弱性進行評價分析,將全區分為重度脆弱區、中度脆弱區、輕度脆弱區和非脆弱區 4類 (圖 6)。

①重度脆弱區約占鹽城市面積的 14.92%,主要分布在鹽城市區、大豐縣城、阜寧縣以及濱海海岸帶。

②中度脆弱區約占鹽城市面積的 44.78%,主要分布在響水縣東北部,在鹽城行政轄區的中心地帶及鹽城海岸帶。

③輕度脆弱區約占鹽城市面積的 37.31%,在響水—濱?！潢?、阜寧和建湖西部、東臺西部以及東臺海岸帶以西的部分地區。

④非脆弱區約占鹽城市面積的 2.99%,主要在濱海和響水縣成零星分布。

各評價指標劃分級別不一,具體劃分如下。

地形地貌。分低山丘陵、崗臺地、平原,三級,取值為 10、4、1;平原區按地面高程分小于 1m、1m～2.5m、2.5m～5.0m、5.0m～7.5m、大于 7.5m,五級 ,取值為 10、7、5、3、1。

軟土。根據 30m以淺軟土累積厚度分大于10m、7m～10 m、3m～7m、小于 3、無 ,五級 ,取值為10、8、7、3、0。

液化砂土。根據液化砂土分布情況分有、無,兩級 ,取值為 10、0。

鹽漬土。根據鹽漬土分布情況分有、無,兩級,取值為 10、0。

斷裂構造。根據工程建設規范、本次評價劃定的斷裂影響距離為 500m,距離超過 500m的區域為無斷裂分布區。因此,斷裂構造分有、無,兩級,取值分別為 10、0。

地震。按抗震設防烈度分分大于等于 8度、7度、6度 ,三級 ,取值分別為 10、6、2。

地面沉降。根據地質災害危險評估規范,按累計沉降量分大于 800mm、800mm～300mm、小于300mm,三級 ,取值為 10、6、1。

海岸蝕淤強度。根據海岸線變化速率分強侵蝕和強淤積、弱侵蝕和弱淤積、穩定、無,四級,分值為10、6、3、0。

風暴潮。風暴潮按累計發生次數分 8次、6次、5次 ,三級 ,取值為 10、4、1。

水質咸化。根據區域地質環境調查評價規范,按地下水礦化度分嚴重 (＞3g/L)、一般 (1～3g/L)、

圖6 鹽城市地質環境脆弱性評價成果圖

3 結 語

地質環境脆弱區是指地質、地貌條件復雜,巖性、巖相變化多樣,抗人類活動干攏能力弱,易引起區域性地質環境惡化或產生地質災害的地區。因而,在進行區域開發和重大工程建設中,必須對地質環境脆弱性作出正確的評價、對地質環境演變作出可靠的預測,提出合理的對策意見。通過對鹽城市地質環境脆弱性評價可知,采用物元 -層次模型,不但可以正確評價地質環境脆弱性,而且提高了評價精度。

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Application ofmatter-element and AHP model in evaluation of geo-environment vulnerability in Yancheng City

XUE Hua i-you,GUO Bing-yue,L IU Jian-dong,DA I Sheng-qi

(Jiangsu Institute of Geology andMinerals Investigation,Nanjing 210018,China)

Regional planning and developmentwere restricted by geo-environment vulnerability,so the evaluation on geo-environment vulnerabilitywas essential.Based on geo-environment,the authors established an evaluation index system on geo-environment vulnerability,used analytical hierarchy process evaluation of improved matter-element model,greatly improved the precision of geo-environment vulnerability evaluation.

Geo-environment vulnerability;Matter-elementmodel;Analytical hierarchy process(AHP);Yancheng,Jiangsu

TU984;X141

A

1674-3636(2010)02-0149-05

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.149

2010-01-12;

2010-03-04;編輯：侯鵬飛

薛懷友 (1962—),男,工程師,主要從事水工環地質工作.