黄石市地质环境承载力研究

丁 赞， 沈 铭

(湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034)

地质环境承载力是指一定时期一定区域内，在一定的环境目标下，维持地质环境系统结构不发生质的改变，系统功能朝着有利于人类社会、经济活动方向发展的前提下，地质环境系统所能承受人类活动和外部力量的影响与改变的最大能力[1]。地质环境承载力从人类—环境—经济相关系统中，通过探讨地质环境与人类活动之间的相互关系，表述地质环境对人类社会经济活动的承载能力，并用人类社会经济活动的强度、方向、规模等来表现[2-3]。地质环境承载力是一个特定的值，但随着目标条件的变化、科技水平的提高，它又是动态的。地质环境承载力评价是在地质环境调查的基础上，按照一定的评价标准和评价方法评估地质环境承载力的优劣。对于评价来说，指标的构建、权重的确定和数学模型的选择都是相当重要的步骤，贯穿于地质环境承载力评价的全过程之中。国内学者自上世纪90年代以来相继对地质环境承载力进行了研究。王浩等[4]依据西北内陆干旱区的特点，对其水资源承载力进行研究，并对其可承载的人口进行预测；马传明等[5]在可持续发展的理念下，讨论地质环境承载力内在涵义，即地质环境对人类社会的承受阈值就是地质环境承载力;王念秦等[6]以西安市临潼区为研究区，对其地质环境承载力进行多时段评价；蒋仁伟等[7]以白马红格矿区为研究区，从五个要素层建立矿区地质环境承载力评价体系，对其承载力进行评价。

黄石市是全国第二批资源枯竭城市，华中地区重要的原材料工业基地，也是国务院批准的沿江开放城市。笔者从生态环境、地质环境、社会环境三个方面选取16个评价指标，建立地质环境承载力评价体系，使用层次分析法确定各个指标的权重，通过ArcGIS软件进行综合评价，得到黄石市地质环境承载力评价结果。

1 研究区概况及数据获取

黄石市位于湖北省东南部，长江中游南岸，是长江经济带(武汉—黄石段)的城市之一，地跨东经114°31′～115°30′，北纬29°30′～30°15′，总面积约4 583 km2。研究区为典型的亚热带东亚大陆性气候，四季分明，光照充足，雨量丰富。区内水系主要为富水水系、大冶湖水系、保安湖水系。区内地貌格局受地质构造体系与岩性构造控制，具有带状相间的低山、丘陵、沉积盆地和火山盆地等地貌组合特点。地势上表现为西南高东北低。研究区所处大地构造位于扬子板块北缘，襄樊—广济断裂以南，在燕山运动的影响下，伴随着强烈的岩浆侵入和断裂构造复杂化，致使本地层褶皱和岩浆侵入接触变质，铜、铁、金等多金属矿产，石灰石、天青石、大理岩等非金属矿产均很丰富，是长江中下游成矿带的重要组成部分，是湖北省最主要的矿产地[8-9]。由于矿产资源的持续开采，黄石市尤其是大冶市地质环境和生态环境均受到严重破坏，主要表现为崩塌、滑坡、泥石流、水土流失等。

研究区的评价数据主要包括影像数据与各类评价指标数据(图1)。其中，研究采用的矿山开采数据与地质灾害数据由湖北省地质环境总站提供，影像数据是从地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)下载的覆盖黄石区域的2018年4月17日Landsat8影像，空间分辨率为30 m，从该影像中提取归一化植被指数(NDVI，Normalized Difference Vegetation Index)与归一化建筑指数(NDBI，Normalized Difference Build-up Index)。NDVI由近红外波段与红波段的差值比近红外波段与红波段之和求得，反映植被覆盖情况，该值越大，表明植被覆盖越茂盛；NDBI由中红外波段与近红外波段之差比中红外波段与近红外波段之和求得，表示建筑物分布情况。数字高程模型(DEM，Digital Elevation Model)是从美国国家航空航天局(NASA)网站获取的ASTER GDEM V2 数据，分辨率为30 m，可提取坡度指标。人口数量、经济指标数据均来自于《黄石统计年鉴》(2018年)。

图1 研究区行政区划Fig.1 Administrative division of the study area

2 指标体系与方法

2.1 评价单元选取与划分

由于不同区域的地质要素存在差异性与复杂性，要做到较为精准的评价，需要将研究区划分为若干个小图元，即评价单元。评价单元是具有相同特征的最小的地域单元，评价单元一般有行政区单元、网格单元、斜坡单元，本研究根据已有的数据资料结合研究区地质环境，选取30 m×30 m的网格单元进行评价，共计4 631 647个评价单元。

2.2 评价指标体系构建

如定义所述，地质环境承载力评价的最终目的是协调人—地—生三者之间关系，因此，本研究选取地质环境、生态环境、社会环境三个准则层，依据针对性、简明性、普适性、数据易取得、指标可量化等原则选取地层岩性、坡度、降雨等共16个评价因子进行地质环境承载力评价，评价指标体系如图2所示。针对黄石市是依赖矿业发展的城市，本研究在评价体系中加入矿区破坏程度因子，并从图斑开采程度与开采密度对其进行分级，其中图斑开采程度从图斑类型、开采方式、开采矿种、占地类型四个方面对其进行分析。

图2 黄石地质环境承载力评价体系Fig.2 Evaluation system of geological environmentcarrying capacity in Huangshi City

2.3 评价指标分级

由于评价体系中各指标物理意义不同，数据的量纲也不一定相同，相互间可对比性较差，因此，对原始数据需进行统一的定性描述，根据其对评价目标的影响程度大小，赋予对应的分值，以反映地质环境的现状情况[2]。为了全面反映各指标原始数据所蕴含的信息，以越大越优型为原则进行赋值[10]。结合前人的研究成果及专家咨询，按照各指标对地质环境承载力影响的程度，将各项指标分为好、较好、中等、较差、差五个等级，对应的分值为5，4，3，2，1。表1为研究区地质环境承载力各因子分级标准，表2为图斑开采程度分级标准。

2.4 评价指标权重

由于地质环境的复杂性、模糊性，用精确的数学模型求解各评价指标的权重难度很大，而层次分析法可在数学模型的基础上结合专家经验进一步确定权重，是一种合理可行的赋权方法。层次分析法将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则的顺序分解为不同的层次结构，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得同一层次各个因素对隶属于上一层次因素的相对重要性。本研究中构建的评价指标体系已将各评价指标进行了分层处理，结合目标层、准则层、指标层之间的层次关系，在不同因素之间，两两比较其重要程度，构造判断矩阵。通过求解判断矩阵的最大特征值及其对应的特征向量，即可得到各因子的权值。最后需要对所构造的判断矩阵进行一致性和随机性检验，检验公式为:

表1 黄石市地质环境承载力评价指标分级标准Table 1 Classification of geological environment carrying capacity evaluation indicators in Huangshi City

表2 图斑开采程度分级标准Table 2 Classification of damage degree in mining area

CR=CI/RI

(1)

本文使用Matlab软件对各个判断矩阵进行求解，得到各个评价指标的权值，如表4所示。

表3 AHP平均一致性指标值Table 3 AHP average consistency indicator value

表4 黄石市地质环境承载力评价指标权重Table 4 Weights of geological environment carrying capacityevaluation indicators in Huangshi City

2.5 综合评价模型

根据研究区的特点与已收集的数据资料，为了能全面反映研究区地质环境承载情况，本文采用综合评价方法进行研究。具体计算过程如下:

(2)

式中：P为承载力得分值；Wi为评价指标Xi的权值；Xi为评价指标经过分级处理后的值。

该过程利用ArcGIS软件中的地图代数工具进行操作，得到黄石市地质环境承载力得分。

3 地质环境承载力评价结果

获得黄石市最终的地质环境承载力分值后，采用自然断点法对其进行分级，得到图3，其分区面积及各区面积百分比如图4所示。

图3 黄石市地质环境承载力评价分区Fig.3 Evaluation of the geological environmentcarrying capacity of Huangshi City

图4 黄石市地质环境承载力分区面积及占比Fig.4 Area and proportion of geological environmentcarrying capacity of Huangshi City

如图3所示，地质环境承载力差的区域主要集中在黄石市北部磁湖附近、大冶湖西侧区域，以及陈贵镇附近，该区域面积约161.68 km2，约占总面积的3.9%。主要优势在于经济发展较好，交通便捷；劣势在于地质灾害程度较为严重，且人口密集，受到的威胁大，是制约其地质环境承载力的重要因子，建议对地质灾害点进行修复治理，开展地质环境监测，改善地质环境承载状态，建设绿色、生态黄石。

地质环境承载力较差的区域面积约560.10 km2，约占总面积13.5%，其主要分布在承载力差的区域附近、金湖街道区域内，受矿山开采程度影响较大，建议对该区域开展矿山治理工程。

地质环境承载力中等区域面积约1 047.85 km2，约占总面积25.26%，分布范围较广，在大冶湖北侧区域较为集中，受地层岩性因子的影响较大，多为第四纪砂砾层，极软弱岩组。

地质环境承载力较好区域面积最大，约占总面积33.7%，主要分布在南部阳新县、保安湖东侧区域，人类活动扰动较少，建议对其科学开发利用，提高经济发展水平。

地质环境承载力好的区域主要分布在南部洋港镇、枫林镇、王英镇内，面积约980.55 km2，约占总面积23.64%，地质灾害发育少，人口密度较小，危险性低。建议对该区域进行合理规划开发，发掘其旅游资源，建设阳新县独有的生态旅游区。

4 结论

本次研究以黄石市为主要研究区，从生态环境、地质环境、社会环境三个方面建立其地质环境承载力评价体系，基于RS和GIS技术，对评价结果进行分析讨论，得出如下结论：

(1) 从地质环境、生态环境、社会环境三个环境中选取了地层岩性、高程、坡度等16个评价指标，基于黄石市依托矿业发展的特点，从矿山开采方式、开采矿种、所属类型以及占地类型对矿区破坏程度因子再次分级，构建适合黄石市地质环境承载力评价的指标体系，对各个因子进行分级赋值。

(2) 利用层次分析法计算得出各评价指标的权重，通过GIS空间分析技术，采用综合评价模型对各个评价指标进行叠加分析，得到黄石市地质环境承载力评价结果，利用自然间段法对结果分级，结果表明，地质环境承载力在整个黄石区域内分布大致为西南好、东北差，整体情况较好；林地较多的区域地质环境承载力较高，水域附近区域的地质环境承载力多为中等状态，但北部磁湖附近、大冶湖西侧区域地质环境承载力多为差的状态，南部阳新县地质环境承载力整体较高。

(3) 在结果分级的基础上，结合研究过程中各评价因子的状态分布对制约地质环境承载力的主要因素进行分析，发现研究区北部地质环境承载力差的主要因素是其地质灾害发育较多，加之其人口密度大，经济发展较好，使得可承载的空间小，建议对地质灾害点进行修复治理，排除地质灾害隐患，改善地质环境，提高其地质环境承载力；南部阳新县地质环境承载力相对较高，是由于其环境开发程度低、社会环境中的各评价因子较高、可承载的空间大，建议在保持好现状的基础上，对其旅游资源、农业资源等进行适度开发，从可持续发展的角度，适当加强其交通建设，促进其经济发展。