基于地质环境承载力评价的地质灾害防灾减灾研究

王松根,马海波

(安徽省地质矿产勘查局313地质队,安徽 六安 237000)

在地球不断发展演化的过程中,由于地质作用而产生的地质灾害事件频有发生。虽然总结过往地质灾害的影响因素及其作用机理的研究中发现,大多数的地质灾害与自然环境息息相关,但是又不可否认许多地质灾害还与人类活动有紧密联系,是人类与自然界相互作用的结果[1]。随着人类科学技术的不断发展和对地质环境监控手段的逐渐增多,现阶段对自然环境的了解程度已经有了大幅度提高,并且随着人们生活习惯的改变和人类社会对大自然索取程度的提高,许多场合都需要结合自然环境和人类活动对地质环境承载力进行评价,以避免不必要的地质灾害发生和人民生命财产损失等[2]。虽然目前已有较多的研究对影响地质承载力的单项因素进行了分析,但是大多数的地质承载力都是各个不同因素综合作用的结果[3-4],而针对这方面的研究还相对较少。在此基础上,建立了一种基于多因素耦合的地质环境承载力评价方法和模型,研究结果有助于区域地质环境承载力评价分析及对地质灾害防灾减灾工作的开展。

1 承载力评价方法和模型

由于不同地质环境作用下的承载力是多因素共同作用的结果,且还会随着时空变化而呈现巨大差异,因此,传统的层次分析法并不能很好地对地质环境承载力进行评价[5]。研究尝试采用基于知识评价技术的模糊逻辑方法和层次分析法相结合的方法来对地质环境承载力进行评价,其主要优势在于可以发挥2种方法各自的特色,如层次分析法可以计算不同影响因素的权重,而模糊逻辑法则可以对影响因素进行叠加计算[6]。

模糊逻辑方法对地质环境承载力μ(x)大小的评价可以表述[7]为

μ(x)=[μproduct(x)]1-γ[μsum(x)]γ,

其中:μj(x)表示第j个影响因素的隶属度函数(j为地质影响因子)。此外,对于特定地区的地质环境承载力评价还需要有相应的评价指标,具体包括坡度、地质形貌、地下水、年降水量、植被覆盖情况和当地居民建筑物数量级人口密度等。

为了能够准确对区域地质环境承载力进行评价,结合单项评价方法和地表变形结果对上述承载力模型进行了优化,并建立了相应的地质环境承载力优化矩阵(见表1),列出了地表变形速率级别与承载力等级之间的对应关系[8]。根据不同区域的地表变形动态监测结果,可以通过实地考察与模型优化结果进行对比,以验证模型的可靠性。

表1 地质环境承载力优化矩阵

2 城关镇承载力综合评价结果

图1为针对城关镇地区建立的地质承载力综合评价模型层次结构。结构主要包括3级层次,第一级为地质环境承载力系统,它是由地质环境子系统、生态环境子系统和社会环境子系统构成(第二级);第三级则为不同子系统对应的影响因素,即地质环境子系统包括高程、坡度、地貌、地质构造、地震、底层岩性、地下水和地质灾害风险,生态环境子系统包括降水、河网密度、植被覆盖度、土地利用类型和生态承载力,社会环境子系统则包括建筑密度、人口密度和财产价值。这些评价指标中的影响因素对地质承载力的影响权重不同,具体还需要进一步划分。

图1 评价模型层次结构

评价指标中各影响因素的分级表述如下[9]:(1)高程:27～89 m、90～350 m、351～580 m、581～904 m 4个级别;(2)坡度:0°～18°、19°～28°、29°～44°和45°～80° 4个等级;(3)地貌:基岩山、滑坡泥石、河谷和阶地;(4)地质构造:按照距断层距离划分;(5)地震:根据《中国地震动参数区划图》划分;(6)植被覆盖度:0%～12%、13%～32%、33%～48%、49%～79%;(7)建筑密度:根据区域建筑速率与土地面积进行计算和划分;(8)财产价值:根据单位面积财产数量进行分级;(9)人口密度:单位面积人口数量,其他影响因素的评级也参照相应的规范或者标准,以实现对地质环境承载力的综合、客观评价。

根据图1的地质承载力综合评价模型层次结构,将影响地质承载力的第二级层次的三因素(地质环境、生态环境和社会环境)的判断矩阵和权重列于表2。从权重指标上来看,地质环境、生态环境和社会环境的权重分别为0.754 7、0.150 9和0.094 3。

表2 影响因素判断矩阵和权重

进一步对第三级层次中各因素的判断矩阵和权重进行列表分析,结果见表3～表5,分别列出了地质环境、生态环境和社会环境中16因素的各自权重,其中λmax、CI、C.R和RI分别表示矩阵的最大特征根、一致性指标、一致性比率和平均随机一致性指标。从地质环境判断矩阵和权重可以看出,高程、坡度、地貌、地质构造、地震、底层岩性、地下水和地质灾害的权重分别为0.038 5、0.038 5、0.072 4、0.161、0.105、0.227 5、0.029 8和0.327 4;生态环境子系统中降水、河网密度、植被覆盖度和土地利用类型的权重分别为0.222 8、0.172 8、0.264 1和0.340 4;社会环境子系统中建筑密度、人口密度和财产价值的权重分别为0.142 9、0.285 7和0.571 4。

分别将不同层级的评价指标及影响因素进行权重总排序,结果见表6。通过对比分析可知,地质环境、生态环境和社会环境中对评价因子权重影响从大至小顺序为地质环境>生态环境>社会环境,权重因子分别为0.754 7、0.150 9和0.094 3。在地质环境中,地质构造、地层岩性和地质灾害对地质环境承载力影响的权重较大,分别为0.121 7、0.171 6和0.247 0;在生态环境中,对地质环境承载力影响较大的因素包括土地利用类型和植被覆盖度,权重分别为0.051 4和0.039 9;在社会环境中,建筑密度、财产价值和人口密度的总排序权重分别为0.013 4、0.026 9和0.053 9。通过层次总排序可以对影响地质环境承载力的16个因素进行权重分析,以更好地对地质环境承载力进行评估,并有利于更好地防灾减灾。

表3 地质环境判断矩阵和权重

表4 生态环境判断矩阵和权重

表5 社会环境判断矩阵和权重

3 地质环境承载力综合评价验证与优化

根据表6并结合地区的地表变形数据[10-11],得到了基于地质环境承载力的评价结果,见图2。从图2中可见,不同区域的地质承载力划分为优、良、中和差,承载力优的区域主要有3个、承载力良的区域主要有5个、承载力中的区域主要有13个,而承载力差的区域主要有7个,如图2中红色区域所示,地质承载力优、良、中和差的区域分别占中评价单元总数的10.7%、17.9%、46.4%和25%。对比分析可知,在各个不同级别的地质承载力划分中,级别为优的区域占比面积最小,其次为级别为良的区域,而级别为中的区域占比最大。这种评价方法是一种基于多因素耦合的创新性和切实可靠的评价手段,根据图2的地质环境承载力的评价结果,可以对地质承载力区域进行分级并对不同承载力区域的级别所占的面积和分布进行统计分析,做到对地区地质承载力进行良好评价,从而为区域地质环境保护、人口迁移和城镇化发展做出参考依据,有助于现阶段城镇化发展规划。

表6 层次总排序

图2 地质环境承载力评价分区

4 结论

地质环境承载力在本质上可以较好地反应人类生活与地质环境的辩证关系,是调节人与自然矛盾的重要纽带。在人类居住环境不断恶化、人们生活居住品质要求不断提高和绿色环保意识逐渐增强的当今社会,对地质环境承载力进行评价是一项极具创新性和具有重大意义的工作。研究通过3个层次、16个影响因素对地质环境承载力的影响权重进行分析,得出了地质环境承载力评价分区图,结果有助于地区地质环境的评估和地质灾害预防等。这种基于地质环境承载力的综合评价模型可以推广至全国不同地区,为区域地质环境保护、城镇化建设和经济建设提供参考依据,并减少由于过度开发、施工建设等带来的地质灾害和对人民生活财产研究造成的损失。