GIS层次分析法在地质环境保障能力评价中的应用——以山东半岛蓝色经济区为例

刘治政，朱恒华，王晶晶，孟盼盼，王玮，尚浩，刘柏含，李双

(1.山东省地质调查院，山东 济南 250014;2.烟台市地质环境监测站，山东 烟台 264000)

0 引言

地质环境保障能力是指地质环境条件对经济发展和基础建设的支撑能力，包括水土资源环境、矿产资源环境、海洋环境、基本环境地质条件以及人类活动影响等的支撑力。地质环境保障能力评价是涉及多层次、多因素作用的空间综合评价，评价结果将对重大工程建设、城市规划、矿产资源开发利用等的决策提供重要的依据。

山东半岛蓝色经济区建设要以系统的基础地质资料为依据，重大工程建设需进行地质环境研究，经济区发展还需土地、水、矿产等各种资源作保障，开发建设过程中需要统筹考虑海岸带资源的利用与保护(1)山东省地质调查院，山东半岛蓝色经济区地质环境保障调查报告，2015年。，因此，需要对山东半岛蓝色经济区进行地质环境保障能力的综合评价。

1 GIS层次分析法

GIS层次分析法是基于地理信息系统(GIS)的层次分析，首先将可能影响分析目标结果的相关指标按隶属关系划分为若干层次，利用专家打分的方法，对各层次指标的相对重要性给出定量指标，综合不同专家的意见计算出不同层次不同指标的重要性权值[1-3]，作为综合分析的基础，然后利用GIS的空间分析功能，遵循一定的规则进行单指标的空间叠加运算，最终生成分析目标的评价结果(图1)。

图1 GIS层次分析法流程图

1.1 评价指标选取

评价指标的选取是对评价对象进行理论分析、事实概括的过程，通过抽象化的方法，对有显著区别的事实资料进行综合，在特殊性标识的基础上形成评价指标，是一个从表面到内部、从现象到本质、从个别到一般、从偶然到必然的转变[4-7]。

首先对事实资料进行系统分析，确定评价体系的层次，并对收集的数据进行分析计算，初步构建评价指标体系，然后运用层次分析法进行指标筛选，使建立的评价体系既科学又易于操作。另外，指标选取过程中还要确定各指标量化方法和权重计算方法。

1.2 评价指标权重确定

1.2.1 构建判断矩阵

构建判断矩阵目的在于分析下层指标对上层相对重要性影响程度的大小。采用1～9标度法[8-9]使判断定量化，根据评比给出权值，然后根据分层结构和上下层间的指标隶属关系，构建判断矩阵(式1)：

(式1)

式中：R—判断矩阵，满足bij=1/bji；bij—对目标而言，bi对bj的相对重要程度，专家打分得到，取1，2，3……9及它们的倒数。

1.2.2 计算指标权重

采用和积法计算各层指标对系统目标的合成权重，进行总排序，以确定最底分层要素的重要程度。

1.2.3 一致性检验

为保证判断矩阵的精确度，减少人为判断带来的偏差，引入一致性判断矩阵指标C.I.(矩阵R的最大特征根λmax与阶数n差值除以阶数减1)及一致性判断系数C.R.[10](C.I.与R.I.的比值，R.I.为平均随机一致性指标，通过表1查取[11])，当C.R.<0.1时，通过一致性检验，否则，需要调整指标权值。

表1 判断矩阵平均随机一致性指标R.I.

1.3 图形的空间处理

GIS能对空间数据进行深加工或分析，完成与地理相关的分析、评价、预测和辅助决策的任务[12]。地质环境保障能力评价中涉及的GIS空间分析有：空间叠合分析、空间缓冲区分析等[13-14]。

空间叠合分析指将2个地理对象的图层进行叠合，以产生空间区域的多重属性特征，或建立地理对象之间的空间对应关系，根据对象特征的不同，分为点与多边形叠合、线与多边形叠合和多边形与多边形叠合3种类型。

空间缓冲区分析是根据分析对象的点、线、面实体自动建立与之周围有一定距离的带状区，用以识别这些实体或主体对邻近对象的辐射范围或影响程度，以便为某项分析或决策提供依据。

1.4 地质环境保障能力分区

在评价指标权重确定和图形空间处理基础上，对各指标进行判别、提取，再以综合指数法进行信息的空间叠加得出地质环境保障能力状况[15](式2)，最后按照分级标准进行地质环境保障能力分区。

(式2)

式中：x—综合指数；xi—指标性状取值；ai—指标权重；m—评价指标个数。

2 山东半岛蓝色经济区基本概况

山东半岛蓝色经济区南起日照市，北至滨州市，包括青岛、烟台、威海、潍坊、日照和东营6市以及滨州的无棣、沾化2县的行政范围，陆域面积6.4万km2。

地层可分为鲁东地层(Ⅰ区)、鲁西地层(Ⅱ区)、华北地层分区(Ⅲ)3个地层分区，Ⅰ、Ⅱ地层分区以昌邑-大店断裂为界，Ⅱ、Ⅲ地层分区以齐河-广饶断裂为界。Ⅰ区发育前寒武纪和中、新生代地层，缺失古生代沉积。Ⅱ区地层发育最全，主要缺失奥陶纪上统至石炭纪下统。Ⅲ区全区第四系覆盖，下伏新太古代、古生代、中生代、新生代地层，缺失奥陶纪上统至石炭纪下统。

根据区内地下水赋存条件与分布规律不同，水文地质分区有鲁西北平原松散岩类水文地质区、鲁西南中低山丘陵碳酸盐岩类为主水文地质区、鲁东低山丘陵松散岩、碎屑岩、变质岩类水文地质区，各分区内地下水的补、径、排因受地形、构造、人类活动等多种因素的共同影响而呈现不同的特征。

3 山东半岛蓝色经济区地质环境保障能力评价

3.1 评价指标的选取

选取资源环境承载力和地质环境适宜性为一级评价指标。资源环境承载力是可持续发展的范畴，以地质环境与自然资源为基础，同环境承载能力相协调，与地质环境保障能力息息相关，包括8个二级评价指标[16-18]；地质环境适宜性是指在一个具体的生态地质环境内，环境中的地质要素为环境中的人、动物等生物群落所提供的生存空间的大小及对其正向演替的适宜程度，是地质环境保障能力优劣程度的一种体现，包括3个二级评价指标。地质环境保障能力评价涉及到经济、社会、地质条件及生态环境等多种要素，是典型的结构化、多层次、多目标的评价问题。采用层次分析方法，最终确定了选取指标的层次结构指标体系(图2)。

D1—耕地保障;D2—生存空间;D3—经济承载;D4—生态承载;D5—人口数量;D6—国民生产总值;D7—水资源量;D8—降水量;D9—海洋渔业资源;D10—岸线资源;D11—矿产资源量;D12—国内生产总值;D13—土地资源适宜性;D14—土地利用程度;D15—土地开发问题;D16—水环境生态承载;D17—水环境人口承载;D18—水环境经济承载;D19—近海水质等级;D20—地理条件;D21—工程地质;D22—水文地质;D23—环境地质;D24—地形;D25—水文地质;D26—工程地质;D27—环境地质;D28—可利用资源;D29—地形地貌;D30—水文地质;D31—工程地质;D32—环境地质;D33—可利用资源;D34—地形地貌;D35—水文地质;D36—环境地质;D37—可利用资源

3.2 评价因子量化分级

根据山东半岛蓝色经济区地质环境的特点及相关评价因子的评价结果，并充分考虑地质环境现状对蓝色经济区建设的保障能力，对各个二级评价因子进行量化分级(表2)。

3.3 指标权数的确定

通过对数最小二乘法、最优传递矩阵法进行一致性调整，使其一致性比率<0.1，满足一致性要求后，求取各评价因子权重。求得每层各因子权重后进行检验，均满足归一性检验的要求(表2)。

表2 评价因子的量化分级标准及权重值

3.4 评价单元划分

评价中先采用1km2×1km2正方形网格法进行评价单元划分，然后对评价因子状态有突变的单元按不规则多边形法进行细分，以确保单个评价单元内的各评价因子状态是具有相同特性的最小地域单元。

3.5 图形空间处理

首先利用MapGIS对二级评价因子矢量化之后的区文件进行拓扑错误检查，属性赋值，将检查后的评价因子转化为GMAP可识别的SHAPE文件，然后利用GMAP对转化后二级评价因子进行测试检验。

3.6 地质环境保障能力综合指数计算

以综合指数法为基础进行各类信息的空间叠加，得出各评价单元的综合指数，叠加完成之后生成MapGIS可以识别的GS ASCII(*grd)GRD数据。

3.7 地质环境保障能力分区

经过因子量化和分值比较，将地质环境保障能力评价结果按综合分值分为5级，即强、较强、中等、较弱、弱(表3)。

表3 地质环境保障能力评价分级标准

利用MapGIS-空间分析-dtm分析模块将GRD数据按照评价分级标准进行分级，将自动生成的分区结合区内实际情况进行人工修编，形成最终的综合分区(图3)。

1—保障能力强区；2—保障能力较强区；3—保障能力中等区；4—保障能力较弱区；5—保障能力弱区；6—保障能力分区界线

3.8 地质环境保障能力评价

根据综合分区结果，结合山东半岛蓝色经济区地质环境条件进行地质环境保障能力评价，结果显示(表4)，地质环境具有保障蓝色经济区建设和发展的能力，但保障能力中等以上区域面积占比较小，多数地区地质环境条件、适宜性、承载力等客观形势严峻，建设过程中需要有针对性的采取工程保障措施。

表4 山东半岛蓝色经济区地质环境保障能力分区结果

3.8.1 地质环境保障能力强区

分布在东营市东营区西南部(Ⅰ-1)及烟台海阳市与莱阳市的交界区域(Ⅰ-2)，约占总面积的0.5%。

Ⅰ-1区土地资源丰富，水资源开发优势明显，区内及周边石油资源丰富，土地环境综合条件较好，水环境没有受到严重污染，水文地质条件相对差，属于地质环境承载力强区，地质环境适宜性化工业适宜性良好；Ⅰ-2区土地资源供给充足，地下水开发利用条件较差，水土环境总体较好，水文地质条件一般，属于地质环境承载力强区，地质环境适宜性为工程建设适宜性良好。

3.8.2 地质环境保障能力较强区

分布在无棣县中南部、东北部及沾化北部地区(Ⅱ-1)，东营市黄河故道流域至广饶县驻地一线(Ⅱ-2)，烟台莱阳市与海阳市大部分地区(Ⅱ-3)，占总面积的12.0%。

Ⅱ-1及Ⅱ-2区土地开发潜力巨大，海洋资源比较丰富，水环境容易受到污染，大部分地区土壤环境质量较好，存在土壤盐渍化等地质环境问题，水文地质条件相对较差，分别属于地质环境承载力一般区和强区，Ⅱ-1区适宜布局一般产业基地，Ⅱ-2区适宜布局石油与化工业；Ⅱ-3区土地资源供给充足，水资源是发展短板，无土壤污染区分布，近海环境条件较好，地质环境问题较少，水文地质条件一般，属于地质环境承载力强区，适宜布局石油与化工业。

3.8.3 地质环境保障能力中等区

连片状分布在烟台市北部及威海市中部地区(Ⅲ)，占总面积的20.8%。

Ⅲ区土地资源相对贫乏，地表水资源可提供一定保障，矿产资源和海洋资源比较丰富，地下水质量相对较差，土壤环境质量较好，近海环境条件相对较好。存在崩、滑、流等环境地质问题，水文地质条件一般，大部分地区属于地质环境承载力较强区，一般产业基地布局适宜性以较好和中等为主，化工业适宜区分布在龙口至莱州沿海一线等地。

3.8.4 地质环境保障能力较弱区

集中分布在潍坊市中部、青岛市南部、日照市五莲县之外大部分地区(Ⅳ)，占总面积的38.8%。

Ⅳ区土地资源比较集中，地表水供给能力较强，地下水富水性整体较差，有矿产资源分布但开采规模相对较小，地下水环境和海洋环境条件较差，大量存在有崩、滑、流等地质环境问题，属于地质环境承载力较弱区，化工业适宜性以较差和中等为主，一般产业基地适宜性以较好和中等为主。

3.8.5 地质环境保障能力弱区

分布在潍坊市北部沿海至平度市一线(Ⅴ-1)、潍坊市西部地区(Ⅴ-2)、五莲县(Ⅴ-3)、崂山地区(Ⅴ-4)及昆嵛山附近地区(Ⅴ-5)等，分布范围较广，占总面积的27.9%。

Ⅴ-1区土地资源比较集中，水资源条件差，海洋资源薄弱，土壤重度盐渍化，地下水环境条件极差，海水入侵覆盖全区，属于地质环境承载力弱区，一般产业基地适宜性差，石油与化工业适宜性以较好和中等为主；Ⅴ-2—Ⅴ-5区人均土地面积较少，水资源条件差，矿产资源贫乏，水环境和土壤环境条件差，崩、滑、流等地质环境问题分布密集，地质环境条件中等—弱，地质环境承载力以中等区为主，一般产业基地适宜性以中等—较强为主，化工业适宜性以差和较差为主。

4 结论

(1)地质环境保障能力的评价涉及到可能影响该区域可持续发展的经济、社会、地质条件及生态环境等多种影响因素，属于多层次、多因素作用的空间综合评价，是典型的结构化、多目标评价问题。

(2)研究区范围广阔，资源、环境条件复杂，人类活动特征具有明显的地域性，地质环境保障能力评价指标选取过程中，以资源与环境为基础，综合考虑了产业布局、发展规划等因素。利用层次分析法确定的该区域评价指标体系为2个领域层指标、11个准则层指标、37个指标层指标，既科学又易于操作，指标权重的选取也更具代表性。

(3)评价结果表明研究区地质环境具有保障蓝色经济区建设和发展的能力，但保障能力中等以上区域面积，占比较小，多数地区地质环境条件、适宜性、承载力等客观形势严峻，建设过程中需要有针对性的采取工程保障措施，与实际相符，证明利用GIS层次分析法进行地质环境保障能力评价是可靠的。