基于混合单元的三峡库区港口建设场地适宜性评价

刘月， 谭建民， 李远耀， 李明， 谢家龙， 刘壮

(1.中国地质大学(武汉)地质调查研究院，武汉 430074；2.中国地质调查局武汉地质调查中心，武汉 430205)

0 引言

岸线资源指占用一定范围水域和陆域空间的国土资源[1]，可分为海岸线资源和内河岸线资源等，港口码头建设是其重要的利用方式之一。国外对港口岸线资源的研究侧重于岸线资源的可持续开发利用[2-3]，而国内对港口岸线资源的研究多侧重于港口建设场地的适宜性评价，如： 郭兴杰等[4]选取了岸前水深、潮差、岸线稳定性、坡度、工程地质、生态环境、海域通航、陆域纵深和交通便捷度共9个主要影响因子，对上海市四大滩涂的建港适宜性分别进行了分析； 林金兰等[5]以广西沿海滩涂为研究对象，从生态适宜性、区位适宜性和经济发展适宜性3个方面构建了评价指标体系，分析其港口-工业开发的适宜性程度和空间分布特征； 陈鹏等[6]在综合考虑大亚湾海域及其岛群的自然生态属性、资源条件和社会生态属性的基础上，从约束型与引导型2个要素类别筛选指标构建评价指标体系，定量分析了研究区海岛港口开发适宜性程度及其空间分布特征。岸线资源利用类型具有综合性，在建设场地适宜性评价时，需针对适宜建设用途的相应空间面积进行整体性评价。同时，岸线作为水陆的衔接地带或过渡带，整体生态环境具有很强的敏感性，对岸线资源开发利用评价时，应合理考虑生态环境因素的影响，建立更适用于岸线资源适宜性评价的模型。内河岸线资源作为国家重要的国土资源，国内已有不少学者对此展开了研究[7-14]，对其合理开发利用具有重要意义。 本文在GIS技术的支撑下，选取了长江上游宜昌至万州段干流岸线，基于混合评价单元，采用改进的综合指数评价模型，开展了港口建设场地适宜性评价。在原岸线港口均被淹没且区域经济社会发展急需开发岸线港口资源的条件下，探索开展岸线港口建设场地适宜性评价，具有重要的理论和实际意义。

1 三峡库区干流航道地质环境

长江三峡库区岸坡地质环境复杂，生态环境脆弱。三峡大坝的兴建与百万移民工程，在很大程度上改变了原有的地质和生态环境状态，同时在库区水位动态调蓄作用下，库区岸线地质灾害多发。

研究区为长江干流岸线宜昌至万州段，全长约360 km，包括夷陵区、秭归县、巴东县、巫山县、奉节县、云阳县和万州区等地(图1)。研究区地势整体中段高，东西两侧低，南北两侧高，中部长江一线最低，最高点为巫山山脉，海拔高程1 900 m左右，最低点为长江河谷。区内奉节白帝城以西属四川盆地东缘，以砂岩、泥岩组成的川东侵蚀低山丘陵平行岭谷区为主； 奉节以东为著名的长江三峡河段，属于川鄂褶皱山地，以碳酸盐岩组成的中、高山峡谷地貌为主。区内地层除缺失志留系上统、泥盆系下统、石炭系上统和第三系外，前震旦系至第四系均有出露，总体上以黄陵结晶岩为界，向东、西两侧，地层逐渐变新。工程地质岩组大致可分为砂岩页岩及煤系地层类、泥岩夹砂岩页岩类、灰岩白云岩夹页岩类和花岗岩类。近期，研究区内地震活动较频繁的断裂主要有郁江断裂、齐岳山断裂、黔江断裂、建始断裂、新华断裂等，区内抗震设防烈度均为VI度。

2 研究思路

首先，以收集的自然地理资料、基础地质资料、遥感影像及野外调查数据为基础，在GIS平台中建立基础环境数据库。并结合实际场地情况，选取了地形地貌、区域稳定性、工程地质条件、交通区位条件和生态敏感性5大类因素共14个评价因子，利用层次分析法确定各评价因子权重。进而，基于混合评价单元，采用改进的综合指数评价模型，利用GIS中的栅格计算器功能计算出研究区港口建设场地适宜性评价综合指数，按自然断点法将研究区分为适宜区、较适宜区、较不适宜区和不适宜区4类，最后进行综合评价分析。研究流程如图2所示。

图2 港口建设用地适宜性评价流程Fig.2 Workflow of suitability evaluationof port construction site

3 港口建设场地适宜性评价

3.1 评价指标体系构建分级

岸线地质环境复杂，生态环境脆弱，对岸线资源开发利用的同时，要注重生态环境的保护，不能以破坏生态环境、降低生态效益为代价，应做到科学规划与合理利用。本文结合三峡库区岸线实际场地情况和资料收集情况，将港口建设场地适宜性评价因子分为基本因子和限制因子。基本因子包含岸前水深、江面宽度、岸线陆域开发条件、抗震设防烈度、距断裂带距离、岸线稳定性、工程地质岩组、距集疏运通道距离、距已建港区距离和距乡镇镇区距离； 限制因子包含地形坡度、高程、植被覆盖度和地质灾害。评价指标的分级定量标准参照《城乡建设用地适宜性评价技术规程》[15]，并结合研究区实际情况综合取值。各因子分级状态如表1和表2所示。

表1 基本因子分级表Tab.1 Classification of the basic factors

表2 限制因子分级表Tab.2 Classification of the restriction factors

3.2 评价因子权重

本文利用层次分析法求取基本因子权重，主要可分为4个步骤：

(1)建立层次结构模型。将评价目标、决策准则(一级指标)和决策对象(二级指标)按其相互关系分为最高层、中间层和最低层。评价目标为港口建设场地适宜性分区，一级指标为地形地貌、区域稳定性、工程地质条件和交通区位条件4个方面，二级指标为岸前水深、江面宽度、岸线陆域开发条件、抗震设防烈度、距断裂带距离、岸线稳定性、工程地质岩组、距集疏运通道距离、距已建港区距离和距乡镇镇区距离10个因子。

(2)构造判断矩阵。各层次内因子两两比较构造判断矩阵。如研究区隶属三峡库区，由于水库蓄水使得水位大幅抬升，沿江平均水深超过60 m，岸前水深和江面宽度两项指标基本满足建设大型港口码头的要求，因此对港口建设影响程度较小； 研究区中的峡谷段两岸地形陡峻，码头建设难度大，而岸坡相对平缓的宽缓河谷段，码头陆域场地建设的开挖方量将相对减少，因此岸线陆域开发条件和岸线稳定性影响程度相对较大。由此确定各层次因子间两两对比的相对重要性程度。

(3)层次单排序及一致性检验。对每个对比矩阵计算最大特征值及其对应的特征向量，利用一致性比率CR做一致性检验，当CR<0.1时，通过一致性检验。

(4)层次总排序及一致性检验。计算最下层对最上层总排序的权向量，利用一致性比率CR进行检验。

由此得出基本因子权重如表3所示。

表3 基本因子权重表Tab.3 Weight of the basic factors

3.3 评价单元

评价单元的划分合理与否对最终的适宜性评价结果有着直接的影响。传统上对大范围、小比例尺下的区域，多采用大小相同、形状规则的栅格单元作为评价单元，便于对因子进行快速分析和计算。对长江干流宜昌至万州段进行港口建设场地适宜性评价时，三峡库区运行期库区水位最低高程为145 m，且库区长江航道码头建设用地相对有限，一般不会超过第一道生态屏障区，因此，最终确定研究区范围为145 m高程起向岸坡方向延伸1 km止。研究区范围广且狭长，选用栅格单元进行评价，计算更为方便准确。栅格单元大小根据李军等[16]提出的Gs计算公式，得出栅格单元尺寸为50 m×50 m。

但因评价对象为港口建设场地，最终适宜性结果以栅格单元形式呈现时，适宜性分区十分分散、破碎，使得场地利用较为困难。因此，需针对适宜建设用途的相应空间面积对栅格结果进行整合，使适宜性分区更为完整，方便今后港址的选择。为此，进一步划分了岸坡单元，沿江方向细分宽约1 km的单元格作为岸坡单元，各岸坡单元的适宜性分值由该单元内所有栅格单元对应适宜性分值的面积加权平均求得。最终，研究区共划分为717个评价单元，其中长江北岸361个，长江南岸356个，最终适宜性结果以岸坡单元的形式呈现。

3.4 评价模型的构建

综合指数模型是适宜性评价领域中常用的评价模型[17-18]。该模型先对所有评价因子逐个分析并赋分值，确定各评价因子的权重，进而将评价因子的分值分别乘以各自的权重值并进行加权叠加，得到每个评价单元的适宜性评价综合指数。但每个评价因子对评价结果具有不同程度的贡献值，包括正向作用和负向作用，导致传统的综合指数模型运用到岸线资源的适宜性评价时，会极大地忽视生态环境的限制作用，使评价结果出现偏差。

因此，本文对综合指数模型进行了改进，使模型更适用于生态环境脆弱的岸线地带。将评价因子分为基本因子和限制因子两类，基本因子加权叠加，限制因子按取大原则叠加，二者相减得到最终的适宜性评价综合指数。评价模型公式如下：

(1)

(2)

式中：Qi为第i个评价单元的适宜性评价综合指数；Xip为第i个评价单元第p个基本因子的分值；Yip为第i个评价单元第p个基本因子的权重；Wic为第i个评价单元第c个限制因子的分值；m、n分别为基本因子的个数和限制因子的个数。

4 评价结果分析

4.1 评价结果

综合考虑自然和社会经济条件及生态敏感性，建立了合理的建港适宜性评价指标体系。基于栅格单元采用改进的综合指数评价模型，对三峡库区宜昌至万州段港口建设场地适宜性进行了评价，评价结果分为适宜区、较适宜区、较不适宜区和不适宜区4级。由于以栅格单元形式呈现的适宜性分区结果分散、破碎，如图3(a)奉节县部分岸段所示，因此进一步将栅格单元的适宜性分值按其面积加权平均并反映在各岸坡单元上(图3(b))，最终适宜性分区结果以岸坡单元形式呈现(图4)。

(a) 栅格单元 (b) 岸坡单元

图3 不同评价单元结果呈现

Fig.3Resultsofdifferentevaluationunits

图4 港口建设场地适宜性分区结果Fig.4 Result of suitability evaluation of port construction site

适宜区共99个评价单元，占研究区总面积的13.81%； 较适宜区共185个评价单元，占研究区总面积的25.80%； 较不适宜区共225个评价单元，占研究区总面积的31.38%； 不适宜区共208个评价单元，占研究区总面积的29.01%。根据实地调查并结合遥感影像分析，研究区已建港口码头大多分布在适宜区和较适宜区，评价结果具有较高的可靠性。区内部分典型区段适宜性评价结果如图5所示。

(a) 秭归—夷陵段图5-1 三峡库区重要区段适宜性评价结果Fig.5-1 Results of suitability evaluation in the important sections of Three Gorges Rreservoir

(b) 巫山—巴东段

(c) 万州—云阳段图5-2 三峡库区重要区段适宜性评价结果Fig.5-2 Results of suitability evaluation in the important sections of Three Gorges Rreservoir

4.2 结果分析

根据港口建设场地适宜性分区结果图(图4)，对各区县建港位置适宜区域提出了建议。

(1)夷陵区。建港适宜区及较适宜区主要分布在西陵峡口风景区、乐天溪镇、三斗坪镇、太平溪镇和茅坪镇上游。西陵峡口风景区和乐天溪镇上游一带城镇密集，集疏运条件好，临江坡度平缓； 太平溪镇和茅坪镇上游一带靠近三峡大坝，岸线平直稳定，水深条件好，江面宽阔达到1 000 m以上，易于开发建港。

(2)秭归县。建港适宜区及较适宜区集中分布在茅坪镇上游一带。该区域江面宽阔，有多处已建码头，岸线陆域开发条件好，坡度小于25°的区域占比大于80%，易于开发建港。

(3)巴东县。整体不易建港，该段岸线冲蚀严重，临江大多是悬崖陡壁，岸线陆域开发条件差，有较多不稳定的地质灾害点。

(4)巫山县。建港较适宜区北岸主要分布在巫峡镇周边和巫峡镇上游12～17 km处，南岸主要分布在巫峡镇对岸上游6～12 km处。巫峡镇周边岸段集疏运条件好，与沪汉蓉客运专线距离小于3 km，有红石梁码头和西坪货运码头两处已建码头，岸坡平缓。巫峡镇上游12～17 km处岸线平直稳定，无大型不稳定地质灾害点，以坚硬厚层砂岩为主; 巫峡镇对岸上游6～12 km处岸线平直稳定，岸坡平缓，易于开发建港。

(5)奉节县。建港适宜区及较适宜区主要分布在奉节县城下游5 km内、奉节县城上游4～14 km处及永乐镇上游5 km至安坪镇段。奉节县城下游5 km内岸线平直稳定，无不稳定地质灾害点，集疏运条件好，有奉节港务站和七号桥滚装码头两处已建码头； 奉节县城上游4～14 km处岸线平直，无明显冲刷淤积，以软硬相间层状砂岩、黏土岩互层岩组为主； 永乐镇上游5 km至安坪镇段岸线无不稳定地质灾害点，坡度小于25°的区域占比大于80%，易于开发建港。

(6)云阳县。建港适宜区及较适宜区主要分布在青龙街道—巴阳镇上、下游一带及盘石镇上、下游一带。青龙街道—巴阳镇上、下游一带岸线以软硬相间层状砂岩、黏土岩互层岩组为主，周边城镇密集，有多处已建码头，岸线陆域开发条件好，坡度小于25°的区域占比大于80%； 盘石镇上、下游一带岸线虽受少量冲刷淤积影响，但江面宽阔，周边城镇密集，临江高程较低，易于开发建港。

(7)万州区。整体适宜建港，江面宽阔，岸坡平缓，集疏运条件好，无大型不稳定地质灾害点，基本为适宜区和较适宜区。较不适宜区主要分布在太龙镇下游1～6 km处及武陵镇上、下游和新乡镇上、下游一带。

5 结论

(1)本文选取栅格单元与岸坡单元相结合的混合评价单元，对三峡库区宜昌至万州段干流岸线港口建设场地进行了适宜性评价。基于栅格单元对各因子求解，最终适宜性评价结果以岸坡单元形式呈现。研究区共被划分为717个评价单元，评价结果分布更具整体性，便于今后港口建设场地的选择与拓展。

(2)以三峡库区宜昌至万州段干流岸线为研究对象，选取更适用于岸线资源的改进的综合指数评价模型，将港口建设场地适宜性评价因子分为基本因子和限制因子2类，以地形地貌、区域稳定性、工程地质条件、交通区位条件和生态敏感性5大类共14个评价因子构建评价指标体系。适宜性评价结果显示： 北岸适宜区主要分布在夷陵区乐天溪镇和太平溪镇，云阳县双江镇和万州城区上、下游一带； 南岸适宜区主要分布在秭归县茅坪镇，奉节县城南岸和万州城区南岸上、下游一带。

(3)由于资料获取程度的有限性和三峡库区本身地质环境的复杂性，适宜性评价研究的深度有待进一步提高。因研究区范围较大，对于初步选出的适宜区或较适宜区，需要进一步开展考虑风险决策的场地尺度适宜性评价，优中取优，达到安全、经济与生态保护的协调。