廊坊市城市地质环境综合影响评价与风险区划

李 琴 李庆林 成运利

(1.河北省地球物理勘查院 廊坊 065000；2.山东省煤田地质局第一勘探队 青岛 266000)

廊坊市地处环渤海经济圈中心地带,素有京津走廊明珠之称,在河北省国民经济中占有重要份额。随着城市化进程的加速,在砂土液化、软土地基等工程地质问题基础上逐渐叠加了地面沉降及环境污染等地质灾害问题(图1)。

廊坊市城市地质环境综合影响评价与风险区划项目系统收集了区内各种地质灾害发育状况和承载体空间分布定量数据,进行了科学合理的集成处理,编制了地质灾害危险性、社会经济易损性与环境影响强度指数系列专题图件,获得科学结论,提出了城市化进程建议。

图1 研究区廊坊市地理位置图

1 评价体系模型的建立

依据代表性、可操作性和可比性等原则,充分收集区内地质环境、地质灾害及受灾对象的资料,对其进行整理,利用MAPGIS、ACCESS 等软件建立基础数据库和基础图形库；用层次分析法和模糊数学的方法对各类地质环境问题的影响因子进行叠加分析,建立城市地质环境问题危险性评价指标体系,利用现代计算技术,计算区内地震加速度、地面沉降、地裂缝、地震砂土液化、地下水污染、土壤污染、地下水漏斗、地下咸水等地质环境评价指标体系中各指标的权重,进行各类地质灾害危险性评价并分区。然后,收集各类承灾体的有关资料进行城市地质灾害易损性评价,根据各类承灾体的分布、数量及价值,计算物质财富、土地资源的价值密度和人口密度,评价各类城市地质环境问题对人员、物质财富、土地资源的易损性进行评估。最后,在进行城市地质环境问题危险性和易损性评价及区划工作的基础上,根据不同地质环境问题的发生、发展、危害强度、城市特征及城市防灾减灾等因素,采用层次分析法和模糊数学的方法研究地质环境问题综合风险,建立地质环境问题综合风险评价指标体系,利用因子分析及模糊数学方法,确定体系内各因子的权重,评价城市地质环境问题综合影响并进行城市地质环境问题综合影响风险区划。

承灾体类型划分的依据和原则主要是： 符合地质环境问题特点,根据地质灾害破坏效应,界定承灾体范围；充分考虑不同承灾体的共性和个性特征,同类型的承灾体的性能、功能、破坏方式以及价值属性和核算方式基本相同或相似。根据上述原则,廊坊市承灾体划分为人口和房屋建筑两大类。建筑物密度采取实地调查统计的方式,按照主干街道划分统计单元,进行逐项统计。人口密度资料采用网络查询方法,以街道和乡镇为单位进行统计。

城市地质环境危险性评价及城市地质环境的综合影响评价涉及大量的相互关系、相互影响、相互制约的因素,各因素又有不同的量纲,缺乏统一的衡量性,各因素对城市地质环境危险性及综合影响的目标有着不同的重要性。因此,其在地质环境危险性及综合影响评价中的地位也各有不同,指标体系各要素各具内涵,要想把它们纳入统一的评价体系,必须将其统一进行标准化,以便于以后的工作在一致化的状态上进行。为此,采用归一化方法对各指标进行标准化,其流程如图2所示。

归一化公式为： Xi*=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中,Xi、Xi*分别表示数据归一化前后的值；

Xmin、Xmax分别表示样本数据中的最小值、最大值。

图2 廊坊市地质环境综合影响评价与风险区划指标体系模型图

2 参数计算与图件制作

通过地质灾害基本因素和触发因素与区域地质灾害关系研究的结果,对基本因素和触发因素进行分类,从而确定最有效的区划变量。采用信息模型和相关的统计模型,以控制地质灾害的背景因素和触发因素为基础,采取定量与定性相结合的工程地质类比原理、统计原理,以MAPGIS地理信息系统软件为空间分析平台,建立多图层的空间DEM 分析模型,从而确定各因素与单灾种地质灾害的相关关系和权重系数,定量分析不同环境地质中各因素与单灾种地质灾害的区域关系及其时空规律。在此基础上进行多因素—单灾种、多因素—多灾种的总体分析。

依据区域地震加速度、砂土液化、地面沉降量和表层土壤汞含量及潜水风险指数资料,分别采集1： 5万地形图上1km×1km 网格中心所对应的数据,录入excel电子表格中,构成地质灾害危险性分区数据库,同时在人口密度和建筑物密度分布图上采集对应数据,构成地质灾害社会经济易损性分区数据库。

利用原始数据/最大值的方法对数据进行标准化。

地质灾害危险性分区指标Di=C1(地震加速度)+C2(砂土液化)+C3(地面沉降量)+C4(表层土壤汞含量)+C5(潜水风险指数)。

综合影响指标权数Ci是对象评价集和因子相对重要性大小的表征测度值,其确定方法主要有专家估测法、频数统计法、主成分分析法、层次分析法和模糊逆方程法等。

因子分析根据评价对象的指标来寻觅其内在原因,而就评价而言,这种现象的内在联系正表现了评价指标之间对评判对象的相互影响及其对讨论对象的相对贡献,亦即相对重要性权值,因而这种方法求得的权值是直接来自客观环境的。

提取主成分。设评价指集U={X1,X2,…,Xn},有m 组样本ti(1,2,3,…,m},每组样本有对应于U中各个指标的指标值xij(j=1,2,3,…,n},用表格表示,并对原始数据进行标准化,以消除量纲影响。

第一步,求指标Xj与Xk(j,k=1,2,…,n)的相关系数,由此得到指标相关矩阵R=(rij)n×n；第二步,求相关矩阵R 的特征值与特征向量。其中,特征值由行列式|R-λE|=0求出,E 是单位矩阵,与R 同型,λ是特征值。特征值所对应的特征向量由方程(R-λE)=0求出,X 是特征值λ对应的特征向量；第三步,确定主成分。设R 的特征根按大小排序为λ1,λ2,…,λn,称λi所对应的指标为第i主成分,trR=λ1+λ2,…,λn,称λi/trR 是第i主成分的贡献(表1、表2、表3、表4、表5)。

确定各因素因子负载,它是特征根或特征值的均方根与其对应的特征向量值的乘积,然后经过一系列变换可求得各指标的权数。

表1 廊坊市地质环境评价变量相关系数矩阵

表2 特征根结果表

表3 特征向量表

表4 初始因子矩阵

表5 旋转因子矩阵

先计算某一变量指标在各主成分的初始因子载荷除以所有载荷绝对值之和,再将这些比值相加,得到相应变量的初始权重,最后归一化为百分比(表6)。

表6 权重计算过程

易损性隶属度函数的确定,要给模糊的事物以适当的集合描述,必须规定新的假设,类似特征函数,引入隶属度函数概念：

其中： A称为模糊集合,由0,1及μA(x)构成,表示元素x属于模糊集合A的程度,取值范围为[0,1]。

一般情况下,多用推理方法根据有关人员的实践经验近似确定隶属函数。在实际工作中,二元对比排序法常常能对不易量化的概念得到较好的数据处理,具体确定时要注意剔除歪曲对比成分。

优先关系定序法依据某种特性,在各元素之间确定优劣比较关系,以建立优先关系,再通过取不同特征值,截取矩阵,进而决定总的排序。

相对比较法是把论域中的各元素,按某种特性,在两两元素之间对比,以建立二元比较级,然后通过矩阵转化为总体的排序而求得隶属度(表7、表8)。

表7 廊坊市地质环境问题社会经济易损程度一览表

表8 廊坊市地质环境问题社会经济易损性模糊隶属度函数表

根据上述结果,确定地质环境影响强度指数计算公式：

If=∑ai×Di×H1i+∑bi×Di×H2i

=(0.12×地震加速度+0.04×砂土液化+0.20×地面沉降+0.28×土壤污染+0.36×潜水风险)×人口密度+(0.31×地震加速度+0.24×砂土液化+0.31×地面沉降+0.035×土壤污染+0.105×潜水风险)×建筑密度

其中： ai人口易损性模糊隶属度；bi建筑物密度易损性模糊隶属度；Di地质灾害危险性分区指数；H1i标准化人口密度；H2i标准化建筑物密度。

在MAPGIS地理信息系统软件上绘制地质灾害危险性指数曲线、人口密度分布曲线、建筑物密度分布曲线和地质环境影响强度色区,进而确定地质环境综合影响风险区划指标体系(表9)。

表9 地质环境综合影响风险区划指标体系

3 研究结果

现代经济学研究表明,适度发展大城市,积极发展中小城市,加快小城镇建设,引导城市群发展,形成功能完备、布局合理、规模适度、结构优化的城市体系,可以促进第三产业发展,提高资源集中和优化配置及人口聚集程度,解决就业问题,拉动内需,吸收农村剩余劳动力。

按照现有的发展模式,城镇化的真正驱动力是现代工商业的兴旺发达。人类社会经济活动是地球生态系统的重要组成部分,区域地质灾害的发育情况,其范围、频率、强度和破坏程度均与人口增长及经济发展具有大体同步消长的相互关系。大规模工业化的过程,必然改变地球表层化学物质的分布分配状况,给人类生态环境带来正负两方面的影响。

本次研究结果表明,该区几乎所有城市建成区地质环境影响强度指数均达较大级别,意味着不适应大规模城市化进程,应在项目、资金、设备、人员等多个方面,加以适度限制,从而避免地质灾害所造成的社会经济损失。而固安西部、三河燕郊东北部地质环境影响强度指数较小,尚有一定发展城市化潜力,在其它条件容许情况下,可加快发展城市化进程。其余多为中等区,可适度发展城市化进程。

对于地下水下降漏斗及地面沉降发育区,应大力推广城市中水回用和农村节水灌溉等措施；对于砂土液化严重区应采取相应的工程桩基措施,以加强防震抗震能力,最大限度避免地震造成人员伤亡。对于土壤毒重金属污染地区,可考虑采用地球化学过程学方法进行污染修复。