王鵬，劉拓，邱德明

(中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，陜西 西安 710054)

生態(tài)適宜性評價已成為社會廣泛關(guān)注的焦點，宏觀空間開發(fā)與微觀尺度建設(shè)用地適宜性評價相結(jié)合的縣域尺度生態(tài)適宜性評價已逐漸成為新的發(fā)展趨勢(樊杰等，2009，2011)，即能從空間上合理組織“開發(fā)”活動(國土空間開發(fā)格局調(diào)整、空間經(jīng)濟(jì)布局)，又是在微觀層面上“開發(fā)”活動的具體承載(建設(shè)空間選址、城市規(guī)劃和土地利用規(guī)劃、農(nóng)村居民點整理)(簡王華等，1990；宗躍光等，2007；薛繼斌等，2011；喻忠磊等，2015)。近年來，生態(tài)適宜性評價的研究視角日益豐富，指標(biāo)體系日趨完善，多位學(xué)者進(jìn)行了不同地域、不同尺度、不同開發(fā)方式的生態(tài)適宜性評價，客觀真實地反映了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)狀況。但在實際中由于存在“木桶原理”，現(xiàn)有評價方法多采用靜態(tài)的常權(quán)，權(quán)重不隨因素狀態(tài)向量而變，以“不變”應(yīng)“萬變”，不能充分反映生態(tài)適宜性評價系統(tǒng)的整體性、動態(tài)性要求(舒幫榮等，2012；吳冠岑等，2010)，無法體現(xiàn)出短板因素對評價結(jié)果的限制性作用(張茂省等，2019)，導(dǎo)致較差因素會被較優(yōu)因素“中和”而使評價結(jié)果偏大，引起結(jié)論與實際不符。筆者在空間模糊綜合評價法的基礎(chǔ)上，引入局部懲罰型變權(quán)對其進(jìn)行改進(jìn)，合理確定懲罰水平，綜合考慮各評價指標(biāo)狀態(tài)值間的組態(tài)水平，對低于閾值的“瓶頸”指標(biāo)進(jìn)行懲罰，科學(xué)地反應(yīng)各指標(biāo)在生態(tài)適宜性評價中所起的作用，客觀地進(jìn)行評價。(Ruimin Li, et al., 2018)

1 研究方法

1.1 變權(quán)理論

變權(quán)向量綜合反映了因素狀態(tài)間的均衡性(李德清等，2004)，直接反映權(quán)重隨評價指標(biāo)的變化規(guī)律。設(shè)X=(x1,x2,…,xm)為生態(tài)適宜性評價指標(biāo)向量，W=(w1,w2,…,wm)為常權(quán)向量，S(X)=(S1(X),S2(X),…,Sm(X))為狀態(tài)變權(quán)向量，則變權(quán)向量W(X)=(w1(X),w2(X),…,wm(X))可表示為W和S(X)的歸一化的Hadamard乘積，具體如下。

(1)

j=1,2,…,m

依據(jù)權(quán)重的變化趨勢，將變權(quán)分為懲罰型變權(quán)、激勵型變權(quán)和混合型變權(quán)3種形式。由于生態(tài)適宜性評價中需要對較差的“瓶頸”評價指標(biāo)進(jìn)行懲罰，因此選擇局部懲罰型變權(quán)，其定義如下。

(2)

式中：α為懲罰因子；βj為閾值。當(dāng)0≤xj<βj時，xj對應(yīng)的權(quán)重增大，達(dá)到對第j個指標(biāo)進(jìn)行懲罰目的；當(dāng)βj≤xj≤1時，對第j個指標(biāo)不進(jìn)行懲罰。

1.2 模糊評價方法

1.2.1 建立評語集

結(jié)合8個生態(tài)適宜性評價指標(biāo)，將評價等級分為4級，即為不適宜、低度適宜、中度適宜、高度適宜，得分為別為0、3、6和9，評語集V集合形式如下。

V={V1，V2，V3，V4}
={不適宜，低度適宜，中度適宜，高度適宜}

1.2.2 隸屬函數(shù)

生態(tài)適宜性評價中的單指標(biāo)評價等級劃分存在模糊性。通過分析，認(rèn)為經(jīng)過變化后的指標(biāo)為最大最優(yōu)型，需采用戒上型隸屬度函數(shù)來描述指標(biāo)的漸變性和模糊性。各評價等級的隸屬度函數(shù)如下。

(3)

式中：rj——評價指標(biāo)為第j個等級的隸屬度,j=1,2,…,n;

a——中度適宜的上限，高度適宜的下限；

b——低度適宜的上限，中度適宜的下限；

c——不適宜的上限，低度適宜的下限；

e——低度適宜的下限和上限的均值；

f——中度適宜的下限和上限的均值。

建立隸屬度矩陣R為：

(4)

式中：Ri——第i個指標(biāo)的評價結(jié)果；

rij——第i個評價指標(biāo)對第j個評價等級的隸屬度；

n——評語集中評級等級的數(shù)目；

m——被評價指標(biāo)的數(shù)目。

1.2.3 模糊綜合評價

采用公式(1)和(2)確定的指標(biāo)變權(quán)權(quán)重Wi和評判隸屬度矩陣Ri，運用加權(quán)平均型模糊運算法則，進(jìn)行模糊綜合評判運算，得到因素Ui對評語集V的隸屬度向量B。

(5)

式中：“·”——加權(quán)平均型運算；

B——模糊綜合評判集。

1.3 模糊結(jié)果非模糊化

模糊結(jié)果僅利用評價結(jié)果B的最大隸屬度信息，未能充分利用B所反映的所有信息(杜棟等，2005; 莊偉等，2014; 舒幫榮等，2012)，也不利于評價結(jié)果的空間橫向比較，因而需要對模糊評價結(jié)果進(jìn)行非模糊化(Kaufmann M，2009；舒幫榮，2012)。采用式(6)(莊偉等，2014)獲取各評價單元的生態(tài)適宜性綜合分值f。

(6)

式中：m——控制較大的bi所起控制作用的參數(shù)(一般取1或2)，取2;

εi——各等級所賦分值；

bi——模糊綜合評價結(jié)果向量。

2 評價指標(biāo)及數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于陜西延安市寶塔區(qū)(圖1)，地理位置位于東經(jīng)109°13′17.40″～110°06′32.40″，北緯36°10′51.60″～37°05′42.00″，屬半濕潤-半干旱大陸性季風(fēng)氣候。多年平均降水量為562.1mm，最大為871.2mm，最小為330mm；年均氣溫10.3 ℃；地貌類型為黃土梁峁溝壑區(qū)，土壤類型主要為黃綿土；土壤質(zhì)地以輕壤土和砂壤土為主。寶塔區(qū)有滑坡、崩塌、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害。其中，滑坡和崩塌災(zāi)害主要出現(xiàn)于市區(qū)，地面塌陷偶見于北部采煤區(qū)。

圖1 研究區(qū)域位置圖Fig.1 Location of the study area

2.2 評價指標(biāo)數(shù)據(jù)

采用寶塔區(qū)內(nèi)柵格大小為30 m×30 m的DEM、土地利用變更調(diào)查(2014年)、土地質(zhì)量地球化學(xué)調(diào)查(2018年)和寶塔區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查等數(shù)據(jù)，利用已有文獻(xiàn)中有關(guān)生態(tài)適宜性評價指標(biāo)的計算方法(曲衍波等，2010；肖寒月等，2015；舒幫榮等，2012；張詩逸等，2015；朱康文等，2015)，并考慮指標(biāo)數(shù)據(jù)的可獲取性，選取地形位、土地阻力、距城鎮(zhèn)距離、距水岸距離、土壤質(zhì)量、距生態(tài)保護(hù)區(qū)距離、有益元素(Se)、災(zāi)害密度等8個影響因素作為評價指標(biāo)(圖2)。評價指標(biāo)無需標(biāo)準(zhǔn)化，但依據(jù)指標(biāo)對生態(tài)適宜性評價的作用，將指標(biāo)分為正向和負(fù)向2類，其中，“地形位”及“距生態(tài)保護(hù)區(qū)的距離”為正向指標(biāo)；土地阻力、距城鎮(zhèn)距離、距水岸距離、土地質(zhì)量、有益元素(Se)、災(zāi)害密度為負(fù)向指標(biāo)，且負(fù)向指標(biāo)需要正向化，其公式為x′=max(X)-x。其中：x′為轉(zhuǎn)換后的指標(biāo)值；x為指標(biāo)原值；X為評價指標(biāo)向量。

圖2 生態(tài)適宜性評價指標(biāo)圖Fig.2 Ecological suitability evaluation index

參考已有研究成果(舒幫榮等，2012；張詩逸等，2015；朱康文等，2015)和咨詢相關(guān)專家，將各指標(biāo)數(shù)據(jù)中的15%，50%，85%分位數(shù)作為不適宜、低度適宜、中度適宜、高度適宜之間的間斷點(表1)。由于處于不適宜、低度適宜和中度適宜的區(qū)域不適宜于建設(shè)用地，故需對因素狀態(tài)值較差的指標(biāo)進(jìn)行懲罰，由此將式(2)中的閾值β設(shè)置為中度適宜與高度適宜的間斷點。

表1 生態(tài)適宜性評價指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)表Tab.1 Grading standard of ecological suitability evaluation index

2.3 初始權(quán)重確定

權(quán)重是生態(tài)適宜性評價的重要內(nèi)容，對變權(quán)效果具有重大的影響，不同的初始權(quán)重，會有不同的變權(quán)效果。采用基于區(qū)分度的信息熵方法(楊惠敏等，2005)來確定各評價指標(biāo)的初始權(quán)重w=(w1,w1,…,w1) (表1)，最大限度地區(qū)分了寶塔區(qū)各評價指標(biāo)的差異(王鵬等，2019)，客觀地反應(yīng)各指標(biāo)對評價結(jié)果的影響大小。

2.4 懲罰水平確定

采用的狀態(tài)變權(quán)向量為指數(shù)型，需要合理確定其懲罰因子α值，體現(xiàn)獨特的權(quán)重懲罰規(guī)律，以取得良好的變權(quán)評價效果。為確定合適的α值，采用基于調(diào)權(quán)水平、離散度、調(diào)節(jié)度等概念的狀態(tài)變權(quán)向量確定方法(李德清等，2004；王鵬等，2020)，設(shè)置10個仿真方案，得出不同方案的調(diào)權(quán)水平及相應(yīng)的生態(tài)適宜性評價仿真結(jié)果(表2)，發(fā)現(xiàn)懲罰因子α為1，調(diào)權(quán)水平為0.28時，高度適宜性區(qū)面積占比為3.99%，低于規(guī)劃目標(biāo)年建設(shè)用地占用總面積比例4.64%，出現(xiàn)“懲罰過度”(李德清等，2004；莊偉等，2014；盧濤等，2015；王鵬等，2020)，且隨著α值越大，低于閾值的指標(biāo)受到的“懲罰”越重，甚至導(dǎo)致評價結(jié)果與實際情況相反；而在懲罰因子α為0.75，調(diào)權(quán)水平為0.23時，高度適宜性區(qū)面積占比為4.94%，且隨著α值越小，受到的“懲罰”越輕，甚至當(dāng)α值接近于0，與常權(quán)評價結(jié)果相同，出現(xiàn)“懲罰不足”。因此，經(jīng)過分析，在高度適宜區(qū)面積占比與規(guī)劃占比基本相等，調(diào)權(quán)水平為0.25，懲罰因子α為0.841 8時，變權(quán)評價效果良好，客觀地反映了寶塔區(qū)的生態(tài)適宜性狀況。

表2 不同冪參數(shù)m及其對應(yīng)的調(diào)權(quán)水平表Tab.2 Different power parameter m and its corresponding adjusting weight leve

3 結(jié)果與討論

3.1 懲罰變權(quán)效果

不同評價單元的評價指標(biāo)擁有不同的水平組態(tài)，表現(xiàn)出不同的限制性因素組合，且具有不同的限制性作用。因此，當(dāng)生態(tài)適宜性評價指標(biāo)小于相應(yīng)的閾值β時，需要增加其權(quán)重進(jìn)行懲罰，從而擴(kuò)大了瓶頸指標(biāo)對柵格單元用于建設(shè)用地的否定水平。例如，處于南泥灣林場的柵格單元，距城鎮(zhèn)距離、地形位、土地阻力、距生態(tài)保護(hù)區(qū)距離等4個指標(biāo)處于中度、低度或者不適宜區(qū)(表3)，具有不同程度的缺陷，而其他4個指標(biāo)處于高度適宜區(qū)。經(jīng)過變權(quán)，具有明顯缺陷的指標(biāo)權(quán)重增加，且增加幅度因缺陷程度而異，缺陷越大懲罰越重；反之，越輕。同時，由于變權(quán)權(quán)重的歸一性(李德清等，2004)，其他指標(biāo)權(quán)重也進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整(降低)，從而降低了該柵格單位的生態(tài)適宜性綜合得分。經(jīng)過統(tǒng)計，研究區(qū)內(nèi)有65.23%柵格單元的綜合評價得分降低，精確、合理地反映生態(tài)適宜性狀況。

表3 南泥灣林場柵格單元懲罰變權(quán)效果分析表Tab.3 Analysis on the effect of penalty variable weight of the grid unit in Nanniwan forest farm

3.2 評價結(jié)果

生態(tài)適宜性是地理現(xiàn)象呈現(xiàn)出的一種整體狀態(tài)，具有過渡性特征(龔建周等，2008)。采用前述的生態(tài)適宜性評價研究方法，獲取所有柵格單元的生態(tài)適宜性綜合得分(圖3a)，處于0.150 0～8.696 2，得分越高，生態(tài)適宜性越高。同時利用k-means方法對綜合得分進(jìn)行聚類，合理地將寶塔區(qū)劃分為高、中、低度適宜及不適宜區(qū)(圖3b)。其中，高度適宜區(qū)的得分為5.379 3～8.981 2，面積為163.90 km2，占4.63%，主要分布在城區(qū)、新區(qū)和溝谷平地內(nèi)；中度適宜區(qū)的得分為3.798 8～5.379 3，面積為733.13 km2，占20.71%，主要分布在地形條件較好的黃土梁峁區(qū)；低度適宜區(qū)的得分為2.335 4～3.798 8，面積為1 673.71 km2，占47.28%，主要分布在地形條件復(fù)雜的黃土梁峁區(qū)；不適宜區(qū)的得分為0.251 0～2.335 4，面積為969.25 km2，占27.38%，主要分布在南部南泥灣林區(qū)、姚家坡林區(qū)以及生態(tài)退耕還林還草區(qū)。

圖3 生態(tài)適宜性變權(quán)評價結(jié)果圖Fig.3 Variable weight effects of different levels of punishment

生態(tài)適宜性評價等級從生態(tài)適宜性角度體現(xiàn)了各柵格單元用于建設(shè)用地的優(yōu)先度，評價等級越高，建設(shè)用地生態(tài)適宜性就越高；反之，越低。寶塔區(qū)現(xiàn)有建設(shè)用地為108.524 2 km2，經(jīng)與評價結(jié)果疊加分析，90.26%的建設(shè)用地處于高、中度適宜區(qū)(圖4a)；僅有9.74%的建設(shè)用地處于不適宜區(qū)和低度適宜區(qū)(表4)。同時，在同一適宜性等級內(nèi)仍可以考慮建設(shè)用地的優(yōu)先序，在劃分4級適宜區(qū)的基礎(chǔ)上，比較柵格單元的生態(tài)適宜性綜合得分，從而滿足國土空間開發(fā)布局及建設(shè)用地擴(kuò)張的需求。

表4 建設(shè)用地生態(tài)適宜性分析表Tab.4 Analysis on ecological suitability of construction land

圖4 建設(shè)用地評價結(jié)果及限制性因素分析圖Fig.4 Analysis on evaluation results and restrictive factors of construction land

借助變權(quán)分析，得出所有柵格單元的限制性因素，并以行政村為單位，匯總不同限制性因素的個數(shù)，以數(shù)量最大的因素為其主導(dǎo)限制性因素(圖4b)來分析各評價指標(biāo)的限制性影響區(qū)域及強(qiáng)度。由于黃土高原溝壑縱橫，生態(tài)保護(hù)區(qū)多分布于梁峁，河道分布于溝谷，具有明顯缺陷的范圍大，適宜于建設(shè)用地的區(qū)域較少，因而距生態(tài)保護(hù)區(qū)距離、距水岸距離、地形位評價指標(biāo)對寶塔區(qū)的生態(tài)適宜性影響范圍最大，且限制性作用較強(qiáng)；城區(qū)由于土地利用強(qiáng)度大，削山建城，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)，為災(zāi)害密度評價指標(biāo)的主要影響區(qū)；與延川、延長、安塞交接處的農(nóng)村居民點，受城鎮(zhèn)輻射影響小，距城鎮(zhèn)距離評價指標(biāo)為其主要限制性因素，但強(qiáng)度一般；黃土高原土壤整體貧瘠，土壤質(zhì)量高和有益元素富集的面積較少，零星分布，因此有益元素和土壤質(zhì)量評價指標(biāo)的限制性影響區(qū)域較少，作用也較弱；縣道、鄉(xiāng)道、生產(chǎn)性道路遍布寶塔區(qū)，土地阻力較小，對生態(tài)適宜性影響微乎其微。

在服務(wù)宏觀空間規(guī)劃和微觀建設(shè)用地布局時，針對不同建設(shè)用地類型，要因地制宜，發(fā)揚特長，避讓瓶頸因素。例如，城區(qū)擴(kuò)張時，要向生態(tài)適宜性綜合得分高的區(qū)域布置，注重避開滑坡、崩塌、沉陷等地質(zhì)災(zāi)害，同時加強(qiáng)災(zāi)害實時監(jiān)測；城鎮(zhèn)建設(shè)用地要注重審批規(guī)范，集聚布置在高度適宜區(qū)，堅決杜絕削坡建設(shè)；同時，注重農(nóng)村居民點整治潛力挖掘，將地形條件不好、距城鎮(zhèn)較遠(yuǎn)、處于生態(tài)保護(hù)區(qū)內(nèi)的農(nóng)村居民點優(yōu)先安排整治，以促進(jìn)寶塔區(qū)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。

4 結(jié)論

不同的柵格單元有不同的狀態(tài)值，生態(tài)適宜性評價指標(biāo)權(quán)重不同。調(diào)查區(qū)有65.23%的柵格評價單元得到了懲罰，突顯了低于閾值指標(biāo)的限制性，擴(kuò)大了瓶頸指標(biāo)對柵格單元用于建設(shè)用地的否定水平，精確、合理地反映生態(tài)適宜性狀況。

調(diào)權(quán)水平為0.25，冪參數(shù)α為0.841 8時，有效地避免懲罰過度和懲罰不足，變權(quán)評價結(jié)果更符合客觀實際，高度、中度、低度和不適宜區(qū)面積分別占4.63%，20.71%，47.28%，27.38%，且建設(shè)用地布局合理，生態(tài)適宜性整體較高，90.26%的建設(shè)用地處于高、中度適宜區(qū)；9.74%的建設(shè)用地處于不適宜區(qū)和低度適宜區(qū)。此外，不同評價指標(biāo)呈現(xiàn)出不同的限制性影響范圍和強(qiáng)度，其中距生態(tài)保護(hù)區(qū)距離、距水岸距離、地形位評價指標(biāo)影響最大，災(zāi)害密度、距城鎮(zhèn)距離影響次之，有益元素、土地質(zhì)量較弱，土地阻力影響最弱。

生態(tài)適宜性等級和主導(dǎo)限制性因素結(jié)果相結(jié)合使用，因地制宜，揚長避短，對優(yōu)化寶塔區(qū)的建設(shè)用地空間布局具有較大的作用。但是所選用指標(biāo)多為自然因素指標(biāo)，需要考慮社會和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并合理量化，以獲取更加科學(xué)的評價結(jié)果。

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