張 杰， 李 鐸， 張 赟， 魏愛華*， 程 鑫

(1.山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院， 煙臺 264000； 2.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院，石家莊 050031；3.河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)重點實驗室， 石家莊 050031； 4.河北省水資源可持續(xù)利用與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化協(xié)同創(chuàng)新中心，石家莊 050031； 5.河北省高校生態(tài)環(huán)境地質(zhì)應(yīng)用技術(shù)研發(fā)中心， 石家莊 050031)

地質(zhì)環(huán)境作為自然環(huán)境的重要組成部分之一，不僅為人類社會提供生存空間，同時還提供必需的資源。地質(zhì)環(huán)境承載力是指在條件一定的前提下，環(huán)境系統(tǒng)所能承受的人類活動的最大承受能力[1-2]。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，資源的過度開發(fā)使用，導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境問題愈發(fā)突出，嚴(yán)重制約了社會的可持續(xù)性發(fā)展。因此，開展地質(zhì)環(huán)境承載力評價具有重要的現(xiàn)實意義。

承載力概念的提出最早源于力學(xué)領(lǐng)域，后來隨著人與環(huán)境矛盾的日益突出，使得人口、資源和環(huán)境等方面承載力的研究陸續(xù)開始出現(xiàn)[3]。中外學(xué)者對地質(zhì)環(huán)境承載力開展了大量研究。肖炳成[4]提出環(huán)境地質(zhì)承載力與水土資源、地質(zhì)災(zāi)害及區(qū)域穩(wěn)定性等因素相關(guān)。Trevisan等[5]選取水土污染和地質(zhì)災(zāi)害等多項指標(biāo)對意大利克雷莫納進(jìn)行了地質(zhì)環(huán)境承載力評價。馬傳明等[6]基于可持續(xù)發(fā)展的理念對地質(zhì)環(huán)境承載力的概念和影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)論述。Streimikiene等[7]對資源環(huán)境承載力的概念基于可持續(xù)發(fā)展的觀點進(jìn)一步探討。近年來，隨著地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的廣泛應(yīng)用，大大推動了地質(zhì)環(huán)境承載力的研究進(jìn)展。中外學(xué)者通過選取不同的指標(biāo)，采用層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析、系統(tǒng)動力學(xué)模型、模糊數(shù)學(xué)及機(jī)器學(xué)習(xí)等方法在多個不同尺度的區(qū)域開展了地質(zhì)環(huán)境承載力的評價研究[2,8-11]。但是，目前在地質(zhì)環(huán)境承載力指標(biāo)選取和權(quán)重確定方面并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是評價指標(biāo)權(quán)重有很明顯的不確定性[12]。

概括來說，在進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境承載力研究時，確定指標(biāo)權(quán)重的方法主要可劃分為主觀權(quán)重確定法和客觀權(quán)重確定法[13]。主觀權(quán)重法主要是基于判斷者對研究對象進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對指標(biāo)的重要性進(jìn)行判斷，例如德爾菲法與層次分析法?？陀^確定權(quán)重的方法主要是基于指標(biāo)本身的特征確定重要性，如熵理論、確定系數(shù)法及機(jī)器學(xué)習(xí)法等。主觀方法獲得的權(quán)重更容易貼近實際情況，但具有明顯的不確定性。相對而言客觀方法可以有效避免主觀因素的影響，但容易出現(xiàn)與實際情況不一致的問題。

為此，選擇山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)帶區(qū)域為研究區(qū)，在系統(tǒng)分析評價區(qū)基本情況及地質(zhì)環(huán)境問題的基礎(chǔ)上進(jìn)行評價指標(biāo)的選取。同時，為綜合考慮主觀和客觀評價方法優(yōu)缺點，引入博弈論思想平衡主客觀權(quán)重，以獲得優(yōu)化權(quán)重實現(xiàn)對地質(zhì)環(huán)境承載力分區(qū)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理位置與地質(zhì)環(huán)境概況

研究區(qū)地處煙臺市北部沿海地區(qū)，北瀕臨黃海，是山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要組成部分，總面積約304.33 km2。研究區(qū)地形總趨勢是南高北低，地貌類型主要屬于構(gòu)造剝蝕丘陵亞區(qū)和堆積山間平原濱海平原亞區(qū)。研究區(qū)范圍內(nèi)規(guī)模較大的河流主要是大沽夾河。

研究區(qū)出露的地層主要有古元古代粉子山群、新元古代花崗巖和新生代第四紀(jì)松散沉積物，具體地層分布情況如圖1所示。古元古代粉子山群主要巖性有片巖、大理巖及石英巖等，主要出露在八角鎮(zhèn)沿海一帶，并在古現(xiàn)鎮(zhèn)-兜余鎮(zhèn)一線也成片出現(xiàn)。新元古代花崗巖主要分布于大季莊鎮(zhèn)-八角鎮(zhèn)一帶，在臧家莊鎮(zhèn)東南部也有零星出露。新生代第四系主要分布在低緩丘陵區(qū)的邊緣和河流的兩側(cè)，巖性主要以礫砂、碎石土、粉土及粉質(zhì)黏土為主，在河流中下游及河床附近巖性以中粗砂為主。

圖1 研究區(qū)基本地質(zhì)條件

根據(jù)含水層巖性及地下水類型，研究區(qū)范圍內(nèi)主要有松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類巖溶裂隙水和基巖裂隙水?？紫端饕植加谏角捌皆秃恿魅牒？诘貛?，巖性以中粗砂為主，富水性較強(qiáng)，水位埋深0.3～5 m，溶解性總固體一般小于1.0 g/L，近海區(qū)域局部大于1.0 g/L。巖溶裂隙水主要分布在八角鎮(zhèn)北部，在斷裂帶附近及河谷兩岸巖溶裂隙發(fā)育帶富水性強(qiáng)。隨地形起伏巖溶地下水位埋深變化較大，一般為3～10 m，溶解性總固體小于0.5 g/L?；鶐r裂隙水主要賦存在風(fēng)化裂隙較發(fā)育的風(fēng)化帶和構(gòu)造帶附近。風(fēng)化裂隙含水帶厚度一般為10～25 m，地下水位埋深隨地形起伏較大，一般為0.5～8 m，富水性弱，溶解性總固體小于0.5 g/L。

1.2 地質(zhì)環(huán)境問題

隨著煙臺市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口增加、城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，誘發(fā)了多種地質(zhì)環(huán)境問題。

1.2.1 地下水污染

由于水資源貧乏，研究區(qū)地下水長期處于超采狀態(tài)。隨著工農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，特別是城市建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，人口數(shù)量的增加，工業(yè)廢水量、生活廢水量、固體廢棄物堆放量及農(nóng)業(yè)污染量加劇增長，導(dǎo)致地下水污染日趨嚴(yán)重。

1.2.2 海水入侵

研究區(qū)最早于20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)海水入侵現(xiàn)象，其后隨著工農(nóng)業(yè)的飛速發(fā)展，造成地下水過量開采，海水入侵影響加劇。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示2014年煙臺市發(fā)生海水入侵的面積為95.78 km2。隨著城市建設(shè)活動的進(jìn)一步加劇，海水入侵問題是研究區(qū)一個不可忽略長期存在的問題。

1.2.3 崩塌

根據(jù)野外調(diào)查結(jié)果，研究區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生的崩塌主要是由于采石、工程建設(shè)及修路等人類活動引起，屬巖質(zhì)崩塌。已發(fā)生崩塌及隱患點主要分布于大季家東北露天采石場(部分已關(guān)閉)、八角鎮(zhèn)開挖邊坡以及城建區(qū)內(nèi)建筑邊坡等區(qū)域?？傮w上崩塌災(zāi)害在研究區(qū)多呈單點狀零星分布。

1.2.4 滑坡

區(qū)內(nèi)滑坡主要與工程活動強(qiáng)度關(guān)系密切，已發(fā)生滑坡規(guī)模較小，多位于城區(qū)人類活動強(qiáng)烈區(qū)?？傮w上，滑坡災(zāi)害在研究區(qū)發(fā)育不強(qiáng)烈，僅在丘陵地區(qū)和巖質(zhì)海岸地區(qū)有發(fā)生滑坡的可能。

1.2.5 采空塌陷及地裂縫

區(qū)內(nèi)具有采空塌陷及伴生地裂縫隱患的地段主要分布于大季家東北部滑石礦廢棄開采區(qū)，目前采空區(qū)較為穩(wěn)定，近年未發(fā)生過采空塌陷及伴生地裂縫災(zāi)害。

2 研究方法

為綜合考慮主客觀確定權(quán)重的優(yōu)缺點，在通過信息熵方法對客觀權(quán)重進(jìn)行判斷的基礎(chǔ)上，同時引入博弈論思想實現(xiàn)對集成權(quán)重的確定。

2.1 熵權(quán)法

信息熵是信息論中的一個概念，實質(zhì)上代表了數(shù)據(jù)中所包含的信息量情況。熵權(quán)法是一種無偏差的客觀確定權(quán)值的方法，目前已經(jīng)成功應(yīng)用多個相關(guān)的領(lǐng)域，如水資源評價、地質(zhì)災(zāi)害評價及洪水預(yù)測評價[14-15]。熵權(quán)值代表了參數(shù)的平均不可預(yù)測性和包含信息量的多少。如果一個事件能被精確地預(yù)測，熵值就會很小，因此可根據(jù)熵權(quán)值的大小進(jìn)行權(quán)重的確定[16]。

采用熵權(quán)法確定客觀權(quán)重的過程如下。

步驟1 構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣。對整個評價區(qū)進(jìn)行剖分，并假定共剖分為n個單元。在選取評價指標(biāo)為m個的條件下，可對整個評價區(qū)構(gòu)造原始數(shù)據(jù)矩陣，記為X。

(1)

式(1)中：xij為第i個評價單元對第j個評價參數(shù)的數(shù)值。

步驟2 對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。為了消除不同特征參數(shù)取值區(qū)間及單位差異的影響，采用式(2)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

(2)

式(2)中：yij為xij對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值；min(xj)與max(xj)分別對應(yīng)原始數(shù)據(jù)中第j個指標(biāo)的最小與最大值。

步驟3 熵值的確定。根據(jù)式(1)、式(2)的計算結(jié)果，利用式(3)、式(4)對參數(shù)的熵值進(jìn)行確定。

(3)

(4)

式中：Ej為第j個指標(biāo)對應(yīng)的熵值；fij為第j個指標(biāo)在第i個評價單元中的特征比重，當(dāng)fij=0時,Ej=0。

步驟4 權(quán)重的確定。

(5)

式(5)中：Wj為第j個指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

2.2 博弈論

博弈論開始主要用來研究經(jīng)濟(jì)市場理論中個體間的相互作用，其基本思想是在不同個體間尋找一致，最終使雙方最大化共同利益[17]。該方法能夠同時考慮主客觀權(quán)重的優(yōu)勢，通過相互比較協(xié)調(diào)的集成過程獲得考慮實際情況的客觀權(quán)重[18]?？赏ㄟ^以下優(yōu)化過程獲得組合權(quán)重。

2.2.1 構(gòu)建組合權(quán)重

為使主觀權(quán)重和客觀權(quán)重的偏差最小，可采用任意線性組合的形式構(gòu)建組合權(quán)重W的計算公式，具體如式(6)、式(7)所示：

(6)

Wi={wi1,wi2,…,wim}T

(7)

式中：Wi為通過第i種方法求得的權(quán)重集；wij為第i種方法中參數(shù)j的權(quán)重；ai為對應(yīng)的權(quán)重組合系數(shù)；n為參加線性組合的權(quán)重集數(shù)量；m為權(quán)重集中具體包含的指標(biāo)的個數(shù)。

2.2.2 優(yōu)化權(quán)值

根據(jù)博弈論集結(jié)模型的思想，對權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，目的是使計算出的組合權(quán)重與參與優(yōu)化的權(quán)重之間的偏差達(dá)到最小?？赏ㄟ^建立如下目標(biāo)函數(shù)，實現(xiàn)對優(yōu)化系數(shù)的確定。

(8)

式(8)中：Wj為通過j種方法求得的權(quán)重集。

2.2.3 歸一化處理

為保證結(jié)果的一致性，將上面求出的權(quán)重組合系數(shù)進(jìn)行歸一化處理。

(9)

2.2.4 確定組合權(quán)重

根據(jù)計算結(jié)果，最終可獲得優(yōu)化后的組合權(quán)重W*，可表示為

(10)

3 地質(zhì)環(huán)境承載力評價

3.1 評價指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)的確定

在對研究區(qū)基礎(chǔ)資料以及一系列野外工作分析的基礎(chǔ)上，同時對比相關(guān)的研究成果，最終選取地形地貌C1、土地利用類型C2、區(qū)域地殼穩(wěn)定性C3、巖土體工程地質(zhì)類型C4、斷層構(gòu)造距離C5、含水層富水性C6、地下水質(zhì)量分區(qū)C7、海水入侵程度C8、地下水污染分區(qū)C9、土壤污染分區(qū)C10及地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)C11，共計11個評價指標(biāo)進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境承載力評價。

通過專家組對選取的11個指標(biāo)進(jìn)行等級的劃分，最終構(gòu)建的評價指標(biāo)體系劃分標(biāo)準(zhǔn)和評價指數(shù)賦值情況如表1所示。同時通過專家打分的方式，對各評價指標(biāo)主觀權(quán)重進(jìn)行確定，對應(yīng)的上述11個指標(biāo)的主觀權(quán)重如表2所示。

表1 評價指標(biāo)體系及分區(qū)

表2 評價指標(biāo)權(quán)重

3.2 權(quán)重的確定

在客觀權(quán)重確定中，為有效提高評價精度，對選取的11個指標(biāo)在GIS的環(huán)境下以30 m×30 m柵格大小進(jìn)行劃分，整個評價區(qū)共剖分為338 148個單元。并對剖分的所有單元分別進(jìn)行數(shù)值的提取以構(gòu)建矩陣X。最終通過式(2)～式(5)實現(xiàn)對客觀權(quán)值的確定，具體計算結(jié)果如表2所示。

在主觀權(quán)重和客觀權(quán)重確定的基礎(chǔ)上，基于博弈論集成思想，通過式(6)～式(10)進(jìn)行組合優(yōu)化權(quán)重的確定，具體優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

3.3 評價結(jié)果

根據(jù)確定的指標(biāo)評價體系及各指標(biāo)對應(yīng)的組合優(yōu)化權(quán)重，通過線性加權(quán)求和法對地質(zhì)環(huán)境承載力綜合指數(shù)S進(jìn)行確定，具體計算公式如式(11)所示。并基于自然斷點法，根據(jù)S值的大小，對研究區(qū)共劃分為5個區(qū)，分別為承載力高區(qū)、較高區(qū)、中區(qū)、較低區(qū)和低區(qū)，對應(yīng)的S值分別為：<2.5、[2.5 2.7)、[2.7 3.1)、[3.1 3.6)和≥3.6。具體的分區(qū)結(jié)果如圖2、表3所示。

表3 承載力評價分區(qū)結(jié)果

圖2 承載力評價分區(qū)圖

(11)

承載力高區(qū)主要位于古現(xiàn)鎮(zhèn)—藏家鎮(zhèn)一帶，以及大季家鎮(zhèn)和八角鎮(zhèn)部分區(qū)域，分布面積為75.01 km2，占整個評價區(qū)的24.65%。該區(qū)主要是堅硬基巖直接裸露區(qū)，水土質(zhì)量較好未受到污染，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，人類工程活動強(qiáng)度較小，而且現(xiàn)階段無明顯地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，總體上該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力強(qiáng)。

承載力較高區(qū)主要分布在大季家鎮(zhèn)-八角鎮(zhèn)-古現(xiàn)鎮(zhèn)一帶，并在藏家鎮(zhèn)與兜余鎮(zhèn)附近有成片分布，分布面積為104.08 km2，占整個評價區(qū)的34.20%。該區(qū)主要是較堅硬基巖裸露區(qū)和松散物薄層覆蓋區(qū)，地下水富水性與質(zhì)量都較好，基本沒有受到海水入侵與地質(zhì)災(zāi)害的影響，人類工程活動強(qiáng)度較小。因此，總體上該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力較強(qiáng)。

承載力中區(qū)主要零星成片分布在整個評價區(qū)范圍內(nèi)，分布面積為48.74 km2，占整個評價區(qū)的16.02%。該區(qū)巖土工程地質(zhì)條件一般，距離斷層較近，地下水富水性較好，受到了海水入侵與地質(zhì)災(zāi)害的影響，地下水質(zhì)量較好—較差，有一定的人類工程活動?？傮w上，由于受多因素的綜合作用，該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力中等。

承載力較低區(qū)主要在古現(xiàn)鎮(zhèn)—經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、大季莊鎮(zhèn)北部和八角鎮(zhèn)靠近沿海的區(qū)域，分布面積為47.68 km2，占整個評價區(qū)的15.67%。該區(qū)域巖土工程地質(zhì)類型主要為松散巖類、地下水質(zhì)量較差—極差，明顯受到了海水入侵和地下水污染的影響，有地質(zhì)災(zāi)害隱患點存在，人類工程活動較強(qiáng)烈。總體上，該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載力較差。

承載力低區(qū)主要分布在大沽夾河一帶，并在八角鎮(zhèn)靠近海岸線的附近有零星分布，分布面積為28.82 km2，占整個評價區(qū)的9.47%。該區(qū)域有大量松軟土體分布，海水入侵問題嚴(yán)重，地下水質(zhì)量極差，土壤明顯受到污染，斷裂活動強(qiáng)烈，人類工程活動較強(qiáng)烈?？傮w上，該區(qū)域地質(zhì)環(huán)境問題明顯，承載力最弱。

4 結(jié)論

在系統(tǒng)分析研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載力影響因素的基礎(chǔ)上，選擇地形地貌、巖土體工程地質(zhì)特征及地下水質(zhì)量等11個評價指標(biāo)構(gòu)建了承載力評價指標(biāo)體系，在對權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化的條件下進(jìn)行了評價分區(qū)。

(1)利用專家打分法獲得考慮評價區(qū)實際情況的各評價指標(biāo)的主觀權(quán)重，利用信息熵理論對客觀權(quán)重進(jìn)行了確定。采用博弈論思想對主客觀權(quán)重進(jìn)行了均衡優(yōu)化處理，最終實現(xiàn)了對各指標(biāo)權(quán)重優(yōu)化的目的。

(2)通過集成優(yōu)化方法將研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境承載能力劃分了5個等級。評價結(jié)果表明：承載力高區(qū)和較高區(qū)受人類工程活動影響不明顯，工程地質(zhì)條件較好，水土環(huán)境基本未受影響；承載力中等區(qū)受多種因素的共同作用，呈零星分布；承載力較低區(qū)和低區(qū)人類活動相對強(qiáng)烈，已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的地質(zhì)環(huán)境問題。

(3)研究區(qū)處于藍(lán)色經(jīng)濟(jì)帶，在未來經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的前提下，應(yīng)該重視地質(zhì)環(huán)境問題尤其是對地質(zhì)環(huán)境承載力較低區(qū)和低區(qū)。評價結(jié)果可以為研究區(qū)城市規(guī)劃建設(shè)以及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)提供重要依據(jù)。