遲文飛,侯曉亮,趙衛(wèi)東,錢家忠

(合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的相關(guān)數(shù)據(jù),截止到2016年末我國(guó)城鎮(zhèn)化率達(dá)到了57.35%,《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020年)》顯示,我國(guó)城市化率到2020年將達(dá)到60%左右[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及各個(gè)城市的發(fā)展與擴(kuò)張,環(huán)境資源及土地資源已經(jīng)不能滿足和適應(yīng)當(dāng)前的發(fā)展規(guī)模。地質(zhì)環(huán)境作為影響城市發(fā)展的重要因素,對(duì)城市建設(shè)起著重要影響作用[2-3]。肥東縣作為全國(guó)百?gòu)?qiáng)縣,合肥市的重要經(jīng)濟(jì)發(fā)展樞紐,近年來工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和綠色化發(fā)展迅速,大規(guī)模發(fā)展和不合理規(guī)劃打破了肥東縣地質(zhì)環(huán)境原有的平衡,造成了很多地質(zhì)環(huán)境問題[4],這些地質(zhì)環(huán)境問題包括房屋開裂、崩塌流、滑坡等。因此,對(duì)土地資源的合理規(guī)劃,充分合理有效地開發(fā)和利用有限的土地資源以及城市土地利用的可持續(xù)發(fā)展都具有重要而深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[5]。鑒于此,本文選擇合肥市肥東縣為研究區(qū),根據(jù)《肥東縣空間規(guī)劃(2017-2030)》中規(guī)劃需求,對(duì)研究區(qū)建設(shè)用地地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了科學(xué)評(píng)價(jià)。以往的研究主要是通過層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)結(jié)合地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)進(jìn)行評(píng)價(jià),此次研究以ArcGIS為平臺(tái)利用AHP法與G1法的線性組合確定權(quán)重并結(jié)合K-means聚類方法進(jìn)行評(píng)價(jià),使結(jié)果更加具有合理性和客觀性。

1 研究區(qū)概況

肥東縣,隸屬于安徽省合肥市,東望南京,南濱巢湖,西融合肥,北襟蚌埠,有“吳楚要沖、包公故里”之譽(yù)。介于東經(jīng)117°19′～117°52′與北緯31°34′～32°16′之間,總面積2 263 km2。研究區(qū)主要地貌類型為波狀平原和低山丘陵;主要地層為上太古界片麻巖、下元古界片巖和大理巖、上侏羅系火山碎屑巖、白堊系砂礫巖及粉砂巖、下第三系泥巖和第四系松散巖類;區(qū)內(nèi)有多條斷裂構(gòu)造并廣泛分布膨脹土;區(qū)內(nèi)水流分兩大水系,江淮分水嶺以南有南淝河、店埠河、滁河和巢湖,水流入長(zhǎng)江,屬長(zhǎng)江水系。分水嶺以北有池河,水流入淮河,為淮河水系。

2 研究?jī)?nèi)容和方法

2.1 研究?jī)?nèi)容

建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)是按一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和方法,就工作區(qū)地質(zhì)環(huán)境對(duì)建設(shè)的規(guī)劃和實(shí)施的適宜程度進(jìn)行評(píng)定。研究的主要內(nèi)容如下:

(1) 在工作區(qū)野外調(diào)查及收集資料的基礎(chǔ)上,對(duì)地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害等地質(zhì)條件進(jìn)行分析研究。

(2) 根據(jù)工作區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特征以及資料的可收集程度選取適宜性評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)因子,再運(yùn)用相應(yīng)的方法確定各個(gè)因子的權(quán)重。

(3) 運(yùn)用ArcGIS平臺(tái)中的多因素綜合評(píng)價(jià)模型并結(jié)合聚類分析對(duì)工作區(qū)建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià),生成圖件。

(4) 對(duì)生成的結(jié)果進(jìn)行分析和建議。

具體流程如圖1所示。

圖1 建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)技術(shù)路線

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)的收集及預(yù)處理

本次研究采用的數(shù)據(jù)包括1∶10萬的肥東縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖、1∶50萬的安徽省工程地質(zhì)圖、GDEMV2 30 m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)、鉆孔資料和Landsat8遙感影像。利用ArcGIS軟件采集區(qū)內(nèi)的地貌類型、坡度、巖土體類型、斷裂構(gòu)造、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、地下水埋深的數(shù)據(jù)資料。

2.2.2 評(píng)價(jià)因子的選取和評(píng)價(jià)體系的建立

評(píng)價(jià)因子的選取直接關(guān)系到適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取應(yīng)當(dāng)遵循綜合性和主導(dǎo)性相結(jié)合、因地制宜等原則。結(jié)合工作區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)及資料的可收集程度從地形地貌、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度4個(gè)方面共選取了7個(gè)評(píng)價(jià)因子。在ArcGIS的平臺(tái)下,將工作區(qū)劃分為300 m×300 m的網(wǎng)格作為評(píng)價(jià)單元,再利用空間分析中的重分類,計(jì)算并生成各個(gè)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果,如圖2所示。評(píng)價(jià)因子分值及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[2-8]見表1所列。

圖2 單因子評(píng)價(jià)分析

表1 評(píng)價(jià)因子分值及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)工作區(qū)的地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)以及每個(gè)指標(biāo)對(duì)城市建設(shè)的影響程度,并通過向?qū)＜艺{(diào)研的調(diào)查問卷,類比了其他地區(qū)評(píng)價(jià)因子賦值辦法及環(huán)境地質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)要求,結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和專家意見,確定量化指標(biāo),將各個(gè)評(píng)價(jià)因子的適宜性等級(jí)劃分為4級(jí),分別為適宜、較適宜、較不適宜和不適宜。采用等差賦值，將每個(gè)等級(jí)分別賦值為7、5、3、1,分值越大適宜性程度越高,反之適宜性程度越低。

2.2.3 權(quán)重的確定

2.2.3.1 AHP法

AHP法[6-8]具體步驟如下:

(1) 構(gòu)造判斷矩陣。分析評(píng)價(jià)對(duì)象各因素之間關(guān)系,建立遞階層次結(jié)構(gòu)。通常情況下分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層3層。準(zhǔn)則層根據(jù)需要可制定多個(gè)層次。根據(jù)同一層兩兩因子進(jìn)行重要程度比較可構(gòu)建m×m階的判斷矩陣;同時(shí)邀請(qǐng)多位專家構(gòu)成專家組,對(duì)各因素之間的重要程度進(jìn)行評(píng)估;最后將每個(gè)專家獨(dú)立構(gòu)建的判斷矩陣進(jìn)行綜合得到最終的綜合判斷矩陣。

構(gòu)造判斷矩陣一般采用1～9級(jí)標(biāo)度法,具體結(jié)果見表2所列。

表2 因子判斷矩陣

(2) 根據(jù)構(gòu)造的判斷矩陣計(jì)算權(quán)重即最大特征向量。本文通過Excel公式計(jì)算得到各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重。

(3) 一致性檢驗(yàn)。CR=CI/RI,CI=(λmax-n)/(n-1)。CI為一致性指標(biāo),RI 為平均隨機(jī)一致性指標(biāo),CR 為隨即一致性比例。當(dāng) CR <0.1 時(shí),判斷矩陣具有滿意的一致性,否則需調(diào)整矩陣,直至滿足為止。

2.2.3.2 G1法

G1法[9-10]具體步驟如下:

(1) 確定序關(guān)系。從n個(gè)指標(biāo)體系中選擇最重要或最不重要的記作Xi,再?gòu)挠嘞碌膎-1個(gè)指標(biāo)中選擇最重要或最不重要的記作Xi-1,以此類推最后一個(gè)指標(biāo)記作Xk。

(2)專家對(duì)相鄰指標(biāo)Xk-1和Xk之間的重要程度之比可以使用rk=wk-1/wk(k=n,n-1,…,3,2)來表示,這樣就可以根據(jù)前面的序關(guān)系,計(jì)算出各指標(biāo)之間的相對(duì)重要程度。rk取值采用1.0～1.8級(jí)標(biāo)度法。

AHP法通過一致性檢驗(yàn)結(jié)果判斷是否采用各個(gè)專家的結(jié)果,淡化了人為的因素;G1法省略了一致性檢驗(yàn)的工作,完全限制于專家的意見,會(huì)因?qū)＜乙庖姷牟缓侠韺?dǎo)致結(jié)果的不合理性。

因此,本次通過計(jì)算2種方法結(jié)果的算術(shù)平均值,盡可能地避免不同方法所帶來的誤差,通過對(duì)主觀因素的均化降低了主觀性,使得結(jié)果更具合理性。

計(jì)算公式如下:

Xi=0.5×G1i+0.5×AHPi

(1)

其中:Xi為綜合權(quán)重;G1i為G1法算得的權(quán)重;AHPi為層次分析法算得的權(quán)重。綜合權(quán)重結(jié)果見表3所列。

表3 各評(píng)價(jià)因子權(quán)重

2.2.4 構(gòu)建評(píng)價(jià)模型

(1)K-means聚類。首先指定聚類為4類，然后確定K個(gè)類的初始類中心點(diǎn)[11-12]。統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(statistical product and service solitions,SPSS)軟件根據(jù)樣本數(shù)據(jù)的實(shí)際情況,選擇K個(gè)有代表性的樣本數(shù)據(jù)作為初始類中心。計(jì)算所有樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)到K個(gè)類中心點(diǎn)的歐氏距離,SPSS按照K個(gè)類中心點(diǎn)距離最短原則,把所有樣本分派到各中心點(diǎn)所在的類中,形成一個(gè)新的K類,完成依次迭代過程。其中歐氏距離的計(jì)算公式為:

(2)

(2) 綜合評(píng)價(jià)模。利用ArcGIS的多因素綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)肥東縣建設(shè)用地適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模型如下:

(3)

其中：W為綜合評(píng)價(jià)分值；xi為評(píng)價(jià)因子權(quán)重；pi為量化的分值。

采用多因素綜合評(píng)價(jià)模型,利用(3)式在ArcGIS的柵格計(jì)算器中輸入各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重和對(duì)應(yīng)的量化分值,計(jì)算得到肥東建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)分值在3.64～6.82,然后通過K-means聚類將計(jì)算結(jié)果分為適宜、較適宜、較不適宜和不適宜4類。結(jié)果如圖3所示。

圖3 建設(shè)用地適宜性分區(qū)圖

(3) 合理性驗(yàn)證。為了驗(yàn)證AHP與G1法線性組合方法的合理性,與AHP法的結(jié)果進(jìn)行了比較,如圖4所示。從圖4中可以看出，2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果在建設(shè)用地適宜性水平的分布和尺度上是相似的,并且圖4中還顯示肥東縣大部分區(qū)域適合建設(shè)用地的開發(fā),符合肥東縣的發(fā)展規(guī)劃。因此,用AHP法和G1法的線性組合來進(jìn)行建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)是有效合理的。

圖4 不同方法的適宜性分區(qū)面積柱狀圖

3 結(jié)果與分析

將適宜和較適宜區(qū)域統(tǒng)一劃分為適宜建設(shè)區(qū),共占研究區(qū)面積的83.55%。通過繪制柱狀圖可以更直觀地對(duì)比各鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜建設(shè)區(qū)的面積,如圖5所示。

圖5 不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜建設(shè)面積

圖5中，1～18分別為店埠鎮(zhèn)、元疃鎮(zhèn)、眾興鄉(xiāng)、陳集鎮(zhèn)、響導(dǎo)鄉(xiāng)、馬湖鄉(xiāng)、古城鎮(zhèn)、張集鄉(xiāng)、包公鎮(zhèn)、石塘鎮(zhèn)、橋頭集鎮(zhèn)、長(zhǎng)臨河鎮(zhèn)、撮鎮(zhèn)鎮(zhèn)、八斗鎮(zhèn)、梁園鎮(zhèn)、楊店鄉(xiāng)、牌坊鄉(xiāng)、白龍鎮(zhèn)。

3.1 定量分析

利用ArcGIS的區(qū)域分析功能,得到肥東縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜性建設(shè)評(píng)價(jià)結(jié)果,見表4所列。

表4 肥東縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性等級(jí)分布

由表4可知,肥東縣面積2 263.61 km2,適宜的建設(shè)面積320.25 km2,占全縣面積的14.5%;較適宜區(qū)的建設(shè)面積1 571.07 km2,占全縣面積的69.41%;較不適宜的建設(shè)面積266.62 km2,占全縣面積的11.75%;不適宜的建設(shè)面積106.07 km2,占全縣面積的4.69%。適宜的區(qū)域主要分布在撮鎮(zhèn)和長(zhǎng)臨河鎮(zhèn),分別占適宜區(qū)域面積的24.92%和21.12%;較適宜區(qū)域主要分布在店埠鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)、八斗鎮(zhèn)、梁遠(yuǎn)鎮(zhèn)和白龍鎮(zhèn),分別占較適宜區(qū)域面積的9.08%、8.93%、11.69%、7.83%和11.55%;較不適宜區(qū)域主要分布在包公鎮(zhèn)和橋頭集鎮(zhèn),分別占較不適宜區(qū)域面積的20.00%和19.01%;不適宜區(qū)域主要分布在店埠鎮(zhèn)、包公鎮(zhèn)、石塘鎮(zhèn)、橋頭集鎮(zhèn)和長(zhǎng)臨河鎮(zhèn),分別占不適宜區(qū)域面積的13.21%、25.58%、18.65%、22.96%和18.51%。

3.2 區(qū)域分析及建議

適宜性區(qū)域主要分布在撮鎮(zhèn)和長(zhǎng)臨河鎮(zhèn),該區(qū)域處在平原地帶,地勢(shì)平坦,坡度在0°～5°之間,無斷裂構(gòu)造現(xiàn)象,巖土體類型主要為堅(jiān)硬較堅(jiān)硬碳酸鹽巖,地基承載力大于200 kPa,地下水埋深大于4 m,無明顯的崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生;較適宜區(qū)主要分布在肥東縣中部及北部大部分區(qū)域,該區(qū)域地勢(shì)比較平坦,地下水埋深在2～4 m之間,巖土體類型以膨脹土為主,地基承載力小于200 kPa,在此區(qū)域進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行加固措施,無明顯的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生;較不適宜區(qū)主要分布在包公鎮(zhèn)和橋頭集鎮(zhèn)一帶,該區(qū)域處在低山丘陵地段,地勢(shì)起伏較大,地下水埋深小于2 m,處在斷裂構(gòu)造附近;不適宜區(qū)主要分布在店埠鎮(zhèn)、包公鎮(zhèn)、石塘鎮(zhèn)、橋頭集鎮(zhèn)和長(zhǎng)臨河鎮(zhèn)一帶,該區(qū)域處在斷裂構(gòu)造上,主要地貌類型為低山,地勢(shì)起伏較大,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā),常有崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生,地下水埋深小于4 m,在此區(qū)域進(jìn)行工程建設(shè)時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的防護(hù)措施。

4 結(jié) 論

本研究從地形地貌、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件和地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià),利用G1法、AHP并結(jié)合ArcGIS平臺(tái)和K-means聚類初步評(píng)價(jià)肥東縣建設(shè)用地適宜性。得出以下結(jié)論:

(1) 通過與AHP的結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),2種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果在建設(shè)用地適宜性水平的分布和尺度上是相似的,因此表明利用G1法和AHP的線性組合進(jìn)行建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)是可行的。

(2) 結(jié)果表明肥東縣建設(shè)用地適宜和較適宜區(qū)域共1 891.32 km2,占工作區(qū)面積的83.55%,位于主城區(qū)附近;較不適宜區(qū)域共266.22 km2,占工作區(qū)面積的11.76%;不適宜區(qū)域共106.07 km2,占工作區(qū)面積的4.69%,涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)有店埠鎮(zhèn)、包公鎮(zhèn)和長(zhǎng)臨河鎮(zhèn)等。

研究成果不僅可以為肥東縣的城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展提供宏觀上的把握,還可以為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展政策提供可行性的建議。

本文在確定相關(guān)評(píng)價(jià)因子的適宜性等級(jí)的劃分、分類標(biāo)準(zhǔn)、等級(jí)分別賦值等時(shí)都是依據(jù)前人的研究成果和經(jīng)驗(yàn),具有一定的局限性,應(yīng)當(dāng)與工作區(qū)的“生態(tài)紅線”相結(jié)合,使結(jié)果更加具有合理性。