基于变异系数法的临潼区地质环境承载力综合评价

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(西安科技大学地质与环境学院，陕西 西安 710054)

地质环境承载力(Geological Environment Carrying Capacity，简称GECC)由环境承载力衍生而来，且是其重要组成部分[1]。地质环境承载力从本质上反映了人类活动与地质环境的辩证关系，建立了人类活动与地质环境之间的联系纽带，为研究人类活动与地质环境之间的协调发展奠定了理论基础[2]。上世纪90年代以来，国内外学者相继开展了地质环境承载力评价理论研究。1992年，William等 通过比较供给层面上的生态足迹大小与需求层面的生态承载力大小，提出采用生态足迹法对地质环境承载力进行评价[3]。2003年，Wackemagel 等对生态足迹法做了进一步完善[4～5]。2004年，Garry，Ferng等基于生态足迹法对New Zealand等地区地质环境承载力开展评价[6]。1996年，毛同夏等提出区域地质环境定量评价与预测的方法，并认为评价时应将地质灾害、环境污染、土地资源、社会经济等作为影响因子，采用层次分析法求其权重[7]。2000年，闫满存等基于模糊数学对广东省沿海地区地质环境承载力做了定量化评价[8]。2008年，余志山等以城市地质环境承载力评价为例完善了地质环境承载力的概念、特点与内涵[9]。2014年，任光远等利用3S技术对宁夏沿黄经济区地质环境承载力进行研究[10]。

综上所述，目前国内外有关地质环境承载力的研究已经取得了丰硕的成果。但是这研究成果主要集中在评价理论研究和大区域的地质环境承载力评价上。而对小区域(如区县)涉及较少，较大区域的地质环境承载力评价无法实现准确的承载力等级划分，实用性较差。而小区域的地质环境承载力评价可以准确的划分承载力等级。本文基于变异系数法，以西安市临潼区为研究区，在深入理解研究区地质环境特征的基础上，

对研究区地质环境承载力展开评价。研究结果可为区域可持续发展提供理论支撑，对防灾减灾、保护环境、充分利用土地资源等具有重要意义。

1 研究区概况

临潼区位于西安市东北部，西距西安30 km，面积约915 km2。临潼区为全国著名的风景名胜区，其中秦始皇陵被联合国教科文组织列为世界文化遗产、兵马俑被誉为“世界八大奇迹”、华清宫闻名遐迩。截止2015年末，临潼区总人口约71万，共下辖23个街道办，研究区地理位置如图1所示。在地貌上由南向北分别为：基岩山区、黄土丘陵、黄土台塬、洪积平原和渭河冲积平原，整体呈南高北低。岩土体以太古界太华群变质岩、第四纪黄土、洪积物和渭河冲积物为主[11]。地下水类型主要为孔隙水，且由渭河向南北两侧含水量逐渐减少[12]。区内构造发育，共有十余条中小断层，其中临潼——长安断层活动较为强烈。研究区最大年降雨量954.9 mm (2003年)，最小年降雨量302.3 mm(1995年)，年均降雨量587.7 mm，降雨具有季节性，多集中于7、8、9月。

由于临潼区具有丰富的人文历史资源，随着社会经济的发展，因开发不慎导致破坏生态环境的现象时有发生。同时由于不合理的矿山开采活动，改变斜坡外貌，降低了斜坡的稳定性，使得研究区内出现了诸多地质环境问题，如大水沟泥石流、骊山滑坡群等，严重威胁周边单位、群众的生命财产安全。

2 评价指标体系与评价方法

2.1 评价指标体系

参照现有行政区域划分，以每个街办为评价单元。由于国内尚无可依据的规范或标准来选取评价指标，本文以前人的研究成果和研究区调查资料为参考，从承载体与承载对象的关系出发，考虑各指标的独立性与相关性，最终确定了13个地质环境承载力评价指标，如图1所示。

图1 地质环境承载力评价指标体系

评价指标具体包括：海拔、地质灾害、岩土体类型、距断层距离、人口密度、年人均收入、产业类型、区域规划、矿产开发、坡度、年降雨量、植被覆盖率及可利用土地资源。其中距断层距离、区域规划、植被覆盖率、可利用土地资源为正向指标；海拔、地质灾害、人口密度、年人均收入、坡度、矿产开发、年降雨量为负向指标；岩土体类型中砂砾石层物理力学性质最好，黄土次之，粉土、沙土较差；工业对地质环境影响(破坏)较大、服务业次之，农业最小，对其依次赋值为3、3.5、4，可在有效区分的同时减少人为误差，“矿产开发”的赋值方式与之相同。

为了能全面的反应出原始数据所蕴含的信息，并方便计算，本文以越大越优型为准分别赋予其属性值。海拔、坡度均在MapGIS中由DEM导出，而DEM由Global Mapper根据研究区地形图生成；距断层距离、岩土体类型、地质灾害通过临潼区构造地质图、地质灾害分布图等图件获得，其中“距断层距离”为距“临潼—长安断层”的距离；区域规划根据吴志强等第四版《城市规划原理》中城市规划的影响因素[13]：生态与环境、经济与产业、人口与社会、历史与文化及信息与技术，每个因素满分两分，通过专家打分法、问卷调查法等方式获得；矿产开发、人口密度、年人均收入、植被覆盖率、可利用土地资源根据临潼区2016年《统计年鉴》获得；年降雨量：从临潼区气象局获得。综上所述，评价指标分类如表1所示。

表1 地质环境承载力评级指标分类表

2.2 指标的无量纲化处理

由于各评价指标的量纲不同，若直接计算将对结果产生一定影响。因此，需对各评价指标进行无量纲化处理，计算过程如下式所示：

(1)正项指标：

(1)

(2)负向指标：

(2)

式中：Yij为第i类，第j个评价指标标准化后值；Xij为第i类，第j个评价指标的实际值；Ximax为第i类评价指标的最大值；Ximin为第i类评价指标的最小值。

2.3 评价指标权重的确定

本文采用变异系数法来计算各评价指标的权重，变异系数法是一种客观的计算方法，可避免由于主观因素带来的影响。该方法可直接利用各指标所蕴含的信息，通过计算得到其权重。计算过程如下式所示：

(1)计算指标平均值与标准差：

(3)

(4)

(2)计算变异系数：

(5)

(3)计算各指标权重

(6)

式中：i为评价指标类别；j为每类评价指标下的具体指标。

2.4 评价方法的选取

目前国外关于地质环境承载力评价的方法主要有生态足迹法、状态空间法和综合评价法，各评价方法优缺点如表2所示。本文基于综合评价法建立综合评价模型，综合评价法是运用多个指标对多个参评对象进行评价的方法，亦称多变量综合评价法。如，评价不同地区社会发展水平、不同国家经济实力等。

综合评价模型具有针对性强、分析内容全面、数据易于收集、便于计算、评价结果通俗易懂等优点，是一种行之有效的评价模型。可对具有复杂性、模糊性、可变性等特点的地质环境承载力做出准确评价[14]。本文建立的综合评价模型可以用下述公式进行表达：

(7)

式中：P为评价对象的地质环境承载力值；Yi为评价对象第i个评价指标无量纲化后值；Wi为评价对象第i个评价指标的权重。

3 地质环境承载力评价

3.1 地质环境承载力值

对收集来的数据按照上述过程进行计算，最终获得各街办地质环境承载力值。计算结果如表3所示。

表2 评价方法对比表

表3 研究区各街办地质环境承载力值

3.2 地质环境承载力分级标准及分区图

逐一采用标准偏差法、相等间隔法、自然断点法、定义区间法等方法对地质环境承载力值进行分级，对比承载力分级与13个评价指标的吻合性，并以研究区实际情况为参照。最后采用相等间隔法将其分为优、良、中和差四个等级，分级标准如表4所示。

表4 地质环境承载力分级标准

根据表4中分级标准利用MapGIS绘制临潼区地质环境承载力分区图。

3.3 评价结果检验

由于地质环境承载力评价的特殊性，目前缺乏有效的定量化方法来检验评价结果，本文从定性方面来检验，即：地质灾害易发区承载力要低于非易发区，平原地区承载力要好于山区等。因此，本文采用研究区地质灾害易发性分区图和地貌图从定性角度来检验评价结果。研究区地质灾害易发性分区图和地貌图如图4、图5所示。

如图4所示，研究区南部基岩山区和黄土丘陵为地质灾害中、高易发区，中部洪积平原、黄土台塬为地质灾害低易发区，北部冲积平原为地质灾害不易发区。结合图3易知，冲洪积平原地质环境承载力整体较好，承载力等级为优或良；中部黄土台塬承载力等级为中；南部基岩山区和黄土丘陵地质环境承载力较差，承载力等级为差。经检验，评价结果与真实情况相吻合，准确性较高。

3.4 评价结果讨论

通过对研究区地质环境承载力分区图进行分析发现：

承载力等级为优或良：主要分布在研究区中西部，地势平坦，断层分布少，地质灾害较少，工程地质条件好。工商业发达，交通便利，基础设施完善。

承载力等级为中：主要集中在研究区中部，该区域内工程地质条件较差，以农业为主，经济较为发达。

承载力等级为差：主要集中在研究区南部基岩山区和黄土丘陵地区，地形起伏，沟谷切割剧烈，人口稀少，以观光农业为主。

4 结语

(1)本文基于变异系数法，建立了包含13个评价指标的综合评价模型，可以准确地评价研究区地质环境承载力，评价模型具有针对性强、分析内容全面、数据易于收集，便于计算，评价结果通俗易懂等优点。

(2)通过综合评价模型对研究区地质环境承载力展开评价，采用相等间隔法将承载力等级划分为优、良、中和差4类，获得地质环境承载力分区图。

(3)通过对研究区地质环境承载力进行评价，实现了承载力等级的准确划分。研究结果可为研究区发展规划提供参考依据。

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