基于混合單元的三峽庫區港口建設場地適宜性評價

劉月， 譚建民， 李遠耀， 李明， 謝家龍， 劉壯

(1.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，武漢 430074；2.中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢 430205)

0 引言

岸線資源指占用一定范圍水域和陸域空間的國土資源[1]，可分為海岸線資源和內河岸線資源等，港口碼頭建設是其重要的利用方式之一。國外對港口岸線資源的研究側重于岸線資源的可持續開發利用[2-3]，而國內對港口岸線資源的研究多側重于港口建設場地的適宜性評價，如： 郭興杰等[4]選取了岸前水深、潮差、岸線穩定性、坡度、工程地質、生態環境、海域通航、陸域縱深和交通便捷度共9個主要影響因子，對上海市四大灘涂的建港適宜性分別進行了分析； 林金蘭等[5]以廣西沿海灘涂為研究對象，從生態適宜性、區位適宜性和經濟發展適宜性3個方面構建了評價指標體系，分析其港口-工業開發的適宜性程度和空間分布特征； 陳鵬等[6]在綜合考慮大亞灣海域及其島群的自然生態屬性、資源條件和社會生態屬性的基礎上，從約束型與引導型2個要素類別篩選指標構建評價指標體系，定量分析了研究區海島港口開發適宜性程度及其空間分布特征。岸線資源利用類型具有綜合性，在建設場地適宜性評價時，需針對適宜建設用途的相應空間面積進行整體性評價。同時，岸線作為水陸的銜接地帶或過渡帶，整體生態環境具有很強的敏感性，對岸線資源開發利用評價時，應合理考慮生態環境因素的影響，建立更適用于岸線資源適宜性評價的模型。內河岸線資源作為國家重要的國土資源，國內已有不少學者對此展開了研究[7-14]，對其合理開發利用具有重要意義。 本文在GIS技術的支撐下，選取了長江上游宜昌至萬州段干流岸線，基于混合評價單元，采用改進的綜合指數評價模型，開展了港口建設場地適宜性評價。在原岸線港口均被淹沒且區域經濟社會發展急需開發岸線港口資源的條件下，探索開展岸線港口建設場地適宜性評價，具有重要的理論和實際意義。

1 三峽庫區干流航道地質環境

長江三峽庫區岸坡地質環境復雜，生態環境脆弱。三峽大壩的興建與百萬移民工程，在很大程度上改變了原有的地質和生態環境狀態，同時在庫區水位動態調蓄作用下，庫區岸線地質災害多發。

研究區為長江干流岸線宜昌至萬州段，全長約360 km，包括夷陵區、秭歸縣、巴東縣、巫山縣、奉節縣、云陽縣和萬州區等地(圖1)。研究區地勢整體中段高，東西兩側低，南北兩側高，中部長江一線最低，最高點為巫山山脈，海拔高程1 900 m左右，最低點為長江河谷。區內奉節白帝城以西屬四川盆地東緣，以砂巖、泥巖組成的川東侵蝕低山丘陵平行嶺谷區為主； 奉節以東為著名的長江三峽河段，屬于川鄂褶皺山地，以碳酸鹽巖組成的中、高山峽谷地貌為主。區內地層除缺失志留系上統、泥盆系下統、石炭系上統和第三系外，前震旦系至第四系均有出露，總體上以黃陵結晶巖為界，向東、西兩側，地層逐漸變新。工程地質巖組大致可分為砂巖頁巖及煤系地層類、泥巖夾砂巖頁巖類、灰巖白云巖夾頁巖類和花崗巖類。近期，研究區內地震活動較頻繁的斷裂主要有郁江斷裂、齊岳山斷裂、黔江斷裂、建始斷裂、新華斷裂等，區內抗震設防烈度均為VI度。

2 研究思路

首先，以收集的自然地理資料、基礎地質資料、遙感影像及野外調查數據為基礎，在GIS平臺中建立基礎環境數據庫。并結合實際場地情況，選取了地形地貌、區域穩定性、工程地質條件、交通區位條件和生態敏感性5大類因素共14個評價因子，利用層次分析法確定各評價因子權重。進而，基于混合評價單元，采用改進的綜合指數評價模型，利用GIS中的柵格計算器功能計算出研究區港口建設場地適宜性評價綜合指數，按自然斷點法將研究區分為適宜區、較適宜區、較不適宜區和不適宜區4類，最后進行綜合評價分析。研究流程如圖2所示。

圖2 港口建設用地適宜性評價流程Fig.2 Workflow of suitability evaluationof port construction site

3 港口建設場地適宜性評價

3.1 評價指標體系構建分級

岸線地質環境復雜，生態環境脆弱，對岸線資源開發利用的同時，要注重生態環境的保護，不能以破壞生態環境、降低生態效益為代價，應做到科學規劃與合理利用。本文結合三峽庫區岸線實際場地情況和資料收集情況，將港口建設場地適宜性評價因子分為基本因子和限制因子?；疽蜃影肚八?、江面寬度、岸線陸域開發條件、抗震設防烈度、距斷裂帶距離、岸線穩定性、工程地質巖組、距集疏運通道距離、距已建港區距離和距鄉鎮鎮區距離； 限制因子包含地形坡度、高程、植被覆蓋度和地質災害。評價指標的分級定量標準參照《城鄉建設用地適宜性評價技術規程》[15]，并結合研究區實際情況綜合取值。各因子分級狀態如表1和表2所示。

表1 基本因子分級表Tab.1 Classification of the basic factors

表2 限制因子分級表Tab.2 Classification of the restriction factors

3.2 評價因子權重

本文利用層次分析法求取基本因子權重，主要可分為4個步驟：

(1)建立層次結構模型。將評價目標、決策準則(一級指標)和決策對象(二級指標)按其相互關系分為最高層、中間層和最低層。評價目標為港口建設場地適宜性分區，一級指標為地形地貌、區域穩定性、工程地質條件和交通區位條件4個方面，二級指標為岸前水深、江面寬度、岸線陸域開發條件、抗震設防烈度、距斷裂帶距離、岸線穩定性、工程地質巖組、距集疏運通道距離、距已建港區距離和距鄉鎮鎮區距離10個因子。

(2)構造判斷矩陣。各層次內因子兩兩比較構造判斷矩陣。如研究區隸屬三峽庫區，由于水庫蓄水使得水位大幅抬升，沿江平均水深超過60 m，岸前水深和江面寬度兩項指標基本滿足建設大型港口碼頭的要求，因此對港口建設影響程度較??； 研究區中的峽谷段兩岸地形陡峻，碼頭建設難度大，而岸坡相對平緩的寬緩河谷段，碼頭陸域場地建設的開挖方量將相對減少，因此岸線陸域開發條件和岸線穩定性影響程度相對較大。由此確定各層次因子間兩兩對比的相對重要性程度。

(3)層次單排序及一致性檢驗。對每個對比矩陣計算最大特征值及其對應的特征向量，利用一致性比率CR做一致性檢驗，當CR<0.1時，通過一致性檢驗。

(4)層次總排序及一致性檢驗。計算最下層對最上層總排序的權向量，利用一致性比率CR進行檢驗。

由此得出基本因子權重如表3所示。

表3 基本因子權重表Tab.3 Weight of the basic factors

3.3 評價單元

評價單元的劃分合理與否對最終的適宜性評價結果有著直接的影響。傳統上對大范圍、小比例尺下的區域，多采用大小相同、形狀規則的柵格單元作為評價單元，便于對因子進行快速分析和計算。對長江干流宜昌至萬州段進行港口建設場地適宜性評價時，三峽庫區運行期庫區水位最低高程為145 m，且庫區長江航道碼頭建設用地相對有限，一般不會超過第一道生態屏障區，因此，最終確定研究區范圍為145 m高程起向岸坡方向延伸1 km止。研究區范圍廣且狹長，選用柵格單元進行評價，計算更為方便準確。柵格單元大小根據李軍等[16]提出的Gs計算公式，得出柵格單元尺寸為50 m×50 m。

但因評價對象為港口建設場地，最終適宜性結果以柵格單元形式呈現時，適宜性分區十分分散、破碎，使得場地利用較為困難。因此，需針對適宜建設用途的相應空間面積對柵格結果進行整合，使適宜性分區更為完整，方便今后港址的選擇。為此，進一步劃分了岸坡單元，沿江方向細分寬約1 km的單元格作為岸坡單元，各岸坡單元的適宜性分值由該單元內所有柵格單元對應適宜性分值的面積加權平均求得。最終，研究區共劃分為717個評價單元，其中長江北岸361個，長江南岸356個，最終適宜性結果以岸坡單元的形式呈現。

3.4 評價模型的構建

綜合指數模型是適宜性評價領域中常用的評價模型[17-18]。該模型先對所有評價因子逐個分析并賦分值，確定各評價因子的權重，進而將評價因子的分值分別乘以各自的權重值并進行加權疊加，得到每個評價單元的適宜性評價綜合指數。但每個評價因子對評價結果具有不同程度的貢獻值，包括正向作用和負向作用，導致傳統的綜合指數模型運用到岸線資源的適宜性評價時，會極大地忽視生態環境的限制作用，使評價結果出現偏差。

因此，本文對綜合指數模型進行了改進，使模型更適用于生態環境脆弱的岸線地帶。將評價因子分為基本因子和限制因子兩類，基本因子加權疊加，限制因子按取大原則疊加，二者相減得到最終的適宜性評價綜合指數。評價模型公式如下：

(1)

(2)

式中：Qi為第i個評價單元的適宜性評價綜合指數；Xip為第i個評價單元第p個基本因子的分值；Yip為第i個評價單元第p個基本因子的權重；Wic為第i個評價單元第c個限制因子的分值；m、n分別為基本因子的個數和限制因子的個數。

4 評價結果分析

4.1 評價結果

綜合考慮自然和社會經濟條件及生態敏感性，建立了合理的建港適宜性評價指標體系?；跂鸥駟卧捎酶倪M的綜合指數評價模型，對三峽庫區宜昌至萬州段港口建設場地適宜性進行了評價，評價結果分為適宜區、較適宜區、較不適宜區和不適宜區4級。由于以柵格單元形式呈現的適宜性分區結果分散、破碎，如圖3(a)奉節縣部分岸段所示，因此進一步將柵格單元的適宜性分值按其面積加權平均并反映在各岸坡單元上(圖3(b))，最終適宜性分區結果以岸坡單元形式呈現(圖4)。

(a) 柵格單元 (b) 岸坡單元

圖3 不同評價單元結果呈現

Fig.3Resultsofdifferentevaluationunits

圖4 港口建設場地適宜性分區結果Fig.4 Result of suitability evaluation of port construction site

適宜區共99個評價單元，占研究區總面積的13.81%； 較適宜區共185個評價單元，占研究區總面積的25.80%； 較不適宜區共225個評價單元，占研究區總面積的31.38%； 不適宜區共208個評價單元，占研究區總面積的29.01%。根據實地調查并結合遙感影像分析，研究區已建港口碼頭大多分布在適宜區和較適宜區，評價結果具有較高的可靠性。區內部分典型區段適宜性評價結果如圖5所示。

(a) 秭歸—夷陵段圖5-1 三峽庫區重要區段適宜性評價結果Fig.5-1 Results of suitability evaluation in the important sections of Three Gorges Rreservoir

(b) 巫山—巴東段

(c) 萬州—云陽段圖5-2 三峽庫區重要區段適宜性評價結果Fig.5-2 Results of suitability evaluation in the important sections of Three Gorges Rreservoir

4.2 結果分析

根據港口建設場地適宜性分區結果圖(圖4)，對各區縣建港位置適宜區域提出了建議。

(1)夷陵區。建港適宜區及較適宜區主要分布在西陵峽口風景區、樂天溪鎮、三斗坪鎮、太平溪鎮和茅坪鎮上游。西陵峽口風景區和樂天溪鎮上游一帶城鎮密集，集疏運條件好，臨江坡度平緩； 太平溪鎮和茅坪鎮上游一帶靠近三峽大壩，岸線平直穩定，水深條件好，江面寬闊達到1 000 m以上，易于開發建港。

(2)秭歸縣。建港適宜區及較適宜區集中分布在茅坪鎮上游一帶。該區域江面寬闊，有多處已建碼頭，岸線陸域開發條件好，坡度小于25°的區域占比大于80%，易于開發建港。

(3)巴東縣。整體不易建港，該段岸線沖蝕嚴重，臨江大多是懸崖陡壁，岸線陸域開發條件差，有較多不穩定的地質災害點。

(4)巫山縣。建港較適宜區北岸主要分布在巫峽鎮周邊和巫峽鎮上游12～17 km處，南岸主要分布在巫峽鎮對岸上游6～12 km處。巫峽鎮周邊岸段集疏運條件好，與滬漢蓉客運專線距離小于3 km，有紅石梁碼頭和西坪貨運碼頭兩處已建碼頭，岸坡平緩。巫峽鎮上游12～17 km處岸線平直穩定，無大型不穩定地質災害點，以堅硬厚層砂巖為主; 巫峽鎮對岸上游6～12 km處岸線平直穩定，岸坡平緩，易于開發建港。

(5)奉節縣。建港適宜區及較適宜區主要分布在奉節縣城下游5 km內、奉節縣城上游4～14 km處及永樂鎮上游5 km至安坪鎮段。奉節縣城下游5 km內岸線平直穩定，無不穩定地質災害點，集疏運條件好，有奉節港務站和七號橋滾裝碼頭兩處已建碼頭； 奉節縣城上游4～14 km處岸線平直，無明顯沖刷淤積，以軟硬相間層狀砂巖、黏土巖互層巖組為主； 永樂鎮上游5 km至安坪鎮段岸線無不穩定地質災害點，坡度小于25°的區域占比大于80%，易于開發建港。

(6)云陽縣。建港適宜區及較適宜區主要分布在青龍街道—巴陽鎮上、下游一帶及盤石鎮上、下游一帶。青龍街道—巴陽鎮上、下游一帶岸線以軟硬相間層狀砂巖、黏土巖互層巖組為主，周邊城鎮密集，有多處已建碼頭，岸線陸域開發條件好，坡度小于25°的區域占比大于80%； 盤石鎮上、下游一帶岸線雖受少量沖刷淤積影響，但江面寬闊，周邊城鎮密集，臨江高程較低，易于開發建港。

(7)萬州區。整體適宜建港，江面寬闊，岸坡平緩，集疏運條件好，無大型不穩定地質災害點，基本為適宜區和較適宜區。較不適宜區主要分布在太龍鎮下游1～6 km處及武陵鎮上、下游和新鄉鎮上、下游一帶。

5 結論

(1)本文選取柵格單元與岸坡單元相結合的混合評價單元，對三峽庫區宜昌至萬州段干流岸線港口建設場地進行了適宜性評價?；跂鸥駟卧獙Ω饕蜃忧蠼?，最終適宜性評價結果以岸坡單元形式呈現。研究區共被劃分為717個評價單元，評價結果分布更具整體性，便于今后港口建設場地的選擇與拓展。

(2)以三峽庫區宜昌至萬州段干流岸線為研究對象，選取更適用于岸線資源的改進的綜合指數評價模型，將港口建設場地適宜性評價因子分為基本因子和限制因子2類，以地形地貌、區域穩定性、工程地質條件、交通區位條件和生態敏感性5大類共14個評價因子構建評價指標體系。適宜性評價結果顯示： 北岸適宜區主要分布在夷陵區樂天溪鎮和太平溪鎮，云陽縣雙江鎮和萬州城區上、下游一帶； 南岸適宜區主要分布在秭歸縣茅坪鎮，奉節縣城南岸和萬州城區南岸上、下游一帶。

(3)由于資料獲取程度的有限性和三峽庫區本身地質環境的復雜性，適宜性評價研究的深度有待進一步提高。因研究區范圍較大，對于初步選出的適宜區或較適宜區，需要進一步開展考慮風險決策的場地尺度適宜性評價，優中取優，達到安全、經濟與生態保護的協調。