地质遗迹是大地构造运动与各种侵蚀作用形成的具有重要历史与科学意义的地质现象,是人们认识地球发展历史、古生物演化历史的重要资料来源[1]。同时,地质遗迹具有不可再生性,一旦被破坏将无法恢复,因此,需要对地质遗迹进行合理的开发与保护,建立地质公园是重要的保护措施之一。地质公园是一种特殊的自然公园,是向人们展示地质景观的自然美学魅力、普及地球科学知识的天然博物馆[2-3]。地质公园往往面积较大,拥有优美的自然景观与舒适的气温,游客可以在地质公园内观光旅游、休闲度假、欣赏地质遗迹景观与生态环境。地质公园内各种地质活动在造就奇特地质景观的同时,也带来了各种自然灾害(如地震活动、断裂带运动、滑坡、泥石流等),给地质遗迹的保护与游客的生命安全带来了威胁,因此,对地质公园开发与保护的合理规划至关重要。地质环境承载力作为区域保护与开发分区的重要依据,是指在一定时期一定区域内,在维持地质环境系统结构不发生质变、功能不朝着不利于经济社会活动方向发展的条件下,地质环境所能承受人类活动影响与改变的最大潜能[4]。通过对地质环境承载力进行综合评价得到地质公园地质环境承载力的具体数值,进而划定地质遗迹保护区与地质旅游开发区,既可以保护地质遗迹不被破坏又可以让游客欣赏到优美的自然风光,无论是对地质遗迹的保护还是对地质公园的旅游开发都有重要意义。目前,国内学者对地质环境承载力的研究取得了一系列成果。汪宙峰[5]等利用层次分析法针对都汶公路沿线建立地质环境承载力评价体系,对公路沿线区域的开发与保护提出建议。王念秦[6]等利用综合评价模型对西安市临潼区地质环境承载力进行评价,得到了承载力的四级分区。杨乐[7]等针对奉节县城地质环境承载力进行研究,为地区规划建设提出分区建议。这些研究说明,利用层析分析法及综合评价模型可以有效对区域地质环境承载力进行评价。但是,目前的研究较少关注地质公园这一特定区域,尤其是地质公园内地质遗迹旅游开发与保护的承载力方面。
本研究以大渡河峡谷国家地质公园为研究对象,针对各个评价指标合理赋值,利用层次分析法、变异系数法与最小相对信息熵原理建立地质环境承载力评价体系。以此为基础,笔者将结合局部空间自相关结果对地质公园地质遗迹的旅游开发与保护进行分区,以便为地质公园规划建设提供科学依据,也为减灾与地质保护提供参考。
1 研究区概况与数据获取大渡河峡谷国家地质公园位于四川省乐山市金口河区、雅安市汉源县、凉山州交界处(图 1)。地跨东经102°54'~103°02',北纬29°14'~29°22',总面积约96.58km2。园内气候以亚热带季风气候类型为主,降雨丰富,一年四季气候分明。地形整体周围高、中间低。但园内断裂褶皱广泛分布,西南部的采矿活动破坏了地表植被,滑坡、泥石流等地质灾害时有发生,同时由于外部强震可能带动园内断裂带移动,园内存在地震灾害的可能性。
本研究涉及的数据包括遥感影像数据以及各类地质分布数据。其中,遥感影像数据来自地理空间数据云①的Lansat8系列影像,其空间分辨率为30m,使用ArcMap分析获得归一化植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)和归一化建筑指数NDBI(Normalized Difference Build-up Index);数字高程模型DEM(Digital Elevation Model)数据来自地理空间数据云的ASTER GDEM V2数据,空间分辨率为30m,由此提取出坡度数据;岩性与断层分布数据来自四川科技年鉴的四川省1:50万数字地质图;水系、行政区划数据来自全国地理信息资源目录服务系统②的1:25万全国基础地理数据库。各类地质灾害、矿场、地质遗迹点与土壤数据来自资源环境数据云平台③。
① 数据来源:http://www.gscloud.cn/。
② 数据来源:http://www.webmap.cn/。
③ 数据来源:http://www.resdc.cn/。
2 研究方法 2.1 地质环境承载力综合评价 2.1.1 评价指标选取与合理性检验地质环境承载力评价的最终目的是平衡人类、生态环境、生物资源三者的关系[8]。因此,笔者从地质环境、生态环境、社会环境三方面入手,根据地质环境评价的层次性、综合性、数据易获取性、定性定量化原则,选择了岩性硬度、土壤侵蚀程度、人口密度等15个指标(图 2)。为避免指标之间存在高度的相关性使评价结果不准确,借助SPSS软件对指标逐一进行多重共线性分析。结果显示:选取的15个指标不存在共线性,为有效的评价指标。
在地质环境承载力研究中,评价单元可采用行政区单元、网格单元、斜坡单元等方式[9]。考虑到地质公园区域行政区单元较少且形态不规范,网格单元具有快速划分、易于计算的优势,结合地质公园特殊地质地貌与已有数据,笔者选择网格单元进行承载力评价,在ArcMap中建立30m*30m的网格作为评价单元。因各个指标的属性差异较大,无法直接比较各指标对结果的影响程度,因此,选择将定性的指标定量化,即根据相关行业规范对各指标之于承载力的影响程度赋予1~5的分值(表 1),分值越大表示承载力越强。
在评价指标的权重判断方法上,通常有主观与客观两类赋值方法。主观方法包括层次分析法、专家咨询法、经验分析法等。其中,层次分析法是一种将复杂问题建立多层次模型为最终决策提供服务的方法[10-11]。客观方法包括聚类分析法、变异系数法、主成分分析法等。其中,变异系数法可避免由于主观因素带来的影响,可以直接利用各指标蕴含的信息计算得到权重[6]。两类方法各有优缺点,主观分析法过于依靠专家的主观感受;客观分析法则完全从数据出发,完全不考虑实际情况和人们以往的经验。为有效利用两类方法的优点,首先使用主观赋权层次分析法,由专家对各指标的重要程度进行打分,然后两两比较,计算出各个指标的权重。随后使用客观赋权变异系数法直接计算得到权重,最后使用最小相对信息熵原理缩小两类评分的差距,得到最终的权重表(表 2)。
综合评价模型是利用已有指标全面评价区域承载力指数的一种科学方法。它是在对每个因素评价的基础上,对最终结果的综合评价。综合评价模型的计算公式如下:
$P=\sum\limits_{i=1}^{n} U_{i} \cdot M_{i} $ | (1) |
式中:P为对应单元地质环境承载力;n表示评价指标的个数;Ui表示该单元内第i个评价指标的分值;Mi表示该单元内第i个指标的综合权重。利用ArcMap的栅格计算器工具依次输入各个评价条件与对应的权重,累加得到最终的承载力值。
2.2 局部空间自相关分析地理学第一定律认为:所有事物都与其他事物有关,愈接近的事物相关性愈高[12]。局部空间自相关指标(LISA)可以用来揭示空间参考单元与邻近单元属性特征值之间的相关性[13-14],在本研究中指不同评价单元承载力之间的相关性,若承载力随着距离的减小相似性增大,则说明承载力为空间正相关,同时认为区域内承载力稳定在一定的数值。笔者使用局部Moran's I指数来反应地质环境承载能力的空间聚集关系,局部Moran's I指数的计算公式如下:
$I = \dfrac{{({X_i} - \overline X )}}{{{S^2}}}\sum\limits_j {{W_{ij}}({X_j} - \overline X )} $ | (2) |
式中:I表示地质环境承载力Moran's I指数的大小;Xi、Xj分别表示第i个和第j个评价单元的承载力得分;X表示地质公园范围内所有评价单元的承载力得分的平均值;Wij表示承载力的空间权重矩阵;S表示空间权重矩阵各元素之和。Moran's I指数的取值范围为[-1, 1],其中Moran's I >0表示空间正相关,其值越大,空间相关性越明显;Moran's I =0表示空间随机性;Moran's I < 0表示空间负相关,其值越小,空间差异性越明显。分析得到的LISA聚类图包含高高聚类、低低聚类、高低聚类、低高聚类、不显著5种结果,其含义如表 3所示。
使用自然间断法对结果进行分类分级,得到大渡河峡谷地质公园地质环境承载力评价的结果(图 3)。各级分区的面积及所占比例如表 4所示。可以看出,地质公园内地质环境承载力总体呈现“北优南差”的形态,整体地质环境承载力较好,中等以上承载力区域面积占比为80.16%,以承载力较好区域为主。
地质环境承载力评价为“好”的区域主要位于东北部的永胜乡境内,面积约16.13km2,面积占比为16.7%。该区域人口密度小、岩性硬度强、植被覆盖率高,并且远离断裂带与采矿区,较少发生滑坡、泥石流等地质灾害。这些条件都使该区域的地质遗迹可以得到较好的保护,同时拥有优美的森林景观,具有较大的旅游发展潜力。
地质环境承载力评价为“较好”的区域主要位于北部以及大渡河南部地区,面积约40.34km2,面积占比为41.77%。这一区域多位于承载力“好”的地区周围,植被覆盖率与地灾点密集均较小,人类活动扰动较少,承载力表现较好。
地质环境承载力评价为“中等”的区域主要位于北部的永和镇、西部地区以及大渡河附近地区,面积约20.95km2,面积占比为21.69%。其中永和镇聚集效应明显,这是因为该区域人类活动较多,对地区地质承载力造成了一定的压力。
地质环境承载力评价为“较差”和“差”的区域主要位于大渡河沿岸和西部的采矿区,面积约19.16km2,面积占比为19.84%。这是因为西南部的采矿破坏了地表植被,导致该区土壤松散,极易发生水土流失与泥石流灾害。大渡河园内中部区域位于断裂带之上,岩层脆弱,断裂带的活动与大渡河的冲刷使地质灾害频发,灾害点多位于此类区域。因此,该区域的地质环境承载力极差。
3.2 地质环境承载力自相关分析利用空间计量分析软件GeoDa对地质环境承载力结果进行局部空间自相关分析,分析变量为地质环境承载力得分值,承载力Moran's I散点图如图 4所示。地质公园局部莫兰指数为0.968~2,表现出明显的空间聚集性。
使用ArcMap对局部空间自相关结果进行可视化,获得地质环境承载力空间关联分布结果(图 5)。结合地质环境承载力评价结果,发现地质环境承载力好与差的地区均表现出明显的空间聚集性。具体来看:地质公园内正相关HH型主要分布在北部的永胜乡、皇木镇、永和镇的大部分区域以及南部乌斯河镇的部分区域,说明此区域承载力高度相似,在某一高值上显著聚集。不显著区域的分布较为分散,多数分布于皇木镇的大渡河北岸、永和镇中部与南部,说明该区域承载力没有明显的相关性,承载力数值变化较大。LL型分布较为集中,空间形态上呈现出明显的带状分布,主要分布于大渡河两侧、西南部的采矿区以及断裂带之上,此外在永和镇也有分布,说明此区域承载力高度相似,承载力在某一低值高度聚集。
地质遗迹的保护与旅游价值的开发同样重要,但两者往往表现出对立的关系:过度的开发会危害珍贵的地质遗迹,而不合理保护分区则会降低地质公园的旅游价值,同时影响旅游配套设施建设,从而降低地质公园旅游吸引力[15]。为有效保护与开发地质公园内的地质遗迹,需要对地质公园进行分区规划,划分出适用于开发的区域与需要重点保护的区域。
基于地质环境承载力评价结果与局部空间自相关分区,大渡河峡谷国家地质公园可以划分出4种类型的区域,分别为复合开发区域、一般开发区域、重点保护区域与严格保护区域(图 6),各类分区的面积及比率如表 5所示。
(1) 复合开发区域。由地质环境承载力评价为“好”“较好”,且空间自相关为HH类型的区域组成,面积35.39 km2,占比36.65%。这一区域地质环境承载力高,空间聚集性强,不易因为人类活动产生对地质遗迹的破坏。植物覆盖率高、岩性硬度强,较少发生地质灾害,地质遗迹分布较多,是可以重点进行旅游开发的区域。可以在这类区域建立综合的旅游集散、服务中心,同时修建连接各个地质遗迹的道路,打造以“身临其境”为核心点的地质遗迹科普与观光活动。
(2) 重点保护区域。由地质环境承载力评价为“一般”,且自相关结果为一般的区域组成,面积19.17km2,占比19.85%。这一区域地质环境承载力一般,多位于河流两岸与低洼地区,地质灾害与地质遗迹并存,不易开展旅游开发,应安装高清摄像头、降雨量检测装置等检测设备并安装地质加固设施,防止地质灾害对地质遗迹造成破坏,对地质遗迹进行重点保护。
(3) 严格保护区域。由地质环境承载力为“较差”“差”,且自相关结果为LL类型的区域组成,面积18.44 km2,占比19.08%。该区域多分布于大渡河沿岸,地质环境承载力差、空间相关性强,人类活动会加剧破坏本就脆弱的地质生态环境。地质灾害频发,会对人身安全造成较大威胁,因此该区域应该作为地质保护区域进行严格的保护。因大渡河冲刷的地质地貌遗迹具有很高的研究价值,应该邀请地质专家前来考察,发掘其科学价值。
(4) 一般开发区域。由地质环境承载力为“较好”,且自相关结果为不显著类型的区域组成,面积23.58km2,占比24.42%。这一区域分布较为分散,多数位于复合开发区域周围,地质灾害点较少,地势较高,地质遗迹分布少,不易开展地质遗迹相关旅游活动。但是,良好的地质环境承载力与复杂多变的地形使该区域可以开展以冒险为主题的极端旅游项目与地质环境研究,但应控制活动规模。
4 结语通过层次分析法、变异系数法与最小相对信息熵,得到不同指标的权重系数,利用综合评价模型计算得到大渡河峡谷国家地质公园地质环境承载力评价结果,发现该地质公园整体地质环境承载力较好。地质公园中等以上承载力区域面积占比为80.16%,整体地质环境承载力较好。北部明显好于南部,其中东北部承载力最好,南部的大渡河沿岸承载力最差。
大渡河峡谷国家地质公园地质环境承载力表现出明显的空间聚集性。HH型与LL型占据多数,北部多数为HH型,表明此区域整体承载力维持在较高值,表现出明显的空间聚集性。西南部的采矿区与大渡河沿岸地区为LL型,表现出低承载力单元的高度聚集,也反映出此区域承载力的高度脆弱性。
通过建立基于地质遗迹分级与承载力双评价的分区方法,结合承载力评价结果与局部Moran's I指数,对该公园进行了分区规划,将公园分为复合开发区、重点保护区、严格保护区与一般开发区,并针对各个区划的旅游开发与地质遗迹保护提出了针对性的建议。
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