科研用地评估方法精选(九篇)

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第1篇：科研用地评估方法范文

关键词：环境一号 遥感影像 分析

0 前言

环境一号A/B星是我国第一个遥感卫星小星座，从2008年9月发射至今已经在轨运行6年，超期服役3年，为我国环境保护、土地利用、农林监测和水资源保护等工作提供了大量遥感数据。

环境一号A /B星的寿命即将终止，本文根据多个科研项目，评估环境一号星A /B的数据质量，分析其应用范围，为我国未来中分辨率遥感卫星规划提供参考。

1 环境一号遥感卫星星系概况

环境一号卫星遥感减灾卫星星系由环境一号A星和B星组成，两颗卫星于2008年9月6日发射升空并于2009年4月在轨交付使用。

A星和B星采用相同的卫星平台，A星和B星都搭载了分辨率达30m的CCD高分辨率相机，另外，A星还搭载了一台 RSI相机，B星搭载一台HSI相机。

由于单颗卫星的卫星周期时间是4天，A星与B星轨道差180度，因此两颗卫星组成的卫星星系，其获取地球上同一点的CCD影像周期是两天。

CCD相机是两颗卫星的统一装备，从影像用途上看，CCD高分辨率遥感影像是应用范围最广的设备，因此分析环境一号遥感卫星星系的CCD影像，对于推广环境一号遥感数据的普及应用都有重要意义。

2.影像特点和处理流程

环境一号A/B遥感卫星CCD数据多光谱数据包括4个波段的光谱，即第1蓝光波段、第2绿光波段、第3红光波段和第4近红外波段。一般真彩遥感影像均通过3、2、1三波段影像合成和4、3、2影像合成获得最终影像。本次研究主要采用了3、2、1波段合成影像。

影像数据处理过程包括光谱影像合成、影像纠正、影像增强处理和DEM融合，各个步骤主要工作如下：

（1）影像融合

利用3、2、1三个光波段的影像，分布置于红、绿、蓝处理端，进行影像合成操作，获得接近真彩影像的合成影像；

（2）影像几何纠正

环境一号卫星影像的原始数据（二级产品）定位误差较大，需要利用控制点成果对影像进行重新纠正，本次研究项目所有影像纠正都是每幅影像利用7个以上的地面特征点进行二次多项式纠正。影像几何纠正后的精度约为2――3个像元精度，实际定位精度在30――90米。

（3）影像增强

由于遥感影像在获取过程中受到大气或者天气以及相机因素的影响，带有少量噪声或者对比度不够等，因此需要对影像进行增强处理，包括辐射增强、直方图均衡化、降噪处理、空间域增强和频率域增强等。

（4）DEM融合

利用DEM栅格数据和遥感影像融合，可以提高影像解译能力。本次研究采用了美国NASA的全球DEM数据融合，取得较好效果。

3.影像评估

3.1 影像评估方法

遥感影像质量影响因素包括：环境（如大气散射）、随机误差或系统故障、地面处理问题等。因此本次影像分析处理采用以下几种方式对影像的质量：

（1）影像直方图中单个亮度值出现频率分析

（2）影像中某一位置或区域像元亮度值评估分析

（3）一元或多元统计分析，判断影像数据正常性

（4）多元统计量确定波段时间相关

（5）目视判读识别物

本次研究抽取了一幅典型的影像进行分析，通过综合分析评估影像平均质量。

3.2 影像评估过程

3.2.1 直方图评价

直方图是影像亮度值频率统计的图形表达方式 横坐标（x）是影像某波段值的量化等级，纵坐标（y）代表这些亮度值出现的频率。直方图分析是一种原始数据质量的评价方式，同时也是评价光学多光谱影像和其他类型遥感影像的主要方法。

图1 是影像的四个波段直方图。

从四个波段的直方图上评价，各个波段的曲线比较稳定，RGB的极值相差不大，其光谱反射角均衡。

3.2.2 影像的一元统计和多元统计

影像的一元统计和多元统计分析可以从影像中分析影像质量集中趋势测度和离散度的统计。其中最主要的多方式是遥感数据集中趋势测度计算，包括采用中值分布曲线计算方法，采用所有亮度观测值和综合除以观测值个数来度量集中趋势。单波段影像均值 由n个亮度值 计算获得，其公式如公式1所示。

（1）

式中 是总体均值的无偏估计。

（1） 离散度

分布均值的离散度可以提供影像有用信息，如遥感载荷的可靠性和CCD相机稳定性等因素，离散度计算最常用的方法是样板方差计算方法，其计算方法如公式2 所示。

（2）

式中 代表离差平方和。

同时可以采用标准差方法计算单波段影像像元亮度值

标准差小则表示观测值比较紧密集中于中心值周，标准差大则表示观测值比较分散，影像质量不稳定。

（2） 多元统计

多波段遥感数据数据协方差分析

利用不同像元的遥感光谱观测值分析影像演化的相同点，获得一个波段的亮度值变化与另一个波段亮度值变化的关系。因此计算它们的相关性以获得不同波段之间的关联关系。

首先需要计算离均差乘机和，计算公式如公式3 所示

（3）

其中 是第k波段第i个亮度值，研究区域由n个像元组成。第k波段和第l波段的均值分别是 和 。同时可以利用公式4 提高计算效率。

（4）

称为非离均差乘积和。如果k和l相同，则得到 与离差平方和，即

=

则第k波段和第l波段的亮度值协方差 等于

多波段遥感数据相关分析

为了不受量纲影响的方法评价变量间，可以采用皮尔逊积矩相关系数分析界定多波段遥感数据。公式 中采用了两个波段（k和l）之间之间的协方差和标准差乘积来界定。

根据以上计算方法，此次研究中应用了一幅九级以上无云层影像进行分析，分析结果如表 所示。

环境一号4个波段影像统计分析

表2

波段号

1（0.43-0.52） 2（0.52-0.60） 3（0.63-0.69） 4（0.76-0.90）

一元统计量

平均值 48.25 23.48 21.45 26.30

标准差 8.25 4.32 5.68 14.52

方差 94.89 35.45 57.64 214.72

最小值 48 19 13 7

最大值 198 112 143 115

方差――协方差矩阵

1 98.25

2 54.32 34.12

3 67.75 42.88 62.32

4 71.24 46.57 34.49 197.25

相关矩阵

1 1

2 0.97 1

3 0.89 0.89 1

4 0.52 0.62 0.69 1

由于蓝光波段的瑞利散射和米氏大气散射影像，是第一波段的亮度值变化最大。在北部湾海洋水体地区，水体吸收了大多数近红外辐射通量，因此部分地区近红外（第四波段）的最小值接近于0。1、2、3波段之间有很高的相关性（rR0.95），说明这几个通道存在大量的冗余光谱信息。第四波段与1、2、3波段之间的相关性较低。

3.2.3目视判读

本次对环境一号321三波段影像四幅影像进行了目视判读，主要分析影像中各种地物的可判辨度、信息获取量以及影像判读难度等。

环境一号遥感影像中，通过目视判读分析其数据质量获得各种信息，本次研究采用了环境一号影像中质量差、中、好三类影像进行目视判读分析。

环境一号CCD影像对各种地面物和属性的识别程度如表3 所示。

4 结论

4.1 影像质量和优势

从数据分析结果和人工目视判读结果，“环境一号”的影像平均质量较佳，其质量可以达到landsat5卫星遥感影像质量水平。但是波段数较少，数据质量波动较大。但是由于A/B两颗卫星构成的星座最快更新周期为两天，且每颗卫星都采用双CCD相机模式，相机幅面宽，宏观性好。可以实现快速对地观测。

4.2 影像可用范围

根据实际对比分析和分类，以及在实际中的应用效果，在环境一号A/B星CCD遥感影像的应用领域评估中，得到以下评估结论：

（1）1：25万地形图编绘和更新能力

环境一号A/B 星由于其畸变差较大，且缺少相关参数，因此无法实现异轨立体成像，同时对1：25万成图要求的地物识别能力有限，因此无法直接进行1：25万图的编绘。但是由于影像对道路、地块和大型水体有一定的识别能力，因此具备对1：25万地形图要素一定的更新能力；

（2）水质分析

由于环境一号A/B星CCD影像波段数较少，较难获得基于水体的基本信息，对于精确分析水质情况比较困难，但是可以分析一些重污染，如填海的泥沙污染、海上溢油以及生物污染等，如对云南滇池水藻污染的分析和墨西哥湾油污染监控等。

（3）土地利用监测

环境一号CCD影像出色的时间分辨率和中等空间分辨率以及较大的幅面宽，因此可以监测大规模的土地变化，如工业用地变化、农业用地变化、林地变化和城市扩展等，但是不能详细计算出变化面积，变化量测精度在0.3平方千米左右。

（4）海岸带监测

环境一号CCD影像对海岸带变化监测分析能力主要体现在对海岸工程和海岸线大规模变化的监测，同时可以监测海岸生物带特别是红树林的长势。

（5）道路规划

在环境一号CCD影像上，可以分辨高速公路、一级公路、部分二级公路和铁路。由于对山体和水体等道路规划中有影响的地物能够进行比较清晰分辨，因此可以用于高等级公路的概括性规划。

（6）灾害损失评估

在大型灾害，如泥石流、洪灾和旱灾后，对受灾地区和淤泥堆积情况以及水稻、玉米、甘蔗等农作物损失情况进行评估。评估精度可以达到20%以上。

4.3 影像缺点

（1）分辨率较低

环境一号A/B卫星CCD相机的分辨率是30米，虽然相幅比较宽，但是30米的分辨率仍然处于中分辨率和高分辨率之间，对地物识别能力较差，对村一级居民地、普通公路和三级以上水系等重要地物识别比较困难。

（2）二级产品定位精度较差

环境一号A/B卫星CCD相机的二级产品定位是通过卫星CCD传感器参数和卫星轨道参数计算，计算精度差，且未能用地面DEM进行影像纠正，影像定位精度较差，其精度在300m――1200m之间，二级产品应用一般要利用地面控制点进行重新定位配准。

（3）波段较少

环境一号CCD影像相机只有4个波段，对地物识别能力精确度不足，而Landsat5和Landsat7卫星多光谱CCD传感器的光谱段达7个，EO-1卫星的CCD相机的光谱段达9个，通过反射光谱对地物识别准确率很高。

5 结论

环境一号卫星虽然在最高分辨率、影像最佳质量、光谱分辨率上与美国最新的Landsat8中分辨率遥感卫星还有一定的差距，但是其拥有周期短、宽像幅等特点。在相同周期内，其可用数据要远高于Landsat8，其优势也是非常明显的。

中分辨率卫星遥感影像的信息宏观性和时间分辨率要优于高分辨率卫星遥感影像，故即使在今天，其作用仍然是不可替代的。未来我国应该继续大力发展10米-20米的中分辨率、高光谱分辨率和高时间分辨率遥感卫星，其应用潜力广泛。

参考文献：

第2篇：科研用地评估方法范文

关键词：地方标准，成熟技术，创新成果，地域特色，可持续发展

 

技术标准（含规范、规程、规定）是工程勘测、设计、施工、养护、管理的技术依据，是保证工程安全、耐久和衡量工程质量的重要尺度。

我国地域辽阔，气候、水文地质南北东西差异较大，在国家标准、行业（部颁）标准、协会标准的基础上编制地方标准更符合地域工程实际，是十分迫切的、必要的。

我国地方标准规范编制工作，开展较早的是城乡建设系统。交通地方标准编制起步较晚，近几年，部分省（市）已出台一些内容较有特点的地方标准（含规程、技术要求、指南），如江苏省交通厅编写的《高速公路养护质量检验评定》（DB32/T944-2006）、《高速公路大中修工程质量检验评定》（DB32/T945-2006）;上海市公路管理处编写的《公路沥青路面预养护技术规程》（SZ-G-D01-2007）；河南省交通厅主编的《河南省高速公路技术要求》、《河南省公路养护管理决策支持系统》；新疆交通厅主编的《盐渍土地区公路设计与施工技术指南》；吉林省交通厅主编的《公路工程抗冻性设计与施工技术指南》；广东省交通厅编写的《路面典型结构（系列）》等。

2008年山东省交通厅将我省交通基础设施建设地方标准编制列入行业“四化管理”重要实施内容，以贯彻落实科学发展观，将近年来我省交通创新成果迅速转化为先进生产力，展示我省交通最新技术水平和技术成就。

现将本人在编制办工作实践的体会和收获小结如下。

1.地方标准工作是创新成果转化为先进生产力的重要途径

我省交通基础设施建设，自改革开放以来取得了长足发展，尤其是山东的公路勘察设计、建设、养护、管理的综合技术二十多年来一直居于国内领先水平，许多科研、工程重大创新成果，已积累和奠定了编制地方标准的技术基础。。

1.1《大粒径透水性沥青混合料设计及施工技术指南》（省公路局主编）

针对我国传统的半刚性基层的干缩和温缩裂缝引起沥青面层的反射裂缝，同时，由于半刚性基层材料抗冲刷能力较差，而密实型的沥青混凝土又不具备层间排水功能，在荷载和水的共同作用下极易产生常见的、多发的路面早期病害，为探索高等级沥青路面早期结构性破坏的关键因素，我省于2001年即立项进行研究，在国内率先开发了具有排水和应力吸收作用的新型路面结构材料-大粒径透水性沥青混合料LSPM（Large Stone Porous asphalt Mixture）和基于LSPM的新型路面结构，其具有良好的透水性，抗车辙，抗反射裂缝和抗疲劳性，既能发展半刚性基层强度高、造价低的优势，又能克服其易开裂、易发生水损害的缺陷，大大延长了路面的使用寿命。通过7年的试验观测，取得了良好的效果，积累了丰富的基础资料。

1.2《旧水泥混凝土路面碎石化应用技术指南》（省公路局主编）

我省约有7000公里水泥混凝土路面，全国30余万公里。随着使用年限的增长和超载车辆的破坏作用，出现了不同程度的各种类型的路面结构损伤破坏，传统的改造技术（重铺、冲击压稳后补强），造价高、环境污染严重，且反射裂缝消除不理想。碎石化改造技术随着多锤碎石化设备MHB（Multiple-Head Breaker）的引进使用，破碎的旧水泥混凝土板块具有明显不同的颗粒组成，形成咬合嵌挤状态，其硬度均匀性好，可改善加铺路面的受力状态，避免产生反射裂缝。通过大量试验研究和工程实践，已形成一系列成套的应用技术。

1.3《斜拉桥换索设计与施工指南》（省交通规划设计院主编）

斜拉桥是大跨径桥梁主要桥型之一，其设计基准期为100年，而斜拉索的设计寿命只有25~50年。我国上世纪已建成的40余座斜拉桥中，65%已全部或部分更换了拉索，今后仍将有大量斜拉索需要更换。换索工程涉及量测与评价技术、结构分析计算，材料防护、伴生的梁塔加固，换索工艺及施工控制等多专业。由于至今国内外尚无此领域方面的规范，致使部分换索工程索力紊乱，梁塔次生内力变化异常，主梁线型起伏，严重影响着结构的正常使用寿命和耐久性。1995年，省交通规划设计院、原省公路工程总公司和原省交通工程总公司承担了我国乃至亚洲首座斜拉桥（济南黄河公路桥）换索工程，在精心设计、合力攻关和严细监控下，取得了国内首创工程实践经验。经过近十多年来国内换索工程中关键和先进技术经验积累形成的指南，将有效地指导换索设计和施工。

1.4《预应力混凝土连续梁式桥养护指南》（省交通规划设计院主编）

预应力混凝土连续梁式桥（包括连续梁、连续刚构、刚构-连续组合体系）约占我国大桥、特大桥数量的2/3，是大桥、特大桥的主力军。然而该桥型中相当数量的桥跨结构在运营不足十年内即出现大量裂缝和跨中下挠，提前进入维修加固期。而目前桥梁养护部门结构病害诊断技术力量薄弱，检测手段落后，考虑结构损伤影响的承载力评估方法还不完善，维修加固技术深度不够，且往往忽略了桥梁带载加固受力的特点，缺乏预防性养护理念，甚至失养，致使运营不足十年即衰变成三、四类桥。本指南在总结东明黄河大桥等多座桥的养护、维修加固技术的基础上，并从设计源头解析，提出检查评估、养护维修加固及运营管理技等技术要求和规定，内容涵盖了国内近年来科研成果，较现行桥梁养护规范更具有先进性、针对性和可操作性。。

2.地方标准建设是可持续发展重要技术载体

标准规范要认真执行国家的有关技术方针政策和法律法规，引导行业健康、可持续发展，以满足设计建设和养护需求，同时应提升至资源节约、环境友好，体现以人为本的高度。我省近二十年来修建高速公路的实践中已积累了大量典型示范设计工程示例，为可持续发展奠定了基础。

2.1《山东省高速公路人本化设计》（省交通规划设计院主编）

根据工程的实际，合理运用各项技术指标并创造性地进行公路总体设计，使线形几何设计、路基路面设计、桥梁及路线交叉设计、交通工程与沿线设施更加符合人的行为习惯、生理结构、心理情况、思维方式等，在原有设计基本功能的基础上，对设计进行优化，科学确定技术标准、灵活合理地运用技术指标及其组合，避免随意性，给司乘人员以安全、舒适、方便、环保的出行环境和条件。是设计中的人文关怀，是对人性的尊重。

2.2《山东省高速公路节约土地设计指南》（省交通规划设计院主编）

高速公路设计应贯彻“节约用地”的设计理念。在高速公路设计中，根据公路在路网中的地位和功能，科学、准确的调查和预测公路交通量，合理确定公路等级、设计速度和路基宽度等技术标准。合理布设路线，尽量避绕基本农田或者高产田、充分利用老路进行改造、合理运用技术指标、合理控制互通立交和服务区规模等，以达到合理利用土地资源，减少公路用地，实现公路用地集约化的目标。

2.3《山东省废胎橡胶粉沥青及沥青混合料设计施工技术指南》（山东高速工程咨询公司主编）

橡胶沥青混合料具有良好的路用性能，而废轮胎、旧轮胎橡胶粉的再生可以变废为宝，既保护了环境，又节约了资源。。废旧橡胶粉掺入基质沥青中，对基质沥青的高、低温性能、抗衰老化性能有重要的影响。为此，该技术标准，从山东本地废旧轮胎橡胶粉理化指标入手，对不同橡胶粉的路用性能影响规律的研究，解决了橡胶沥青混合料级配组成设计、拌和成型工艺中的关键技术，此指南将对我省迅速推广该项新技术起到积极的作用。

第3篇：科研用地评估方法范文

关键词 地面沉降；风险指数；风险评估；风险区划

中图分类号 U456.33 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2008)04-0028-07

地面沉降是在自然和人为因素作用下，由于地壳表层土体压缩而导致区域性地面标高降低的 一种缓变性地质灾害，是一种不可补偿的永久性环境和资源损失，是地质环境系统破坏所导 致的恶果［1］。国内外对地面沉降的研究主要集中在成因分析、监测方法、经济损 失评估、时空分布、预测、危害及防治对策等领域［2～7］。有些学者对地面沉降危 险性分级标准进行了探讨［8～9］；部分学者采用模糊数学层次分析法和相应的指标 体系对广州市地面沉降危险性进行了评价［10］；Ki-Dong Kim等运用GIS技术［ 11］评估了废弃地下煤矿的地面沉降危害性；魏风华［12］进行了河北省唐山市地 面沉降危险性区划和地面沉降物质财富风险区划研究。然而，地面沉降灾害风险评估与区划 尚无成熟先例。地面沉降灾害风险是地面沉降对人类社会及其生存环境所造成危害或不利影 响的可能性及不确定性的描述。为了对地面沉降灾害风险进行有效管理，减小损失发生的影 响，必须进行地面沉降灾害风险评估与区划。天津市是我国地面沉降比较严重的区域之一， 地面沉降给天津市造成了多方面的危害，如建筑物下沉变形、开裂乃至破坏；市政给排水管 线的破坏；海水倒灌造成的地下水质破坏；地面标高损失，风暴潮灾害加剧；河流泄洪能力 的丧失；土壤的盐渍化等。研究区人口密集、经济发达，地面沉降严重，并具备比较完整的 监测数据。因此，选择该区域进行地面沉降灾害风险评估与区划具有较大的理论与实践 意义。

1 研究区概况

天津市位于九河下梢，渤海湾西岸。整个天津和邻近地区处于华北断块盘地的东北部，从构 造分区上看西部为沧东隆起的一部分，东部则包括了黄骅凹陷的一大部分，由古近纪以前的 沉积岩层和古老的结晶基底，组成了本区的地质构造基础，长期以来缓慢下降，沉积了巨厚 的松散沉积物。

研究区包括天津市和平、河东、河西、南开、河北和红桥市内六区，以及东丽、西青、津南 和北辰四区，总面积2 054.01km2(见图1)。2005年底，总人口518.96万人 ，地区生产总值760.30亿元［13］。

随着社会经济的快速发展，由于过量开采地下流体资源，地面沉降已经成为研究区最为严重 的灾害之一，该区域1985-2005年累计地面沉降量最大达2.93m；累计地面沉降量超过1 000mm 的面积达623.88km2，占总面积的

30.37%；1985-2005年平均地面沉降速率为29.99mm 天津市控制地面沉降工作办公室.1986-2006天津市地面沉降年报。。

2 研究方法

2.1 自然灾害风险指数法

自然灾害系指自然变异超过一定的程度，对人类和社会经济造成损失的事件。自然灾害风险 指未来若干年内可能达到的灾害程度及其发生的可能性。自然灾害风险评估（Risk Assessm ent of Natural Disaster）是指通过风险分析的手段或观察外表法，对尚未发生的自然灾 害之致灾因子强度、潜在受灾程度,进行评定和估计，是风险分析技术在自然灾害学中的应 用［14］。

胡蓓蓓等：天津市区及近郊区地面沉降灾害风险评估与区划中国人口•资源与环境 2008年 第4期[HT] 一定区域自然灾害风险是由自然灾害危险性(hazard)、承灾体的易损性(vulnerability)两 个因素相互综合作用而形成的［15］。近年来，一些学者认为防灾减灾能力(emergen cy response & recovery capability)也是制约和影响自然灾害风险的因素［16～17］ 。

自然灾害危险性，是指造成灾害的自然变异的程度，主要是由灾变活动规模(强度)和活动频 次(概率)决定的。一般灾变强度越大，频次越高，灾害所造成的破坏损失越严重，灾害的风 险也越大。承灾体的易损性，是指在给定危险地区存在的所有任何财产由于潜在的危险因素 而造成的伤害或损失程度，其综合反映了自然灾害的损失程度。一般承灾体易损性愈低，灾 害损失愈小，灾害风险也愈小。防灾减灾能力表示受灾区在长期和短期内能够从灾害中恢复 的程度，包括应急管理能力、减灾投入、资源准备等，一般分为工程性防灾减灾措施和非工 程性防灾减灾措施。防灾减灾能力越高，可能遭受潜在损失就越小，灾害风险越小［18 ］。

基于以上认识，自然灾害风险数学计算公式为：

式中：Dr-灾害风险；H-危险性；V-易损性；R-防灾减灾能力。

2.2 GIS空间分析方法

主要运用ArcGIS空间分析中的内插分析、重分类和栅格运算等。内插分析（Interpolate to

Raster）对矢量点数据进行内插产生栅格数据，每个栅格的值根据其周围（搜索范围）的 点的值计算。ArcGIS栅格分析模块中，通过栅格插值运算生成表面主要有三种实现方式：反 距离权重插值（IDW）、样条函数插值（Spline）和克里克插值（Kriging）。重分类（Recl assify）即基于原有数值，对原有数值重新进行分类整理从而得到一组新值并输出；重分类 一般包括新值替代、旧值合并、重新分类和空值设置四种基本类型。栅格运算（Raster Cal culator）指两个以上层面的栅格数据系统以某种函数关系作为复合分析的依据进行逐网格 运算，从而得到新的栅格数据系统的过程。对多个栅格数据进行运算，常用于综合评价 ［19］。国外学者利用GIS空间分析方法对地面沉降灾害时空变化进行了科学预测［2 0］，Ki-Dong Kim等［11］利用该方法对废弃地下煤矿的地面沉降危害进行了可靠 评估，本研究将借鉴他们的成功经验首次对地面沉降灾害风险进行评估与区划。

2.3 加权综合评价法(WCA)

加权综合评价法综合考虑了各个因子对总体对象的影响程度，是把各个具体的指标的优劣综 合起来，用一个数量化指标加以集中，表示整个评价对象的优劣，因此，这种方法特别适合 于对技术、决策或方案，进行综合分析评价和优选，是目前最为常用的计算方法之一［ 17,18］，计算公式为：

式中：Vj是评价因子的总值；Wi是指标i的权重；Dij是对于因子j的指标i的归一 化值；n是评价指标个数。

3 地面沉降灾害风险评价指标体系

3.1 地面沉降灾害系统模式的构建

基于自然灾害系统理论［21］，区域自然灾害系统是由孕灾环境、致灾因 子和承灾 体共同组成的地球表层异变系统，灾情是这个系统中各子系统相互作用的结果（见图2）。

地面沉降孕灾环境主要受区域地貌类型、含水岩系、

水文地质构造条件和地下流体资源等共同影响，这些环境条件在一定程度上能加强或减弱地面沉降致灾因子，直接影响灾情。

地面沉降灾害影响因素非常复杂，总体可以归纳为自然和人为两大因素。自然因素中， 包括 构造活动引起的沉降、软弱土层形成的沉降以及地震活动等引起的沉降；人为因素中，过量 开采地下流体资源以及大规模的工程建设等均可引起地面沉降。许多研究表明，天津地区地 面沉降最主要的致灾因子是过量开采地下流体资源和现代构造沉降［2,22］。

地面沉降灾害承灾体主要包括地面沉降影响地区的建筑物、地面标高、市政给排水管线等生 命线工程和人口等，他们的数量和质量（脆弱性强度）是地面沉降成灾的重要因素。

地面沉降灾害灾情是地面沉降致灾因子、孕灾环境和承灾体相互综合作用的产物，主要包括 建筑物下沉变形、市政给排水管线受损等生命线工程受损，以及由其间接导致的风暴潮灾害 加剧、土壤盐渍化、地下水质破坏和洪涝加剧等。

3.2 地面沉降灾害风险评价指标体系的建立

从系统论观点出发，根据自然灾害风险指数法的理论，遵循科学性、综合性、主导性、层次 性、动态性和可操作性原则，地面沉降灾害风险指标体系包括危险性、易损性和防灾减灾能 力三个因素，在此基础上根据地面沉降灾害的特点确定因子层。

与地震等突发性灾害不同，地面沉降是缓发性并逐年累积的，因此累计地面沉降量是反映地 面沉降危险性的主要指标。此外，有些学者还用地面沉降速率来划分地面沉降危险性［ 9,12］。1986年以来，天津市通过控制浅层地下水开采量、调整开采层位和人工回灌等措 施，地面沉降趋势得以缓解；因此，年代越近的地面沉降速率越能反映地面沉降发展趋势 。为了反映地面沉降未来发展趋势，我们对1985-1990年、1990-1995年、1995-2000年 和200 0-2005年的地面沉降速率进行加权求和计算出加权算术平均速率，采用特尔斐法确定其权重 依次为0.1、0.2、0.3和0.4。此外，由于地下水开采是研究区地面沉降最主要的致灾因子， 虽然近年来研究区逐年压减地下水开采量，但是由于生产生活需要，在一定时期内研究区仍 将开采地下水，因此，地下水开采强度也是研究区地面沉降危险性的一个重要指标。

一般认为社会经济条件可以定性反映区域的灾损敏度，即易损性的高低。社会经济发达的地 区，人口、城镇密集，产业活动频繁，承灾体的数量多、密度大、价值高，遭受灾害时人员 伤亡和经济损失就大。值得注意的是，社会经济条件较好的地区，区域承灾能力相对较强， 相对损失率较低，但区域绝对损失率和损失密度都不会因此而降低。同样等级的灾害，发生 在经济发达、人口密布的地区可能造成的损失往往要比发生在经济落后、人口稀少的地区大 得多。社会经济易损性分析一般以一定行政单元为基础，从而可直接利用各类统计报表与年 鉴［23］。由地面沉降灾害系统模式可知，地面沉降灾害主要承灾体是建筑物、市政 给排水管线等生命线工程、地面标高等，地面沉降对这些承灾体造成的破坏和损失，会直接 或间接影响到区域社会经济发展和人民生产生活；因此，本文选取了人口密度、单位面积GD P及建设用地比重三个因子来反映地面沉降灾害易损性。

天津市控沉工作主要围绕监测和压缩地下水开采量展开，因此，每平方公里水准测量公里数 和地下水压采量占开采量的比重是影响防灾减灾能力的两个主要因子；此外，随着一个区域 城市化水平的提高，区域人口素质、文明程度、居民防灾减灾意识、区域科研水平、经济发 展水平以及政府执政管理能力等都会相对提高，区域总体防灾减灾能力也将随之提高，因此 ，在一定程度上城市化水平也能反映区域防灾减灾能力。

具体评价指标体系及其权重见表1，各因子的权重利用特尔斐法确定。

3.3 指标的量化

地面沉降灾害风险评价的目标集分为5级，即低级、较低级、中等级、较高级和高级。评价 指标是数学模型中的变量，必须量化。因此，表1中的指标应进行无量纲处理和定量转化。首先根据对地面沉降灾害风险的贡献率大小，在Spatial Analyst中选择Reclassify进行重 新分类，将每个指标分为1、2、3、4和5五等，分别对应的风险等级为低级、较低级、中等级、较高级和高级（见表2）。如将累计地面沉降量分为＜300mm、300～600mm、600～900mm、900～1 200mm和＞1 200mm 5个 等级，当某个评价单元累计地面沉降量为＜300mm时，即重新分类 后 的取值为1，该指标对应的地面沉降风险性评价目标是低级；当某个评价单元累计地面沉降 量为＞1 200mm时，即重新分类后的取值为5，该指标对应的地面沉降风险性评价目标是高级 ；其他依此类推。

3.4 数据来源

天津市自1986年开始实施三年一期的控沉措施，并在国家原有高程控制网的基础上逐年增设 水准测量点，现已形成覆盖全市范围的地面沉降水准测量网。截至2006年11月，全市范围 内共有一等水准测量路线1 520.2km，二等水准测量路线4 855km，共有2 003个水准测 量点①。本文选 取19 85－2005年天津市水准测量点监测数据，计算得到每个监测点的累计地面沉降量和地面沉降 速 率，并利用ArcGIS9.1 中Spline插值法进行空间插值，栅格单元大小为200m×200m，地下水 开采强度由1985-2005年地下水开采量计算整理所得；按区统计的人口、经济数据根据《天 津市统计年鉴》相关数据整理计算所得［13］；按区统计的建设用地面积来自《天津 市土地利用变更调查数据汇编》②；防灾减灾能力由截至2005年底水准测量数据和1985-2005年地下水 开采量计算整理所得。为保证良好的空间重合性，各评价因子数据图均在滨海新区地形图的 基础上进行数字化，形成统一的坐标系和投影系统。由于GIS空间分析功能采用栅格数据结 构为基础，实现各种代数和逻辑运算［24］，因此本文利用ArcGIS中F eatures to Raster功能将数字化后的矢量数据转化为栅格数据。

4 天津市区及近郊区地面沉降灾害风险评估与区 划

对于地面沉降灾害风险的评估应当遵循地面沉降灾害的形成机制，结合GIS技术分别对 形成 地面沉降风险的3个因子――危险性、易损性和防灾减灾能力进行分析。首先利用ArcGIS的 空间分析方法对各个因素的因子进行叠加分析，得到地面沉降灾害危险性、易损性和防灾减 灾能力分区图（图3～图5）；在此基础上，采用加权综合评价法(WCA)，通过栅格运算得到 地面沉降灾害风险区划图(见图6)。

4.1 天津市区及近郊区地面沉降灾害危险性、易损性和防灾减灾能力

综合考虑了1985-2005年累计地面沉降量、地面沉降速率和地下水开采强度得到 天津市区及 近郊区地面沉降危险性分区图（见图3），由图3可知：天津市区及近郊区地面沉降高危 险区和较高危险区主要位于津南区和西青区，低危险区和较低危险区主要位于市内六区和东 丽区， 1985年之前地面沉降严重的市内六区情况逐渐好转，市区地面沉降漏斗逐渐消失，初步分析 其原因主要是1986年至今市区采取了大量压缩地下水开采量等措施，多年来中心市区地下水 开采量维持在较低水平，地下水开采量已经低于可开采量；而津南区和西青区地面沉降危险 性大主要原因是地下水开采以及地热大规模的开发利用。目前，津南区主要沉降漏斗分布 于咸水沽镇、津南经济开发区至葛沽镇一带，基本与图中津南区高危险区分布一致；西青区 主要沉降漏斗分布于杨柳青镇、辛口镇、张家窝镇、南河镇和大寺镇，基本与图中西青区 高危险区分布一致。

综合考虑人口密度、地均GDP和建设用地比重得到天津市区及近郊区地面沉降易损性分 布图（见图4），由图4可知：总体来说，市区的易损性比近郊区大，因为市区承灾体的数量 多 、密度大、价值高，一旦地面沉降达到一定程度导致建筑物倒坍、生命线中断等灾难时人员 伤亡和经济损失就大。其中高易损区为市中心的和平区，低易损区为北辰区和西青区。和平 区是天津市经济最发达、人口最密集、商业最繁荣的区，2005年和平区的人口密度达43 845 人/km2，单位面积生产总值59 379.69万元/km2；而北辰区和西青区相对来说人口稀疏 、经济落后 ，西青区是研究区人口最稀疏的区，人口密度为556人/km2，北辰区是研究区建设用地比 重最低的区，其比重为32.87%。

单位面积生产总值综合考虑每平方公里水准测量公里数、地下水压采量占开 采量的比重和城市化水平得到天

津市区及近郊区地面沉降防灾减灾能力分区图（见图5），由图5可知：总体来说市区防灾减灾能 力强于近郊区，这与研究区实际控沉工作相符；此外，随着城市化水平的提高，相对来说， 市区人口素质高、防灾减灾意识强、政府管理能力强，并且财政收入高，防灾减灾有充足的 资金保证。

4.2 天津市区及近郊区地面沉降灾害风险区划

根据自然灾害风险数学计算公式和表1中的指标体系和权重，计算了天津市区及近郊区地面 沉降灾害系统的风险度，应用GIS技术，编制了天津市区及近郊区地面沉降灾害风险区划图 （见图6），并对地面沉降灾害风险进行了分析。综合考虑各因子指数编制的地面沉降灾害 风 险分布有以下特点：津南区咸水沽镇、双河镇和葛沽镇等地遭受地面沉降灾害的风险最 大，应该加强防御；地面沉降灾害风险次高值主要分布在津南区最高值的及西青区的杨 柳青镇、辛口镇、张家窝镇、南河镇，这些区域地面沉降灾害危险性大，防灾减灾能力较弱 ，因此地面沉降灾害风险较大；东丽区东北部和北辰区东北部是研究区地面沉降灾害风险度 最小的区域，这些区域地面沉降危险性较小，人口相对较少、经济相对落后，因此风 险度最小。

5 结 论

综合考虑危险性、易损性和防灾减灾能力，形成了一套基于GIS的从数据采集空间属性数 据库建立指标体系选择评价分析地面沉降灾害风险区划的技术路线和方法体系；构建 了地面沉降灾害系统模式；建立了地面沉降灾害风险区划的基本评价指标体系，并提出了其 数量化方法。以天津市区及近郊区为研究区，构建了与地面沉降灾害相关的1:1 000 000比 例 尺空间图形数据库；以200m×200m的区划单元对地面沉降风险进行了空间分析，最终编制了 研究区的地面沉降灾害风险区划图。

地面沉降危险性评价表明，高危险区主要位于津南区和西青区；易损性评估表明，高易损区 主要位于和平区；防灾减灾能力评价表明，市区防灾减灾能力相对较强，而近郊区相对较弱 ；风险区划表明高风险区主要位于津南区咸水沽镇、双河镇和葛沽镇等地。由研究结果可 以看出，目前津南区和西青区应该成为天津市区及近郊区地面沉降灾害防御的重点。

本研究主要是用来为天津市区及近郊区政府机构制定资源分配、制定高级防御管理计划决策 、提高公众对地面沉降灾害成因和控制方法的认识等提供帮助。但由于资料和水平有限，难 免有考虑不足之处。

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第4篇：科研用地评估方法范文

关键词：盲人 大场景空间表征 定向行走 研究范式

分类号：G761

大场景空间表征是个体头脑中关于物置与空间关系的表现和存在形式，是个体对大场景空间环境（large-scale space）所形成的内部表征。对环境形成精确的内部表征是个体行走导航的关键。空间范围包括小场景空间（small-scale space）和大场景空间，小场景空间是指人身体不动，视线或躯体能够接触到的范围，这种范围内的空间表征往往涉及的区域较小，如地图、桌面布局等；而大场景空间是指人需要通过移动，空间更新才能接触到的环境，这种范围往往较大，如社区、商场等。盲人大场景空间表征的研究范式是主要以盲人为研究对象（明眼人作为对照），采用系统的研究程序、有效的数据收集方式考察盲人利用非视觉渠道（听觉、触觉、本体觉等）对日常生活环境形成内部表征的研究方式。研究盲人的大场景空间表征对于盲人的定向行走具有重要意义，通过对盲人空间表征特点的研究，我们可以为盲人的定向行走教学提供理论信息，同时为盲人行走辅具开发提供智力支持。

盲人大场景空间表征的研究发轫于国外上世纪80年代初期的明眼人空间表征研究，同时这些研究也借鉴了盲人定向行走的相关教学方法，之后融汇了多个学科的研究方法和技术，逐渐形成了今天多学科交叉的研究范式。目前，国外关于盲人大场景空间表征的研究比较成型，已经较为系统地探讨了盲人在各种环境下的空间表征特点，并根据这些特点设计出了辅助盲人定向行走的设备，如TALK SIGNS，Sonic Guide，Personal Guiding System等，这些设备较为有效地帮助盲人在日常生活环境中行走探路。而空间表征具有文化特征，我们不能把国外关于盲人空间表征的特点的结论直接移植到我国的盲人群体，国内目前关于盲人大场景空间表征的实证研究非常缺乏，更多的是从理论探讨的角度入手，这种现状不利于我们客观地了解我国盲人的空间表征特点，不利于我们开展定向行走工作。通过对近三十年来的文献梳理，笔者发现自上世纪80年代以来，国外盲人空间表征研究主要的研究方法为实验法、问卷法、访谈法等，其中实验法最为盛行，也是主流的研究方法。本文将介绍国外实验法中运用较多的几种研究范式，为我国研究盲人大场景空间表征提供参考，从而促进我国盲人大场景空间表征的研究，为今后的定向行走训练提供理论基础和策略支持。

1、基于实地导航的现场研究范式

实地导航的研究范式是盲人大场景空间表征研究最为普遍的一种范式，是一种典型的现场研究（6eldresearch）。Downs和Stea于1973年探讨了明眼人空间表象理论及相关内容之后，诸多研究开始在实地环境中探究人们空间表征的特点，这种范式逐渐成熟，于20世纪80年代中期逐渐被应用于盲人定向行走领域，之后更广泛出现于地理行为学、环境心理学等学科领域，尤其是美国加州大学圣巴巴拉分校的地理行为学家Golledge等人运用该范式对盲人进行了大量研究。该研究范式包括行走路径和空间任务测试两部分。一般程序是首先让被试在现实环境中行走一段路程，这一段路程是由主试带领被试行走的，在带领的过程中，主试告知被试行走路径上的地标，走到终点之后，主试带领被试从另外一条路径回到起点。剩下几轮由被试自己独立行走这一段路径，主试在被试后面保证他的安全并记录其探路表现，包括离线行为，如迷路、走到岔口，也包括行走时间。除了探路表现，最主要的是测试被试的空间表征情况，如地标知识、路径知识和场景知识的测量。

实地导航的研究范式一般包括两种环境下的研究，一是自然环境，二是人工环境。自然环境是指日常生活的环境，如居民区、商场、校园等，这类环境贴近我们的生活，也是我们每天需要接触的，研究起来很有价值，对于盲人定向行走指导意义较大。如Gollege，Bla-des和Kitchin等人分别在美国的圣巴巴拉和英国的贝尔法斯特的户外场地进行了两个实验研究，这两段路径都是居民区，长度分别为2千米和1.6千米，岔口分别为15个和16个，街道形状分别为格子状和不规则状。实验是逐个进行的，两个实验各自有4轮，第一轮由主试带领被试行走，主试告知被试行走路径上需要识记的地标，行走结束后，主试将明眼人的眼睛用眼罩蒙起来，从另外一条路径返回起点，然后剩下的三轮由主试独自行走，行走的过程中，明眼人将眼罩取下来，在行走的过程中主试在后面保证被试的安全，并测试他们的表现，测试包括指向和走捷径，之后还在实验室完成地标再认、路径距离估计、言语描述路径和摆模型等任务，综合考察被试的地标知识、路径知识和场景知识。研究结果发现，盲人在独自行走第一轮的表现弱于明眼人，但是在最后一轮已经与明眼人没有差异了，研究者认为盲人也可以对现实的复杂环境形成场景表征。人工环境的研究，往往是在人工迷宫中进行。在人工迷宫中，主试可以任意设置行走路径的布局，包括在形状、难度等方面进行调整。如Passni等人在室内设置了一个大型的人工迷宫，让盲人和明眼人在迷宫中行走，被试需要完成8个任务，包括学习新路径、返回起点、整合路径、场景转换、指向、走捷径、心理旋转和空间协调等，然后从三个方面收集数据，包括完成任务成功与失败的次数，每个任务所犯的错误及所需要的时间，结果发现先天盲被试的表现最好。Schi-nazi在大学校园的空地上设置了一个大型的迷宫，迷宫长和宽为100米和50米，然后利用该迷宫测试盲人的空间表征知识和探路行为，前者的测量包括指向、距离估计和模型建构，而后者的测量利用GPS追踪仪测评被试的行走轨迹以及探索模式。

基于实地导航的现场研究范式是考察盲人大场景空间表征的有效方式，该研究的生态效度较高，与盲人的定向行走训练联系紧密，其中的研究程序多来自于盲校的定向行走教学，研究得出的结论可有效地支持盲人定向行走训练。如，已有研究发现盲人偏好以自我中心参照框架编码环境信息，那么在给盲人指路时，应该以盲人中心的角度来为其指路，如“公交车站就在你的右手边”，而不应该以环境中心的方式指路，如“公交车站在银行的南部方向”。另外，基于实地导航的研究发现触觉地图可以有效支持盲人户外定向行走，那么可以在公共场合，如公园、商场设置触觉地图，让盲人形成对该区域的精确表征，对整个环境布局提前感知，从而有效地在其中探索行走。与此同时，该类型研究的考察指标较多，不仅包括空间表征指标，而且还包括行走探路指标，多指标的汇聚增加了整个研究的效度和说服力。目前，该范式的一个发展特点是利用一些先进的导航设备（如GPS导航仪），辅助盲人定向行走，比较不同设备提升盲人空间表征及行走探路的作用，鉴定相关导航设备的适用性。当然，实地导航的研究范式也存在一定弊端，如额外变量的控制、研究工作耗时耗力，尤其是额外变量的控制最为艰难，在户外环境研究，会遇到较多不可控的情况，而人工环境的研究虽然可以相对控制好额外变量，但弊端是生态效度不如自然环境研究好。此外，它的研究过程也比较繁琐，因为是逐个单独进行实验，被试是盲人，行走不方便，主试需要一对一操作，每个被试需要用时1到2个小时，几十个被试就需要很大的工作量。针对以上问题，为了研究盲人的空间表征，有人提出了基于言语描述的空间心理模型研究范式和基于计算机的虚拟技术虚拟环境研究范式。

2、基于言语描述的空间心理模型研究范式

空间心理模型（spatial mental model）是个体根据言语描述在内心建构的关于文本所指环境的空间结构。基于言语描述的空间心理模型研究范式也是来源于明眼人的研究，这种研究比较新颖。Noodingz等人于2006年在盲人群体利用言语描述的方式探究盲人的大场景空间表征，之后这类研究逐渐被研究者所认可。这类研究是在实地导航范式基础上发展起来的，实地导航的范式需要个体在现实环境中经历一段路径，然后再进行空间表征任务的测试，而基于言语描述的空间心理模型研究范式是通过言语描述的方式让被试在内心建构心理表征的过程，研究的目的是探究盲人利用言语描述建构空间表征的特点以及影响因素。这类研究一般会涉及到两种角度的言语描述：路径角度（route perspective）和场景角度（survey perspective），前者是从地面导航者的角度进行描述的，如“银行就在你的左手边”，而场景角度从地形图的角度来描述的，一般会涉及到主方向（cardinal direction）的阐述，即东西南北，或者是场景物体之间的相互关系，相应的描述为“银行目前在你的西边”，“银行在邮局的斜对角”。路径角度的描述基于自我中心参照框架，而场景角度的描述基于环境中心参照框架。空间心理模型范式的典型研究程序是让被试听两种角度类型的言语描述，言语描述包括了环境空间结构的布局，然后测试被试建构的空间心理模型。测试包括判断描述环境结构的句子正确与否，建构文本描述中的物理模型等。

Schmidt和Tinti等人让先天盲和明眼人听取两个地方的言语描述，每个地方的描述包含路径和场景角度，即被试一共要听取四段言语描述，其中某个地方的路径角度描述为“沿着公路一直往前走，有一个湖泊在你的右边，一个小镇在你的左边”；而某个地方的场景角度描述为“景点坐落在一个湖泊的旁边，它的边界就是通向北方的五号高速公路”，听完之后，被试需要回答30个陈述句所阐述的内容是否正确，正确和错误的句子各占一半，其中语言描述内容包括了空间结构组织，如果被试仅表面上记住了语言内容，并不能正确回答所有的问题，因为有的问题还需要空间推断或空间计算。如，“当你沿着公路向前走，会发现湖泊在你的右边，而在大山的山脚，也就是在你的左边，有一个温泉，在温泉的前方，有一个大型医疗中心”，在句子判断任务中，你需要判断“在你到达医疗中心之前，会发现温泉在你的左边”这个句子是否正确。做完句子任务之后，被试需要将言语描述环境的空间布局用木块在一个白板上摆出来，研究者通过坐标系统计算被试摆放模型的精确性。之后，研究者还通过访谈探究被试编码空间言语信息运用的策略，策略分为言语记忆策略和想象策略两类，前者是努力记住文本信息的方法，后者是想象地标或者自己身居环境中的方法。结果发现，明眼人在句子判断正确性和摆放模型精确性上都比盲人好，运用策略方面，在场景角度的语言描述中，明眼人更倾向于使用想象策略，而盲人较多使用言语记忆策略。但是部分盲人也使用了想象策略，使用这种策略的盲人在以上两个任务的表现明显比使用言语记忆策略的盲人好，这些使用想象策略盲人的表现与明眼人相似。Noodingz，Zuidhoek和Postma的研究欲考察盲人是否可依靠语言描述形成关于环境的空间心理模型，该研究采用了再认，启动（recognition/priming task）、直线距离比较（a bird flight distance com-parison task）和空间物理模型任务（a scale model task）的方式考察盲人的表征特点，即到底是空间表征还是言语表征。在再认，启动任务中，研究评估被试是空间启动还是言语序列启动，如果是空间启动，那么被试建构的是空间表征，反之，则是言语表征。在直线距离判断任务中，被试需要判断言语描述中的两段距离，如果这两段距离差异越大，被试的反应时和正确率指标表现越好，那么他们建构的是空间表征，因为被试是根据空间距离来判断的；如果两段距离差异越大，被试的反应时和正确率的表现没有提升，说明被试是依据言语距离（两个句子之间隔的字数）来判断的，他们建构的是言语表征。在模型放置任务中，被试如果能够正确摆出物体之间的空间位置，说明他们的表征类型为空间表征。研究还考察了盲人是否更偏爱路径角度的语言表述形成空间表征。总的结果发现，盲人和明眼人都能够根据言语描述形成空间表征，而盲人基于路径角度言语表述的空间任务操作得更好。

个体对空间环境形成内部表征，不仅可通过直接的方式，如实地行走，还可通过间接的方式，如言语描述、地图阅读等途径。通过这类研究，研究者可以了解盲人的空间表征特点，即盲人是否在借助于语言的情况下，也可形成对环境的精确表征；相对于场景角度描述，盲人是否更加偏爱路径角度的语言描述；盲人在记忆语言文本时，采取了哪些策略，这些策略的使用是否影响空间表征的形成。基于言语描述研究范式的优势是可借助于语言描述在较为节省时间和精力的条件下获得对盲人大场景空间表征的评估；另外，这类研究的无关变量控制好，内部效度较高，因为是在实验室借助于计算机进行的，免去了户外环境额外因素的干扰，数据收集也比较准确、高效。但是，以往这些研究也存在一定弊端，语言描述都是基于研究者假想的环境，这些环境往往是精心设想的，是为研究目的服务的，如Noodingz，Zuidhoek和Postma的研究里面涉及到的各个地点，都很巧合，研究者比较容易印证自己的研究假设，而现实的环境往往比较复杂，从这种研究得出的结论是否可推广到现实环境还值得商榷。尽管如此，该类研究还是值得认可，因为盲人平时接触的语言描述比较多，通过语言描述就能够在短时间内比较方便、快捷地获得对环境的空间表征。如果以后这类研究增加生态效度，考察基于真实环境语言描述的空间表征将会更有意义。这类研究也可与认知神经科学相结合，了解基于言语描述条件下盲人建构空间表征的神经网络激活现象，从生理层次揭示盲人空间表征的加工机制。

3、基于计算机虚拟技术的虚拟环境研究范式

虚拟技术理念是上个世纪美国著名的计算机学家Ivan Sutherland于1965年提出的，后来美国VIaL公司的创始人之一Jaron Lanier于80年代初最先提出虚拟现实概念（Virtual Reality）。90年代以来国外研究人员纷纷利用虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）进行多个领域的研究，包括航天、医疗、教育、心理和休闲娱乐等，其中残疾人康复方面的研究引人注目。此类研究范式也是在实地导航的研究范式基础上发展起来的，盲人因为缺乏视觉，导致行动不便，所以研究者利用计算机虚拟技术对环境进行模拟，让盲人提前在虚拟环境中方便快捷地感知环境，形成对环境的精确表征，然后再过渡到实地环境中行走导航。同时，该研究范式的提出也是为了克服实地导航研究范式中的一系列问题，如现场研究不容易操纵环境变量，也不容易控制额外变量等问题，而在虚拟环境中，这些问题基本都可以得到解决。所以目前此范式在空间导航研究中得到了广泛地采用。Lahvav和Miodusr于2004年首次利用该范式对盲人虚拟环境的空间表征进行了研究，开始研究模拟的环境为小场景环境，之后Merabet和Sanchez也对盲人大场景的现实环境进行了研究。

这类研究分为两类，一类是盲人在模拟现实的虚拟环境中进行导航，然后测试其在虚拟环境中的表现，研究一般考察的是他们对于虚拟技术的使用情况，同时考察对模拟现实环境的空间表征情形；另一类是转化研究（transfer research），因为任何的训练支持，其效果终究要在现实的环境中接受检验，此类研究是针对其在虚拟环境中获得的场景性表征应用于现实空间任务的情况。第二类研究越来越多，也更加具有应用价值。

对于第一类研究，比较有代表性的是Huang的研究，该研究目的是调查盲人在3D性质的虚拟环境探索的过程，同时调查对虚拟环境的空间表征情况。研究过程包括3个阶段：学习期、测试期和访谈期。在第一个阶段，被试需要在主试的指导下，熟悉虚拟技术系统，在经过不断地学习了解了实验的目的之后，就进入了测试期；在测试期，被试需要完成两种任务，包括寻找物体和走出迷宫；最后让被试回答相关的问题，包括虚拟技术的使用情况及空间表征情形。研究结果显示所有人都能够在声音及触觉线索的提示下完成任务，通过言语描述的形式，了解到盲人能够对迷宫形成较好的场景性表征。Huang另外的研究环境是模拟的现实生活环境，包括学校、工作场所和室内建筑。研究目的与她前一个研究相似。被试为5名成年盲人，皆为全盲，所有被试要完成三种条件下的两种任务，即在基于听觉、触觉、听觉和触觉结合技术的虚拟环境中完成寻找物体和走完路线的任务。研究程序与上一个研究一样。结果发现，几乎所有的被试都能够较好地完成任务，形成对模拟现实环境的场景性表征，只是听觉和触觉结合的情况下，被试完成得最好。

对于第二类研究，Lahav等人将31名盲人分为两组，实验组为21人，控制组10人，实验组通过虚拟环境的练习，之后过渡到实地陌生环境中进行空间定向任务的完成；而控制组则直接在实地环境中练习，之后在实地环境中完成空间定向任务。结果发现，实验组盲人的认知地图普遍较好，他们对房间的物置描述更清楚，而控制组遗漏了较多的物件；在最后的现场空间任务中，包括寻找物件和路线确认，结果控制组的表现显著比实验组差，控制组在此过程中表现出了更多的停顿、情绪烦乱现象，并且更多人没有完成任务。另外的一个研究，被试包括明眼人和盲人两组各4名，明眼人需要用眼罩包住眼睛。实验任务有两个：一是绘制认知地图。先进行虚拟地图的探索，然后用磁铁棒在磁铁板上摆放虚拟环境中的空间线路，通过对摆放的线路及物件的准确性进行评估。二是在陌生的真实环境中定向行走。也是先在虚拟环境中进行线路探索，之后形成认知地图，再到现实环境中行走，通过前一阶段形成的认知地图导航探路。结果发现第一个任务所有被试都能完成，但是盲人的认知地图摆放得更快，在第二个任务当中，盲人中有3人完成，仅有1人不能完成。说明虚拟技术可以帮助盲人形成良好的认知地图，并且在现实环境中可以较好地定向行走。

以上研究指出盲人可借助虚拟技术进行空间表征的建构，甚至通过建构的内部表征指导实际的行走导航，这些研究不仅呈现了实验的数据结果，而且还呈现了详细的定性结果，如被试的作品、心理感受等，这可让研究结果得到交叉验证。此外，这类研究往往让被试在计算机虚拟环境中探路导航，比较安全、快捷，它的内部效度高，数据收集方便，是一种有效研究盲人空间表征的研究范式。但这类研究也有一些问题。首先，这些研究模拟的环境都比较简单，在这些虚拟环境下建构的空间表征往往与现实环境的空间表征存在一定差距，虚拟环境缺乏真实环境行走条件下的本体觉、前庭觉线索，而这两种线索对于盲人建立空间表征至关重要，盲人可能并不适应这种虚拟环境的探索，那么建立的空间表征也不完善；其次，样本量少，结果的说服力不够强，结论的推广性较差；再次，多是探索性研究，对额外的变量控制不够好，比如被试以往的3D游戏经验，有的人玩的3D游戏比较多，他能够很熟练地在虚拟环境中行走探索，建立对环境的精确表征，而有的人从来没有玩过虚拟环境游戏，不能很好地在虚拟环境中探索，不能理解虚拟环境的空间布局，影响了空间表征的形成；最后，在研究内容上，缺乏对传统的触觉地图对比研究，因为盲人传统依靠触觉地图可以较好地探索未知空间领域，形成对环境的精确表征。虽然有学者指出虚拟技术建立的空间表征相对于传统的触觉地图、言语描述要好，但实证研究阙如。近年来，基于计算机虚拟环境的研究逐渐与脑科学研究相结合，探讨虚拟环境导航中盲人的空间表征表现和生理机制。

4、基于脑科学的认知神经科学研究范式

以往诸多研究都是间接地从行为特征推知盲人内部的空间表征，其可信度往往受到质疑，近些年的研究逐渐结合行为和脑神经科学研究来探讨盲人空间表征背后的大脑生理机制。特别是Fortin，Voss和Lord等人利用脑功能成像技术对盲人的海马（负责空间表征加工）进行了测量，发现海马与被试的先前空间探路行为存在显著相关。该研究发表于2008年的Brain杂志，之后激发了一些研究者从事该领域的研究，但总体上这类研究不多。这类研究一般包括行为和脑科学研究两个部分，前者呈现被试外显的行为表现，后者是在行为结果的生理层面上解释。下面是两个典型的研究。

Fortin，Voss和lord等人的研究首先让盲人和明眼人在人工迷宫中行走导航，行走的环境为四个难度依次递增的人工迷宫，先由主试带领被试行走一次，之后由被试独自行走，在这个过程中测试被试的空间表征及探路行为，结果发现盲人的空间表征任务表现要优于蒙眼明眼人，而之后的删研究发现，盲人的海马体积显著大于明眼人，海马在个体对空间环境的记忆和表征领域扮演着重要的角色，研究还发现盲人在复杂迷宫的空间表现与其海马体积呈显著相关，在简单迷宫中的表现与海马体积的关系不明显。Kupers等人也进行了盲人空间导航的神经机制研究，该研究首先让盲人学习触觉一视觉转换设备（vision-to-tactile sensory substitution device），利用该设备，可以将虚拟环境的视觉表象以电触觉（electrotaetile）脉冲刺激的形式传递到盲人舌头上，盲人通过舌头获得对环境的了解，从而在虚拟环境中行走导航。在该研究中，被试连续四天学习这个设备，然后完成路径绘制任务，即被试要在一张纸上画出所行走的路径，通过绘制路径的精确性考察被试的空间表征，同时被试还要完成路径再认任务。研究者首先让被试在一个虚拟环境行走，再在两个备选环境中选择一个刚才行走过的路径，计算被试的再认正确率。结果在实验开始阶段，明盲没有差异，在最后的试次中，盲人的表现超过了明眼人。之后进行fMRI研究，被试仍然完成行为实验中的路径再认任务，结果明盲的再认表现没有差异，但盲人的神经网络激活状态与明眼人存在很大的差异，盲人大脑右半球旁海马的血氧水平出现了增多的现象，同时，在后顶叶皮层的上部和下部、楔前叶、前扣带回、前岛和小脑都出现了激活现象。

脑神经科学研究可以探究盲人空间表征的生理机制，为打开盲人空间表征大脑神经机制的“黑匣子”带来了希望，但是这类研究还很缺乏，并且这些研究所探讨的环境都是人工环境或者说是虚拟环境，目前几乎没有脑神经研究可以探讨盲人在日常生活环境中行走导航时大脑神经激活状态，所以今后探讨盲人在日常生活环境中导航时空间表征的生理机制非常有必要。从目前已有的研究来看，我们并不能清晰地了解盲人空间表征的深层内部机制。缺乏视觉刺激，盲人在借助听觉、触觉、本体觉和前庭觉等非视觉感知渠道编码空间信息的神经激活现象如何？空间表征是否是超通道的（Amodal）？盲人大脑神经网络是否具有可塑性？借助于语言描述，盲人形成空间表征的神经激活状况又是怎么样的？许多问题还需要研究者去解决。

5、讨论

以上几种研究范式是目前研究盲人大场景空间表征的主要方式，通过这些研究范式的探究，研究者已经获得了盲人空间表征的相关信息。这些研究范式有一个共同特点，它们基本上都源于明眼人的研究。另外，一些研究范式是在其它范式基础上发展起来的，是对前者的优化或者补充，如计算机虚拟技术范式是在考虑实地导航范式中自变量不易操纵、额外变量不易控制等问题的基础上发展起来的，而空间心理模型研究范式不同于实地导航范式，它考察了盲人基于言语描述下的空间表征情况，算是一个补充，而认知神经科学的研究范式更是在考虑前面几个范式不能探究盲人空间表征行为背后的生理机制这一基础上发展起来的。

综合近些年的发展趋势，笔者发现国外盲人大场景空间表征的研究有以下发展趋势。

一是多个学科交叉结合。盲人大场景空间表征研究中学科交叉的两个典型学科为地理学和心理学，研究心理学的托尔曼早在1948年就开始研究老鼠的空间表征，也即认知地图。之后有研究者将认知地图的研究与地理环境的研究结合起来，探讨人与环境互动过程中的心理特点，逐渐产生了环境心理学，而实地导航的研究范式便是环境心理学非常普遍的一种研究范式。心理学和地理学的结合不仅产生了心理学的分支，而且还产生了地理学的一个分支——地理行为学，美国圣巴巴拉大学的Golledge是该分支学科的创始人。他主张运用地理学的研究方法，探究在人在地理环境中的感受，该学校的地理行为学研究团队运用地理学和心理学相关研究方法进行了大量的盲人大场景空间表征研究。之后，其他学科加入研究盲人空间表征的行列，包括语言学、计算机技术、人工智能学等，这些学科不仅利用自身学科的优势方法进行研究，而且还结合其他学科实现跨学科的合作，研究盲人的大场景空间表征，如空间心理模型的研究范式便是心理学、语言学的结合，计算机虚拟技术的研究范式便是心理学、计算机技术和人工智能学的产物。认知神经科学的研究范式是脑科学与虚拟环境相结合的产物。

二是逐渐重视各种范式、各个环境的结合。如在计算机虚拟技术的研究中，不仅重视虚拟环境对于盲人空间表征的建构，而且还重视将这种建构的空间表征运用到现实环境中去，如Lahav and Mioduser等人的研究就很好地结合了计算机虚拟技术和实地导航两种研究范式，这种有机结合有利于盲人建构对环境的精确表征，从而利用这种表征为现实的行走导航服务。英国的Schinazi运用了实地导航的范式探讨了两种环境下盲人的空间表征，一种环境是熟悉的环境，也就是被试熟悉的大学校园，另一种是被试陌生的人工迷宫环境，研究者通过对两种环境的比较，分析盲人在不同熟悉环境下的空间表征特点。

三是运用多个指标对研究结果进行交互印证。其实较早考察盲人空间表征的指标为指向和距离估计，但是到后来研究者发展出了多种评估方法，如地标再认、地标再现、言语描述、走捷径、摆出空间模型等方式，这些评估方法的综合运用，不仅可以全面评估盲人大场景空间表征的知识，也可以对研究结果交叉验证。

第5篇：科研用地评估方法范文

关键词 二氧化碳;气候变暖;环境恶化;地质封存;可持续发展

中图分类号 P467:P5:X1 文献标识码 A 文章编号 1002-2104(2010)03-0009-05 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2010.03.002

由气候变化引发的天气异常和极端灾害事件已经初见端倪,尽管各国都在积极开发太阳能、核能、风能、水能、潮汐能、生物质能等新能源,但这些新能源所占比例较有限,以煤、石油、天然气为主的化石能源仍将在21世纪人类能源消费结构中占主体地位。这就意味着本世纪直接消耗化石燃料所产生的温室气体排放量将持续增加,如不采取措施加以遏制,由此引发的全球气候变暖、环境恶化状况将继续加剧。为避免全球气候变暖给人类和整个地球环境系统带来的灾难性后果,积极采取减缓全球气候变暖和地球环境恶化的措施迫在眉睫。目前,减缓全球气候变暖与环境恶化的关键问题就是要大量减少以CO2为主的温室气体排放,其中施行二氧化碳捕集与地质封存(CCS)是大量减小温室气体排放最有效的途径。本文主要论述我国CO2地质封存潜力及可行性,分析CO2地质封存与实现我国可持续发展的关系。

1 CO2地质封存原理和条件

CO2地质封存实质上就是把CO2这一主要的温室气体压缩至超临界状态(温度高于31.1℃,压力高于7.38MPa),并注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行长期安全(千年至万年尺度)的封存和隔离。其目的是在一段时间内减少大气中CO2排放量,减缓全球变暖与地球环境恶化,为开发新的可再生清洁能源利用技术提供充足的缓冲时间。

CO2地质封存主要包括物理封存和化学封存两种基本机制。其中,物理封存机制就是通过地层构造压力、地下水动力、流体密度差、盖层岩石孔隙毛细压力及矿物(煤层)吸附等共同作用下,将超临界CO2捕获于储层顶部孔隙中。被捕获于储层中的一部分CO2以溶解态分布于地下水中并随地下水以极低的速度运移,另一部分可能会被吸附于特殊岩层(煤层)表面。化学封存机制就是指储层中岩石矿物、地下水溶液与注入的超临界CO2流体在一定的温度和压力条件下发生缓慢的化学反应,生成碳酸盐矿物(碎屑岩储层)或碳酸氢根离子(HCO3-)(碳酸盐岩储层),从而把二氧化碳转化为新的物质固定下来。其中,物理封存机制在很大程度上受地质构造、地应力状态、地下水动力特征及工程活动扰动等制约,单纯的物理捕获CO2流体只是将CO2暂时封堵在地下岩层中,在地质时期存在泄漏的风险。化学捕获方式是最有利于长期安全固碳的,但是,目前化学方式封存CO2要求储层具备的条件较为苛刻,合适的储层较为有限,因为这种方式可以将CO2通过化学反应转化成新的岩石矿物成分,基本不存在泄漏的问题,其固碳容量极为有限。一般来讲,较为理想的CO2地质封存箱(封存储层)应该是物理机制和化学机制共同作用的环境,这样有利于最大限度发挥其封存和固碳容量。

为确保CO2流体长期安全封存于地层,就需要寻求适宜的储层条件。理想的CO2地质封存箱所需要的条件主要有[1-2]:

(1)有效的储层空间:储层埋藏深度一般应大于800 m,此时地层压才能确保CO2处于超临界状态,便于大量CO2流体安全封存;储层一般应具备较大厚度、水平延展长度及较大孔隙度,以确保具备大规模封存CO2的空间和能力。此外,储层的水文动力环境应较稳定,区域渗透率一般要较低一些,以保证CO2在储层中缓慢、平稳的运移,确保超临界CO2流体在地层中有足够长的滞留时间。若储层中含有能与超临界CO2流体发生化学反应的地下水溶液或岩石矿物,且具有高孔隙度、低渗透率的特征,则是较为理想的储层。

崔振东等:中国CO2地质封存与可持续发展中国人口•资源与环境 2010年 第3期(2)致密、完整的盖层岩石:目标封存箱必须具备致密、完整的区域性盖层岩石圈闭,盖层岩石应具备较低的孔隙率和渗透率,节理、裂隙等结构面不发育且连通状况差。另外,盖层岩石应具备较好的抗压、抗拉、抗剪强度及抗断裂性能(以岩石断裂韧度为指标)。这样才能降低CO2流体透过盖层岩石泄漏的风险。

(3)稳定的水文地质环境:所选封存区域降水补给与径流、排泄应达到动态均衡,具备稳定的区域性含水层和隔水层(或弱透水层),含水层的孔隙水压力较平衡(水头差不明显),地表水与深部含水层地下水之间的渗流体系较连续,而且地下水的流速、流向与盖层岩石一般应有利于构成完整的封闭系统。此外,深部目标封存箱含水层与浅部淡水(人类饮用)含水层之间的水力联系应较少,以防止污染到浅部淡水含水层,最好封存于地下咸水含水层(矿化度较高)。

(4)稳定的区域构造地质背景和内、外动力环境:一般来讲,目标“封存箱”所处地层的区域构造活动应该较少,断层、裂缝不发育或发育较少,所选封存储层应尽量远离大的穿透性断裂构造、活动断层、活火山及破坏性地震频发区;地表的地貌应处于低势能区,降雨和人类工程活动诱发的滑坡、泥石流等灾害不应过多,因为这些外动力因素可能导致地表井口密封设备的失效而使CO2泄漏。

综上所述,目前比较适合实施CO2地质封存的地下空间主要有:油藏储层和废弃的油气层、无开采价值的深部煤层(包括煤层气和未开采的煤层)中大的空洞、开采过的大洞穴、盐丘、深部咸水含水层等[3-4]。

2 中国CO2地质封存潜力和可行性

2.1 中国CO2地质封存潜力

判别CO2地质封存技术在我国是否可行,首要任务就是要进行我国CO2地质封存潜力评估,其主要指标是地质“封存箱”的有效存储容量。只有存在足够大存储容量的地质“封存箱”,才是进一步讨论地质封存技术可行性和经济可行性的前提。

根据沉积盆地和层序地层学研究成果,中国主要大型盆地分布广、容积大,沉积了多层组合的沉积体系和层序地层格架,层与层之间的相对隔水层或弱透水层构成相对较好的密封CO2的条件[5]。这些沉积盆地蕴藏着我国绝大多数已探明的煤、石油、天然气等化石能源,表明这些盆地是地质历史时期自然形成的优势存储空间,具备良好的储层和盖层体系,且存储空间容量较为可观,应该成为CO2地质封存箱的优先选择区域。

根据国外学者提供的CO2地质储存的容量计算方法[6-7],我国学者对我国主要的潜在地质“封存箱”(油气藏、煤层、深部咸水层等)的CO2存储容量进行了初步估算。估算结果表明[3-4,8-9]:我国CO2地质封存总容量为14 548亿t。其中,24个主要沉积盆地深部咸水层可埋存CO2约14 350亿t,46个含油气盆地可埋存CO2约78亿t,68个主要煤层区可埋存CO2约120亿t。按2002年中国CO2总排放量为33亿t的1/3计算,地下空间容量可供中国CO2地质埋存使用1 000年以上[4]。除此之外,我国还存在大量的盐岩空腔、砂岩透镜体构造等地下空间都存在较大的存储潜力。

当然,由于目前CO2地质封存容量评估方法研究刚刚起步,估算过程中简化和忽略了某些因素,估算公式尚需要进一步完善,再加上地质勘查工作的局限,估算出的CO2封存容量难免有较大误差。但估算结果大体表明我国现有的地质状况具备大规模封存CO2的潜力。

2.2 中国CO2地质封存的可行性

CO2地质封存的可行性评估是一个系统工程,涉及到一个国家的综合国力和和社会发展水平。除了探明具备大存储容量的储层和良好的“封存箱”储层-盖层系统外,还应主要从科学技术能力、人才储备、经济成本及效益预算、相关管理和运营体制、相关法律法规等方面进行评估。

在CO2地质封存技术方面,发达国家已有十几年的研究历史和实践经验,很多国家如美国、欧洲、澳大利亚和日本等都开展了相关的可行性研究及现场封存试验、监测工作[10-13]。国际上已有的相关研究成果使我国的CO2地质封存理论和技术研究具备了很高的研究起点和很强的前沿性。近年来,在国家政策的大力支持下,我国在CO2地质封存技术方面的研究工作已经起步,已经设立了“863”和“973”等相关课题进行专门的CO2封存地质学理论和技术可行性研究,并很快将进行CO2地质封存的现场注入试验,这表明我国CO2地质封存具备了政策和资金保障。相关科研院所(中国科学院、中国地质科学院等)、高校(中国石油大学等)及煤炭类(神华集团等)、石油类(中国石油、中国石化)等大型国企都已积极参与到这一前沿领域,为我国CO2地质封存理论、技术研究和应用提供了充足的资金、人才和科技保障。此外,我国各大油气田在油气工业的发展过程中,积累了很多技术(勘探、储层描述、模拟、容量评估、钻采与注水、地层监测、管道设备等)、运行管理经验以及关于储层-盖层系统的知识,这些都可以直接应用于CO2封存工程的封存点鉴别和选址。从经济分析角度来讲,我国具备人力资源优势,劳动力成本较低,在我国油气田和煤田实施CO2-EOR(CO2驱替采油)、CO2-EGR(CO2驱替采天然气)及CO2-ECBM(CO2驱替采煤层气)等项目有较大的利润空间,配套的CO2捕集、运输设备也有很好的基础,并在逐渐完善,这些都能降低我国CCS(碳捕集与封存)计划的成本。从政治体制来看,我国在国际上是一个负责任的大国,各项政策具有高度的集中性和导向性,有集中力量(人力、财力、物力)办大事的体制优势,这有利于我国迅速组织较大规模的CO2地质封存研究和技术攻关队伍与相关项目,为我国CO2地质封存事业提供强大的支撑。

综上所述,我国CO2地质封存是切实可行的,各方面的条件有利于有效减少我国CO2排放量,使我国早日实现低碳经济和循环经济的可持续发展模式。

3 中国CO2地质封存与可持续发展

3.1 CO2等温室气体可能引发的气候和环境灾害

国内外许多学者已经对以二氧化碳为主的温室气体排放和全球气候变暖可能带来的严重后果进行了科学预测和论证。可能引起的环境气候灾害归纳起来主要有[1,14]:

(1)全球变暖将改变海陆水汽交换和循环过程,进而导致全球降水量呈现出区域分布不均的规律,使我国局部地区水量过多而引发洪涝、滑坡、泥石流等灾害,而局部缺水地区干旱状况会加剧。

(2)季节气候变化和天气出现异常,如气温变化、灾害天气和季节更替等出现异常。

(3)冰川继续消融,冰盖面积和厚度逐步萎缩,影响极地及海-陆系统的生态环境,导致某些生物物种的灭绝。据科学网报道,全世界一些冰川正在消融,而全球变暖加剧了这一趋势。例如,在美国蒙大拿州冰川国家公园,1850年时有150座冰川,而如今只有26座冰川。专家估计,如果当前的全球变暖趋势延续下去,仅存的26座冰川将会在2030年时全部消失。

(4)全球海平面不均匀上升,沿海海拔较低区域、三角洲及岛屿将面临沉降和被海水淹没的风险,沿海的相关产业链及原有的经济和生活方式将随之改变。美国科罗拉多大学一份最新研究报告表明,全球33个人口密集的大型三角洲地区中,有三分之二正面临“地陷海升”(地面下陷、海平面上升)的双重威胁,而中国的长江三角洲、珠江三角洲及黄河三角洲将面临极为严重的洪水威胁(科学时报,2009)。

(5)气候变化导致的大规模人口迁移、灾害频发、粮食短缺、生态恶化、疾疫流行等后果将严重影响世界和平与地区社会稳定,引发一系列人道主义危机。

上述“全球变化”的潜在后果表明:人类活动可以导致气候变化,而气候变化又牵制了人类活动,人类必须限制自己的行动,走可持续发展道路。我国作为能源消费大国,更应积极采取措施减少向大气中排放CO2气体。

3.2 中国能源消费结构与温室气体排放状况

我国正处于快速发展时期,能源消费强度很高,但能源消费整体上属于粗放型能源利用方式,能源消费结构不太合理。就我国近年来能源消费结构(表1)来看,中国将长期主要依赖化石燃料(特别是煤)作为能源[15],这种能源消费状况易于造成能源浪费和环境污染,使我国面临严峻的环境压力。为了保持我国能源、经济和社会的可持续发展,(2008)提出走“中国特色新型能源发展道路”。其主要涵义是:“坚持节约高效、多元发展、清洁环保、科技先行、国际合作,努力建设一个利用效率高、技术水平先进、污染排放低、生态环境影响小、供给稳定安全的能源生产流通和消费体系”[16]。

中国不合理的能源消费结构使我国向大气排放的CO2总量迅速增加。2002年中国CO2总排放量达33亿t,占世界总排放量的13.6%,已经成为世界上仅次于美国的第二大温室气体排放国。根据我国应用自行研制的中长期能源需求和CO2排放系统(CErCmA)预测,我国2010年CO2排放为1.33-1.57Gt碳,将比2003年提高57%-85%;2020年CO2排放为1.543-2.174Gt碳,比2003年提高82%-156%[17]。预计到2025年,中国将超过美国成为世界上温室气体排放第一大国[5]。上述能源消费结构和CO2排放状况意味着我国未来将承担更大的CO2减排压力。

3.3 CO2地质封存对中国可持续发展的意义

我国不合理的能源消费结构和持续增长的CO2排放量,使得开展CO2地质封存的科研和试验工作、建立适合中国国情的碳隔离技术体系迫在眉睫,这对实现我国能源、经济和社会可持续发展具有深远的意义:

(1)CO2地质封存项目中的CO2-EOR(CO2驱替采油)、CO2-EGR(CO2驱替采天然气)及CO2-ECBM(CO2驱替采煤层气)等能有效促进剩余油、气资源的挖潜开采,提高油气田和煤田的采收率。既增加了我国化石能源的有效开采量,延长现有非可再生能源的使用年限,为新能源的开发和利用提供时间和空间,促进我国能源的可持续发展,同时又能封存一部分CO2。

(2)我国与世界其他国家共同实施CO2地质封存,能短期内有效地减少大气中CO2排放量,减缓全球变暖进程,降低海平面上升速度,这样能大大降低我国三角洲、沿海低地及岛屿被海水淹没的风险,保证我国沿海地区人口、经济、资源、生态环境等可持续发展。

(3)实施CO2地质封存,缓解气候变暖,改善我国地理区域内小气候环境,有利于遏制我国极端天气状况,缓解降水量分布不均的问题,减少因降水问题引发的环境地质灾害、物种灭绝与生态退化等现象,进而有利于我国保持可持续的生态环境和人居环境。

(4)与世界其他国家一起推行CO2地质封存和减缓全球变暖进程的措施,有利于避免因气候变化和环境、地质灾害造成的人道主义危机,有利于维护世界和平与地区稳定,进而为我国的经济发展和社会进步提供稳定的国际环境,为我国实施可持续发展战略提供良好的国际政治保障。

4 结 语

大量的科学证据表明,来自化石燃料的二氧化碳排放导致了气候变化,大量减少这些排放对于降低未来的破坏性效应是必要的[18]。CO2地质封存是目前国际公认最有效的减缓全球气候变暖进程的技术手段。已有的地质研究和勘查资料表明我国具备大规模封存CO2的储层潜力,且对经济、技术、人才、管理和运营体制等方面初步评估表明我国实施CO2地质封存项目是切实可行的。

但是,我国CO2地质封存的相关理论和技术研究起步较晚,落后于发达国家20多年,关于CO2封存的基本框架和配套政策、法规尚未形成。我国CO2地质封存工作任重道远,我国应该积极组织专项研究课题,运用地质学、地球化学、地球物理学等理论,研究CO2地质封存相关的科技问题,阐明CO2地质封存机制,确定CO2封存与利用方案,并开展广泛的国际交流与合作,在借鉴国外相关技术及管理经验的基础上,逐步建立适合中国国情的碳隔离技术体系,为我国低碳经济等可持续发展战略的实施做出积极贡献。

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Geological Sequestration of CO2 and China's Sustainable Development

CUI Zhendong1 LIU Daan1 ZENG Rongshu1 TIAN Tian2

(1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Engineering Geomechanics Laboratory, Beijing 100029, China; 2. China University of Mining and Technology, School of Mechanics and Civil Engineering, Beijing 100083, China)