馬澤忠1、2 張孝成1 廖和平3
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(1.重慶市土地勘測(cè)規(guī)劃院,重慶,400020;2.中國(guó)人民解放軍重慶后勤工程學(xué)院,重慶,400201;3.西南大學(xué),重慶,400060)
摘要:本文以南岸區(qū)為例,根據(jù)人口預(yù)測(cè)模型和人均建設(shè)用地指標(biāo)預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)建設(shè)用地需求規(guī)模;通過(guò)指標(biāo)因子網(wǎng)格(Grid)空間模擬,采用綜合指數(shù)法求取網(wǎng)格綜合城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性指數(shù);以地理事物相近相似原理,以城鎮(zhèn)建設(shè)用地需求規(guī)模為控制,以地理信息系統(tǒng)為支持,通過(guò)網(wǎng)格合并預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模范圍。研究表明,采用基于綜合城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性指數(shù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)獲取建設(shè)用地范圍邊界具有較高的科學(xué)性和實(shí)用性,可為土地主管部門(mén)和土地利用總體規(guī)劃建設(shè)用地布局提供決策支持。
關(guān)鍵詞:網(wǎng)格;適宜性指數(shù);空間模擬;南岸區(qū);重慶市
1 研究區(qū)域概況
南岸區(qū)位于重慶市都市圈內(nèi),地處長(zhǎng)江以南,介于東經(jīng) 106°31′~106°48′、北緯29°27′~29°38′之間,全區(qū)面積261.08km2。2004年全區(qū)總?cè)丝?26787人,其中農(nóng)村人口占22.76%,城鎮(zhèn)人口占77.24 %,人口密度為2020 人/km2。南岸區(qū)地貌屬川東平行嶺谷的一部分,在區(qū)境內(nèi)自西向東有四條背斜和三條向斜,背斜成山,向斜則形成以丘陵為主的谷地,構(gòu)成了本區(qū)低山、丘陵、平壩的地貌組合特征。全區(qū)最高海拔681 m;最低海拔157m,相對(duì)高差524m。2004年末農(nóng)用地總面積15600.19hm2,占全區(qū)土地總面積的59.83%;建設(shè)用地總面積7649.18hm2,占全區(qū)土地總面積的29.33%。其中,城市用地2714.54hm2,占居民點(diǎn)及工礦用地的37.67%;建制鎮(zhèn)用地229.03hm2,占居民點(diǎn)及工礦用地的3.18%;農(nóng)村居民點(diǎn)用地1924.45hm2,占居民點(diǎn)及工礦用地的26.71%;獨(dú)立工礦用地2036.13hm2,占居民點(diǎn)及工礦用地的28.26%;特殊用地301.25hm2,占居民點(diǎn)及工礦用地的4.18%;交通運(yùn)輸用地面積380.59hm2,占建設(shè)用地面積的4.98%;未利用地總面積2826.94hm2,占全區(qū)土地總面積的10.84%。南岸區(qū)2004年土地資源利用結(jié)構(gòu)中,農(nóng)用地、建設(shè)用地和未利用地的比重為59.83∶29.33∶10.84,以農(nóng)用地為主。
2 城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模測(cè)算
城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模的大小應(yīng)與人口規(guī)模、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)規(guī)模相適應(yīng),同時(shí)還受土地利用條件、地形地貌等自然條件的限制,因此,預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)用地規(guī)模應(yīng)從實(shí)際出發(fā)、因地制宜、量力而行,規(guī)模適度,不可貪大求全,致使城市無(wú)限制膨脹,造成土地資源的浪費(fèi)。考慮到區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展受許多非確定因素的影響,預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)發(fā)展空間時(shí)也應(yīng)適當(dāng)超前,留有余地,增強(qiáng)預(yù)測(cè)結(jié)果的可操作性。城鎮(zhèn)建設(shè)用地應(yīng)走內(nèi)涵挖潛和適度外延擴(kuò)大相結(jié)合的集約型道路,必須首先挖掘各種閑置土地和利用不充分、不合理的土地用于城鎮(zhèn)建設(shè);城鎮(zhèn)空間的擴(kuò)展,盡量少占或不占耕地。
2.1 人口預(yù)測(cè)
人口預(yù)測(cè)的方法一般有指數(shù)增長(zhǎng)法、回歸預(yù)測(cè)法、邏輯斯第函數(shù)預(yù)測(cè)法、人口年齡推算法等,根據(jù)縣級(jí)土地利用總體規(guī)劃規(guī)程,一般采用指數(shù)增長(zhǎng)法進(jìn)行人口預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)公式如下:
P=P0 (1 +K)n +nΔP (1)
式中,P為規(guī)劃目標(biāo)年的總?cè)丝跀?shù);P0 為規(guī)劃基期年的總?cè)丝冢籏為規(guī)劃期人口自然增長(zhǎng)率;n為規(guī)劃年限;ΔP為規(guī)劃期間平均每年人口機(jī)械增長(zhǎng)數(shù)。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),南岸區(qū)歷年人口自然增長(zhǎng)率為1.6‰左右,到2010年,南岸區(qū)的人口增長(zhǎng)速度不會(huì)產(chǎn)生大的波動(dòng),因此取K=1.6‰。由于南岸區(qū)社會(huì)發(fā)展迅速,人口機(jī)械增長(zhǎng)速度較大,根據(jù)多種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),近年機(jī)械人口增長(zhǎng)速度保持在82093人/年,因此到2010年,南岸區(qū)人口數(shù)量將達(dá)到1024420人。
2.2 城鎮(zhèn)人口預(yù)測(cè)
2004年南岸區(qū)總?cè)丝?26787人,城鎮(zhèn)化率為77.24%,城鎮(zhèn)人口406883人。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),南岸區(qū)城鎮(zhèn)人口的自然增長(zhǎng)率為1.6‰,通過(guò)農(nóng)轉(zhuǎn)非、區(qū)外人口遷入等形式,每年增加城鎮(zhèn)人口 68171 人,依公式(1)計(jì)算 406883×(1 +1.6‰)6 +6×98171=819629,預(yù)計(jì)2010城鎮(zhèn)化率將達(dá)到80.00%,通過(guò)歷年城市水平現(xiàn)行模擬預(yù)測(cè)所得到的結(jié)果為80.60%,大致相似,因此本次研究取2010年南岸區(qū)城市化水平為80.00%。
2.3 城鎮(zhèn)建設(shè)用地需求量預(yù)測(cè)
建設(shè)用地需求量的定量預(yù)測(cè)方法通常有趨勢(shì)預(yù)測(cè)法、回歸預(yù)測(cè)法和定額指標(biāo)預(yù)測(cè)法。趨勢(shì)預(yù)測(cè)法是根據(jù)土地的實(shí)際需求量隨時(shí)間的變動(dòng)規(guī)律來(lái)外推今后的土地需求量,通常以時(shí)間t為自變量,土地需求量為因變量建立趨勢(shì)線方程,其一般形式為
。趨勢(shì)線方程通常有直線方程、二次曲線方程和指數(shù)方程。回歸預(yù)測(cè)法是根據(jù)變量之間的相互關(guān)系,利用其他變量的已知值來(lái)推斷預(yù)測(cè)變量的值,是通過(guò)表明兩個(gè)或幾個(gè)變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)方程式進(jìn)行預(yù)測(cè)的一種方法。因此,應(yīng)用回歸預(yù)測(cè)法同時(shí)需要兩組時(shí)間順序相同、相互關(guān)系密切的時(shí)間序列。定額指標(biāo)法是一種簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法,主要是運(yùn)用城市人口預(yù)測(cè)結(jié)果,以部頒人均用地限額為定額指標(biāo)計(jì)算用地需求量。根據(jù)南岸區(qū)建設(shè)的實(shí)際和集約用地要求,在選用指標(biāo)級(jí)別時(shí),盡量選用較為寬松的人均用地指標(biāo)。
2.3.1 人均城鎮(zhèn)建設(shè)用地指標(biāo)
南岸區(qū)現(xiàn)狀人均城鎮(zhèn)建設(shè)用地指標(biāo)2004年為72.32m2/人,本研究選用城鎮(zhèn)建設(shè)人均用地規(guī)劃指標(biāo)2010年為87m2/人,能夠滿足城鎮(zhèn)發(fā)展需要。
2.3.2 規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積
819629 人×87 (m2/人)/10000=7130.77hm2,規(guī)劃新增加城鎮(zhèn)建設(shè)用地面積 Sc為4186.93hm2。
3 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍預(yù)測(cè)
城鎮(zhèn)用地總體布局就是在城鎮(zhèn)性質(zhì)、規(guī)模以及規(guī)劃期間主要的建設(shè)項(xiàng)目和有關(guān)總體規(guī)劃的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)確定的情況下,在城鎮(zhèn)用地評(píng)價(jià)和選擇的基礎(chǔ)上,對(duì)規(guī)劃期內(nèi)城鎮(zhèn)布局形式和各項(xiàng)建設(shè)統(tǒng)籌安排、合理布局,制定出科學(xué)的用地布局方案。本次研究通過(guò)指標(biāo)因子網(wǎng)格(Grid)空間模擬,采用綜合指數(shù)法求取網(wǎng)格綜合城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性指數(shù);以地理事物相近相似原理,以城鎮(zhèn)建設(shè)用地需求規(guī)模為控制,以地理信息系統(tǒng)為支持,通過(guò)網(wǎng)格合并預(yù)測(cè)城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模范圍。
3.1 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍影響因素
建設(shè)用地的選擇就是依據(jù)城鎮(zhèn)用地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果和城鎮(zhèn)用地可持續(xù)利用的要求,合理的確定城鎮(zhèn)的具體位置和建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍。影響建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍的因素多種多樣,主要包括以下幾個(gè)方面。
(1)地貌條件 地貌條件影響城鎮(zhèn)的分布位置、平面結(jié)構(gòu)和空間布局,同時(shí)不同的地貌條件還影響各項(xiàng)建筑物的用地布置和工程設(shè)施的建設(shè)。主要參考指標(biāo)包括地表破碎度、坡度、地貌部位、地貌類型等。
(2)地質(zhì)水文條件 由于地質(zhì)構(gòu)造和土層的自然堆積情況不一,因而對(duì)建筑物的承載能力造成差異;不同的水文條件影響城鎮(zhèn)的發(fā)展規(guī)模和安全問(wèn)題。主要參考指標(biāo)為:地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降水、河網(wǎng)密度,河流洪水位等。
(3)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件 城鎮(zhèn)用地規(guī)模和擴(kuò)展范圍必須從城鎮(zhèn)用地布局現(xiàn)狀出發(fā),按照國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的需要、城鎮(zhèn)用地功能組織及城鎮(zhèn)景觀建設(shè)的要求,統(tǒng)籌安排、合理布局。因此影響城鎮(zhèn)建設(shè)用地布局和擴(kuò)展的因素主要包括如下社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件:區(qū)域現(xiàn)狀路網(wǎng)密度、區(qū)域規(guī)劃路網(wǎng)密度、現(xiàn)狀城鎮(zhèn)建設(shè)用地規(guī)模影響度、土地利用類型、單位固定資產(chǎn)投資新增建設(shè)用地面積等。
3.2 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍預(yù)測(cè)方法
建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍預(yù)測(cè)首先將研究區(qū)域在一定尺度下進(jìn)行網(wǎng)格劃分,針對(duì)不同的網(wǎng)格進(jìn)行城鎮(zhèn)用地適宜性評(píng)價(jià),形成區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果;其次,以新增建設(shè)用地規(guī)模為控制,采用基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理技術(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索方法獲取城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍。
3.3 建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍預(yù)測(cè)結(jié)果
3.3.1 城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)
應(yīng)用層次分析法和特爾菲法,確定研究區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)和各指標(biāo)權(quán)重,如表1。
表1 城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值
應(yīng)用地理信息用空間數(shù)據(jù)模擬方法,以地面100 m 網(wǎng)格精度將各評(píng)價(jià)指標(biāo)在研究區(qū)域內(nèi)進(jìn)行連續(xù)分布模擬,得到區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化后指標(biāo)數(shù)據(jù)在研究區(qū)域內(nèi)的連續(xù)分布值,如圖1為研究區(qū)內(nèi)地表破碎度模擬。
應(yīng)用綜合指數(shù)法對(duì)研究區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性以地面分辨率為100 m 網(wǎng)格單元進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),每一網(wǎng)格單元適宜性綜合指數(shù)計(jì)算公式為:
圖1 地表破碎度模擬 (圖中值越高,破碎度越大)
土地信息技術(shù)的創(chuàng)新與土地科學(xué)技術(shù)發(fā)展:2006年中國(guó)土地學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集
式中,Pi為第i個(gè)網(wǎng)格單元城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性綜合指數(shù);Vj 為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重;X′j為各網(wǎng)格單元評(píng)價(jià) j 項(xiàng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后分值,m 為指標(biāo)項(xiàng)數(shù);n 為流域內(nèi)所劃分的網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)即CELL 的個(gè)數(shù)。
通過(guò)地理信息系統(tǒng)空間數(shù)學(xué)運(yùn)算,得到南岸區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性綜合指數(shù)分布圖(圖2)。
圖2 南岸區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地適宜性綜合指數(shù)分布
3.3.2 預(yù)測(cè)結(jié)果
以地理事物相近相似原理為基礎(chǔ),應(yīng)用VB6集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和ESRI公司的Arc Objects組件系列開(kāi)發(fā)自動(dòng)分區(qū)程序模塊,分區(qū)的計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)流程如圖3。
圖3 確定城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍算法流程圖
(1)確定城鎮(zhèn)建設(shè)用地地塊的最小面積 Smin,凡是小于Smin的地塊應(yīng)當(dāng)被合并。
(2)以評(píng)價(jià)單元為最小的合并對(duì)象,將其合并到鄰域內(nèi)最相似的適宜性類型區(qū),如果鄰域內(nèi)有多個(gè)相似的地塊,則合并到其中面積最大的地塊內(nèi)。
最后將合并對(duì)象以評(píng)價(jià)單元面積的整數(shù)倍進(jìn)行增加,直到城鎮(zhèn)建設(shè)用地最小的地塊面積都不小于Smin時(shí),且總面積為預(yù)測(cè)需增加的建設(shè)用地時(shí),中止循環(huán)并輸出區(qū)域城鎮(zhèn)建設(shè)用地分區(qū)圖(圖4)。
由圖可知,南岸區(qū)未來(lái)城市發(fā)展重點(diǎn)在長(zhǎng)生橋鎮(zhèn),南山和東部區(qū)域應(yīng)作為生態(tài)保護(hù)區(qū),不適宜城市發(fā)展,這與傳統(tǒng)方法所作的土地利用總體規(guī)劃基本一致。在城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展方向上,本次研究結(jié)果表明,南岸區(qū)主要向北發(fā)展,重點(diǎn)發(fā)展中部,兼顧小城鎮(zhèn)規(guī)模,在發(fā)展茶園新城區(qū)的同時(shí),必須給各建制鎮(zhèn)預(yù)留城鎮(zhèn)建設(shè)用地指標(biāo)。
圖4 南岸區(qū)城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍預(yù)測(cè)結(jié)果
4 結(jié)論
通過(guò)研究可得到如下結(jié)論:
(1)應(yīng)用空間數(shù)據(jù)模擬技術(shù),可以直觀地表達(dá)間斷地理現(xiàn)象的區(qū)域空間分布趨勢(shì),為數(shù)學(xué)模型分析提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。
(2)采用基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)處理技術(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)搜索方法獲取城鎮(zhèn)建設(shè)用地?cái)U(kuò)展范圍,為土地利用規(guī)劃中劃定城鎮(zhèn)建設(shè)用地及其他用地類型范圍提供了較為科學(xué)的技術(shù)支撐,使規(guī)劃中建設(shè)用地的布局更科學(xué)、合理。
(3)通過(guò)本項(xiàng)研究,將土地適宜性評(píng)價(jià)和土地利用規(guī)劃有機(jī)地忸結(jié)合起來(lái),為未來(lái)土地利用規(guī)劃在方法上做了有益的探索。
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對(duì)外開(kāi)放沿海城市——煙臺(tái)市是海水入侵發(fā)生區(qū),由于海水入侵發(fā)生的嚴(yán)重性影響了當(dāng)?shù)厝嗣竦呢?cái)產(chǎn)安全以及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,對(duì)人民日常生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)相當(dāng)大的破壞。因此,研究海水入侵的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律,制定相應(yīng)的海水入侵減災(zāi)政策,做好防災(zāi)減災(zāi)工作是煙臺(tái)市迫在眉睫的任務(wù),進(jìn)行海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)就顯得尤為重要,并且對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)具有重大的意義。
1.評(píng)判單元的劃分
由于海水入侵的發(fā)生只能在沿海地區(qū),因此本次研究只在煙臺(tái)市沿海城市,按照煙臺(tái)市行政區(qū)劃,采用行政區(qū)劃法,以煙臺(tái)市各個(gè)縣級(jí)市作為一個(gè)評(píng)價(jià)單元。由于煙臺(tái)市區(qū)分布四個(gè)區(qū),故在研究時(shí),分別將芝罘區(qū)、福山區(qū)、萊山區(qū)和牟平區(qū)各作為一個(gè)評(píng)價(jià)單元。由于長(zhǎng)島縣受資料的限制,此次研究排除在外。即本次的研究區(qū)為:萊州市、招遠(yuǎn)市、龍口市、蓬萊市、海陽(yáng)市、萊陽(yáng)市、芝罘區(qū)、福山區(qū)、萊山區(qū)和牟平區(qū)。
2.參評(píng)因素的確定
海水入侵有很多影響因子,根據(jù)煙臺(tái)市實(shí)際以及材料的可獲取性及代表性,本書(shū)從研究區(qū)的自然因素和人為因素兩個(gè)方面,確定研究區(qū)海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如圖2-14所示。
(1)自然因素(B1)
巖土體條件(C11)。非量化指標(biāo)巖土體條件對(duì)于不同的海岸有不同的透水性,對(duì)海水入侵的影響不同,因此,本書(shū)根據(jù)煙臺(tái)市海岸的巖土體特征將煙臺(tái)市海岸分為四個(gè)等級(jí),并給予賦值,見(jiàn)表2-8。
表2-8 巖土體條件賦值表
圖2-14 煙臺(tái)市沿海地區(qū)海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
地形地貌特征(C12)。海水入侵發(fā)生和發(fā)展的基礎(chǔ)因素是地形地貌特征。由于海水入侵多發(fā)生在沿海地區(qū),那么沿海地區(qū)高程相對(duì)越大發(fā)生海水入侵的幾率就越小,相反,高程越小發(fā)生海水入侵的幾率就越大。因此,選擇地形地貌特征中的地面高程作為評(píng)價(jià)因子。煙臺(tái)市境內(nèi)群山連綿,丘陵起伏,地形總趨勢(shì)是中部高,南北低,北部地勢(shì)較陡,南部地勢(shì)較平緩。由大澤山、羅山、艾山、牙山、臘山、昆崳山等低山構(gòu)成區(qū)內(nèi)中部山地地形的主體,其海拔均在500m以上,組成全市地形的脊背。最高峰為昆崳山的泰礴頂,海拔922.8m,為眾山之首。向其四周呈放射狀低山丘陵,海拔為200~500m,向沿海延伸為山前平原和濱海平原,海拔均在50m以下。其中北部沿海地勢(shì)最低,地面平坦,微向海面傾斜,其海拔高度1.0~10m,共同組成一典型半島低山丘陵地形。
年平均降水量(C13)。大氣降水是地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源,因此,海水入侵受降水補(bǔ)給的影響。假如遇到氣候干旱的情況,降雨量減少,對(duì)地下水不能充分補(bǔ)給,就會(huì)引起海水入侵的速度加快。相反,如果大氣降水量較多,就會(huì)減緩海水入侵的速度。在尤其是枯水的連枯年份,降水量少,地下水得不到充分的補(bǔ)給,影響農(nóng)作物生長(zhǎng),那么農(nóng)業(yè)灌溉就需要較多的地下水開(kāi)采,導(dǎo)致地下水位降低,甚至出現(xiàn)漏斗,這就是造成海水入侵的主要自然因素。
地下水位(C14)。水受到重力作用,由高處向低處流動(dòng),在自然的生態(tài)環(huán)境條件下,海水水位低于地下水位,地下水位向海洋方向流動(dòng),阻止了海水入侵的發(fā)生。基于此,沿海地區(qū)如果過(guò)量開(kāi)采地下水,導(dǎo)致地下水位降低,甚至低于海水水位,破壞了淡水向海水流動(dòng)的方向以及兩者的自然平衡,從而具備了海水向陸地地下淡水流動(dòng)的動(dòng)力條件,造成海水的入侵。由于地下水位與海水入侵有著直接的關(guān)系,因此選擇地下水位作為評(píng)價(jià)因子。
單位徑流量(C15)。海水入侵的范圍在一定程度上受河流的控制。某一地區(qū)每年流經(jīng)流量大,那么河水就會(huì)在內(nèi)地滯留的時(shí)間較短,不能充分的入滲到地下水中,入滲量小,補(bǔ)充速度慢,易發(fā)生海水入侵;在濱海地區(qū),由于低洼地區(qū)面積較大,這一地區(qū)年徑流量就會(huì)小,河流縱比降小,地下水補(bǔ)充速度快,在一定程度上阻止了海水入侵的發(fā)生。因此選擇地區(qū)年徑流量與地區(qū)面積比值即單位年徑流量作為評(píng)價(jià)因子。
以上數(shù)據(jù)來(lái)源為,MapGIS煙臺(tái)市地質(zhì)地圖、MapGIS煙臺(tái)市地形地貌等高線分布圖、煙臺(tái)市1956~2000年平均年降水量、煙臺(tái)市65個(gè)地下水位統(tǒng)測(cè)水井、煙臺(tái)市行政分區(qū)(1956~2000)天然年徑流量特征值。
(2)人為因素(B2)
人口密度(C26)。人口密度是海水入侵發(fā)生除自然因素之外的人為條件,與海水入侵的關(guān)系密不可分。人口密度過(guò)大,快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)勢(shì)必會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐淖匀簧鷳B(tài)環(huán)境造成一定的破壞影響;地下水的大量開(kāi)采、水資源的污染以及水資源的不合理利用等。人口密度越大,對(duì)這些環(huán)境條件影響破壞就越明顯,就越容易發(fā)生海水入侵現(xiàn)象。
用水量(C27)。地下水與海水的一個(gè)平衡被破壞就會(huì)造成海水入侵現(xiàn)象的結(jié)果。用水量的大小在一定程度上是地下水開(kāi)采量的主要體現(xiàn)。用水量過(guò)大,對(duì)地下水的需求就會(huì)變大,過(guò)量開(kāi)采地下水,導(dǎo)致地下水位下降,破壞海水與淡水的平衡,海水向內(nèi)陸侵染。
以上數(shù)據(jù)來(lái)源為煙臺(tái)市2011年統(tǒng)計(jì)年鑒。
綜上所述,地質(zhì)地理因素控制著海水入侵的發(fā)生途徑和分布方式,是海水入侵的基礎(chǔ)條件。而水資源不足和干旱少雨是海水入侵的背景因素;人類活動(dòng)的不合理對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞是海水入侵的誘發(fā)條件,并且在某種程度上控制著海水入侵的速度和程度。
3.原始數(shù)據(jù)歸一化處理
無(wú)論自然因素指標(biāo)還是人為因素指標(biāo),其單位不同,取值范圍不同,且絕對(duì)數(shù)值有較大的差異,評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表2-9。為了將不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)變?yōu)榻y(tǒng)一的無(wú)量綱數(shù)據(jù),本書(shū)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。其歸一化公式如下:
Y′=(Yi-Ymin)/(Ymax-Ymin)(i=1,2,3,4,…,m)
式中:m——評(píng)判單元的個(gè)數(shù);
Xi——該項(xiàng)指標(biāo)中需要進(jìn)行歸一化變換的數(shù)值;
Xmin——該項(xiàng)指標(biāo)中的最小值;
Xmax——該項(xiàng)指標(biāo)中的最大值。
表2-9 參評(píng)因素原始數(shù)據(jù)表
每項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)過(guò)歸一化處理之后,其值介于0~1 之間,且最大的數(shù)據(jù)為1,最小的數(shù)據(jù)為0,數(shù)據(jù)歸一化之后這樣就不會(huì)出現(xiàn)單位不統(tǒng)一,也不會(huì)造成數(shù)值小的指標(biāo)的作用被人為地?cái)U(kuò)大,數(shù)值較大的指標(biāo)的作用被人為地縮小。
在圖2-14所有的參評(píng)因素中,巖土體條件(C11)、地下水位(C14)、單位徑流量(C15)、人口密度(C26)和地區(qū)用水量(C27)的變化與海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)度呈正向變化,而地形地貌特征(C12)和多年平均降水量(C13)數(shù)值的變化與海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)度呈反向變化。為使各個(gè)因素對(duì)海水入侵災(zāi)害同向影響,這里對(duì)C12和C13采取下述標(biāo)準(zhǔn)化公式:
Y′=1-(Yi-Ymin)/(Ymax-Ymin)(i=1,2,3,4,…,m)
依據(jù)上述條件,將煙臺(tái)市個(gè)縣級(jí)市沿海地區(qū)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)各個(gè)參評(píng)因素進(jìn)行歸一化處理。歸一化處理后數(shù)據(jù)見(jiàn)表2-10。
表2-10 參評(píng)因素歸一化處理后數(shù)據(jù)表
注:?jiǎn)挝煌?-9。
4.參評(píng)因素權(quán)重的確定
(1)參評(píng)因素權(quán)重確定方法
涉及多因素、多因子的海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是一個(gè)綜合問(wèn)題。在評(píng)價(jià)中,由于對(duì)海水入侵的貢獻(xiàn),各因素、各因子不同,那么我們將各因素、各因子具有權(quán)衡輕重作用程度的數(shù)值稱為權(quán)值。求權(quán)值的過(guò)程就是不同因素涉及的不同因子之間的“重要性”程度的分析過(guò)程。確定權(quán)重的方法針對(duì)不同的分析,有許多方法,本次煙臺(tái)市海水入侵災(zāi)害評(píng)價(jià)各評(píng)價(jià)因子權(quán)重的確定采用層次分析法。
層次排序法(AHP法)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)著名的運(yùn)籌學(xué)專家匹茲堡大學(xué)教授T.L.Saaty提出的。由于其方法有較嚴(yán)格的數(shù)學(xué)依據(jù)且原理簡(jiǎn)單,在復(fù)雜系統(tǒng)的決策與分析中被廣泛的使用。層次分析法體現(xiàn)了人們決策思維中分解、判斷、綜合的基本特征。層次分析的具體步驟包括以下四個(gè)方面:層次遞階結(jié)構(gòu)的建立、兩兩比較判斷矩陣的構(gòu)造、單一準(zhǔn)則下元素相對(duì)權(quán)重的計(jì)算、各層因素組合權(quán)重的計(jì)算。
計(jì)算完成之后,依元素相對(duì)重要性排序得出最終權(quán)重向量的計(jì)算結(jié)果。
本次煙臺(tái)市海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)擬采用上述層次分析的方法確定各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,工作程序如下:
1)構(gòu)造判斷矩陣。優(yōu)勢(shì)指標(biāo)層次結(jié)果模型建立之后,就可確定上層次與下層次之間的隸屬關(guān)系,但是,在每一層次中需由專家分析判斷給出各元素的相對(duì)重要性。因此,需要進(jìn)行判斷矩陣的構(gòu)造,在判斷矩陣的構(gòu)造中,我們采用兩兩比較的方法確定各元素的權(quán)重。例如,如D曾元素當(dāng)中的Zk與下一層的Z1,Z2,…,Zn因素有聯(lián)系,則可取表2-11的判斷矩陣形式。
表2-11 判斷矩陣
上述判斷矩陣中,專家或者決策者需要針對(duì)一定的原則確定元素中Zk比較Zi、Zj哪一個(gè)更重要,并且決定具有怎樣的重要程度?其重要程度需要用1~9標(biāo)度賦予一個(gè)整數(shù)數(shù)值,其含義如下:比較這兩個(gè)元素,假如兩個(gè)元素具有相同的重要性,那么取標(biāo)度為1;比較這兩個(gè)元素,假如一個(gè)元素比另一個(gè)元素稍微重要,那么取標(biāo)度為3;比較這兩個(gè)元素,假如一個(gè)元素比另一個(gè)元素明顯重要,那么取標(biāo)度為5;比較這兩個(gè)元素,假如一個(gè)元素比另一個(gè)元素強(qiáng)烈重要,那么取標(biāo)度為7;比較這兩個(gè)元素,假如一個(gè)元素比另一個(gè)元素極端重要,那么取標(biāo)度為9;比較這兩個(gè)元素,假如處于上述五種情況的中間,那么取標(biāo)度為2、4、6、8;上述兩兩比較的元素得出因素i與因素j的標(biāo)度Zij,那么因素j與因素i比較可得標(biāo)度為Zji=1/Zij。
2)計(jì)算重要性排序。依據(jù)表2-11得出的判斷矩陣,需要計(jì)算得出最大特征根和其對(duì)應(yīng)的特征向量,得出的特征向量就是各評(píng)價(jià)因素的重要性排序,換言之,即權(quán)數(shù)分配。其具體方法如下:
計(jì)算表2-11判斷矩陣每一行元素的乘積,即
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
計(jì)算Xi的n次方根
,即
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
對(duì)向量
=[
,
,…,E]T作歸一化處理,即
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
則所求特征向量為E=[E1,E2,…,En,]T。
計(jì)算表3-10判斷矩陣的最大特征根λmax
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
式中:(DE)i——向量DE的第i個(gè)元素。
3)檢驗(yàn)。所求權(quán)數(shù)即為通過(guò)上述步驟得到的特征向量E,是否合適地分配了權(quán)數(shù)?這時(shí)表3-10判斷矩陣需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性檢驗(yàn)公式為
DR=DI/RI
式中:DR——判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率;DI——判斷矩陣一般一致性指標(biāo)。DI計(jì)算公式如下:
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
其中,對(duì)于1~9階判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI,取值如表2-12:
表2-12 層次分析法的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值
當(dāng)DR<0.10時(shí),判斷矩陣認(rèn)為具有滿意的一致性,具有合理的權(quán)數(shù)分配;當(dāng)DR≥0.10,判斷矩陣則需要調(diào)整,直到取得DR<0.10時(shí)的滿意一致性。
(2)運(yùn)用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重
1)計(jì)算B1,B2的權(quán)重(B1自然因素,B2人為因素)。
建立判斷矩陣(表2-13)。
表2-13 A-B判斷矩陣
計(jì)算判斷矩陣每一行元素的乘積Mi
X1=3,X2=1/3
計(jì)算Xi的2次方根
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
對(duì)方根向量
=(
,
)T規(guī)一化
e1=0.75,e2=0.25
計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
式中:(DE)i——向量DE的第i個(gè)元素。
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
計(jì)算得
計(jì)算CR
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
二階矩陣的一致性指標(biāo)RI=0。
故DR=0<0.1,具有滿意的一致性。
2)計(jì)算其他二級(jí)指標(biāo)(巖土體條件C11、地形地貌特征C12、多年平均降水量C13、地下水位C14、單位徑流量C15、人口密度C26和地區(qū)用水量C27)的權(quán)重。計(jì)算過(guò)程見(jiàn)2-14和表2-15,煙臺(tái)市海水入侵危險(xiǎn)度指標(biāo)及權(quán)重見(jiàn)表2-16。
表2-14 B1-C1i判斷矩陣
λmax=5.20345,DI=0.05086,RI=1.12,DR=0.04541<0.1具有滿意的一致性。
表2-15 B2-C2i判斷矩陣
λmax=2.00001,DI=0.00001,RI=0.00,DR=0<0.1具有滿意的一致性。
表2-16 煙臺(tái)市海水入侵危險(xiǎn)度指標(biāo)及權(quán)重
5.海水入侵綜合危險(xiǎn)性指數(shù)的計(jì)算模型
對(duì)煙臺(tái)市沿海地區(qū)海水入侵災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí),這里采用因素權(quán)重疊加法。因素權(quán)重疊加法的基本原理是將參評(píng)因素按照參評(píng)因素在海水入侵災(zāi)害形成過(guò)程中的作用強(qiáng)度進(jìn)行分析,從而對(duì)因素權(quán)重指標(biāo)進(jìn)行確定,利用權(quán)重的大小反映各評(píng)價(jià)因素在煙臺(tái)市海水入侵危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的不同地位。建立如下的基本模型:
假設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)因素F1,F(xiàn)2,F(xiàn)3,…,F(xiàn)n;危險(xiǎn)性指數(shù)設(shè)為Y;各個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重用X1,X2,X3,…,Xn表示;則模糊模型Y表示為
Y=X1F1+X2F2+X3F3+…+XnFn
針對(duì)本次的計(jì)算,可得如下的公式,即:假設(shè)i 因素j 單元?dú)w一化處理之后的數(shù)值Fij,i因素的權(quán)重的Xi為,那么j單元的綜合危險(xiǎn)性指數(shù)Y的計(jì)算公式為
膠東半島海水入侵地區(qū)水資源高效利用與河口海岸生態(tài)修復(fù)技術(shù)
式中:i=1,2,…,n,n為參評(píng)因素,這里n=7;j=1,2,…,m,m為評(píng)判單元數(shù),這里m=8。
6.海水入侵綜合危險(xiǎn)性指數(shù)的計(jì)算結(jié)果
根據(jù)頻率圖與聚類法確定各級(jí)的邊界,將煙臺(tái)市沿海地區(qū)海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)度劃分為三個(gè)等級(jí):
1)高度危險(xiǎn)區(qū),0.5000~1;
2)中度危險(xiǎn)區(qū),0.3501~0.4999;
3)低度危險(xiǎn)區(qū),0~0.3500。
海水入侵危險(xiǎn)性指數(shù)反映各地區(qū)海水入侵發(fā)生的可能性,海水入侵危險(xiǎn)性指數(shù)越大,海水入侵越可能發(fā)生,海水入侵的面積就越大。本書(shū)以煙臺(tái)市地區(qū)海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)為基礎(chǔ),將危險(xiǎn)性指數(shù)0.1定義為代表海水入侵平均距離2.5km,由此計(jì)算出海水垂直于海岸線入侵的平均距離。
表2-17 煙臺(tái)市沿海地區(qū)海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性結(jié)果
應(yīng)用MapGIS數(shù)據(jù)分析及作圖功能,得出各評(píng)價(jià)單元海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性指數(shù)及海水平均入侵距離,見(jiàn)表2-17,以海水平均入侵距離為緩沖區(qū)半徑對(duì)煙臺(tái)市沿海地區(qū)各海岸線進(jìn)行緩沖區(qū)分析,得到煙臺(tái)市沿海地區(qū)海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖,如圖2-15 所示,從而實(shí)現(xiàn)煙臺(tái)市沿海地區(qū)海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃。
圖2-15 煙臺(tái)市沿海地區(qū)海水入侵災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖
以信息技術(shù)和模型為支撐、以數(shù)據(jù)庫(kù)為平臺(tái)的土地質(zhì)量評(píng)價(jià)方案對(duì)各類土地資源,劃分土地評(píng)價(jià)單元的質(zhì)量等級(jí)利用GIS及統(tǒng)計(jì)軟件,在數(shù)據(jù)庫(kù)中完成數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與調(diào)用,并提交數(shù)字化土地質(zhì)量評(píng)價(jià)圖 土地質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程中綜合利用了MAPGIS軟件,,建設(shè)數(shù)據(jù)庫(kù)采用的VisualFoxPro和統(tǒng)計(jì)用的DPS軟件評(píng)價(jià)方法
一、概述
隨著滇藏鐵路工程的分段實(shí)施,麗江-香格里拉段的規(guī)劃設(shè)計(jì)已納入日程。但是,由于該段地形地貌和地質(zhì)條件非常復(fù)雜,雖然經(jīng)過(guò)多輪論證,線路仍難最后確定。按照初期規(guī)劃(圖13-1),滇藏鐵路麗江-香格里拉段共有3個(gè)走向方案可以比選:①麗江-長(zhǎng)松坪-虎跳峽上峽口-香格里拉方案(西線方案);②麗江-大具-白水臺(tái)-小中甸-香格里拉方案(組合方案);③麗江-大具-白水臺(tái)-天生橋-香格里拉方案(東線方案)。初步分析認(rèn)為,西線方案工程地質(zhì)條件相對(duì)較好,可以作為推薦方案,該方案需要新建鐵路隧道34座,總長(zhǎng)87130 m,占該段線路總長(zhǎng)的54.4%,最長(zhǎng)的隧道是位于麗江西北的玉峰寺隧道,全長(zhǎng)10970 m;需要新建鐵路大橋39座(10253 m),涵洞182座(4547 m),橋涵占線路總長(zhǎng)的9.2%。復(fù)雜的工程地質(zhì)條件使得該方案仍存在許多問(wèn)題,且工程建設(shè)難度大。
為了更好地指導(dǎo)該段鐵路選線,我們?cè)趨^(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,將基于GIS技術(shù)的層次分析法引入到麗江-香格里拉段鐵路規(guī)劃區(qū)的工程地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)(工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià))。在評(píng)價(jià)過(guò)程中,綜合考慮地形坡度、工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)、地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀、地殼穩(wěn)定性、微地貌類型(地形與鐵路設(shè)計(jì)高程高差)、人類工程活動(dòng)、降水量、距離溝谷距離等因素,充分利用GIS技術(shù)處理海量數(shù)據(jù)信息的優(yōu)勢(shì),采用層次分析法模型,進(jìn)行麗江-香格里拉段鐵路規(guī)劃區(qū)的工程地質(zhì)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。基于評(píng)價(jià)結(jié)果,可以很好的指導(dǎo)該段線路比選和優(yōu)化。
二、基于GIS的層次分析法原理
層次分析法(Analytical Hierarchy Process,簡(jiǎn)稱AHP)是美國(guó)數(shù)學(xué)家SattyT.L.在20世紀(jì)70年代提出的一種將定性分析和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。它適用于多準(zhǔn)則、多目標(biāo)的復(fù)雜問(wèn)題的決策分析,可以將決策者對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維過(guò)程實(shí)行數(shù)量化,為選出最優(yōu)決策提供依據(jù)(圖13-2)。經(jīng)過(guò)多年的應(yīng)用實(shí)踐,不少研究者開(kāi)始將GIS技術(shù)與AHP方法相結(jié)合,大大提高了傳統(tǒng)的AHP方法在地學(xué)研究中的應(yīng)用效果(Harris et al.,2000;劉振軍,2001;彭省臨等,2005)。基于GIS的層次分析法充分利用GIS技術(shù)的空間分類和空間分析功能,在評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)采集、處理和自動(dòng)成圖方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),不僅可以對(duì)工程地質(zhì)穩(wěn)定性的相關(guān)影響因素進(jìn)行更細(xì)致的逐次分析,而且在計(jì)算過(guò)程中不受計(jì)算單元數(shù)量的限制,因而評(píng)價(jià)結(jié)果更直觀、更便于應(yīng)用。
圖13-1 滇藏鐵路麗江-香格里拉段線路方案示意圖
圖13-2 基于GIS的層次分析法技術(shù)路線圖
基于GIS層次分析法的工程地質(zhì)穩(wěn)定性分區(qū)評(píng)價(jià)過(guò)程大致可分為以下步驟:
(1)確定研究區(qū)、研究對(duì)象及研究目標(biāo),并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,確定進(jìn)行工程地質(zhì)穩(wěn)定性分區(qū)所需要的數(shù)據(jù),包括數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)等。
(2)將收集的各種資料進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,包括在MapGIS 6.7軟件平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)字化、格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換、分層及屬性編碼等,建立研究區(qū)、研究對(duì)象的空間數(shù)據(jù)庫(kù)。
(3)根據(jù)研究目標(biāo)的特征,分析影響目標(biāo)的因素,建立目標(biāo)的層次指標(biāo)模型和層次結(jié)構(gòu),構(gòu)造判斷矩陣,由專家對(duì)影響因素進(jìn)行綜合評(píng)分,并進(jìn)行層次單排序、求解權(quán)向量和一致性檢驗(yàn),從而獲得各指標(biāo)因素值,并運(yùn)用GIS空間分析功能提取分析因子。
(4)采用ArcGIS 9.2軟件平臺(tái),對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)域進(jìn)行柵格化,每一個(gè)柵格作為模型評(píng)價(jià)的一個(gè)運(yùn)算單元,并將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)按照規(guī)則進(jìn)行柵格化處理。再采用圖形疊加的模型評(píng)價(jià)方式,將參與評(píng)價(jià)的各個(gè)因素權(quán)值分配到不同的柵格上。將各個(gè)因素進(jìn)行圖形疊加,對(duì)屬性值進(jìn)行代數(shù)運(yùn)算,再將疊加后的柵格數(shù)據(jù)化,生成新的圖形,并形成最終評(píng)價(jià)結(jié)果。
(5)工程地質(zhì)穩(wěn)定性分區(qū)評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型:
滇藏鐵路沿線地殼穩(wěn)定性及重大工程地質(zhì)問(wèn)題
式中:B——工程地質(zhì)穩(wěn)定性指數(shù),aj——權(quán)重,Nj——指數(shù)。
(6)通過(guò)分析計(jì)算獲得的工程地質(zhì)穩(wěn)定性指數(shù)值的分布范圍,結(jié)合野外實(shí)際調(diào)查結(jié)果驗(yàn)證,對(duì)不同區(qū)域的鐵路工程建設(shè)適宜性進(jìn)行綜合分區(qū)評(píng)價(jià)。
標(biāo)題名稱:基于gis技術(shù)評(píng)價(jià)實(shí)施 基于gis技術(shù)評(píng)價(jià)實(shí)施方案
文章網(wǎng)址:http://m.newbst.com/article42/doipjec.html
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