小流域尺度生态地质环境评价方法探讨

翟延亮

河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队(河北省水源涵养研究中心), 河北 承德 067000

0 引言

生态地质环境是人类社会生存和发展的基础条件, 主要由生态环境和地质环境两部分组成[1]。 近年来, 随着经济社会快速发展, 土地沙化、 湖泊湿地萎缩、 地下水位下降等生态地质环境问题日益凸显, 严重制约着人类社会经济发展[2]。 因此, 如何科学评价区域生态地质环境质量, 实现区域生态地质环境承载能力与农业生产、 城镇建设等人类活动强度与模式相匹配, 进而实现经济社会可持续发展, 是目前急需解决的难题[3]。 特别是小流域尺度的生态地质环境具有范围小、 敏感性强、 自我恢复能力弱等特点, 一旦生态地质环境出现恶化便很难自我恢复, 因此尤其需要科学有效的方法来精准化、 定量化判定小流域的生态地质环境质量, 为小流域生态地质环境保护与修复提供技术支撑。

目前对于生态地质环境评价方面的研究集中在矿山集中开采区、 城镇建设规划区、 海峡沿岸、 湿地及周边等生态脆弱区[4], 对于小流域尺度的生态地质环境评价相对较少。 评价方法方面, 主要是运用RS 和GIS 开展区域生态地质环境评价[5], 通过构建指标体系, 基于AHP、 BP 神经网络、 ANN 等计算指标权重, 然后进行加权叠加的方法综合确定生态地质环境质量[6-8]。 此外, 还有通过采用模糊理论与AHP 相结合、 组合权重、 主成分分析法、 变异系数法、 最优组合赋权法等来降低权重计算的主观性, 以提高评价结果的客观性[9-11]; 采用机器学习中k-means 聚类方法、 自动分层分类分析和排序技术等, 构建基于机器算法的生态地质环境评价模型, 以提高评价结果的精度[12-14]。 可见, 目前在生态地质环境评价方法、 权重计算方面已经取得了一系列成果, 但由于不同区域、 不同尺度的生态地质环境系统之间存在着差异性, 评价指标的选择和量化方面目前尚未形成统一的认识, 特别是小流域尺度的生态地质环境评价对精度要求高, 亟需在综合考虑评价区域的差异性、 评价指标的科学性、 评价数据获取的便捷性、 评价指标量化方法的可操作性等的基础上, 科学建立一套适用于小流域尺度的生态地质环境评价方法。 基于此, 本文以河北省承德市围场坝上如意河流域为例, 在流域生态地质环境调查的基础上, 探讨了符合小流域特点的评价指标体系和指标量化方法, 并建立了评价模型, 最后通过采用GIS 和AHP 耦合技术, 对该流域生态地质环境质量进行综合评价, 以期为小流域尺度的生态地质环境评价提供技术参考, 进而为小流域生态地质环境保护与修复提供科学依据。

1 研究区概况

如意河流域位于承德市围场满族蒙古族自治县西北, 距离围场县县城约77 km, 行政区划上隶属御道口牧场管辖。 在地貌单元中位于冀北坝上高原东端,面积206.9 km2, 属于小滦河一级支流, 也是坝上地区生态环境较有代表性的小流域。 流域属寒温带大陆性半干旱半湿润季风气候区, 多年平均气温-1.0 ℃,年平均日照2 367.8 h, 冻结期约180 d, 冻土深度达143 cm, 多年平均降雨量约460 mm, 年均蒸发潜力为1 244.4 mm, 年均相对湿度为74.4%。

流域内地貌以坝上波状高原地貌为主, 全区海拔高度在1 312～1 765 m, 流域上游源头为月亮湖(为承德坝上地区著名旅游景点), 向西南流经神仙洞和园山子, 在御道口牧场南汇入小滦河, 为小滦河一个重要支流, 属于小滦河上游次亚系统。 流域出露地层主要为中生界喷出岩、 火山碎屑岩、 陆相碎屑岩以及新生界中性、 基性喷出岩、 河湖相松散沉积物, 区内地下水分为松散岩类孔隙水、 碎屑岩类裂隙-孔隙水和玄武岩类孔洞-裂隙水。

2 生态地质环境评价方法

2.1 评价指标体系构建

区域生态地质环境是一个巨大而复杂的系统, 由许多既相对独立又彼此关联的部分组成, 合理的评价指标对评价结果至关重要[15]。 本文通过对研究区已有基础资料和生态地质调查成果进行分析研究, 结合小流域特点和评价指标的科学性、 普适性, 综合确定小流域尺度生态地质环境评价指标体系, 并将评价指标体系分为2 级。 一级指标划分为: 生态条件、 基础地质、 地形地貌、 水文地质、 自然条件、 人类活动,各一级指标包含的二级指标见表1。

表1 评价指标Table 1 Evaluation index

2.1.1 生态条件

①植被覆盖度

植被覆盖度通常指植被(包括叶、 茎、 枝) 在地面的垂直投影面积占统计区总面积的百分比。 植被覆盖度越高, 生态地质环境状况越好, 反之则越差。 本次主要基于植被覆盖度指数NDVI 分类。

②土地沙化程度

土地沙化主要用土地沙漠化敏感性指数来表征,土地沙化敏感性指数越高, 生态地质环境状况越差,反之越好。

③水土流失程度

水土流失程度用水土流失敏感性指数来表征, 水土流失敏感性指数越高, 生态地质环境状况越差, 反之越好。

2.1.2 基础地质

地层与土壤基质是生态环境的本底, 主要影响控制水资源转化迁移、 土地沙化、 土地开发利用与人类活动等, 与生态地质环境密切相关。 通过现场调查,以基岩为主的区域生态地质环境状况相对较好, 以基岩、 湖沼积和冲、 洪积物为主的区域次之, 以冲、 洪积物和风积物为主的区域生态地质环境状况相对较差。

2.1.3 地形地貌

①地形坡度

坡度主要影响控制植被发育、 土地沙化、 地表水径流、 人类活动等, 坡度越大, 土地沙化程度较弱、人类活动较少, 生态地质环境状况相对较好, 反之越差。

②坡向

坡向主要影响控制植被发育、 土地沙化等, 阳坡植被覆盖率相对较低、 风化侵蚀相对较强、 土地沙化程度相对较高, 生态地质环境状况相对较差, 反之越好。

2.1.4 水资源条件

①地下水质量

地下水质量可以直接表征生态地质环境状况, 地下水质量越好, 生态地质环境状况相对较好, 反之越差。

②地下水资源量

地下水资源量可以间接反映生态地质环境状况,用水资源量模数来表征, 地下水资源量模数越大, 生态地质环境状况相对较好, 反之越差。

③地表水资源量

地表水资源量可以间接反映生态地质环境状况,用水资源量模数来表征, 一般来说, 地表水资源量模数越大, 生态地质环境状况相对较好, 反之越差。

2.1.5 自然条件

自然条件用舒适度来表征, 一般来说, 舒适度越好, 生态地质环境状况相对较好, 反之越差。 舒适度采用温湿指数表征, 计算公式如下:

式中:S为舒适度,T为月均温度(华氏温度),f为月均空气相对湿度(%)[16]。

2.1.6 人类活动

①土地利用现状

土地利用现状可以间接反映生态地质环境状况。建设用地生态地质环境状况相对较差, 农业用地中等, 生态用地相对较好。

②人类活动区

人类活动对生态地质环境有较大的影响, 用人口核密度大小分类, 人口核密度越大, 人类活动程度越强, 生态地质环境状况相对较差, 反之越好。

2.2 评价指标量化

评价指标体系建立之后, 就需要对各个评价指标进行科学合理的量化。 通过对各评价指标的特点进行分析, 综合考虑指标量化的科学性、 可操作性、 便捷性等, 本文提出了评价指标三级量化标准, 对各评价指标采用相同的量化赋值区间, 各指标分级标准和量化值见表2。

表2 评价指标分级和赋值标准Table 2 Evaluation index grading and assignment standards

2.3 评价模型构建

在确定生态地质环境各主控因素的基础上, 本次采用多目标线性加权求和函数建立生态地质环境质量评价数学模型, 即如下公式:

式中,V为生态地质环境质量指数(值越大表明生态地质环境质量越好), 即所有评价因子加权求和总得分,Wj为评价指标权重,Xj为指标标准化值,m为评价因子个数。

2.4 评价指标权重计算

基于建立的生态地质环境质量评价指标体系, 运用层次分析法(AHP) 计算确定各主控因素的权重。通过专家打分的方法对本层指标对上一层指标的重要性进行两两比较分层次构造判断矩阵, 并经过层次单排序和一致性检验、 层次总排序和一致性检验等[17],最终各指标权重计算结果见表3。 经计算一致性比例CR均小于0.1, 即通过一致性检验。

表3 评价指标权重Table 3 Weight of evaluation index

2.5 生态地质环境综合评价

在完成以上各主控因素单项评价的基础上, 基于Arcgis 平台强大的空间信息融合技术, 根据公式(2)对每个评价单元内的评价因子进行加权求和计算[18],按照自然分级法确定分级阈值, 将如意河流域生态地质环境质量划分为良好、 一般、 较差3 个等级。

3 生态地质环境评价结果分析

基于上述评价方法, 完成如意河流域生态地质环境评价, 形成如意河流域生态地质环境评价分区图层(图1), 评价结果统计见表4。

图1 如意河流域生态地质环境综合评价分级图Fig.1 Comprehensive assessment and grading map of eco-geological environment in the Ruyi River Basin

表4 如意河流域生态地质环境质量等级统计表Table 4 Statistical table of eco-geological environment quality levels in the Ruyi River Basin

由评价结果可知, 本次如意河流域206 km2研究范围内, 生态地质环境质量良好区面积175.832 km2,占比84.69%; 一般区29.258 km2, 占比14.14%, 生态地质环境较差区面积2.415 km2, 仅占1.17%。 生态地质环境状况总体较好。

1) 生态地质环境较差区

根据定量评价结果, 研究区生态地质环境质量较差的区域分布相对集中, 主要分布在流域下游的后园子山、 如意河村一带, 生态环境问题以土地沙化和水土流失为主, 其次为地下水的点状污染。 该区域人类活动强烈, 对生态地质环境扰动较大, 造成植被覆盖度较差、 地下水相对缺乏。

2) 生态地质环境一般区

根据定量评价结果, 研究生态地质环境质量一般的区域主要分布在流域下游的后园子山、 园子山、 如意河村一带, 流域中游的神仙洞、 东长林、 南长林一带, 流域上游的月亮湖一带。 生态环境问题以土地沙化为主, 其次为湖泊湿地萎缩。 生态地质环境问题受地层条件、 农业生产、 旅游开发等多重因素的影响。

3) 生态地质环境良好区

根据定量评价结果, 除上述的生态地质环境较差区和一般区外, 研究区其他区域均为生态地质环境良好区。 应进一步加强生态环境保护工作。

4 结论

本文以承德市围场县坝上如意河流域为研究对象, 通过构建评价指标体系和量化方法、 评价模型,基于层次分析法(AHP) 和Arcgis 平台对生态地质环境质量进行了评价与分区, 主要取得如下结论:

1) 提出了针对小流域特点的生态地质环境评价指标体系, 包括生态条件、 基础地质、 地形地貌、 水文地质、 自然条件、 人类活动等6 个一级指标和12个二级指标, 并建立了小流域尺度生态地质环境评价指标量化方法、 评价模型、 权重计算方法等, 开展了如意河流域生态地质环境评价与分区。

2) 研究区生态地质环境质量良好区面积175. 832 km2, 占比84.69%, 生态地质环境质量总体较好, 生态地质环境质量较差的区域主要分布在流域下游的后园子山、 如意河村一带, 生态环境问题以土地沙化和水土流失为主, 其次为地下水的点状污染。 未来应注意控制水资源使用规模, 恢复植被, 保护地下水环境, 抑制土地沙化和水土流失问题。

3) 根据评价结果, 可以较为准确的反映流域内不同区域的生态地质环境状况, 并可结合野外实际调查数据分析研判影响区域生态地质环境质量的主要影响因素, 以此为基础可以制定与区域生态地质环境承载能力相匹配的人类活动强度与模式, 提出应对生态地质环境恶化的措施和建议, 从而实现人与生态地质环境协调发展。