小流域尺度生態地質環境評價方法探討

翟延亮

河北省地質礦產勘查開發局第四地質大隊(河北省水源涵養研究中心), 河北 承德 067000

0 引言

生態地質環境是人類社會生存和發展的基礎條件, 主要由生態環境和地質環境兩部分組成[1]。 近年來, 隨著經濟社會快速發展, 土地沙化、 湖泊濕地萎縮、 地下水位下降等生態地質環境問題日益凸顯, 嚴重制約著人類社會經濟發展[2]。 因此, 如何科學評價區域生態地質環境質量, 實現區域生態地質環境承載能力與農業生產、 城鎮建設等人類活動強度與模式相匹配, 進而實現經濟社會可持續發展, 是目前急需解決的難題[3]。 特別是小流域尺度的生態地質環境具有范圍小、 敏感性強、 自我恢復能力弱等特點, 一旦生態地質環境出現惡化便很難自我恢復, 因此尤其需要科學有效的方法來精準化、 定量化判定小流域的生態地質環境質量, 為小流域生態地質環境保護與修復提供技術支撐。

目前對于生態地質環境評價方面的研究集中在礦山集中開采區、 城鎮建設規劃區、 海峽沿岸、 濕地及周邊等生態脆弱區[4], 對于小流域尺度的生態地質環境評價相對較少。 評價方法方面, 主要是運用RS 和GIS 開展區域生態地質環境評價[5], 通過構建指標體系, 基于AHP、 BP 神經網絡、 ANN 等計算指標權重, 然后進行加權疊加的方法綜合確定生態地質環境質量[6-8]。 此外, 還有通過采用模糊理論與AHP 相結合、 組合權重、 主成分分析法、 變異系數法、 最優組合賦權法等來降低權重計算的主觀性, 以提高評價結果的客觀性[9-11]; 采用機器學習中k-means 聚類方法、 自動分層分類分析和排序技術等, 構建基于機器算法的生態地質環境評價模型, 以提高評價結果的精度[12-14]。 可見, 目前在生態地質環境評價方法、 權重計算方面已經取得了一系列成果, 但由于不同區域、 不同尺度的生態地質環境系統之間存在著差異性, 評價指標的選擇和量化方面目前尚未形成統一的認識, 特別是小流域尺度的生態地質環境評價對精度要求高, 亟需在綜合考慮評價區域的差異性、 評價指標的科學性、 評價數據獲取的便捷性、 評價指標量化方法的可操作性等的基礎上, 科學建立一套適用于小流域尺度的生態地質環境評價方法。 基于此, 本文以河北省承德市圍場壩上如意河流域為例, 在流域生態地質環境調查的基礎上, 探討了符合小流域特點的評價指標體系和指標量化方法, 并建立了評價模型, 最后通過采用GIS 和AHP 耦合技術, 對該流域生態地質環境質量進行綜合評價, 以期為小流域尺度的生態地質環境評價提供技術參考, 進而為小流域生態地質環境保護與修復提供科學依據。

1 研究區概況

如意河流域位于承德市圍場滿族蒙古族自治縣西北, 距離圍場縣縣城約77 km, 行政區劃上隸屬御道口牧場管轄。 在地貌單元中位于冀北壩上高原東端,面積206.9 km2, 屬于小灤河一級支流, 也是壩上地區生態環境較有代表性的小流域。 流域屬寒溫帶大陸性半干旱半濕潤季風氣候區, 多年平均氣溫-1.0 ℃,年平均日照2 367.8 h, 凍結期約180 d, 凍土深度達143 cm, 多年平均降雨量約460 mm, 年均蒸發潛力為1 244.4 mm, 年均相對濕度為74.4%。

流域內地貌以壩上波狀高原地貌為主, 全區海拔高度在1 312～1 765 m, 流域上游源頭為月亮湖(為承德壩上地區著名旅游景點), 向西南流經神仙洞和園山子, 在御道口牧場南匯入小灤河, 為小灤河一個重要支流, 屬于小灤河上游次亞系統。 流域出露地層主要為中生界噴出巖、 火山碎屑巖、 陸相碎屑巖以及新生界中性、 基性噴出巖、 河湖相松散沉積物, 區內地下水分為松散巖類孔隙水、 碎屑巖類裂隙-孔隙水和玄武巖類孔洞-裂隙水。

2 生態地質環境評價方法

2.1 評價指標體系構建

區域生態地質環境是一個巨大而復雜的系統, 由許多既相對獨立又彼此關聯的部分組成, 合理的評價指標對評價結果至關重要[15]。 本文通過對研究區已有基礎資料和生態地質調查成果進行分析研究, 結合小流域特點和評價指標的科學性、 普適性, 綜合確定小流域尺度生態地質環境評價指標體系, 并將評價指標體系分為2 級。 一級指標劃分為: 生態條件、 基礎地質、 地形地貌、 水文地質、 自然條件、 人類活動,各一級指標包含的二級指標見表1。

表1 評價指標Table 1 Evaluation index

2.1.1 生態條件

①植被覆蓋度

植被覆蓋度通常指植被(包括葉、 莖、 枝) 在地面的垂直投影面積占統計區總面積的百分比。 植被覆蓋度越高, 生態地質環境狀況越好, 反之則越差。 本次主要基于植被覆蓋度指數NDVI 分類。

②土地沙化程度

土地沙化主要用土地沙漠化敏感性指數來表征,土地沙化敏感性指數越高, 生態地質環境狀況越差,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數來表征, 水土流失敏感性指數越高, 生態地質環境狀況越差, 反之越好。

2.1.2 基礎地質

地層與土壤基質是生態環境的本底, 主要影響控制水資源轉化遷移、 土地沙化、 土地開發利用與人類活動等, 與生態地質環境密切相關。 通過現場調查,以基巖為主的區域生態地質環境狀況相對較好, 以基巖、 湖沼積和沖、 洪積物為主的區域次之, 以沖、 洪積物和風積物為主的區域生態地質環境狀況相對較差。

2.1.3 地形地貌

①地形坡度

坡度主要影響控制植被發育、 土地沙化、 地表水徑流、 人類活動等, 坡度越大, 土地沙化程度較弱、人類活動較少, 生態地質環境狀況相對較好, 反之越差。

②坡向

坡向主要影響控制植被發育、 土地沙化等, 陽坡植被覆蓋率相對較低、 風化侵蝕相對較強、 土地沙化程度相對較高, 生態地質環境狀況相對較差, 反之越好。

2.1.4 水資源條件

①地下水質量

地下水質量可以直接表征生態地質環境狀況, 地下水質量越好, 生態地質環境狀況相對較好, 反之越差。

②地下水資源量

地下水資源量可以間接反映生態地質環境狀況,用水資源量模數來表征, 地下水資源量模數越大, 生態地質環境狀況相對較好, 反之越差。

③地表水資源量

地表水資源量可以間接反映生態地質環境狀況,用水資源量模數來表征, 一般來說, 地表水資源量模數越大, 生態地質環境狀況相對較好, 反之越差。

2.1.5 自然條件

自然條件用舒適度來表征, 一般來說, 舒適度越好, 生態地質環境狀況相對較好, 反之越差。 舒適度采用溫濕指數表征, 計算公式如下:

式中:S為舒適度,T為月均溫度(華氏溫度),f為月均空氣相對濕度(%)[16]。

2.1.6 人類活動

①土地利用現狀

土地利用現狀可以間接反映生態地質環境狀況。建設用地生態地質環境狀況相對較差, 農業用地中等, 生態用地相對較好。

②人類活動區

人類活動對生態地質環境有較大的影響, 用人口核密度大小分類, 人口核密度越大, 人類活動程度越強, 生態地質環境狀況相對較差, 反之越好。

2.2 評價指標量化

評價指標體系建立之后, 就需要對各個評價指標進行科學合理的量化。 通過對各評價指標的特點進行分析, 綜合考慮指標量化的科學性、 可操作性、 便捷性等, 本文提出了評價指標三級量化標準, 對各評價指標采用相同的量化賦值區間, 各指標分級標準和量化值見表2。

表2 評價指標分級和賦值標準Table 2 Evaluation index grading and assignment standards

2.3 評價模型構建

在確定生態地質環境各主控因素的基礎上, 本次采用多目標線性加權求和函數建立生態地質環境質量評價數學模型, 即如下公式:

式中,V為生態地質環境質量指數(值越大表明生態地質環境質量越好), 即所有評價因子加權求和總得分,Wj為評價指標權重,Xj為指標標準化值,m為評價因子個數。

2.4 評價指標權重計算

基于建立的生態地質環境質量評價指標體系, 運用層次分析法(AHP) 計算確定各主控因素的權重。通過專家打分的方法對本層指標對上一層指標的重要性進行兩兩比較分層次構造判斷矩陣, 并經過層次單排序和一致性檢驗、 層次總排序和一致性檢驗等[17],最終各指標權重計算結果見表3。 經計算一致性比例CR均小于0.1, 即通過一致性檢驗。

表3 評價指標權重Table 3 Weight of evaluation index

2.5 生態地質環境綜合評價

在完成以上各主控因素單項評價的基礎上, 基于Arcgis 平臺強大的空間信息融合技術, 根據公式(2)對每個評價單元內的評價因子進行加權求和計算[18],按照自然分級法確定分級閾值, 將如意河流域生態地質環境質量劃分為良好、 一般、 較差3 個等級。

3 生態地質環境評價結果分析

基于上述評價方法, 完成如意河流域生態地質環境評價, 形成如意河流域生態地質環境評價分區圖層(圖1), 評價結果統計見表4。

圖1 如意河流域生態地質環境綜合評價分級圖Fig.1 Comprehensive assessment and grading map of eco-geological environment in the Ruyi River Basin

表4 如意河流域生態地質環境質量等級統計表Table 4 Statistical table of eco-geological environment quality levels in the Ruyi River Basin

由評價結果可知, 本次如意河流域206 km2研究范圍內, 生態地質環境質量良好區面積175.832 km2,占比84.69%; 一般區29.258 km2, 占比14.14%, 生態地質環境較差區面積2.415 km2, 僅占1.17%。 生態地質環境狀況總體較好。

1) 生態地質環境較差區

根據定量評價結果, 研究區生態地質環境質量較差的區域分布相對集中, 主要分布在流域下游的后園子山、 如意河村一帶, 生態環境問題以土地沙化和水土流失為主, 其次為地下水的點狀污染。 該區域人類活動強烈, 對生態地質環境擾動較大, 造成植被覆蓋度較差、 地下水相對缺乏。

2) 生態地質環境一般區

根據定量評價結果, 研究生態地質環境質量一般的區域主要分布在流域下游的后園子山、 園子山、 如意河村一帶, 流域中游的神仙洞、 東長林、 南長林一帶, 流域上游的月亮湖一帶。 生態環境問題以土地沙化為主, 其次為湖泊濕地萎縮。 生態地質環境問題受地層條件、 農業生產、 旅游開發等多重因素的影響。

3) 生態地質環境良好區

根據定量評價結果, 除上述的生態地質環境較差區和一般區外, 研究區其他區域均為生態地質環境良好區。 應進一步加強生態環境保護工作。

4 結論

本文以承德市圍場縣壩上如意河流域為研究對象, 通過構建評價指標體系和量化方法、 評價模型,基于層次分析法(AHP) 和Arcgis 平臺對生態地質環境質量進行了評價與分區, 主要取得如下結論:

1) 提出了針對小流域特點的生態地質環境評價指標體系, 包括生態條件、 基礎地質、 地形地貌、 水文地質、 自然條件、 人類活動等6 個一級指標和12個二級指標, 并建立了小流域尺度生態地質環境評價指標量化方法、 評價模型、 權重計算方法等, 開展了如意河流域生態地質環境評價與分區。

2) 研究區生態地質環境質量良好區面積175. 832 km2, 占比84.69%, 生態地質環境質量總體較好, 生態地質環境質量較差的區域主要分布在流域下游的后園子山、 如意河村一帶, 生態環境問題以土地沙化和水土流失為主, 其次為地下水的點狀污染。 未來應注意控制水資源使用規模, 恢復植被, 保護地下水環境, 抑制土地沙化和水土流失問題。

3) 根據評價結果, 可以較為準確的反映流域內不同區域的生態地質環境狀況, 并可結合野外實際調查數據分析研判影響區域生態地質環境質量的主要影響因素, 以此為基礎可以制定與區域生態地質環境承載能力相匹配的人類活動強度與模式, 提出應對生態地質環境惡化的措施和建議, 從而實現人與生態地質環境協調發展。