GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境地質(zhì)評價中的應(yīng)用研究

，，

(河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，河南 鄭州 450045)

水文生態(tài)環(huán)境復(fù)雜且脆弱，是非常特殊的地理環(huán)境體系，利用GIS技術(shù)對其水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境進行分析，可有效建立生態(tài)環(huán)境與水文地質(zhì)環(huán)境的的內(nèi)在聯(lián)系，更有利于相互作用評價指標(biāo)體系的構(gòu)建，所以基于此對其地質(zhì)評價的數(shù)據(jù)也更為客觀準(zhǔn)確。而在水文生態(tài)地質(zhì)環(huán)境測量過程中，也應(yīng)該結(jié)合它的環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量展開定性評價，并在定性評價基礎(chǔ)上繼續(xù)實施量化評價預(yù)測。

圖1 結(jié)合GIS技術(shù)與模糊綜合評價法的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)評價應(yīng)用技術(shù)流程

1 某河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價基本思路與技術(shù)路線

本文擬對國內(nèi)某河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進行質(zhì)量預(yù)測評價，該河全長326 km，流域面積超過2 000 km2，評價中要結(jié)合海量的遙感解譯與野外信息內(nèi)容對全區(qū)水文生態(tài)環(huán)境進行質(zhì)量綜合評價與現(xiàn)狀評價，由定性評價轉(zhuǎn)化過渡到定量評價，對該河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量擁有一個相對綜合的認(rèn)知過程。在質(zhì)量評價過程中不但采用到了GIS技術(shù)，也結(jié)合模糊綜合評判法進行定量計算驗證?；舅悸肪褪且远ㄐ栽u價為主，以定量評價為輔，二者結(jié)合就能實現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量的分區(qū)性綜合預(yù)測評價。同時，該綜合預(yù)測評價也能夠?qū)崿F(xiàn)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量分區(qū)。

該河流域的評價工作是要結(jié)合GIS平臺全面展開的，它的評價空間信息直接從空間數(shù)據(jù)圖層中提取。如果環(huán)境因素發(fā)生變化，則要根據(jù)專題數(shù)據(jù)的時間序列進行調(diào)整，例如將已獲得數(shù)據(jù)帶入到評價模型中進行評價，獲得該河流域的綜合動態(tài)化神態(tài)分析過程與結(jié)果，明確它的水文地質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)是否處于平衡狀態(tài)，它的動態(tài)變化趨勢又如何等等。該河流域的分析模型主要是圍繞模糊綜合評價法展開的，它的評價技術(shù)路線如圖1。

2 某河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系的建立

為該河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量建立GIS評價體系，并闡釋其評價方法。首先在建立指標(biāo)體系方面，要首先篩選和優(yōu)化多方評價因子，選擇其中具有影響能力與制約能力的重要因子，提出其中相互關(guān)聯(lián)度偏大的因子，包括對評價結(jié)果貢獻偏小的因子等等。在進行一系列篩選之后再思考如何明確因子的指標(biāo)分級。該河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系建立主要圍繞當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量與人居生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量展開，以下介紹它的評價指標(biāo)取值與分級情況。

2.1 基于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)質(zhì)量評價指標(biāo)取值與分級分析

在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境背景下，要了解該河流域的坡度，它的取值界線分別為5°、10°、15°和20°，該因子取值采用了梯形函數(shù)取值方法。

水資源量方面則根據(jù)地表及地下水的水資源總量劃分為優(yōu)質(zhì)、中等、和低質(zhì)3個級別。

地質(zhì)災(zāi)害方面主要按照地質(zhì)災(zāi)害在該地區(qū)的易發(fā)生程度進行設(shè)置，也分為高等、中等、低等3個層次級別。

第四系堆積物方面則主要圍繞當(dāng)?shù)氐孛差愋蛠磉M行化劃分，根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)考察，主要將其地貌類型劃分為面積在0.5 km2以上的大型沖洪積扇，以及河漫灘與冰水堆積階地位置。

2.2 基于人居生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)質(zhì)量評價指標(biāo)取值與分級分析

在人居生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價方面，主要結(jié)合該河流域內(nèi)縣級以上級城市展開評價，該評價所采用的是點狀評價方法，主要是因為該河流域所涉及區(qū)域面積太小，不能采用區(qū)域評價方法。在坡度方面，同樣標(biāo)明取值界限，分別為3°、10°和15°，而其因子取值同樣采用直線型函數(shù)進行取值。

水資源量方面則根據(jù)地表及地下水的水資源總量劃分為優(yōu)質(zhì)、中等、和低質(zhì)3個級別。

人口密度方面劃分為3個指標(biāo)等級，分別為300、500、1 000人/km2，其中指標(biāo)的取值則要采用直線型函數(shù)取值方法。

地質(zhì)災(zāi)害方面主要按照地質(zhì)災(zāi)害在該地區(qū)的易發(fā)生程度進行設(shè)置，也分為高等、中等、低等3個層次級別[1]。

3 某河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系的評價方法闡釋

采用GIS對該河流域進行生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價，其評價方法中主要包括了對評價指標(biāo)的選擇確定與分級，對評價數(shù)據(jù)的提取與運用，對評價結(jié)果的圖形展示等等。

3.1 提取評價數(shù)據(jù)

首先要明確評價指標(biāo)，主要從圖形與屬性數(shù)據(jù)庫中總結(jié)評價單元內(nèi)容，明確各個評價數(shù)據(jù)指標(biāo)值。

3.2 建立評價模型

要建立該河流域的評價指標(biāo)體系，例如它的評價因素集合。以上文提到的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的地質(zhì)質(zhì)量評價體系為例，它就要評價該河流域周圍農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的坡度、水資源量、地質(zhì)災(zāi)害以及第四系堆積物，最后綜合確定評判集。所謂綜合評判集就是對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的綜合質(zhì)量等級評定，圍繞它所建立的等級集也分為高等、中等和低等3個級別。

這里以該河流域的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量隸屬度定量分析為例，首先明確定量因素為評價模型建立的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，然后融入隸屬度函數(shù)，圍繞隸屬度計算取值。選擇該河流域的斜坡坡度作為主力評價指標(biāo)，它的隸屬度函數(shù)則選擇梯形函數(shù)，如上文將該河流域周圍的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量劃分為3級(I優(yōu)秀、II中等、III差等)，給出以下函數(shù)表達式為：

在以上函數(shù)表達式中，_表示隸屬度值，而I、II、III則分別表示農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量中的3個等級。在這里還要給出斜坡坡度的隸屬度函數(shù)圖，如圖2。

圖2 某河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價的隸屬函數(shù)示意圖

上述圖2中為某河流域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價所建立的隸屬函數(shù)為典型的梯形函數(shù)，結(jié)合函數(shù)表達式就可以為它的流域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價建立具體的評價因素分級標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 確定權(quán)重

在建立評價模型，明確評價因素分級標(biāo)準(zhǔn)后，還要對某河流域的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價進行權(quán)重確定。這里采用層次分析法來確定權(quán)重問題，它其中涵蓋了專家經(jīng)驗判斷結(jié)合數(shù)學(xué)模型進行精確運算，是相對合理且可行性較高的系統(tǒng)權(quán)重評價分析方法。權(quán)重評價分為以下4步驟：

第一步要選擇確定專家組，對生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量進行評價，結(jié)合專家組開闊調(diào)查結(jié)果與調(diào)查目標(biāo)，結(jié)合專家集體智慧意見，綜合對該河流域的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量進行徹底分析，特別是對其重要性實施全面評估。

第二步要構(gòu)造判斷矩陣，首先給出評價因素集為：

U={u1，u2，……，um}

提取其中的相對重要性數(shù)值即um，然后咧出判斷矩陣T如下：

第三步計算判斷舉證的重要性排列，結(jié)合判斷矩陣，再基于線性代數(shù)知識，精確計算求證的最大特征根，同時求解它的對應(yīng)特征向量，最后對T特征向量下的各個評價因素進行重要性排列，排列后歸一化，這就是權(quán)數(shù)分配過程。在該計算過程中，如果所涉及的階數(shù)相對偏高，就要利用到方根法與和積法這樣的近似解法解決問題。

第四步為檢驗，要結(jié)合該河流域中生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價的復(fù)雜性來構(gòu)造判斷矩陣，求解其中的特征向量權(quán)值合理性，然后根據(jù)判斷矩陣來了解評價結(jié)果的一致性，對其隨機性進行深度檢驗，這里給出檢驗公式為：

CR=CI/RI

在檢驗公式中CR表示判斷矩陣的隨機一致性比率，而CI表示判斷矩陣的一致性指標(biāo)，RI代表判斷舉證的平均隨機一致性指標(biāo)。結(jié)合檢驗公司對該河流域的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價判斷矩陣一致性指標(biāo)進行計算，如下：

上述算式中λmax為最大特征根值，m代表判斷矩陣階數(shù)，通過大量試驗評價分析可以得到：

如果CR<1，那么就可判定該判斷矩陣是具有滿意一致性的，同時表明它的權(quán)數(shù)分配也合理。如果不合理，就要適當(dāng)調(diào)整判斷矩陣，直到達到滿意一致性標(biāo)準(zhǔn)即可。以下結(jié)合上述分析，給出該河流域的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境及人居生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價體因子及因子權(quán)重，如表1和表2[2]。

表1 某河流域的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價體因子及因子權(quán)重

表2 某河流域的人居生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價體因子及因子權(quán)重

4 某河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價的預(yù)測與可靠性驗證

4.1 可靠性驗證分析

某河流域的水文地質(zhì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價可靠性驗證是基于定量評價模型展開的，其中也融合了定量評價方法內(nèi)容與指標(biāo)體系數(shù)據(jù)。舉例來說，在該河流域的支流沙壩位置進行試點定量評價驗證，分別對它的左右兩岸和上、中、下游進行驗證，保證定量評價計算結(jié)果能夠與實際指標(biāo)值相互吻合為最佳水平，體現(xiàn)定量評價體系的合理性和評價結(jié)論的安全可靠性。經(jīng)過可靠性驗證分析表明該河在全流域的定量評價結(jié)果都與定性評價結(jié)果相互吻合，這說明在GIS技術(shù)應(yīng)用下該河流域的生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量的定量評價具有一定可行性，其所計算推理出的結(jié)論也具有很高可信度。

4.2 綜合評價預(yù)測

結(jié)合GIS技術(shù)，再進行定性定量環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量綜合評價方法，可以了解到該河流域整體生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量是中等偏上的，不過它的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量偏差，這是由于它的土壤質(zhì)地較差所造成的。另外該河流域的水資源相對豐富，農(nóng)業(yè)生態(tài)安定度較高，人居生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量也表現(xiàn)出較高水平[3]。

5 結(jié)語

本文結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)技術(shù)，為某河流域構(gòu)建了生態(tài)環(huán)境地質(zhì)質(zhì)量評價體系，對其各方面的屬性數(shù)據(jù)進行了計算和分析判斷，為生態(tài)環(huán)境地質(zhì)評價過程建立了相對全面且友好的技術(shù)性平臺。這對我國在該領(lǐng)域的健康發(fā)展十分有利，有待進一步的深入研究與廣泛應(yīng)用。

[1]張榮波.生態(tài)環(huán)境地質(zhì)的基本特點分析與技術(shù)探討[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計.2016(19):1335.

[2]張建軍.GIS技術(shù)在生態(tài)環(huán)境地質(zhì)評價中的應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊.2016(4):136.

[3]吳衍華.生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與評價研究——以濰坊市北部沿海化工基地(濱海新城)為例[J].環(huán)球人文地理.2016(2):227-229.