基于GIS加權疊加的南四湖流域地質環(huán)境質量評價

秦娜 董方營 成文舉 孫建峰 史忠鑫 楊楊3

摘要：南四湖是中國南水北調東線工程的重要輸水儲蓄樞紐，做好該流域地質環(huán)境質量評價工作對合理規(guī)劃人類工程活動和保護生態(tài)環(huán)境具有重要意義。以南四湖上游流域為研究區(qū)，從地形地貌、構造活動性、地下水質量、土壤質量、地面沉降、崩塌滑坡、地面塌陷、人類工程活動強度8個方面，采用綜合指數法并基于MapGIS軟件進行分層加權疊加，然后根據分區(qū)閾值得到地質環(huán)境質量分區(qū)圖，對地質環(huán)境進行綜合評價。結果表明：該區(qū)地質環(huán)境質量總體較差，質量差和較差的面積占59.53%，質量好和較好的面積僅占40.47%;人類活動誘發(fā)地質災害和水土污染是導致地質環(huán)境惡化的主要因素。地質環(huán)境質量分區(qū)評價結果對區(qū)內地質環(huán)境綜合治理具有指導意義。

關 鍵 詞：地質環(huán)境質量評價; 綜合指數法; GIS加權疊加; 南四湖流域; 南水北調東線工程

中圖法分類號： P642 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.016

0 引 言

地質環(huán)境質量評價是衡量區(qū)域地質環(huán)境優(yōu)劣程度、查明地質災害危險等級的有效手段，對促進人類可持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義[1-2]。隨著人類活動的加劇，區(qū)域地質環(huán)境不斷被改變，工程建設誘發(fā)的環(huán)境地質問題時有報道。如何促進人類活動與地質環(huán)境之間的協(xié)調發(fā)展，使工程活動強度控制在地質環(huán)境的承載能力范圍之內，是目前面臨的全球性課題[3-5]。因此，通過有效手段對區(qū)域地質環(huán)境進行科學評價，對合理規(guī)劃人類工程活動和保護生態(tài)環(huán)境意義重大。

南四湖上游流域地質環(huán)境相對復雜，區(qū)內地形地貌成因特殊、條件復雜，降水時空分布不均，加之不合理的礦產資源開發(fā)、地下水資源過量開采和其它不合理的工程經濟活動，導致工作區(qū)內地質環(huán)境問題和地質災害凸顯[6-8]。近年來，該區(qū)域正處于經濟高速增長期，人類工程活動加劇了地質環(huán)境問題和地質災害的頻發(fā)[7]。目前，該區(qū)尚未進行系統(tǒng)的地質環(huán)境質量評價，更沒有對其進行分區(qū)分析。另一方面，MapGIS具有強大的網格剖分和分層疊加分析功能，目前廣泛應用于地質環(huán)境質量及地下水質分區(qū)分級評價研究方面[9-11]。MapGIS能將簡單的分層疊加進行加權改進，得到更加符合實際的綜合評價分區(qū)圖，從而較真實地反演工作區(qū)環(huán)境質量分區(qū)情況[11]。

基于此，本文以南四湖上游流域地質環(huán)境為研究對象，采用綜合指數法分級劃分評價因子，得到每個網格單元內的環(huán)境質量綜合指數;同時，利用GIS軟件對單因子等級判別剖分圖進行分層代數疊加，最終得到南四湖上游流域地質環(huán)境質量綜合評價分區(qū)圖，以期為南四湖流域地質環(huán)境質量做出科學的分級評價，為合理規(guī)劃工程建設和生態(tài)環(huán)境保護提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

南四湖是南水北調東線工程的重要輸水通道和調蓄湖泊，是微山湖、昭陽湖、獨山湖、南陽湖的總稱，位于山東省濟寧市微山縣境內，是省內最大的淡水湖泊，共有53條河流匯入。南四湖上游流域是中國重要的糧棉生產基地和能源基地之一，同時也是山東省最大的淡水魚養(yǎng)殖基地，煤炭開采及洗選業(yè)、造紙、化工、農副食品加工業(yè)等占據重要地位[12]。

研究區(qū)在構造上屬于華北板塊，區(qū)內以聊城-蘭考斷裂為界，以西為華北坳陷，以東為魯西地塊。區(qū)域斷裂發(fā)育，走向主要為近EW向和近NS向，偶有地震活動[6]。水文地質類型上以魯西北平原松散巖類水和魯中南中低山丘陵碳酸鹽巖類水為主;區(qū)域水位受大氣降水季節(jié)性控制明顯，呈周期性變化，僅有局部地段水位動態(tài)受其他因素影響較明顯[13-14]。研究區(qū)在自然和人為雙重因素影響下地質災害和地質環(huán)境問題突出，主要表現為地面沉降、塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流等地質災害，以及地方病、地下水污染等地質環(huán)境問題[7-8]。

2 地質環(huán)境質量評價

2.1 評價方法

地質環(huán)境質量的影響因素眾多且十分復雜，各因素的影響程度也不盡相同。本次評價以南四湖流域野外實地詳細調查結果為基礎，采用地質環(huán)境質量綜合指數法和不同評價因子分級判別疊加法進行分區(qū)評價;利用GIS對每個評價因子的專題圖層進行疊加分析，得到地質環(huán)境質量綜合指數圖層;最終，根據確定的綜合指數分區(qū)閾值，劃分出地質環(huán)境質量分區(qū)圖。

2.2 評價原則

本次地質環(huán)境質量評價分區(qū)是以自然環(huán)境、地質環(huán)境條件為背景，綜合考慮人類工程活動對環(huán)境的影響，結合地質環(huán)境問題發(fā)育現狀和發(fā)展趨勢進行評價分區(qū)。遵循的主要原則有“發(fā)生學原則”“主導因素原則”“相對一致性原則”“綜合分析原則”“類型分區(qū)與綜合分區(qū)相結合原則”等。

2.3 評價過程

2.3.1 評價模型構建

合理準確地選擇評價系統(tǒng)、評價因子，可以客觀真實地反映出地質環(huán)境的現狀，在環(huán)境質量評價過程中至關重要。根據評價因子選擇要求、研究區(qū)環(huán)境特點，通過定性分析和類比方法并結合南四湖流域地質環(huán)境條件，選擇地質環(huán)境條件、地質環(huán)境問題、人類工程活動作為一級因子。其中地質環(huán)境條件包括地形地貌、構造活動性2個次級因子，地質環(huán)境問題包括地下水質量、土壤質量、地面沉降、崩塌滑坡和地面塌陷5個次級因子。地下水質量又包括淺層地下水質量、中深層地下水質量2個三級因子，土壤質量包括0～20 cm土壤質量、20～40 cm土壤質量2個三級因子。據此建立的南四湖上游流域地質環(huán)境質量評價指標體系如圖1所示。

根據地質環(huán)境質量綜合指數法的評價流程，首先對子系統(tǒng)內各評價因子的表現程度進行等級劃分，給出歸一化指標。再將同一子系統(tǒng)內各評價項目的指標值按權重進行疊加，得出一個子系統(tǒng)評價總指標[15-16]。公式如下：Q=ni=1aibi式中：Q為地質環(huán)境質量指數;ai為第i個評價因子的權重;bi為第i個評價因子的強度指數。

2.3.2 評價因子權重確定及其等級劃分

本次評價采用層次分析法并結合以往工程經驗，綜合確定各評價因子的權重值[17-18]，結果如表1所列。對于各評價因子分級標準，由于目前尚未有地質環(huán)境質量評價的統(tǒng)一標準，本次評價采用DD 2004-02《區(qū)域環(huán)境地質調查總則（試行）》中的分級標準，將地質環(huán)境質量分為好、較好、較差和差4個等級[19]，各評價因子的評判標準分別賦值為4，3，2，1，如表2所列。

2.3.3 單因子地質環(huán)境質量判別

運用GIS的柵格數據處理方法對工作區(qū)進行網格剖分，單元面積選取1 km×1 km，去除南四湖、黃河古道等較大水體的面積，共劃分為26 317個評價單元，如圖2所示。

對研究區(qū)各評價單元分別提取地形地貌、構造活動性、地下水質量、土壤質量、地面沉降、崩塌滑坡、地面塌陷、人類工程活動強度等評價因子的地質環(huán)境質量等級判別信息。各評價因子地質環(huán)境質量等級判別剖分圖如圖3所示。

2.3.4 綜合計算評價

利用GIS的空間分析模塊，分別對研究區(qū)內每個評價單元進行代數疊加分析，在每個圖層對應的柵格之間作相應的四則運算或函數運算，得到地質環(huán)境質量綜合指數剖分圖。每一單元網格的綜合指數均在1.92～2.96之間，根據地質環(huán)境質量綜合指數頻數分布，利用分級地圖上的“自然間斷點分級法”選用4級分類。該方法可以尋求一種恰當的分組方式，使各類之間的差異最大化，各組內部的差異最小[20]，最終得到最佳的4級分級結果（見表3），確定2.17，2.35和2.66作為地質環(huán)境質量綜合指數的分區(qū)閾值。由此得到地質環(huán)境質量綜合指數分區(qū)圖，然后根據實際的地質環(huán)境背景條件和地質環(huán)境問題分布現狀進行校正，最終得到南四湖上游流域地質環(huán)境質量評價分區(qū)圖（見圖4）。

3 結果與分析

根據以上評價方法，將研究區(qū)地形地貌、構造活動（M≥5.0）區(qū)域、0～40 cm范圍內Ⅱ級土壤、地面塌陷不穩(wěn)定區(qū)、地面沉降較強區(qū)、崩滑較強區(qū)、人類活動較強烈區(qū)標注出來，得到區(qū)域綜合環(huán)境地質圖（見圖5）。該圖展現了各環(huán)境地質要素在研究區(qū)域的分布特征，為區(qū)域環(huán)境質量綜合評價結果對比分析奠定了基礎。本文給出了南四湖上游流域地質環(huán)境質量綜合評價結果，全區(qū)共分為質量好、質量較好、質量較差、質量差4個區(qū)（見圖4），分別將各區(qū)的分布特征結合實際調查結果分析如下。

3.1 地質環(huán)境質量好區(qū)（Ⅰ）

Ⅰ區(qū)面積為2 805.98 km2，占研究區(qū)總面積的10.98%。該區(qū)分布在濟寧北-汶上縣一帶，湖西質量好區(qū)主要在濟寧北-梁山南一帶、金鄉(xiāng)南部地區(qū)以及菏澤定陶和曹縣南部地區(qū)。實際調查結果表明：該區(qū)主要為平原區(qū)，地形起伏較小;土壤類型均為Ⅰ或Ⅱ級，基本未受污染。淺層地下水為Ⅳ類水，超標因子主要是氟化物，由內部特殊的地質環(huán)境背景造成;中深層地下水湖東區(qū)水質較好為Ⅱ、Ⅲ類水，湖西區(qū)水質較差為Ⅳ、Ⅴ類水，主要原因仍是氟化物，個別地區(qū)硫酸鹽超標，尚未發(fā)現顯著災害點，且人類活動對地質環(huán)境影響較小。

3.2 地質環(huán)境質量較好區(qū)（Ⅱ）

Ⅱ區(qū)面積為7 539.75 km2，占總面積的29.49%。該區(qū)在湖東主要分布在滕州、曲阜城區(qū)及濟寧城區(qū)北部，湖西主要分布在梁山-鄆城-巨野-金鄉(xiāng)-帶，以及東明縣、曹縣和單縣等地。實際調查結果表明：該區(qū)東部為山前沖洪積扇區(qū)，西部為黃河沖洪積平原區(qū)，地勢起伏較小;土壤類型為Ⅰ級，未受污染。湖東區(qū)淺層地下水為Ⅳ類水，中深層地下水湖東區(qū)水質較好，為Ⅲ類水;湖西區(qū)淺層地下水和中深層地下水水質差均為Ⅴ類水，影響因子主要有氟化物、硫酸鹽、總硬度和溶解性固體。濟寧東部、梁山地區(qū)存在崩塌、滑坡，滕州城東、單縣陳蠻莊有地面塌陷;湖東區(qū)人類工程活動較強烈。

3.3 地質環(huán)境質量較差區(qū)（Ⅲ）

Ⅲ區(qū)面積9 271.18 km2，占總面積的36.26%。該區(qū)在湖東主要位于山亭-滕州一帶、濟寧東部山前及丘陵區(qū)，湖西主要分布于梁山縣、菏澤鄄城-成武一帶以及東明西部沿黃區(qū)。實際調查結果表明：區(qū)內除梁山少部分土壤受輕度污染外，其余土壤未受污染。淺層地下水湖東區(qū)為Ⅳ類水，主要影響因子是硝酸鹽、總硬度;湖西區(qū)主要為Ⅳ、Ⅴ類水，影響因子有硫酸鹽、總硬度、氟化物;中深層地下水湖東區(qū)為Ⅲ類水，湖西區(qū)水質差，為Ⅴ類水，影響因子主要為氟化物。湖東濟寧中部地帶、湖西梁山地區(qū)存在崩塌、滑坡地質災害，滕州南羊莊地區(qū)發(fā)現有巖溶塌陷現象;人類工程活動強度東部較強烈，西部強度一般。

3.4 地質環(huán)境質量差區(qū)（Ⅳ）

Ⅳ區(qū)面積5 948.4 km2，占總面積的23.27%。主要分布在棗莊城區(qū)、嶧城、臺兒莊區(qū)、馮卯，濟寧城區(qū)、嘉祥、微山湖北部、泗水、鄒城以及菏澤城區(qū)、巨野附近地區(qū)。實際調查結果表明：該區(qū)東部低山丘陵地貌較多，地勢起伏不平，0～20 cm土壤受到輕度污染。淺層地下水湖東區(qū)為Ⅳ類水，湖西區(qū)多為Ⅳ、Ⅴ類水，主要影響因子有硫酸鹽、溶解性固體、總硬度和氟化物，巨野龍固煤礦區(qū)存在錳污染;中深層地下水湖東區(qū)較好為Ⅲ類水，湖西區(qū)水質差為Ⅴ類水，影響因子有氟化物、硫酸鹽、總硬度、溶解性固體。該區(qū)為南四湖上游流域地質災害主要發(fā)生區(qū)，并且受到強烈的人類工程活動影響。

4 結 論

（1） 根據南四湖上游流域地質環(huán)境條件，選取地質環(huán)境條件、地質環(huán)境問題、人類工程活動作為一級因子，以地形地貌、構造活動性、地下水質量、土壤質量、地面沉降、崩塌滑坡、地面塌陷作為次級因子，淺層地下水質量、中深層地下水質量、0～20 cm土壤質量、20～40 cm土壤質量作為三級因子，采用地質環(huán)境質量綜合指數法建立評價體系，利用GIS對每個評價因子的專題圖層進行疊加分析，最終得到地質環(huán)境質量評價分區(qū)圖。

（2） 地質環(huán)境質量劃分為4個區(qū)即質量好、質量較好、質量較差、質量差區(qū)。研究區(qū)總體地質環(huán)境質量較差;質量好和較好的區(qū)域占總面積的40.47%;質量差和較差的區(qū)域占總面積的59.53%，主要分布在湖東區(qū)域，主要影響因素為人類工程活動導致土壤受到輕度污染，另外局部區(qū)域還存在崩塌、滑坡等地質災害。

（3） 本文將基于GIS疊加得到的綜合評價分區(qū)圖和實際調查的環(huán)境地質圖上各評價因子分布作對比。各評價因子差和較差等級主要分布在綜合評價分區(qū)中的差和較差區(qū)。兩種方法結果較為吻合，驗證效果較好，說明利用地質環(huán)境質量綜合指數法并配合GIS疊加分析對地質環(huán)境質量進行分區(qū)的方法是合理可行的。根據評價結果可為該區(qū)地質環(huán)境綜合治理與地方經濟建設提供科學、可靠的地學依據，具有一定的理論與實踐意義。

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（編輯：劉 媛）