GIS技术在生态环境地质评价中的应用研究

2018-04-25，，

地下水 2018年2期

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(河南省地质矿产勘查开发局第一地质环境调查院，河南郑州 450045)

水文生态环境复杂且脆弱，是非常特殊的地理环境体系，利用GIS技术对其水文地质生态环境进行分析，可有效建立生态环境与水文地质环境的的内在联系，更有利于相互作用评价指标体系的构建，所以基于此对其地质评价的数据也更为客观准确。而在水文生态地质环境测量过程中，也应该结合它的环境地质质量展开定性评价，并在定性评价基础上继续实施量化评价预测。

图1 结合GIS技术与模糊综合评价法的生态环境地质评价应用技术流程

1 某河流域的水文地质生态环境质量评价基本思路与技术路线

本文拟对国内某河流域的水文地质生态环境质量进行质量预测评价，该河全长326 km，流域面积超过2 000 km2，评价中要结合海量的遥感解译与野外信息内容对全区水文生态环境进行质量综合评价与现状评价，由定性评价转化过渡到定量评价，对该河流域的水文地质生态环境质量拥有一个相对综合的认知过程。在质量评价过程中不但采用到了GIS技术，也结合模糊综合评判法进行定量计算验证。基本思路就是要以定性评价为主，以定量评价为辅，二者结合就能实现对生态环境地质质量的分区性综合预测评价。同时，该综合预测评价也能够实现生态环境地质质量分区。

该河流域的评价工作是要结合GIS平台全面展开的，它的评价空间信息直接从空间数据图层中提取。如果环境因素发生变化，则要根据专题数据的时间序列进行调整，例如将已获得数据带入到评价模型中进行评价，获得该河流域的综合动态化神态分析过程与结果，明确它的水文地质环境系统是否处于平衡状态，它的动态变化趋势又如何等等。该河流域的分析模型主要是围绕模糊综合评价法展开的，它的评价技术路线如图1。

2 某河流域的水文地质生态环境质量评价指标体系的建立

为该河流域的水文地质生态环境质量建立GIS评价体系，并阐释其评价方法。首先在建立指标体系方面，要首先筛选和优化多方评价因子，选择其中具有影响能力与制约能力的重要因子，提出其中相互关联度偏大的因子，包括对评价结果贡献偏小的因子等等。在进行一系列筛选之后再思考如何明确因子的指标分级。该河流域的水文地质生态环境质量评价指标体系建立主要围绕当地农业生态环境地质质量与人居生态环境地质质量展开，以下介绍它的评价指标取值与分级情况。

2.1 基于农业生态环境的地质质量评价指标取值与分级分析

在农业生态环境背景下，要了解该河流域的坡度，它的取值界线分别为5°、10°、15°和20°，该因子取值采用了梯形函数取值方法。

水资源量方面则根据地表及地下水的水资源总量划分为优质、中等、和低质3个级别。

地质灾害方面主要按照地质灾害在该地区的易发生程度进行设置，也分为高等、中等、低等3个层次级别。

第四系堆积物方面则主要围绕当地地貌类型来进行化划分，根据当地地质考察，主要将其地貌类型划分为面积在0.5 km2以上的大型冲洪积扇，以及河漫滩与冰水堆积阶地位置。

2.2 基于人居生态环境的地质质量评价指标取值与分级分析

在人居生态环境地质质量评价方面，主要结合该河流域内县级以上级城市展开评价，该评价所采用的是点状评价方法，主要是因为该河流域所涉及区域面积太小，不能采用区域评价方法。在坡度方面，同样标明取值界限，分别为3°、10°和15°，而其因子取值同样采用直线型函数进行取值。

水资源量方面则根据地表及地下水的水资源总量划分为优质、中等、和低质3个级别。

人口密度方面划分为3个指标等级，分别为300、500、1 000人/km2，其中指标的取值则要采用直线型函数取值方法。

地质灾害方面主要按照地质灾害在该地区的易发生程度进行设置，也分为高等、中等、低等3个层次级别[1]。

3 某河流域的水文地质生态环境质量评价指标体系的评价方法阐释

采用GIS对该河流域进行生态环境地质质量评价，其评价方法中主要包括了对评价指标的选择确定与分级，对评价数据的提取与运用，对评价结果的图形展示等等。

3.1 提取评价数据

首先要明确评价指标，主要从图形与属性数据库中总结评价单元内容，明确各个评价数据指标值。

3.2 建立评价模型

要建立该河流域的评价指标体系，例如它的评价因素集合。以上文提到的农业生态环境的地质质量评价体系为例，它就要评价该河流域周围农业生态环境的坡度、水资源量、地质灾害以及第四系堆积物，最后综合确定评判集。所谓综合评判集就是对农业生态环境的综合质量等级评定，围绕它所建立的等级集也分为高等、中等和低等3个级别。

这里以该河流域的农业生态环境地质质量隶属度定量分析为例，首先明确定量因素为评价模型建立的基础数据，然后融入隶属度函数，围绕隶属度计算取值。选择该河流域的斜坡坡度作为主力评价指标，它的隶属度函数则选择梯形函数，如上文将该河流域周围的农业生态环境地质质量划分为3级(I优秀、II中等、III差等)，给出以下函数表达式为：

在以上函数表达式中，_表示隶属度值，而I、II、III则分别表示农业生态环境地质质量中的3个等级。在这里还要给出斜坡坡度的隶属度函数图，如图2。

图2 某河流域农业生态环境地质质量评价的隶属函数示意图

上述图2中为某河流域农业生态环境地质质量评价所建立的隶属函数为典型的梯形函数，结合函数表达式就可以为它的流域农业生态环境地质质量评价建立具体的评价因素分级标准。

3.3 确定权重

在建立评价模型，明确评价因素分级标准后，还要对某河流域的生态环境地质质量评价进行权重确定。这里采用层次分析法来确定权重问题，它其中涵盖了专家经验判断结合数学模型进行精确运算，是相对合理且可行性较高的系统权重评价分析方法。权重评价分为以下4步骤：

第一步要选择确定专家组，对生态环境地质质量进行评价，结合专家组开阔调查结果与调查目标，结合专家集体智慧意见，综合对该河流域的生态环境地质质量进行彻底分析，特别是对其重要性实施全面评估。

第二步要构造判断矩阵，首先给出评价因素集为：

U={u1，u2，……，um}

提取其中的相对重要性数值即um，然后咧出判断矩阵T如下：

第三步计算判断举证的重要性排列，结合判断矩阵，再基于线性代数知识，精确计算求证的最大特征根，同时求解它的对应特征向量，最后对T特征向量下的各个评价因素进行重要性排列，排列后归一化，这就是权数分配过程。在该计算过程中，如果所涉及的阶数相对偏高，就要利用到方根法与和积法这样的近似解法解决问题。

第四步为检验，要结合该河流域中生态环境地质质量评价的复杂性来构造判断矩阵，求解其中的特征向量权值合理性，然后根据判断矩阵来了解评价结果的一致性，对其随机性进行深度检验，这里给出检验公式为：

CR=CI/RI

在检验公式中CR表示判断矩阵的随机一致性比率，而CI表示判断矩阵的一致性指标，RI代表判断举证的平均随机一致性指标。结合检验公司对该河流域的生态环境地质质量评价判断矩阵一致性指标进行计算，如下：

上述算式中λmax为最大特征根值，m代表判断矩阵阶数，通过大量试验评价分析可以得到：

如果CR<1，那么就可判定该判断矩阵是具有满意一致性的，同时表明它的权数分配也合理。如果不合理，就要适当调整判断矩阵，直到达到满意一致性标准即可。以下结合上述分析，给出该河流域的农业生态环境及人居生态环境地质质量评价体因子及因子权重，如表1和表2[2]。

表1 某河流域的农业生态环境地质质量评价体因子及因子权重

表2 某河流域的人居生态环境地质质量评价体因子及因子权重

4 某河流域的水文地质生态环境质量评价的预测与可靠性验证

4.1 可靠性验证分析

某河流域的水文地质生态环境质量评价可靠性验证是基于定量评价模型展开的，其中也融合了定量评价方法内容与指标体系数据。举例来说，在该河流域的支流沙坝位置进行试点定量评价验证，分别对它的左右两岸和上、中、下游进行验证，保证定量评价计算结果能够与实际指标值相互吻合为最佳水平，体现定量评价体系的合理性和评价结论的安全可靠性。经过可靠性验证分析表明该河在全流域的定量评价结果都与定性评价结果相互吻合，这说明在GIS技术应用下该河流域的生态环境地质质量的定量评价具有一定可行性，其所计算推理出的结论也具有很高可信度。