北京大清河流域生态涵养区生态地质环境质量综合评价

2020-07-07贾三满杜丽娜冯辉张群刘焘冯义轩

城市地质 2020年2期

贾三满杜丽娜冯辉张群刘焘冯义轩

摘要：北京生态涵养区是首都重要的生态屏障和水源保护地，为提升区域生态功能保障、环境承载力和可持续发展能力，开展地质环境质量综合调查评价工作意义重大。本文以大清河流域生态涵养区作为示范研究区，在遥感地质解译、区域地质环境质量调查和表层土壤地球化学调查的基础上，采用层次分析法、专家打分法以及经验赋值法等综合评价方法，选取生态安全、环境保护、资源利用3项作为决策层，选取地质灾害、矿山环境、土壤环境质量、土壤侵蚀、水污染敏感性、土壤养分以及富硒元素7项指标作为一级指标层，选取地貌类型、坡度、基岩类型、降雨量、土地利用、矿种类型等29项指标作为二级指标层，对研究区地质环境综合质量进行综合评价。依据评价结果，将研究区分为优等区、良好区、较差区和差区4个等级，对应所占面积分别为15.48%、56.84%、25.44%和2.24%。

关键词：生态涵养区;地质环境质量综合评价;层次分析法;环境承载力

Abstract： The Beijing Ecological Conservation Area serves as an important ecological protective screen and water reservation area in Beijing. In order to improve the ecological function conservation， environmental bearing capacity and sustainable development ability in this area， it is of great importance to conduct a comprehensive investigation and evaluation on geological environment quality. Taking the ecological conservation area near the Daqing River as an example， based on interpretation of remote sensing geology， regional geographic environment research and geochemical investigation of surface soil， a comprehensive valuation method involving AHP， expert scoring method and experience assignment method are used in this article. 3 indexes including ecology security， environmental protection， resource utilization are considered as decision level， 7 indexes including geographic catastrophe， mine environment， soil environment quality， soil erosion， water pollution sensitiveness and Se content are considered as the first index level， and 29 indexes such as landform type， slope， bedrock type， rainfall， land utilization， mineral type are considered as the second index level， a general evaluation on the comprehensive quality of geological environment is conducted in the research area. According to the result， the study area will be divided into 4 grades， namely the first-rate， the medium， the less poor and the poor， with a corresponding area of 15.48%， 56.84%， 19.63% and 2.24% respectively.

Keywords： Ecological conservation area; Comprehensive evaluation of geological environment quality; Analytic hierarchy process; Environmental carrying capacity.

0 引言

生態地质环境为地球表层系统的组成部分，是人类赖以生存和发展的物质基础和空间环境，它由生态环境与地质环境两个相互联系、相互作用又相对独立的子系统构成，对人类的开发和利用表现出资源性和灾害性（支兵发，2008;范强，2008）。随着科学技术的不断进步和经济社会的快速发展，人类改造自然的能力不断增强，对资源的开发利用达到了前所未有的程度，而大规模工程建设和过度的资源开发利用严重削弱了资源环境承载力，造成资源短缺、生态环境恶化以及自然灾害频发等一系列生态地质环境问题。因此，针对区域生态环境开发利用现状，在区域生态地质环境系统调查的基础上，开展生态地质环境评价研究，具有十分重要的意义。很多学者从不同方面对生态地质环境进行了界定（陈梦熊，1998;黄润秋，2011;朱裕生，1999;林景星等，1999），并以特定的生态区域为研究对象，选择了合适的评价因子和评价方法，构建生态地质环境质量评价体系（王欣等，2019;陈朝亮等，2009;薄克庭等，2015;李淑敏等，2016;王克晓等，2015;夏乐等，2015;林云杉，2015;邓辉，2011;李玲，2008;贾三满等，2019），极大的推动了生态地质环境评价的快速发展。本文以北京市大清河流域生态涵养区为研究示范区，结合生态涵养区发展规划提出的“以提升生态涵养功能、促进富民就业为核心，强化生态修复与水源保护，同时大力发展生态农业、生态旅游业等生态友好型产业，解决保护生态环境与经济发展之间的矛盾”的要求，遵循“安全、保护、开发”并重原则，从生态环境敏感性、地质资源、土地资源、地质灾害和人类活动等多个维度，在单要素评价的基础上构建综合指标评价体系，以期为国土空间管控、水源涵养、生态恢复和污染防治、绿色可持续发展等方面提供基础数据支撑。

1 研究区概况

北京大清河流域生态涵养区位于北京市西南部，面积1615km2，包括房山区山区和门头沟区南部少量区域，是华北平原与太行山脉过渡带，地势总体上西北高东南低，地貌由西北向东南依次是中山、低山、丘陵、岗台地以及冲洪积平原。气候类型为温带大陆性季风气候，平均气温在10.8℃，平均降雨量644mm;区内地层发育较为齐全，西北部大安山史家营、中部南窖地区地层岩性为石炭—二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系的中酸性火山岩和碎屑岩，中部、南部大部分地区以蓟县系、青白口系、奥陶系、寒武系碳酸盐岩夹碎屑岩为主，东南部岩溶较发育，其中长沟地区岩溶水丰富，是北京应急水源地，东部丘陵地区和平原区为第四纪地层（图1）。区内土壤类型以山地草甸土、棕壤、褐土和潮土为主。受地形地质条件影响，区内煤炭资源和建筑板材丰富，历史上矿业开发等人类活动显著，局部地质环境遭到严重破坏，地质灾害发生较为频繁。

2 数据来源与方法

2.1数据来源

研究区地形地貌、土地利用状况、植被发育等采用2018年2月SPOT6遥感数据;基础地质资料来源于1∶5万区域地质调查报告;土壤地球化学调查和测试数据分别来源于北京市地质勘察技术院2012年和2019年现场调查和测试数据，包括1279个调查点和54项化学元素含量及理化性质等指标;地质灾害、矿山环境治理数据来源于遥感解译和北京市国土资源调查;水资源状况数据来源于北京市水文地质工程地质大队编写的《北京市房山区水资源规划报告》（2012）。

2.2 评价体系及方法

评价因子的选取是研究区生态环境评价工作的关键内容之一。在资料收集、野外调查和理论分析的基础上，结合研究区的自然环境特征，从影响生态地质环境质量的因素出发，分析各因素之间的关系，确立了以生态地质环境评价为总目标层，以生态安全、环境保护和资源利用为要素层，生态安全是主要要素层，地质灾害、矿山环境、土壤环境质量、土壤侵蚀、水污染敏感性、土壤养分和富硒元素7个因子作为一级评价因素层，地貌类型等29个因子为二级评价因素层，建立了生态涵养地区地质环境综合评价体系。

（1）评价指标

地质灾害：研究区是北京突发性地质灾害重要发育区域，灾害包括泥石流、崩塌、滑坡、不稳定斜坡、地面塌陷5种类型，多次发生地质灾害。选取地貌类型、坡度、基岩类型、年降雨量、6—8月降雨量和土地利用6个因子，开展地质灾害易发性评价。

矿山环境：研究区矿产资源开采利用历史悠久，开发程度较高，是京郊有名的“煤炭之乡” “建材之乡”，原共有各类矿山340个。2008年以后，北京市逐渐关停了工作区内的矿业活动。近年来，为了改善生态环境，提高空气质量，中央及北京市财政自2014年开始大力投入资金，开展生态环境恢复治理。但矿山开采引发的矿山占地、植被损坏等环境问题依然突出，对生态保护、开发仍有较大影响，地质灾害和土地质量等与矿山开发地密切相关。本研究选取采用矿种类型、开发占地、开采方式和生态环境恢复治理现状4个因子开展矿山环境质量评价。

土壤环境质量：土壤是覆盖在地球陆地上表层的松散泥土，是人类、动植物的生存之本，在生态地质环境中扮演了重要的角色。研究区土地利用以耕地、林地、园地、草地等为主，建设用地面积占比较小，采用农用地土壤污染风险管控标准对土壤重金属元素As、Cr、Cd、Hg、Pb五项元素采用内梅罗法求取综合环境质量指数（Zz），开展土壤环境质量评价。

土壤侵蚀：土壤的侵蚀作用会使表土层变薄、有机质含量降低，植被覆盖度减小，生态环境日益恶化。根据通用水土流失方程的基本原理，选择降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度因子以及地表植被覆盖因子，开展土壤侵蚀敏感性进行评价。

水污染敏感性：水是地球各层圈物质能量载体，蕴藏着揭示生态地质环境系统变化的丰富信息，是生态地质环境中的重要因子。选择距地表水源的距离、岩性、土壤厚度、径流深度、入渗系数为指标，开展水污染敏感性评价。

土壤养分：土壤养分是由土壤提供的植物生长所必须的营养元素，能被植物直接或者转化后吸收，是土壤肥力的重要物质基础。本次评价选择氮、磷、钾和有机质为评价指标，按《土地质量地球化学评价规范》（DZ/T 0295-2016）开展土壤养分分区评价。

硒（Se）元素：土壤中富含硼、碘、硒、氟多种微量元素，硒元素是人体所必需的元素，对人体健康具有重要作用，被国内外医药界和营养学界称之为“长寿元素”“抗癌之王”。以硒元素含量为指标，开展土壤富硒性评价。

（2）分级标准

在综合分析大清河流域生态地质环境发育现状和各因素特征的基础上，制定地质灾害、矿山环境、土壤环境质量、土壤侵蚀、水污染敏感性、土壤养分和富硒元素评价因子的分级标准，具体见表1。

3评价与分析

3.1 单专题评价

将研究区域按照1km×1km进行网格划分，采用上述评价指标，按表2 所示分级标准和分区原则，分别开展突发地质灾害易发程度、矿山环境、土壤环境质量、土壤侵蚀敏感性、水环境污染敏感性、土壤养分综合分区以及土壤富硒程度的评价分区工作，绘制各单专题要素分区图2至图8 ，各专题图分区分布情况如下：

（1）地质灾害高易发区分布在3个区域：芦子水—史家营—大安山区、河北镇—佛子庄—南窖—长沟峪区基岩类型为石炭—二叠系的煤系地层和侏罗系火山碎屑岩，是北京市主要煤炭资源开采区，地质灾害类型主要有崩塌、泥石流、地面塌陷;栗原厂—三合庄村区基岩类型以前寒武系碳酸盐岩为主，发育地质灾害主要是崩塌和泥石流。

（2）矿山环境严重区主要分布于北部、中部煤礦开采区，因煤矿开采引发的采空塌陷、地裂缝等地质灾害较多，大量堆积的煤矸石加剧了泥石流等灾害，占压土地，影响植被恢复，造成了局部水土污染;一般区主要为煤矿开采严重但以矿山修复治理区和露天方式开采的建材矿区，存在露天开采产生的粉尘污染大气、采矿和矿渣破坏和占用土地、植被破坏等生态问题。

（3）研究区土壤化学元素主要受成土母质的影响，不同的成土母质土壤化学元素特征有所差别。基于元素地球化学空间分布特征，并结合区域地层岩性背景，将大清河流域山区元素分布划分为蓟县系钙质岩成土母质、青白口系页片岩成土母质、寒武奥陶系钙质岩成土母质、石炭二叠系硅质岩成土母质、侏罗白垩系硅质岩成土母质、岩浆岩成土母质和第四系土壤7个分区。

蓟县系钙质岩区土壤中明显富集CaO、MgO等氧化物，主要是受白云岩、大理岩等碳酸盐岩分布的控制影响，同时，局部Ag、Au、Pb等金属元素含量明显偏高，应为多金属矿化影响所致，氟元素在本区也呈现出明显的高值异常，可能主要受到高温热液活动影响。青白口系页片岩区土壤富集元素以金属—类金属为主，如Ag、Cd、Cu、Mn、Mo、Se、Zn、Hg等元素都表现出不同程度的浓集现象，因该类岩石成岩母质中碳质组分和黏粒组分相对富集或吸附上述元素所致。该类岩石是区内多金属矿化的赋矿岩层，同时也是土壤Se元素的主要供源。寒武—奥陶系钙质岩与蓟县系钙质岩区有一定差别，岩性以灰岩为主，因此元素分布上则表现出富钙特征。石炭—二叠系硅质岩区是含煤地层，因此在元素分布上C、N、S、有机碳等元素含量明显偏高，同时富Hg特征也指示煤矿开采过程中可能会造成表生环境中Hg等重金属的污染现象。侏罗—白垩系硅质岩区富集元素与石炭—二叠系一致，也包括C、N、S、有机碳等，同时Cl、Br元素含量偏高，但明显贫Hg。岩浆岩主要统计了房山岩体地区土壤中各元素含量分布特征，总体上表现出富集Na2O、P、Sr、Hg元素的特点。第四系土壤中明显富集的元素包括CaO、Hg、Cd等元素，反映出人为活动对后期表层土壤环境的改造作用。

总体上，自然状态下良好土壤地球化学条件良好，元素含量值在風险筛选值以下，土壤污染风险低，环境安全，土壤环境属于一级质量区和二级质量区达94.42%。局部受成土母质和人类活动共同作用，有三级和四级质量区只小范围分散出现在东沙港、史家营、银水和上方山等地，土壤污染风险较高，在后期农业种植方面要加强监测及调控。

（4）研究区土壤侵蚀敏感程度以中—高度为主，土壤颗粒相对较粗，以粉土为主，可侵蚀性强，地貌类型为中山、低山，地形坡度大，易侵蚀，生态敏感性高;轻度敏感和无敏感区分布于调查区西北和东南台地—丘陵区，地形坡度较小，土壤可侵蚀性弱—中等，植被较发育，土壤侵蚀的程度偏低。

影响区域水蚀土壤流失量的因素很多，主要因素有降雨、土壤可蚀性、地形地貌和地面覆盖或植被和人为活动。土壤生成与发育主要相关于物理风化作用，但也可以在化学上留有某些痕迹，如土壤中钙、镁的淋失，铁、铝富集所致的土壤黏化、红化、酸化。硅和铝为构成土壤的最基本且最大量的化学成分。砂粒和粉砂粒中主要含有各种原生矿物，其中以石英最多，土粒越粗石英的含量越高;而黏粒主要含有各种次生矿物，又以次生层状铝硅酸盐矿物为主，颗粒越细，其含量越高。一般来说，伊利石的硅铝率最高，而高岭石最小，蒙脱石介于两者之间。SiO2表土/Al2O3表土指标（Sa）可以在一定程度上反映土壤的黏土矿物组成或土壤含砂量的多寡，值越大，则土壤中非黏土的砂质成分越多，土壤颗粒较粗硬，反之则土壤黏性成分越多，土壤颗粒越细软。由土壤砂质含量指数图9可见：研究区中部至西部地区，在长沟峪—安子沟、十渡以北以西、北直河、史家营等地Sa值较高，土壤砂质成分多，这些地区海拔相对较高，坡度较陡，土层较薄，土壤熟化程度不明显。东部及西北部丘陵—平原Sa值较低，土壤含Al2O3偏高，土壤黏成分增多，质地较细，这些地区主要为，土层厚度属于中等，成土作用较明显。地形对Sa值有明显控制作用。

（5）水污染敏感性以中高敏感性为主，岩性为碳酸盐，入渗系数较好，土壤厚度薄地表降水易入渗地下，防水污染能力较差;轻度敏感区岩性以碳酸盐夹碎屑岩为主，入渗系数较小，地表降水入渗能力较差，防水污染能力较好;不敏感区岩性以砂岩、页岩、花岗岩和第四纪覆盖层为主，入渗能力一般，防水污染能力好。

（6）研究区土壤养分总体水平中等—富足，尤其是氮和有机质的含量普遍较高，在土壤中赋存丰富。土壤养分丰缺空间分布特征主要受到山区岩石地层和成土母质的影响，在深色的页片岩、硅质岩、含煤地层等母质区养分元素含量明显富集。

（7）通过土壤地球化学统计，研究区土壤Se元素背景值为0.257mg/kg，平均值为0.317mg/kg，最大值为0.456mg/kg，背景值约为北京市全市背景值的1.5倍，土壤呈现出明显的富Se特征。不同地层岩性Se含量差异显著，形成土壤的成土母质含硒量对比结果为岩浆岩<第四系<蓟县系钙质岩<寒武—奥陶系钙质岩<石炭—二叠系硅质岩（含煤系地层）<侏罗—白垩系硅质岩（含煤系地层）<青白口系页片岩（图10）。Se含量大于0.40mg/kg的土壤占总面积的23.93%，农业种植上称为“富硒土壤”，空间分布上与青白口系页片岩和侏罗—白垩系的灰岩等母质母岩有密切关联，河流相沉积的暗色岩系是重要的土壤硒来源，这主要是由于富含有机质、氮、碳等成土母质和岩石，对硒等元素具有明显的吸附固定作用，如页片岩、黏土岩、富有机质的煤系地层明显富集硒元素。土壤中Se元素处于适量水平的面积占绝对优势，约为986.2km2，占工区总面积的65.48% （冯辉等，2019）。

3.2 综合评价

在单要素评价的基础上，采用层次分析法（APH法），对上述7个因子按照九标度两两对比得到比较矩阵（表3），然后根据比较矩阵计算权重，通过对判矩阵进行一致性检验，求得该评价因子矩阵的一致性指标CI为0.0166，RI查表为1.32，则CR=CI/RI=0.0126<0.1，表明该判断矩阵通过一致性检验，具体评价因子的权重表如表4所示。

地质灾害、矿山环境生态安全评价指标占权重的60%以上，对综合评价结果起关键作用，是生态地质环境质量的主控因素。

按照1km×1km网格划分，将每个评价因素评价分值乘以相对应的权重值，计算获得综合加权评价分值，将所得的结果按照自然间断点分级法（Jenks）分为优等区、良好区、较差区和差区，利用MapGIS软件生成等值线图，经线条优化后生成地质环境综合评价图11。

优等区：面积为249.98km2，占总面积的15.48%，主要分布研究区东、南、西与平原接壤的浅山地带，其余零散分布在良好区内，地质灾害低易发性，矿山环境良好，土壤环境质量好，土壤侵蚀不敏感到轻度敏感，易于保护，适宜开发利用，但部分地区水环境污染性敏感性高，应加强水污染风险管理。

良好区：面积为917.98km2，占总面积的56.84%，大部分区域地质灾害中—低易发性，矿山环境良好—一般，土壤环境质量好，土壤侵蝕和水污染敏感性中等—高度敏感，可适度开发，开发利用应加强生态环境保护。

较差区：面积为410.84km2，占总面积25.44%，主要分布在研究区西北部边缘和中部，地质灾害发育中等—强烈，矿山环境一般—差，对人民生命财产安全威胁较大，土壤侵蚀和水污染敏感性较高，不宜开发利用。但区内土壤养分富足，供肥潜力强，有益元素丰富，发展特色农业有潜力。

差区：零星分布在较差区内，面积为36.2km2，占总面积2.24%，地质灾害发育强烈，矿山环境差，对人民生命财产安全威胁较大，土壤侵蚀和水污染敏感性高，禁止开发，加强保护和治理。

综合评价结果可以看出，研究区质量较差区主要分布青白口系、石炭—二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系，岩性以中酸性火山岩和碎屑岩岩性为主，较好区分布在蓟县、寒武、奥陶等碳酸盐区，生态环境质量受地层岩性控制作用明显。

生态地质环境质量受自然和人为多种因素影响，单专题评价评价结构与综合评价结果一致性较差，这些因素正向和逆向影响相互作用，甚至是相互矛盾的，例如富硒的地方往往有害重金属含量也高，土壤质量环境较差。岩溶地区透水性、富水性好，是房山岩溶地下水源地的补给区，但也是地下水污染敏感性高的区域。评价应单因素评价和综合评价并重，评价因子应根据研究区功能规划选择有效的因子，按单因子评价结果提出开发、保护建议更加合理。

4 结论

（1）大清河流域山区地质条件好，地质资源丰富，生态环境质量较好，地质灾害和矿山环境是主要的生态地质环境问题。生态地质环境优等区和良好区占总面积72.32%，地质灾害易发性低，危险性较小，矿山开采对生态环境影响小，土壤环境质量好，土壤侵蚀和水污染敏感性中等，可适度开发;较差区占总面积25.44%，地质灾害发育中等—强烈，危险性较大，矿山环境较差，生态安全环境较差，应加强地质灾害防治和资源保护，区内土壤养分富足，Se元素丰富，有发展特色农业潜力，可适度开发;差区占总面积2.24%，地质灾害危险性大，矿山环境问题突出，土壤侵蚀和水污染敏感性高，是重点地质灾害治理和生态地质环境保护区，应禁止开发。

（2）大清河流域山区土壤地球化学元素空间分布明显受到区域地质背景及矿化空间分布的控制，后期人为活动影响的叠加作用较小，土壤普遍富含B、S、Se、Corg、C、N、I等亲生物元素，反映了大清河生态涵养区土壤地球化学的浓集特征。不同成土母质元素分布各具特点，青白口系页片岩成土母质区发育的土壤中明显富集多金属元素，石炭—白垩系硅质岩成土母质区土壤明显富集亲生物元素。

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