基于GIS加权叠加的南四湖流域地质环境质量评价

2022-04-01秦娜董方营成文举孙建峰史忠鑫杨杨3

人民长江 2022年1期

秦娜董方营成文举孙建峰史忠鑫杨杨3

摘要：南四湖是中国南水北调东线工程的重要输水储蓄枢纽，做好该流域地质环境质量评价工作对合理规划人类工程活动和保护生态环境具有重要意义。以南四湖上游流域为研究区，从地形地貌、构造活动性、地下水质量、土壤质量、地面沉降、崩塌滑坡、地面塌陷、人类工程活动强度8个方面，采用综合指数法并基于MapGIS软件进行分层加权叠加，然后根据分区阈值得到地质环境质量分区图，对地质环境进行综合评价。结果表明：该区地质环境质量总体较差，质量差和较差的面积占59.53%，质量好和较好的面积仅占40.47%;人类活动诱发地质灾害和水土污染是导致地质环境恶化的主要因素。地质环境质量分区评价结果对区内地质环境综合治理具有指导意义。

关键词：地质环境质量评价; 综合指数法; GIS加权叠加; 南四湖流域; 南水北调东线工程

中图法分类号： P642 文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.016

0 引言

地質环境质量评价是衡量区域地质环境优劣程度、查明地质灾害危险等级的有效手段，对促进人类可持续健康发展具有重要意义[1-2]。随着人类活动的加剧，区域地质环境不断被改变，工程建设诱发的环境地质问题时有报道。如何促进人类活动与地质环境之间的协调发展，使工程活动强度控制在地质环境的承载能力范围之内，是目前面临的全球性课题[3-5]。因此，通过有效手段对区域地质环境进行科学评价，对合理规划人类工程活动和保护生态环境意义重大。

南四湖上游流域地质环境相对复杂，区内地形地貌成因特殊、条件复杂，降水时空分布不均，加之不合理的矿产资源开发、地下水资源过量开采和其它不合理的工程经济活动，导致工作区内地质环境问题和地质灾害凸显[6-8]。近年来，该区域正处于经济高速增长期，人类工程活动加剧了地质环境问题和地质灾害的频发[7]。目前，该区尚未进行系统的地质环境质量评价，更没有对其进行分区分析。另一方面，MapGIS具有强大的网格剖分和分层叠加分析功能，目前广泛应用于地质环境质量及地下水质分区分级评价研究方面[9-11]。MapGIS能将简单的分层叠加进行加权改进，得到更加符合实际的综合评价分区图，从而较真实地反演工作区环境质量分区情况[11]。

基于此，本文以南四湖上游流域地质环境为研究对象，采用综合指数法分级划分评价因子，得到每个网格单元内的环境质量综合指数;同时，利用GIS软件对单因子等级判别剖分图进行分层代数叠加，最终得到南四湖上游流域地质环境质量综合评价分区图，以期为南四湖流域地质环境质量做出科学的分级评价，为合理规划工程建设和生态环境保护提供科学依据。

1 研究区概况

南四湖是南水北调东线工程的重要输水通道和调蓄湖泊，是微山湖、昭阳湖、独山湖、南阳湖的总称，位于山东省济宁市微山县境内，是省内最大的淡水湖泊，共有53条河流汇入。南四湖上游流域是中国重要的粮棉生产基地和能源基地之一，同时也是山东省最大的淡水鱼养殖基地，煤炭开采及洗选业、造纸、化工、农副食品加工业等占据重要地位[12]。

研究区在构造上属于华北板块，区内以聊城-兰考断裂为界，以西为华北坳陷，以东为鲁西地块。区域断裂发育，走向主要为近EW向和近NS向，偶有地震活动[6]。水文地质类型上以鲁西北平原松散岩类水和鲁中南中低山丘陵碳酸盐岩类水为主;区域水位受大气降水季节性控制明显，呈周期性变化，仅有局部地段水位动态受其他因素影响较明显[13-14]。研究区在自然和人为双重因素影响下地质灾害和地质环境问题突出，主要表现为地面沉降、塌陷、地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，以及地方病、地下水污染等地质环境问题[7-8]。

2 地质环境质量评价

2.1 评价方法

地质环境质量的影响因素众多且十分复杂，各因素的影响程度也不尽相同。本次评价以南四湖流域野外实地详细调查结果为基础，采用地质环境质量综合指数法和不同评价因子分级判别叠加法进行分区评价;利用GIS对每个评价因子的专题图层进行叠加分析，得到地质环境质量综合指数图层;最终，根据确定的综合指数分区阈值，划分出地质环境质量分区图。

2.2 评价原则

本次地质环境质量评价分区是以自然环境、地质环境条件为背景，综合考虑人类工程活动对环境的影响，结合地质环境问题发育现状和发展趋势进行评价分区。遵循的主要原则有“发生学原则”“主导因素原则”“相对一致性原则”“综合分析原则”“类型分区与综合分区相结合原则”等。

2.3 评价过程

2.3.1 评价模型构建

合理准确地选择评价系统、评价因子，可以客观真实地反映出地质环境的现状，在环境质量评价过程中至关重要。根据评价因子选择要求、研究区环境特点，通过定性分析和类比方法并结合南四湖流域地质环境条件，选择地质环境条件、地质环境问题、人类工程活动作为一级因子。其中地质环境条件包括地形地貌、构造活动性2个次级因子，地质环境问题包括地下水质量、土壤质量、地面沉降、崩塌滑坡和地面塌陷5个次级因子。地下水质量又包括浅层地下水质量、中深层地下水质量2个三级因子，土壤质量包括0～20 cm土壤质量、20～40 cm土壤质量2个三级因子。据此建立的南四湖上游流域地质环境质量评价指标体系如图1所示。

根据地质环境质量综合指数法的评价流程，首先对子系统内各评价因子的表现程度进行等级划分，给出归一化指标。再将同一子系统内各评价项目的指标值按权重进行叠加，得出一个子系统评价总指标[15-16]。公式如下：Q=ni=1aibi式中：Q为地质环境质量指数;ai为第i个评价因子的权重;bi为第i个评价因子的强度指数。

2.3.2 评价因子权重确定及其等级划分

本次评价采用层次分析法并结合以往工程经验，综合确定各评价因子的权重值[17-18]，结果如表1所列。对于各评价因子分级标准，由于目前尚未有地质环境质量评价的统一标准，本次评价采用DD 2004-02《区域环境地质调查总则（试行）》中的分级标准，将地质环境质量分为好、较好、较差和差4个等级[19]，各评价因子的评判标准分别赋值为4，3，2，1，如表2所列。

2.3.3 单因子地质环境质量判别

运用GIS的栅格数据处理方法对工作区进行网格剖分，单元面积选取1 km×1 km，去除南四湖、黄河古道等较大水体的面积，共划分为26 317个评价单元，如图2所示。

对研究区各评价单元分别提取地形地貌、构造活动性、地下水质量、土壤质量、地面沉降、崩塌滑坡、地面塌陷、人类工程活动强度等评价因子的地质环境质量等级判别信息。各评价因子地质环境质量等级判别剖分图如图3所示。

2.3.4 综合计算评价

利用GIS的空间分析模块，分别对研究区内每个评价单元进行代数叠加分析，在每个图层对应的栅格之间作相应的四则运算或函数运算，得到地质环境质量综合指数剖分图。每一单元网格的综合指数均在1.92～2.96之间，根据地质环境质量综合指数频数分布，利用分级地图上的“自然间断点分级法”选用4级分类。该方法可以寻求一种恰当的分组方式，使各类之间的差异最大化，各组内部的差异最小[20]，最终得到最佳的4级分级结果（见表3），确定2.17，2.35和2.66作为地质环境质量综合指数的分区阈值。由此得到地质环境质量综合指数分区图，然后根据实际的地质环境背景条件和地质环境问题分布现状进行校正，最终得到南四湖上游流域地质环境质量评价分区图（见图4）。

3 结果与分析

根据以上评价方法，将研究区地形地貌、构造活动（M≥5.0）区域、0～40 cm范围内Ⅱ级土壤、地面塌陷不稳定区、地面沉降较强区、崩滑较强区、人类活动较强烈区标注出来，得到区域综合环境地质图（见图5）。该图展现了各环境地质要素在研究区域的分布特征，为区域环境质量综合评价结果对比分析奠定了基础。本文给出了南四湖上游流域地质环境质量综合评价结果，全区共分为质量好、质量较好、质量较差、质量差4个区（见图4），分别将各区的分布特征结合实际调查结果分析如下。

3.1 地质环境质量好区（Ⅰ）

Ⅰ区面积为2 805.98 km2，占研究区总面积的10.98%。该区分布在济宁北-汶上县一带，湖西质量好区主要在济宁北-梁山南一带、金乡南部地区以及菏泽定陶和曹县南部地区。实际调查结果表明：该区主要为平原区，地形起伏较小;土壤类型均为Ⅰ或Ⅱ级，基本未受污染。浅层地下水为Ⅳ类水，超标因子主要是氟化物，由内部特殊的地质环境背景造成;中深层地下水湖东区水质较好为Ⅱ、Ⅲ类水，湖西区水质较差为Ⅳ、Ⅴ类水，主要原因仍是氟化物，个别地区硫酸盐超标，尚未发现显著灾害点，且人类活动对地质环境影响较小。

3.2 地质环境质量较好区（Ⅱ）

Ⅱ区面积为7 539.75 km2，占总面积的29.49%。该区在湖东主要分布在滕州、曲阜城区及济宁城区北部，湖西主要分布在梁山-郓城-巨野-金乡-带，以及东明县、曹县和单县等地。实际调查结果表明：该区东部为山前冲洪积扇区，西部为黄河冲洪积平原区，地势起伏较小;土壤类型为Ⅰ级，未受污染。湖东区浅层地下水为Ⅳ类水，中深层地下水湖东区水质较好，为Ⅲ类水;湖西区浅层地下水和中深层地下水水质差均为Ⅴ类水，影响因子主要有氟化物、硫酸盐、总硬度和溶解性固体。济宁东部、梁山地区存在崩塌、滑坡，滕州城东、单县陈蛮庄有地面塌陷;湖东区人类工程活动较强烈。

3.3 地质环境质量较差区（Ⅲ）

Ⅲ区面积9 271.18 km2，占总面积的36.26%。该区在湖东主要位于山亭-滕州一带、济宁东部山前及丘陵区，湖西主要分布于梁山县、菏泽鄄城-成武一带以及东明西部沿黄区。实际调查结果表明：区内除梁山少部分土壤受轻度污染外，其余土壤未受污染。浅层地下水湖东区为Ⅳ类水，主要影响因子是硝酸盐、总硬度;湖西区主要为Ⅳ、Ⅴ类水，影响因子有硫酸盐、总硬度、氟化物;中深层地下水湖东区为Ⅲ类水，湖西区水质差，为Ⅴ类水，影响因子主要为氟化物。湖东济宁中部地带、湖西梁山地区存在崩塌、滑坡地质灾害，滕州南羊庄地区发现有岩溶塌陷现象;人类工程活动强度东部较强烈，西部强度一般。

3.4 地质环境质量差区（Ⅳ）

Ⅳ区面积5 948.4 km2，占总面积的23.27%。主要分布在枣庄城区、峄城、台儿庄区、冯卯，济宁城区、嘉祥、微山湖北部、泗水、邹城以及菏泽城区、巨野附近地区。实际调查结果表明：该区东部低山丘陵地貌较多，地势起伏不平，0～20 cm土壤受到轻度污染。浅层地下水湖东区为Ⅳ类水，湖西区多为Ⅳ、Ⅴ类水，主要影响因子有硫酸盐、溶解性固体、总硬度和氟化物，巨野龙固煤矿区存在锰污染;中深层地下水湖东区较好为Ⅲ类水，湖西區水质差为Ⅴ类水，影响因子有氟化物、硫酸盐、总硬度、溶解性固体。该区为南四湖上游流域地质灾害主要发生区，并且受到强烈的人类工程活动影响。

4 结论

（1）根据南四湖上游流域地质环境条件，选取地质环境条件、地质环境问题、人类工程活动作为一级因子，以地形地貌、构造活动性、地下水质量、土壤质量、地面沉降、崩塌滑坡、地面塌陷作为次级因子，浅层地下水质量、中深层地下水质量、0～20 cm土壤质量、20～40 cm土壤质量作为三级因子，采用地质环境质量综合指数法建立评价体系，利用GIS对每个评价因子的专题图层进行叠加分析，最终得到地质环境质量评价分区图。

（2）地质环境质量划分为4个区即质量好、质量较好、质量较差、质量差区。研究区总体地质环境质量较差;质量好和较好的区域占总面积的40.47%;质量差和较差的区域占总面积的59.53%，主要分布在湖东区域，主要影响因素为人类工程活动导致土壤受到轻度污染，另外局部区域还存在崩塌、滑坡等地质灾害。

（3）本文将基于GIS叠加得到的综合评价分区图和实际调查的环境地质图上各评价因子分布作对比。各评价因子差和较差等级主要分布在综合评价分区中的差和较差区。两种方法结果较为吻合，验证效果较好，说明利用地质环境质量综合指数法并配合GIS叠加分析对地质环境质量进行分区的方法是合理可行的。根据评价结果可为该区地质环境综合治理与地方经济建设提供科学、可靠的地学依据，具有一定的理论与实践意义。

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