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(diào)東線工程的重要輸水儲蓄樞紐，做好該流域地質(zhì)環(huán)境質(zhì)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(gòu)造活動性、地下水質(zhì)量、土壤質(zhì)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(shù)法并基于MapGIS軟件進(jìn)行分層加權(quán)疊加，然后根據(jù)分區(qū)閾值得到地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)圖，對地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合評價。結(jié)果表明：該區(qū)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量總體較差，質(zhì)量差和較差的面積占59.53%，質(zhì)量好和較好的面積僅占40.47%;人類活動誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害和水土污染是導(dǎo)致地質(zhì)環(huán)境惡化的主要因素。地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)評價結(jié)果對區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境綜合治理具有指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價; 綜合指數(shù)法; GIS加權(quán)疊加; 南四湖流域; 南水北調(diào)東線工程

中圖法分類號： P642 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.016

0 引 言

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價是衡量區(qū)域地質(zhì)環(huán)境優(yōu)劣程度、查明地質(zhì)災(zāi)害危險等級的有效手段，對促進(jìn)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(zhì)環(huán)境不斷被改變，工程建設(shè)誘發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題時有報道。如何促進(jìn)人類活動與地質(zhì)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)發(fā)展，使工程活動強度控制在地質(zhì)環(huán)境的承載能力范圍之內(nèi)，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(zhì)環(huán)境進(jìn)行科學(xué)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(zhì)環(huán)境相對復(fù)雜，區(qū)內(nèi)地形地貌成因特殊、條件復(fù)雜，降水時空分布不均，加之不合理的礦產(chǎn)資源開發(fā)、地下水資源過量開采和其它不合理的工程經(jīng)濟活動，導(dǎo)致工作區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害凸顯[6-8]。近年來，該區(qū)域正處于經(jīng)濟高速增長期，人類工程活動加劇了地質(zhì)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害的頻發(fā)[7]。目前，該區(qū)尚未進(jìn)行系統(tǒng)的地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價，更沒有對其進(jìn)行分區(qū)分析。另一方面，MapGIS具有強大的網(wǎng)格剖分和分層疊加分析功能，目前廣泛應(yīng)用于地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量及地下水質(zhì)分區(qū)分級評價研究方面[9-11]。MapGIS能將簡單的分層疊加進(jìn)行加權(quán)改進(jìn)，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(zhì)量分區(qū)情況[11]。

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

1 研究區(qū)概況

南四湖是南水北調(diào)東線工程的重要輸水通道和調(diào)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(nèi)，是省內(nèi)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(chǎn)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(nóng)副食品加工業(yè)等占據(jù)重要地位[12]。

研究區(qū)在構(gòu)造上屬于華北板塊，區(qū)內(nèi)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(zhì)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(zhì)災(zāi)害和地質(zhì)環(huán)境問題突出，主要表現(xiàn)為地面沉降、塌陷、地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，以及地方病、地下水污染等地質(zhì)環(huán)境問題[7-8]。

2 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價

2.1 評價方法

地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量的影響因素眾多且十分復(fù)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(xì)調(diào)查結(jié)果為基礎(chǔ)，采用地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)法和不同評價因子分級判別疊加法進(jìn)行分區(qū)評價;利用GIS對每個評價因子的專題圖層進(jìn)行疊加分析，得到地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)圖層;最終，根據(jù)確定的綜合指數(shù)分區(qū)閾值，劃分出地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量分區(qū)圖。

2.2 評價原則

本次地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價分區(qū)是以自然環(huán)境、地質(zhì)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(jié)合地質(zhì)環(huán)境問題發(fā)育現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行評價分區(qū)。遵循的主要原則有“發(fā)生學(xué)原則”“主導(dǎo)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(jié)合原則”等。

2.3 評價過程

2.3.1 評價模型構(gòu)建

合理準(zhǔn)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(zhì)環(huán)境的現(xiàn)狀，在環(huán)境質(zhì)量評價過程中至關(guān)重要。根據(jù)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(jié)合南四湖流域地質(zhì)環(huán)境條件，選擇地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)環(huán)境問題、人類工程活動作為一級因子。其中地質(zhì)環(huán)境條件包括地形地貌、構(gòu)造活動性2個次級因子，地質(zhì)環(huán)境問題包括地下水質(zhì)量、土壤質(zhì)量、地面沉降、崩塌滑坡和地面塌陷5個次級因子。地下水質(zhì)量又包括淺層地下水質(zhì)量、中深層地下水質(zhì)量2個三級因子，土壤質(zhì)量包括0～20 cm土壤質(zhì)量、20～40 cm土壤質(zhì)量2個三級因子。據(jù)此建立的南四湖上游流域地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)體系如圖1所示。

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

2.3.2 評價因子權(quán)重確定及其等級劃分

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

2.3.3 單因子地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量判別

運用GIS的柵格數(shù)據(jù)處理方法對工作區(qū)進(jìn)行網(wǎng)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(gòu)造活動性、地下水質(zhì)量、土壤質(zhì)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(zhì)環(huán)境質(zhì)量等級判別信息。各評價因子地質(zhì)環(huán)境質(zhì)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(nèi)每個評價單元進(jìn)行代數(shù)疊加分析，在每個圖層對應(yīng)的柵格之間作相應(yīng)的四則運算或函數(shù)運算，得到地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)剖分圖。每一單元網(wǎng)格的綜合指數(shù)均在1.92～2.96之間，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)頻數(shù)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(dāng)?shù)姆纸M方式，使各類之間的差異最大化，各組內(nèi)部的差異最小[20]，最終得到最佳的4級分級結(jié)果（見表3），確定2.17，2.35和2.66作為地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)的分區(qū)閾值。由此得到地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)分區(qū)圖，然后根據(jù)實際的地質(zhì)環(huán)境背景條件和地質(zhì)環(huán)境問題分布現(xiàn)狀進(jìn)行校正，最終得到南四湖上游流域地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價分區(qū)圖（見圖4）。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)以上評價方法，將研究區(qū)地形地貌、構(gòu)造活動（M≥5.0）區(qū)域、0～40 cm范圍內(nèi)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(biāo)注出來，得到區(qū)域綜合環(huán)境地質(zhì)圖（見圖5）。該圖展現(xiàn)了各環(huán)境地質(zhì)要素在研究區(qū)域的分布特征，為區(qū)域環(huán)境質(zhì)量綜合評價結(jié)果對比分析奠定了基礎(chǔ)。本文給出了南四湖上游流域地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合評價結(jié)果，全區(qū)共分為質(zhì)量好、質(zhì)量較好、質(zhì)量較差、質(zhì)量差4個區(qū)（見圖4），分別將各區(qū)的分布特征結(jié)合實際調(diào)查結(jié)果分析如下。

3.1 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)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(zhì)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(diào)查結(jié)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(biāo)因子主要是氟化物，由內(nèi)部特殊的地質(zhì)環(huán)境背景造成;中深層地下水湖東區(qū)水質(zhì)較好為Ⅱ、Ⅲ類水，湖西區(qū)水質(zhì)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(biāo)，尚未發(fā)現(xiàn)顯著災(zāi)害點，且人類活動對地質(zhì)環(huán)境影響較小。

3.2 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)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(diào)查結(jié)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(zhì)較好，為Ⅲ類水;湖西區(qū)淺層地下水和中深層地下水水質(zhì)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(zhì)環(huán)境質(zhì)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(diào)查結(jié)果表明：區(qū)內(nèi)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(zhì)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(zhì)災(zāi)害，滕州南羊莊地區(qū)發(fā)現(xiàn)有巖溶塌陷現(xiàn)象;人類工程活動強度東部較強烈，西部強度一般。

3.4 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)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(diào)查結(jié)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(zhì)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(zhì)災(zāi)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(jié) 論

（1） 根據(jù)南四湖上游流域地質(zhì)環(huán)境條件，選取地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)環(huán)境問題、人類工程活動作為一級因子，以地形地貌、構(gòu)造活動性、地下水質(zhì)量、土壤質(zhì)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(zhì)量、中深層地下水質(zhì)量、0～20 cm土壤質(zhì)量、20～40 cm土壤質(zhì)量作為三級因子，采用地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)法建立評價體系，利用GIS對每個評價因子的專題圖層進(jìn)行疊加分析，最終得到地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評價分區(qū)圖。

（2） 地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量劃分為4個區(qū)即質(zhì)量好、質(zhì)量較好、質(zhì)量較差、質(zhì)量差區(qū)。研究區(qū)總體地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量較差;質(zhì)量好和較好的區(qū)域占總面積的40.47%;質(zhì)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(dǎo)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(zhì)災(zāi)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(diào)查的環(huán)境地質(zhì)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(jié)果較為吻合，驗證效果較好，說明利用地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量綜合指數(shù)法并配合GIS疊加分析對地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行分區(qū)的方法是合理可行的。根據(jù)評價結(jié)果可為該區(qū)地質(zhì)環(huán)境綜合治理與地方經(jīng)濟建設(shè)提供科學(xué)、可靠的地學(xué)依據(jù)，具有一定的理論與實踐意義。

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（編輯：劉 媛）