基于GIS空间分析的济源市地质环境承载力评价与分区

王 利， 焦红军， 杨 坡

（1.河南省地质调查院，郑州 450001； 2.河南省城市地质工程技术研究中心，郑州 450001；3.河南省地矿局第一环境地质调查院，郑州 450045）

地质环境承载力是指在一定的时期和一定的区域范围内，在维持区域地质环境系统结构不发生质的改变，区域地质环境功能不朝恶化方向发展的前提下，区域地质环境系统所能承受（或支持）的人类各种社会经济活动能力的相对大小，它可看作是区域地质环境系统结构与区域社会经济活动适宜程度的一种表示.也可相对表述为在不产生环境地质问题条件下各地质要素对外部营力的承受能力. 2008 年汶川地震、2010年玉树地震及舟曲特大山洪泥石流灾害灾后重建都把资源环境承载力评价作为重要基础和依据. 如樊杰［1］等通过对汶川灾区各种资源与地质条件的分析，探讨性提出了地震高烈度的高山峡谷地区进行服务于灾后重建的地质安全性评估和水土资源保障程度论证以及地质环境适宜性综合评估的基本思路、评估指标和评估方法，并应用于汶川地震重灾区，为灾区恢复重建提供了重要的依据. 廖顺宽等［2-4］开展了以区域资源环境要素为对象的地质环境承载力评价指标体系和方法的研究. 王奎峰等采用AHP 和GIS 耦合模型评价了山东半岛地质环境承载力［5］. 杨乐等在考虑地域地质特点的基础上，构建地质环境承载力评价指标体系，采用层次分析法对评价指标进行了权重计算，对地质环境承载力进行了评价［6-11］. 王念秦等基于地理信息系统技术、量化综合评价模型，对西安市临潼区骊山镇地质环境承载力演变过程进行了研究［12］. 吕敦玉等从矿山地质环境系统与矿业开发活动的适宜程度方面，运用层次分析法，选取重要环境约束因子作为评价指标，采用加权平均综合指数模型，开展了矿山地质环境承载力研究［13-16］. 熊华盛等分析城市建设过程中可能引发的环境地质问题，从地质资源保障与地质环境安全角度，采用综合指数模型，评价城市区资源环境承载力［17-19］.

济源市是中原城市群能源基地和原材料基地、国家产城融合示范区，在河南省城镇化布局中占据着重要地位. 本文在济源市地质环境调查的基础上，结合相关科研项目，针对其地质环境状况，利用GIS（Geographic Information System）的空间叠加分析功能，采用层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）构建地质环境承载力评价指标体系，将区内因矿业开发产生土壤重金属污染引起的地球化学异常纳入评价指标体系，选择与土壤环境质量密切相关的Pb、Cd 等8 种重金属元素，采用内梅罗污染指数进行综合评价是本文的创新点，结合综合指数法，对济源市地质环境承载能力进行评价. 本研究可为合理开发利用地质资源，推进生态文明建设及可持续发展提供参考，为国土空间开发适宜性评价提供科学依据，支撑服务新一轮国土空间规划编制.

1 研究区概况

济源市位于河南省西北部，北与山西省晋城市毗邻，南与古都洛阳市隔黄河相望，西与山西省运城市接壤，东与焦作市相连. 全市辖5个街道办事处、11个镇、525个村（居）民委员会，人口73万，总面积1931 km2.济源因济水发源地而得名，古时济水与长江、黄河、淮河并称“四渎”. 区内水系河流较多，共有大小河流100多条，皆属黄河水系，主要有黄河、沁河、济水、蟒河、湨水河等. 另有黄河小浪底水库、沁河河口村水库等大小水库20余座. 最大年降雨量为1186.7 mm（1954年），最小年降雨量为329.5 mm（1997年），年平均降水量632.03 mm，降雨具有明显的季节性，多集中在7月、8月、9月.

研究区地处我国地形第二阶梯与第三阶梯的交界处，地形总的态势是西北高、东南低，地形起伏变化大，地貌形态多样化. 北部和西部为太行山和中条山，南部和东南部为黄土丘陵. 山地、丘陵、平原等地貌类型齐全. 其中山区面积占67.8%，丘陵区面积占20.4%，平原区面积占11.8%.

研究区属山西中条隆起区东南边缘，华北地层区. 境内岩层有太古界林山群，元古界银鱼沟群、铁山河群，上元古界震旦系，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系、白垩系及新生界沉积层.岩浆岩不甚发育，主要分布在太阳坡—封门口一带，多属原“林山岩群”解体出来的古侵入体. 区内构造复杂，褶皱及断裂均很发育，且东部和西部显示出明显的差异，西部多紧闭甚至倒转的褶皱，多期活动的正断层及少量的逆断层，构成了北西向断裂褶皱带，东部则以燕山期高角度正断层及平缓开阔褶皱为主要特征.

区内地形地貌复杂，断裂构造发育，人类工程活动强烈，是河南省地质灾害多发区，尤其是雨季，滑坡、崩塌、泥石流灾害频发，如2011年9月长济高速k287段因山体滑坡，造成交通中断98 d. 据地质灾害调查数据统计［20］，研究区共发育地质灾害354处，主要分布于北部中低山与丘陵交界区域，灾害主要类型有滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地裂缝等，以滑坡、崩塌、地面塌陷为主.

研究区地下水资源丰富，有供水意义的主要为松散岩类孔隙水和碳酸盐岩类裂隙岩溶水. 孔隙水主要分布于济源市中东部倾斜平原区. 含水层由上更新统和全新统冲洪积砂、砂砾石、卵石组成，受河流作用，含水层具有条带状分布特征，地下水含水层厚度大，水量丰富，水质良好，属HCO3-Ca型水，在蟒河冲洪积扇上建有日供水量1万m3的柴庄水源地. 岩溶水主要分布于克井镇东北部、五龙口镇北部、思礼镇西北部山地，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、白云岩等，多为埋藏型，沿岩层面和裂隙发育溶洞、溶孔和溶缝等，水质好，属HCO3-Ca型水，在埋藏型奥陶系岩溶含水岩组建有日供水量7万m3的小庄水源地.

区内矿产丰富，是全国重要的铅锌深加工基地和电力能源基地，矿业的开发在满足经济发展的同时也产生有水环境污染、土壤重金属污染等环境地质问题等［21-24］.

2 评价方法

采用AHP方法构建济源市地质环境承载力评价指标体系，并对其权重进行计算，再结合综合指数法，利用GIS技术，对济源市地质环境承载能力进行等级划分.

2.1 层次分析法

层次分析法是把复杂问题分解成各个组成因素，又将这些因素按支配关系分组形成递阶层次结构. 通过两两比较的方式确定各个因素相对重要性，然后综合决策者的判断，确定决策方案相对重要性的总排序.其基本方法和步骤：分析系统中各因素之间的关系，建立系统的递阶层次结构；对同一层次的各元素关于上一层中某一准则的重要性进行两两比较，构造两两比较的判断矩阵；由判断矩阵计算被比较元素对于该准则的相对权重；计算各层元素对系统目标的合成权重，并排序；进行一致性检验.

2.2 GIS空间叠加分析

运用GIS 的多源空间地学信息复合叠加技术，能够高效地提取和处理地质承载力的各个评价因子图层，并通过多因子综合评价模型对图层进行叠置分析，从而得出研究区地质环境承载力指数. 基于GIS技术的多因子综合评价模型如式（1）：

图1 地质环境承载力评价指标体系Fig.1 The evaluation index system of geo-environmental carrying capacity

式中：S 为地质环境承载力指数；Wi为评价指标权重；Fi为指标层；n为评价因子个数.

3 评价指标体系

评价指标体系是在基于科学性、层次性、可行性、定性与定量分析原则的基础上，结合济源市的地质环境特点和层次分析法原理，选取区域地壳稳定性、地质灾害易发性、地球化学异常性、地震频率、地质灾害发生频率和不良岩土体分布6项指标和12个指标因子进行地质环境承载力评价，见图1.

3.1 区域地壳稳定性

区域地壳稳定性是内外动力地质作用和地壳表层特征共同作用的结果，受地震活动、构造活动、地应力、地壳或岩石圈结构、地质灾害以及地壳表面垂直运动速率等诸多因素的影响. 选用最大震级Ms和地震动峰值加速度评价地壳稳定性.

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），济源市东部地震动加速度反应谱特征周期为0.40 s，地震动峰值加速度为0.10 g，地震基本烈度为Ⅶ度区，区域地壳稳定性分级为次不稳定；济源市西部山区地震动加速度反应谱特征周期为0.40 s，地震动峰值加速度为0.05 g，地震基本烈度为Ⅵ度区，区域地壳稳定性分级为基本稳定. 根据地震动峰值加速度的区别将济源市东部平原区和西部山区区分开来. 其评分表和分区图分别见表1和图2.

表1 地壳稳定性评分表Tab.1 The rating scale of crustal stability

图2 地壳稳定性分区图Fig.2 The zoning map of crustal stability

3.2 地质灾害易发性

地质灾害易发性主要受地层岩性、地质构造、地形地貌、降水、植被等自然因素以及资源高强度开发等人为因素影响，主要依据地质灾害的活动规律和形成因素进行评价. 按照发生作用机制与产生后果的不同，将地质灾害划分为崩塌—滑坡—泥石流、地面塌陷、地面沉降—地裂缝三种类型.

地质灾害易发性=MAX｛［崩滑流易发程度］，［地面塌陷易发程度］，［地面沉降和地裂缝易发程度］｝.

以整个济源市范围为评价区域，将l∶5 万地形地质图做底图，然后按1 km×1 km 网格将全市划分为2080 个基本评价单元格，对边界区域进行合并单元格，最终确定单元格.

根据划分标准对全市2080个单元进行易发程度判别后，再根据同类易发性归并的原则，将全市地质灾害易发程度划分为地质灾害高易发区、中易发区、低易发区. 其评分表和分区图分别见表2和图3.

表2 地质灾害易发程度评分表Tab.2 The rating scale of vulnerability to geological hazards

图3 地质灾害易发程度分区图Fig.3 The zoning map of vulnerability to geological hazards

3.3 地球化学异常性

水土地球化学异常是影响地质环境安全的重要方面，土壤重金属选择与土壤环境质量密切相关的Hg、Cd、As、Pb、Cu、Zn、Cr和Ni等8种重金属元素，地下水选择砷、氟、碘、铁为主要作用因子，受当地铅锌矿产冶炼企业影响，土壤重金属污染表现明显，其中Pb、Cd影响最为突出；重金属不能为土壤微生物所分解，而易于积累，转化为毒性更大的甲基化合物，甚至有的通过食物链以有害浓度在人体内蓄积，严重危害人体健康.水土地球化学异常性=MAX｛［土壤汞元素异常程度］，［土壤镉元素异常程度］，……，［地下水砷元素异常程度］，［地下水氟元素异常程度］，［地下水碘元素异常程度］，［地下水铁元素异常程度］｝.

通过对本次102组地下水水质进行分析发现，区域内地下水中微量元素并未发现异常现象［25］. 因此，只考虑土壤重金属的异常性. 利用本次118件土壤地球化学样品，采用内梅罗污染指数进行综合评价，内梅罗指数既反映了各污染物对土壤的作用，同时突出了高浓度污染物对土壤环境质量的影响.

内梅罗综合污染指数法的计算公式为：

表3 内梅罗指数法土壤污染分级及评分表Tab.3 The classification and rating scale of soil pollution based on Nemerow’s pollution index

图4 地球化学异常分区图Fig.4 The zoning map of geochemical anomalies

3.4 地震频率

采用地震频率来表征评价区域内地震的活动状况，反映自然背景和人类活动共同作用下区域地壳稳定性的承载状态，以破坏性地震（4.7级以上）为统计对象，地震频率越低则承载状态越优良.

地震频率=［评价区域在该时段内发生4.7级以上地震的次数］/［评价区域内地震记录的时段长度］. 区域内并未发生4.7级以上的地震，因此根据地震频率将区域划分为I级，评分赋值为1.

3.5 地质灾害发生频率

地质灾害发生频率主要指崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等突发性地质灾害的发生频率，以及地面沉降等缓变性地质灾害的发生速率. 采用地质灾害发生频率/速率来表征评价区域内地质环境对人类活动的承载状态，地质灾害发生频率/速率越低则承载状态越优良.

突发性地质灾害发生频率=［评价区域在该时段内发生的破坏性的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害的次数］/［记录时段长度］.

本次评价以济源市行政区划为评价单元，记录时间为1982年至今，其评价因子为评价区域在该时段内发生的破坏性的崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等地质灾害的次数. 其评分表见表4. 其分区图见图5.

表4 突发性地质灾害发生频率评分表Tab.4 The rating scale of frequency of sudden geological hazards

图5 突发性地质灾害发生频率分区图Fig.5 The zoning map of frequency of sudden geological hazards

3.6 不良岩土体

济源市不良岩土体主要为软弱土，区内软土为全新统或上更新统上部湖泊沼泽相沉积的灰色、灰黑色、灰黄色粉质黏土，主要分布于蟒河—沁河冲积平原区及交接洼地，呈片状分布. 软土具有承载力低、灵敏度高、透水性低的特点. 对工程建设极为不利. 按照软弱土工程地质性质或处理难度和成本进行评价，其评分表见表5. 其分区图见图6.

表5 不良岩土体分布评分表Tab.5 The rating scale of distribution of unsuitable rock-soil body

4 地质环境承载力评价

4.1 判断矩阵和因子权重选取

根据以上因子的划分和选取，本次选取层次分析法辅助软件YAAHP（Yet Another AHP Software）来建立特征矩阵和求取各评价指标权重. 选用YAAHP 建立判断矩阵. 得出各判断矩阵后，采用幂法对各判断矩阵进行归一化处理，求出验证各评价指标在结果地质环境承载力中的权重.

对于“地质环境承载力”权重1，最大特征根λmax=6.580 1，判断矩阵一致性比例CI=0.092 1＜0.1，满足一致性检验，求取的各评价指标权重Wi（表6）合理.

图6 不良岩土体分区图Fig.6 The zoning map of unsuitable rock-soil body

表6 权重判断矩阵Tab.6 The weight judgment matrix

4.2 评价结果与分析

根据各单因子的区划结果，在GIS 系统中将调查区按每格1 km×1 km划分网格，通过投影变换、误差校正、镶嵌配准等功能完成单因子图层的编制，然后利用Excel 进行相关数据的计算，对各图层进行属性赋值. 通过GIS空间分析进行单因子图层区对区的相交分析，并依据前述各指标层分值乘上表6的权重，利用GIS的属性编辑功能，进行图层合并处理形成最终的评价结果图层，并提取新生成的区文件的各属性值，依据表7，根据前述评价方法、分析与计算，得出的地质环境承载力分区图的初始图层，参照调查区的具体地质条件等因素，经过人工判别，通过增减等合理整饰形成最终的调查区地质环境承载力分区图（图7）. 将济源市地质环境承载力划分为四个等级.

表7 地质环境承载力评价分区标准Tab.7 The zoning criteria of evaluation of geo-environmental carrying capacity

图7 调查区地质环境承载力分区图Fig.7 The zoning map of geo-environmental carrying capacity in the study area

1）地质环境承载力强区：主要分布在城市周围的平原地区，面积437.53 km2，占总面积的22.66%. 该区地势平坦，水系发育，适宜居住，受各类地质灾害影响较小.

2）地质环境承载力较强区：主要分布在S312 以东、长济高速以北地区，面积268.99 km2，占总面积的13.93%，多为平原和丘陵区，其受到的主要影响为软弱土等不良岩土体的存在.

3）地质环境承载力较弱区：面积196.00 km2，占总面积的10.15%. 主要分布范围三部分：一是济源市区东北部五龙口镇一带，沿沁河及白涧河流域分布，为崩塌、滑坡易发区；二是包括万洋山以及克井盆地周围基岩山区，该部出露地层复杂，主要岩性为寒武系白云岩及奥陶系白云质灰岩、灰质白云岩，为崩塌、滑坡隐伏区；三是位于曲阳水库周边，该范围内土壤重金属污染程度较大，属于中度污染区.

4）地质环境承载力弱区：面积1 028.48 km2，占总面积的53.26%. 主要分布范围为两部分：一是基岩山区，包括邵原镇、大峪镇、坡头镇、王屋镇和承留镇的部分区域，这一部分地区属于丘陵地貌区，城市化建设速度较快，公路、铁路沿线边坡开挖量大，人类工程活动强烈. 地质构造活动强烈，岩体节理裂隙发育、土体疏松易碎，在降雨和工程活动影响下易于发生崩塌、滑坡. 地质灾害频发，成为地质环境承载力弱的最主要原因. 二是克井盆地及豫光金铅集团附近区域，克井盆地由于大量采煤影响，造成大面积地面沉降以及地裂缝；豫光金铅附近土壤重金属出现严重污染现象，导致地质环境承载力弱.

5 结论

1）在综合考虑济源市地质环境现状和特点的基础上，构建了基于区域地壳稳定性、地质灾害易发性、地球化学异常性、地震频率、地质灾害频率和不良土体等6项评价指标，12个指标因子的地质环境承载力评价体系.

2）采用层次分析法（AHP）确定各个评价指标的权重，采用综合加权指数方法，借助GIS空间分析方法实现了济源市地质环境承载能力的等级划分，对济源市地质环境承载力进行了评价.

3）将济源市地质环境承载力的划分为强、较强、较弱，弱4个等级，并对每个等级区域做了分析说明，其中地质环境承载力强区，分布在城市建成区周边，为城市发展提供了发展空间基础. 地质环境承载力弱区分布最广，地处基岩山区和克井盆地等，要严格限制开发强度，持续恢复和改善区域生态环境.