太行山地区地质公园空间分布特征及影响因素研究

王成武, 唐鸿湖, 耿 巧, 杜家禄

西南石油大学 地球科学与技术学院, 四川 成都 610500

0 引言

地质公园是以具有特殊地质科学意义、 稀有的自然属性、 较高的美学观赏价值、 一定规模和分布范围的地质遗迹景观为主体, 并融合其它自然景观与人文景观而构成的一种独特的自然区域[1]。 地质公园的建立以保护地质遗迹资源、 促进社会经济可持续发展为宗旨。 此外, 地质公园还是一种新型的地质资源利用方式, 可以有效拉动地方经济的发展[2]。 1999 年4 月联合国教科文组织在第156 次常务委员会议上提出建立世界地质公园(UNESCO Geoparks) 计划, 目标是在全球建立500 个世界地质公园。 截至2020 年10 月,中国正式命名的国家地质公园已有219 处。 随着国家地质公园的建设和发展, 不同学科背景的学者逐步展开了对地质公园的研究, 内容主要涉及: 地质公园的概念、 功能价值、 地质基础、 管理制度等基础理论问题以及界限范围界定、 资源评价、 旅游开发等应用问题[3-4]。

太行山位于山西省与华北平原之间, 纵跨北京、河北、 山西、 河南4 省市, 南抵河南省的沁河平原,西翼连接山西高原, 东翼由中山、 低山、 丘陵过渡到华北平原。 太行山是中国东部地区的重要山脉, 是黄土高原和华北平原的天然分界线, 是华北平原的重要生态屏障[5]。 太行山的形成始于新生代的喜马拉雅运动, 属于典型的大陆内造山。 现在一般认为太行山的隆升与华北克拉通的减薄存在较大的联系。 太行山北段被认为从白垩纪以来就处于隆升体系下, 而太行山南缘地区新生代以前一直保持着克拉通构造环境, 基本上未遭受强烈构造变形的影响。 从新生代开始, 由于受到滨太平洋构造域构造活动的影响, 才发生断陷隆升, 逐渐与华北平原地区分离开来, 形成现今的断块隆起山脉[6]。 太行山沉积了巨厚的碎屑岩、 含铁硅质岩及碳酸盐地层, 受五台运动和吕梁运动的影响,区内古老的地层普遍遭受褶皱、 变质, 并伴随有断裂和石英岩脉的侵入, 形成了独具特色的地质遗迹[7]。目前太行山地区建成52 个地质公园, 堪称一座天然的地质博物馆。 太行山不仅具有较高的科学价值、 美学价值, 还是太行精神的重要发祥地, 是一座具有国家文化标识性意义的重要山脉[8]。

目前学者们对太行山的地质遗迹及成因、 构造特征、 地质公园资源整合、 旅游开发等进行了一系列的研究[9-14]。 但对太行山地区地质公园空间分布及其成因的研究还相对较少。 因此, 本文采用地理空间分析方法探索太行山地区地质公园的空间分布特征及影响影响因素, 以期为太行山地区地质公园的建设提供有益的借鉴。

图1 太行山地理位置及地质公园概况图Fig.1 The geographical location of Taihang Mountain and the overview map of the geopark

1 研究方法与数据来源

1.1 数据来源

GIS 空间分析的工作底图来源SuperMap 软件在线数据, 数据的坐标系为WGS_ 1984_ Web_ Mercator。地质公园的经纬度坐标借助坐标拾取系统, 导入GIS基础底图并精确定位。 地质公园的设立时间来自于旅游地理信息网站。 太行山地质构造资料数据来源于四省市(河南省、 河北省、 山西省、 北京) 区域地质志。利用ArcMap 对搜集到的数据进行处理, 建立地质公园数据库, 包括名称、 所在地、 经纬度、 设立时间。

1.2 研究方法

空间要素研究的方法大致可分为两类, 一类适合于研究离散分布的地理要素, 另一类适合于研究连续分布的地理要素。 对于离散分布的点状地理事物多采用平均最近邻指数法、 基尼系数、 重心迁移轨迹、 核密度分析、 标准差椭圆等方法研究其时空演化特征。

(1) 平均最近邻指数: 平均最近邻指数是指理论上在区域内, 各个点之间的平均最邻近距离(平均观测距离)C1与理论最邻近距离(预期平均距离)C2之比C′, 其中n 为包含的点数,S为要分析区域的面积,di为景区i(点) 到其最邻近景区(点) 之间的欧氏距离, 在ArcMap 中利用最近邻分析 (Average Nearest Neighbor) 可以直接得出结果, 其理论公式如下[15]:

当C′＞1 时, 点状要素为均匀分布;C′＜1 时, 点状要素成集聚分布。

(2) 基尼系数: 基尼系数通常用在经济领域中度量国民经济收入的差异, 是衡量一个国家或地区居民收入差距的常用指标。 目前国内学者探索出多种基尼系数在地理空间分布领域的计算和运用方法[16]。 本文中, 为了准确分析地质公园在41 个地市的空间分布均衡度, 采用张建华提出的一种简易的基尼系数计算方法, 其理论公式如下:

式中: Gini 代表基尼系数;n为区域的数量值即41;Wi为累计数量占总数量的比重。 Gini 的取值在0～1 之间, Gini 值越大, 表明地质公园空间分布的均衡性越小, 集中程度越高。

(3) 核密度分析: 核密度分析工具用于计算要素在其周围邻域中的密度, 体现了点要素在一定区域内的分布数量、 总体的分布方位、 集聚分布的区域等。 本文将地质公园作为点要素, 在ArcMap 中利用核密度(Kernel Density) 工具, 通过分析五个代表年份的核密度得出较具体的分布变化图。 其理论公式如下:

式中:k() 称为核函数;h＞0, 为带宽; (x-Xi) 表示地质公园x到事件Xi处的距离。

(4) 标准差椭圆: 标准差椭圆法是分析空间分布方向性特征的经典方法之一, 标准差椭圆可以让要素的地理方向性的显示更加明确[17]。 在ArcMap 中利用方向分布(Directional Distribution) 方法, 测量共十年的地质公园分布的标准差椭圆具体参数, 生成图形以供分析。

(5) 重心迁移轨迹: 计算每一年的太行山地区地质公园的空间分布的重心, 研究重心的迁移轨迹和规律, 得出地质公园空间分布演化过程以及整体位移情况。 本文在ArcMap 中利用平均重心(mean center)工具计算出共计十一个年份的重心坐标已供分析。 其理论公式如下:

式中:Xi、Yi代表该年度地质公园分布重心的经纬度坐标;n为该年度地质公园的数量,xi、yi为第i个地质公园的经纬度坐标。

2 太行山地区地质公园空间分布特征演化

2.1 地质公园数量演化分析

从图2 看出, 太行山地区的地质公园发展呈现出两个阶段, 即2011 年前的快速发展期和2011 年之后的平稳发展期。

图2 太行山地区(四省市) 2001—2020 年地质公园数量变化图Fig.2 Changes in the number of geoparks in the Taihang Mountain area (four provinces and cities)from 2001 to 2020

第一阶段: 快速发展期(2001—2011 年)。 受政策因素鼓励, 太行山地区各地申报与创建地质公园的积极性较强。 地质公园的总量从2001 年的2 个增长至2011 年的43 个, 其中北京市7 个, 河北省12 个, 河南省17 个, 山西省7 个。

第二阶段: 平稳发展期(2011—2020 年)。 经过前一时期的快速发展, 且受地质遗迹资源的有限性影响, 该时期地质公园的申报与建设逐渐趋向缓, 地质公园数量仅增加9 个, 河南省、 山西省均为3 个, 北京市2 个, 河北省1 个。

2.2 空间分布类型演化

运用ArcGIS 软件, 对每年地质公园的点图层进行平均最近邻指数分析, 得出每年的具体分析结果, 结果包含平均观测距离C1、 预期平均距离C2、 最邻近比率C′和空间分布类型。

通过对表1 的分析可知:

表1 北京、 河北、 山西、 河南地质公园空间分布平均最近邻指数表Table 1 Spatial distribution average nearest neighbor index table of Beijing, Hebei, Shanxi and Henan geoparks

(1) 集聚型分布为太行山地区地质公园主要分布类型。 从空间分布类型可以看出, 分布类型包含有Dispersed (分散) 和Clustered (集聚) 两种。 2002 年分布类型为分散分布, 2002 年之后呈集聚型分布。

(2) 集聚程度变化幅度不大。 通过最邻近比率C′进行分析可知, 2002 年C′大于1, 2006—2020 年C′均小于1。 2001 年太行山地区仅有2 个地质公园。 2003年之后, 太行山地区的地质公园数量有了明显的增长, 地质公园的空间分布开始向集聚型变化。 2006 年最近邻比率最小, 为0.77。 2009 年之后C′值开始上升到0.80 以上并多年未有明显变化。

2.3 空间分布均衡度演化

根据表2 的计算结果, 2001 年的基尼系数为0.95, 2002 年略微下降到0.94, 2002 年之后基尼系数稳定在0.93。 根据上述结果可知, 从2001—2020年, 太行山地区地质公园的空间均衡度始终呈现为差距悬殊的特征, 且未有向均衡方向发展的趋势。 从不均衡程度看, 2001 年的基尼系数最大, 不均衡程度最大, 2001 年后基尼系数虽有下降, 但差距很小。

表2 基尼系数分级结果Table 2 Gini coefficient classification results

2.4 空间分布密度演化

通过对太行山地区地质公园历年的核密度变化看(如图3), 其空间分布核密度变化比较明显, 但最终趋于稳定。 具体如下:

图3 太行山地区地质公园空间分布核密度图Fig.3 The nuclear density map of the spatial distribution of geoparks in the Taihang Mountain area

(1) 2001—2005 年地质公园的高密度区域形成。2001 年太行山地区仅有两个地质公园。 分布在北京市和山西省长治市, 因此地质公园的分布密度表现为两个高密度核。 2002 年到2005 年地质公园数量快速增加, 主要分布在北京市、 山西省与河北省、 河南省的省界交界区域, 形成了多个高密度区域。

(2) 2005—2010 年地质公园的主核形成, 高密度区域范围不断扩大。 2005 年河北省邢台市—河南省郑州市一带地质公园数量发展迅猛, 形成了高密度主核区域。 2006 年北京市—河北省保定市一带以及河南省郑州市—洛阳市一带高密度范围逐渐扩大, 形成了初期的山西晋城市—河南郑州市高密度主核区以及北京市高密度主核区。

(3) 2010—2015 年地质公园的高密度区域继续扩大并向南延伸。 相比2005—2010 年, 该时期地质公园数量增长速度放缓。 北京—张家口—承德一带地质公园数量有所增加, 北京高密度主核区范围增大。 山西省晋城市—河南省郑州市主核区扩大并向南延伸, 在山西省晋中市—河南省南阳市一带形成了新的主核区。

(4) 2015—2020 年地质公园在空间上形成了北京市高密度区域和山西省晋中市—河南省南阳市的双主核区格局。 高密度区域趋于稳定, 其分布区域与太行山脉的走向基本一致。

2.5 标准差椭圆分析

利用ArcMap 对数据进行标准差椭圆计算, 得出相关参数, 分析图4、 表3 结果可知:

表3 标准差椭圆计算结果Table 3 Standard deviation ellipse calculation results

图4 地质公园空间分布标准差椭圆Fig.4 Standard deviation ellipse of spatial distribution of geoparks

(1) 标准差椭圆形态变化不大, 与太行山的方向和走向基本一致。 除2002 年外, 其余年份的标准差椭圆形态、 方向和面积的变化幅度不大。 2002 年太行山地区仅有7 处地质公园且多分布在北京、 河北两地,因此该年的标准差椭圆差异最显著。 2004 年标准差椭圆明显向西南方向偏移。 2006 年至2020 年标准差椭圆变化幅度微小, 但整体方位呈“东北—西南” 方向, 与太行山的走向基本一致。

(2) 标准差椭圆的面积呈现出“前期变化剧烈,后期逐渐增大” 的空间特征。 2002 年至2004 年椭圆面积变化比较剧烈。 2004 年后北京、 河北、 山西东部、 河南北部地区的地质公园数量开始逐渐增加, 标准差椭圆的面积相应扩大。 2010 年后标准差椭圆的面积相对稳定在7 km2左右, 说明该时期各地的地质公园在同步均衡发展。

(3) 标准差椭圆的短轴(东-西) 变化不明显,长轴(南-北) 呈现出“先减小, 后增大” 的特征。如表3 所示, 2002 年标准差椭圆的长轴最大, 为38.607 63 km, 2011 年其长轴最小, 为36.904 48 km。2001—2011 年, 由于地质公园分布向北京市和山西省晋中市—河南省南阳市一带发展, 使得标准差椭圆沿东北—西南方向的长轴开始逐渐收敛, 长轴呈现逐渐减小的趋势。 2011—2020 年, 山西、 河南地区地质公园的数量增长幅度相比其它地区要大, 因此椭圆沿东北-西南方向的分布范围再次扩大, 导致长轴出现逐渐增大的趋势。 在标准差椭圆短轴方面, 2002 年标准差椭圆的短轴最大, 为115.093 7 km, 2020 年标准差椭圆的短轴最小, 为114.327 6 km, 2001—2020 年短轴整体变化并不明显。

2.6 重心迁移轨迹分析

运用ArcGIS 10.2 软件对历年的地质公园空间分布重心, 以及太行山地区四省的几何中心进行计算,得出每年的地质公园中心相对于几何中心的方位角、偏移距离(表4)。

表4 太行山地区地质公园空间分布重心参数表Table 4 Parameter table of the spatial distribution center of gravity of the geopark in Taihang Mountain area

(1) 地质公园的重心分布区域相对稳定, 始终在太行山地区几何中心偏南的小范围内迁移, 重心迁移轨迹依次为张家口市、 保定市、 石家庄市, 最后稳定在邢台市。

(2) 重心坐标值的范围区间不大, 说明地质公园总体呈集中分布。 从每年的太行山地区的地质公园分布重心的坐标值看, 2001—2020 年的重心坐标在114.328° E～115.094° E, 36.904° N ～39.839° N 范围内变动。 与太行山地区的几何中心(114.116 57° E,36.577 847°N) 相比, 2001 年东西方向和南北方向偏移幅度最大。 在东西方向, 偏移距离呈现出“减小—增大—减小” 变化趋势, 最大偏移距离为382.417 km(2001 年), 最小距离为4.041 km (2005 年); 在南北方向, 偏移距离同样呈现出“减小—增大—减小” 波形变化趋势, 最大偏移距离为的404.391 km (2001年), 最小距离为的37.559 km (2020 年)。

3 太行山地区地质公园空间分布的影响因素

根据地质公园的自然属性, 申报创建特点, 本文从地质条件, 地形地貌, 经济发展水平等方面分析其对地质公园空间分布的影响。

3.1 地质条件对地质公园空间分布的影响

地质公园的核心保护对象是地质遗迹景观, 因此, 地质条件是地质公园的空间分布重要影响因素。太行山地区的地质公园分布应该与其地质遗迹分布有必然的联系。 从大地构造位置来看, 太行山位于华北板块中部, 东部为华北裂谷带, 西部为汾渭地堑系,南部以西安-郑州-徐州转换带为界[9]。 在研究太行山地区的地质公园空间分布的基础上, 采用空间要素叠加分析的方法, 将地质公园与地质构造再次叠加分析。 整体上看(图5), 地质公园分布主要受地质构造影响, 分布于地质构造单元分区交界附近。 这与王辉等人的研究结果一致[9]。 如3 处分布于华北坳陷与燕山台褶皱带构造单元分区边界附近, 7 处分布于燕山台褶皱带, 3 处分布于内蒙地轴、 燕山台褶皱带和山西断隆构造分单元分区边界附近, 11 处分布于山西断隆—晋翼地穹系褶皱带上, 10 处分布于鲁西台隆、 华熊台缘坳陷、 嵩箕台隆和华北坳陷边界附近。

图5 太行山地区地质公园与地质构造单元分区叠加图Fig.5 Overlay map of geopark and geological structural unit in Taihang Mountain area

3.2 地形地貌对地质公园空间分布的影响

地质运动塑造了太行山的基本骨架和地形地势,太行山地区的地貌景观是在地层和演示基础、 断裂和节理构造控制、 新构造运动的间歇性抬升、 气候和水动力条件综合作用的结果。 在地球外营力的作用下,太行山的地质遗迹进一步发育演变, 地质遗迹景观逐渐丰富多元, 形成了包括“V” 形谷和嶂谷, 山地及山地夷平面, 断崖、 陡崖和陡坡的三种地貌类型[18],成为了太行山地区地质遗迹的重要组成部分。 太行山地貌在宏观上具有峰谷交错、 谷深沟险、 长崖长脊发育的特点; 在剖面上, 则崖台叠置, 缓坡与崖壁交替出现, 即为一种阶梯状地貌[9]。 通过空间叠加分析发现(见图6), 太行山地区有37 处地质公园分布在从-52 m 到1 119 m 的地形地势变化剧烈, 地貌复杂多样的区域。 因此, 地形地貌也是地质公园分布的重要影响之一。

图6 高程数据与地质公园分布的关系图Fig.6 Relationship between elevation data and geopark distribution

3.3 地方经济水平对地质公园空间分布的影响

采用SPSS 软件计算市级行政单位国民生产总值(GDP) 与其拥有地质公园数量之间的相关性。 计算得出, 各地区地质公园数量与GDP 的相关系数为0.786, 说明各市地质公园的数量与GDP 之间存在较高的正相关性, 见图7 (a), 其相关程度为高度相关。再次将地质公园与各市级行政单位GDP 进行空间叠加分析, 如图7 (b) 所示, 区经济水平对地质公园的分布有一定的影响。

图7 太行山地区地质公园与经济发展水平关系对比图Fig.7 Comparison of the relationship between geopark and economic development level in Taihang Mountain area

4 结论

本文运用计量地理学以及GIS 等方法, 对太行山地区四省市2001—2020 年地质公园的空间分布特征、空间分布均衡度、 空间分布演化过程进行了分析, 并在此基础上探讨了影响地质公园空间分布演化的影响因素及规律, 并得出以下主要结论:

(1) 从时间上看, 2001—2020 年太行山地区地质公园的发展分为两个阶段, 2001—2011 年的快速发展阶段和2011—2020 年的稳定发展阶段。 2001—2020年间太行山地区地质公园空间分布不均, 其空间分布经历了从分散到集聚的过程。 2002 年前呈分散分布,2002 年之后呈集聚型分布且集聚程度变化幅度不大。

(2) 从空间上看, 太行山地区地质公园有两个高密度区(北京高密度区和山西省晋中市—河南省南阳市高密度区), 两个高密度区范围不断演变并逐渐连通, 并最终形成与太行山脉的走向基本一致的空间格局。 太行山地区地质公园分其空间均衡度系数波幅小于0.02, 空间均衡度始终保持差距悬殊的分布类型。重心迁移轨迹始终处于太行山几何中心偏南, 依次为张家口市、 保定市、 石家庄市, 最后稳定在邢台市。

(3) 从影响因素看, 太行山地质公园的空间分布受到地质条件, 地形地貌和经济发展水平的共同影响。 其中地质条件, 地形地貌是主要的影响因素, 地方经济水平是重要的影响因素。

地质公园保护的核心是地质遗迹景观资源。 当前, 地质公园已经被纳入到自然保护地体系中, 得到了进一步的保护和更加科学合理的利用。 未来太行山地区的地质公园发展与建设应继续加强地质遗迹的调查, 尤其是山地向平原地带的过渡区域, 同时要处理好保护与开发利用的关系, 加强研学旅行、 体育旅游、 红色旅游的融合发展, 发挥地质公园的科学价值、 美学价值、 文化价值, 使地质公园的综合效益得到最大的体现。 本研究尚存一定的不足, 如对太行山地区地质公园空间演化规律的影响因素分析还比较片面、 粗浅, 尚需进一步研究。