引用本文
刘淼, 刘义, 苗志加, 许凯然, 史佩东. 沁河流域上游沁源县生态地质脆弱性评价与分区[J].中国地质调查, 2024,11(2): 97-107.
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doi: 10.19388/j.zgdzdc.2024.02.12
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沁河流域上游沁源县生态地质脆弱性评价与分区
刘淼1,2,3, 刘义1,2,3,*, 苗志加2, 许凯然1,2, 史佩东1,2
1.中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心,河北 廊坊 065000
2.河北地质大学,河北省高校生态环境地质应用技术研发中心,河北 石家庄 050031
3.中国地质大学(北京),北京 100083
通信作者简介: 刘义(1988—),男,高级工程师,主要从事水工环地质综合调查研究方面的工作。Email: lyi@mail.cgs.gov.cn。

第一作者简介: 刘淼(1995—),男,工程师,主要从事生态地质调查研究方面的工作。Email: liumiao@mail.cgs.gov.cn。

收稿日期: 2023-08-09 修订日期: 2024-02-01
基金资助: 中国地质调查局廊坊自然资源综合调查中心“黄河中游沁河流域生态修复支撑调查(编号: DD20211573)”与河北地质大学“河北省高校生态环境地质应用技术研发中心开放基金(编号: JSYF-202206)”项目联合资助
摘要

沁河流域作为黄河中游重要支流,研究其生态保护修复工作对黄河流域实现高质量发展具有重要意义。根据生态地质调查工作成果,选取了地质背景和自然环境相关的11项影响沁源县生态地质脆弱性的主要因素,构建了评价指标体系,利用地理信息系统,采用层次分析法建立的评价模型,开展了沁源县生态地质脆弱性评价与分区,对不同的生态地质脆弱性分区,提出了具有针对性的生态保护修复分类施策建议。结果表明: 沁源县生态地质轻度脆弱区域主要分布于沁河及其支流河谷,面积占比为1.1%; 中度脆弱区域主要分布于王陶乡西部至灵空山镇西北部一带、郭道镇东部至法中乡北部一带,面积占比为81.16%; 高度脆弱区域主要分布于县域北部王和镇—郭道镇—官滩乡一带及县域中南部李元镇—灵空山镇一带,面积占比为17.74%; 无极脆弱区域。全县共划分为4个生态地质脆弱区,其中包括3个生态地质中度脆弱区——景凤生态地质中度脆弱区(Ⅰ)、太岳山生态地质中度脆弱区(Ⅱ)和交口—沁河生态地质中度脆弱区(Ⅲ),1个生态地质高度脆弱区——王和—李元生态地质高度脆弱区(Ⅳ)。研究成果对沁河流域上游沁源县生态修复工作具有指导意义,可为沁源县国土空间生态保护与修复分区提供参考。

关键词: 生态地质; 脆弱性; 评价与分区; 沁源县
中图分类号:P66 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2024)02-0097-11
Ecological geological vulnerability assessment and zoning of Qinyuan County in the upper reaches of Qinhe River Basin
LIU Miao1,2,3, LIU Yi1,2,3, MIAO Zhijia2, XU Kairan1,2, SHI Peidong1,2
1. Langfang Natural Resources Comprehensive Survey Center of China Geological Survey, Hebei Langfang, 065000, China
2. Hebei Center for Ecological and Environmental Geology Research, Hebei GEO University, Hebei Shijiazhuang 050031, China
3. China University of Geosciences Beijing, Beijing, 100083, China
Abstract

Qinhe River Basin is an important tributary of the middle reaches of the Yellow River, and it is of great significance to study its ecological protection and restoration for the high quality development of the Yellow River Basin. According to the results of the ecological geological survey, the authors selected 11 main factors affecting the ecological geological vulnerability of Qinyuan County, including geological background and natural environment et al, to establish an evaluation index system. The geographical information system and the analytic hierarchy process were used to carry out the ecological geological vulnerability assessment of Qinyuan County. And specific suggestions on ecological protection and restoration were put forward for each ecological geological vulnerability zone. The results show that the mildly vulnerable area of ecological geology in Qinyuan County is mainly distributed in Qinhe River and its tributary river valleys, accounting for 1.1%. The moderately vulnerable area is mainly distributed from the western Wangtao Town to the northwestern Lingkongshan Town, and from Eastern Guodao Town to Northern Fazhong Town, accounting for 81.16%. The highly vulnerable area is mainly distributed in Wanghe Town—Guodao Town—Guantan Town area in the northern Qinyuan County and Liyuan Town—Lingkongshan Town area in the central and southern Qinyuan County, accounting for 17.74%. And there is no extremely vulnerable area. The county can be divided into 4 ecological geological vulnerability zones, including 3 moderate ecological geological vulnerability zones, that is, Jingfeng moderate ecological geological vulnerability zone (Ⅰ), Taiyue Mountain moderate ecological geological vulnerability zone (Ⅱ), and Jiaokou—Qinhe moderate ecological geological vulnerability zone (Ⅲ), and 1 high ecological geological vulnerability zone, that is, Wanghe—Liyuan high geological ecological vulnerability zone (Ⅳ). The research results have guiding significance for ecological geological restoration in Qinyuan County in the upper reaches of Qinhe River basin, and could provide reference for the territorial ecological protection and restoration zoning in Qinyuan County.

Keyword: ecological geology; vulnerability; evaluation and zoning; Qinyuan County
0 引言

生态地质学是一门新兴交叉学科[1, 2, 3]。生态地质学主要致力于对岩石圈、土壤圈和生物圈相互作用及其生态功能、问题等的探索, 其主要研究对象为生态系统中直接作用于某些岩石圈或其表面的生物群(包括人类和社会)[4, 5, 6, 7, 8]。脆弱性问题最初来源于流行病学领域, 主要用于描述哪些地区更可能发生流行病。20世纪70年代开始, 专家学者逐渐将脆弱性的概念用于生态领域的研究, 20世纪80年代, 脆弱性研究已逐渐延伸到了其他各个领域[9, 10, 11, 12, 13]。目前脆弱性评价已经成为生态(地质)环境评价的重要内容之一[14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]。

沁河流域上游沁源县生态地质的相关研究较为滞后, 少数研究侧重于农业生态系统健康动态变化[22]、生态环境问题分析及修复建议[23]、生态系统健康评估[24]及水生态文明建设指标体系[25]等, 沁源县的生态地质要素、生态地质问题等方面的研究较少, 且目前对生态地质脆弱性评价的相关研究主要集中于针对生态地质问题进行定性研究, 基于生态地质条件的定量研究相对较少[26, 27, 28, 29, 30, 31]。要实现区域生态保护修复及可持续发展, 科学合理的生态地质脆弱性评价必不可少, 生态地质脆弱性评价的基础和前提是选取合理的评价指标、建立科学的评价体系。本文以沁河流域上游沁源县为研究区, 以地球系统科学为指导思想, 以前期在沁源县开展的生态环境地质调查和现有数据为基础, 将沁源县生态地质环境作为研究对象, 采用层次分析法作为基本评价方法, 基于生态地质条件开展生态地质脆弱性评价与分区, 将沁源县生态地质脆弱性分为轻度脆弱、中度脆弱、高度脆弱与极度脆弱4个等级, 并提出生态保护修复建议, 旨在为沁源县生态保护修复提供依据。

1 研究区概况
1.1 自然地理状况

沁源县隶属于山西省长治市, 位于山西省中南部(图1), 是全国天然林保护重点县, 也是省政府确定的省级限制开发重点生态功能区。总面积为 2 549 km2, 沁源县境属黄土高原区, 地理单元属沁水盆地西部隆起区太岳山系主脉, 整体地势西北高, 东南低(图1), 平均海拔为1 400 m, 最高处海拔为2 523 m。沁源县属暖温带大陆性季风气候区, 气候温和, 空气湿润, 森林覆盖率高, 接近60%。

图1 研究区地理位置简图与高程图Fig.1 Map of geographical location and elevation of the study area

1.2 地层岩性与地质构造

沁源县域前寒武系至第四系均有出露, 主要为古生界与中生界, 区域地层总体走向为NNE向, 与主构造线基本一致, 自西向东出露地层依次为寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系, 第四系松散沉积层主要分布于沁河及其支流河道两侧(图2)。

图2 沁源县地质简图
1.第四系选仁组(砂层、粉砂土、亚砂土); 2.第四系峙峪组(亚砂土、砂土、砂层、砾石层); 3.第四系马兰组(亚砂土); 4.第四系离石组(亚砂土、亚黏土夹古土壤、钙质结核); 5.新近系静乐组(黏土夹钙质结核层); 6.三叠系二马营组(以长石砂岩、泥岩为主); 7.三叠系和尚沟组(以泥岩夹长石砂岩、粉砂岩为主); 8.三叠系刘家沟组(以长石砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砾岩为主); 9.二叠系孙家沟组(以泥岩夹砂岩、灰岩为主); 10.二叠系石盒子组(以泥岩、砂岩为主); 11.二叠系山西组(以泥岩、粉砂质泥岩、砂岩、煤层为主); 12.石炭系— 二叠系太原组(以泥页岩、泥质粉砂岩、灰岩、煤层为主); 13.奥陶系马家沟组(以灰岩、白云岩为主); 14.寒武系— 奥陶系三山子组(以白云岩为主); 15.寒武系崮山组、张夏组、馒头组(以灰岩、泥页岩、石英砂岩、白云岩为主); 16.新太古代正南沟英云闪长质片麻岩; 17.断裂带; 18.河流; 19.地名Fig.2 Geological sketch of Qinyuan County

沁源县位于华北板块山西板内造山带的中南部, 沁水板拗Ⅲ 级构造单元。沁水板拗为总体构成呈NNE向展布的复向斜(沁水煤田东部), 是山西省煤、铝土矿、天然气的主要储存基地, 近SN向和NNE向次级宽缓褶皱发育。沁源县受中生代— 新生代构造控制, 构造轮廓清楚。中生代构造与山西省整体构造线方位一致, 构造线呈NE向— NNE走向。新生代喜马拉雅运动又叠加产生NE和NW向断裂, 形成了山间盆地, 同时基岩山区隆升, 不同时代的地质体相继出露。

1.3 植被覆盖

沁源县森林分布在全县大小山岭, 林地面积为230万亩①, 森林覆盖率达60%以上, 居全省之首, 是全国油松之乡, 天然林面积为114万亩①(➊1亩=666.67 m2), 占全省总面积的7.2%, 树种130余种, 以油松、杨树、桦树、栎树、落叶松为主, 林木总蓄积量为586万 m3。境内牧草资源丰富, 天然牧坡面积为113万亩①, 牧草有261类, 是全国天然林保护示范县、全国绿化模范县、山西省首批生态功能保护区, 是重要的水源涵养林基地[32]。

1.4 生态环境问题

沁源县生态优美、景色宜人, 但近年来随着沁源县社会经济的高速发展, 人类活动尤其是煤、铁、铝矾土、石灰岩等矿产的高强度开发, 对生态环境产生了一定的威胁。沁源县境内山峦起伏, 山地、丘陵面积占总面积的95.7%, 河谷、阶地面积仅占总面积的4.3%。尤其是山地丘陵区土地承载力不高, 抗干扰能力较差, 生态系统受到干扰后难以自然恢复, 虽然生态环境整体较好, 但还存在一些诸如地质灾害、采空塌陷、水土流失、亚高山草甸生态系统退化等生态环境地质问题。

2 研究方法
2.1 评价指标筛选

参考前人的研究成果[33, 34, 35]并结合沁源县的实际情况, 根据沁源县的生态地质特征筛选了自然地理(坡度、植被覆盖度)、气候环境(气温、降雨量)、地质环境(地层岩性、地质建造、地质灾害易发性、采空塌陷区分布)、土壤(土壤类型)、生态(生态系统类型、人口密度)5个方面的生态地质条件共11项生态地质要素, 在确保评价精度的基础上, 制定了沁源县生态地质脆弱性分级标准及评价指标(表1), 具体如下。

表1 沁源县生态地质脆弱性评价指标及分级标准 Tab.1 Ecological geological vulnerability evaluation index and grade standard of Qinyuan County

(1)坡度。反映地表单元陡缓的程度, 分为缓坡地(< 15° )、较缓坡地([15° , 25° ))、陡坡地([25° , 35° ])及极陡坡地(> 35° ), 坡度越小, 生态地质脆弱性越低。

(2)植被覆盖度。反映植被生长态势, 采用自然间断点法进行分级, 植被覆盖度越高, 生态地质脆弱性越低。

(3)气温。遵循气温越高, 植被长势越好, 生态地质环境也越好的原则, 根据自然间断点法进行分级, 气温越高, 生态地质脆弱性越低。

(4)降雨量。遵循降雨量越大, 越有利于植被生长, 生态地质环境越好的原则, 根据自然间断点法进行分级, 降雨量越大, 生态地质脆弱性越低。

(5)地层岩性。前期开展的野外地质调查结果显示: 新近系— 第四系覆盖区域地形平坦, 有利于植被生长, 生态地质脆弱性较低; 前寒武系、寒武系、奥陶系、石炭系— 二叠系及下二叠统出露区域地表坡度较大, 基岩风化程度较低, 生态地质脆弱性中等; 三叠系出露区域地表坡度较大, 基岩风化程度中等, 生态地质脆弱性较高; 中二叠统和上二叠统出露区域地表坡度较大, 基岩边坡风化程度较高, 易形成水土流失导致植被难以生长, 生态地质脆弱性极高。

(6)地质建造。地质建造是构成生态地质格局的物质基础, 根据前期开展的野外地质调查结果, 不同地质建造生态地质脆弱性由低到高依次为新近纪— 第四纪陆相松散堆积建造、前寒武纪英云闪长质片麻岩建造、寒武纪— 奥陶纪海相碳酸盐岩建造、石炭纪— 二叠纪陆相碎屑岩建造及三叠纪陆相碎屑岩建造。

(7)地质灾害易发性。反映研究区内地质灾害发育情况, 地质灾害易发性越低, 生态地质脆弱性越低。

(8)采空塌陷区分布。反映研究区内采空塌陷区分布情况, 采空塌陷越轻微, 生态地质脆弱性越低。

(9)土壤类型。根据土壤是否适宜研究区内植被生长进行分级, 越适宜植被生长, 生态地质脆弱性越低。

(10)生态系统类型。反映各个生态系统对生态地质环境的影响, 受到人类活动干扰越少的生态系统类型, 生态地质脆弱性越低。

(11)人口密度。可以直接反映人类活动对生态地质环境的干扰程度, 根据自然间断点法进行分级, 人口密度越低, 生态地质脆弱性越低。

2.2 数据来源与单因子脆弱性评价

本文所使用的数据主要包括沁源县行政区划图、沁源县人口密度数据、数字高程模型数据、地质图、地质灾害易发性分区图、沁源县采煤沉陷区分布图、土壤类型图、植被覆盖数据和生态系统类型数据、沁源县年均气温数据、沁源县年均降雨量数据等(表2)。为便于对数据进行加工处理, 将表1中所列的11项生态地质要素数据进行提取并进行分级赋值, 统一将所有数据调整为高斯克吕格投影30 m× 30 m空间分辨率的栅格图像, 分别得到沁源县生态地质脆弱性11个单因子评价图(图3)。

表2 数据来源与描述 Tab.2 Data source and description

图3 沁源县生态地质脆弱性单因子评价Fig.3 Single factor assessment of ecological geological vulnerability in Qinyuan County

2.3 权重计算与综合评价

为综合反映生态地质脆弱性的区域差异, 需要对生态地质脆弱性进行综合评价。在进行生态地质脆弱性综合评价时, 要根据生态地质脆弱性各个单因子对整体生态地质脆弱性的影响程度高低来赋予不同权重, 然后运用层次分析法进行加权评价。本研究基于地理信息系统, 采用层次分析法对沁源县生态地质脆弱性进行评价。在完成沁源县生态地质脆弱性评价指标的科学化选取之后, 对各个单因子脆弱性进行权重赋值, 采用层次分析法进行综合评价, 构建生态地质脆弱性评价的判断矩阵。层次分析法中各指标的权重是由指标之间优越性相互对比得出的相对值, 即优越性权值[38]。

2.3.1 权重计算

经前期预判, 沁源县生态地质脆弱性单因子权重排序依次为地质建造、地层岩性、土壤类型、植被覆盖度、坡度、生态系统类型、年均降雨量、地质灾害易发性、人口密度、采煤沉陷区分布、年均气温, 随即建立沁源县生态地质脆弱性影响因子权重及排序矩阵(表3)。

表3 沁源县生态地质脆弱性影响因子权重及排序矩阵 Tab.3 Influence factor weight and ranking matrix of ecological geological vulnerability in Qinyuan County

通过表3得出判断矩阵的最大特征根λ 、一致性指标CI、平均随机一致性指标RI及随机一致性比例CR后, 进行一致性检验, 结果为: λ =11.78, CI=0.078, RI=1.514, CR=CI/CR=0.052< 0.1, 即判断矩阵的随机一致性比例小于0.1, 表明构建的判断矩阵的随机一致性符合要求, 判断矩阵为一致性矩阵。在11个单因素中, 权重排序依次为地质建造、地层岩性、土壤类型、植被覆盖度、坡度、生态系统类型、年均降雨量、地质灾害易发性、人口密度、采煤沉陷区分布、年均气温。综上所述, 根据前期预判的沁源县生态地质脆弱性单因子权重排序构建的判断矩阵合理, 权重分配合适。

2.3.2 综合评价

首先, 通过层次分析法得到各因子的权重, 利用地理信息系统空间叠加与分析运算功能, 将前期得到的11个单因子评价结果分别赋以表3中的权重并按照式(1)进行加权叠加, 得出沁源县生态地质脆弱性加权总和, 公式为

$\text{S}{{S}_{j}}=\overset{11}{\mathop{\underset{i=1}{\mathop \sum }\,}}\,{{C}_{i,j}}\text{ }\!\!~\!\!\text{ }{{W}_{i}}$。(1)

式中: SSj为j空间单元生态地质脆弱性; Ci, j为j空间单元i因子生态地质脆弱性等级分值; Wi为i因子生态地质脆弱性权重。

然后, 按照表1中的生态地质脆弱性分级标准进行分级, 进行沁源县生态地质脆弱性评价。

3 生态地质脆弱性评价与分区
3.1 生态地质脆弱性评价结果

通过沁源县生态地质脆弱性综合评价(图4)知, 沁源县生态地质脆弱性以中度脆弱为主。其中: 轻度脆弱区域主要分布于沁河及其支流河谷, 其面积仅占研究区面积的1.10%; 中度脆弱区域主要分布于王陶乡西部至灵空山镇西北部一带、郭道镇东部至法中乡北部一带, 其面积占研究区面积的81.16%; 高度脆弱区域主要分布于县域北部王和镇— 郭道镇— 官滩乡一带及县域中南部李元镇— 灵空山镇一带, 其面积占研究区面积的17.74%; 无极脆弱区域。研究成果与前期生态环境地质调查结果基本一致, 说明评价结果较为准确。

图4 沁源县生态地质脆弱性评价Fig.4 Ecological geological vulnerability assessment of Qinyuan County

3.2 生态地质脆弱性分区

在生态地质脆弱性评价的基础上, 通过综合考虑生态地质脆弱性等级与空间分布规律, 进行生态地质脆弱性分区。将沁源县全域划分为4个生态地质脆弱区(图5), 其中包括3个生态地质中度脆弱区(景凤生态地质中度脆弱区(Ⅰ )、太岳山生态地质中度脆弱区(Ⅱ )和交口— 沁河生态地质中度脆弱区(Ⅲ ))和1个生态地质高度脆弱区(王和— 李元生态地质高度脆弱区(Ⅳ ))。之后, 在分析总结各个分区主要生态环境地质问题的基础上, 提出科学合理的生态保护与修复对策建议(表5)。

图5 沁源县生态地质脆弱性分区Fig.5 Ecological geological vulnerability zoning of Qinyuan County

表5 沁源县生态地质脆弱性分区与保护建议 Tab.5 Ecological geological vulnerability zoing and protection suggestion in Qinyuan County
4 结论

在对沁源县进行了详细的生态地质调查基础上, 选取坡度、植被覆盖度、气温、降雨量、地层岩性、地质建造、地质灾害易发性、采煤沉陷区分布、土壤类型、生态系统类型、人口密度11个影响因素作为评价因子, 采用层次分析法作为基本评价方法评价生态地质脆弱性, 得到以下结论。

(1)对各评价因子进行加权叠加可知, 沁源县生态地质脆弱性以中度脆弱为主。轻度脆弱区域主要分布于沁河及其支流河谷, 其面积仅占研究区面积的1.10%; 中度脆弱区域主要分布于王陶乡西部至灵空山镇西北部一带、郭道镇东部至法中乡北部一带, 其面积占研究区面积的81.16%; 高度脆弱区域主要分布于县域北部王和镇— 郭道镇— 官滩乡一带及县域中南部李元镇— 灵空山镇一带, 其面积占研究区面积的17.74%; 无极脆弱区域。

(2)在生态地质脆弱性评价的基础上, 通过综合考虑生态地质脆弱性等级与空间分布规律, 将沁源县全域划分为4个生态地质脆弱区, 其中包括3个生态地质中度脆弱区(景凤生态地质中度脆弱区(Ⅰ )、太岳山生态地质中度脆弱区(Ⅱ )和交口— 沁河生态地质中度脆弱区(Ⅲ ))及1个生态地质高度脆弱区(王和— 李元生态地质高度脆弱区(Ⅳ ))。

(3)提出针对不同生态地质分区的生态保护修复方案与对策建议。景凤生态地质中度脆弱区(Ⅰ ), 应以保护为主, 因地制宜发展生态林业、牧业; 太岳山生态地质中度脆弱区(Ⅱ ), 应以保护为主, 适当发展生态林业, 并依托花坡亚高山草甸景区发展生态旅游业; 交口— 沁河生态地质中度脆弱区(Ⅲ ), 应进行工农业综合开发, 围绕沁河周边发展生态农业, 在工业发展和城乡发展过程中, 注重发展循环经济和清洁产业; 王和— 李元生态地质高度脆弱区(Ⅳ )应以保护为主, 适当发展生态林业、牧业; 发展循环经济和清洁产业, 促进区域经济可持续发展。

(责任编辑: 刘丹)

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