北京大清河流域生態涵養區生態地質環境質量綜合評價

賈三滿 杜麗娜 馮輝 張群 劉燾 馮義軒

摘 要：北京生態涵養區是首都重要的生態屏障和水源保護地，為提升區域生態功能保障、環境承載力和可持續發展能力，開展地質環境質量綜合調查評價工作意義重大。本文以大清河流域生態涵養區作為示范研究區，在遙感地質解譯、區域地質環境質量調查和表層土壤地球化學調查的基礎上，采用層次分析法、專家打分法以及經驗賦值法等綜合評價方法，選取生態安全、環境保護、資源利用3項作為決策層，選取地質災害、礦山環境、土壤環境質量、土壤侵蝕、水污染敏感性、土壤養分以及富硒元素7項指標作為一級指標層，選取地貌類型、坡度、基巖類型、降雨量、土地利用、礦種類型等29項指標作為二級指標層，對研究區地質環境綜合質量進行綜合評價。依據評價結果，將研究區分為優等區、良好區、較差區和差區4個等級，對應所占面積分別為15.48%、56.84%、25.44%和2.24%。

關鍵詞：生態涵養區;地質環境質量綜合評價;層次分析法;環境承載力

Abstract： The Beijing Ecological Conservation Area serves as an important ecological protective screen and water reservation area in Beijing. In order to improve the ecological function conservation， environmental bearing capacity and sustainable development ability in this area， it is of great importance to conduct a comprehensive investigation and evaluation on geological environment quality. Taking the ecological conservation area near the Daqing River as an example， based on interpretation of remote sensing geology， regional geographic environment research and geochemical investigation of surface soil， a comprehensive valuation method involving AHP， expert scoring method and experience assignment method are used in this article. 3 indexes including ecology security， environmental protection， resource utilization are considered as decision level， 7 indexes including geographic catastrophe， mine environment， soil environment quality， soil erosion， water pollution sensitiveness and Se content are considered as the first index level， and 29 indexes such as landform type， slope， bedrock type， rainfall， land utilization， mineral type are considered as the second index level， a general evaluation on the comprehensive quality of geological environment is conducted in the research area. According to the result， the study area will be divided into 4 grades， namely the first-rate， the medium， the less poor and the poor， with a corresponding area of 15.48%， 56.84%， 19.63% and 2.24% respectively.

Keywords： Ecological conservation area; Comprehensive evaluation of geological environment quality; Analytic hierarchy process; Environmental carrying capacity.

0 引言

生態地質環境為地球表層系統的組成部分，是人類賴以生存和發展的物質基礎和空間環境，它由生態環境與地質環境兩個相互聯系、相互作用又相對獨立的子系統構成，對人類的開發和利用表現出資源性和災害性（支兵發，2008;范強，2008）。隨著科學技術的不斷進步和經濟社會的快速發展，人類改造自然的能力不斷增強，對資源的開發利用達到了前所未有的程度，而大規模工程建設和過度的資源開發利用嚴重削弱了資源環境承載力，造成資源短缺、生態環境惡化以及自然災害頻發等一系列生態地質環境問題。因此，針對區域生態環境開發利用現狀，在區域生態地質環境系統調查的基礎上，開展生態地質環境評價研究，具有十分重要的意義。很多學者從不同方面對生態地質環境進行了界定（陳夢熊，1998;黃潤秋，2011;朱裕生，1999;林景星等，1999），并以特定的生態區域為研究對象，選擇了合適的評價因子和評價方法，構建生態地質環境質量評價體系（王欣等，2019;陳朝亮等，2009;薄克庭等，2015;李淑敏等，2016;王克曉等，2015;夏樂等，2015;林云杉，2015;鄧輝，2011;李玲，2008;賈三滿等，2019），極大的推動了生態地質環境評價的快速發展。本文以北京市大清河流域生態涵養區為研究示范區，結合生態涵養區發展規劃提出的“以提升生態涵養功能、促進富民就業為核心，強化生態修復與水源保護，同時大力發展生態農業、生態旅游業等生態友好型產業，解決保護生態環境與經濟發展之間的矛盾”的要求，遵循“安全、保護、開發”并重原則，從生態環境敏感性、地質資源、土地資源、地質災害和人類活動等多個維度，在單要素評價的基礎上構建綜合指標評價體系，以期為國土空間管控、水源涵養、生態恢復和污染防治、綠色可持續發展等方面提供基礎數據支撐。

1 研究區概況

北京大清河流域生態涵養區位于北京市西南部，面積1615km2，包括房山區山區和門頭溝區南部少量區域，是華北平原與太行山脈過渡帶，地勢總體上西北高東南低，地貌由西北向東南依次是中山、低山、丘陵、崗臺地以及沖洪積平原。氣候類型為溫帶大陸性季風氣候，平均氣溫在10.8℃，平均降雨量644mm;區內地層發育較為齊全，西北部大安山史家營、中部南窖地區地層巖性為石炭—二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系的中酸性火山巖和碎屑巖，中部、南部大部分地區以薊縣系、青白口系、奧陶系、寒武系碳酸鹽巖夾碎屑巖為主，東南部巖溶較發育，其中長溝地區巖溶水豐富，是北京應急水源地，東部丘陵地區和平原區為第四紀地層（圖1）。區內土壤類型以山地草甸土、棕壤、褐土和潮土為主。受地形地質條件影響，區內煤炭資源和建筑板材豐富，歷史上礦業開發等人類活動顯著，局部地質環境遭到嚴重破壞，地質災害發生較為頻繁。

2 數據來源與方法

2.1數據來源

研究區地形地貌、土地利用狀況、植被發育等采用2018年2月SPOT6遙感數據;基礎地質資料來源于1∶5萬區域地質調查報告;土壤地球化學調查和測試數據分別來源于北京市地質勘察技術院2012年和2019年現場調查和測試數據，包括1279個調查點和54項化學元素含量及理化性質等指標;地質災害、礦山環境治理數據來源于遙感解譯和北京市國土資源調查;水資源狀況數據來源于北京市水文地質工程地質大隊編寫的《北京市房山區水資源規劃報告》（2012）。

2.2 評價體系及方法

評價因子的選取是研究區生態環境評價工作的關鍵內容之一。在資料收集、野外調查和理論分析的基礎上，結合研究區的自然環境特征，從影響生態地質環境質量的因素出發，分析各因素之間的關系，確立了以生態地質環境評價為總目標層，以生態安全、環境保護和資源利用為要素層，生態安全是主要要素層，地質災害、礦山環境、土壤環境質量、土壤侵蝕、水污染敏感性、土壤養分和富硒元素7個因子作為一級評價因素層，地貌類型等29個因子為二級評價因素層，建立了生態涵養地區地質環境綜合評價體系。

（1）評價指標

地質災害：研究區是北京突發性地質災害重要發育區域，災害包括泥石流、崩塌、滑坡、不穩定斜坡、地面塌陷5種類型，多次發生地質災害。選取地貌類型、坡度、基巖類型、年降雨量、6—8月降雨量和土地利用6個因子，開展地質災害易發性評價。

礦山環境：研究區礦產資源開采利用歷史悠久，開發程度較高，是京郊有名的“煤炭之鄉” “建材之鄉”，原共有各類礦山340個。2008年以后，北京市逐漸關停了工作區內的礦業活動。近年來，為了改善生態環境，提高空氣質量，中央及北京市財政自2014年開始大力投入資金，開展生態環境恢復治理。但礦山開采引發的礦山占地、植被損壞等環境問題依然突出，對生態保護、開發仍有較大影響，地質災害和土地質量等與礦山開發地密切相關。本研究選取采用礦種類型、開發占地、開采方式和生態環境恢復治理現狀4個因子開展礦山環境質量評價。

土壤環境質量：土壤是覆蓋在地球陸地上表層的松散泥土，是人類、動植物的生存之本，在生態地質環境中扮演了重要的角色。研究區土地利用以耕地、林地、園地、草地等為主，建設用地面積占比較小，采用農用地土壤污染風險管控標準對土壤重金屬元素As、Cr、Cd、Hg、Pb五項元素采用內梅羅法求取綜合環境質量指數（Zz），開展土壤環境質量評價。

土壤侵蝕：土壤的侵蝕作用會使表土層變薄、有機質含量降低，植被覆蓋度減小，生態環境日益惡化。根據通用水土流失方程的基本原理，選擇降雨侵蝕力、土壤可蝕性、坡長坡度因子以及地表植被覆蓋因子，開展土壤侵蝕敏感性進行評價。

水污染敏感性：水是地球各層圈物質能量載體，蘊藏著揭示生態地質環境系統變化的豐富信息，是生態地質環境中的重要因子。選擇距地表水源的距離、巖性、土壤厚度、徑流深度、入滲系數為指標，開展水污染敏感性評價。

土壤養分：土壤養分是由土壤提供的植物生長所必須的營養元素，能被植物直接或者轉化后吸收，是土壤肥力的重要物質基礎。本次評價選擇氮、磷、鉀和有機質為評價指標，按《土地質量地球化學評價規范》（DZ/T 0295-2016）開展土壤養分分區評價。

硒（Se）元素：土壤中富含硼、碘、硒、氟多種微量元素，硒元素是人體所必需的元素，對人體健康具有重要作用，被國內外醫藥界和營養學界稱之為“長壽元素”“抗癌之王”。以硒元素含量為指標，開展土壤富硒性評價。

（2）分級標準

在綜合分析大清河流域生態地質環境發育現狀和各因素特征的基礎上，制定地質災害、礦山環境、土壤環境質量、土壤侵蝕、水污染敏感性、土壤養分和富硒元素評價因子的分級標準，具體見表1。

3評價與分析

3.1 單專題評價

將研究區域按照1km×1km進行網格劃分，采用上述評價指標，按表2 所示分級標準和分區原則，分別開展突發地質災害易發程度、礦山環境、土壤環境質量、土壤侵蝕敏感性、水環境污染敏感性、土壤養分綜合分區以及土壤富硒程度的評價分區工作，繪制各單專題要素分區圖2至圖8 ，各專題圖分區分布情況如下：

（1）地質災害高易發區分布在3個區域：蘆子水—史家營—大安山區、河北鎮—佛子莊—南窖—長溝峪區基巖類型為石炭—二疊系的煤系地層和侏羅系火山碎屑巖，是北京市主要煤炭資源開采區，地質災害類型主要有崩塌、泥石流、地面塌陷;栗原廠—三合莊村區基巖類型以前寒武系碳酸鹽巖為主，發育地質災害主要是崩塌和泥石流。

（2）礦山環境嚴重區主要分布于北部、中部煤礦開采區，因煤礦開采引發的采空塌陷、地裂縫等地質災害較多，大量堆積的煤矸石加劇了泥石流等災害，占壓土地，影響植被恢復，造成了局部水土污染;一般區主要為煤礦開采嚴重但以礦山修復治理區和露天方式開采的建材礦區，存在露天開采產生的粉塵污染大氣、采礦和礦渣破壞和占用土地、植被破壞等生態問題。

（3）研究區土壤化學元素主要受成土母質的影響，不同的成土母質土壤化學元素特征有所差別。基于元素地球化學空間分布特征，并結合區域地層巖性背景，將大清河流域山區元素分布劃分為薊縣系鈣質巖成土母質、青白口系頁片巖成土母質、寒武奧陶系鈣質巖成土母質、石炭二疊系硅質巖成土母質、侏羅白堊系硅質巖成土母質、巖漿巖成土母質和第四系土壤7個分區。

薊縣系鈣質巖區土壤中明顯富集CaO、MgO等氧化物，主要是受白云巖、大理巖等碳酸鹽巖分布的控制影響，同時，局部Ag、Au、Pb等金屬元素含量明顯偏高，應為多金屬礦化影響所致，氟元素在本區也呈現出明顯的高值異常，可能主要受到高溫熱液活動影響。青白口系頁片巖區土壤富集元素以金屬—類金屬為主，如Ag、Cd、Cu、Mn、Mo、Se、Zn、Hg等元素都表現出不同程度的濃集現象，因該類巖石成巖母質中碳質組分和黏粒組分相對富集或吸附上述元素所致。該類巖石是區內多金屬礦化的賦礦巖層，同時也是土壤Se元素的主要供源。寒武—奧陶系鈣質巖與薊縣系鈣質巖區有一定差別，巖性以灰巖為主，因此元素分布上則表現出富鈣特征。石炭—二疊系硅質巖區是含煤地層，因此在元素分布上C、N、S、有機碳等元素含量明顯偏高，同時富Hg特征也指示煤礦開采過程中可能會造成表生環境中Hg等重金屬的污染現象。侏羅—白堊系硅質巖區富集元素與石炭—二疊系一致，也包括C、N、S、有機碳等，同時Cl、Br元素含量偏高，但明顯貧Hg。巖漿巖主要統計了房山巖體地區土壤中各元素含量分布特征，總體上表現出富集Na2O、P、Sr、Hg元素的特點。第四系土壤中明顯富集的元素包括CaO、Hg、Cd等元素，反映出人為活動對后期表層土壤環境的改造作用。

總體上，自然狀態下良好土壤地球化學條件良好，元素含量值在風險篩選值以下，土壤污染風險低，環境安全，土壤環境屬于一級質量區和二級質量區達94.42%。局部受成土母質和人類活動共同作用，有三級和四級質量區只小范圍分散出現在東沙港、史家營、銀水和上方山等地，土壤污染風險較高，在后期農業種植方面要加強監測及調控。

（4）研究區土壤侵蝕敏感程度以中—高度為主，土壤顆粒相對較粗，以粉土為主，可侵蝕性強，地貌類型為中山、低山，地形坡度大，易侵蝕，生態敏感性高;輕度敏感和無敏感區分布于調查區西北和東南臺地—丘陵區，地形坡度較小，土壤可侵蝕性弱—中等，植被較發育，土壤侵蝕的程度偏低。

影響區域水蝕土壤流失量的因素很多，主要因素有降雨、土壤可蝕性、地形地貌和地面覆蓋或植被和人為活動。土壤生成與發育主要相關于物理風化作用，但也可以在化學上留有某些痕跡，如土壤中鈣、鎂的淋失，鐵、鋁富集所致的土壤黏化、紅化、酸化。硅和鋁為構成土壤的最基本且最大量的化學成分。砂粒和粉砂粒中主要含有各種原生礦物，其中以石英最多，土粒越粗石英的含量越高;而黏粒主要含有各種次生礦物，又以次生層狀鋁硅酸鹽礦物為主，顆粒越細，其含量越高。一般來說，伊利石的硅鋁率最高，而高嶺石最小，蒙脫石介于兩者之間。SiO2表土/Al2O3表土指標（Sa）可以在一定程度上反映土壤的黏土礦物組成或土壤含砂量的多寡，值越大，則土壤中非黏土的砂質成分越多，土壤顆粒較粗硬，反之則土壤黏性成分越多，土壤顆粒越細軟。由土壤砂質含量指數圖9可見：研究區中部至西部地區，在長溝峪—安子溝、十渡以北以西、北直河、史家營等地Sa值較高，土壤砂質成分多，這些地區海拔相對較高，坡度較陡，土層較薄，土壤熟化程度不明顯。東部及西北部丘陵—平原Sa值較低，土壤含Al2O3偏高，土壤黏成分增多，質地較細，這些地區主要為，土層厚度屬于中等，成土作用較明顯。地形對Sa值有明顯控制作用。

（5）水污染敏感性以中高敏感性為主，巖性為碳酸鹽，入滲系數較好，土壤厚度薄地表降水易入滲地下，防水污染能力較差;輕度敏感區巖性以碳酸鹽夾碎屑巖為主，入滲系數較小，地表降水入滲能力較差，防水污染能力較好;不敏感區巖性以砂巖、頁巖、花崗巖和第四紀覆蓋層為主，入滲能力一般，防水污染能力好。

（6）研究區土壤養分總體水平中等—富足，尤其是氮和有機質的含量普遍較高，在土壤中賦存豐富。土壤養分豐缺空間分布特征主要受到山區巖石地層和成土母質的影響，在深色的頁片巖、硅質巖、含煤地層等母質區養分元素含量明顯富集。

（7）通過土壤地球化學統計，研究區土壤Se元素背景值為0.257mg/kg，平均值為0.317mg/kg，最大值為0.456mg/kg，背景值約為北京市全市背景值的1.5倍，土壤呈現出明顯的富Se特征。不同地層巖性Se含量差異顯著，形成土壤的成土母質含硒量對比結果為巖漿巖<第四系<薊縣系鈣質巖<寒武—奧陶系鈣質巖<石炭—二疊系硅質巖（含煤系地層）<侏羅—白堊系硅質巖（含煤系地層）<青白口系頁片巖（圖10）。Se含量大于0.40mg/kg的土壤占總面積的23.93%，農業種植上稱為“富硒土壤”，空間分布上與青白口系頁片巖和侏羅—白堊系的灰巖等母質母巖有密切關聯，河流相沉積的暗色巖系是重要的土壤硒來源，這主要是由于富含有機質、氮、碳等成土母質和巖石，對硒等元素具有明顯的吸附固定作用，如頁片巖、黏土巖、富有機質的煤系地層明顯富集硒元素。土壤中Se元素處于適量水平的面積占絕對優勢，約為986.2km2，占工區總面積的65.48% （馮輝等，2019）。

3.2 綜合評價

在單要素評價的基礎上，采用層次分析法（APH法），對上述7個因子按照九標度兩兩對比得到比較矩陣（表3），然后根據比較矩陣計算權重，通過對判矩陣進行一致性檢驗，求得該評價因子矩陣的一致性指標CI為0.0166，RI查表為1.32，則CR=CI/RI=0.0126<0.1，表明該判斷矩陣通過一致性檢驗，具體評價因子的權重表如表4所示。

地質災害、礦山環境生態安全評價指標占權重的60%以上，對綜合評價結果起關鍵作用，是生態地質環境質量的主控因素。

按照1km×1km網格劃分，將每個評價因素評價分值乘以相對應的權重值，計算獲得綜合加權評價分值，將所得的結果按照自然間斷點分級法（Jenks）分為優等區、良好區、較差區和差區，利用MapGIS軟件生成等值線圖，經線條優化后生成地質環境綜合評價圖11。

優等區：面積為249.98km2，占總面積的15.48%，主要分布研究區東、南、西與平原接壤的淺山地帶，其余零散分布在良好區內，地質災害低易發性，礦山環境良好，土壤環境質量好，土壤侵蝕不敏感到輕度敏感，易于保護，適宜開發利用，但部分地區水環境污染性敏感性高，應加強水污染風險管理。

良好區：面積為917.98km2，占總面積的56.84%，大部分區域地質災害中—低易發性，礦山環境良好—一般，土壤環境質量好，土壤侵蝕和水污染敏感性中等—高度敏感，可適度開發，開發利用應加強生態環境保護。

較差區：面積為410.84km2，占總面積25.44%，主要分布在研究區西北部邊緣和中部，地質災害發育中等—強烈，礦山環境一般—差，對人民生命財產安全威脅較大，土壤侵蝕和水污染敏感性較高，不宜開發利用。但區內土壤養分富足，供肥潛力強，有益元素豐富，發展特色農業有潛力。

差區：零星分布在較差區內，面積為36.2km2，占總面積2.24%，地質災害發育強烈，礦山環境差，對人民生命財產安全威脅較大，土壤侵蝕和水污染敏感性高，禁止開發，加強保護和治理。

綜合評價結果可以看出，研究區質量較差區主要分布青白口系、石炭—二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系，巖性以中酸性火山巖和碎屑巖巖性為主，較好區分布在薊縣、寒武、奧陶等碳酸鹽區，生態環境質量受地層巖性控制作用明顯。

生態地質環境質量受自然和人為多種因素影響，單專題評價評價結構與綜合評價結果一致性較差，這些因素正向和逆向影響相互作用，甚至是相互矛盾的，例如富硒的地方往往有害重金屬含量也高，土壤質量環境較差。巖溶地區透水性、富水性好，是房山巖溶地下水源地的補給區，但也是地下水污染敏感性高的區域。評價應單因素評價和綜合評價并重，評價因子應根據研究區功能規劃選擇有效的因子，按單因子評價結果提出開發、保護建議更加合理。

4 結論

（1）大清河流域山區地質條件好，地質資源豐富，生態環境質量較好，地質災害和礦山環境是主要的生態地質環境問題。生態地質環境優等區和良好區占總面積72.32%，地質災害易發性低，危險性較小，礦山開采對生態環境影響小，土壤環境質量好，土壤侵蝕和水污染敏感性中等，可適度開發;較差區占總面積25.44%，地質災害發育中等—強烈，危險性較大，礦山環境較差，生態安全環境較差，應加強地質災害防治和資源保護，區內土壤養分富足，Se元素豐富，有發展特色農業潛力，可適度開發;差區占總面積2.24%，地質災害危險性大，礦山環境問題突出，土壤侵蝕和水污染敏感性高，是重點地質災害治理和生態地質環境保護區，應禁止開發。

（2）大清河流域山區土壤地球化學元素空間分布明顯受到區域地質背景及礦化空間分布的控制，后期人為活動影響的疊加作用較小，土壤普遍富含B、S、Se、Corg、C、N、I等親生物元素，反映了大清河生態涵養區土壤地球化學的濃集特征。不同成土母質元素分布各具特點，青白口系頁片巖成土母質區發育的土壤中明顯富集多金屬元素，石炭—白堊系硅質巖成土母質區土壤明顯富集親生物元素。

參考文獻：

薄克庭，蔡有兄，鄭海文， 2015.濟陽縣生態地質環境質量研究[J]. 山東國土資源， 31（10）：52-56.

陳夢熊， 1998. 沿海地區地質環境特征與地質環境系統：兼論“人地系統”[J]. 中國地質災害與防治學報 （S1）：84-90.

陳朝亮，林玲，李強，等， 2019.內江市生態地質環境質量綜合評價[J]. 西南科技大學學報， 34（1）：23-28.

鄧輝， 2011.基于遙感和GIS的瀘定縣生態地質環境質量評價[D]. 成都理工大學.

范強， 2008.云南麗江生態地質環境演化過程與趨勢研究[D].成都理工大學.

馮輝，張學君，張群，等， 2019.北京大清河流域生態涵養區富硒土壤資源分布特征和來源解析[J].巖礦測試， 38（6）：693-704.

黃潤秋， 2011.生態環境地質的基本特點與技術支撐[J]. 中國地質， 28（11）：20-24.

賈三滿， 張群，路璐， 2019， 北京大清河流域生態涵養區生態環境敏感性評價[J].城市地質，14 （4）：14-17.

李玲， 2008.彰武縣各鄉鎮生態地質環境質量評價與分區研究[D]. 遼寧工程技術大學.

李淑敏，蔣必鳳，符定剛，等， 2016. 三亞市大隆水庫生態地質環境調查研究[J]. 價值工程， 35（3）：240-241.

林景星，王紹芳，翟紅，等， 1999.生態環境地質學概述[J]. 環境保護（9）：37-39.

林云杉， 2018.水源涵養型國家重點生態功能區的生態環境評價：以福建省為例[J]. 福建師大福清分校學報， 147（2）：100-106.

王欣，趙其華，張朝俊，等， 2019.基于組合權重的金陽縣生態地質環境承載力評價[J]. 水利與建筑工程學報 （6）：29-35.

王克曉，陳剛，陳偉濤，等， 2015.生態地質環境評價方法研究[J]. 測繪科學（7）： 78-82.

夏樂，李應真， 邱羅，等， 2015.全球生態地質環境遙感調查研究[J].國土資源導刊（2）：85-89.

朱裕生， 1999. 基礎地質調查的新任務：關于地質—生態環境調查新概念的探討[J].中國區域地質（2）：11-15.

支兵發， 2008.試論區域生態地質環境質量評價的幾個問題：以珠江三角洲經濟區為例[[J].災害學， 23（2）： 59-64.