地质环境脆弱性评价与保护对策研究

对于脆弱性，生态学、环境学、灾害学等不同的学科具有不尽相同的含义［11］。这里所指的地质环境脆弱性，其含义是地质环境本身所固有的、先天的、易于对人类经济社会产生灾害或负面影响的程度，即地质环境系统及其组成要素在外界条件作用下易于产生地质环境问题或地质灾害的程度。人类活动、气候变化、地表植被等因素虽然对地质环境脆弱性有不同程度的影响，但是这些因素属于地质环境的外界条件，并非地质环境本身所固有。所以，影响地质环境脆弱性的主要因素包括地质构造、地形地貌、地表组成物质等。从区域尺度来看，决定区域地质环境脆弱性的关键因素是地质构造和地形地貌。定量刻画地质构造和地形地貌的指标分别为区域地壳活跃度和地表起伏度。
(一)区域地壳活跃度
区域地壳活跃度用于表征区域地壳运动的现今活动情况与活跃程度，区域地壳稳定性的负面表述。中国地质科学院地质力学研究所依据区域地质单元性状、构造活动、垂直地形变、地壳厚度异常及布格重力异常、地震震级、地震烈度和地质灾害等指标，对中国区域地壳稳定性按照100Km×100Km的网格进行了分单元评价［12］。按照评价指标，各个单元的地壳稳定性划分为4个等级:稳定、基本稳定、次不稳定、不稳定。结果表明，中国国土面积的24%属于稳定区，56%属于基本稳定区，17%属于次不稳定区，3%属于不稳定区。
以上述区域地壳稳定性评价结果为基础，区域地壳活跃度采用下式计算:

中国地质环境变化与对策研究

式中:S1———不稳定区占地区总面积的百分比;
S2———次不稳定区占地区总面积的百分比;
p1、p2———权重;
G———区域地壳活跃度。
(二)地表起伏度
地表的起伏，影响着地表物质的侵蚀、搬运、堆积等过程，在很大程度上决定了滑坡、崩塌、泥石流、水土流失等地质灾害的易发程度。它从宏观上决定了一个地区地质环境的脆弱程度。衡量地形地貌对地质环境脆弱度的影响，可采用地表起伏度这一指标来表达。其计算公式为

中国地质环境变化与对策研究

式中:max(h)———地区的最高海拔高度(m);
min(h)———地区的最低海拔高度(m);
max(H)———全国的最高海拔高度(m);
min(H)———全国的最低海拔高度(m);
P(A)———地区平地所占的面积(Km2);
A———地区的陆地总面积(Km2);
RDSL———地表起伏度。
采用比较简便的加权线性累积法计算区域地质环境脆弱度。总体上，可以认为区域地壳活跃度和地表起伏度对地质环境脆弱性的贡献是相同的，在计算区域地质环境脆弱度时这两个指标的权重均为1/2。由于区域地壳活跃度、地表起伏度的地区差异很大，选用标准差形式对数据进行规范化处理。

基于ArcGIS平台，将区域地壳稳定性、断裂带分布、海拔、地表起伏度、植被覆盖度、地表湿润指数、土壤可蚀性、土壤侵蚀强度和岩溶分布等9个脆弱性指标图层进行线性变换归一化处理，使结果落到[0,100]区间，得到各指标标准值图层；运用因子相关分析法，分析9个脆弱性指标间相关性；应用主成分分析法，将相关性显著的重复的要素删去多余，重新组合成一组新的互相无关的综合脆弱性要素；以主成分要素对应的方差贡献率作为权重，应用综合指数模型，完成地质环境脆弱性综合评价；在区位理论及空间统计的支持下进行分区，将全国划分为微度、轻微度、轻度、中度、重度和极度等六类脆弱区。
（一）归一化
归一化处理，线性变换转换函数如下：

生态文明视角下地质环境调查战略研究

式中：X为指标x的标准值；xmax为指标x样本数据的最大值；xmin为指标x样本数据的最小值。
（二）因子相关分析
在spatial analyst工具的多元分析中进行波段集统计，分析上述9个指标的相关方向和相关程度。皮氏积矩相关系数是衡量两个随机变量之间线性相关程度的指标。它由卡尔·皮尔森在1880年提出，现已广泛地应用于科学的各个领域。对于变量x、y，皮氏积矩相关系数为：

生态文明视角下地质环境调查战略研究

式中：rxy为皮氏积矩相关系数； 为变量x的均值； 为变量y的均值。如果两者呈正相关，r呈正值，r=1时为完全正相关；如两者呈负相关则r呈负值，而r=－1时为完全负相关。通常情况下，通过以下r的取值范围判断变量的相关强度：0.8～1.0极强相关；0.6～0.8强相关；0.4～0.6中等程度相关；0.2～0.4弱相关；0.0～0.2极弱相关或无相关。
（三）主成分分析
基于ArcGIS平台，在spatial analyst工具的多元分析中进行主成分分析。主成分分析工具用于将输入多元属性空间中的输入波段内的数据变换到相对于原始空间对轴进行旋转的新的多元属性空间。新空间中的轴（属性）互不相关。第一个主成分V1（第一个线性组合，即第一个综合指标）将具有最大的方差，Var(V1)越大，表示V1包含的信息越多；如果第一主成分不足以代表原来m个指标的信息，再考虑选取V2即选第二个线性组合，V1已有的信息就不需要再出现在V2中，用数学语言表达就是要求Cov(V1,V2)=0，则称V2为第二主成分，第二个主成分将具有未通过第一个主成分描述的第二大方差；依此类推，可以构造出其他主成分。
（四）综合指数模型
地质环境脆弱度采用下式计算

生态文明视角下地质环境调查战略研究

式中：V为区域地质环境脆弱度；Vi为采用主成分分析方法所获得的第i个综合变量；n为综合变量个数；m为一级指标个数；λ为主成分变量对应的特征值。

一、评价思路

1.评价模型

采用综合指数法进行地质环境脆弱性评价。

山东省地质环境问题研究

式中:P_c为地质环境脆弱性指数;W_ci为地质环境脆弱性评价因子权重;C_ci为地质环境脆弱性评价因子分值。

按五级标准评价。评价分级标准见表13-21。

表13-21 评价分级标准

2.评价因子赋值

根据东营市地质环境条件，确定生态环境(土壤盐碱化)、包气带环境(包气带土体结构)、地下水环境(地下水质类型、地下水位埋深)、人为因素(地下水污染、土壤污染)作为地质环境脆弱性评价因子，在地质环境脆弱性评价基础上，结合水土污染灾害，选择地质环境脆弱性系数、地下水污染和土壤污染作为地质环境危险性评价因子，根据评价因子数值、分级等特征赋值(表13-22)。

表13-22 地质环境脆弱性评价因子赋值标准一览表

3.因子权重确定

根据各个评价因子在地质环境评价中的贡献程度，采用傅勒三角形等数学方法确定各评价因子的权重(表13-23)。

表13-23 评价因子权重计算表

二、地质环境脆弱性评价

在全区选取了44个地质环境脆弱性评价点(图13-10)，利用以上所建立的式13-6评价模型和因子赋值标准，进行地质环境脆弱性指数(P_c)计算。计算评价结果见表13-24。根据表13-17编制了地质环境脆弱性评价图(图13-11)。

全区地质环境较脆弱。无地质环境脆弱性小区(Ⅰ)和较小区(Ⅱ)。

地质环境脆弱性中等区(Ⅲ):脆弱系数2～3.5。分布在调查区中部区域、沿黄地带，以及黄河入海口南侧沿海地带。沿黄地带和调查区中部区域为非盐碱化农田和轻盐碱化分布区，黄河入海口南侧沿海地带为中度-重度盐碱化分布区;除西部沿黄滩区有少量的淡水—微咸水外，大部分地区地下水为咸水区;包气带岩性结构除南部地段有粘性土单层结构区，北部有砂性土-粘性土多层结构区分布外，大部分区域以砂性土单层结构为主。

图13-10 地质环境脆弱性评价点分布图

图13-11 地质环境脆弱性评价图

表13-24 地质环境脆弱性评价一览表

续表

地质环境脆弱性较大区(Ⅳ):脆弱系数3.5～4.5。主要分布在调查区西部淡水-微咸水区，以及东部卤水分布区。西部地段大部分为非盐碱化农田区、轻度盐碱化分布区，东部地段为重度-中度盐碱化分布区;西部地下水为淡水微咸水，东部地下水主要为盐水—卤水;大部分区域包气带岩性结构为砂性土单层结构为主，西南部局部地段为粘性土单层结构。地质环境脆弱性较大。

地质环境脆弱性大区(Ⅴ):脆弱系数大于4.5。分布在垦利盐场和广饶盐场区域。该区为盐田分布区;地下水为卤水;包气带岩性结构以砂性土单层结构为主。地质环境脆弱性大。

三、地质环境保护对策

黄河三角洲内油气资源丰富，是胜利油田的主要油气开采活动集中区，油井密度大，呈点状、面状散布整个区内。区内油气资源开发所造成的水土污染较严重，以老油区污染为首，其他地区次之。因此，水土石油污染地质环境保护应以治源为本，源表兼治。

1.水体防治对策

对水体的污染主要有石油井施工废液和采油污废水排放，以及工业污废水排放，因此，采取以下水体污染防治对策:

1)加强钻井废弃泥浆、废水管理，使钻井泥浆和废水重复利用和回收。成井后，将泥浆及井场附近的其他污染物全部清理到泥浆池中，集中处理，提高无污染作业率。

2)加强采油污水处理管理，严格按照污水处理设计流程、操作流程规范，各污水处理站都要建立防渗、防溢污水暂存池，加强污废水处理和排放监督检查。外排污水一定要达标排放;并积极推广不外排污水采油经验，污水处理合格后回注地层。

3)要彻底改善水环境，须加强对地方企业，尤其是石油化工污废水处理和控制，污水处理，达标排放。

2.土体防治对策

油气开采产生的落地油和钻井液是土壤污染的主要污染源。因此控制石油开采产生的污染源才能根本上消除土壤污染。

1)推行泥浆回收利用。为使泥浆具有钻井工艺要求的各种性能，需加入大量的无机和有机处理剂，一旦钻井完毕，这些化学药物处理剂就随着泥浆一起废弃于井场，这样不仅造成极大的浪费，而且还污染当地环境。将这些泥浆收集，加以重复利用，即可节约资金，还可大大减轻污染。

2)无毒新型泥浆利用，同样是减轻污染的有效措施。

3)从技术研究和管理入手，最大限度地减少在钻井、油气集输和储运过程中，各种事故泄漏和设备管线跑冒滴漏。

4)开展落地油生物处理技术研究。

据有关资料，很多细菌能够有效的分解落地原油，因此开展落地油生物处理技术研究，不仅可以消除落地油对采油附近农田的污染，还可以提高土壤肥力。