一种滨海湿地生态地质环境综合评价和等级分区方法与流程

本发明属于地质环境评价技术领域，具体涉及一种滨海湿地生态地质环境综合评价和等级分区方法。

背景技术：

“生态地质环境”的含义，即：除人口以外的由生态系统中不同层次的生物及其赖以生存的地质条件所构成的，与人类生产生活活动有着特殊关系的有机系统。笼统地说，它是指一个自然地理中的岩石、土壤、水、大气、气候、光照、温度、湿度、地理、地形、地貌与生物等组成的一个自然生态系统。其下限为人类科学技术活动达到的地壳深部，其上限为生物圈的上限(周爱国等，2008)。

生态地质环境质量，主要是指地质环境的生态适宜性，即指在一个具体的生态地质环境内，环境中的地质要素为其内的生物群落所提供的生存空间的大小及对其正向演替的适宜程度。生态地质环境质量指地下生境中可供植物利用的资源(水分、养分、空气等)的数量、时空分布格局、对植物的适宜性等。

滨海湿地区主要分为潮上带、潮间带和潮下带湿地三部分。潮上带湿地指大潮高潮线向陆地延伸10km的地带上那些富含水分或季节性渍水的地区如河流、湖泊、养殖水塘和水渠、盐田等。这些区域潮汐作用不及，平时只受含盐分的海风吹拂或被含盐分的雾所笼罩，只有当风暴潮来临之时被海水暂时溅漫。潮间带湿地界于大潮高潮位与大潮低潮位之间，在潮汐周期内被海水涨淹退露。潮下带湿地则包括海岸大潮低潮线以下6m水深内的水域和海底。从大范围的空间平面上看，潮上带湿地只是面积较小的零散区域，对其整体进行生态地质环境评价是非常困难的，而潮间带和潮下带湿地则不同，两者均为连续性性的面状，可作为一个整体进行生态地质环境综合评价并进行等级分区。

以往对滨海湿地系统的评价多集中于对其单一环境单元的评价，如红树林生态系统健康评价、海水质量评价、沉积物重金属生态风险评价、海底地质灾害危险性评价等，这类评价均已有较为成熟的评价模型和技术方法，但如何将滨海湿地系统中的生物、水和海底沉积物等环境单元作为一个整体进行评价并进行区域划分仍在探索中。一般而言，对于区域性的地质环境评价的步骤包括评价单元划分、评价指标构建、指标权重确定、数学模型构建，分级标准划定、地质环境评价、地质环境分区、结果分析等多个步骤，过程繁琐且复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种滨海湿地生态地质环境综合评价和等级分区方法，该方法将滨海湿地的生物、水和海底沉积物三个环境单元纳入评价体系，基本能够反映滨海湿地生态系统的整体环境特性，同时评价模型基于已有单个环境单元的评价结果，简单明了，借助地理信息系统可以快速计算，还能根据滨海湿地系统的有关情况和条件的变化进行扩充或缩减，兼具简洁性、易操作性和较强的适应性。

本发明是利用野外调查数据结合收集的数据资料对占滨海湿地绝大部分面积的潮间带和潮下带的生态地质环境质量进行综合评价，其基本思路是：探索构建一个多层次的滨海湿地生态地质环境指标体系，对评价区进行网格划分获得评价单元，建立评价指标综合赋值标准，运用层次分析法确定各层要素对湿地生态地质环境质量影响的权重贡献，通过加权求和计算网格单元内的滨海湿地生态地质环境综合指数，并据此进行湿地生态地质环境评价和等级分区。

本发明的上述目的是通过以下技术方案来实现的：一种滨海湿地生态地质环境综合评价和等级分区方法，包括以下步骤：

(1)构建滨海湿地生态地质环境评价指标体系

对评价区滨海湿地生态地质环境系统进行分析，构建多级评价指标体系；

(2)评价单元划分

采用网格法对评价区进行网格划分，获得多个网格评价单元；

(3)建立评价指标等级赋值标准

采用赋值法对步骤(1)中所述评价指标体系各等级进行标准化赋值，获得各等级的标准化值；

(4)评价指标体系权重确定

采用层次分析法确定步骤(1)中所述评价指标体系中各评价指标的权重；

(5)建立综合指数评价模型和分级标准

根据步骤(3)中的各等级的标准化值和步骤(4)中确定的各评价指标的权重，建立综合指数评价模型和分级标准，获得评价区中每个网格评价单元的综合评价指数和所属级别，其中综合指数评价模型如下：

式中ik-第k个网格评价单元的综合指数，fi,j-第i项评价指标第j个等级的标准化值，si,j-第i项评价指标第j个等级在第k个网格评价单元中的面积，sk-第k个网格的面积，wi-第i项评价指标的权重；

其中综合指数ik为0～1连续数值，将0～1的连续数值等分为四等，建立分级标准。

在上述滨海湿地生态地质环境综合评价和等级分区方法中：

本发明步骤(1)中所述多级评价指标体系优选为二级以上的评价指标体系，后一级评价指标体系从属于前一级评价指标体系，更优选为二级评价指标体系～四级级评价指标体系，最佳是三级评价指标体系。

优选的，所述多等级评价指标体系包括一级评价指标，所述一级评价指标下可设有二级评价指标，所述二级评价指标下可设有三级评价指标，所述三级评价指标下可设有四级评价指标，甚至，所述四级评价指标下可设有五级评价指标，所述五级评价指标下也可设有六级评价指标，以此类推，具体可根据每级评价指标的需要设置不同的下属评价指标，但并不是每一级评价指标下方均需要设置下属评价指标。

还能根据滨海湿地系统的有关情况和条件的变化对下属评价指标进行扩充或缩减，以满足不同区域的滨海湿地系统。

作为本申请的一种优选的实施方式，本发明步骤(1)中所述多级评价指标体系为三级评价指标体系，包括一级评价指标、二级评价指标和三级评价指标，所述二级评价指标从属于所述一级评价指标，所述三级评价指标从属于所述二级评价指标。

本发明所述一级评价指标体系优选包括海水环境综合质量、海底表层沉积物生态地质环境质量和典型生物群落分布状况等一级评价指标。

本发明所述海底表层沉积物生态地质环境质量可以选择沉积物类型、沉积物重金属潜在生态危害性状况和营养元素生态危害性作为二级评价指标；所述典型生物群落分布状况可以选择包括红树林、珊瑚礁和海草床分布面积作为二级评价指标。

其中海水环境综合质量作为一级评价指标是根据《中华人民共和国海水水质标准》(gb3097-1997)，将海水理化指标、营养盐、有害重金属、有机物污染含量等水质项目作为评价指标，应用水质综合指数法计算出评价区每个实际调查站位的海水环境质量综合指数，然后应用克里金插值法获得评价区海水环境质量等级分区。

之所以选择沉积物类型作为二级评价指标是因为在滨岸带沉积物类型对其生态环境影响较大，例如在泥质区水动力弱，底质富含有机质和各种细菌，还可吸附大量的污染物。每个实际调查站位的沉积物类型基于沉积物粒度shepard(1954)分类法确定，然后将相邻的同类型合并获得评价区表层沉积物类型分区。

而沉积物中重金属(cu、zn、pb、cr、as、cd、hg)潜在生态危害性状况则反映了沉积物受重金属污染的状况及其综合效应。沉积物中重金属的潜在危害程度划分采用hakanson(1980)中的模型计算出评价区每个实际调查站位的重金属潜在生态危害指数，然后应用克里金插值法获得评价区的表层沉积物中重金属的潜在危害性等级分区。

营养元素的生态危害性对湿地中生物的生长和水体环境有重要影响，因此也选为二级评价指标。选择有机碳、总氮和总磷元素的生态危害性作为营养元素的生态危害性的三级评价指标。这三类元素是生物生长所必需，但含量太高则又会导致富营养化和上覆水体的二次污染。应用克里金插值法获得评价区机碳、总氮和总磷元素含量等值线图，然后采用加拿大安大略省环境和能源部制定的生态危害性评价标准(ministryoftheenvironmentontario,canada，1993)获得它们各自的生态危害性等级分区。

本发明选择从遥感调查中获取红树林、珊瑚礁和海草床的分布作为典型生物群落二级评价指标，这些指标能够反映滨海湿地中植物和珊瑚的生长状况。

进一步的，步骤(1)中构建多等级评价指标体系后，还需要确定评价单元的划分精度，用以下一步的采用网格法对评价区进行网格划分。潮间带和潮下带滨海湿地为沿海岸的几百米至数千米的带状区域，网格划分太大会使评价得出的等级分区结果过于粗糙，失去应用价值，太小则会增加计算量而实际效果提升程度有限。

考虑到本发明评价区滨海湿地虽然覆盖的区域广，但实际面积并不大，因此优选的，步骤(2)中采用网格法对目标评价区进行(1～2)km×(1～2)km网格划分。

本发明步骤(3)中采用赋值法对步骤(1)中所述评价指标体系的各评价指标的等级进行标准化赋值，得各评价指标等级的标准化值，该标准化值的获取可以参考国内外相关研究成果来确定，具体使用时也可以根据实际情况进行调整。

本发明在步骤(5)的建立综合指数评价模型和分级标准过程中：

根据步骤(3)中的得各评价指标等级的标准化值和步骤(4)中确定的各评价指标的权重，建立综合指数评价模型和分级标准，获得评价区中每个网格评价单元的综合评价指数和所属级别，其中综合指数评价模型优选如下：

式中ik-第k个网格评价单元的综合指数，fi,j-第i项评价指标第j个等级的标准化值，si,j-第i项评价指标第j个等级在第k个网格评价单元中的面积，sk-第k个网格的面积，wi-第i项评价指标的权重；

其中综合指数ik为0～1连续数值，将0～1的连续数值等分为四等，建立分级标准。

本发明确定的综合指数ik为0～1连续数值。当ik为0时，生态地质环境质量为最差；当ik为1时，生态地质环境质量为最好。为了便于描述，将0～1的连续数值等分为四等，即0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75、0.75～1分别对应差、中等、良好和优四种状态。

即进一步的，本发明步骤(5)中建立的分级标准优选如下：

本发明步骤(1)中所述评价区的滨海湿地优选包括潮间带湿地和潮下带湿地。

本发明步骤(1)中所述评价区优选包括华南西部广西(北部湾)、广东雷州半岛和海南岛沿岸潮间带以及潮下带滨海湿地。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明方法将滨海湿地的海水环境综合质量、海底表层沉积物生态地质环境质量和典型生物群落分布状况三个环境单元纳入评价体系，基本能够反映滨海湿地生态系统的整体环境特性，同时评价模型基于已有单个生态地质环境要素的评价结果，简单明了，借助地理信息系统可以快速计算，还能根据滨海湿地系统的环境特征和已有的生态地质环境调查资料进行扩充或缩减，兼具简洁性、易操作性和较强的适应性。

附图说明

图1是实施例1中构建的滨海湿地生态地质环境评价的程序步骤；

图2是实施例1中构建的滨海湿地生态地质环境多级评价指标体系；

图3是实施例1中评价区1km×1km网格单元划分；

图4是实施例1中评价区生态地质环境综合评价等级分区；

图5是实施例1中评价区海水环境综合质量一级评价指标的指数分布；

图6是实施例1中评价区海底表层沉积物生态地质环境质量一级评价指标的指数分布；

图7是实施例1中评价区典型生物群落分布状况一级评价指标的指数分布；

图8是实施例1中评价区生态地质环境质量等级中各一级评价指标对综合评价指数贡献的平均值。

具体实施方式

本实施例提供的滨海湿地生态地质环境综合评价和等级分区方法，首先对评价区生态地质环境系统进行分析，然后构建指标体系，确定评价精度，进行评价单元的划分。与此同时对各评价指标的等级进行标准化赋值，确定指标权重，并选定合适的综合评价模型，并制定分级标准。最后将每个评价单元的评价指标和权重数据输入评价模型，得到调查区的生态地质环境综合评价等级分区并进行结果的综合分析。

具体的，如图1所示，华南西部(广西、广东雷州半岛、海南岛)沿岸潮间带、潮下带滨海湿地为评价区，对其进行生态地质环境综合评价等级分区，具体过程如下：

(1)构建滨海湿地生态地质环境评价指标体系

1.1、评价指标体系的确定

1.1.1评价指标选取的原则

指标体系是开展评价的基础，指标体系的选择要全面反映被评价区域的生态地质环境结构和特征，涵盖主要的环境因子。在指标选取时遵循以下三个原则：(1)代表性——生态地质环境的组成因子众多，各因子之间相互作用、相互联系构成一个复杂的综合体。评价指标体系不可能包括生态环境与地质环境的全部因子，只能从中选择最具有代表性、最能反映生态地质环境本质特征的。(2)综合性——必须全面衡量所考虑的诸多环境因子，进行综合分析和评价。因为生态地质环境是相互作用、相互制约、相互融会而形成的一个动态、复杂的有机整体，必须把湿地生态地质环境作为一个整体来看待，从而进行评价。(3)易操作性——指标的设置要尽可能利用现有的定量化成果。每一条指标都应该是确定的、可以比较的。也就是说，同一评价指标应当可以在不同区域范围内进行比较，以便于使所建立的指标体系具有通用性。

1.2评价指标体系确定

依据上述原则，本发明选择了海水环境综合质量、海底表层沉积物生态地质环境质量和典型生物群落分布状况作为滨海湿地生态地质环境综合评价的一级评价指标。

本发明海底表层沉积物生态地质环境质量可以选择沉积物类型、沉积物重金属潜在生态危害性状况和营养元素生态危害性作为二级评价指标；所述典型生物群落分布状况可以选择包括红树林、珊瑚礁和海草床分布面积作为二级评价指标。

其中海水环境综合质量作为一级评价指标是根据《中华人民共和国海水水质标准》(gb3097-1997)，将海水理化指标、营养盐、有害重金属、有机物污染含量等水质项目作为评价指标，应用水质综合指数法计算出评价区每个实际调查站位的海水环境质量综合指数，然后应用克里金插值法获得评价区海水环境质量等级分区。

海底表层沉积物生态地质环境质量作为一级评价指标选择沉积物类型、沉积物重金属潜在生态危害性状况和营养元素生态危害性作为二级评价指标。

之所以选择沉积物类型作为二级评价指标是因为在滨岸带沉积物类型对其生态环境影响较大，例如在泥质区水动力弱，底质富含有机质和各种细菌，还可吸附大量的污染物。每个实际调查站位的沉积物类型基于沉积物粒度shepard(1954)分类法确定，然后将相邻的同类型合并获得评价区表层沉积物类型分区。

而沉积物中重金属(cu、zn、pb、cr、as、cd、hg)潜在生态危害性状况则反映了沉积物受重金属污染的状况及其综合效应。沉积物中重金属的潜在危害程度划分采用hakanson(1980)中的模型计算出评价区每个实际调查站位的重金属潜在生态危害指数，然后应用克里金插值法获得评价区的表层沉积物中重金属的潜在危害性等级分区。

营养元素的生态危害性对湿地中生物的生长和水体环境有重要影响，因此也选为二级评价指标。选择有机碳、总氮和总磷元素的生态危害性作为营养元素的生态危害性的三级评价指标。这三类元素是生物生长所必需，但含量太高则又会导致富营养化和上覆水体的二次污染。应用克里金插值法获得评价区机碳、总氮和总磷元素含量等值线图，然后采用加拿大安大略省环境和能源部制定的生态危害性评价标准(ministryoftheenvironmentontario,canada，1993)获得它们各自的生态危害性等级分区。

本发明选择从遥感调查中获取红树林、珊瑚礁和海草床的分布作为典型生物群落二级评价指标，这些指标能够反映滨海湿地中植物和珊瑚的生长状况。

构建的多级评价指标体系如图2所示。

(2)评价单元划分

构建多级评价指标体系后，还需要确定评价单元的划分精度，用以下一步的采用网格法对评价区进行网格划分。潮间带和潮下带滨海湿地为沿海岸的几百米至数千米的带状区域，网格划分太大会使评价得出的等级分区结果过于粗糙，失去应用价值，太小则会增加计算量而实际效果提升程度有限。

考虑到本发明调查覆盖的区域广，但实际面积并不大，因此选择对目标评价区进行1km×1km的网格划分。

对目标评价区(华南西部，主要指广西、广东雷州、海南岛的沿岸潮间带、潮下带滨海湿地)进行1km×1km的网格划分，每个网格为一个评价单元，共计10334个网格，如图3所示，面积6753.4km²。

(3)建立评价指标各等级的赋值标准

采用赋值法对步骤(1)中评价指标体系各等级进行标准化赋值，得各评价指标等级的标准化值；

具体过程为：

参考国内外相关研究成果，评价指标各等级的采用标准化赋值法确定，生态地质环境评价指标赋值标准如下表1。

表1华南西部滨海湿地生态地质环境评价指标赋值标准

(4)评价指标体系权重确定

采用层次分析法确定步骤(1)中评价指标体系中各评价指标的权重；

参与评价的各指标权重采用层次分析法(ahp)确定。该方法确定权重系数大体可以分为四个步骤：(1)建立问题的递阶层次结构。(2)两两比较的判断矩阵。(3)矩阵单排序，即本层次某元素对上一层次重要性次序的权值。(4)计算各层元素的组合权重，即层次总排序。

表2比较标度及其含义

判断矩阵是指某一指标层面上各元素之间相互重要性判断所构成的方阵。这里采用“1～9”比较标度法(saaty，1980)，对各层次判断矩阵中的每个因素进行定量化，并给出了比较标度及其含义，表2。

根据本领域普通技术人员的判断，也可以是通过专家咨询确定各评价指标的相对重要程度，构造指标判断矩阵，按照层次分析法给出指标间相对比较的重要度标度。用方根法计算判断矩阵的最大特征值λmax及特征向量，并检验矩阵一致性。最大特征值为λmax＝3.0092，指标的一致性指标ci＝0.0088，判断矩阵一致性检验系数小于0.10，通过一致性检验。表3则列出了各因子指标权重值，表4则为沉积物二级指标体系之间的判断矩阵及权重值。

表3一级评价指标判断矩阵及权重分布

注：判断矩阵一致性比例：0.0088；对总目标的权重：1.0000；λmax＝3.0092

表4典型生物群落分布二级评价指标判断矩阵及权重分布

注：判断矩阵一致性比例：0.0516；对总目标的权重：0.1634；λmax＝3.0536

表5沉积物生态地质环境质量二级指标之间的判断矩阵及权重分布

注：判断矩阵一致性比例：0.0088；对总目标的权重：0.5396；λmax＝3.0092

表6沉积物营养元素生态危害性三级指标之间的判断矩阵及权重分布

判断矩阵一致性比例：0.0000；对总目标的权重：0.1602；λmax：3.0000

表7各评价指标的权重值

(5)建立综合指数评价模型和分级标准

根据步骤(3)中的得各等级的标准化值和步骤(4)中确定的各评价指标的权重，建立综合指数评价模型和分级标准，获得评价区中每个网格评价单元的综合评价指数和所属级别，其中综合指数评价模型如下：

式中ik-第k个网格评价单元的综合指数，fi,j-第i项评价指标第j个等级的标准化值，si,j-第i项评价指标第j个等级在第k个网格评价单元中的面积，sk-第k个网格的面积，wi-第i项评价指标的权重；

第k个网格评价单元的综合指数包括其内所有三个一级评价指标的指数的加和。

其中综合指数ik为0～1连续数值，将0～1的连续数值等分为四等，建立分级标准。

本发明确定的综合指数ik为0～1连续数值。当ik为0时，生态地质环境质量为最差；当ik为1时，生态地质环境质量为最好。为了便于描述，将0～1的连续数值等分为四等，即0～0.25、0.25～0.5、0.5～0.75、0.75～1分别对应差、中等、良好和优四种状态。

即步骤(5)中建立的分级标准如下：

综合评价结果如下：

评价区华南西部(广西、广东雷州半岛、海南岛)沿岸潮间带、潮下带滨海湿地所有网格的综合指数值为0.4231～0.9278，平均值为0.6458，标准差为0.1024。根据前述划分标准，评价区生态地质环境质量在中等至优三个等级(图4)。属于良好等级的面积最大，约5637.3km²，占总面积的83.5％，共有8484个网格；优等级面积其次，为836.4km²，占总面积的12.4％，共有1335个网格；良好等级面积最小，仅为279.8km²，占总面积的4.1％，共有515个网格。

应用地理信息系统对评价区所有网格单元的综合指数值按分级标准进行分等级制图，获得评价区的生态地质环境综合评价等级分区图(图4)。从综合评价分区图上可以看出，评价区绝大部分区域生态地质环境良好。雷州半岛雷州湾东部、东场湾至角尾湾，海南岛东部的高隆湾、冯家湾、石梅湾、土福湾、海棠湾、亚龙湾、榆林湾、三亚湾和崖州湾等少数区域生态地质环境为优。生态地质环境质量中等的区域主要分布在钦州湾、三娘湾、大风江口中部、南流江口、安铺港、五里山港、海口市近岸、南渡江口、小海中部东方市外海以及洋浦港外湾等，面积很小。在这些地区开展的诸如码头建设与海上运输(湛江港、东方港、洋浦港)、城市生产生活排污(湛江市、海口市)和滩涂养殖(万宁小海)造成大量的污染物进入到滨海从而影响了这些区域的生态地质环境，这是在今后需要密切关注的问题。

图5-图7分别显示了海水环境综合质量、海底表层沉积物生态地质环境质量和典型生物群落分布状况的指数的分布，图8则比较了不同生态地质环境质量等级中各一级指标对综合评价指数贡献的平均值。可以发现，综合指数中的99％的贡献源自海水综合水质和沉积物生态地质环境质量两个指标的贡献，典型生物群落分布指标的贡献仅为约1％，这说明调查区红树林、珊瑚礁、海草床三种典型生物群落的分布极为有限。而在海水综合水质和海底表层沉积物生态地质环境质量两个环境要素中，前者对生态地质环境质量等级有决定性作用，优、良好和中等级中海水综合水质对综合指数的贡献率分别为33.9％、14.7％和6.3％。最为明显的是北部湾广西沿岸、海南岛西北部沿岸、湛江市通明海至五里山港，海底表层沉积物生态地质环境质量和典型生物群落分布状况则与其它区域近似，而海水综合水质在这三片区域的指数较低，最终导致它们的综合评价指数也相对较低。因此控制海水污染，提高海水环境质量对这些区域的总体环境质量的提升具有重要意义。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。