基于3S技術(shù)的馬鞍山市江心洲生態(tài)環(huán)境敏感性研究

凌煥然，陸淼菁，王 偉，王祥榮

（復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200433）

生態(tài)環(huán)境敏感性指生態(tài)系統(tǒng)對人類活動反應(yīng)的敏感程度，用來反映產(chǎn)生生態(tài)失衡與生態(tài)環(huán)境問題的可能性大小.可以以此確定生態(tài)環(huán)境影響最敏感的地區(qū)和最具有保護價值的地區(qū)，為生態(tài)功能區(qū)劃提供依據(jù)［1］.

生態(tài)環(huán)境敏感性評價是根據(jù)區(qū)域主要生態(tài)與環(huán)境問題及其形成機制，分析敏感性的區(qū)域分異規(guī)律，即根據(jù)主要影響因子的不同屬性或類型劃分敏感性等級，進行單因子及綜合敏感性評價，明確特定生態(tài)環(huán)境問題可能發(fā)生的地區(qū)范圍與可能程度，以便提早預(yù)防并采取針對性的保護與建設(shè)措施［2］.

馬鞍山江心洲是馬鞍山市“1255”城市發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分——生態(tài)旅游區(qū)，是實現(xiàn)城市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要功能區(qū).江心洲發(fā)展有助于規(guī)劃建設(shè)環(huán)境優(yōu)美、生態(tài)健康的生態(tài)島，有助于統(tǒng)籌相關(guān)區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展，而在發(fā)展與保護的矛盾更加尖銳的今天，對規(guī)劃區(qū)域進行生態(tài)環(huán)境敏感性分析等環(huán)境生態(tài)專項研究顯得尤為重要.因此，對馬鞍山江心洲各類生態(tài)限制因子進行生態(tài)環(huán)境敏感性分析，并在此基礎(chǔ)上進行生態(tài)分區(qū)研究，是此后功能分區(qū)的重要依據(jù)之一，可用于指導(dǎo)規(guī)劃用地布局，并建構(gòu)合理的江心洲總體規(guī)劃結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)其可持續(xù)發(fā)展，具有十分重大的意義.

1 研究區(qū)域概況

馬鞍山江心洲地處長江中下游安徽省馬鞍山段河道，東臨馬鞍山市中心城區(qū)，西涉長江，整體規(guī)劃用地63.3km2（其中北部何家洲用地面積3.11km2，夾江水域面積1.49km2），本文以58.7km2的主要地段為研究區(qū)（圖1）.

江心洲順水流方向南北長、東西窄，呈鵝卵形.地形總體趨于平坦，平均高程6.1m，呈典型的江心洲地貌特征——南高北低、緩慢均勻傾斜狀.主要是一些人工河道與水體，有3條南北向的主要渠道，寬22～29m，可以通行船只；其他相對較小的水道均交錯相通，基本上都由當(dāng)?shù)鼐用褡孕虚_挖而成，與長江水系相離，未受長江水質(zhì)變化的影響.

江心洲屬于北亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，歷年平均氣溫15.4℃，年平均降水量為991.3mm.植被屬中亞熱帶常綠落葉闊葉混交林帶，原生自然植被已不復(fù)存在，目前主要以農(nóng)作物和速生林為主，還有面積較大的以蘆葦?shù)戎参锓N類為主的濕地，位于江心圩和彭太圩之間.

2 研究方法

從定量化的角度，生態(tài)環(huán)境敏感性評價可以看做是一組影響因子按照一定規(guī)則組合后形成的新的評價等級.

其基本表達形式可以用下式表示：

圖1 馬鞍山市江心洲空間地理數(shù)據(jù)分布Fig.1 Spatial distribution of geographic data for Ma'anshan ait

其中，S是敏感性等級，xi（i＝1，2，3，…，n）是用于評價的一組因子.

本文結(jié)合馬鞍山江心洲規(guī)劃，基于3S技術(shù)（GPS，全球定位系統(tǒng)；GIS，地理信息系統(tǒng)；RS，遙感技術(shù)）對當(dāng)前環(huán)境生態(tài)現(xiàn)狀及交通規(guī)劃為依據(jù)選取若干生態(tài)環(huán)境影響因子.結(jié)合相應(yīng)的評價標準，將敏感性分為5級，即極敏感、高敏感、敏感、低敏感、不敏感［3］.同時借助ArcGIS（分析軟件）作為空間數(shù)據(jù)管理工具、矢量化相關(guān)圖層并獲取指標數(shù)據(jù)后采用多邊形法獲取評價單元及其屬性數(shù)據(jù).在計算機軟、硬件支持下將各生態(tài)因子的景觀斑塊分別賦予相應(yīng)的等級指數(shù)制作單因子敏感性分布圖.同時，根據(jù)敏感度指數(shù)分析并劃分敏感性級別，結(jié)合ArcGIS實現(xiàn)評價結(jié)果圖的輸出.隨后根據(jù)各影響因子敏感性等級的賦值，采用等權(quán)或加權(quán)的方法，計算特定生態(tài)環(huán)境問題的敏感性綜合指數(shù)，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)軟件生成特定生態(tài)環(huán)境問題的敏感性綜合評價圖并進行綜合評價.

3 單因子分析

影響生態(tài)系統(tǒng)敏感性的因子很多，如水域、植被、土壤、地形等，不同區(qū)域影響因子不同，作用于不同生態(tài)過程的生態(tài)因子亦不同［4］，故針對特定研究地區(qū)，應(yīng)選用不同的影響因子.尹海偉等［5］選用水域、海拔與堤防、植被、耕地等4項因子進行吳江東部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境敏感性分析，霍震等［6］在進行滇池流域生態(tài)環(huán)境敏感性評價時選用坡度，地形起伏度，土地利用類型，土壤侵蝕強度等因子；顏磊等［7］在北京市域生態(tài)環(huán)境敏感性綜合評價時采用水土流失，河流水量，泥石流，道路等因子；趙義華等［8］選用坡度，高程，水域，植被，道路5個因子分析了常州市宋劍湖地區(qū)的生態(tài)環(huán)境敏感性；程磊等在［9］對南京市江寧區(qū)大連山—青龍山片區(qū)進行生態(tài)環(huán)境敏感性分析時將坡度、地表水系、居民用地強度、道路交通影響、高程等共6項列為影響因子.

本文結(jié)合馬鞍山江心洲的實際情況及規(guī)劃目的“土地集約利用、環(huán)境優(yōu)美宜人、生態(tài)與產(chǎn)業(yè)和諧共生的示范區(qū)”來看，作為區(qū)域大骨架和背景的地形因子，作為生態(tài)環(huán)境中最重要、最敏感自然要素的地表植被因子，及由于江心洲水體分布和洪水威脅的實際情況而至關(guān)重要的水體及洪水因子，列為進行生態(tài)環(huán)境敏感性分析時必須選取的影響因子.研究發(fā)現(xiàn)江心洲如果沒有現(xiàn)有的堤防，整個江心洲在長江汛期將長年處于洪水淹沒狀態(tài)，即使是極端枯水的1972年夏季，整個江心洲也有超過85%的面積處于洪水水位線以下.因此，洪水因子是本次敏感性研究中考慮的極為重要因素.由于研究區(qū)域內(nèi)人口密度均在1×104／km2以下，區(qū)域的現(xiàn)狀中幾乎沒有工業(yè)，大氣污染較低，故人口密度，環(huán)境污染因子并未參與生態(tài)環(huán)境敏感性現(xiàn)狀分析.

分析的數(shù)據(jù)主要來源于以下3個途徑：（1）提供的資料（文本、CAD、掃描地圖圖件、現(xiàn)有規(guī)劃圖件）；（2）1∶10000的10m等高線及基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)（圖1）；（3）ETM－L7多波段衛(wèi)星影像和SPOT 5高分辨率衛(wèi)星影像（圖2）.

圖2 衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)（（a）來源于中科院國際科研數(shù)據(jù)庫；（b）來源于馬鞍山市規(guī)劃局）Fig.2 Image data：（a）ETM－L7multi－bands image map and（b）SPOT 5high－resolution image map

3.1 地形因子分析

江心洲地形總體趨于平坦，最高高程11.70m，最低高程4.9m，平均高程6.1m，為典型的江心洲地貌特征——南（洲頭）高北（洲尾）低，呈緩慢均勻傾斜狀，沒有形成明顯的大面積坡度地貌.坡向的改變主要存在于堤防及農(nóng)民建設(shè)用地構(gòu)建的莊臺，坡向?qū)Φ乇碇脖环N類的影響不明顯.最大坡度在10°以下，而且主要出現(xiàn)在沿江灘涂、堤防和圩內(nèi)莊臺等地區(qū)（圖3）.

圖3 地形因子分析結(jié)果圖（彩圖見封二）Fig.3 Results of topographic factor analysis

3.2 水體因子分析

（1）水系 江心洲內(nèi)分布著密布的人工溝渠，主要為中部南北向兩條干渠和東西向干渠，水系依據(jù)地勢走向由西南向東北匯流.渠內(nèi)為自然降雨積水，在雨季洪澇時，可由江心圩東北部的排澇站將內(nèi)澇排向夾江.水系提供圩內(nèi)旱作植物灌溉用水.

（2）濕地 江心洲由于自然條件形成南北兩塊濕地生態(tài)系統(tǒng)：北部濕地生態(tài)系統(tǒng)位于宮錦圩與何家洲之間，水面較寬，長年處于水道形態(tài)；南部濕地生態(tài)系統(tǒng)位于江心圩與彭太圩之間，在洪水期內(nèi)將存在20d左右的淹沒期，其余時間呈現(xiàn)典型的濕地生態(tài)特征.

3.3 植被多樣性因子分析

由Landsat7ETM＋多波段衛(wèi)星影像計算NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，歸一化植被指數(shù)）［10］結(jié)果見圖4所示.可以看出圩內(nèi)植被覆蓋度非常高，紅色區(qū)域為常綠闊葉喬木，主要分布在道路、堤防、溝渠邊以及房前屋后，綠色區(qū)域為大面積的基本農(nóng)田.由圖1可以看出本區(qū)域處于非常低的城市化開發(fā)狀態(tài)，硬質(zhì)不透水面非常有限，尚未形成成片的城鎮(zhèn)建成區(qū).

3.4 洪水風(fēng)險因子分析

水文條件是影響江心洲規(guī)劃和發(fā)展的重要因素.長江水利委員會規(guī)定馬鞍山江心洲警戒水位10m，保證水位11.95m.根據(jù)安徽省水利廳提供的長江馬鞍山水文站歷年水位特征值統(tǒng)計圖（圖5）可以看出，馬鞍山市年平均最高水位為9.51m.此為江心洲開發(fā)建設(shè)絕對的約束條件.研究分析得到各典型年份洪水淹沒分析圖（圖6）.

圖4 NDVI指數(shù)分布圖Fig.4 The distribution map of NDVI index

圖5 馬鞍山歷年水位特征值統(tǒng)計圖Fig.5 Eigenvalue charts of Ma'anshan's water level over the years

本處極端洪水年取1954年的11.41m而不是1998年的11.46m，是因為兩者水位差不多，而江心洲堤防標準為1954年型.年平均水位則評估如果沒有江心洲堤防，將長期處于洪水淹沒下的空間分布.

研究發(fā)現(xiàn)如果沒有現(xiàn)有的江心洲堤防，整個江心洲在長江汛期將長年處于洪水淹沒狀態(tài)，即使是極端枯水的1972年夏季，整個江心洲也有超過85%的面積處于洪水水位線以下.考慮到長江水利委員會規(guī)定的江心洲堤防標準為1954年型，在必要時可能會破圩行洪，因此我們以長江馬鞍山水文站的保證水位11.95m、警戒水位10m、長年平均水位5.9m為標準評估.根據(jù)洪水對規(guī)劃的威脅，以及防范洪水所需要的工程量，按警戒水位10m為依據(jù)劃分5個洪水風(fēng)險等級（表1）.

圖6 各典型年份洪水淹沒分析圖表Fig.6 Flood analysis over typical years

表1 洪水風(fēng)險等級劃分表Tab.1 Classification of flood risk level

經(jīng)過上述分析及評估，本研究得出江心洲洪水風(fēng)險圖（圖7）.

4 多因子綜合分析

目前被用于生態(tài)環(huán)境敏感性綜合分析評價因子權(quán)重確定的方法已有多種，實踐中根據(jù)所做研究的特定情況酌情選擇應(yīng)用，如層次分析法［11］、加權(quán)疊加法［12～14］，極大值法［15，16］，排隊法、權(quán)衡分析法等.由于層次分析法具有高度的邏輯性、系統(tǒng)性、簡潔性與實用性的特點，且較為成熟，應(yīng)用比較廣泛、最為常見［19～22］.本文的權(quán)重確定采用了以層次分析法為基礎(chǔ)的成對比較法［12，13］.通過查閱相關(guān)文獻、資料［19～21］專家咨詢等作為選擇的輔助手段，本文采用德爾菲法［22］（Delphi Method）來選擇確定因子權(quán)重（表2）.

本區(qū)域主要的風(fēng)險在于洪水的威脅，而同時本區(qū)域沒有山地地貌，珍稀植被比較少，NDVI指數(shù)較高的地區(qū)大部分為人工種植的楊樹林和可建設(shè)的農(nóng)田.因此在此處將植物多樣性的權(quán)重降低，同時大幅提高洪水風(fēng)險的權(quán)重值.

根據(jù)GIS系統(tǒng)的計算結(jié)果，生成綜合生態(tài)環(huán)境敏感性圖，從而將計算結(jié)果直觀地反映在圖形中，生態(tài)環(huán)境敏感性分析的結(jié)果顯示土地分為不同的生態(tài)區(qū)域，為土地的合理配置、有序開發(fā)提供科學(xué)依據(jù).其中綠色為生態(tài)不敏感，淺綠色為生態(tài)低敏感，黃色為敏感，橙色為高敏感，紅色為非常敏感.

圖7 洪水風(fēng)險（彩圖見封二）Fig.7 Flood risk map

表2 生態(tài)因子權(quán)重表Tab.2 Weights of ecological factors

根據(jù)對生態(tài)結(jié)構(gòu)的完善，在生態(tài)環(huán)境敏感性分區(qū)的基礎(chǔ)上，將增加的生態(tài)片區(qū)（圖8（見第236頁）），部分作為高敏感的生態(tài)用地進行疊加，作為分區(qū)的基礎(chǔ)（圖9（見第236頁）），分區(qū)結(jié)果見表3.

表3 生態(tài)環(huán)境敏感性分析結(jié)果面積統(tǒng)計表Tab.3 The area of ecological sensitivity results

綜合評價值即代表了該空間地塊的生態(tài)敏感程度，一般此分值相比較越高，則生態(tài)環(huán)境敏感性越強.在此基礎(chǔ)上進行生態(tài)環(huán)境區(qū)劃，將區(qū)域的生態(tài)環(huán)境按生態(tài)環(huán)境敏感性分為非常敏感—高敏感區(qū)、敏感區(qū)、低敏感—不敏感區(qū)3類.

（1）非常敏感—高敏感區(qū)：一般為有地表水影響區(qū)或坡度＞20%區(qū)域，生態(tài)價值高.該區(qū)域?qū)﹂_發(fā)建設(shè)活動極為敏感，一旦出現(xiàn)破壞干擾，不僅影響江心洲正常的開發(fā)建設(shè)活動的進行，而且有可能會給區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重破壞，屬自然生態(tài)重點保護地段；本區(qū)域人類活動敏感性較高，生態(tài)恢復(fù)難，對維持最敏感區(qū)的良好功能及氣候環(huán)境等方面起到重要作用，一般劃為禁止建設(shè)區(qū)；

（2）敏感區(qū)：能承受一定的人類干擾，但若遭遇嚴重干擾會引起環(huán)境空氣質(zhì)量下降、植被破壞、噪音等生態(tài)環(huán)境問題，生態(tài)恢復(fù)慢；

（3）低敏感—不敏感區(qū)：可承受一定強度的開發(fā)建設(shè)，土地可作多種用途開發(fā).

研究表明非常敏感區(qū)占地面積3.9285km2，主要集中在宮錦圩與何家洲、江心圩與彭太圩之間的兩處濕地系統(tǒng)，高敏感區(qū)占地17.8209km2，主要分布于北部何家洲、紫洲、宮錦圩生態(tài)片區(qū)，東北部水源保護區(qū)，南部彭太圩、幸福洲和江心圩生態(tài)片區(qū)，以及中部江心圩干渠沿線.

為了便于統(tǒng)籌規(guī)劃，在綜合考慮生態(tài)廊道后，簡化用地統(tǒng)計，將高敏感和非常敏感區(qū)域合并，作為自然生態(tài)用地.將不敏感和低敏感區(qū)進行合并，作為適合開發(fā)建設(shè)的城市與產(chǎn)業(yè)的用地基礎(chǔ)，并劃定以下3類用地：

（1）不可建設(shè)用地：包括非常敏感區(qū)、高敏感區(qū)、敏感區(qū)，這些區(qū)域是江心洲中自然生態(tài)環(huán)境最為重要的地帶，該處的環(huán)境變化會對區(qū)域環(huán)境造成很大的影響，也會對自然生態(tài)結(jié)構(gòu)的保持與完善產(chǎn)生重大影響.所以對不可建設(shè)用地的生態(tài)環(huán)境要予以嚴格保護，提高生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性，并控制水資源污染.

（2）限制建設(shè)用地：包括低敏感區(qū)及少部分低敏感區(qū)和敏感區(qū)交錯分布的區(qū)域，它們屬于生態(tài)環(huán)境較為脆弱的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境容易受到干擾和破壞，生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)不穩(wěn)定，此類區(qū)域作為控制開發(fā)區(qū)，以“生態(tài)目標和諧、環(huán)境目標優(yōu)美”為原則適度開發(fā)，避免對生態(tài)環(huán)境的破壞.

（3）可建設(shè)用地：主要是低敏感區(qū)和不敏感區(qū)，屬于城市生態(tài)壓力小和環(huán)境敏感性低的區(qū)域，該區(qū)域適宜作為經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展區(qū).但是開發(fā)要與生態(tài)環(huán)境保護相結(jié)合，在開發(fā)過程中注重生態(tài)保護和生態(tài)平衡、資源循環(huán)再生、并注意建設(shè)區(qū)中的環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施，走可持續(xù)發(fā)展的道路.

本生態(tài)環(huán)境敏感性分析將作為該地區(qū)進行進一步生態(tài)功能分區(qū)和景觀生態(tài)格局構(gòu)建的重要基礎(chǔ)和指導(dǎo)，將能有效落實建設(shè)環(huán)境優(yōu)美、生態(tài)健康的生態(tài)島的長遠目標，實現(xiàn)江心洲的可持續(xù)發(fā)展.

［1］姚 建.環(huán)境規(guī)劃與管理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：147.

［2］國務(wù)院西部地區(qū)開發(fā)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室.《生態(tài)功能區(qū)劃技術(shù)暫行規(guī)程》［M］.北京：國家環(huán)?？偩郑?002.

［3］王祥榮.城市生態(tài)學(xué)［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2011：281－283.

［4］康秀亮，劉艷紅.生態(tài)系統(tǒng)敏感性評價方法研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35（33）：10570－10571.

［5］尹海偉，徐建剛，陳昌勇，等.基于GIS的吳江東部地區(qū)生態(tài)敏感性分析［J］.地理科學(xué)，2006，26（1）：64－69.

［6］霍 震，李亞光.GIS支持下滇池流域生態(tài)環(huán)境敏感性評價［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2009，34（5）：12－16.

［7］顏 磊，許學(xué)工，謝正磊，等.北京市域生態(tài)敏感性綜合評價［J］.生態(tài)學(xué)報，2009，29（6）：3117－3125.

［8］趙義華，劉安生，唐淑慧，等.基于生態(tài)敏感性分析的濕地保護開發(fā)利用規(guī)劃——以常州市宋劍湖地區(qū)為例［J］.城市規(guī)劃，2009（4）：84－86.

［9］程 磊，朱查松，羅震東.基于生態(tài)敏感性評價的城市非建設(shè)用地規(guī)劃探討——以南京市江寧區(qū)大連山—青龍山片區(qū)概念規(guī)劃為例［J］.規(guī)劃師，2009，25（4）：63－94.

［10］沈煥鋒，鐘燕飛，王 毅，等.ENVI遙感影像處理方法［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2009：299－300.

［11］趙全升，李 悅，謝新民，等.環(huán)境系統(tǒng)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，2005：191－192.

［12］禹 莎，王 原，李 敬，等.北方小型工業(yè)城市生態(tài)敏感性評價研究——以沙河市大沙河古河道地區(qū)為例［J］.復(fù)旦學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，47（4）：501－508.

［13］肖京武，沈守云，廖秋林，等.基于ARCGIS的青秀山生態(tài)敏感性研究［J］.中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2010，30（7）：19－25.

［14］李榮彪，洪漢烈，殷 科，等.喀斯特生態(tài)環(huán)境敏感性評價——以都勻市為例［J］.中國巖溶，2009，28（3）：300－307.

［15］劉耀龍，王 軍，許世遠，等.黃河靖南峽—黑山峽河段的生態(tài)敏感性［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20（1）：113－120.

［16］徐廣才，康慕誼，趙從舉，等.阜康市生態(tài)敏感性評價研究［J］.北京師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，43（1）：88－92.

［17］劉金興，劉曉川.基于GIS的上思縣土地利用生態(tài)敏感性評價［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（11）：5747－5749.

［18］帥 紅，李景保.南方小型礦業(yè)城鎮(zhèn)土地生態(tài)敏感性評價——以湖南省桂陽縣為例［J］.熱帶地理，2010，30（3）：232－236.

［19］龍惠芳，郭 熙，趙小敏，等.基于GIS的縣域土地生態(tài)環(huán)境敏感性評價研究——以奉新縣為例［J］.中國園藝文摘，2009，25（1）：114－117.

［20］楊志峰，徐 俏，何孟常，等.城市生態(tài)敏感性分析［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2002，22（4）：360－364.

［21］冉圣宏，宋曉龍，李曉文，等.衡水湖國家自然保護區(qū)生態(tài)敏感性分析［J］.地域研究與開發(fā)，2009，28（4）：129－133.

［22］韋鶴平.環(huán)境系統(tǒng)工程［M］.上海：同濟大學(xué)出版社，1993：216－217.