基于GIS的北京地區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價

李耀明,王玉杰,王云琦

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

基于GIS的北京地區(qū)生態(tài)風(fēng)險評價

李耀明,王玉杰?,王云琦

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

生態(tài)風(fēng)險評價是目前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究重點，而水土流失問題是造成生態(tài)風(fēng)險的主要因素。以生態(tài)風(fēng)險評估理論研究為基礎(chǔ)，將該體系按照生態(tài)危險性、生態(tài)重要性和生態(tài)易損性3部分進行分析，以北京市的遙感影像為數(shù)據(jù)源，同時結(jié)合GIS手段，選取多指標，綜合分析北京生態(tài)風(fēng)險等級分布，并對各指標因素進行打分，最終得到北京地區(qū)生態(tài)風(fēng)險評估圖。結(jié)果表明：在人口密集區(qū)域，由于其與人類活動息息相關(guān)，有較高的生態(tài)風(fēng)險等級；總體上看，北京山區(qū)北部的生態(tài)風(fēng)險等級要高于南部，西部要高于東部；具有相同生態(tài)風(fēng)險等級的各區(qū)域主要風(fēng)險源不同，但總體上相近地區(qū)的主要風(fēng)險源相同?；谠缙诘纳鷳B(tài)風(fēng)險評估理論，將水土流失問題作為研究重點，克服傳統(tǒng)的單因子評價、綜合指數(shù)評價和生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價的不足，構(gòu)建一種新的生態(tài)風(fēng)險評估方法，為生態(tài)風(fēng)險評估提供參考依據(jù)。

生態(tài)風(fēng)險； 生態(tài)重要性； 危險性； 易損性

生態(tài)風(fēng)險是指生態(tài)系統(tǒng)面臨未來損失的可能性及其嚴重程度，即在一定范圍內(nèi)，具有不確定性的事故或災(zāi)害對生態(tài)系統(tǒng)及其組分可能產(chǎn)生的不利作用，包括生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的損害，從而危及生態(tài)系統(tǒng)的安全和健康[1-3]。生態(tài)風(fēng)險評價起于20世紀80年代初，在90年代基本形成，是目前環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，其主要集中在重金屬或洪澇干旱等自然災(zāi)害作為風(fēng)險源的生態(tài)風(fēng)險評價中[4-7]；而水土流失是我國最大的生態(tài)環(huán)境問題，對我國的生態(tài)安全有很大的影響，國內(nèi)對于水土流失的研究，最常見的是通過計算土壤流失量來評價一個地區(qū)水土流失的現(xiàn)狀，最常用的方法是利用美國的通用土壤流失方程。經(jīng)過大量研究證實，對于中國特有的地質(zhì)地貌，這種方法所計算出的流失量，并不能很準確的描述區(qū)域水土流失狀況，而且此方程中，對于水土保持工程因子的計算存在很大困難，這一因子恰好決定著當前開展水土保持工程的程度和規(guī)模，以便以最合理的人力物力投入，得到最好的水土流失預(yù)防效果。另有學(xué)者通過測定其他一些指標，以求間接代替以上因素。例如一些學(xué)者把污染物作為主要的風(fēng)險源[8-11]，而實際上對于一個完整的生態(tài)系統(tǒng)來說，由于環(huán)境的差異，相同污染物對不同地區(qū)的風(fēng)險是不可能相同的，這樣評價會造成評價結(jié)果的片面性；除此之外，一些極端的自然災(zāi)害也在很大程度上影響著區(qū)域生態(tài)風(fēng)險預(yù)測的可靠性；對于山區(qū)的生態(tài)風(fēng)險評價，很多指標不能很好的被觀測記錄，這就導(dǎo)致對于這些不發(fā)達地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險評價無法完成，生態(tài)風(fēng)險無法評估。

基于早期的生態(tài)風(fēng)險評估理論，筆者克服了傳統(tǒng)的單因子評價、綜合指數(shù)評價和生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價的不足，綜合考慮在生態(tài)風(fēng)險預(yù)測中遇到的種種問題，尋找符合北京地區(qū)，特別是北京山區(qū)水土流失特點的指標，構(gòu)建一種新的生態(tài)風(fēng)險評估方法和評估體系，為生態(tài)風(fēng)險評估提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

北京地區(qū)E 39°57′，N 116°26′主要分為山區(qū)和平原區(qū)。生態(tài)風(fēng)險可能發(fā)生的地區(qū)多為北京山區(qū)，其主要分布于北京西部和北部的房山、延慶、密云、懷柔、昌平、平谷和門頭溝等7個遠郊區(qū)縣，總面積約為1.03萬km2，占北京市面積的61.29%。北京山區(qū)分為2大山系，分布為西南端的太行山系與東北段的燕山山系。北京山區(qū)屬于典型的北溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春秋短促。對于山區(qū)而言，由于其跨度不超過200 km，山幅寬約為50 km，并沒有跨越不同的經(jīng)緯度，同時都處于內(nèi)陸，氣候在水平方向上的差異并不明顯，影響氣候的主要因素為地形。北京山區(qū)的年平均氣溫為11 ℃，年降雨量在450～660 mm之間，為華北地區(qū)降雨最多的地區(qū)之一，但是降雨年度分布并不平均，全年有80%的降雨集中在夏季6—8月。特殊的降雨分布特征和地質(zhì)地貌條件，使得北京山區(qū)的水土流失問題極為特殊，導(dǎo)致山區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，生產(chǎn)力下降[14]。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 生態(tài)風(fēng)險的基本內(nèi)涵

風(fēng)險是一種可能造成的損失值，必須處于一定區(qū)域和給定時間段內(nèi)，由某種自然災(zāi)害而造成，其結(jié)果是人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟活動遭受損失，其風(fēng)險表達式[12-13]為

R(risk)=H(Hazard)×V(Vulnerability)。

(1)

式中：R為風(fēng)險事件的本身；H為風(fēng)險發(fā)生的可能性；V為風(fēng)險造成的損失。

當存在一個既定的風(fēng)險事件k時,其風(fēng)險的定義表達為

R(k)=H(k)×V(k)。

(2)

而對于相互獨立的一組風(fēng)險事件,風(fēng)險的表達式為

R=∑H(k),V(k)。

(3)

在評價一個區(qū)域的生態(tài)風(fēng)險時，往往由于指標無法獲取，而得不到較為精確的評價結(jié)果，為了更為有效的對研究區(qū)域進行生態(tài)風(fēng)險評價，需要對現(xiàn)有的評價模型進行修改，突出水土流失等災(zāi)害對生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果的影響；因此，對式(1)進行修改

R=I×H×T。

(4)

式中：R為生態(tài)風(fēng)險的量化值；I為地區(qū)生態(tài)重要程度指數(shù)量化值；H為水土流失災(zāi)害以及人類活動發(fā)生的概率；T為區(qū)域生態(tài)易損性指數(shù)量化值。

2.2 生態(tài)風(fēng)險指標體系的選擇與構(gòu)建

2.2.1 指標的篩選 通過對前人研究成果的歸納與總結(jié)，首先對北京地區(qū)生態(tài)造成影響的指標進行選擇，形成初步篩選結(jié)果；進而采用專家打分法，同時，考慮指標的可獲取性，對初選指標進行再次篩選與分類，得到指標體系如表1所示。

表1 指標體系篩選結(jié)果

注：H為生態(tài)危險性指標，I為生態(tài)重要性指標，T為生態(tài)易損性指標。以下類同。Note:Hrefers to ecological hazard index,Ito ecological importance, andTto ecological vulnerability. The same below.

2.2.2 指標分級 通過查閱大量的歷史資料，建立指標分級體系(表2)。利用Arc GIS 9.3 中的重分類功能，對以上12個指標進行分級，進而得到不同指標的柵格數(shù)據(jù)圖。

1)多年平均降雨量。通過搜集北京地區(qū)現(xiàn)有的氣象站點降雨資料，利用Arc GIS中的空間插值分析模塊，得到多年平均降雨量等值線，并按照降雨量的大小對其進行分級。

2)地層巖性。按照不同地層巖性抗侵蝕能力的強弱劃分等級，巖層的抗侵蝕性越高，其存在的生態(tài)風(fēng)險越小。

3)土壤類型。不同土壤類型存在不同的抗侵蝕能力，采用K因子數(shù)值，對土壤類型進行分級。

4)坡度和坡向。坡度主要用于水力侵蝕類型的面蝕分級，依據(jù)“水土保持行業(yè)標準”，坡度分為<5°、5°～8°、8°～15°、15°～25°、25°和>25°等5個等級。坡向劃分一般只說陽坡和陰坡，陰陽坡劃分為陰坡(0°～45°)、半陰坡(45°～135°)、陽坡(135°～225°)、半陽坡(225°～315°)、陰坡(315°～360°)。

5)植被類型和植被覆蓋度。植被類型和植被覆蓋度的變化，能夠直接影響區(qū)域水土流失分布規(guī)律，根據(jù)2005年北京土地利用現(xiàn)狀圖，對植被類型進行分類和提取。利用ENVI 4.8 中的植被覆蓋度計算模塊，根據(jù)2010年北京地區(qū)ETM+影像，計算植被覆蓋度。

表2 各指標分級標準以及分類

6)人類活動。人類活動的分級是根據(jù)土地利用類型劃分的，不同的土地利用類型，表征不同的人類活動干擾程度。

7)生境敏感性指數(shù)。生物多樣性維持中包括體系中的授粉、生物控制、棲息地和基因資源4項功能。根據(jù)中國陸地生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價值當量表(每km2)，將生物多樣性保護作為評價區(qū)域生境敏感性指數(shù)的指標特征，對于不同類別的土地利用類型賦以不同值，來代替區(qū)域生境敏感性指數(shù)。

8)風(fēng)景區(qū)分布。按照風(fēng)景區(qū)的景區(qū)等級，對風(fēng)景區(qū)分布進行等級劃分。

9)受威脅人數(shù)。人是風(fēng)險的受體之一，受威脅人數(shù)越多，易損性越大。各區(qū)縣的統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用插值得到。根據(jù)《北京市2010年第六次全國人口普查主要數(shù)據(jù)公報》[15]中的各區(qū)縣人口普查數(shù)據(jù)，計算得到各區(qū)縣的人口密度數(shù)據(jù)。

10)潛在經(jīng)濟損失。根據(jù)土地利用類型進行分級，不同的土地利用情況，遭受水土流失時的損失不同，易損性也存在差異。

2.2.3 指標權(quán)重劃分及風(fēng)險等級劃分 利用層次分析法，對12個指標進行權(quán)重的分配，得到的分配結(jié)果見表3。利用Arc GIS的重分類模塊，對3個指標組和最后的風(fēng)險等級進行劃分，劃分的依據(jù)為自然分類，等級由低到高為安全(I)、較安全(II)、輕度危險(III)、中度危險(IV)和高度危險(V)。

表3 風(fēng)險源指標權(quán)重劃分

2.3 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)來源于北京地區(qū)1989—2009年各氣象站年均降雨數(shù)據(jù)、北京市DEM和ETM影像、北京市各區(qū)縣人口密度統(tǒng)計表、北京市09年土地利用分類圖、土壤屬性圖、地層巖性圖和北京市景區(qū)分布圖。

處理軟件為ArcGIS9.3和ENVI4.8。所有數(shù)據(jù)都采用WGS84坐標系，并且經(jīng)過投影矯正和幾何校正。植被覆蓋度F=(NDVI-NDVIS)/(NDVIV-NDVIS)。式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)；NDVIS為完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的歸一化植被指數(shù)；NDVIV為完全被植被所覆蓋區(qū)域的歸一化植被指數(shù)。生境敏感性指數(shù)按照不同土地利用類型的生物多樣性服務(wù)價值，采用下式計算：

HIS=l×m×n。

(5)

式中：HIS為生境敏感性指數(shù)；l為土地利用；n為生物多樣性服務(wù)當量；m為保護級別修正值。其中，自然保護區(qū)賦值為1.75，公園為1.5，風(fēng)景旅游區(qū)為1.25 ，其他地方為1。

3 結(jié)果與分析

3.1 生態(tài)危險性指標等級劃分

通過對7個危險性指標的計算(圖1)，顏色深的區(qū)域表示生態(tài)危險性指數(shù)越高，反則生態(tài)危險性指數(shù)越低。北京生態(tài)危險性指數(shù)的分布區(qū)域主要呈條帶狀分布，與年均降雨量分布和山系的分布較為吻合。生態(tài)危險性指數(shù)最低的區(qū)域出現(xiàn)在北京北部區(qū)域，該區(qū)域為北京市密云水庫所在的區(qū)域，因為主要生態(tài)環(huán)境為水域保護良好，所以該區(qū)域生態(tài)危險性指數(shù)很低。

圖1 生態(tài)危險性指標等級劃分圖Fig.1 Classification map of ecological hazard index

3.2 生態(tài)重要性指標等級劃分

由圖2可知，生態(tài)重要性高的區(qū)域主要分布在西部和北部，而重要性低的地區(qū)主要分布在北京東南部和西北部的部分地區(qū)，而北京主城區(qū)處于中間地帶。總體上看，體現(xiàn)西北部重要性要強于東南部，即山區(qū)要強于平原地區(qū)，造成這種現(xiàn)象的主要原因是植被分布。平原地區(qū)，由于人類的過渡開發(fā)，造成植被覆蓋減少，生態(tài)功能下降，并且由于東南部人類活動頻繁，造成對原有環(huán)境的極大影響；而西北山區(qū)多植被覆蓋，由于部分地區(qū)人煙稀少，反而對原有的環(huán)境影響較?。煌瑫r，多景區(qū)的分布，人為的看管與維護，在一定程度上保護了當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，尤其是國家級景區(qū)的分布區(qū)域，其受生態(tài)重要性最高，這充分說明該區(qū)域?qū)θ祟惸酥磷匀坏淖饔弥卮?，對北京地區(qū)進行生態(tài)風(fēng)險評估時，需要重點突出研究。

圖2 生態(tài)重要性指標等級劃分圖Fig.2 Classification map of ecological importance index

3.3 生態(tài)易損性指標等級劃分

由圖3可知，處于高危害區(qū)域為南部地區(qū)，并且有向北部慢慢降低的趨勢。從經(jīng)度方向看，西部的危害等級要高于東部。總的來說，這與區(qū)域的人口分布和經(jīng)濟發(fā)展情況密不可分。對于一個地區(qū)的生態(tài)風(fēng)險評估，需要知道區(qū)域生態(tài)易損性的危險等級，雖然北京主城區(qū)有較好的經(jīng)濟發(fā)展，但是其潛在的危害也是最高的；而北京山區(qū)雖然經(jīng)濟不發(fā)達，但是其潛在的危害要比主城區(qū)小。因此，在發(fā)生災(zāi)害的情況下，北京山區(qū)的生態(tài)易損性要小于主城區(qū)，而在大范圍內(nèi)體現(xiàn)為：北部的生態(tài)易損性要小于南部，中部的生態(tài)易損性要高于邊界地區(qū)。

圖3 生態(tài)易損性指標等級劃分圖Fig.3 Classification map of ecological vulnerability index

3.4 北京地區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級劃分

由圖4可知，整個北京地區(qū)基本處于輕度危險級別，西北和東南部邊緣處于較安全級別，而東北和西南部邊緣以及北部地區(qū)處于中度危險級別，高度危險級別只分布在東北部邊緣地區(qū)，安全區(qū)域僅有零星分布。總的來說，整個北京地區(qū)生態(tài)風(fēng)險不容樂觀，生態(tài)環(huán)境已經(jīng)受到一定的破壞，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能在某些方面不太健全，生態(tài)恢復(fù)能力差，生態(tài)災(zāi)害少有發(fā)生。整體上來看，水系附近的生態(tài)風(fēng)險比較大，其次是山區(qū)和東南部平原地區(qū)，而主城區(qū)雖然有較高的受體重要性等級和暴露與危害等級，但是其生態(tài)風(fēng)險等級并不高，說明其發(fā)生風(fēng)險和造成損失的可能較小。而北京山區(qū)雖然經(jīng)濟不發(fā)達，但是由于其對整個北京地區(qū)的生態(tài)服務(wù)起到不可忽視的作用，無論從自身還是對其他區(qū)域的影響來看，都是非常重要的。雖然這部分地區(qū)易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，但是總的來說生態(tài)風(fēng)險等級不是很高。東北部多密集水庫，其水源涵養(yǎng)功能非常重要，而恰好這部分處于非常高的生態(tài)風(fēng)險等級，所以應(yīng)重點關(guān)注此地區(qū)?？傊瑥拈L遠發(fā)展的角度來看，這些地區(qū)都應(yīng)該加強防范措施。

圖4 北京地區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級劃分圖Fig.4 Classification map of ecological risk in Beijing

4 結(jié)論

基于北京地區(qū)水土流失特點，分析構(gòu)建符合北京地區(qū)生態(tài)評價指標體系，評價北京地區(qū)生態(tài)風(fēng)險等級。所構(gòu)建的生態(tài)風(fēng)險評價體系，克服了傳統(tǒng)的單因子評價、綜合指數(shù)評價和生態(tài)風(fēng)險指數(shù)評價的不足，為生態(tài)風(fēng)險評估提供新的研究方法。研究從影響生態(tài)風(fēng)險的因素入手，判斷哪些區(qū)域容易發(fā)生災(zāi)害以及發(fā)生的概率等。利用層次分析法，在GIS技術(shù)的強有力的支持下，采用空間分析、重分類和疊加分析、以及柵格分析等定性或定量分析的方法，結(jié)合實地調(diào)查結(jié)果，判斷北京山區(qū)生態(tài)風(fēng)險的等級，進而采取相應(yīng)的預(yù)防措施。評估結(jié)果表明，北京山區(qū)大部分處于輕度風(fēng)險等級，存在高度危險的地區(qū)僅在密云少有分布，北部和南部的邊緣地區(qū)處于輕度危險等級，而中度危險等級分布在西北和東南部分地區(qū)。水源地是北京重點保護區(qū)域，其次是山區(qū)和東南部平原。

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Ecological risk assessment in Beijing based on GIS

LI Yaoming, WANG Yujie, WANG Yunqi

(School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

[Background] Ecological risk assessment has been studied by many countries and research scholars. The conventional index of evaluation system is difficult to obtain, which makes ecological risk assessment in some underdeveloped regions infeasible. The constant transformation of land type and structure, the substantial reduction of agricultural land; meanwhile, industrial and mining production emissions of chemicals has caused the environmental degradation in mountainous areas, population explosion, habitat loss, loss of biodiversity, etc. China’s current risk assessment borrows from other types of ecological risk assessment system, which does not have an appropriate assessment system, and data collections some evaluation indicators of are too complicated. Thevefore, how to evaluate ecological risk assessment in practice? How to conduct effective ecological risk assessment and benefit of the production and construction? [Methods] Based on the research of ecological risk assessment, we analyzed the system according to sources of risk, risk receptors, exposure and hazard. Taking Beijing as the data source for remote sensing images, combined with GIS tools to analyze Beijing ecological risk level of distribution, selected multiple indicators were analyzed. We also studied key indexes in Beijing ecological risk assessment system, and endowed weights for each indexes, and finally obtained Beijing ecological risk assessment maps. [Results] 1) In densely populated areas, there have a higher ecological risk levels (Moderate risk and High risk) because of its closely related to human activities. 2) Overall, ecological risk level (Mild risk) of northern and western mountain area is higher than those in the southern and the eastern. 3) When two regions have the same ecological risk level, the major sources of risk may be different due to regional characteristics, however, neighborhoods trend to have the same major sources of risk. 4) By building and screening the index and ecological risk assessment system, a reasonable transformation of these indicators for ecological risk assessment system has been fitted in this system. At the same time, combined with the current research progress and soil and water loss investigation, it can be used in other parts of ecological risk assessment model for other areas. [Conclusions] Based on an earlier ecological risk assessment theory, the new ecological risk assessment methods can overcome the shortcomings of traditional single-factor evaluation, comprehensive index evaluation, and conducive to ecological risk assessment for other regions.

ecological risk; ecological importance; hazard assessment; vulnerability

2016-11-04

2017-03-17

李耀明(1983—)，男，博士研究生。主要研究方向: 水土保持。E-mail: liyaoming@bjfu.edu.cn

?通信作者簡介： 王玉杰(1960—)，男，博士，教授。主要研究方向: 水土保持。E-mail: wyujie@bjfu.edu.cn

X820.4

A

2096-2673(2017)02-0100-07

10.16843/j.sswc.2017.02.013

項目名稱： 國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項“基于生態(tài)安全的水土保持措施空間配置技術(shù)” (201404209)