基于遙感的湟水流域生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)

趙翠平，龔家國(guó)，王 浩，王 英，楊 苗

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源所，北京 100038;2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

生態(tài)環(huán)境是指由生物群落及非生物自然因素組成的各種生態(tài)系統(tǒng)所構(gòu)成的整體，主要或完全由自然因素形成，并間接、潛在、長(zhǎng)遠(yuǎn)地對(duì)人類的生存和發(fā)展產(chǎn)生影響[1,2]，是關(guān)系到社會(huì)和經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，生態(tài)環(huán)境問題日益凸顯，如環(huán)境污染物大量排放、土地沙化加劇、水資源短缺、優(yōu)質(zhì)耕地減少等，使得生態(tài)環(huán)境保護(hù)得到高度的關(guān)注[4]。針對(duì)不同地區(qū)，不同側(cè)重點(diǎn)的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)研究已經(jīng)很多[2-10]，對(duì)增強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和管理工作的主動(dòng)性、合理利用資源、改善生態(tài)環(huán)境，有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法有多種，如層次分析法、主成分分析法和灰色關(guān)聯(lián)分析法等[5]，相比較而言，層次分析法更具較強(qiáng)的邏輯性、系統(tǒng)性和實(shí)用性，方法較為成熟、應(yīng)用較為廣泛。有關(guān)生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)、方法還沒有形成統(tǒng)一的概念和規(guī)范，尤其是不同區(qū)域之間生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)多樣化，對(duì)不同類型的不同區(qū)域之間相互對(duì)比和借鑒帶來(lái)困難。生態(tài)環(huán)境部基于層次分析法制定的《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ192-2105)》(簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)[6]，指標(biāo)數(shù)據(jù)易獲取，并具有代表性、全面性、綜合性、簡(jiǎn)明性和實(shí)用性等特點(diǎn)，有利于在全國(guó)不同區(qū)域間進(jìn)行橫向比較。本文以青海省湟水流域?yàn)檠芯繉?duì)象，依據(jù)規(guī)范分析區(qū)域內(nèi)生物、植被、水資源、土地資源以及環(huán)境污染等情況，通過(guò)賦予不同生態(tài)環(huán)境狀況指標(biāo)權(quán)重，分別計(jì)算各行政單元生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，綜合評(píng)價(jià)流域生態(tài)環(huán)境狀況，為生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

湟水河是黃河上游最大的一級(jí)支流，位于北緯36°02′～37°28′，東經(jīng)100°42′～103°01′之間，發(fā)源于青海省海北藏族自治州海晏縣包呼圖山，自西北向東南流經(jīng)青海省海晏縣、湟源縣、湟中縣、西寧城區(qū)、互助縣、平安縣、樂都縣和民和縣，在甘肅省永靖縣注入黃河[7]，流域面積約為1.599 3 萬(wàn)km2，是人口密度、經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)，又是政治、經(jīng)濟(jì)、文化和交通中心(見圖1)。

圖1 湟水流域地理位置圖Fig.1 The geographical locations of Huangshui Basin

湟水干流全長(zhǎng)373.90 km，面積>10 km2的大小一級(jí)支流94條，連同眾多的次一級(jí)支溝，構(gòu)成羽毛狀、樹枝狀水系。流域?qū)俑咴珊蛋敫珊荡箨懶詺夂?，氣候地理分布差異大，垂直變化明顯。植被覆蓋度較高，垂直帶譜明顯，其中海拔在3.0 km以上的山地陰坡分布著金露梅、杜鵑等灌叢，海拔在3.2 km以上大面積分布以蒿草為主的高寒草甸[11]。流域內(nèi)土壤主要有灰鈣土、栗鈣土、黑鈣土、草甸土等，大部分為第四紀(jì)風(fēng)成堆積的黃土，土質(zhì)疏松，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)差、抗蝕性差，易水蝕，水土流失嚴(yán)重[12]。

2 生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)方法

根據(jù)《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(HJ192-2105)》，構(gòu)建流域生態(tài)環(huán)境狀況指標(biāo)體系，包括生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、土地脅迫指數(shù)和污染負(fù)荷指數(shù)，具體指標(biāo)權(quán)重見表1。綜合評(píng)價(jià)流域生態(tài)環(huán)境狀況，按其質(zhì)量狀況將其劃分為優(yōu)、良、一般、較差和差5個(gè)等級(jí)(表2)。

表1 生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)體系指標(biāo)及權(quán)重Tab.1 Ecological environment evaluation index system and weight

表2 生態(tài)環(huán)境狀況分級(jí)Tab.2 The classification of ecological environment condition

生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)計(jì)算公式為：

EI=0.35×生物豐度指數(shù)+0.2×植被覆蓋指數(shù)+

0.15×水網(wǎng)密度指數(shù)+0.15×(100-土地脅迫指數(shù))+

0.1×(100-污染負(fù)荷指數(shù))

(1)

生物豐度指數(shù)=Abio(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域+

0.11×城鎮(zhèn)+0.01×未利用地)÷區(qū)域面積

(2)

植被覆蓋指數(shù)=NDVI區(qū)域均值

(3)

(4)

土地脅迫指數(shù)=Aero(0.4×重度侵蝕面積+

0.2×中度侵蝕面積+0.2×建設(shè)用地面積+

0.2×其他土地脅迫)÷區(qū)域面積

(5)

(6)

式中：Abio、Ariv、Alak、Ares、Aero、ACOD、ANH3、ASO2、AYFC、ANOX、ASOL分別為生境質(zhì)量指數(shù)、河流長(zhǎng)度、水域面積、水資源量、土地脅迫指數(shù)、COD、NH3、SO2、煙粉塵、氮氧化物和固體廢物的歸一化指數(shù)，選用推薦值。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要來(lái)源于網(wǎng)上下載和地方相關(guān)部門提供，具體見表3。

表3 數(shù)據(jù)來(lái)源Tab.3 The data source

4 結(jié)果與討論

4.1 生態(tài)系統(tǒng)類型統(tǒng)計(jì)

基于中科院地理數(shù)據(jù)空間云Landsat8OLI遙感數(shù)據(jù)，利用ERDAS軟件，經(jīng)過(guò)幾何校正、輻射校正及研究區(qū)矢量裁剪后，采用最大似然分類法，按照《土地利用分類標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行流域的生態(tài)系統(tǒng)類型分類(圖2)。結(jié)果表明，全流域草地面積最大，接近一半；其次是耕地和林地，再次是城鎮(zhèn)、水域和未利用地。從各區(qū)縣生態(tài)類型構(gòu)成來(lái)看，城鎮(zhèn)面積較多的是湟中縣和西寧城區(qū)；草地、林地、水域和未利用地面積最多的均是大通縣。各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)類型面積具體比例見表4。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)類型空間分布圖Fig.2 The Spatial distribution of ecosystem types

表4 流域各區(qū)縣生態(tài)系統(tǒng)類型面積比例統(tǒng)計(jì) %

4.2 生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)結(jié)果

借助ArcGIS空間分析能力，分別計(jì)算流域生物豐度指數(shù)、植被覆蓋指數(shù)、水網(wǎng)密度指數(shù)、污染負(fù)荷指數(shù)。土地脅迫指數(shù)，則是根據(jù)通用土壤流失方程(USLE)[13-18]，甄別中度侵蝕區(qū)和重度侵蝕區(qū)?；谏鲜?個(gè)指數(shù)的結(jié)果，得到流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)，具體見圖3和表5。

結(jié)果表明：①流域生物豐度指數(shù)和植被覆蓋指數(shù)分別為104.65和56.5，中等植被覆蓋、較豐富的植物物種與流域生態(tài)系統(tǒng)類型中草地、耕地和林地面積較多有很大關(guān)系。②水網(wǎng)密度指數(shù)和污染負(fù)荷指數(shù)分別為9.28和169.93，這與流域近十年水資源量減少、水污染排放增加、水環(huán)境質(zhì)量變差的結(jié)果相一致。水網(wǎng)密度指數(shù)較低、污染負(fù)荷指數(shù)較高的結(jié)果主要原因是流域城市化建設(shè)、水利工程建設(shè)等人類活動(dòng)影響較為嚴(yán)重，因此水資源綜合利用和污染治理是流域生態(tài)環(huán)境改善的重要措施之一。③流域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)為35.49，生態(tài)環(huán)境狀況一般，較適合人類生存，但有不適合人類生存的制約性因子出現(xiàn)。生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)較低主要是由于流域水資源短缺、污染排放較重、水土流失較多導(dǎo)致的。西寧城區(qū)和民和縣生態(tài)環(huán)境狀況一般，其他區(qū)縣生態(tài)環(huán)境狀況均為良，海晏縣生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)最高。④西寧城區(qū)和民和縣的生態(tài)環(huán)境狀況制約點(diǎn)主要是人口增加和不合理的生產(chǎn)活動(dòng)，造成污染排放嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)2015年流域水環(huán)境質(zhì)量，湟水干流西鋼橋、新寧橋、報(bào)社橋、小峽橋斷面為劣Ⅴ類水體，民和橋斷面為Ⅳ類水體，與《青海省水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》水質(zhì)斷面目標(biāo)還有一定差距。因此加強(qiáng)區(qū)域污染排放控制是改善生態(tài)環(huán)境工作的主要工作方向。

圖3 生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of ecological index

區(qū)域生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果西寧城區(qū)35.61一般大通縣58.72良海晏縣69.40良湟源縣66.70良湟中縣57.80良樂都縣61.27良互助縣56.69良民和縣54.02一般平安縣64.32良流域35.49一般

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)保障河道生態(tài)流量，切實(shí)提高水網(wǎng)密度。首先針對(duì)湟水流域產(chǎn)生斷流或者生態(tài)流量不足的河道，通過(guò)區(qū)域調(diào)水或引水工程，合理安排下泄水量和泄流時(shí)段。其次是加強(qiáng)用戶取水過(guò)程監(jiān)督，河道內(nèi)流量“不低于適宜生態(tài)流量”為基本要求，減少人類活動(dòng)影響，提升流域的水網(wǎng)密度。

(2)大力控制生活污染源。作為承載青海省60%以上的人口，隨著社會(huì)發(fā)展，人口聚集的密集度會(huì)更加凸顯。生活污染是目前和未來(lái)最主要的污染源，需加快推進(jìn)生活污水處理設(shè)施和生活垃圾處理設(shè)施建設(shè)，提高生活污水和生活垃圾處理率。

(3)加快水土流失治理，減少面源污染。湟水流域面源污染與水土流失密切相關(guān)。依托國(guó)家水土保持重點(diǎn)工程青海省小流域綜合治理等項(xiàng)目，對(duì)湟水流域重點(diǎn)小流域和坡耕地展開水土流失治理，減少由水土流失所引發(fā)的面源污染。

(4)加強(qiáng)宣傳教育。把水源和環(huán)境保護(hù)等相關(guān)知識(shí)和危害進(jìn)行宣傳教育，在全社會(huì)樹立“資源環(huán)境保護(hù)，人人有責(zé)”的行為準(zhǔn)則，大力推廣節(jié)水潔水行為，形成“全民行動(dòng)格局”。

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