南水北調(diào)中線工程源頭生態(tài)環(huán)境時(shí)空變化RSEI 評(píng)價(jià)

陳冠晰 吳靜 石金晨

摘 要： 以南水北調(diào)（中線）水源地河南省淅川縣為研究對(duì)象，利用2007、2013、2019 年淅川縣的landsatTM/OLI 遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合ENVI 平臺(tái)對(duì)南水北調(diào)（中線）水源地近年生態(tài)環(huán)境變化作出評(píng)價(jià)。通過主成分分析法將綠度（NDVI）、濕度（WET）、干度（NDBSI）和熱度（LST）4 個(gè)指標(biāo)集成為水源地遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI），對(duì)研究區(qū)2007—2019 年的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。2007—2019 年研究區(qū)的總體生態(tài)質(zhì)量以一般和良好為主，兩者所占面積比例均超過75%；3 個(gè)時(shí)期的RSEI 均值分別為0.756 5、0.698 9、0.709。南水北調(diào)（中線）水源地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量2007—2019 年間其整體呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，生態(tài)良好區(qū)域面積有所增加。

關(guān)鍵詞：遙感生態(tài)指數(shù)；生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；南水北調(diào)中線工程；淅川縣

中圖分類號(hào)：X826文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1795（2023）08-0050-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.08.009

0 引言

我國幅員遼闊，降水量地區(qū)差異較大，水資源分布極不均勻，北方地區(qū)水資源長期短缺，嚴(yán)重制約了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不僅直接影響人們的生產(chǎn)生活，還引發(fā)了大量的生態(tài)環(huán)境問題，特別是近年來城市化進(jìn)程加快，城市用水供需矛盾日益突出[1]。舉世矚目的南水北調(diào)是優(yōu)化我國水資源時(shí)空配置分布不均的重大工程舉措，是有效緩解我國北方地區(qū)嚴(yán)重缺水問題的特大型基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，關(guān)乎我國未來可持續(xù)發(fā)展和國土整治。優(yōu)質(zhì)的水資源才能確保一江清水向北流，而優(yōu)質(zhì)的水資源與水源地的生態(tài)環(huán)境密不可分，因此南水北調(diào)水源地生態(tài)屏障的建立和保護(hù)顯得尤為重要。

雖然目前對(duì)生態(tài)環(huán)境的判斷標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一的定論，但是通過遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行定性定量的描述和分析是監(jiān)測和保護(hù)一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境重要的方法。遙感生態(tài)指數(shù)是徐涵秋[2] 在2013 年提出的一個(gè)生態(tài)指數(shù)，這個(gè)指數(shù)是基于衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，利用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)來判斷一個(gè)地區(qū)生態(tài)環(huán)境的變化趨勢。我國環(huán)境部2006 年發(fā)布了《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》，這個(gè)技術(shù)規(guī)范主要介紹了基于空間信息技術(shù)對(duì)地區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行評(píng)估，構(gòu)建生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)[3-5]。這項(xiàng)規(guī)范得到了廣泛的使用，但是在實(shí)施過程中會(huì)遇到很多困難，其中最大的困難就是數(shù)據(jù)難以獲取，數(shù)據(jù)獲取后應(yīng)用過程中會(huì)受到人為主觀影響，并且空間連續(xù)性差，各項(xiàng)權(quán)重分配的合理性與規(guī)范性的有效設(shè)置等方面也存在很多問題，指數(shù)結(jié)果以單一數(shù)值呈現(xiàn)存在可視能力差且計(jì)算過程較為復(fù)雜等問題。

河南省淅川縣是南水北調(diào)（中線）工程的核心水源區(qū)和渠首所在地，自2014 年通水以來，肩負(fù)著統(tǒng)籌解決京津冀地區(qū)的缺水問題，正成為優(yōu)化我國水資源配置、保障沿線群眾飲水安全，改善江河湖泊生態(tài)環(huán)境，打通南北經(jīng)濟(jì)循環(huán)的生命線。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年12 月，南水北調(diào)中線一期工程向河北省輸水超過167 億m3[6]。建立生態(tài)屏障保護(hù)好水源，對(duì)水源地進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測研究對(duì)保障南水北調(diào)長久優(yōu)質(zhì)輸水具有重要意義。遙感生態(tài)指數(shù)，通過衛(wèi)星技術(shù)獲取水源地的地面數(shù)據(jù)，利用遙感數(shù)據(jù)處理平臺(tái)進(jìn)行處理分析，獲得研究所需要的各項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建綠度、濕度、干度和熱度4 類評(píng)價(jià)因子并進(jìn)行疊加綜合分析。基于以上背景，本研究對(duì)南水北調(diào)水源地淅川縣2007—2019 年間遙感生態(tài)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用遙感生態(tài)指數(shù)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，分析研究區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境的時(shí)空變化。通過科學(xué)、系統(tǒng)的方法對(duì)南水北調(diào)（中線）水源地的生態(tài)環(huán)境變化進(jìn)行監(jiān)測從而對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)措施提供可靠依據(jù)，達(dá)到保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的同時(shí)確保一江清水向北流。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

南水北調(diào)（中線）核心水源區(qū)與渠首所在地淅川縣位于河南省的西南部，南陽盆地西部邊緣，全縣區(qū)域面積2 828 km2，與陜西省、湖北省相鄰，地理坐標(biāo)北緯32°55′～33°23′，東經(jīng)110°58′～111°53′，屬北亞熱帶向暖溫帶過渡的季風(fēng)性半濕潤氣候，四季分明，降水充沛。地形地貌由山地、平原、丘陵和盆地組成，西、北、東3 面地勢高，南面地勢較低，平均海拔316.3 m，研究區(qū)高程如圖1 所示。西北部為深山區(qū)，中部為丘陵區(qū)，東南部為崗地及沖積平原區(qū)，丹江口水庫位于南部。北部和西北部屬秦嶺東段延伸部分的伏牛山南側(cè)，山體大致為自西北向東南傾斜延伸，海拔900 m 左右的山脈從北向南連綿不斷，西南部擁有秦嶺和大巴山，與湖北省交界的走馬嶺山脈東西兩峰海拔高度分別為1 033 和1 086 m，東邊屬于南陽盆地西南邊緣，呈平壟崗狀。其年均日照時(shí)數(shù)達(dá)2 046 h，降水量804 mm 左右，平均氣溫15.8 °C，無霜期228 d，森林覆蓋率49.7%，耕地面積6.8 萬hm2。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取研究區(qū)遙感數(shù)據(jù)自2007、2013、2019 年間同為8 月且影像云量分布<5% 的Landsat4-5TM/8 OLI 三期影像（表1）。同月的遙感影像處于相同季節(jié)，時(shí)間相差不超過2 d，植被生長狀況相似，能夠保證研究結(jié)果的可比性。

1.3 研究方法

遙感生態(tài)指數(shù)耦合了綠度、干度、濕度和熱度4個(gè)因子作為反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量諸多因素中的生態(tài)評(píng)價(jià)因子，遙感技術(shù)可以從遙感影像中得到這4 個(gè)指標(biāo)的信息，通過主成分分析快速綜合地對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量情況作出評(píng)價(jià)。因此，遙感生態(tài)指數(shù)（RSEI）可以表示為4 個(gè)指標(biāo)的函數(shù)，即

RSEI = f （Greenness; Wetness; Heat; Dryness） （1）

在遙感（RS）中表示為

RSEI = f （NDVI; WET; NDBS I; LS T） （2）

式中 RSEI——遙感生態(tài)指數(shù)，其數(shù)值在[0，1] 之間，值越高，代表研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量越好，反之則代表生態(tài)環(huán)境越差

NDVI——綠度生態(tài)指標(biāo)

WET——濕度生態(tài)指標(biāo)

NDBSI——干度生態(tài)指標(biāo)

LST——熱度生態(tài)指標(biāo)

1.3.1 綠度指標(biāo)（NDVI）計(jì)算

歸一化差異植被指數(shù)（以下簡稱植被NDVI）是應(yīng)用最為廣泛的植被指數(shù)，因此采用植被NDVI 作為綠度指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析結(jié)果

為了避免水體在主成分分析中對(duì)主成分荷載產(chǎn)生影響，利用MNDWI 指數(shù)提取水體范圍后進(jìn)行水體掩膜，然后再對(duì)4 個(gè)生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理后通過主成分分析得到2007、2013、2019 年的定量化綜合指標(biāo)，如表2 所示[9]。

各項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)如表3 所示，2007—2013 年對(duì)生態(tài)狀況起積極作用的綠度指標(biāo)均值和濕度指均值分別下降0.61%、0.81%，對(duì)生態(tài)狀況起負(fù)面作用的干度指標(biāo)均值和熱度指標(biāo)均值分別下降35.1%、10.17%，綠度和濕度下降帶來的負(fù)面作用超過干度和熱度下降帶來的積極作用，研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低；2013—2019 年對(duì)生態(tài)狀況起積極作用的綠度指標(biāo)均值和濕度指標(biāo)均值分別上升0.72%、4.47%，對(duì)生態(tài)狀況起負(fù)面作用的干度指標(biāo)均值下降14.75%，熱度指標(biāo)上升3.92%，綠度和濕度上升及干度的下降帶來的積極影響大于熱度上升帶來的負(fù)面影響，研究區(qū)整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量提高。

2.2 生態(tài)狀況分析

為了進(jìn)一步研究南水北調(diào)源頭淅川縣生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的時(shí)空變化，把研究區(qū)3 期歸一后的RSEI 數(shù)據(jù)按等間隔法劃分為5 個(gè)等級(jí)，分別代表生態(tài)環(huán)境質(zhì)量差、較差、一般、良好和優(yōu)（圖2）。統(tǒng)計(jì)各個(gè)生態(tài)等級(jí)歷年所占的面積及百分比（表4）。

在2007 年，研究區(qū)總體生態(tài)質(zhì)量等級(jí)主要以“良好”為主，面積占比為71.90%，其次是生態(tài)質(zhì)量等級(jí)“一般”區(qū)域，面積占比14.90%，“差”和“較差”等級(jí)區(qū)域面積占比較少，分別為1.62%、1.63%，生態(tài)質(zhì)量等級(jí)為“優(yōu)”的區(qū)域面積僅占研究區(qū)面積0.81%。2013 年研究區(qū)總體生態(tài)質(zhì)量等級(jí)為“良好”和“優(yōu)”區(qū)域面積明顯下降，分別占比為32.36%、0.27%，和2007 年相比降幅分別為39.54 和0.54 個(gè)百分點(diǎn)，“差”、“較差”、“一般”等級(jí)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)域面積均上升，占比分別為3.42%、10.61%、43.86%，增幅分別為1.8、8.98 和28.96 個(gè)百分點(diǎn)。2019 年研究區(qū)總體生態(tài)狀況和2013 年相比有所好轉(zhuǎn)，“良好”和“優(yōu)”等級(jí)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)域面積增加，分別為59.11%、2.40%，增幅分別為26.75 和2.13 個(gè)百分點(diǎn)，“差”，“較差”，“一般”等級(jí)的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量區(qū)域面積均下降，分別為1.78%、4.27%、19.03%，降幅分別為1.64、6.34 和24.83 個(gè)百分點(diǎn)。從RSEI 圖像可以看出，2007—2013 年由于旅游業(yè)的發(fā)展，以及大批移民后生態(tài)村被毀等因素，RSEI 生態(tài)等級(jí)指數(shù)明顯下降；2013—2019 年，隨著《南水北調(diào)工程供用水管理?xiàng)l例》的實(shí)施和加強(qiáng)農(nóng)村生態(tài)建設(shè)、環(huán)境保護(hù)和綜合整治工作，以及水源地保護(hù)區(qū)的建立，RSEI 生態(tài)等級(jí)指數(shù)上升。

3 討論

3.1 生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指數(shù)/指標(biāo)

遙感技術(shù)通過衛(wèi)星實(shí)施對(duì)地球表面遠(yuǎn)距離遙測和監(jiān)視，能夠?qū)^(qū)域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行大范圍、長時(shí)序的監(jiān)測，如城市植被指數(shù)、河流生態(tài)評(píng)價(jià)、礦區(qū)修復(fù)評(píng)估等[10-12]。利用遙感衛(wèi)星影像技術(shù)基于RSEI 結(jié)合ENVI平臺(tái)首次對(duì)南水北調(diào)（中線）工程水源地地區(qū)進(jìn)行生態(tài)環(huán)境時(shí)空演變的評(píng)估，但區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化是多方面因素造成的，演變過程漫長且復(fù)雜，而目前生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化研究主要側(cè)重于自然環(huán)境特征，在未來的研究中應(yīng)該嘗試在此基礎(chǔ)上納入社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征及地區(qū)人文地理特征對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境演變的影響[13]。

3.2 RSEI 合理性

2007、2013、2019 年3 個(gè)時(shí)期的主成分分析中PC1 特征值分別為0.066 1、0.059 2、0.111 5，特征值貢獻(xiàn)率分別為84.39%、78.32%、87.88%， 各個(gè)時(shí)期的PC1 特征值貢獻(xiàn)率均超過75%，說明PC1 最大限度的集中了4 個(gè)生態(tài)因子中生態(tài)環(huán)境質(zhì)量相關(guān)信息；在3 個(gè)時(shí)期的PC1 中代表綠度指標(biāo)和濕度指標(biāo)荷載值均為正值，代表干度指標(biāo)和熱度指標(biāo)的荷載值均為負(fù)值，這可以理解為綠度指標(biāo)和濕度指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量起積極影響，干度指標(biāo)和熱度指標(biāo)對(duì)生態(tài)環(huán)境起負(fù)面影響，在PC2、PC3、PC4 中各指標(biāo)忽正忽負(fù)且貢獻(xiàn)率極低，故以第一主成分PC1 來構(gòu)建RSEI，這與RSEI 的提出者保持一致[14]。

3.3 RSEI 時(shí)空變化驅(qū)動(dòng)因素

研究區(qū)在不同時(shí)期引起區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的原因是不同的，2007—2013 年，庫區(qū)周邊致力發(fā)展旅游業(yè)及大批移民后生態(tài)村被毀是引起生態(tài)環(huán)境下降的主要因素；2013—2019 年，國家一級(jí)飲用水源地相關(guān)政策法規(guī)的統(tǒng)籌規(guī)劃實(shí)施及庫區(qū)周圍居民密度減小使生態(tài)環(huán)境逐漸改善。同時(shí)，不同時(shí)期庫區(qū)水位升降變化影響著動(dòng)植物生活、生長面積和種類及密度，進(jìn)一步對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響[15]。

4 結(jié)論

本研究依托3 期Landsat 遙感影像對(duì)南水北調(diào)（中線）工程水源地淅川縣2007—2019 年間生態(tài)質(zhì)量時(shí)空變化進(jìn)行監(jiān)測和分析，結(jié)果表明，研究區(qū)近年來的整體生態(tài)環(huán)境處于一般良好水平，生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)先退化后改善的趨勢，其中綠度和濕度指標(biāo)對(duì)研究區(qū)的生態(tài)環(huán)境演變影響最大，在未來的旅游開發(fā)建設(shè)中，應(yīng)保持現(xiàn)有植被覆蓋率的同時(shí)，通過退耕還林，構(gòu)建森林公園、自然保護(hù)區(qū)、綠地等措施有效提升植被覆蓋度，增強(qiáng)研究區(qū)水土保持能力和進(jìn)一步改善研究區(qū)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。

2007—2013 年，研究區(qū)生態(tài)質(zhì)量顯著退化，RSEI指數(shù)由0.756 5 降至0.698 9，下降7.16%，生態(tài)質(zhì)量良好區(qū)域面積變化最為明顯，從2 033.96 km2 減少為915.42 km2。2013—2019 年，研究區(qū)RSEI 指數(shù)由0.698 9上升為0.709 7，生態(tài)質(zhì)量一般和良好區(qū)域面積變化較為明顯，一般區(qū)域面積減少702.41 km2，良好區(qū)域面積增加756.73 km2。

本研究中使用的Landsat 系列衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)分辨率僅為30 m，具有一定的局限性，在評(píng)價(jià)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境變化時(shí)不能達(dá)到更加精細(xì)化的討論，未來與高分影像遙感數(shù)據(jù)融合及無人機(jī)航拍影像是遙感生態(tài)一個(gè)重要的發(fā)展方向。此外，在對(duì)南水北調(diào)水源地這一特殊地區(qū)作評(píng)價(jià)時(shí)，要結(jié)合實(shí)際情況注意湖庫水體面積的變化。

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