岷江上游流域環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)

楊斌， 詹金鳳， 李茂嬌

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，綿陽(yáng) 621010； 2.北京師范大學(xué)水科學(xué)學(xué)院，北京 100875)

0 引言

環(huán)境脆弱性問(wèn)題按研究領(lǐng)域可分為人文系統(tǒng)脆弱性和自然系統(tǒng)脆弱性，這是一種較復(fù)雜的多要素多因子情況下的系統(tǒng)問(wèn)題研究，目前主要采用定性研究的方法進(jìn)行分析。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)則是通過(guò)分析復(fù)雜問(wèn)題所包含的因素及其相互關(guān)系，將復(fù)雜問(wèn)題分解為不同的要素，并將這些要素歸并為不同的層次，以定性和定量相結(jié)合構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)的分析評(píng)價(jià)體系[1]，在GIS平臺(tái)下分析環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果，為此類(lèi)問(wèn)題系統(tǒng)科學(xué)研究提供理論依據(jù)。

岷江上游位于青藏高原東緣，地處四川盆地丘陵山地向川西北高原的過(guò)渡地帶，地形起伏大、河流深切、地質(zhì)活動(dòng)頻繁，為我國(guó)西部典型的環(huán)境脆弱區(qū)域。尤其在近些年(汶川地震和人口急劇增長(zhǎng)影響下)該區(qū)域土壤侵蝕、水土流失極其嚴(yán)重，森林退縮速度加快，核心區(qū)域內(nèi)干旱河谷面積逐步擴(kuò)展，草場(chǎng)退化與荒漠化嚴(yán)重，河流年徑流量呈明顯減少趨勢(shì)，表現(xiàn)出區(qū)域整體的環(huán)境脆弱性問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重[2]。因此，在剖析該問(wèn)題基礎(chǔ)上，優(yōu)化評(píng)價(jià)因素和指標(biāo)，將AHP和GIS技術(shù)集成應(yīng)用到環(huán)境脆弱性分析評(píng)價(jià)問(wèn)題研究中，為岷江上游環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)提供科學(xué)決策依據(jù)，亦為研究該地區(qū)其他相關(guān)問(wèn)題提供支持。

1 研究區(qū)概況

岷江上游地處青藏高原東緣(E31°16′～32°26′,N102°56′～103°55′)，在行政區(qū)域上包括四川省阿壩藏族羌族自治州的汶川、理縣、茂縣、松潘和黑水5個(gè)縣，地震活動(dòng)頻發(fā)，該區(qū)域是長(zhǎng)江上游生態(tài)屏障的重要組成部分，其生態(tài)環(huán)境狀況直接影響著岷江流域、成都平原和整個(gè)長(zhǎng)江上游的生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該區(qū)域巖性以變質(zhì)巖、花崗巖和結(jié)晶巖分布最廣泛，由于受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、第四紀(jì)冰川作用以及其他外營(yíng)力的影響，致使該區(qū)域地貌類(lèi)型復(fù)雜多樣[3]。

該區(qū)域內(nèi)地形高差大，地表巖石破碎、風(fēng)化強(qiáng)烈，河流由于縱比降和洪枯期流量變幅大，下切和侵蝕能力強(qiáng)，使河谷下部的地貌動(dòng)態(tài)平衡十分脆弱，河谷內(nèi)的松散堆積物破碎程度高及穩(wěn)定性差[4]。岷江上游干旱河谷區(qū)作為該區(qū)域最脆弱的地貌特征，主要分布于松潘縣鎮(zhèn)江關(guān)以下，經(jīng)茂縣鳳儀鎮(zhèn)至汶川縣綿褫間的岷江干流，以及支流黑水河谷和雜谷腦河谷，海拔1 200～2 200 m、相對(duì)高差300～500 m不等的沿河狹長(zhǎng)山谷地段[5]。脆弱的地表結(jié)構(gòu)導(dǎo)致輕微的外部干擾便會(huì)使該區(qū)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。

2 數(shù)據(jù)源

1)中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)中心網(wǎng)站為本次研究提供了2003—2010年期間的Landsat5遙感數(shù)據(jù)。為了便于對(duì)汶川地震后岷江上游生態(tài)環(huán)境的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)及驗(yàn)證，研究選取了2003年2月和2010年3月2景TM遙感圖像數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 2010年TM 5(R)4(G)3(B)合成圖像

2)收集了1∶25萬(wàn)等高線和部分地形數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中通過(guò)插值生成30 m格網(wǎng)大小的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)(圖2)。

圖2 數(shù)字高程模型(DEM)

3)通過(guò)對(duì)TM數(shù)據(jù)的分析，在ENVI軟件支持下提取1∶25萬(wàn)歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)信息，制作土壤類(lèi)型分布圖、坡度分布圖、地形起伏度分布圖及人口密度分布圖等系列圖件。

3 研究方法

3.1 遞階層次結(jié)構(gòu)模型體系

AHP包括構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型、判斷矩陣的建立及其求值、一致性檢驗(yàn)和綜合指數(shù)計(jì)算等運(yùn)算過(guò)程。應(yīng)用AHP分析決策問(wèn)題時(shí)，首先要把問(wèn)題條理化、層次化，構(gòu)建一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)模型[6]，將復(fù)雜問(wèn)題分解成各自獨(dú)立的組成元素的組成部分，元素又按其屬性及關(guān)系形成若干層次，這些層次可以分為3類(lèi)： ①最高層，該層次中只有1個(gè)元素，一般是分析問(wèn)題的預(yù)定目標(biāo)或理想結(jié)果，很多情況下也稱(chēng)為目標(biāo)層； ②中間層，包含了為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，它可以由若干個(gè)層次組成，包括所需考慮的準(zhǔn)則、子準(zhǔn)則，因此也稱(chēng)為指標(biāo)層或準(zhǔn)則層； ③最底層，包括了為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種措施和決策方案等，因此也稱(chēng)為措施層或方案層。

按照遞階層次結(jié)構(gòu)體系原理，方法涉及到的層次數(shù)與問(wèn)題的復(fù)雜程度及需要分析的詳盡程度有關(guān)，一般層次數(shù)不受限制。每一層次中所支配的元素則不宜過(guò)多，主要考慮到支配元素過(guò)多會(huì)給兩兩比較判斷帶來(lái)困難[7]。根據(jù)對(duì)研究區(qū)生態(tài)環(huán)境影響要素的分析，引入植被指數(shù)變化率、人口密度、地形起伏度、坡度及土壤類(lèi)型等5類(lèi)要素，結(jié)合層次分析評(píng)價(jià)體系，將遞階層次結(jié)構(gòu)體系分為目標(biāo)層、指標(biāo)層(要素層)和方案層這3個(gè)層次進(jìn)行構(gòu)建(圖3)。

圖3 岷江上游環(huán)境脆弱性分析遞階層次結(jié)構(gòu)體系

3.2 判斷矩陣的構(gòu)建

根據(jù)遞階層次結(jié)構(gòu)模型，需先構(gòu)造判斷矩陣A，結(jié)合Satty[8]提出的標(biāo)度方法，即分別以1，3，5，7，9來(lái)標(biāo)度2個(gè)元素之間的重要性程度。根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，Satty比例標(biāo)度法雖然在確定事物的排序上基本合理，但其對(duì)要素相互之間重要性程度差異的描述與人類(lèi)認(rèn)知的常識(shí)有一定偏差。例如“稍微重要”的標(biāo)度值為3，也就是將比“同等重要”大3倍的情況認(rèn)為是稍微重要，而“明顯重要”的標(biāo)度值為5，與“稍微重要”的標(biāo)度比為5/3=1.67，遠(yuǎn)小于3，即“明顯重要”事物與“稍微重要”事物相比較得出的差異，還遠(yuǎn)不能與比較“稍微重要”事物與“同等重要”事物得出的差異相比，這是不合理的。汪樹(shù)玉等[9]提出的新的比例標(biāo)度值(表1)，能更真實(shí)地量化反映重要性等級(jí)之間的數(shù)量差異。

表1 改進(jìn)的比例標(biāo)度法匯總表

①K表示標(biāo)度通式形式；k表示標(biāo)度具體值； 數(shù)據(jù)相除值大小表示重要性程度。

在文獻(xiàn)[9]研究過(guò)程中使用的新的比例標(biāo)度法為指數(shù)標(biāo)度，即： 按要素a比要素b的重要性，從“同等重要”到“極端重要”，分別取1.000，1.277，2.080，4.327，9.000； 反之，若要素a比要素b次要，則取相應(yīng)權(quán)重的倒數(shù)(表2)。

表2 A-B判斷矩陣

在構(gòu)建該體系下的判斷矩陣過(guò)程中，還充分考慮了以下2個(gè)要素： ①植被覆蓋情況是生態(tài)系統(tǒng)最顯著的特征之一，決定著生態(tài)系統(tǒng)的面貌，是反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量本質(zhì)的特征之一； ②該區(qū)域調(diào)查表明，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響明顯，人口密度對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要指導(dǎo)意義。

3.3 特征向量及權(quán)重的計(jì)算

利用方根法來(lái)計(jì)算判斷矩陣B的最大特征根及其對(duì)應(yīng)特征向量[10]。經(jīng)計(jì)算，A-B矩陣的特征向量W=[0.532，0.203，0.148，0.083，0.043]，即植被指數(shù)變化率B1的權(quán)重為0.532、人口密度B2的權(quán)重為0.203、地形起伏度B3的權(quán)重為0.148、坡度B4的權(quán)重為0.083、土壤類(lèi)型B5的權(quán)重為0.043。詳見(jiàn)表2。

4 結(jié)果與分析

4.1 脆弱性特征因子提取

岷江上游脆弱性主要反映了生境、群落和物種對(duì)環(huán)境變化的敏感程度，體現(xiàn)出一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)、景觀組分或某一景觀對(duì)外界干擾所產(chǎn)生的應(yīng)變及其能力[11]，由于資料的局限性,本文僅研究自然內(nèi)生型脆弱性特征表現(xiàn)。將影響岷江上游自然內(nèi)生型脆弱性特征因子概括為自然要素和人類(lèi)活動(dòng)要素2大類(lèi)。通過(guò)對(duì)比分析，選取植被指數(shù)變化率、地形起伏度、坡度和土壤類(lèi)型作為自然要素，人口密度作為人類(lèi)活動(dòng)要素[12]。

1)植被指數(shù)變化率。分別采用2003年和2010年TM數(shù)據(jù)提取出每個(gè)時(shí)間段的NDVI，將NDVI在ArcGIS柵格計(jì)算器中進(jìn)行疊加分析，獲取該時(shí)間段的NDVI植被指數(shù)變化率分布數(shù)據(jù)(圖4)。

圖4 植被指數(shù)變化率

2)地形起伏度和坡度。利用1∶25萬(wàn)等高線數(shù)據(jù)通過(guò)插值方法在ArcGIS軟件中生成DEM數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)地形起伏度和坡度定義公式，在ArcGIS平臺(tái)下進(jìn)行歸類(lèi)提取，結(jié)果如圖5所示。

圖5 地形起伏度(左)與坡(右)度分布圖

3)土壤類(lèi)型。采用2010年TM圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息源，依據(jù)1995年提出的《中國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)(修訂方案)》，通過(guò)監(jiān)督分類(lèi)解譯和野外特征數(shù)據(jù)驗(yàn)收，獲取該類(lèi)要素圖層(圖6)。

圖6 土壤類(lèi)型分布

4)人口密度。根據(jù)2011年5月27日四川省阿壩州政府公布的第六次全國(guó)人口普查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，岷江上游地區(qū)總?cè)丝?7.03萬(wàn)，占全州人口的86.72%，其中汶川縣10.08萬(wàn)人，人口密度25人/km2； 理縣4.66萬(wàn)人，人口密度11人/km2； 茂縣10.48萬(wàn)人，人口密度26人/km2； 黑水縣6.07萬(wàn)人，人口密度15人/km2； 松潘縣7.23萬(wàn)人，人口密度9人/km2； 再通過(guò)ArcGIS中的鄰域特征插值法生成該區(qū)域的人口密度分布圖(圖7)。

圖7 人口密度分布

4.2 環(huán)境脆弱性特征分析

通過(guò)對(duì)岷江上游環(huán)境脆弱性特征因子的分析和提取，結(jié)合遞階層次結(jié)構(gòu)模型計(jì)算出來(lái)的各要素權(quán)重值，在ArcGIS Desktop9.3平臺(tái)下運(yùn)用Spatial Analysis Tool中的柵格計(jì)算器，將岷江上游的植被指數(shù)變化率、人口密度、地形起伏度、坡度及土壤類(lèi)型這5類(lèi)影響評(píng)價(jià)要素進(jìn)行加權(quán)疊置運(yùn)算，即

EVI=0.523V1+ 0.203V2+ 0.148V3+ 0.083V4+ 0.043V5

,

(1)

式中：EVI為環(huán)境脆弱性指標(biāo)；V1為植被指數(shù)變化率；V2為人口密度；V3為地形起伏度；V4為坡度；V5為土壤類(lèi)型。從而得到岷江上游環(huán)境脆弱性連續(xù)變化的特征分布圖(圖8)。

圖8 環(huán)境脆弱性連續(xù)變化分布圖

環(huán)境脆弱性連續(xù)變化分布圖的實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

圖9 岷江上游環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)流程圖

EVI評(píng)價(jià)分級(jí)的閾值是判斷環(huán)境脆弱性呈顯性或隱性的重要參數(shù)，通過(guò)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理獲得，其分布區(qū)間為[0，1]。由于環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)研究尚處在探索階段，對(duì)于評(píng)價(jià)結(jié)果閾值的確定沒(méi)有統(tǒng)一明確的界定[13-14]，根據(jù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀，結(jié)合該流域自然地理狀況、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)特征及變化規(guī)律，采用自然裂點(diǎn)法將研究區(qū)脆弱性程度劃分為5級(jí)，即微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強(qiáng)度脆弱和極強(qiáng)度脆弱。具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 研究區(qū)脆弱度等級(jí)劃分表

4.3 環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)

根據(jù)脆弱性程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用ArcMap的Spatial Analyst模塊下的Reclassify命令，對(duì)岷江上游流域環(huán)境脆弱性空間分布進(jìn)行分級(jí)，得到岷江上游流域環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)分級(jí)圖(圖10)。

圖10 環(huán)境脆弱性分級(jí)圖

結(jié)果表明，研究區(qū)微弱、輕度、中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度的脆弱區(qū)域面積分別為4 280 km2，7 773 km2，7 314 km2，4 009 km2和2 050 km2，分別占流域總面積的16.8%，30.6%，28.8%，15.8%和8.0%。研究表明，岷江上游流域環(huán)境脆弱度等級(jí)較高，50%以上的區(qū)域?qū)儆谥卸却嗳鯀^(qū)，生態(tài)環(huán)境處于嚴(yán)峻狀態(tài)的研究區(qū)邊緣地帶，在災(zāi)后重建及恢復(fù)過(guò)程中應(yīng)引起特別重視。

從岷江上游環(huán)境脆弱性等級(jí)特征的空間分布分析，區(qū)域脆弱性由強(qiáng)到弱的縣依次是汶川縣、茂縣、理縣、黑水縣和松潘縣，汶川縣的環(huán)境脆弱性表現(xiàn)極其突出，主要受汶川地震和洪雨災(zāi)害的重大沖擊和影響，因此在災(zāi)后重建過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)環(huán)境治理的重視程度，才能確保該區(qū)域長(zhǎng)治久安發(fā)展； 松潘縣地處岷江流域源頭，海拔相對(duì)比較高，人口分布少，國(guó)家級(jí)自然生態(tài)保護(hù)區(qū)也分布于此，同時(shí)受到地震及次生災(zāi)害較小，因此生態(tài)環(huán)境狀態(tài)較好。

環(huán)境脆弱性分布還與岷江水系分布關(guān)系密切，越靠近岷江水系主河道的區(qū)域脆弱性越嚴(yán)重，距離水系越遠(yuǎn)的地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性越不明顯，此分布與自然環(huán)境狀況的空間格局大體吻合。另外，該區(qū)域干旱河谷區(qū)的環(huán)境依舊嚴(yán)峻，而且鄰近都江堰地區(qū)的環(huán)境表現(xiàn)為極度脆弱，需加大對(duì)此處的治理和防護(hù)。

5 結(jié)論

區(qū)域環(huán)境脆弱性是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的障礙，脆弱性越大越不利于區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)的綜合發(fā)展。本研究利用層次分析法，從分析環(huán)境脆弱性本質(zhì)特征入手，在GIS和RS技術(shù)支撐下提取各影響要素?cái)?shù)據(jù)，構(gòu)建多要素環(huán)境下的遞階層次分析模型，在ArcGIS平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)定量評(píng)價(jià)，構(gòu)建出岷江上游流域環(huán)境脆弱性評(píng)價(jià)等級(jí)圖。得出如下結(jié)論：

1)從區(qū)域分析角度，岷江上游生態(tài)環(huán)境條件較為嚴(yán)峻，脆弱性程度高，尤其在汶川縣和茂縣岷江主河道地帶，應(yīng)加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和基礎(chǔ)設(shè)施保障工作。

2)從系統(tǒng)評(píng)價(jià)過(guò)程，影響要素的篩選和提取是進(jìn)行研究此類(lèi)定量問(wèn)題的前提，方法和模型的構(gòu)建是研究的關(guān)鍵和核心。針對(duì)此類(lèi)涉及到多要素、多指標(biāo)的宏觀問(wèn)題，今后還需要在脆弱性形成機(jī)制、時(shí)空變化規(guī)律及多驅(qū)動(dòng)力影響要素等方面加強(qiáng)研究。

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