基于遙感的湟水流域生態環境狀況評價

趙翠平，龔家國，王 浩，王 英，楊 苗

(1.中國水利水電科學研究院水資源所，北京 100038;2.中國水利水電科學研究院 流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038)

生態環境是指由生物群落及非生物自然因素組成的各種生態系統所構成的整體，主要或完全由自然因素形成，并間接、潛在、長遠地對人類的生存和發展產生影響[1,2]，是關系到社會和經濟持續發展的復合生態系統[3]。隨著社會經濟快速發展，生態環境問題日益凸顯，如環境污染物大量排放、土地沙化加劇、水資源短缺、優質耕地減少等，使得生態環境保護得到高度的關注[4]。針對不同地區，不同側重點的生態環境評價研究已經很多[2-10]，對增強生態環境保護和管理工作的主動性、合理利用資源、改善生態環境，有重要的現實意義。

目前，生態環境質量評價的方法有多種，如層次分析法、主成分分析法和灰色關聯分析法等[5]，相比較而言，層次分析法更具較強的邏輯性、系統性和實用性，方法較為成熟、應用較為廣泛。有關生態環境評價指標、方法還沒有形成統一的概念和規范，尤其是不同區域之間生態環境評價指標多樣化，對不同類型的不同區域之間相互對比和借鑒帶來困難。生態環境部基于層次分析法制定的《生態環境狀況評價技術規范(HJ192-2105)》(簡稱“規范”)[6]，指標數據易獲取，并具有代表性、全面性、綜合性、簡明性和實用性等特點，有利于在全國不同區域間進行橫向比較。本文以青海省湟水流域為研究對象，依據規范分析區域內生物、植被、水資源、土地資源以及環境污染等情況，通過賦予不同生態環境狀況指標權重，分別計算各行政單元生態環境狀況指數，綜合評價流域生態環境狀況，為生態環境建設提供技術支撐。

1 研究區概況

湟水河是黃河上游最大的一級支流，位于北緯36°02′～37°28′，東經100°42′～103°01′之間，發源于青海省海北藏族自治州海晏縣包呼圖山，自西北向東南流經青海省海晏縣、湟源縣、湟中縣、西寧城區、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km2，是人口密度、經濟最發達的地區，又是政治、經濟、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373.90 km，面積>10 km2的大小一級支流94條，連同眾多的次一級支溝，構成羽毛狀、樹枝狀水系。流域屬高原干旱半干旱大陸性氣候，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，大部分為第四紀風成堆積的黃土，土質疏松，團粒結構差、抗蝕性差，易水蝕，水土流失嚴重[12]。

2 生態環境狀況評價方法

根據《生態環境狀況評價技術規范(HJ192-2105)》，構建流域生態環境狀況指標體系，包括生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、土地脅迫指數和污染負荷指數，具體指標權重見表1。綜合評價流域生態環境狀況，按其質量狀況將其劃分為優、良、一般、較差和差5個等級(表2)。

表1 生態環境狀況評價體系指標及權重Tab.1 Ecological environment evaluation index system and weight

表2 生態環境狀況分級Tab.2 The classification of ecological environment condition

生態環境狀況指數計算公式為：

EI=0.35×生物豐度指數+0.2×植被覆蓋指數+

0.15×水網密度指數+0.15×(100-土地脅迫指數)+

0.1×(100-污染負荷指數)

(1)

生物豐度指數=Abio(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域+

0.11×城鎮+0.01×未利用地)÷區域面積

(2)

植被覆蓋指數=NDVI區域均值

(3)

(4)

土地脅迫指數=Aero(0.4×重度侵蝕面積+

0.2×中度侵蝕面積+0.2×建設用地面積+

0.2×其他土地脅迫)÷區域面積

(5)

(6)

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

3 數據來源

基礎數據主要來源于網上下載和地方相關部門提供，具體見表3。

表3 數據來源Tab.3 The data source

4 結果與討論

4.1 生態系統類型統計

基于中科院地理數據空間云Landsat8OLI遙感數據，利用ERDAS軟件，經過幾何校正、輻射校正及研究區矢量裁剪后，采用最大似然分類法，按照《土地利用分類標準》進行流域的生態系統類型分類(圖2)。結果表明，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、水域和未利用地。從各區縣生態類型構成來看，城鎮面積較多的是湟中縣和西寧城區；草地、林地、水域和未利用地面積最多的均是大通縣。各區縣生態系統類型面積具體比例見表4。

圖2 生態系統類型空間分布圖Fig.2 The Spatial distribution of ecosystem types

表4 流域各區縣生態系統類型面積比例統計 %

4.2 生態環境狀況評價結果

借助ArcGIS空間分析能力，分別計算流域生物豐度指數、植被覆蓋指數、水網密度指數、污染負荷指數。土地脅迫指數，則是根據通用土壤流失方程(USLE)[13-18]，甄別中度侵蝕區和重度侵蝕區。基于上述5個指數的結果，得到流域生態環境狀況指數，具體見圖3和表5。

結果表明：①流域生物豐度指數和植被覆蓋指數分別為104.65和56.5，中等植被覆蓋、較豐富的植物物種與流域生態系統類型中草地、耕地和林地面積較多有很大關系。②水網密度指數和污染負荷指數分別為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、水環境質量變差的結果相一致。水網密度指數較低、污染負荷指數較高的結果主要原因是流域城市化建設、水利工程建設等人類活動影響較為嚴重，因此水資源綜合利用和污染治理是流域生態環境改善的重要措施之一。③流域生態環境狀況指數為35.49，生態環境狀況一般，較適合人類生存，但有不適合人類生存的制約性因子出現。生態環境狀況指數較低主要是由于流域水資源短缺、污染排放較重、水土流失較多導致的。西寧城區和民和縣生態環境狀況一般，其他區縣生態環境狀況均為良，海晏縣生態環境狀況指數最高。④西寧城區和民和縣的生態環境狀況制約點主要是人口增加和不合理的生產活動，造成污染排放嚴重。據統計2015年流域水環境質量，湟水干流西鋼橋、新寧橋、報社橋、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計劃》水質斷面目標還有一定差距。因此加強區域污染排放控制是改善生態環境工作的主要工作方向。

圖3 生態環境狀況指數空間分布圖Fig.3 The spatial distribution of ecological index

區域生態環境狀況指數評價結果西寧城區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 語

(1)保障河道生態流量，切實提高水網密度。首先針對湟水流域產生斷流或者生態流量不足的河道，通過區域調水或引水工程，合理安排下泄水量和泄流時段。其次是加強用戶取水過程監督，河道內流量“不低于適宜生態流量”為基本要求，減少人類活動影響，提升流域的水網密度。

(2)大力控制生活污染源。作為承載青海省60%以上的人口，隨著社會發展，人口聚集的密集度會更加凸顯。生活污染是目前和未來最主要的污染源，需加快推進生活污水處理設施和生活垃圾處理設施建設，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。依托國家水土保持重點工程青海省小流域綜合治理等項目，對湟水流域重點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的面源污染。

(4)加強宣傳教育。把水源和環境保護等相關知識和危害進行宣傳教育，在全社會樹立“資源環境保護，人人有責”的行為準則，大力推廣節水潔水行為，形成“全民行動格局”。

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