基于GIS的生態脆弱移民區生態環境質量評估
——以寧夏紅寺堡區為例

李 群， 郭慧秀， 賈科利

(寧夏大學資源環境學院，寧夏銀川 750021)

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基于GIS的生態脆弱移民區生態環境質量評估
——以寧夏紅寺堡區為例

李 群， 郭慧秀*， 賈科利

(寧夏大學資源環境學院，寧夏銀川 750021)

摘要參考國家最新頒布的《生態環境評價規范》，從5個方面構建生態環境評價模型，利用GIS技術進行數據獲取、運算及評價單元細化，以監測局部區域的具體生態環境問題并分析空間變化趨勢，最后以寧夏紅寺堡區為例探討生態脆弱移民區的生態環境質量評價。結果表明：紅寺堡區各鄉鎮生態環境狀況一般，EI值存在明顯區域差異和地帶性，東南部優于中西部。太陽山鎮生態環境狀況最好，鎮東南存在土地脅迫度和污染指數高的生態環境問題；南川鄉和紅寺堡鎮次之，分別存在鄉東南部水網密度低和鎮中南土地脅迫高的問題；大河鄉生態環境最差，西南地區存在植被覆蓋度低、荒漠化等生態環境問題。

關鍵詞生態脆弱移民區；GIS；生態環境評價；紅寺堡區

良好的生態環境是區域經濟、社會、環境協調發展的保障及人類生存與發展的基礎[1-2]，黨的十八大報告將生態環境文明建設提升到國家戰略，納入小康社會建設總體布局。在全國總體生態功能區劃中，西北生態脆弱移民區地處草原生態系統和荒漠生態系統的過渡區域，長期受人類活動干擾，水土流失、荒漠化等生態環境問題突出[3]。開展生態脆弱移民區生態環境綜合評估對推動區域生態文明建設、保障移民區經濟社會可持續發展具有重要的理論和現實意義。目前，學術界圍繞區域生態環境綜合評估開展了較為廣泛的研究。在評價方法方面，主要運用各種定量化研究方法，例如景觀生態學法[4-5]、模糊數學法[6-7]、三維定量評價模型[8-9]等。這些方法的共同之處在于利用數學模型進行生態環境評價，由于指標選取的差異造成評估側重點不同，使生態環境質量評估沒有統一標準；在研究區選擇方面，注重傳統生態環境矛盾突出區域，其中宏觀尺度集中在全國、各省市級行政單位[10-12]，微觀尺度主要針對礦區、災區等特殊生態環境問題區域[13-15]，而關于移民區出現的生態環境問題研究較少；在評價單元方面，主要在行政區劃單元內利用離散數據進行平均值評價[16-17]，導致行政區內部差異評估和空間變化趨勢分析缺失，無法對局部區域生態環境問題進行改善。

隨著GIS技術進步，柵格技術能夠將不同類型(統計、遙感、調查)、不同格式(矢量、柵格、圖片、文本)、不同時間(過去、現在、將來)的數據通過一定的算法柵格化，每一個網格擁有不同于相鄰網格的代碼來表示其屬性和量值，使研究區數據連續分布。利用柵格數據參與疊加運算、空間分析和建模可以克服傳統計算單元以點帶面、以均值代替整個評價單元的“一刀切”模式，使生態環境評價單位從行政區劃具體到柵格，為生態脆弱移民區生態環境質量評估提供科學、有效的技術支持。基于此，筆者參考我國于2015年3月最新頒布的《生態環境評價規范(發布稿)HJ192-2015》(以下簡稱《規范》)，為移民區生態環境評估尋求合理的評價體系；同時利用GIS技術強大的數據庫和空間分析功能，將不同時間、不同格式的數據處理成柵格單位進行運算、分析和表述，為移民區生態環境評價提供高精度技術支持[18]。最后以紅寺堡為研究區域進行生態環境質量評估分析，以期為生態脆弱移民區監測局部生態環境問題和因地制宜治理生態環境提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況紅寺堡區位于寧夏中部，國土面積2 767km2。地處黃土溝壑區向干草原過渡的地帶，其地形平坦開闊，由東南向西北傾斜。紅寺堡區位于中溫帶干旱氣候區，具有明顯的大陸氣候特征，降水量少而集中且年際變化大，年降雨量為277mm，多集中于7～9月，年平均蒸發量2 050mm；自然水系水質差、水量少，年徑流量變化大，利用價值低，可利用地表水主要以引黃灌溉的溝渠為主；植物種屬較少，草群結構簡單，覆蓋率低，在長期過度放牧、濫挖甘草等人為因素的作用下，造成天然草原大面積退化、沙化，是典型的生態脆弱區。該區域礦產資源豐富，主要分布在太陽山移民開發區、土坡等地，但其經濟發展起步晚、基礎差、總量小，產業層次低，第一產業比重高，第二、第三產業比重低；自1998年正式列為國家重點生態移民項目以來，截至2014年搬遷安置貧困人口18.96萬人，所轄4個鄉鎮，59個行政村，是全國最大的生態脆弱移民區。隨著移民大量遷入，區內人口與生態環境呈現出不協調的發展態勢，生態環境脆弱性與人口高速增長之間的矛盾日益尖銳。

1.2數據來源及處理研究區水資源和環境污染數據來源于紅寺堡區2014年統計公告和測站點監測數據，在ArcGIS軟件中進行插值處理以及柵格運算，使研究區數據連續分布；土地利用類型數據綜合考慮研究區自然植被和農作物的物候期，利用RS技術，選取植被覆蓋度較好的5～9月Landsat8的OLI影像進行解譯[19]；植被覆蓋度數據采用空間分辨率為250m的MODS2013年影像，利用ENVI軟件提取研究區歸一化植被指數(NDVI)值；自然水系(河網)數據來源于研究區DEM(DigitalElevationModel)，利用ArcGIS進行水文分析[20-21]，人工水系(渠道)數據來自于研究區水利建設圖件矢量化；土壤侵蝕專題地圖的制作考慮土地利用類型、植被覆蓋度和坡度3個因子[22-24]，其中坡度數據來自1∶25萬DEM數據，通過對3個因子分等定級，將土壤侵蝕劃分為3個等級(1、2、3等級分別代表輕度、中度和重度侵蝕)。

1.3指標選擇及權重確定參考《規范》[25]，采用層次分析法確定評價模型、指標權重、歸一化系數和分級標準。選取生態環境指數(EI)作為生態環境評價目標層，包括生物豐度指數(EIbio)、植被覆蓋指數(EIveg)、水網密度指數(EIwat)、土地脅迫指數(EIlan)和污染負荷指數(EIpol)5個一級指標。綜合考慮研究區面臨的具體生態問題(例如沙化面積擴大、水資源短缺、森林資源匱乏、鹽堿化面積擴大、水土流失嚴重等)和數據的可獲得性與適用性選取指標參評因素。

1.4模型原理及構建

1.4.1模型原理。2015年3月實施的《生態環境狀況評價規范》基于層次分析法，將研究區生態環境評價系統分為生物豐度指數、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5個一級評價指標，并根據專家打分分別給予不同的權重和歸一化系數。其中，數據獲取和模型運算過程通過GIS技術可以將參評單元細化到柵格，有利于監測、評估和后期因地制宜治理。

1.4.2模型構建。EI反映研究區生態環境質量，數值范圍在0～100，值越大代表生態環境狀況越好。計算公式為：

EI=0.35×EIbio+0.25×EIveg+0.15×EIwat+0.15×(100-EIlan)+0.10×(100-EIpol)

(1)

1.4.2.1生物豐度指數。生物豐度指數是指不同生態系統在研究區單位面積中所占的比例，通過面積差異來反映評價區域生物豐貧，植被等級越高，所產生的作用越大。計算公式為：

EIbio=(BI+HQ)/2

(2)

式中，BI為生物多樣性指數，HQ為生境質量指數，HQ=Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域濕地+0.11×耕地+0.04×建設用地+0.01×未利用地)/區域面積，Abio為生境質量歸一化系數。

1.4.2.2植被覆蓋指數。該指數可反映研究區植被覆蓋程度，值越高說明該區域植被覆蓋率越好，相應的生態環境質量就越好。歸一化植被指數在植被分類、物候監測和土地覆被變化等方面有廣泛應用[26]。所以植被覆蓋指數利用評價區域單位面積歸一化植被指數表示。計算公式為：

(3)

式中，Pi為象元中NDVI月最大值的均值，Aveg為植被覆蓋指數歸一化系數。

1.4.2.3水網密度指數。該指數是用來評價研究區水資源豐富程度的指標，考慮單位面積河流總長度(Lriv)、水域面積(Wlak)(湖泊、水庫、河渠和近海)和水資源量(Wres)。計算公式為：

EIwat=(Ariv×Lriv/區域面積+Alak×Wlak/區域面積+Ares×Wres/區域面積)/3

(4)

式中，Ariv、Alak、Ares分別為河流長度、水域面積和水資源量的歸一化系數。

1.4.2.4土地脅迫指數。該指數用來反映研究區土地遭受脅迫程度的大小，值越大說明研究區土地受到的威脅因子越多，退化越嚴重，是反映生態環境的基礎指標。計算公式為：

EIlan=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)

式中，Aero為土地脅迫歸一化系數。

1.4.2.5污染負荷指數。該指數是用來評價移民區環境所承受污染壓力指標，其值越大反映研究區所受納的污染壓力越大，情況越嚴重。該指標主要考慮工農業污染常見的化學需氧量、氨氮等污染類型。計算公式為：

EIpol=0.20×ACOD×COD排放量/區域年降水總量+0.20×ANH3×氨氮排放量/ 區域年降水總量+0.20×ASO2×SO2排放量/區域面積+0.10×AYHC×煙(粉)塵排放量/區域面積+0.20×ANOX×氨氮化物排放量/區域面積+0.10×ASOL×固體廢棄物丟棄量/區域面積

(6)

式中，ACOD、ANH3、ASO2、AYHC、ANOX、ASOL分別為COD、氨氮、SO2、煙(粉)塵、氮氧化物和固體廢棄物的歸一化系數。

1.4.3生態環境質量等級標準。運用上述生態環境評價模型，利用ArcGIS進行柵格數據加權疊加運算，得到生態環境狀況綜合評估結果。根據《規范》，將生態環境評價結果分為5個等級(表1)。

表1　生態環境(EI)狀況分級

2結果與分析

利用ArcGIS柵格計算功能實現公式(1)～(6)的運算，得到紅寺堡區生物豐度(圖1)、植被覆蓋(圖2)、水網密度(圖3)、土地脅迫(圖4)和生態環境狀況(圖5)結果。

圖1　紅寺堡區生物豐度指數Fig.1　Biological abundance index of Hongsipu district

圖2　紅寺堡區植被覆蓋指數Fig.2　Vegetation index of Hongsipu district

圖3　紅寺堡區水網密度指數Fig. 3　Water density index of Hongsipu district

圖4　紅寺堡區土地脅迫程度Fig. 4　Land stress index of Hongsipu district

圖5　紅寺堡區生態環境質量分布Fig.5　Ecological environment distribution of Hongsipu district

2.1生物豐度指數研究區生物豐度呈現“東南高，西北低”的空間特征(圖1)。空間上南川鄉生物豐度指數最高，達到47.47(圖6)，原因在于該區地處國家級自然保護區——大羅山西側，自治區實施天然林保護、“三北”四期造林等工程保護當地的動植物資源，林地、草地和水域濕地面積分別達94.52、339.21和42.74 km2，分別占總面積的14.06%、50.49%和6.36%，植被覆蓋度高且生物物種豐富。太陽山鎮和大河鄉生物豐度總體較好，但由于河流水位季節變化大、蒸發強烈導致斷流，周邊土壤鹽漬化較高，植被覆蓋度顯著下降。紅寺堡鎮生物豐度指數最低，由于該鎮地處平原地帶，其地形平緩適于耕種，交通便利便于工農產業發展，大量移民遷入伴隨大規模土地開發，鎮中心建設用地擴大至總面積的32.63%，高密度人口和建筑對原始生態環境破壞較大，致使水土流失量大、面大，林草地系統調節功能下降，東南部城郊出現33 km2的荒漠化區域，生物多樣性較低。2.2植被覆蓋指數研究區植被覆蓋度以大羅山為高值中心呈半環狀遞減趨勢(圖2)。其中，太陽山鎮草地面積占52.52%，植被覆蓋指數高達到49.86(圖6)，高值區域位于太陽山鎮西南和大羅山北部，西南部分布有75.06 km2水澆地，作物生長季節覆蓋率高、密度大，大羅山北部有47.12 km2高植被密度原始林地，封山禁牧、育林等保護政策使其自然草地和林地大面積增加；但2006年以后礦產資源開采帶來的植被破壞導致太陽山鎮東北部礦區周圍出現明顯的低值，后期生態恢復工作還有待深入。大河鄉和紅寺堡鎮植被覆蓋總體均較低。人類活動較少的山區、荒草地植被覆蓋明顯較高，植被自然生長狀況好。而人類活動較多的居民區由于建設用地以及農田建設占用了46.90%土地，綠地覆蓋率僅為3.00%，沿清水河和苦水河周邊由于水位季節變化大，水質含鹽量高，干枯河道周邊出現大面積鹽堿荒灘。

2.3水網密度指數研究區水網包括人工水系和自然水系2個部分(圖3)，其人工渠系對水網密度指數值的變化影響更大。由于紅寺堡區位于西部干旱半干旱區，其水資源匱乏且農業生產以引黃灌溉為主，目前灌區共建成揚水干渠97.00 km，支干渠111.08 km，支渠459.13 km，斗渠808.03 km，與自然水系(607.00 km)相比，水渠密度更大，所以灌溉水系發達的紅寺堡鎮渠系總長度達226.35 km且自然水系稠密(圖3)，因而其水網密度指數最大。南川鄉位于紅寺堡區東南部，其地勢高且地下水埋藏深，僅在大羅山西部斷裂帶有部分裂隙水，并沒有形成長流水，所以該區域地表水貧乏，加之灌溉渠系稀疏，因而其水網密度低(29.74)。大河鄉和太陽山鎮移民遷入量少，農田灌溉開發不完善，人工水網密度低且水量少，其水澆地面積占區域總面積比例分別為6.45%、5.96%，水資源總量分別為3 341.30、4 754.90 m3，水網密度平均指數為33.50(圖6)。

2.4土地脅迫指數綜合考慮土地利用、植被覆蓋和坡度3個因素，結果分為輕、中、重3個等級，整體呈現“東北、西南高，西北、東南低”的交叉分布格局(圖4)。其中，紅寺堡鎮受土地脅迫程度最高，重度侵蝕面積66.04 km2，占總面積的19.64%，侵蝕區主要位于紅寺堡鎮中部和南部的人口密集區，說明隨著移民數量持續增加及建設用地規模的持續擴張，高密度建筑和低密度植被造成的土地面狀侵蝕擴大；同時，該區域農田灌區未修建排水工程，有灌無排，土壤含鹽量較高，土壤鹽漬化造成點狀侵蝕(圖4)。大羅山地區是寧夏重要的水源涵養林和區域生態環境保護屏障，對該區域水土保持起到了至關重要的作用。南川鄉背靠大羅山，人類活動強度較小，通過實施退耕還林還草等工程項目，該區域水土保持最好，土地脅迫程度最低，重度侵蝕面積78.28 km2，僅占總面積的11.65%。

2.5污染負荷指數研究區污染指數計算來源于柵格插值運算，由于研究區生產活動以第一產業為主，第二、第三產業落后，整體污染并不嚴重，污染物類型也相對單一。污染區域主要集中在紅寺堡鎮和太陽山鎮。其中，紅寺堡鎮是研究區生產活動最集中的區域，污染指數達54.68(圖6)，污染類型以水體中工農業生產排放的COD、氨氮和固體廢棄物為主。太陽山鎮污染類型以工礦業排放的SO2和煙(粉)塵為主，污染指數達42.48(圖6)，礦產資源開發后期生態環境恢復工作有待加強。

圖6　紅寺堡區生態環境狀況統計Fig.6　Ecological environment statistics of Hongsipu district

2.6生態環境質量綜合評價通過ArcGIS軟件實現公式(1)加權疊加運算，得出紅寺堡區生態環境質量分布圖(圖5)以及研究區生態環境狀況統計圖(圖6)。根據分級標準(表1)，研究區整體生態環境質量一般，東南部優于中西部，各行政單位狀況有一定差異，植被覆蓋度中等，生物多樣性一般，比較適合移民居住，但各行政區內部均存在生態環境問題區域。其中，太陽山鎮EI值為44.32，生態環境綜合狀況最好，生物多樣性豐富，植被覆蓋度高，是研究區內生態環境比較平衡的區域；EI低值區主要位于太陽山鎮東南部，該區域存在土地脅迫度高及污染指數高這2個生態環境問題，這主要是因為隨著太陽山鎮礦區的開發，以煤炭為主的能源開采結構致使其煙塵、固體廢棄物排放量居高不下，礦區生態植被恢復程度較低，工農業環境污染治理不徹底。南川鄉生態環境和太陽山鎮相差不大，全鄉沒有出現連片生態環境低值區，但有點狀分布的生態環境脆弱斑塊，主要受水網密度指數較低的影響(圖6)；南川鄉地處大羅山和煙筒山交界的山區內，水土保持較好、地下水豐富，但地上河網稀疏、流量匱乏，且移民遷移量和人工灌渠開發少，這導致通過影像提取的水網密度得分低，僅為29.74。紅寺堡鎮作為該區社會經濟及人口中心，人類作用影響大[27-28]，土地脅迫指數和污染指數均很高，分別達54.21和54.69；鎮區中部和南部是全鎮乃至全區生態環境得分的低值區域，深刻反映出移民大量遷入促進經濟社會發展的同時，原生干旱環境自身的敏感性和脆弱性受到人類活動干擾加劇，例如鎮區中部局部水澆地由于粗放漫灌引發的鹽堿化、南部住宅和公路建設導致的荒漠植被退化[29-31]。大河鄉生態環境綜合狀況相對最差，EI值為35.29，各指標得分狀況均較低。其中植被覆蓋得分僅為14.46，土地脅迫和污染負荷指數也偏高；該區域西南部的公路沿線、干枯河道和居民區土地受脅迫程度大，出現局部植被空白區域，存在明顯的土地鹽堿化、荒漠化，是將來生態環境保護的重點區域。

3結論與討論

(1)將典型生態脆弱移民區——紅寺堡區的生態環境質量評估結果進行實地考察，證明比較符合實際情況，結果表明：紅寺堡區整體生態環境狀況一般，現階段比較適宜人類居住，各鄉鎮生態環境質量有一定差異。太陽山鎮總體狀況最好，鎮東南存在生態環境問題；南川鄉次之，存在生態環境斑點低值區域；紅寺堡鎮和大河鄉相對比較惡劣，鎮中南部和鄉西南部是今后生態環境保護的重點區域。

(2) 該研究獲得的評價結果有一定的不確定性，主要原因是山區地勢高，地下水埋藏深不易形成河網，而影像數據局限于地表水狀況的提取，影響水網密度評價精度；另外，社會經濟、環境污染等統計數據處理成空間數據時會有一定偏差，影響精確性。

(3) 利用GIS技術建立生態環境評價指標數據庫，通過更新相關數據可以實現生態環境變化的動態監控，為生態脆弱移民區生態環境提供實時監控，所以動態監測數據庫的建立有待今后進一步研究。

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基金項目教育部人文社會科學研究青年基金項目(13YJCZH059)；寧夏大學研究生創新項目(GIP2015004)。

作者簡介李群(1989- )，女，貴州習水人，碩士研究生，研究方向：空間信息技術與分析。*通訊作者，碩士研究生，研究方向：空間信息技術與分析。

收稿日期2016-04-06

中圖分類號S 181

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)13-110-05

EvaluationofEcologicalEnvironmentinEcologicallyVulnerableImmigratingAreaBasedonGIS—ACaseofHongsipuDistrictinNingxia

LIQun,GUOHui-xiu*,JIAKe-li

(CollegeofResourcesandEnvironment,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021)

AbstractThe model of ecological environmental evaluation consisting of five aspects was built based on the latest national specification of ecological environmental evaluation and the data acquisition, calculation and evaluation refined into evaluation unit were done with the GIS technique. Through the monitoring of specific problems of ecological environment in partial local area and the analyse of spatial variation trend, the evaluation of environmental quality in the vulnerable migration area of Hongsipu district was explored. The results showed that the ecological and environmental quality in the townships of Hongsipu district was in normal condition; the EI value significantly existed regional and zonal differences, which in the southeast area was better than the mid-west area. The ecological environment in Taiyangshan Town was best. In the southeast of the town there were the stress of land and high index of ecological and environmental pollution; next, in Nanchuan Country and Hongsipu Town, where there were low density and rural water networks in the southeastern of the township and high stress of land in central-south of the township. The worst ecological environmental condition was in the Dahe Country, in which there were low vegetation coverage, desertification and other ecological and environmental problems in its southwest region.

Key wordsEcologically vulnerable area；GIS；Ecological environment evaluation；Hongsipu district