GIS技術在瑪納斯河流域生態治理評價中的應用

崔靜芝

（和田水文勘測局,新疆 和田 848000）

0 引言

隨著西部大開發的不斷深入,新疆自治區經濟水平發展迅猛,但同時也帶來了很多環境問題,尤其是對區內河流生態環境造成了影響。進入2010 年以來,自治區各級政府陸續啟動了流域生態治理工程,而應用GIS技術對其生態治理效果進行快速、準確、科學的評價成為當前被廣泛研究的內容。

1 項目區概況

昌吉市瑪納斯河流域總面積約4278.34 km2,項目區為典型的溫帶大陸性氣候,干旱少雨,但憑借瑪納斯河天然條件,加之流域內土地資源豐富,光照充足,目前已成為著名的棉糧基地。進入新世紀以來,隨著項目區人口、耕地、牲畜數量增長,流域內水資源日益緊張,市政府積極采取調整產業結構、打造節水灌溉工程、實施流域生態治理工程等措施,現計劃利用GIS技術對持續了近15 年的治理措施進行科學評價。

2 瑪納斯流域生態治理效果評價

2.1 瑪納斯流域生態治理效果評價方法設計

在此根據項目區實際情況和數據來源,遵循“代表性、全面性、可操作性”等原則,以生態效應為主要分析內容,對瑪納斯流域進行生態治理效果進行綜合評價。

（1）評價對象

在此將本文所研究的瑪納斯流域劃分為6 個子研究區：瑪納斯灌區內部（C1）、瑪納斯灌區外圍（C2）、泉山區（C3）、壩區（C4）、湖區（C5）、整個研究區（C6）,分別對其生態治理效果評價（分區見圖1）[1]。

圖1 項目區分區示意圖

（2）評價方法

利用GIS系統的空間插值法和遙感反演法分別對主要生態因子的時空變化進行分析,制作成平面圖更為直觀展現,之后利用主成分分析法來確定各生態因子的權重,以此建立研究區生態治理效果評價模型（由于篇幅限制,不再敘述）[2]。

2.2 相關數據及處理方法分析

（1）非遙感數據處理

本項目所涉及到的非遙感數據主要是2005 年~2020 年間,從分布在項目區的52 處觀測井中測定地下水位埋深和地下水礦化度等數據。其中水樣采集頻率為3 次/月,取平均值來作為該月份最終值。

（2）遙感數據處理

根據本文研究需要,選擇2005 年~2020 年間,不同時期的遙感影像經過輻射標定、大氣校正、影像裁剪等處理后,被用于觀測項目區地表植被生態恢復情況的分析（見表1）。

3 GIS技術在流域生態治理評價中的應用分析

為了評價瑪納斯流域生態治理效果,選取3 個評價指標：項目區地下水位恢復效果、地下水礦化度恢復程度、地表植被恢復程度[3],下面分別就這3 個指標進行評價分析。

3.1 地下水位恢復效果評價分析

（1）插值方法的確定

GIS系統中共有8 種插值方法,針對不同的分析對象,不同插值方法所模擬結果也會有所差別。在此以2005 年40 個觀測井所采集的地下水埋深數據作為不同插值法建立地下水空間分布的模型依據,剩余12 個觀測井數據用于驗證,來確定精度最高的插值法。具體結果見表1。

由表1 數據可知：OK插值法綜合來看在各參數上都表現較好,因此本項目采用該插值法來評價地下水水位和礦化度的恢復情況[4]。

表1 8種地下水埋深插值模型誤差分析（部分）

（2）地下水埋深時空分布特征分析

通過OK值法得到了項目區15 年間的地下水埋深時空分布DGDM數據圖（像元面積20 m×20 m）,具體見圖2（部分）。

由圖2 可知：①在2005 年時,C3、C4 區地下水埋深已經達到-30 m以下,其他區域地下水埋深基本在-18 m及以上,差距非常大,主要原因是灌區灌溉用水量多而猛,其他地區地下水還來不及轉移位置；②在2010 年時,C3、C4 區地下水位恢復明顯,-26 m以下范圍相對于五年前顯著減小,但C2 區北部地下水位相對于五年前有著較明顯下降,由-6 m下降至-16 m左右；③2015 年和2020 年基本相差不大,C2 區北部基本恢復至-6 m及以上水平。C1、C3、C4區地下水位基本無變化,保持在-26 m以上水平。

圖2 地下水埋深時空分布DGDM數據圖

（3）地下水位恢復效果分析

地下水位埋深變化直接反映了其恢復效果情況,在此以OK插值法得到的DGDM圖為基礎,計算出不同子研究區在2005年~2020 年間的平均地下水位變化曲線,見圖3。

由圖3 可知：①2005 年~2010 年間,由于各項治理措施僅僅是推廣階段,所以地下水位仍為不斷下降趨勢,其中泉山區在2010 年水位達到最低值,為-26 m；②進入2010 年后,各項治理措施落實到位,其中灌區內部、泉山區水位基本維持穩定,灌區外圍、湖區、整個研究區水位呈上升趨勢；③進入2015 年后,各區水位基本處于穩定狀態,其中灌區外圍、湖區、整個研究區維持在較高水平,基本在-16 m；灌區內部水位在-22 m,泉山區和湖區穩定在-26 m。

圖3 各子研究區地下水位變化曲線圖

總體而言：持續了近15 年的治理措施基本遏制了地下水位下降趨勢,使項目區大部分面積恢復到了2005 年的水平,治理效果顯著,這對項目區的可持續發展意義重大。

3.2 地下水礦化度恢復評價分析

（1）地下水礦化度空分布特征分析

通過OK值法得到了項目區15 年間的地下水礦化度時空分布DGDM數據圖（像元面積20 m×20 m）,具體見圖4（部分）[5]。

由圖4 可知：①整個研究區,地下水礦化度規律呈由東北向西南逐漸減小,具有明顯的分帶狀；②從2005 年~2020 年,東北區的礦化度呈增大趨勢,而西南區呈減小趨勢；③研究區地下水礦化度主要受地下水埋深影響,埋深越淺,會出現土壤鹽漬化。西南地區礦化度低,也說明了地下水雖然埋深大,但流動性、補給性較好,這也是好現象[6]。

圖4 地下水礦化度時空分布DGDM數據圖

（2）地下水礦化度恢復效果分析

圖5是項目區地下水礦化度變化曲線,由圖5可知：①在2005年~2015年間,項目區地下水礦化度呈逐漸升高趨勢；②2015年~2020年,灌區內部、泉山區、湖區地下水的礦化度突然減小,說明地下水得到了補給。而其他區依然呈上升趨勢,說明地下水埋深變淺,受土壤鹽漬影響。這些均說明了治理效果取得了成效。

圖5 各子研究區地下水礦化度變化曲線圖

3.3 地表植被恢復評價分析

在此利用GIS遙感圖經GDVI處理后（計算公式如下）[7],來觀察項目區地表植被變化情況,見圖6（部分）。

圖6 地表植被時空分布遙感圖

式中：ρnir為Landsat影像近紅外光波段；ρred為 Landsat影像紅光波段。

由圖6可知：①項目區植被覆蓋主要集中在C3、C4、C5子區內；②總體來看,項目區地表植被在15 年間,恢復顯著,尤其是C1、C3、C4 區,說明治理效果顯著。

4 結語

河道流域生態環境治理在當前水資源缺乏、國人環保意識日益提高的今天,是很多地區迫切需要解決的問題之一,而且這一問題的解決需面臨投資周期長、規模大、見效慢等突出特點,但這是目前的唯一途徑。瑪納斯河流域生態治理從政策制定到全面落實持續至今已超過15年,通過利用GIS技術從地下水位、地下水礦化度、地表植被等三個方面來分析,確實取得了較好的效果,這一系列政策需要常態化,才能保證地區的可持續發展。