基于遙感和GIS的生態(tài)健康評價
——以石羊河流域為例

韓一星

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué)，甘肅 蘭州 730020）

石羊河是甘肅三大內(nèi)陸河之一，它是一條古老而又美麗的河。位于河西走廊東端，發(fā)源于積雪皚皚的冷龍嶺，滋潤著美麗的西涼大地，孕育了燦爛輝煌的古涼州文化，創(chuàng)造了聞名于世的金川鎳都。她就像一條蒼龍蜿蜒流長數(shù)百公里。如今，隨著周邊人類的開發(fā)和破壞，這里已成為環(huán)境惡劣的沙塵暴來源之一，生態(tài)環(huán)境日益惡化，引起了更多人的關(guān)注，讓很多生態(tài)學(xué)家為眼前所看到的破壞之境而感到心痛。這個地區(qū)因為長期干旱和水資源不斷流失的原因，已經(jīng)讓沙漠重重包圍，多年來，降水較多的夏季也難以維持流域內(nèi)部蓄水的充分，更不用說其他季節(jié)水位下降問題。目前已經(jīng)無法供給周邊居民日常飲水，水里雜質(zhì)較多也不利于健康飲用，生態(tài)環(huán)境一直處于崩潰邊緣。為了蓄水種植的沙棗樹也無法生存，土壤也因干旱變得逐漸鹽堿化，讓文明的石羊河流域逐漸成為死水一般。

當(dāng)前，日益嚴峻的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀讓當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)逐步遭到破壞，使得需要恢復(fù)的時間不斷延長，為此，許多生態(tài)學(xué)、環(huán)境學(xué)專家和學(xué)者都對石羊河流域的生態(tài)環(huán)境狀況進行研究和分析。例如王琪和郭承錄正確認識了流域生態(tài)是人為破壞而造成的，他們提倡加大對石羊河流域生態(tài)環(huán)境的關(guān)注，并為其生態(tài)變化梳理出具體的演化趨勢，從而提供相應(yīng)的治理方案來解決這一問題。當(dāng)然，胡建勛和馬國軍從生態(tài)環(huán)境資源的角度也對其進行研究，他們重點強調(diào)石羊河流域的水資源問題，認為流域水量適中，但分布較廣，且利用率遠遠超過儲存量，沒有達到水資源的優(yōu)化配置。并根據(jù)問題提出了具體的水資源分配管理方案。越來越多的專家學(xué)者加大了對拯救和保護石羊河生態(tài)流域的關(guān)注，這也使評價石羊河流域的生態(tài)健康成為重點內(nèi)容，文章就從生態(tài)安全、生態(tài)保護的角度出發(fā)，在互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的支持之下，通過生態(tài)評價體系，做好對石羊河流域的生態(tài)健康綜合評價，能夠更好地對出現(xiàn)環(huán)境問題的地方給予相應(yīng)的措施，利于更好更快進行恢復(fù)生態(tài)，促進生態(tài)環(huán)境綠色、可持續(xù)發(fā)展，促進我國生態(tài)文明建設(shè)更上一層樓。

1 研究區(qū)概況

“汩汩清流潤城郭 盈盈碧波鎖黃沙”。石羊河流域作為甘肅境內(nèi)的較大流域之一，在經(jīng)過生態(tài)文明治理和保護后，其中的威武段入選為2021年全國美麗河湖的優(yōu)秀案例。這也是石羊河流域生態(tài)文明恢復(fù)的重要代表。石羊河流域位于甘肅省境內(nèi)，處于河西走廊東端，是甘肅省內(nèi)陸水系之一，終于民勤綠洲，是民勤綠洲唯一的地表河流。該條水系主要走向是自東向西，隨著城鎮(zhèn)、水庫以及具體的地勢而流。這條流域主要通過八條主要河流以及一些小溝小河組成。這些大河小河全部發(fā)源于祁連山脈，河流向下流經(jīng)，出山后呈倒立扇形向北部逐漸匯集。

這八條河流中，大靖河和古浪河都途徑古浪縣，為古浪縣的農(nóng)業(yè)澆灌提供便利。石羊河有“大漠明珠”之稱，他直接從騰格里沙漠穿過，與雜木河、金塔河匯聚，并為周邊干旱的土地提供唯一的水源。主要途經(jīng)甘肅威武市的涼州區(qū)境內(nèi)，通過這兩條河還再次建設(shè)了中型的調(diào)節(jié)水庫，促進當(dāng)?shù)匕l(fā)電旅游和用水。西營河作為石羊河的一部分流域，主要經(jīng)過威武市西南部區(qū)，其上游與寧昌河共同匯聚于響水河中，下游主要為威武西南部的山區(qū)作為降水的補給以夏季氣溫高時水量較大，徑流較為充足，有很多分叉，很多直接隱藏于山區(qū)，不得利用。西大河河?xùn)|大河通過紅牙山水庫后流入民勤盆地，最終匯入尾閭青土湖中，分散于各個沙漠。因為處于西北地區(qū)，離海邊較遠，且西北地區(qū)天氣較為干燥，整體屬于大陸性溫帶干旱氣候。所以石羊河流域較為干旱， 常年降水量較少， 給流域內(nèi)部的支流很少的降水補給。

而且石羊河流域周邊人口密度大，對水資源的需求高，這使得水資源的供需問題成為最尖銳、矛盾的主要問題。加上人類生活生產(chǎn)不規(guī)律， 給這本就脆弱的生態(tài)流域帶來巨大的破壞，讓石羊河流域的水流環(huán)境逐步惡化，成為最嚴重的被破壞流域之一。從降水量來說，其中南部祁連山高寒半干旱濕潤區(qū)海拔介于2 000~5 000 m之間，干旱指數(shù)1~4；中部走廊平原溫良干旱區(qū)海拔介于1 500~2 000 m之間，干旱指數(shù)4~15；其中北部海拔比中部平原高300~500 m，但是降水量很少，是整個流域降水最少的地方，只有150 mm。民勤盆地周圍分布著騰格里沙漠，水分蒸發(fā)快，降水又少，是特別嚴重的干旱地區(qū)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源和預(yù)處理

本次研究選用了Landsat 8 OLI_TRIS的遙感數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)信息源，此外還包括一些輔助數(shù)據(jù)：石羊河流域的行政區(qū)劃圖、1980年1∶50000地形圖、2000年1∶10000地形圖、土地利用數(shù)據(jù)（http：//globalchange.nsdc.cn）、依據(jù)中國主要地形形勢和走向而監(jiān)測的空間數(shù)據(jù)，借助云平臺進行上傳，最后根據(jù)BIM技術(shù)可以構(gòu)建和創(chuàng)立三維模型，通過互聯(lián)網(wǎng)終端形式進行平臺操縱和數(shù)據(jù)處理，能夠讓地形圖更加生動形象，讓生態(tài)環(huán)境的數(shù)據(jù)更加準確。利用ArcGIS軟件的空間分析功能得到石羊河行政界線處理生成研究區(qū)的數(shù)據(jù)影像；用ArcGIS空間分析功能對DEM數(shù)據(jù)做流域分析處理。通過填洼、流向、流量、河網(wǎng)提取、河流連接點處理，得到石羊河流域范圍；數(shù)據(jù)融合采用HIS變換法，然后對融合后影像采用計算機監(jiān)督分類，將全區(qū)分為林地、農(nóng)田、建設(shè)用地、水體、園地、等14種景觀類型。

2.2 評價指標體系及指標量化分級

生態(tài)健康評價指標主要是對生態(tài)環(huán)境中的生物和環(huán)境進行評價，通過對石羊河流域水流系統(tǒng)、土壤和陸地生態(tài)系統(tǒng)等不同指標評價，體現(xiàn)其是否可以作為人們的日常用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水，通過GIS健康評價體系，能夠評價流域健康還是不健康的不同等級。它能夠更好地反映生態(tài)流域的完整性和恢復(fù)能力。通過指標體系法，建立三個層次的生態(tài)系統(tǒng)健康的評價指標體系，通過公式的形式來計算具體指標。如下：

（在以上公式中，X代表綜合評價指標，W代表評價指標的權(quán)重，X為指標量化后的值，n為評價指標個數(shù)。）

表1 生態(tài)系統(tǒng)健康評價指標體系

因為湖泊的類型多樣，每一個具體的支流和河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具體的生態(tài)健康表現(xiàn)都有所不同，所以要對體系表所得到的各個層級的指標進行量化處理，從而得到一一對應(yīng)的等級健康程度。對流域內(nèi)部水產(chǎn)品的物質(zhì)生產(chǎn)功能、支流可利用水量占總體流域水量的具體比例、生態(tài)系統(tǒng)能夠維持的人口數(shù)量增減情況都要具體展示。

2.3 評價單元及其柵格數(shù)據(jù)疊加

根據(jù)目前流域現(xiàn)存區(qū)域范圍劃分網(wǎng)格，為之后獲取生態(tài)環(huán)境各個指標的數(shù)據(jù)提供基礎(chǔ)模型，通過遙感技術(shù)匯集景觀范圍的總面積，篩選掉不適合評價的、低于1.0 km2的樣方，通過最后呈現(xiàn)的網(wǎng)格體系作為石羊河流域健康評價的依據(jù)。根據(jù)選取的評價單元來進行數(shù)據(jù)篩選和匯集，將匯集的數(shù)據(jù)與選取的網(wǎng)格一一對應(yīng)，形成體系。然后利用GIS的空間分析功能，對得到的數(shù)據(jù)進行編輯和處理，并對數(shù)據(jù)所對應(yīng)流域的圖形進行屬性的區(qū)分和標注，通過疊加運算形式匯成數(shù)據(jù)庫，建立最終的健康評價指標圖。

2.4 評價指標信息提取

2.4.1 壓力指數(shù)提取

依據(jù)石羊河流域各城鎮(zhèn)的人口分布情況計算人口密度，再依據(jù)人口密度計算人類干擾指數(shù)，公式如（2）所示：

式中，S為村鎮(zhèn)居民地、建設(shè)用地以及交通用地的建設(shè)總面積；ST為土地總面積。

2.4.2 NDVI指數(shù)

歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可用來獲得植物生長狀態(tài)和空間分布數(shù)據(jù)，被廣泛應(yīng)用于定性、定量評價區(qū)域內(nèi)植被覆蓋及其生長能力。計算公式如（3）所示：

2.4.3 生態(tài)服務(wù)功能信息提取

在對石羊河流域生態(tài)價值和生態(tài)現(xiàn)狀進行評估后，可以直接看到生態(tài)服務(wù)的具體功能。主要根據(jù)生態(tài)內(nèi)部環(huán)境資源的條件和服務(wù)多樣性，將其分為九大功能。其中，調(diào)節(jié)氣象、氣候、水循環(huán)服務(wù)的功能較低；文化多樣性、社會功能較高。生活環(huán)境提供、生產(chǎn)功能幾乎為零。

2.4.4 景觀指數(shù)信息提取

石羊河流域的景觀多樣性、斑塊平均面積及破碎度指數(shù)參考鄔建國的計算方法。

2.4.5 生態(tài)彈性度指數(shù)

生態(tài)彈性度指數(shù)一般被用來定量表示系統(tǒng)在受到干擾后的恢復(fù)能力，其計算公式如（4）所示：

式中，ERI為生態(tài)彈性度指數(shù)；Si為每種景觀的面積比；Pi為彈性分值歸一化處理后的數(shù)值。由于石羊河流域獨特的生態(tài)環(huán)境狀況，生態(tài)彈性度指數(shù)由專家打分和參考野外調(diào)查資料共同決定。

3 評價結(jié)果與分析

3.1 壓力分析

國家重點要通過科學(xué)合理的方法去打造“有河有水、有魚有草、人水和諧”的石羊河，讓石羊河繼續(xù)在綠色國土上流出自己的一道印記，用其汩汩清澈的流水描繪甘肅生態(tài)環(huán)境的美麗畫卷。但是，要想達到美好愿景，就要考慮到使用和生態(tài)環(huán)境惡化受到的影響因素，尤其是生態(tài)流域能夠承受的壓力程度。包括來自于外在的人為活動以及全球氣候變暖帶來的巨大影響，還有內(nèi)部氣候條件干旱、降水少，導(dǎo)致水流流域降水無法供給的狀況，還要用僅有的流水去供給周邊水草生物的成活。讓本就脆弱到石羊河流域承受著巨大的供水壓力。通過分析壓力來源和壓力程度的大小，能夠更好地規(guī)劃石羊河流域水分的分配，減少外界壓力對其自身內(nèi)在系統(tǒng)的干擾和破壞。更快更好地改善退化的流域，根據(jù)壓力值的分布去調(diào)節(jié)壓力、減小壓力。

3.2 狀態(tài)分析

整體上來看，江河流域的生態(tài)活力主要以天祝為最佳，以金川區(qū)為最差，生態(tài)活力與其植被分布范圍和密度有巨大的聯(lián)系。根據(jù)流域內(nèi)部景觀多樣性和具體對應(yīng)的植被分布面積從而得到相應(yīng)指標，發(fā)現(xiàn)指標降低的都分布于山區(qū)，這些地方人類活動少植被覆蓋高。而受干擾程度最大的，主要是城鎮(zhèn)、市區(qū)中心，而組織指標較好的區(qū)域則分布于濕度干擾狀態(tài)下的低值區(qū)域之間的國度地帶，尤其是古浪，這里是森林面積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、類型多樣。健康的生態(tài)系統(tǒng)對干擾具有抵抗和彈性的能力，彈性越大，系統(tǒng)就越健康。從彈性指標的分布可以看出，彈性指標的高值區(qū)域位于林地茂密、水源地、農(nóng)田較多的肅南裕固族自治縣、天祝藏族自治縣和古浪縣，低值區(qū)域分布于民勤和金川區(qū)。

3.3 生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價

以PSR模型對石羊河流域生態(tài)健康進行綜合評價，結(jié)果表明，石羊河生態(tài)系統(tǒng)很健康區(qū)域為肅南裕固族自治縣，健康區(qū)域為天祝藏族自治縣和古浪縣，亞健康區(qū)域為涼州區(qū)，不健康區(qū)域為民勤，金川區(qū)由于人口密度大，人類干擾的作用較為顯著，生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理，系統(tǒng)活力較低，自然生態(tài)系統(tǒng)處于嚴重退化階段，故金川區(qū)為疾病區(qū)域。

4 討論

本研究采用RS與GIS技術(shù)，獲取了生態(tài)系統(tǒng)健康的定量評價指標，以景觀尺度對石羊河流域的綜合治理提供了參考。研究結(jié)果表明：遙感和地理信息技術(shù)可以用來做區(qū)域性的生態(tài)健康評價，研究結(jié)果精度較高、直觀，生態(tài)健康的等級劃分對區(qū)域生態(tài)安全有一定預(yù)警作用；PSR模型計算得出城鎮(zhèn)地區(qū)由于路面硬化、植被缺失、規(guī)劃不合理和環(huán)境污染等因素一般都處于亞健康狀態(tài)，應(yīng)該作為區(qū)域景觀格局優(yōu)化和生態(tài)恢復(fù)的重點區(qū)域；石羊河生態(tài)系統(tǒng)很健康區(qū)域為肅南裕固族自治縣，健康區(qū)域為天祝藏族自治縣和古浪縣，亞健康區(qū)域為涼州區(qū)，不健康區(qū)域為民勤。金川區(qū)為疾病區(qū)域；要保護石羊河，注意上、中、下游的水資源的合理分配，注重保護森林資源。限于石羊河流域生態(tài)環(huán)境資料欠缺，文章設(shè)計的生態(tài)健康評價指標體系尚不完善，為了追求更加合理科學(xué)的體系建設(shè)，需要我國生態(tài)學(xué)環(huán)境學(xué)的工作人員不斷去努力探索。