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自然地理学论文 安宁河流域生态环境脆弱性评价研究

2018-12-06 11:45:40来源:组稿人论文网作者:婷婷

  第1章绪论

  1.1研究背景

  1.1.1环境保护问题已成为全人类共同关注的焦点

  随着高新技术产业的快速发展,人们的收入有了大幅度的增加,物质财富随之提升,发展的同时,人类社会对自然资源过度开发利用,导致了全球气候变化、人与土地之间的关系日益紧张、加剧了环境退化,导致了日益恶化的生态环境的出现,它严重危害了人类的财产安全、生命健康和经济社会发展。因此,处理好经济发展与保护自然之间的关系,协调好人口、资源和环境之间的发展关系特别重要。环境保护事业在20世纪后半叶开始出现。2009年12月气候大会在哥本哈根召开,环境保护问题再次成为国际社会关注的焦点,世界人民把实现人类社会可持续发展作为共同的目标。

  世界各国为了实现人口、资源与环境的协调可持续发展都将生态环境脆弱性作为研究的重点(国家自然科学基金委员会地理科学部,2006)。通过生态环境脆弱性评价的一系列研究,人们可以更加深刻的认识赖以生存的地球,还可以为保护环境、供给资源、减灾防灾等重大课题提供技术支持与科学依据,从而实现人类社会的可持续发展。

  《全国生态脆弱区保护规划纲要》于2008年9月由环境保护部编制(环境保护部,2008),主要目的是能够防止生态脆弱区再次遭到破坏,纲要实施的一个重要措施是控制生态退化,生态系统功能的恢复,生态环境质量的改善,还是促进区域经济,环境和社会协调发展的有效途径,从而更好地贯彻落实科学发展观。纲要中列出全国,西南山地脆弱区属于八大生态脆弱区之一,生态脆弱区的安宁河流位于该西南农牧交错生态有着“富饶美丽文明和谐的安宁河谷”是在2009年由四川省委、省政府提出建设,带动了凉山州经济的快速发展,提高了安宁河流域城乡居民发家致富实现小康生活目标的积极性。

  1.1.2 3S技术的发展为生态环境脆弱性评价研究带来了新的机遇

  高新技术的快速发展不断推动着人类社会的发展和经济繁荣。以GIS(Geographic information system,地理信息系统技术)、RS(Remote sensing,遥感技术)和GPS(Global Positioning System,全球定位系统)为具有代表的科学技术普遍的应用于日常生产生活中。地理信息系统具有强大的空间数据分析功能,遥感技术进行探测时时间短,效率高,可以实现对同一个地区的多次观测,全球定位系统的精确定位。传统的测量方法需要耗费大量的人员、设备和资金支持,3S技术,弥补了传统调查方法在生态环境脆弱性评价中的应用的不足,可以快速、准确、有效地提取关于生态环境的信息。除此之外,3S技术的发展也可为生态环境的保护提供全新的方式和技术支撑,保证了相关部门能做出正确决策,并为其提供科学依据(章远钱,2009;张红梅,2007;胡春华,2005;梅安新,2001)。1974年Friedmen等人提出了投影寻踪模型(Friedman J H,1974),主要的方法就是在低维子空间上反映出高维数据投影,通过在低维空间中对数据进行分析,发现自然环境的结构和特征,从而达到对高维数据进行分析和研究的目的。具有对人为的干扰表现出很强的抵抗性、对其进行稳健性估算和准确度高等优点,能在很大程度上提高生态环境评价的客观性,使评价结果更加精准。

  1.1.3安宁河流域重要的经济地位和生态地位

  安宁河流域位于四川省西南部,是四川省的第二大粮仓,也是四川省的第二大河谷平原,是发展西部经济的重要地带。流域区内矿产资源丰富,由于安宁河的特殊地理位置,区域内光热水资源也非常丰富,分布着广袤的肥田沃土,是长江上游农业资源最独特、最具优势、最丰富的地区。它得天独厚的自然地理环境及资源条件,使其成为凉山州、攀枝花市及四川省的聚宝盆。安宁河流域位于西南山地农牧交错带,在区域发展过程中具有重要的作用,它的生态状况对安宁河流域的工农业生产安全方面起着举足轻重的作用,在我国生态区域安全建设中发挥着十分重要的作用。

  1.2研究意义

  通过对生态环境进行脆弱性评价,可以了解区域生态环境的现状及其变化趋势,可以因地制宜的改造环境,为各种恢复生态环境工程提供科学的依据。同时通过对脆弱性的研究与评价,可以了解该地区生态环境的脆弱性,为生态环境的全面改善和恢复提供有利条件。

  安宁河所处的西南地区是我国重要的生态功能区,生物多样性丰富,其生态状况不仅影响区域的可持续发展,而且也影响到该地区下游的生态安全。但由于它处在海拔较高地区,自然条件很差,地质构造相当复杂,山坡陡山谷深使其形成了先天脆弱的生态环境,加之矿业、水电、林业及农牧业等资源长期不合理开发和利用导致其生态屏障功能不仅未能充分发挥,相反使其成为生态环境问题突出的区域,为此保护和建设该流域的生态环境具有十分重要的战略意义。为了追求经济的快速发展,人们盲目地开发资源,对区域的生态环境产生了重要影响。通过对安宁河流域生态环境进行脆弱性评价,可以更加清晰地认识该流域生态系统的特点及其环境变化中的人地关系。

  基于遥感数据和各种统计数据,运用RS与GIS技术分析安宁河流域生态环境的整体形势和区域差异,评价该流域的生态环境脆弱性状况,讨论影响其变化的驱动力因素,结合安宁河流域生态环境实际情况,有针对性地提出保护和改善该区域的对策措施,可以更好地构建长江上游生态屏障,对维护四川省生态环境安全具有十分重要的意义。

  1.3国内外研究综述

  1.3.1生态环境脆弱性的定义及形成原因

  经过长时间的发展,人与生态环境将逐渐稳定下来,但人类活动的大规模开发和自然灾害的发生,可严重破坏人与土地之间的均衡关系也将使生态环境更加脆弱,并继续朝退化或更糟的方向发展。(田亚平,邓运员,2006)。脆弱的生态环境,是那些在环境因素的变化条件下生态系统不稳定性,对各种因素反映灵敏,由于各种社会经济活动和人类活动的影响,生态环境的发展方向可能不利于对人类使用,在现有的经济,技术条件下,这种消极的趋势并没有得到有效缓解,发而变成了连续区域。(冉圣宏,2002)生态环境脆弱性是生态系统在特定的时间和空间尺度下,由于对外界干扰表现出灵敏地反映和自我恢复能力,生态系统的环境脆弱性是人类活动和自然属性互动表现出的结果。生态环境脆弱性的概念是宏观的,不管其原因,外部表现和脆弱程度如何,在外界的干扰下,生态环境会朝恶化的方向发展,这些就应该视为脆弱生态环境,(蔡海生,2003)。对于生态脆弱性的概念,各个学科的专家学者从不同角度、不同层次并在其不同领域提出了许多不同的解释

  Blaike etc(1994)指出脆弱性是一种群体和个体的能力,包括预测、预防和处理自然灾害的不利影响及自我恢复能力;

  牛文元(牛文元,1989c)提出生态脆弱性主要表现为生态环境的变化率、生态系统抵御外界干扰的能力和生态系统对外界干扰呈现出一定的敏感性;

  王介勇等(王介勇,2004)将生态环境脆弱性以及在时间及空间上分布的不均衡性;

  乔青等(乔青,2008)认为生态环境对外界干扰的抵抗能力弱,恢复能力低。从一个状态到另一个状态的变化很容易,一旦改变,就很难回到原来的状态了。张鑫等(张鑫,2010)指出生态环境脆弱性是自然因素与人为因素相互作用的结果,受外界干扰的影响,在外部干扰下超出自身调节范围。

  虽然不同学者对生态脆弱性的表述不同,但是对生态脆弱性的含义形成了大量共识(姚建,2003;Kasperson R E,1993;卞建民,2001;赵跃龙,1996):

  第一,易受外界干扰,敏感性强,不稳定性和不可逆性。资源环境系统由于受到自然条件变化或外界干扰容易发生变化,变化可能朝正向或逆向发展;而一旦受到干扰后该系统易受到损坏,其自我恢复能力较差,难以恢复到初始状态,因此具有不可逆性,对人类社会的发展会造成一定的影响。

  第二,生态脆弱性的相对性。脆弱性是生态系统本身具有的特性,每一个生态系统都是软弱的,系统的绝对稳定性不存在。不同的生态系统脆弱性程度是不同的,随着人类活动对自然系统干扰的加剧,会使得一些相对稳定的生态系统退化,甚至成为脆弱的生态系统,而一些原本脆弱的生态系统经过人类的保护和建设之后可能成为较稳定的生态系统。

  第三,生态脆弱性的综合性和动态性。生态脆弱性和生态系统的组成结构与所处的自然环境和人类环境状况相关。物种的丰富程度、群落的组成及类型等能反映生态环境对外界干扰的敏感程度。生态因素的变化,造成脆弱程度的变化,甚至从稳定变得脆弱。也就是说一个区域的生态脆弱性不是永恒的,它与环境的发展变换有密切关系。

  第四,脆弱生态环境的可评价性、可调控性。通过生态环境脆弱性评价,可以了解一个区域的生态脆弱性状况;人类可以对处于脆弱状态的区域或区域未来的生态环境脆弱状况进行预警和调控,通过建立相关的保障体系,采取有限措施,减少每种对生态环境造成影响的因子,把生态环境脆弱的因素为一个稳定的因素,实现两者之间的相互转移。

  在这项研究中,生态环境脆弱性被定义为:在一定时期内,由于外界环境的干扰,生态环境容易表现出高度的敏感性和不稳定性,易损坏,难以恢复。生态环境脆弱性与特定条件下的生态环境稳定性在一定的条件下相互转化。

  自然因素和人为因素是导致生态环境脆弱的主要因素,具体表现为(赵跃龙,1995):

  (1)自然因素

  自然因素主要由两个方面组成,即生态基质因子和生态动能因子,基质因素是城市区位的土地特性,主要包括:①地质构造:由于地质构造的自然要素化,相应地出现了相应的地质脆弱性因素。地质构造不稳定容易引发相当多的的地质灾类型害,如社会环境、滑坡、生物圈、地面下降、地面出现裂缝、地壳移动等,人类环境与地貌形态对应的发生变化,导致生态环境的结构和功能产生急速变化。②地貌特征:各类地貌形态也是生态环境脆弱性形成的主要自然因素之一。如以石灰岩为主的山地丘陵容易导致石化,滑坡泥石流主要发生在山地陡坡地段,滨河滨湖滨海易形成沙积地貌等等。③土壤质地:土壤质地是土壤物理性质之一,主要包括7种类型即沙土、沙壤土、粉沙壤土、壤土、粉沙粘壤土-粘壤、粘土及重粘土等(赵跃龙,1995b)。其中沙质土壤土抵抗干旱的能力弱,流动性大,含有的各种微量元素低,水土流失严重,不利于植物的生长;由于粘土及重粘土土块重量较大,土壤板结,导致透气性下降,同样对植物的生长不利。因此,土壤质地也是导致生态环境脆弱的主要自然原因。④生物群体脆弱因子:植物群体、动物群体和微生物群体是构成生物群体主要三种类型结构。一个地区的生物生产能力、生物物种种类以及生物覆盖面积会随着生物群体发展变化而变化。因此,生物群落是生态环境脆弱的重要原因。生态环境的能量基础是能量因子,它是由气候脆弱因子和水文脆弱因子组成。①气候脆弱因子:不同的气候类型也是导致生态环境脆弱性的重要因素,主要包括干早、寒冷和大风吹蚀等。一般来说,干早气候环境下,植物生长缓慢,严重情况下造成枯萎而导致生态环境更加脆弱;寒冻是指日均温0℃以下,则常导致寒潮天气的出现。中国的冬季寒冷而强烈的西北风,使得地表土壤风蚀,促进沙丘形成,导致了生态环境脆弱的不平衡。②水文脆弱因子:地表水和地下水是两个主要的脆弱因子,表层土壤由于受到地表水的强烈侵蚀,使得水土流失现象更加严重,导致生态环境脆弱;而地下水主要表现为水位下降,地面排水不畅,供水不畅等,这些都是导致生态环境脆弱性形成的原因,是主要的脆弱因子(赵桂久,1993;黄维友,2007)。

  (2)人为因素

  人类的生存发展与资源环境息息相关。如果人类的不合理开发和利用,将导致生态环境脆弱性的产生。人为因素使得生态环境脆弱性主要表现在下列几个方面:

  过度垦殖土地:土地利用类型多种多样。因地制宜合理开发利用土地资源对建立良好生态环境至关重要。但是,由于土地的不合理利用,土地开垦过度导致草原面积减少,荒漠化日益严重,生态环境更加脆弱。

  过度放牧:我国许多牧区都存在着超载放牧的现象。由于过度放牧,使得许多草场变为了流动沙丘,土壤的特性和结构发生变化,植被覆盖度减小,容易引起土地的荒漠化。

  不合理的灌溉:长期不合理的灌溉造成盐碱化。

  1.3.2国外生态环境脆弱性评价研究进展

  在许多环境问题的面前,人类更关心的还是生态环境的脆弱性(刘燕华,2001)。上世纪60年代,“脆弱性(vulnerability)”作为一个很好的概念术语最早被提出在法国。Albinet and Margat(Doerfliger N.et al,1999)第一次把它作为科学术语提出来。1981年Timmerman从度的角度来看,在地学领域,第一次提出脆弱性的概念。它被认为是系统在灾难发生时,系统具有负的响应,然后在许多研究领域该概念被应用。

  20世纪60年代以来,在自然和人为原因的共同作用脆弱的生态环境正在不断扩大,脆弱性程度不断加重,危害程度不断加深,生态环境脆弱性再次被学术界的专家学者所讨论。上世纪60年代的“国际生物圈计划”(IBP);70年代伟大的联合国教育、科学和文化组织发起的“人与生物圈计划”(MAB),强调了人类的社会经济活动对自然生态系统和生物圈的作用;80年代的“国际地圈与生物圈计划”(IGBP)中,生态环境脆弱性研究是社会环境研究中的一个重要领域。(牛文元,1989a)。

  1972年在斯德哥尔摩召开的“联合国人类环境会议”中,国际环境监测活动被联合国环境集团操作运行;1989年在布达佩斯召开的第七届SCOPE会议强调生态过渡区的概念,人们愿意把更多的时间和经历投入在在对脆弱生态环境的研究上(王让会,2001)。如美国学者Daniel(1981)从沙漠生态环境的水特征、物质循环和能量流动等特征出发,研究了荒漠生态系统的脆弱性,研究了荒漠生态系统的脆弱性。俄罗斯学者Kovshar(1991)研究了干旱环境下生态脆弱性的问题等。

  全球陆地观测系统,筹建于1993年,正式启动实施在1996年。。陆地、淡水和生物区系是它的主要包括对象,而生物的种类多样和种群居多是生物区系主要的构成方面。英国环境变化研究网络(ECN)、美国长期生态学研究网络(LTER)、德国陆地生态环境研究网络(TERN)等都是重要的国家生态环境研究和监测网络,它们提供了对全球生态环境脆弱性的研究提供了非常丰富的信息,具有非凡的意义。(刘燕华,2001)。

  在全球气候变化的大背景下,国外学者根据生态环境脆弱性的相关理论进行了大量研究,研究领域包括水资源(Hobbs B.F.,1997)、海岸(RichardJ.T,1997)、森林植被(Thomas Rosswall,1999)、土壤退化(Boix C,1995)等。国外学者在研究生态环境脆弱性方面,研究范围主要涵盖全球气候变化和人类生产活动的对生态环境脆弱性有着很大的影响,其中气候变化是影响脆弱生态区的降雨、植被的主要因素。

  在许许多多的科学技术手段中,3S技术()的发展,具有很好的技术支撑尤其在解决生态环境脆弱性问题方面。综合利用3S技术,将其广泛应用于生态环境脆弱性评价,特别是在结合遥感技术和地理信息系统技术,许多学者利用遥感图像融合和解译的数据,然后利用地理信息系统的空间分析功能,以获得更准确的数据和更准确的结果(Castaned A C,2005)。Alloza等(Alloza J.A,2006)评价了利用RS和GIS相结合的方法,实现了森林火灾的生态脆弱性,并进行了测绘方法和时间序列分析。Christian和Wolfgang在各项主要技术的支持下,监测了煤矿开采引起的一系列环境问题进行。(Moffat A,1994)。

  利用该模型对生态环境脆弱性进行评价已成为最常用的评价方法,因为有较强的说服力,所以在各种评价方法中经常被学者引用。同时,随着遥感和地理信息系统技术的发展和完善,各种软件的开发和应用,多变量、多数据系统的研究已跨出了新的一步。纵观未来,将3S技术与各种模型相结合运用到生态环境脆弱性评价的中,将是一个最主要的发展方向(刘燕华,2001)。

  1.3.3生态环境脆弱性评价国内研究进展

  生态脆弱区的概念最早出现在《自然保护大纲》,该大纲正式颁布于1984年。中国对生态环境的脆弱性研究相比其他世界各国比较晚,80年代末我国专家学者开始对生态过渡带进行研究。关于全球变化会议的召开,曾在1989年由中国科学院在北京学术报告会上畅谈,另外在1989年的8月由(CNC-IGBP)组织的气候变化第二次委员会议召开。这两次会议的召开促进了中国关于生态脆弱性的研究进展。杨明德的“论喀斯特环境的脆弱性”(杨明德,1990)一文中讨论脆弱性是较早的一篇研究环境脆弱性的文章。1989年,牛文元在生态数学语言的应用中,总结了脆弱带的宽度、重叠和脆弱性,并将生态脆弱带划分成七种类型(牛文元,1989b)。1990年,葛全胜(葛全胜,1990)指出中国一、二级台阶的交接处是若干气候带的过渡带,同时也是生物多样性区域,容易导致当地疾病和地震,该脆弱性特征是十分常见的。1992年,杨勤业(杨勤业,1992)等按照1:1000万编制了中国脆弱的生态环境形势和关键区域图,指出中国目前存在约80个生态环境轻度脆弱区,220个生态环境脆弱和110个生态环境严重脆弱区。我国“生态环境综合整治和修复技术研究”在“八五”期间开展(常学礼,1999)。该项目的实施使生态环境脆弱性的研究进入了发展阶段,取得了显著成效。

  我国3S集成技术的发展速度也很快,在3S技术支持下许多专家学者研究了生态环境的脆弱性。2001年,林年丰、汤洁教授(林年丰,汤洁,2005)利用地理信息系统技术,在“中国干旱半干旱区的环境演变与荒漠化的成因”一文中,对荒漠化、温湿和冷干气候三个时期的荒漠化进行定量研究,分析了20000年来各种因素的演变过程包括气温降水、风沙、黄土和第四纪环境,并指出了北方干旱和沙漠化的主要原因是青藏高原10000年以来的不断隆升。2003年蔡海生(蔡海生,2003)在“脆弱生态环境脆弱度评价研究进展”中论述了生态环境脆弱性评价指标的选取及脆弱性评价方法。2004年赵杰,赵士洞(赵杰,赵士洞,2004)等在“基于RS、GIS的奈曼旗土地覆盖/利用变化研究”中利用1980年和1996年的1:10万的TM遥感影像及各种统计数据,对奈曼旗市第二十世纪以来,从八十年代开始,对土地覆盖/土地利用变化进行了研究,并利用统计分析和空间分析方法对土地覆盖/土地利用变化的结构、数量和景观特征进行了分析,研究表明土地覆盖/土地利用变化是生态环境脆弱化一个主要影响因素。2008年荆玉平,张树文等(荆玉平,张树文,李颖,2008)利用遥感技术和GIS技术研究奈曼旗地区生态环境脆弱性与区域空间分布特征。

  通过以上的总结,对国内外生态环境脆弱性的研究重点是不同的。国外比较关注全球气候变化对脆弱生态环境的影响,而国内学者对不同类型生态环境脆弱性的分析与评价。因为人们对生态环境脆弱性的研究比较深入,更好地保护生态环境,实现协调可持续发展的目标。

  1.3.4生态环境脆弱性的评价方法

  生态环境脆弱性评价的一个关键步骤是评价方法的选择。目前国内学者根据时间情况从不同方面选择评价指标,建立了评价体系,并针对生态环境脆弱性提出了相应的评价方法。主要有:模糊综合评判法、生态脆弱指标法(EFI)、BP人工神经网络法、层次分析法(AHP)、主成分分析法等。

  模糊综合评判法:是一种基于模糊数学的评价方法,采用了模糊数学原理进行分析和评价。罗传秀(万洪秀,2006)等在“生态脆弱性评价研究”中首次使用模糊数学层次分析法建立博斯腾湖湿地的生态环境脆弱性模型,该地区的生态环境脆弱性分为不同的层次,并进行评估。覃小群等(覃小群,2005)对广西27个岩溶县作为研究对象,利用模糊综合分析法对其进行生态环境脆弱性评价。邹君等(邹君,2007)对衡阳盆地7个县(市)的农业水资源进行脆弱性研究,采用的方法是欧氏贴近度模糊物元模型。廖富强(章家恩,1999)等利用模糊数学分析了鄱阳湖典型湿地的脆弱性,建立了完整的生态环境脆弱性评价指标体系。

  BP人工神经网络法:在计算机技术的支持下,通过模拟人脑思维模式,运用联想和识别能力对指标进行评价。姚建(姚建,2004)使用的BP人工神经网络法神经对长江上游生态脆弱性进行评价,得出的结论为该地区生态脆弱等级为3级,是非常脆弱的地区;赵志峰(赵志峰,2008)在深刻研究脆弱生态环境性的基础上,利用人工神经网络方法评估内蒙古瞪口县脆弱的生态环境,得出该地区属于中度脆弱。

  主成分分析法:需要有高质量的数据作为支撑,在各种评价方法中比较常用。黄方(黄方,2003)等在GIS技术支持下,利用空间主成分分析方法对吉林省西部生态环境脆弱状况进行评价。

  层次分析法(AHP):是一种在定性评价基础上,然后在进行定量评价,是一种两者有效相结合的方法。赵艳霞等(赵艳霞,2007)对中国北方农牧交错带农业生态脆弱带的评价;倪深海等(倪深海,顾颖,王会容,2005)运用层次分析法对我国农业旱灾脆弱性进行分析,应用MapiGIS软件绘制出中国干旱农业脆弱性区划图。万洪秀等(万洪秀,孙占东,王润,2006)确定所选指标的权重所采用的就是层次分析法,采用综合指数法计算湿地的脆弱性。

  第2章研究的内容及方法

  2.1研究内容

  本研究在RS和GIS技术支持下,以地处我国西南山地农牧交错生态脆弱区核心地带的安宁河流域作为研究区,基于多时相遥感数据,采用监督分类结合目视解译的方法获取该区1993年、2013年的土地利用和植被覆盖数据。根据生态环境脆弱性评价指标的选取原则,结合安宁河流域的实际情况,建立安宁河流域脆弱生态环境评价指标体系,运用空间投影寻踪模型对其生态环境脆弱性进行评价,从而为区域生态环境的管理和建设提供技术支撑和科学依据。

  2.2研究方法

  本文结合安宁河流域生态环境实际情况,以地理信息系统技术和遥感技术为核心,将获得的数据作为基础,开展安宁河流域的生态环境脆弱性研究。

  (1)文献调查法

  在论文研究前期查阅了国内外相关文献,了解国内外有关生态环境脆弱性的基础理论、评价方法、评价指标及研究动态资料,并对安宁河流域生态环境现状进行了客观的分析。

  (2)实地调查法

  了解安宁河流域社会经济、资源和生态环境的具体情况主要的方式是通过实地走访,对研究区的生态环境进行了深入的了解。在论文的前期准备阶段,在安宁河流域收集相关部门的数据,进行归类、组织整理和分析,掌握论文写作的第一手资料,为安宁河流域进行生态环境评价提供良好的数据准备。

  (3)模型法

  本研究主要采用GIS技术和投影寻踪模型相结合对研究区生态环境脆弱性进行评价。上世纪70年代初Kruskal提出投影寻踪模型并进行试验。他将维数据投影到低维空间,并找到了数据的聚类结构,解决了化石的分类问题(张连蓬,2003)。1974年,Fridemna和Tukye提出了一种结合整体分散度和局部凝聚程度的新指标进行聚类分析,正式提出了投影寻踪概念。1981年,Fridemna等人(1981)经过实验,提出了投影寻踪回归、投影寻踪分类和投影寻踪密度估计。DiaeoniS,Friedman和JoneS一起讨论了投影寻踪的其他有关理论问题。1985年Hube概括和总结了之前学者的工作和结果。

  投影寻踪法的主要目标是分析高维数据,主要方法是将高维数据投影到低维子空间,寻找高维数据结构的投影。尤其是n维空间的投影系数的一维子空间然后找到变量m的关系,对数据点的集中和数据结构特征的考察提供了条件,通过绘制平面图,可以了解变量的变化趋势和因子投影,并提供高维数据分析的研究思路。投影追踪模型关键是发现最佳投影点,易于观测到高维数据结构,根据观测角度投影到低维空间,如投影在直线或平面的空间中,选择不同的投影,对原始数据结构的低维结构,多个低维结构的特征,特征的原始数据结构进行分析。

  该方法是直接使用计算机来减少高维数据的维数,然后进行数据分析,不需要人为地将高维数据排列在知识的形式中,通过减少维数自动寻找能反映高维空间数据结构的规律,投影寻踪模型的优点主要有:稳健性好、抗干扰性强和准确度高等。利用GIS软件,使用ARC/INFO中的栅格计算器工具,对获得的数据进行计算处理,找出所选指标的最优投影方向向量,最后确定评价模型所需要的综合指标。

  2.3技术路线

  按照脆弱性评价方法,制定了以下工作流程(具体技术路线见图2-1)。

  (1)收集资料、对数据进行分析和存储:通过查阅相关资料和实地调查,收集安宁河流域自然地理、社会经济、遥感数据等资料,对其进行分析和存储。

  (2)遥感数据处理:对获取的遥感数据进行处理,主要包括正射纠正、波段合成、图像分类、增强处理、数据融合等,从而得到满足不同要求的高质量的遥感影像。

  (3)评价指标体系的建立:在前人研究成果的基础上,结合流域生态环境的现状,依据一定的原则,建立科学合理的评价指标体系。

  (4)评价模型的建立:结合GIS技术和投影寻踪模型、安宁河流域生态环境评价模型的评价指标体系的建立,对其进行生态环境脆弱性评价。

  (5)评价结果分级:根据生态环境脆弱性指数(EVI)、分级标准和评价结果对研究区的生态环境进行分级。

  (6)综合评价:利用生态环境脆弱性综合指数(E)和评价分级结果对安宁河流域进行分析,找出影响其变化的原因。

  (7)提出建议与意见:根据分析结果和安宁河流域环境脆弱性的情况,将其分为三个区域,进行生态恢复和重建,提出建设性的意见,为当地政府部门做出正确的决策提供科学依据。

  第3章研究区概况

  3.1自然环境状况

  3.1.1地理位置

  安宁河流域地处四川省西南部(图3-1),介于102°06′51″E-102°10′14″E,26°38′11″N-29°02′24″N之间,发源于凉山州冕宁县北部,在雅砻江下游左岸的支流中,安宁河是最大支流。安宁河流域长度为337km,流经凉山州的冕宁、西昌、德昌3个县市,于攀枝花米易县汇入雅砻江,流域面积约11150km2。安宁河流域与四川省及云南省的多个地区相邻,古老的“南方丝绸之路”穿行其间,自古以来就是西南地区的重要区域和交通要地。

  3.1.2地质地貌

  安宁河流域呈狭长形状分布,南北长约326 km,东西宽26-75 km,地势北高南低,西高东低,海拔在900m-4750m之间,呈SN向延伸,山区河流体系的形成与地质构造密切相关。主要地貌类型为:高山、中山的结构、冰川侵蚀、侵蚀和堆积的河谷和山脉的侵蚀。以沉积岩为主的区域主要分布在安宁河流域的东部,以岩浆岩为主的区域主要分布在西部,主要为第四系堆积河谷和山间盆地。本区位于康滇地轴中部和北部,属于四川云南纬向构造带(许向宁,2004)。安宁河流域地质构造复杂,位于安宁河-小江活动断裂带和西昌-东川地震带,新构造运动强烈,是地震频发区,频度不大,裂度较高,西昌的邛海和泸山就是由于地震中地壳断陷形成的。

  3.1.3水文特征

  安宁河共有大小支流14条,特点是短小水急,是典型的羽状水系。沿途面积较大的支流有孙水河、海河、锦川河、茨达河等。流域面积500km2以上的支流中,只有茨达河在右岸注入,其余都在左岸注入。冕宁以上为上游谷地,是一个峡谷,不超过100米宽,窄处只有30-50m,水面30-60m,河谷以宽谷为主;中游为冕宁到德昌段,长135km,谷宽2-5km,西昌达8-12km。河谷全为宽谷,地势平坦,是凉山彝族自治州发展农业最重要的地区。有许多河流浅滩、心滩、沙,两岸多冲积扇阶地;下游主要分布在德昌以下的河段,长130km,泸沽至西昌一带是洪水灾害的易发区。

  3.1.4气候概况

  安宁河流域气候类型为中亚热带季风气候,雨量充沛,多年平均降水量为1240mm,多年年均气温17-19℃。降水的季节分布和区域分布不平衡,有明显的雨和旱期。每年六月至十月是雨季,雨季降水量大,一般占年降水量的90%以上,暴雨、夜雨发生的频率较高。洪水发生的时间、持续时间和强度与暴雨的持续时间和强度密切相关。十一月到次年的五月为旱季,降水少,蒸发量大。

  由于安宁河流域起伏的地形,陡峭的山谷,支流汇流时间短,山洪突发性强,易于成灾。

  降水的地区分布差异大。总的趋势是在山区降雨较大,降雨少的地方位于河谷区。安宁河谷位于西南季风的主要通道上,为水汽输送提供了便利的条件。因此,整个盆地位于河源的多雨中心,年平均降水量为2200mm;次多雨中心主要分布在支流孙水河、锦川河及茨达河一带,多年平均降水量为1200mm-1400mm;降雨相对较少的地区是以西昌为中心的河谷地带,但是全年的降雨量也高达1000mm左右。安宁河水量丰沛,在水电站的开发和建设及工农业生产等方面发挥了重要的作用。

  3.1.5自然资源

  安宁河流域矿产资源丰富,其优势矿产主要有钒、钛磁铁矿、铁矿、铅、锌及锡等,是我国乃至世界上资源丰富、组合优越的聚宝盆;安宁河流域降水充沛,支流众多,水资源丰富;优越的气候条件使得该地区光热水土资源丰富,为发展立体农业提供了条件,成为四川省的第二个“西南粮仓”,是发展中国西南农业的后备基地;植被资源多样性,在干热河谷底部发展热带稀树草原上的草的主要特征,热带、亚热带植物主要分布在河谷盆地和梯田。云南松林和松栎混交林在中山山地大面积的分布,亚热带偏干性常绿阔叶林在沟谷地区仍有保存,高山有冷杉林,冷杉,云杉混交林分布。该区有国家一级保护植物,中国的特有种攀枝花苏铁;流域内旅游资源丰富,组合性好,特色鲜明,西昌邛海、螺髻山古冰川风景区列入第四批国家级风景名胜区名单,泸山风景区被列为四川省级风景名胜区之一。安宁河流域丰富的自然资源,密集分布,为当地经济和社会发展提供了良好的基础。

  3.2社会经济概况

  安宁河主要流经凉山州的冕宁、西昌、德昌及攀枝花的米易四县市。它不仅是凉山州、攀枝花市而且也是四川省的聚宝盆。近年来,随着国家有关部门的大力支持,安宁河谷地带经济快速发展,成昆铁路电气化改造已经完成,成都-西昌-攀枝花高速公路的兴建在带动区域经济发展方面发挥重要的作用。2013年攀西战略资源创新开发试验区成立,西昌市已列入其中,将成为中国西部迅速发展的新兴城市。冕宁大桥水库的修建在防洪、水利、发电等方面发挥了重大的作用,“退耕还林还草”和“天保”工程也顺利展开。纵观未来,安宁河流域将会成为我国西南地区矿产资源、农业、旅游等资源综合开发的重要地方。

  冕宁县(四川省喜德县志编纂委员会,1992)位于凉山州北部,安宁河发源于境内,地理位置十分重要,是四川往来于西南边陲的重要通道之一。纵贯安宁河流域,冕宁县属攀西地区精华地带,有“攀西龙头”的称号。西部大开发政策实施以后,四川省委、省政府把“攀西地区”作为开发重点,冕宁县在西部大开发中区位优势十分明显。西昌市(四川省西昌市志编纂委员会,1996),位于四川第二大平原-安宁河平原腹地,是凉山州的州政府所在地,是攀西地区的政治、经济、文化及交通中心,是四川省和云南省结合处的重要城市,是打造四川省攀西城市群的核心力量。德昌位于凉山州的中部,是中国攀西战略资源创新开发实验区的重要节点;是安宁河谷地区率先发展的核心地带;是凉山州实施西昌、德昌、冕宁同城化发展的重要城市。米易县位于攀枝花北部,境内有26个民族,包括汉、彝、傈僳等,是一个享受少数民族地区待遇的县城。

  安宁河流域是凉山州发展农业的良田沃土,在增加农民收入、发展农村经济、建设中国特色社会主义新农村和实现农业的现代化等方面做出了巨大的贡献。安宁河流域条件优越,特别是改革开放30年来,国家经济迅猛发展,通过实施惠农支农政策、引进大项目大工程及农村经济本身的快速发展,安宁河谷流域进入了蓬勃发展的新时期,经济实力实力强,发展速度快。经济发展环境的改善和优化,提高了农民生产的积极性和主动性,一心一意谋生产,逐步走上小康道路,经济环境日益优化,农村经济和农业生产也在创新环境中不断发展。安宁河谷各县市在基础设施建设、新农村建设、城镇功能提升等方面投入大量资金,打造新兴工业园区,成效显著。安宁河谷流域的信息技术的快速发展,拓展了农业发展的领域,提高了农村经济效益,为各项事业的发展提供了快捷便利的条件(黎明,2009)。

  3.3安宁河流域生态环境问题

  (1)水土流失现象严重

  在安宁河流域岩石破碎,相对高差大,降水集中、矿产资源开发、陡坡开垦,导致更严重的土壤侵蚀问题。水土流失的主要形式是面蚀,并伴有重力侵蚀包括沟蚀和滑坡、崩塌等。其中,沟蚀主要发生在冕宁、德昌一带;面蚀主要在德昌以南地区。水土流失减少了土壤肥力、土壤退化和变薄,导致耕地面积减少,农业产量下降。水土流失造成水库、河道淤积、湖泊面积缩小,如西昌邛海水面面积减小主要原因是鹅掌河的淤积物每年向邛海推进。

  (2)矿产资源过度开发

  安宁河流域矿产资源丰富,对经济的发展起到了促进作用。但是由于每年开采规模不断扩张,使得矿区周围的生态环境遭到了破坏。由于不合理的开挖和不适当的堆渣,当遇到持续暴雨就会引起一系列灾害问题的出现,如泥石流、滑坡、矿坑涌水等;同时矿渣、尾矿废水中含有的重金属元素会污染土壤、地表水和地下水,从而影响农业生产,对人类身体健康产生危害。矿山开采也会导致放射性污染。

  (3)自然灾害问题

  安宁河流域分布有安宁河断裂带,西昌附近的则木河断裂带、冕宁附近的南河断裂带等。历史上强震、中强地震在这些交接带上均有发生。从古至今,地震使地形地貌遭受了不同规模的变形和破坏、山林被毁、人类居住地被破坏、工农业生产受到不同程度的影响。此外,地震还可导致地下水中化学元素的分布状况发生改变,原有的元素供应条件被打破,对人们的身体健康产生一定的影响。

  安宁河流域的地质灾害频发,泥石流、滑坡等年年发生并形成灾害,其中泥石流灾害最为严重。这些灾害严重影响铁路、公路的交通和运输,危害工农业生产和人民的生活环境。第4章安宁河流域生态环境脆弱性评价体系的构建

  4.1研究的相关理论

  安宁河流域生态环境具有自身典型的特点。因此,为了准确、客观地评价安宁河流域生态环境脆弱性,需要相关的理论作为一种支撑。在综合考虑安宁河流域生态环境脆弱性成因的基础上,采用可持续发展论、生态学理论和生态承载力理论等作为本文的理论基础。

  (1)可持续发展论:由于经济的快速发展,资源耗损日益严重,环境问题日趋紧张,可持续发展理论应运而生,该理论是一种解决人地关系矛盾的发展模式或指导思想(赵跃龙,1999)。可持续发展的核心内容是人类的永久生存和发展,在充分考虑资源承载力和环境的承载力前提下实现人的经济环境和社会环境的全面进步,实现人口、资源、环境的协调发展(徐建华,2002)。可持续发展理论的提出,使人们意识到生态环境在社会经济发展中的作用。

  (2)生态学理论:生态学是一个学科名词,其意为“住所”或“栖息地”。1866年德国博物学家EHaeckel在《普通生物形态学》一书中首次提出生态学的概念,EHaeckel认为生态学主要是研究生物在其生活过程中与周围环境的关系,特别是指动物与动物之间及动物和植物间的互惠或敌对关系(李博,2000)。生态系统是一个非常重要的概念在当代生态学中意义重大,它是指生物体与环境构成一个一体化的整体,整体和生物体之间在它们所处环境中不断的进行物质循环和能量流动。

  (3)生态承载力理论:生态承载力通常也被称为生态环境承载力或生态系统承载力。作为可持续发展的重要支撑理论之一的生态承载力,包括两层基本涵义:一是指生态系统的自我调整和自我保护能力,资源环境子系统的承载能力是生态承载力的支撑部分;第二层涵义是生态承载力是指生态系统在经济和社会发展能力上的压力。生态承载力的研究对象主要包括两个方面:生态系统和以人类活动为主的外界干扰。

  4.3安宁河流域生态环境脆弱性评价指标的选择

  4.3.1评价指标体系的构建的原则

  安宁河流域生态环境脆弱性评价是一项涉及多学科的体系,各个评价指标之间既相互联系,又都具有不同的特征,可以从不同的角度进行说明。建立合理的评价指标体系对安宁河流域生态环境脆弱性评价至关重要,指标体系构建的合理性直接关系到安宁河流域生态环境评价结果的科学性。为了使建立的评价指标体系能够合理完整的反映安宁河流域生态环境状况,指标体系进行构建时应当遵循以下原则:

  (1)科学性原则

  评价因子的选取及评价模式的构建,要有科学依据,目的也要明确。各种因子及模式都有自己的内涵及特点,能客观反映生态环境脆弱性的基本特征;同时,要明确指标的概念,要确保每一个指标都有其自身的意义,只有这样才能保证评价结果更加准确、客观(周华荣,2000)。

  (2)代表性

  在进行生态环境脆弱性评价时,选取的指标体系是一个复杂的有机整体。选定的评价指标应是最具代表性的区域本身固有的性质,以及由于外界干扰被破坏的水平,使评价结果更科学(林茂昌,2005)。因此,在进行脆弱性评价时应当选取具有一定代表性的典型指标来建立评价模型,能够确切清楚的反映出评价区域内社会、经济和环境等多方面的问题。

  (3)整体性原则

  生态环境脆弱性的影响因素是多方面的,也是一个不可分割的整体,在选择评价因子时,应保证能从不同的角度反映生态环境脆弱性的主要特点和态势,系统的动态化及发展方向。因此要对经济、自然、社会等方面进行综合考虑,这样才能更合理、更全面的对生态环境的脆弱性进行评价。

  (4)可操作性原则

  可操作性原则指在选取评价指标体系时不仅要考虑全面性、客观性,还要考虑实用性和可操作性,即评价指标体系要简洁完整、计算方法简单,评估具有实际的社会意义,同时应根据现有的资料用于数据的加工与统计过程中,将理论更好的运用到实践当中。

  4.2数据来源与处理

  本文研究中所使用的数据主要包括空间数据和属性数据。空间数据:①1993年和2013年TM图像,来自中国科学院对地观测中心及国际科学数据服务平台;②DEM数据,来自国际科学数据服务平台;③土壤类型和土壤侵蚀数据,来源与中国土壤数据库。属性数据:=1\*GB3①研究区的人口和GDP数据,来自凉山州及攀枝花年鉴;=2\*GB3②降水和气温数据,源于中国气象数据共享服务网。将收集的数据进行处理,处理步骤主要包括:

  (1)专题数据获取:将研究区TM图像进行解译,利用计算机非监督分类提取,结合目视解译的方法解译出研究区土地利用数据,然后进行野外验证解译精度,通过验证得出安宁河流域土地利用类型的解译精度在90%以上;

  (2)利用研究区TM图像经过波段计算得到研究区两个时期的植被指数;基于DEM(数字高程模型)数据派生出该区的高程和坡度数据;将人口、GDP、气温和降水数据转换为空间数据,主要方法是在ArcGIS软件中利用空间数据插值。

  (3)选择坐标系和投影参数。为了保证研究区不同数据具有良好的空间重合性,本研究使用等面积投影,1954北京坐标系,克拉索夫斯基椭球体,具体投影参数为:初始经度110°E,初始纬度0°,双标准纬线25°和47°。

  (4)栅格数据生成:GIS栅格数据具有很好的空间分析功能,为实现代数和逻辑运算,本研究将所有专题数据转为栅格数据,栅格大小为250m×250m。

  4.3.2评价因子的选取

  本文从安宁河流域生态环境的地域特点出发,并综合考虑安宁河流域生态环境存在的问题,选取高程(elevation)、坡度(slope)、植被覆盖(vegetation)、土地利用(land use)、土壤类型(soil type)、土壤侵蚀(soil erosion)、气温(temperature)、降水(precipitation)、GDP和人口密度(population density)作为研究区生态环境脆弱性评价指标(表4-1、图4-1、图4-2)。

  上述所选取的生态环境脆弱性的评价指标由于维数不一致,不具有可比性。为了确定每个因子对生态脆弱性的影响程度,将其划分为五个等级,本文的划分方法主要有两种:

  (1)一种是根据已有成果进行划分。就土地利用而言(刘咏梅,2005;唐秀美,2010)将有林地和沼泽分为第1级;疏林地、草地分为第2级;河流、湖泊等水域分为第3级;城镇用地、矿区等建设用地分为第4级;冰川、裸岩、裸地等未利用地分为第5级。就土壤类型而言,根据土壤类型的可蚀性K值(于东升,2009;吴昌广,2010;门明新,2004;梁音,2013)确定不同土壤类型对生态环境脆弱性的影响程度。

  (2)另一种是对数据进行聚类分级。将高程、人口、GDP、坡度、NDVI、降水、气温这些数据运用聚类原理采用自然断点法进行分级。自然断点法是一种根据统计分布的分类和统计方法,用统计公式来确定自然聚类的属性值,减少同一层次上的差异,使之间的差异增大,它可以使类间的不同数值最大化(苏军锋,肖志强,魏邦宪,等,2012)。

  第5章安宁河流域生态环境脆弱性评价模型研究

  5.1评价模型

  生态环境脆弱性评价的主要目的是利用特定的模型将若干特征指标转化为综合评价指标(Feng et al.,2003;;Zhao,2008;Qiao et al.,2008)。本研究主要采用GIS技术和投影寻踪模型相结合构建空间投影寻踪模型对安宁河流域生态环境脆弱性进行评价。其主要思路为在GIS软件支持下,基于GIS的空间分析功能,利用空间投影寻踪模型寻找所选评价指标的最优投影方向向量,利用综合指数确定最后评价模型。具体步骤如下(Kim-Cohen et al.,2006):

  =1\*GB3①数据标准化:对原始数据进行的标准化利用公式(5-1):

  其中,QUOTE axy代表指标QUOTE x的栅格数据QUOTE y的标准化值,QUOTE bxy表示指标QUOTE x的栅格数据QUOTE y的真实值,表示指标QUOTE x的最大栅格数值,表示指标QUOTE x的最小栅格数值。

  ②计算投影特征值:进行评价时,设第个样本的第个指标为(=1,2,3……;=1,2,3……)QUOTEγnm(n=1,2,3….s;m=1,2,3….t)。QUOTE s为选取评价生态环境样本个数,QUOTE t为评价指标脆弱性个数,根据公式(5-1)和评价指标计算其投影特征值。设QUOTEQUOTE u为QUOTE t维单位投影的方向变化向量,则在一维线性投影空间的投影方向特征值可描述为:QUOTE

  ③建立投影目标函数:区域生态环境脆弱性综合评价在指标体系的基础上,建立了区域生态环境脆弱性综合评价模型,对评价样本进行了合理分类,从而形成分类指数。而指标的分类就是寻求使多维数据的分类在一维线性空间的类内间距密度和类间距离QUOTE同时散布投影结构满足最大值。因此,定义投影指标为:

  利用评价指标序列投影特征值计算类间的距离,如公式(5-4):

  式中,为投影特征值平均值,类间散布随值的增大而增大。

  利用两个投影特征值之间的距离QUOTE Tnl=αn-αl(l=1,2,3…..s)来计算类内密度,如公式(5-5):

  公式(5-5)中,QUOTE Q要估计的局部散射密度的宽度,这是相关的数据的特性,大量研究表明QUOTE Q的取值范围为QUOTE maxTnl+t/2≤Q≤2t,一般可取QUOTE Q=t=;QUOTE f(Q-Tnl)为阶跃函数,当>时,QUOTE f(Q-Tnl)=1=1,反之为0。通过研究发现类内密度,聚类越大,聚类结果越明显。

  ④优化投影方向:在脆弱性评价指标和脆弱性评价样本集给定的情况下,投影指标会随投影方向的变化而变化。不同的投影方向可以反映不同生态环境的数据结构特征,最佳的投影方向是反映高维数据特征结构的投影方向。通过求解投影指数函数最大化问题,可以选择最佳的投影方向。因此,寻找最优投影方向的方法就可以转化为公式(5-6),这是用来描述的非线性优化问题。

  ⑤综合评价:根据优化的最佳方向向量,可以计算出反映各个特征指标的综合信息,从而根据综合信息的差异水平对环境脆弱性做出评价。本文主要采用生态环境脆弱性指数()来定量表示生态环境脆弱性程度。是指若干特征指标的加权和,将各特征指标所对应的最优方向向量的最大值作为权重,公式如(5-7)所示:

  式中,是所选评价指标,是它所对应的相应的权重,也就是所对应最优方向向量的最大值。结合每个特征指标及其对应权值,进行代数运算得到综合评价指数()。的值越小,表示其生态环境越脆弱。

  5.2评价指标权重的确定

  一个投影追踪模型是基于生态环境质量指标值的标准分类,其中,。计算得最优投影方向向量:

  A=(DEM,LUCC,GDP,Precipitation,NDVI,Slope,Temperature,Population,Soil type)

  由于所求最优方向向量是一个连续的数据,因此所求权值应选取最优方向向量的每个分向量的最大值。故其每个特征值对应的权值如表5-1。

  根据本研究计算EVI的线性公式如下所示:EVI1993=0.143524×Y1+0.151968×Y2+0.187921×Y3+0.081487×Y4-0.005933×Y5-0.000838×Y6-0.000067×Y7+0.116648×Y8+0.191641×Y9+0.133650×Y10

  EVI2013=0.148603×Y1+0.136961×Y2+0.226772×Y3+0.105291×Y4-0.02459×Y5-0.00165×Y6-0.00018×Y7+0.105228×Y8+0.151906×Y9+0.151663×Y9

  在公式中,EVI是生态环境脆弱性指标,Y1-Y10分别对应两个时期的高程,坡度,土地利用数据,GDP,降水数据,植被覆盖,气温数据,人口数据,土壤类型数据,土壤侵蚀数据。

  5.3生态环境脆弱性评价分级方法

  上述得到的生态环境脆弱性评价是一个连续的结果,应该将其分类以确定不同生态环境脆弱性的级别,以便于更加清楚的认识研究区生态环境脆弱性这一课题。客观逻辑的分类对于安宁河流域生态环境脆弱性评价结果十分重要(苏耀明,2007),根据直方图进行分类是一种比较客观的方法(衷平,杨志峰,崔保山,等,2005)。本研究依据研究区生态环境脆弱性评价结果直方图采用自然断点分类法对评价结果进行聚类分级。自然断点分类法是目前较常用的数据分类法,主要是通过查找数据值差异较大的相邻要素对来使用统计方法确定分类间隔。自然断点分类的原则是:在统计学上可以用来测量方差,计算每个类的方差是第一步,第二就是计算这些方差相加,计算得出相应的总和,第三,利用方差和大小来比较好或坏的分类。因此,计算每个分类的方差至关重要,数值最小的就是最优的分类结果,但不是唯一的一个。通过观察数据分布直方图,可以发现断裂之处与Natural Breaks方法计算出来的断点(阈值)是一致的,因此自然断点法是一种“自然”的分类方法,可以很好地聚在一起,类与类之间的差异是明显的,类内部的差异相对来说比较小,每一类之间都有一个较为明显的破损点。因此,本研究应用自然断点法通过分析研究区生态环境脆弱性结果的自然属性来找出不同类的间断点(阈值)从而进行生态环境脆弱性类别的划分。通过这一标准,将研究区内的生态环境脆弱性分为5个等级(黄方,2003;蔡海生,2009):潜在脆弱,微度脆弱,低度脆弱,中度脆弱,高度脆弱。生态环境脆弱性等级的划使得评价结果更强的直观性,并且为研究区生态环境脆弱性评价样本数据的科学选取提供了基础。每一级别都具有其典型特征,如表5-2所示。

  5.4整体变化趋势分析

  为了对生态环境的变化趋势进行定量分析,拟定一个代表整个区域生态环境脆弱性情况的综合指数非常必要。本研究采用生态环境脆弱性综合指数表示生态环境的变化趋势,其计算公式如(5-8)所示:

  (5-8)

  式中,QUOTE i是评价等级,为总的评价等级数,是等级QUOTE i在评级单元QUOTE j中所占的面积,QUOTE SAj是评价单元QUOTE j的面积,QUOTE PiQUOTE Pi是等级QUOTE i的分级值。根据脆弱性级别,给每一级别分别赋一个定量值:潜在性脆弱赋值1,微度脆弱赋值2,低度脆弱赋值3,中度脆弱赋值4,高度脆弱赋值5。生态环境脆弱性综合指数的值越小,表示生态环境整体越好,反之则越脆弱。

  第6章结果分析

  6.1安宁河流域脆弱生态环境脆弱度等级分布

  根据上述已建立的安宁河流域生态脆弱性评价方法,研究区生态环境脆弱性分级评价结果如表6-1、图6-1所示,根据评价结果,通过对研究区1993年和2013年5个脆弱级别栅格数占栅格总数的比例进行分析可以看出研究区脆弱等级的分布情况为:重度脆弱比例最小,潜在脆弱次之,,其次是轻度脆弱,再次是低度脆弱,微度脆弱比例最大。2013年安宁河流域比例最小的重度脆弱占4.89%,潜在脆弱占到14.79%,轻度脆弱占到18.94%,低度脆弱占到27.21%,微度脆弱占到34.18%。研究区微度脆弱区和低度脆弱区所占的比例超过了百分之六十,因此可以判断安宁河流域的生态环境处于中等水平。

  6.2安宁河流域脆弱生态环境脆弱性变化趋势

  由表6-1可知,相比1993年,安宁河流域2013年潜在性脆弱栅格数增加了0.66%;微度脆弱的栅格数减少1.35%;轻度脆弱的栅格数增加3.82%;中度脆弱的栅格数减少1.34%;重度脆弱的栅格数减少1.79%。

  由图6-1可以清晰明了的看出生态环境不同脆弱等级所占比例的变化趋势。在1993年到2013年间研究时段内潜在脆弱、中度脆弱地区的面积在增加,其余等级的面积都在减少。

  根据公式(8),可计算出不同时期整个研究区域的生态环境脆弱性综合指数值,安宁河流域在1993年和2013的值分别为2.70、2.65,20年间研究区生态环境整体状况变好。

  6.3安宁河流域生态环境变化原因分析

  对研究区生态脆弱性变化趋势进行分析后,还可进一步分析其引起变化的原因。在研究时间内,高程、坡度、土壤类型、土壤侵蚀等因子变化很小对生态环境脆弱性变化影响微乎其微,气温、降水等因子对生态环境变化的影响也非常有限。

  对比1993年、2013年的生态环境脆弱情况分布图,可以发现脆弱性分布变化趋势和林地覆被的变化趋势基本一致。由此可知,引起生态环境变化的主要因素是人类活动及社会经济情况的影响,在人为因素下,土地利用状况发生变化,从而引起生态环境的变化。2013年安宁河流域的生态环境相对1993年的生态环境有所好转,分析其原因主要是政府采取了退耕还林还草及天然林防护政策,人们开始植树造林使得生态环境得以重建,从而研究区林地滥砍滥伐现象明显好转,林地和草地面积有所增加,生态环境变好。

  在此期间,仍有部分地区有环境恶化的趋势,分析其原因:

  (1)水电资源的开发

  截止2013年研究区有二滩、锦屏以及冕宁大桥3座大型水库,其水域面积约为36.02km2。水电工程的建设促进了安宁河流域特色农业的发展,增强了水利保障能力,促进经济社会的快速发展。但安宁河流域地质条件脆弱,属地震高发区,水电开发对该流域生态环境和社会环境造成会不同程度的影响。水电基地的修建,一方面使地下水位抬升,扩大了水库的侵蚀范围以及导致该地区气候变化;另一方面使当地大量耕地、林地被淹没,破坏了当地的生态环境,其中耕地被淹没的面积为21.32km2,草地为12.02km2,其他为2.68km2。

  (2)采矿工业的发展

  研究区矿产资源丰富,多为大型露天开采矿山,矿山开发占地1993年为5.56km2,2013年为14.78km2。矿山开发对研究区生态环境的影响主要体现在以下方面:①对土地资源损毁及景观破坏的影响:如攀枝花、西昌太和铁矿以及冕宁牛坪稀土矿等,矿山开发毁坏了大量的草地、林地、农田(图6-4),到2013年为止由于矿山开发使得草地面积减少1.25km2、林地面积减少4.68km2,耕地面积减少1.56km2;②矿山地质灾害及隐患:遥感调查结果显示,研究区矿山开采共引发矿山地质灾害及隐患17处,其中滑坡1处、泥石流3处、13处灾害隐患点。研究区复杂地质构造和岩体结构破碎、稳定性差;地貌沟壑,高山,河谷,坡度陡峭,降雨集中,常形成暴雨。上述特殊的地质环境和气候特征,使矿山地质环境脆弱,而钒钛磁铁矿、稀土矿、大理石矿、硅石矿等采矿活动与废石堆积更是加剧了地质灾害发生的频率与强度。矿区挖掘大量的废土,垃圾没有固定的倾倒场所,一般都在沿线堆放,并且矿山开采产生的废弃物本身是非常松散的,堆积过程中容易形成较陡斜坡,遇到降雨天气,特别是大雨、暴雨,极易形成泥石流,产生较大的安全隐患。③污染水资源:主要表现为矿渣所含的重金属在雨水的淋滤下以及洗选废水直接排入河中严重污染了安宁河及其支流的水质,对农田和地下水造成污染,危害人体健康。冕宁稀土矿区稀土矿开采产生的固体废弃物及选矿造成的水体污染问题较为突出。一是稀土矿选矿洗选废水不经处理直接排放到安宁河主要支流南河中,而稀土洗选废水对水质危害较大,进而会威胁到人畜饮水及农作物灌溉安全。另一方面,在牦牛坪稀土矿开采区、三岔河稀土矿开采区以及下游选矿场沿南河堆积着大量固体废弃物,对河流水质造成比较严重的影响,进而影响到人畜饮水及农作物灌溉安全。受稀土矿洗选废水及固体废弃物污染的南河是安宁河重要支流,该支流直接流入安宁河,对安宁河水质有直接影响。研究区内的天宝山铅锌矿为我国著名的大型铅锌矿床。该矿自1970年开始开采,每年约有50万吨的尾矿废水排入安宁河支流摩娑河,经19公里汇入安宁河,受铅锌矿污染的河水用于灌溉农田,造成土壤重金属污染。

  (3)典型的干热河谷

  安宁河流域是典型的干旱河谷,由于地形遮挡,河谷狭窄,存在明显的干湿两季,降水在地区分布上不均匀,属于典型的干旱河谷。

  干热河谷地带生态环境脆弱,主要原因是气候干旱、水热不均。安宁河河谷降水存在着明显的旱雨两季,雨季的时间是五月到十月,雨量充沛,为旱季时间为每年的十一月到次年五月,降水量不足年均降水量的20%,在此期间,温度高,蒸发量大,土壤容易板结,植物生长受到抑制。安宁河谷平原及两岸的山地下部,生态环境脆弱主要表现为森林覆盖率低,土壤侵蚀严重,土地质量低,是地质灾害易发区。

  6.4安宁河流域生态环境的恢复与重建措施

  安宁河流域生态环境脆弱性问题是自然和人类行动的结果,必须通过实施技术和管理措施,调节人类经济和社会活动,保护和开发并重,才能使生态环境脆弱的生态环境综合整治、恢复和重建。

  6.4.1安宁河流域生态环境重建的原则

  (1)可持续发展的原则。评价生态环境的脆弱性主要目的在于改善脆弱的生态环境,实现可持续发展的目标。1994年《中国21世纪议程》在我国政府的审议下通过,该议程把经济、社会、资源与环境视为一个整体,激发了全民族的可持续发展意识(姚建,2001)。将可持续发展作为恢复和重建脆弱生态环境的最高原则,该原则主要表现在经济社会可持续发展、生态环境与经济可持续发展、资源的可持续利用。

  (2)因地制宜与突出重点相结合的原则。影响生态环境脆弱的因素多种多样主要表现在成因、形态及空间分布上。在重建生态环境时,为了制定科学合理、操作性强的措施,应考虑生态脆弱区的区域差异。在进行脆弱生态环境的恢复与重建时还应坚持突出重点的原则。首先,找出脆弱生态环境形成的主要原因,制定正确的解决方案。二是从大局出发,优先治理危害性较大的脆弱生态环境区。

  (3)资源开发利用与产业结构调整相结合的原则。由于人类经济和社会活动的不合理,生态脆弱地区的生态稳定性差,敏感性和变异性强。在区域的开发和建设过程中,还要将资源开发利用和调整产业结构结合起来,使人类活动的方式和强度,向着更有利于恢复和改善生态环境的方向发展,从而对环境没有任何破坏,可持续发展,避免环境恶化的进一步恶化(钟祥浩,2000)。

  6.4.2安宁河流域生态环境重建的措施

  在前人研究的基础上,为进一步研究安宁河流域生态环境状况,应该对生态脆弱性进行分区重建(Luers et al.,2003;Szlafsztein et al.,2007),并且进行分区时应该根据环境状况按自然边界对研究区进行分区(燕乃玲,2006;杨建平,2007)。本文依据安宁河流域的特征及生态恢复和重建工作的需要,结合生态环境脆弱性指标EVI将安宁河流域分为三个区域(图6-3),从而为当地生态重建提供依据。

  严格保护重度脆弱性地区(分区一)。该区域主要分布在冕宁县、西昌市西北部和德昌县东部,其面积为2730.58km2,占到研究区总面积的4.89%,人口密度低。有海拔4000米以上的山峰174座,山脊海拔高度在3500至4000米。地形主要以高山为主,主要的生态系统类型是低山灌木林、低山或中山常绿林、以及草地组成。

  由于该区域海拔较高,植被覆盖率低,因此其生态系统一旦被破坏就很难修复。为了防止严重脆弱化环境面积的进一步扩大,应当严格控制畜牧业,根据环境和土壤状况,选择合适的区域和适当的植物进行植树造林,提高植被覆盖度、防止水土流失、改变气候环境,是恢复和重建安宁河流域生态环境的重要措施。

  从冕宁县的大桥水库汇水盆地到攀枝花市盐边县境内植被稀疏,植被覆盖率低。因此,应进一步加强植树造林活动,各级政府部门应制定提高森林覆盖率目标,在种植水果类经济林,发展农业经济的同时,还要适当种植常绿的乔木及观赏林。

  通过退耕还林还草工程、天保工程,实现生态环境治理的目标。对现有的森林资源加强保护和管理,做好森林防火和森林病虫害防治等工作。

  禁止砍伐森林,在坡度大于25度的地方坚持退耕还林,促进了“干旱河谷系统,水土保持林营制造技术”和“小流域森林植被为主的综合治理技术。在恶劣的条件下,脆弱地区种植的草木、灌木、乔木等,逐步恢复森林植被,提高森林覆盖率。

  加强对轻度以及中度脆弱性地区的保护(分区二)。这类区域主要分布在研究区的中下游,其面积约为4665.13km2,占研究区总面积的46.15%。该区域的人口密度较低,主要人类活动是对矿山的开采,该区域地形以中山和中高山为主,其生态系统类型主要是中高山常绿阔叶林、草地、中高山灌木丛、以及少量高山针叶林组成。该区域是研究区植被覆盖率最高、生态系统最复杂的地区。

  安宁河流域内矿产资源种类丰富,矿产资源的合理开发利用,是发展该区经济的必由之路。在恢复、治理矿山的生态环境过程中要把矿产资源开发与生态环境保护结合起来。新的矿山应地质灾害风险评估和矿山环境影响评估,采取合理措施,矿山地质灾害预防和保护矿山环境,避免或减少矿山环境的不利影响,将损害程度降低到最小。不能开采时,对生态环境产生严重的破坏,破坏后在进行恢复和治理。,根据“预防为主和防治结合”的方针,在已经开采、正在开采或者是即将开采的矿山中,坚持矿产资源开发利用与生态环境保护并重,严格遵守环境影响评价机制和“三同时”制度、土地复垦制度和排污收费制度,改善矿山生态环境状况,建立环境保护型矿产企业。

  对矿产资源开发要有严格的准入制度。利用法律手段打击所有私人挖掘、滥用和破坏矿产资源和生态环境的违法行为;大量的矿区开采后对生态环境有很大的破坏,破坏后很难恢复,这种类型的矿产资源不能开发;将管理贯穿到开发的整个过程当中,对随意排放矿渣、污水和废水的行为进行惩罚。

  对安宁河流域的白马铁矿、牦牛坪稀土矿、潘家田铁矿、太和铁矿等开展矿区环境污染治理、植被恢复、地质灾害防治等活动。

  采用先进的技术开发矿产资源。科学技术的发展在矿产资源的开发过程中作用越来越大。以科技为先导,加强采矿、选矿等新技术、新工艺的研究与推广。要依靠科技进步,加快开发利用矿产资源方式的转变,对矿产品进行精加工、细加工,变资源优势为经济优势,提高矿产资源开发利用水平和效率。

  综合发展安宁河河谷等地势比较平缓的潜在性脆弱和微度脆弱性区域(分区三)。该区域在四个县均有分布,面积约为4000.15km2,占研究区总面积的48.97%,是研究区人口密度最大及经济发展的核心地区。该地区的地形主要以峡谷、地势比较平缓的草原及低山为主。主要生态系统类型低山灌木林、低山或中山常绿林、以及草地组成。

  在该区域要加强对水土流失的治理。在治理过程中要与发展农业相结合,在安宁河流域内大力发展以名、优、特、新为主的产品和企业,小流城内开发治理水土资源。但不是盲目地开发,应根据流域内的地形、地貌、气候和土壤类型,发展林业、牧业和果业。此外,必须治管并重。实现监管结合,有效益、有发展的良性循环,发挥水土保持综合治理的最大经济效益。强化水土流失预防监测体系建设,建立和完善水土流失监测站网,对潜在危险区域进行预防和保护措施,防止水土流失的发生与发展。

  加强和完善防灾减灾体系建设,提高人们的防灾减灾能力及抵御自然灾害的能力,对推动安宁河流域经济社会科学发展、环境保护具有极其重要的意义。①地震灾害的防治:对安宁河流域活动断层调查与地震危险性进行评价,在此基础上,在此基础上,综合加强地震预报、加快防灾救援体系建设,提高地震灾害处理能力,提高人们对地震灾害的应对能力。②地质灾害防治。应用3S(RS、GIS、GPS)等高新技术优势,要了解安宁河流域的地质灾害和隐患,编制地质灾害防治规划,加强地质灾害防治工作,建设监测预报系统,加大对重大工程项目地质灾害危险性评估,合理确定项目选址、布局,有效规避灾害风险。对人口密度较大地区的地质灾害采取必要的搬迁避让措施。③气候灾害防治。加强洪涝、干旱等气候灾害的防灾减灾工作,健全气象气候防灾减灾的法律法规体系,制定气象灾害调查、评估、统计及灾后重建等相关的技术标准。

  结论

  本文主要是在GIS和RS的支持下,利用空间投影寻踪模型确定最佳方向向量,以及每个评价指标的权重,建立评价模型对安宁河流域的生态系统脆弱性进行评价。通过全面的研究,得到以下结论:

  (1)1993年到2013年期间,研究区的生态环境脆弱性面积变化从大到小依次为低度脆弱、重度脆弱、微度脆弱、轻度脆弱以及潜在脆弱。

  (2)研究区内2013年比1993年生态环境有所改善,主要是在“自然林保护”、“退耕还林”、“天保”工程、限制牧民过度放牧等政策影响下,以及植树造林等生态复建相关措施开展实施的影响,使得研究区生态环境状况得以好转。

  (3)经过综合全面的研究论述,证明了GIS技术与投影寻踪模型相结合构建空间投影寻踪模型的方法具有良好的效果,在安宁河流域生态环境脆弱性评价研究中发挥了重要作用。与常规方法相比较,利用投影寻踪模型对生态环境脆弱性进行评价,操作简单,人为干扰少,客观性较强,能够更准确的从整体上反映安宁河流域的环境状况和变化趋势。根据此研究对安宁河流域的生态和经济发展提出了相应的建议,为区域生态环境的建设提供了科学的依据,更加具有说服力,对地区经济发展和人民生活水平的提高有一定的作用,容易被当地政府理解和接受从而制定相关政策。

  (4)生态环境脆弱性评价体系涉及自然、经济、社会和人文等诸多因素,但鉴于多方数据获取较难,本文所构建的评价指标体系具有一定的局限性。如人口密度指标数据来源于统计数据,时效性低,在今后的研究工作中还需要进一步讨论。

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