长江上游水源涵养区生态安全评价研究
  

长江上游水源涵养区生态安全评价研究

中国环境学会  2011年 03月31日


  董伟 舒俭民 中国环境科学研究院,北京 100012


  摘要:长江上游作为重要的水源涵养区,对长江流域的洪水控制起着至关重要的作用。本文通过GIS的手段,利用界定模型,划分出重点水源涵养区。并且根据P—S—R模型建立指标体系,采用层次分析—向量相似度—主成份投影综合评价模型对长江上游重点水源涵养区生态安全状况进行评价。结果表明,重点水源涵养区的总体生态安全状况不高,均处在较安全和不安全状态中,状况最好的县是双流县,最差的是巴塘县。本文探讨了重点水源涵养区的生态问题,其成因主要是人为因素,并提出对策建议。
  关键词:生态安全; 评价; 水源涵养区; 长江上游
   
  Study on the Assessment of Water Conservation Regions in the Upper Reach of Yangtze River
  DONG Wei  Shu Jianmin
  Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China
  Abstract: As the important water conservation regions, the Upper Reach of Yangtze River plays a key role of controlling flood in the whole watershed. In this paper, the key Water Conservation regions were delimited combined with the model and the unit of the spatial analysis of ARCGIS. A Multi-level and Multi-structure Index System for Eco-security assessment based upon PSR(Pressure–State–Response) model framework was build up. An eco –security assessment of the focus Water Conservation Regions was processed, by a combined application of AHP(Analytic Hierarchy Process)- Vector Similarity- Principal Component Projection Method, the results indicate that the Eco-security status of all counties within the studying regions was average, most counties were in unsafe status, others were in comparatively safe status. the whole situation of eco-security in studying areas cannot be optimistic. The county in the best status is Shuanliu County, the worst is Batang County. The ecological problems were discussed in the key Water Conservation regions, the result showed that the man-made factors were the primary. At last, a series of countermeasure and suggest was advanced based on the factors.
  Key Words:Eco –security; Assessment; Water Conservation Regions; the Upper Reach of Yangtze River
   
  随着全球生态的恶化和环境问题的日益严重,长江流域生态灾难频繁发生,因此长江上游的洪水控制成为生态安全乃至整个区域安全的重中之重。生态安全作为一种安全理念已经深入人心,生态安全研究也成为人们关注的焦点。生态安全研究的核心是生态系统功能,而水源涵养功能又是生态系统功能的重要功能之一,水源涵养区则是体现生态系统服务功能的重要区域,处于大江、大河源头,大型水利工程周围的地区,且长期为城市及农村发展提供稳定的给水来源,区域自身具有优越持水能力的区域都被划为水源涵养区。其主要功能在于通过林冠截留、树干截留、林下植被截留、枯落物持水和土壤贮水对大气降雨进行再分配,从而实现调节地表径流、缓洪蓄水、增加水资源的目的。


  1研究区概况


  长江发源于青海省格拉丹东雪山,从源头至宜昌段为上游,长4511km,约占长江总长的70%。上游干流经青、藏、滇、川、鄂和渝6省市,流域范围涉及青、藏、滇、甘、川、陕、渝、鄂、黔9个省(市)区的363个县,流域面积1.05×106km2,占整个长江流域面积的58.9%。总人口1.9亿,是我国藏、羌、彝等少数民族的重要聚居区。长江上游地跨我国大地形的第一和第二级阶梯,海拔高度从400m到5000m以上,相对高差超过4000m。特殊的地形地貌、复杂的气候类型、丰富的植被覆盖及多元的人地关系,构成了长江上游复杂的生态系统和社会经济格局。图1为研究区范围图。
   
  2水源涵养区的界定


  2.1研究方法
  本文根据确定的内、外部指标,利用界定模型和GIS技术相结合的手段对研究区进行水源涵养区的界定。在原有的内部指标林冠截留量、枯落物持水能力和土壤蓄水能力的基础上加入外部指标坡度和降雨,确定长江上游各类森林林冠层、枯落物层和土壤层3个水文生态功能指标参数,利用界定模型并结合ArcGIS技术得到长江上游水源涵养能力图,然后结合研究区降雨量,最终划分出水源涵养区。


  2.2界定模型
  一般来说,生态系统的蓄水能力由地上植被部分的持水和地下土壤部分的持水两部分组成,包括植被层、枯枝落叶层和土壤层截留降水的综合能力。如公式(1)所示:
  T=CI+LC+S                                     (1)
  式中,T为单位面积水源涵养量(mm);CI为单位面积冠层截留量(mm);LC为单位面积枯落物持水量(mm) ;S为单位面积土壤持水量(mm)。


  2.3长江上游水源涵养区的界定结果
  根据公式(1),将每层的数据输入到ArcGIS中,通过ArcGIS空间分析模块进行叠加及分级,得到长江上游水源涵养能力图(如图2);将长江上游257个气象站50年的气象站点采集数据,转入Access数据库经整理、检查,形成原始数据库,将得到的年降水量数据进行空间插值,得到长江上游降水分布图(如图3)。
  通过得到的上游水源涵养能力图以及参考降水量图的结果,根据水源涵养区的定义,得到长江上游重点水源涵养区,如图2所示。


  3长江上游水源涵养区生态安全评价


  3.1指标体系的建立
  根据“压力-状态-响应”(P-S-R)概念框架模型,从生态系统的结构与功能出发建立水源涵养区区域生态系统安全评价指标体系,以行政县界为评价单元,利用综合评价模型对水源涵养区进行综合评价,指标体系如表1所示。


  3.2数据处理与赋权方法
  (1)数据处理
  本文在评价中选取的都是成本型和效益型指标,采用极差变换法对评价矩阵进行规范化。极差变换的思想是将最好的指标属性值规范化为1,最差的指标值规范化为0,其余的指标值均用线性插值方法得到其规范值。极差变换法可以有效地消除量纲和数量级的差异影响,将原始数据经过转换后,取值范围在[0,1]之间,且通过筛选计算可知各指标特征数 (标准差)和 (标准误差)最低,而这两个特征数是衡量数据间离散程度的重要指标。
  (2)指标赋权
  指标权重的确定在评价过程中具有举足轻重的地位,如何科学、合理地确定指标的权重,将直接关系到评价结果的正确性与可靠性。本文采用主客观综合赋权法。主观赋权法采用层
  次分析法,此方法已得到广泛应用,在此不再赘述;客观赋权法采用的是向量相似度法,过计算系统各性能指标向量与系统综合指标向量的相似度,进而确定了指标权重。由于此方法是利用系统性能指标抽样数据而确定指标权重的,因此该方法具有较强的客观性。
  综合客观与主观权重,得到最终的权重W,如表2所示:
  表1水源涵养区生态安全评价指标体系
  Table 1 Index System for Eco-security assessment

  目标层

准则层A

准则层B

要素层C

指标层D

水源涵养区生态安全(O)

状态(A1)

立地状态(B1)

土地(C1)

土地开发率(D1)

地形(C2)

坡度(D2)

气候(C3)

降雨量(D3)

资源环境状态(B2)

资源(C4)

人均水资源(D4)

水环境质量(水质)(D5)

生物状态(B3)

植被(C5)

植被覆盖度(D6)

物种(C6)

濒危物种比例(D7)

自然保护区面积比例(D8)

 

压力(A2)

人口压力(B4)

人口(C7)

人口密度(D9)

人口自然增长率(D10)

经济压力(B5)

经济发展(C8)

GDP年均增长率(D11)

人均GDP(D12)

工业增加值年均增长率(D13)

农业增加值年均增长率(D14)

响应(A3)

状态响应(B6)

生态保护(C9)

污染治理资金投入(D15)

单位GDP需水量(D16)

资源保护(C10)

水资源有效利用率(D17)

农业生产率(D18)

压力响应(B7)

人类活动(C11)

产业结构(D19)

公共教育支出占GDP比例(D20)

小学生入学率(D21)


  表2指标权重表
  Table 2 Weights of Index

  指标(D)

D1

D2

D3

D4

D5

D6

D7

D8

D9

权重(W)

0.0269

0.0347

0.0458

0.0220

0.0421

0.0199

0.0082

0.0111

0.0515

指标(D)

D10

D11

D12

D13

D14

D15

D16

D17

D18

权重(W)

0.0507

0.1453

0.0745

0.0412

0.0489

0.0376

0.0874

0.0424

0.0237

指标(D)

D19

D20

D21

 

 

 

 

 

 

权重(W)

0.0385

0.0255

0.0114

 

 

 

 

 

 


  3.3主成分投影法评价模型
  主成分投影法的基本理论方法是把描述各评价区域的多个量纲不同的指标实际值,转化为无量纲的评价值,并将这些评价值综合成一维的评价值,从而对评价单元做出整体性评价。设有 个被评价单元由 个评价指标描述,其数学意义是将这 个评价区域看成树维评价指标空间 的 个点,通过无量纲化处理将空间 转换成另一空间 ,这样空间 的每一维量纲都是一致的。空间 上的 个评价点相应转换成空间 中的点。然后再通过适当的方法,将这 个点投影到一条直线上,此时 个点在直线上的投影就是有序的和可比较的。所以,区域生态安全评价问题,就是通过无量纲化和合成二次投影,将无序空间 中的点映射成直线上的有序点,从而解决被评价单元在不同时间或空间上的整体比较和排序。


  (1)数据预处理


  ①评价样本矩阵的建立   定义 为区域生态安全状况对应于 个评价指标与 个区域的样本矩阵。
  在本文中建立的水源涵养区样本矩阵为21个评价指标与32个区域。
  ②矩阵元素标准化   对于水源涵养区生态安全评价这样的多指标评价问题,由于指标之间存在着不可公度性,各指标的量纲、数量级和指标类型(如效益型、成本型等)也往往不相同,为了消除这种差异对评价结果的影响,在评价时首先要对评价样本矩阵进行规范化处理。本文采用极差变换法对样本矩阵元素进行规范化处理。对于评价矩阵 ,设规范化矩阵为 。


  (2)指标赋权   
  根据表2求得的各指标的权重,对样本矩阵 进行加权处理,令 ,得到加权后的样本矩阵 ,评价向量为
   
  (3)指标的正交变换
  区域生态安全评价的指标较多,指标间的相关联系会造成评价信息的相互重叠、相互干扰,从而难以客观地分析各评价向量的相对地位。通过对指标值进行正交变换(使用Matlab软件在计算机上求解得出),过滤掉指标间的重复信息。
  设 特征值为 ,对应的单位特征值向量分别为 。令 ,对样本矩阵 做正交变换,即 ,得到新的样本评价矩阵 ,其新向量记为 。
  (4)样本投影值的计算
  将每个指标的评价标准带入到投影值计算过程中,得到阈值表,作为评价等级标准,如表4。 
  表3 投影值
  Table 3 Values of Projections

  区域

什邡市

绵竹市

广汉市

江油市

安县

彭州市

新都县

崇州市

Di

0.3514

0.3627

0.3345

0.2998

0.2962

0.3299

0.3476

0.3058

区域

邛崃县

都江堰

郫县

大邑县

新津县

蒲江县

温江县

双流县

Di

0.3236

0.3350

0.3630

0.3458

0.3749

0.3522

0.3408

0.3854

区域

彭山县

洪雅县

眉山县

青神县

丹棱县

夹江县

峨眉山

甘孜县

Di

0.3596

0.3536

0.3270

0.3545

0.3851

0.3585

0.3313

0.2866

区域

白玉县

巴塘县

德格县

新龙县

乡城县

炉霍县

理塘县

稻城县

Di

0.2527

0.2452

0.2484

0.2642

0.2740

0.2726

0.2712

0.2710

  表4 阈值表
  Table 4 Thresholds

  等级

阈值

0.9530

[0.5114,0.9530)

[0.3544,0.5114)

[0.2047,0.3544)

<0.2047

  

        3.4评价结果分析
  根据评价模型得到研究区水源涵养区的生态安全综合评价结果,如表5及图5所示。在长江上游两个重点水源涵养区中,大部分地区处于Ⅳ等级,即较安全状态,少部分地区处于Ⅲ等级,即较安全状态。但其中有些Ⅳ等级县的投影值接近Ⅲ等级,比如什邡市、大邑县、新都县、蒲江县、温江县、洪雅县、峨眉山市等,由于这些县在右区当中,那总体看右区的生态安全状况还是相对稳定的,在经济发展的同时注重环境的保护和可持续发展,虽然人口相对集中,人口密度大,但是对治理环境的投入也较左区高;左区中的所有县均在Ⅳ等级,即较不安全状态。其原因为这些地区生产水平较低,主要依靠农业和旅游业发展经济,工业发展较少,虽然这些县的植被覆盖度较高,但是人们的环境保护观念较差,对压力的响应不足,而且环保投入较少。
  上述问题的形成和不断积累,既有客观和自然方面的原因,也有人为的因素,但以人为因素为主。主要还是人口的增加和经济的增长对环境和资源产生了巨大的压力;由于产业和产品结构的不合理导致严重的结构性的污染;由于规划布局不当和城市化进程加快到来了一系列城市的环境问题。生态破坏和环境污染给经济社会发展和人民生活质量带来严重影响。
  (1)湖泊富营养化严重、水生态平衡失调
  一方面主要湖泊富营养化严重;另一方面,高原湖泊特有土著鱼种及敏感植物种群在湖泊富营养化以及人为干预下,逐年减少,有的甚至灭绝。总之,由于湖泊富营养化,高等水生生物的种类组成日趋单一化,而浮游生物的种类和数量逐年增加,使湖泊水生生物多样性遭到破坏,水生生态系统失衡。
  (2)自然灾害频繁
  矿产资源开发、地下水位下降、公路建设、陡坡种植等人为活动导致地质灾害频繁发生。由于植被遭到严重破坏,造成调节气候、调节径流和蓄水功能下降。森林稀少,泥沙淤积而造成洪水泛滥,洪涝灾害几乎年年都有,每年都有多县次发生洪涝灾害。
  (3)局部地区污染严重
  研究区的大部分县市的经济是以农业为基础,工业基础薄弱。但是在一些工业较为发达和正在发展的城市和一些局部地区,环境污染十分严重。由于快速工业化和城市化的过程,基础能源建设和乡镇企业发展迅速,使得研究区环境形势严峻。老污染源还未根治,新污染源又不断产生。
  此外,一些重要生态功能区的生态破坏已由系统结构性破坏发展到系统功能性破坏,已经或将严重阻碍这些地区,甚至流域、区域经济社会的发展,对这些地区的生态环境安全构成了严重威胁。因此,对重要生态功能区的保护和恢复,关系区域、流域社会经济持续稳定发展,关系国家生态安全和民族的繁衍。


  4对策建议


   (1)完善水源涵养区资源环境规划和建设管理体系
  对水源涵养区的资源环境进行综合规划和专项规划,提出生态保护、恢复、重建和治理的方案及对策措施,并进行方案评价与选择,便于科学决策;同时做好生物多样性保护、土地利用调整、水资源水环境保护和产业结构调整等专项规划与管理建设体系。
  表5水源涵养区生态安全评价等级排序表
  Table5 Grades &Sequence of Eco-security Assessment

  地区

评价分值

等级

排序

什邡市

0.3514

11

绵竹市

0.3627

5

广汉市

0.3345

16

江油市

0.2998

22

安县

0.2962

23

彭州市

0.3299

18

新都县

0.3476

12

崇州市

0.3058

21

邛崃县

0.3236

20

都江堰市

0.3350

15

郫县

0.3630

4

大邑县

0.3458

13

新津县

0.3749

3

蒲江县

0.3522

10

温江县

0.3408

14

双流县

0.3854

1

彭山县

0.3596

6

洪雅县

0.3536

9

眉山县

0.3270

19

青神县

0.3545

8

丹棱县

0.3851

2

夹江县

0.3585

7

峨眉山市

0.3313

17

甘孜县

0.2866

24

白玉县

0.2527

30

巴塘县

0.2452

32

德格县

0.2484

31

新龙县

0.2642

29

乡城县

0.2740

25

炉霍县

0.2726

26

理塘县

0.2712

27

稻城县

0.2710

28


  (2)加强土地生态恢复和重建
  对生态退化去和生态敏感脆弱区,要运用生态工程技术进行退耕还林还草和恢复重建,同时,加大自然防护林建设和保护,扩大森林等绿色植被的覆盖面积,加强自然保护区的建设与管理。
  (3)发展生态农业,构建生态工程
  发展生态农业,实现资源利用的最优化,提高土地产出能力,做好传统农业产业结构的调整,重点发展优势农业产业和特色农业经济,因地制宜发展经济林果业、花卉业、药材业、生态旅游业以及其他非农特色产业,实现生态、经济协调发展。
  (4)建立和完善区域生态环境补偿机制
  建立全区域排污许可证制度,健全生态补偿机制,进一步完善在退耕还林和天然林保护等生态建设领域的补贴机制,资源开发与生态保护之间的补偿机制,加大对生态脆弱第七的转移支付力度。在补偿资金使用过程中,还应加强补偿资金信息系统的建设和管理。
  (5)建立流域生态环境修复与治理体系
  对工业污染源、城镇生活污染源、规模化畜禽养殖污染源以及非点源污染进行全面治理和控制,保障水环境安全;发挥自然生态系统的自我修复能力,植树造林,对重点生态破坏地区的生态恢复和建设应充分利用自然条件,同时,实施水体生态修复工程,维护水体生态平衡。
   
  参考文献
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