基于GIS的生态脆弱移民区生态环境质量评估——以宁夏红寺堡区为例

李 群， 郭慧秀， 贾科利

(宁夏大学资源环境学院，宁夏银川 750021)



基于GIS的生态脆弱移民区生态环境质量评估
——以宁夏红寺堡区为例

李 群， 郭慧秀*， 贾科利

(宁夏大学资源环境学院，宁夏银川 750021)

摘要参考国家最新颁布的《生态环境评价规范》，从5个方面构建生态环境评价模型，利用GIS技术进行数据获取、运算及评价单元细化，以监测局部区域的具体生态环境问题并分析空间变化趋势，最后以宁夏红寺堡区为例探讨生态脆弱移民区的生态环境质量评价。结果表明：红寺堡区各乡镇生态环境状况一般，EI值存在明显区域差异和地带性，东南部优于中西部。太阳山镇生态环境状况最好，镇东南存在土地胁迫度和污染指数高的生态环境问题；南川乡和红寺堡镇次之，分别存在乡东南部水网密度低和镇中南土地胁迫高的问题；大河乡生态环境最差，西南地区存在植被覆盖度低、荒漠化等生态环境问题。

关键词生态脆弱移民区；GIS；生态环境评价；红寺堡区

良好的生态环境是区域经济、社会、环境协调发展的保障及人类生存与发展的基础[1-2]，党的十八大报告将生态环境文明建设提升到国家战略，纳入小康社会建设总体布局。在全国总体生态功能区划中，西北生态脆弱移民区地处草原生态系统和荒漠生态系统的过渡区域，长期受人类活动干扰，水土流失、荒漠化等生态环境问题突出[3]。开展生态脆弱移民区生态环境综合评估对推动区域生态文明建设、保障移民区经济社会可持续发展具有重要的理论和现实意义。目前，学术界围绕区域生态环境综合评估开展了较为广泛的研究。在评价方法方面，主要运用各种定量化研究方法，例如景观生态学法[4-5]、模糊数学法[6-7]、三维定量评价模型[8-9]等。这些方法的共同之处在于利用数学模型进行生态环境评价，由于指标选取的差异造成评估侧重点不同，使生态环境质量评估没有统一标准；在研究区选择方面，注重传统生态环境矛盾突出区域，其中宏观尺度集中在全国、各省市级行政单位[10-12]，微观尺度主要针对矿区、灾区等特殊生态环境问题区域[13-15]，而关于移民区出现的生态环境问题研究较少；在评价单元方面，主要在行政区划单元内利用离散数据进行平均值评价[16-17]，导致行政区内部差异评估和空间变化趋势分析缺失，无法对局部区域生态环境问题进行改善。

随着GIS技术进步，栅格技术能够将不同类型(统计、遥感、调查)、不同格式(矢量、栅格、图片、文本)、不同时间(过去、现在、将来)的数据通过一定的算法栅格化，每一个网格拥有不同于相邻网格的代码来表示其属性和量值，使研究区数据连续分布。利用栅格数据参与叠加运算、空间分析和建模可以克服传统计算单元以点带面、以均值代替整个评价单元的“一刀切”模式，使生态环境评价单位从行政区划具体到栅格，为生态脆弱移民区生态环境质量评估提供科学、有效的技术支持。基于此，笔者参考我国于2015年3月最新颁布的《生态环境评价规范(发布稿)HJ192-2015》(以下简称《规范》)，为移民区生态环境评估寻求合理的评价体系；同时利用GIS技术强大的数据库和空间分析功能，将不同时间、不同格式的数据处理成栅格单位进行运算、分析和表述，为移民区生态环境评价提供高精度技术支持[18]。最后以红寺堡为研究区域进行生态环境质量评估分析，以期为生态脆弱移民区监测局部生态环境问题和因地制宜治理生态环境提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况红寺堡区位于宁夏中部，国土面积2 767km2。地处黄土沟壑区向干草原过渡的地带，其地形平坦开阔，由东南向西北倾斜。红寺堡区位于中温带干旱气候区，具有明显的大陆气候特征，降水量少而集中且年际变化大，年降雨量为277mm，多集中于7～9月，年平均蒸发量2 050mm；自然水系水质差、水量少，年径流量变化大，利用价值低，可利用地表水主要以引黄灌溉的沟渠为主；植物种属较少，草群结构简单，覆盖率低，在长期过度放牧、滥挖甘草等人为因素的作用下，造成天然草原大面积退化、沙化，是典型的生态脆弱区。该区域矿产资源丰富，主要分布在太阳山移民开发区、土坡等地，但其经济发展起步晚、基础差、总量小，产业层次低，第一产业比重高，第二、第三产业比重低；自1998年正式列为国家重点生态移民项目以来，截至2014年搬迁安置贫困人口18.96万人，所辖4个乡镇，59个行政村，是全国最大的生态脆弱移民区。随着移民大量迁入，区内人口与生态环境呈现出不协调的发展态势，生态环境脆弱性与人口高速增长之间的矛盾日益尖锐。

1.2数据来源及处理研究区水资源和环境污染数据来源于红寺堡区2014年统计公告和测站点监测数据，在ArcGIS软件中进行插值处理以及栅格运算，使研究区数据连续分布；土地利用类型数据综合考虑研究区自然植被和农作物的物候期，利用RS技术，选取植被覆盖度较好的5～9月Landsat8的OLI影像进行解译[19]；植被覆盖度数据采用空间分辨率为250m的MODS2013年影像，利用ENVI软件提取研究区归一化植被指数(NDVI)值；自然水系(河网)数据来源于研究区DEM(DigitalElevationModel)，利用ArcGIS进行水文分析[20-21]，人工水系(渠道)数据来自于研究区水利建设图件矢量化；土壤侵蚀专题地图的制作考虑土地利用类型、植被覆盖度和坡度3个因子[22-24]，其中坡度数据来自1∶25万DEM数据，通过对3个因子分等定级，将土壤侵蚀划分为3个等级(1、2、3等级分别代表轻度、中度和重度侵蚀)。

1.3指标选择及权重确定参考《规范》[25]，采用层次分析法确定评价模型、指标权重、归一化系数和分级标准。选取生态环境指数(EI)作为生态环境评价目标层，包括生物丰度指数(EIbio)、植被覆盖指数(EIveg)、水网密度指数(EIwat)、土地胁迫指数(EIlan)和污染负荷指数(EIpol)5个一级指标。综合考虑研究区面临的具体生态问题(例如沙化面积扩大、水资源短缺、森林资源匮乏、盐碱化面积扩大、水土流失严重等)和数据的可获得性与适用性选取指标参评因素。

1.4模型原理及构建

1.4.1模型原理。2015年3月实施的《生态环境状况评价规范》基于层次分析法，将研究区生态环境评价系统分为生物丰度指数、植被覆盖指数、水网密度指数、土地胁迫指数和污染负荷指数5个一级评价指标，并根据专家打分分别给予不同的权重和归一化系数。其中，数据获取和模型运算过程通过GIS技术可以将参评单元细化到栅格，有利于监测、评估和后期因地制宜治理。

1.4.2模型构建。EI反映研究区生态环境质量，数值范围在0～100，值越大代表生态环境状况越好。计算公式为：

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

(1)

1.4.2.1生物丰度指数。生物丰度指数是指不同生态系统在研究区单位面积中所占的比例，通过面积差异来反映评价区域生物丰贫，植被等级越高，所产生的作用越大。计算公式为：

EIbio=(BI+HQ)/2

(2)

式中，BI为生物多样性指数，HQ为生境质量指数，HQ=Abio×(0.35×林地+0.21×草地+0.28×水域湿地+0.11×耕地+0.04×建设用地+0.01×未利用地)/区域面积，Abio为生境质量归一化系数。

1.4.2.2植被覆盖指数。该指数可反映研究区植被覆盖程度，值越高说明该区域植被覆盖率越好，相应的生态环境质量就越好。归一化植被指数在植被分类、物候监测和土地覆被变化等方面有广泛应用[26]。所以植被覆盖指数利用评价区域单位面积归一化植被指数表示。计算公式为：

(3)

式中，Pi为象元中NDVI月最大值的均值，Aveg为植被覆盖指数归一化系数。

1.4.2.3水网密度指数。该指数是用来评价研究区水资源丰富程度的指标，考虑单位面积河流总长度(Lriv)、水域面积(Wlak)(湖泊、水库、河渠和近海)和水资源量(Wres)。计算公式为：

EIwat=(Ariv×Lriv/区域面积+Alak×Wlak/区域面积+Ares×Wres/区域面积)/3

(4)

式中，Ariv、Alak、Ares分别为河流长度、水域面积和水资源量的归一化系数。

1.4.2.4土地胁迫指数。该指数用来反映研究区土地遭受胁迫程度的大小，值越大说明研究区土地受到的威胁因子越多，退化越严重，是反映生态环境的基础指标。计算公式为：

EIlan=Aero×(0.4×重度侵蚀面积+0.2×中度侵蚀面积+0.2×建设用地面积+0.2×其他土地胁迫)/区域面积

(5)

式中，Aero为土地胁迫归一化系数。

1.4.2.5污染负荷指数。该指数是用来评价移民区环境所承受污染压力指标，其值越大反映研究区所受纳的污染压力越大，情况越严重。该指标主要考虑工农业污染常见的化学需氧量、氨氮等污染类型。计算公式为：

EIpol=0.20×ACOD×COD排放量/区域年降水总量+0.20×ANH3×氨氮排放量/ 区域年降水总量+0.20×ASO2×SO2排放量/区域面积+0.10×AYHC×烟(粉)尘排放量/区域面积+0.20×ANOX×氨氮化物排放量/区域面积+0.10×ASOL×固体废弃物丢弃量/区域面积

(6)

式中，ACOD、ANH3、ASO2、AYHC、ANOX、ASOL分别为COD、氨氮、SO2、烟(粉)尘、氮氧化物和固体废弃物的归一化系数。

1.4.3生态环境质量等级标准。运用上述生态环境评价模型，利用ArcGIS进行栅格数据加权叠加运算，得到生态环境状况综合评估结果。根据《规范》，将生态环境评价结果分为5个等级(表1)。

表1　生态环境(EI)状况分级

2结果与分析

利用ArcGIS栅格计算功能实现公式(1)～(6)的运算，得到红寺堡区生物丰度(图1)、植被覆盖(图2)、水网密度(图3)、土地胁迫(图4)和生态环境状况(图5)结果。

图1　红寺堡区生物丰度指数Fig.1　Biological abundance index of Hongsipu district

图2　红寺堡区植被覆盖指数Fig.2　Vegetation index of Hongsipu district

图3　红寺堡区水网密度指数Fig. 3　Water density index of Hongsipu district

图4　红寺堡区土地胁迫程度Fig. 4　Land stress index of Hongsipu district

图5　红寺堡区生态环境质量分布Fig.5　Ecological environment distribution of Hongsipu district

2.1生物丰度指数研究区生物丰度呈现“东南高，西北低”的空间特征(图1)。空间上南川乡生物丰度指数最高，达到47.47(图6)，原因在于该区地处国家级自然保护区——大罗山西侧，自治区实施天然林保护、“三北”四期造林等工程保护当地的动植物资源，林地、草地和水域湿地面积分别达94.52、339.21和42.74 km2，分别占总面积的14.06%、50.49%和6.36%，植被覆盖度高且生物物种丰富。太阳山镇和大河乡生物丰度总体较好，但由于河流水位季节变化大、蒸发强烈导致断流，周边土壤盐渍化较高，植被覆盖度显著下降。红寺堡镇生物丰度指数最低，由于该镇地处平原地带，其地形平缓适于耕种，交通便利便于工农产业发展，大量移民迁入伴随大规模土地开发，镇中心建设用地扩大至总面积的32.63%，高密度人口和建筑对原始生态环境破坏较大，致使水土流失量大、面大，林草地系统调节功能下降，东南部城郊出现33 km2的荒漠化区域，生物多样性较低。2.2植被覆盖指数研究区植被覆盖度以大罗山为高值中心呈半环状递减趋势(图2)。其中，太阳山镇草地面积占52.52%，植被覆盖指数高达到49.86(图6)，高值区域位于太阳山镇西南和大罗山北部，西南部分布有75.06 km2水浇地，作物生长季节覆盖率高、密度大，大罗山北部有47.12 km2高植被密度原始林地，封山禁牧、育林等保护政策使其自然草地和林地大面积增加；但2006年以后矿产资源开采带来的植被破坏导致太阳山镇东北部矿区周围出现明显的低值，后期生态恢复工作还有待深入。大河乡和红寺堡镇植被覆盖总体均较低。人类活动较少的山区、荒草地植被覆盖明显较高，植被自然生长状况好。而人类活动较多的居民区由于建设用地以及农田建设占用了46.90%土地，绿地覆盖率仅为3.00%，沿清水河和苦水河周边由于水位季节变化大，水质含盐量高，干枯河道周边出现大面积盐碱荒滩。

2.3水网密度指数研究区水网包括人工水系和自然水系2个部分(图3)，其人工渠系对水网密度指数值的变化影响更大。由于红寺堡区位于西部干旱半干旱区，其水资源匮乏且农业生产以引黄灌溉为主，目前灌区共建成扬水干渠97.00 km，支干渠111.08 km，支渠459.13 km，斗渠808.03 km，与自然水系(607.00 km)相比，水渠密度更大，所以灌溉水系发达的红寺堡镇渠系总长度达226.35 km且自然水系稠密(图3)，因而其水网密度指数最大。南川乡位于红寺堡区东南部，其地势高且地下水埋藏深，仅在大罗山西部断裂带有部分裂隙水，并没有形成长流水，所以该区域地表水贫乏，加之灌溉渠系稀疏，因而其水网密度低(29.74)。大河乡和太阳山镇移民迁入量少，农田灌溉开发不完善，人工水网密度低且水量少，其水浇地面积占区域总面积比例分别为6.45%、5.96%，水资源总量分别为3 341.30、4 754.90 m3，水网密度平均指数为33.50(图6)。

2.4土地胁迫指数综合考虑土地利用、植被覆盖和坡度3个因素，结果分为轻、中、重3个等级，整体呈现“东北、西南高，西北、东南低”的交叉分布格局(图4)。其中，红寺堡镇受土地胁迫程度最高，重度侵蚀面积66.04 km2，占总面积的19.64%，侵蚀区主要位于红寺堡镇中部和南部的人口密集区，说明随着移民数量持续增加及建设用地规模的持续扩张，高密度建筑和低密度植被造成的土地面状侵蚀扩大；同时，该区域农田灌区未修建排水工程，有灌无排，土壤含盐量较高，土壤盐渍化造成点状侵蚀(图4)。大罗山地区是宁夏重要的水源涵养林和区域生态环境保护屏障，对该区域水土保持起到了至关重要的作用。南川乡背靠大罗山，人类活动强度较小，通过实施退耕还林还草等工程项目，该区域水土保持最好，土地胁迫程度最低，重度侵蚀面积78.28 km2，仅占总面积的11.65%。

2.5污染负荷指数研究区污染指数计算来源于栅格插值运算，由于研究区生产活动以第一产业为主，第二、第三产业落后，整体污染并不严重，污染物类型也相对单一。污染区域主要集中在红寺堡镇和太阳山镇。其中，红寺堡镇是研究区生产活动最集中的区域，污染指数达54.68(图6)，污染类型以水体中工农业生产排放的COD、氨氮和固体废弃物为主。太阳山镇污染类型以工矿业排放的SO2和烟(粉)尘为主，污染指数达42.48(图6)，矿产资源开发后期生态环境恢复工作有待加强。

图6　红寺堡区生态环境状况统计Fig.6　Ecological environment statistics of Hongsipu district

2.6生态环境质量综合评价通过ArcGIS软件实现公式(1)加权叠加运算，得出红寺堡区生态环境质量分布图(图5)以及研究区生态环境状况统计图(图6)。根据分级标准(表1)，研究区整体生态环境质量一般，东南部优于中西部，各行政单位状况有一定差异，植被覆盖度中等，生物多样性一般，比较适合移民居住，但各行政区内部均存在生态环境问题区域。其中，太阳山镇EI值为44.32，生态环境综合状况最好，生物多样性丰富，植被覆盖度高，是研究区内生态环境比较平衡的区域；EI低值区主要位于太阳山镇东南部，该区域存在土地胁迫度高及污染指数高这2个生态环境问题，这主要是因为随着太阳山镇矿区的开发，以煤炭为主的能源开采结构致使其烟尘、固体废弃物排放量居高不下，矿区生态植被恢复程度较低，工农业环境污染治理不彻底。南川乡生态环境和太阳山镇相差不大，全乡没有出现连片生态环境低值区，但有点状分布的生态环境脆弱斑块，主要受水网密度指数较低的影响(图6)；南川乡地处大罗山和烟筒山交界的山区内，水土保持较好、地下水丰富，但地上河网稀疏、流量匮乏，且移民迁移量和人工灌渠开发少，这导致通过影像提取的水网密度得分低，仅为29.74。红寺堡镇作为该区社会经济及人口中心，人类作用影响大[27-28]，土地胁迫指数和污染指数均很高，分别达54.21和54.69；镇区中部和南部是全镇乃至全区生态环境得分的低值区域，深刻反映出移民大量迁入促进经济社会发展的同时，原生干旱环境自身的敏感性和脆弱性受到人类活动干扰加剧，例如镇区中部局部水浇地由于粗放漫灌引发的盐碱化、南部住宅和公路建设导致的荒漠植被退化[29-31]。大河乡生态环境综合状况相对最差，EI值为35.29，各指标得分状况均较低。其中植被覆盖得分仅为14.46，土地胁迫和污染负荷指数也偏高；该区域西南部的公路沿线、干枯河道和居民区土地受胁迫程度大，出现局部植被空白区域，存在明显的土地盐碱化、荒漠化，是将来生态环境保护的重点区域。

3结论与讨论

(1)将典型生态脆弱移民区——红寺堡区的生态环境质量评估结果进行实地考察，证明比较符合实际情况，结果表明：红寺堡区整体生态环境状况一般，现阶段比较适宜人类居住，各乡镇生态环境质量有一定差异。太阳山镇总体状况最好，镇东南存在生态环境问题；南川乡次之，存在生态环境斑点低值区域；红寺堡镇和大河乡相对比较恶劣，镇中南部和乡西南部是今后生态环境保护的重点区域。

(2) 该研究获得的评价结果有一定的不确定性，主要原因是山区地势高，地下水埋藏深不易形成河网，而影像数据局限于地表水状况的提取，影响水网密度评价精度；另外，社会经济、环境污染等统计数据处理成空间数据时会有一定偏差，影响精确性。

(3) 利用GIS技术建立生态环境评价指标数据库，通过更新相关数据可以实现生态环境变化的动态监控，为生态脆弱移民区生态环境提供实时监控，所以动态监测数据库的建立有待今后进一步研究。

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基金项目教育部人文社会科学研究青年基金项目(13YJCZH059)；宁夏大学研究生创新项目(GIP2015004)。

作者简介李群(1989- )，女，贵州习水人，硕士研究生，研究方向：空间信息技术与分析。*通讯作者，硕士研究生，研究方向：空间信息技术与分析。

收稿日期2016-04-06

中图分类号S 181

文献标识码A

文章编号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