楊斌， 詹金鳳， 李茂嬌

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，綿陽 621010； 2.北京師范大學(xué)水科學(xué)學(xué)院，北京 100875)

0 引言

環(huán)境脆弱性問題按研究領(lǐng)域可分為人文系統(tǒng)脆弱性和自然系統(tǒng)脆弱性，這是一種較復(fù)雜的多要素多因子情況下的系統(tǒng)問題研究，目前主要采用定性研究的方法進行分析。層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)則是通過分析復(fù)雜問題所包含的因素及其相互關(guān)系，將復(fù)雜問題分解為不同的要素，并將這些要素歸并為不同的層次，以定性和定量相結(jié)合構(gòu)建多層次結(jié)構(gòu)的分析評價體系[1]，在GIS平臺下分析環(huán)境脆弱性評價結(jié)果，為此類問題系統(tǒng)科學(xué)研究提供理論依據(jù)。

岷江上游位于青藏高原東緣，地處四川盆地丘陵山地向川西北高原的過渡地帶，地形起伏大、河流深切、地質(zhì)活動頻繁，為我國西部典型的環(huán)境脆弱區(qū)域。尤其在近些年(汶川地震和人口急劇增長影響下)該區(qū)域土壤侵蝕、水土流失極其嚴重，森林退縮速度加快，核心區(qū)域內(nèi)干旱河谷面積逐步擴展，草場退化與荒漠化嚴重，河流年徑流量呈明顯減少趨勢，表現(xiàn)出區(qū)域整體的環(huán)境脆弱性問題越來越嚴重[2]。因此，在剖析該問題基礎(chǔ)上，優(yōu)化評價因素和指標，將AHP和GIS技術(shù)集成應(yīng)用到環(huán)境脆弱性分析評價問題研究中，為岷江上游環(huán)境質(zhì)量評價提供科學(xué)決策依據(jù)，亦為研究該地區(qū)其他相關(guān)問題提供支持。

1 研究區(qū)概況

岷江上游地處青藏高原東緣(E31°16′～32°26′,N102°56′～103°55′)，在行政區(qū)域上包括四川省阿壩藏族羌族自治州的汶川、理縣、茂縣、松潘和黑水5個縣，地震活動頻發(fā)，該區(qū)域是長江上游生態(tài)屏障的重要組成部分，其生態(tài)環(huán)境狀況直接影響著岷江流域、成都平原和整個長江上游的生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟發(fā)展。該區(qū)域巖性以變質(zhì)巖、花崗巖和結(jié)晶巖分布最廣泛，由于受新構(gòu)造運動、第四紀冰川作用以及其他外營力的影響，致使該區(qū)域地貌類型復(fù)雜多樣[3]。

該區(qū)域內(nèi)地形高差大，地表巖石破碎、風化強烈，河流由于縱比降和洪枯期流量變幅大，下切和侵蝕能力強，使河谷下部的地貌動態(tài)平衡十分脆弱，河谷內(nèi)的松散堆積物破碎程度高及穩(wěn)定性差[4]。岷江上游干旱河谷區(qū)作為該區(qū)域最脆弱的地貌特征，主要分布于松潘縣鎮(zhèn)江關(guān)以下，經(jīng)茂縣鳳儀鎮(zhèn)至汶川縣綿褫間的岷江干流，以及支流黑水河谷和雜谷腦河谷，海拔1 200～2 200 m、相對高差300～500 m不等的沿河狹長山谷地段[5]。脆弱的地表結(jié)構(gòu)導(dǎo)致輕微的外部干擾便會使該區(qū)環(huán)境受到嚴重破壞。

2 數(shù)據(jù)源

1)中國科學(xué)院對地觀測中心網(wǎng)站為本次研究提供了2003—2010年期間的Landsat5遙感數(shù)據(jù)。為了便于對汶川地震后岷江上游生態(tài)環(huán)境的脆弱性進行評價及驗證，研究選取了2003年2月和2010年3月2景TM遙感圖像數(shù)據(jù)(圖1)。

圖1 2010年TM 5(R)4(G)3(B)合成圖像

2)收集了1∶25萬等高線和部分地形數(shù)據(jù)，在ArcGIS軟件中通過插值生成30 m格網(wǎng)大小的數(shù)字高程模型(digital elevation model,DEM)(圖2)。

圖2 數(shù)字高程模型(DEM)

3)通過對TM數(shù)據(jù)的分析，在ENVI軟件支持下提取1∶25萬歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)信息，制作土壤類型分布圖、坡度分布圖、地形起伏度分布圖及人口密度分布圖等系列圖件。

3 研究方法

3.1 遞階層次結(jié)構(gòu)模型體系

AHP包括構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型、判斷矩陣的建立及其求值、一致性檢驗和綜合指數(shù)計算等運算過程。應(yīng)用AHP分析決策問題時，首先要把問題條理化、層次化，構(gòu)建一個有層次的結(jié)構(gòu)模型[6]，將復(fù)雜問題分解成各自獨立的組成元素的組成部分，元素又按其屬性及關(guān)系形成若干層次，這些層次可以分為3類： ①最高層，該層次中只有1個元素，一般是分析問題的預(yù)定目標或理想結(jié)果，很多情況下也稱為目標層； ②中間層，包含了為實現(xiàn)目標所涉及的中間環(huán)節(jié)，它可以由若干個層次組成，包括所需考慮的準則、子準則，因此也稱為指標層或準則層； ③最底層，包括了為實現(xiàn)目標可供選擇的各種措施和決策方案等，因此也稱為措施層或方案層。

按照遞階層次結(jié)構(gòu)體系原理，方法涉及到的層次數(shù)與問題的復(fù)雜程度及需要分析的詳盡程度有關(guān)，一般層次數(shù)不受限制。每一層次中所支配的元素則不宜過多，主要考慮到支配元素過多會給兩兩比較判斷帶來困難[7]。根據(jù)對研究區(qū)生態(tài)環(huán)境影響要素的分析，引入植被指數(shù)變化率、人口密度、地形起伏度、坡度及土壤類型等5類要素，結(jié)合層次分析評價體系，將遞階層次結(jié)構(gòu)體系分為目標層、指標層(要素層)和方案層這3個層次進行構(gòu)建(圖3)。

圖3 岷江上游環(huán)境脆弱性分析遞階層次結(jié)構(gòu)體系

3.2 判斷矩陣的構(gòu)建

根據(jù)遞階層次結(jié)構(gòu)模型，需先構(gòu)造判斷矩陣A，結(jié)合Satty[8]提出的標度方法，即分別以1，3，5，7，9來標度2個元素之間的重要性程度。根據(jù)研究經(jīng)驗，Satty比例標度法雖然在確定事物的排序上基本合理，但其對要素相互之間重要性程度差異的描述與人類認知的常識有一定偏差。例如“稍微重要”的標度值為3，也就是將比“同等重要”大3倍的情況認為是稍微重要，而“明顯重要”的標度值為5，與“稍微重要”的標度比為5/3=1.67，遠小于3，即“明顯重要”事物與“稍微重要”事物相比較得出的差異，還遠不能與比較“稍微重要”事物與“同等重要”事物得出的差異相比，這是不合理的。汪樹玉等[9]提出的新的比例標度值(表1)，能更真實地量化反映重要性等級之間的數(shù)量差異。

表1 改進的比例標度法匯總表

①K表示標度通式形式；k表示標度具體值； 數(shù)據(jù)相除值大小表示重要性程度。

在文獻[9]研究過程中使用的新的比例標度法為指數(shù)標度，即： 按要素a比要素b的重要性，從“同等重要”到“極端重要”，分別取1.000，1.277，2.080，4.327，9.000； 反之，若要素a比要素b次要，則取相應(yīng)權(quán)重的倒數(shù)(表2)。

表2 A-B判斷矩陣

在構(gòu)建該體系下的判斷矩陣過程中，還充分考慮了以下2個要素： ①植被覆蓋情況是生態(tài)系統(tǒng)最顯著的特征之一，決定著生態(tài)系統(tǒng)的面貌，是反映生態(tài)環(huán)境質(zhì)量本質(zhì)的特征之一； ②該區(qū)域調(diào)查表明，人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的影響明顯，人口密度對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量具有重要指導(dǎo)意義。

3.3 特征向量及權(quán)重的計算

利用方根法來計算判斷矩陣B的最大特征根及其對應(yīng)特征向量[10]。經(jīng)計算，A-B矩陣的特征向量W=[0.532，0.203，0.148，0.083，0.043]，即植被指數(shù)變化率B1的權(quán)重為0.532、人口密度B2的權(quán)重為0.203、地形起伏度B3的權(quán)重為0.148、坡度B4的權(quán)重為0.083、土壤類型B5的權(quán)重為0.043。詳見表2。

4 結(jié)果與分析

4.1 脆弱性特征因子提取

岷江上游脆弱性主要反映了生境、群落和物種對環(huán)境變化的敏感程度，體現(xiàn)出一個生態(tài)系統(tǒng)、景觀組分或某一景觀對外界干擾所產(chǎn)生的應(yīng)變及其能力[11]，由于資料的局限性,本文僅研究自然內(nèi)生型脆弱性特征表現(xiàn)。將影響岷江上游自然內(nèi)生型脆弱性特征因子概括為自然要素和人類活動要素2大類。通過對比分析，選取植被指數(shù)變化率、地形起伏度、坡度和土壤類型作為自然要素，人口密度作為人類活動要素[12]。

1)植被指數(shù)變化率。分別采用2003年和2010年TM數(shù)據(jù)提取出每個時間段的NDVI，將NDVI在ArcGIS柵格計算器中進行疊加分析，獲取該時間段的NDVI植被指數(shù)變化率分布數(shù)據(jù)(圖4)。

圖4 植被指數(shù)變化率

2)地形起伏度和坡度。利用1∶25萬等高線數(shù)據(jù)通過插值方法在ArcGIS軟件中生成DEM數(shù)據(jù)，然后再根據(jù)地形起伏度和坡度定義公式，在ArcGIS平臺下進行歸類提取，結(jié)果如圖5所示。

圖5 地形起伏度(左)與坡(右)度分布圖

3)土壤類型。采用2010年TM圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)信息源，依據(jù)1995年提出的《中國土壤系統(tǒng)分類(修訂方案)》，通過監(jiān)督分類解譯和野外特征數(shù)據(jù)驗收，獲取該類要素圖層(圖6)。

圖6 土壤類型分布

4)人口密度。根據(jù)2011年5月27日四川省阿壩州政府公布的第六次全國人口普查統(tǒng)計數(shù)據(jù)，岷江上游地區(qū)總?cè)丝?7.03萬，占全州人口的86.72%，其中汶川縣10.08萬人，人口密度25人/km2； 理縣4.66萬人，人口密度11人/km2； 茂縣10.48萬人，人口密度26人/km2； 黑水縣6.07萬人，人口密度15人/km2； 松潘縣7.23萬人，人口密度9人/km2； 再通過ArcGIS中的鄰域特征插值法生成該區(qū)域的人口密度分布圖(圖7)。

圖7 人口密度分布

4.2 環(huán)境脆弱性特征分析

通過對岷江上游環(huán)境脆弱性特征因子的分析和提取，結(jié)合遞階層次結(jié)構(gòu)模型計算出來的各要素權(quán)重值，在ArcGIS Desktop9.3平臺下運用Spatial Analysis Tool中的柵格計算器，將岷江上游的植被指數(shù)變化率、人口密度、地形起伏度、坡度及土壤類型這5類影響評價要素進行加權(quán)疊置運算，即

EVI=0.523V1+ 0.203V2+ 0.148V3+ 0.083V4+ 0.043V5

,

(1)

式中：EVI為環(huán)境脆弱性指標；V1為植被指數(shù)變化率；V2為人口密度；V3為地形起伏度；V4為坡度；V5為土壤類型。從而得到岷江上游環(huán)境脆弱性連續(xù)變化的特征分布圖(圖8)。

圖8 環(huán)境脆弱性連續(xù)變化分布圖

環(huán)境脆弱性連續(xù)變化分布圖的實現(xiàn)流程如圖9所示。

圖9 岷江上游環(huán)境脆弱性評價流程圖

EVI評價分級的閾值是判斷環(huán)境脆弱性呈顯性或隱性的重要參數(shù)，通過對指標進行標準化處理獲得，其分布區(qū)間為[0，1]。由于環(huán)境脆弱性評價研究尚處在探索階段，對于評價結(jié)果閾值的確定沒有統(tǒng)一明確的界定[13-14]，根據(jù)國內(nèi)研究現(xiàn)狀，結(jié)合該流域自然地理狀況、生態(tài)脆弱性表現(xiàn)特征及變化規(guī)律，采用自然裂點法將研究區(qū)脆弱性程度劃分為5級，即微度脆弱、輕度脆弱、中度脆弱、強度脆弱和極強度脆弱。具體參數(shù)見表3。

表3 研究區(qū)脆弱度等級劃分表

4.3 環(huán)境脆弱性評價

根據(jù)脆弱性程度劃分標準，運用ArcMap的Spatial Analyst模塊下的Reclassify命令，對岷江上游流域環(huán)境脆弱性空間分布進行分級，得到岷江上游流域環(huán)境脆弱性評價分級圖(圖10)。

圖10 環(huán)境脆弱性分級圖

結(jié)果表明，研究區(qū)微弱、輕度、中度、強度和極強度的脆弱區(qū)域面積分別為4 280 km2，7 773 km2，7 314 km2，4 009 km2和2 050 km2，分別占流域總面積的16.8%，30.6%，28.8%，15.8%和8.0%。研究表明，岷江上游流域環(huán)境脆弱度等級較高，50%以上的區(qū)域?qū)儆谥卸却嗳鯀^(qū)，生態(tài)環(huán)境處于嚴峻狀態(tài)的研究區(qū)邊緣地帶，在災(zāi)后重建及恢復(fù)過程中應(yīng)引起特別重視。

從岷江上游環(huán)境脆弱性等級特征的空間分布分析，區(qū)域脆弱性由強到弱的縣依次是汶川縣、茂縣、理縣、黑水縣和松潘縣，汶川縣的環(huán)境脆弱性表現(xiàn)極其突出，主要受汶川地震和洪雨災(zāi)害的重大沖擊和影響，因此在災(zāi)后重建過程中應(yīng)加強對環(huán)境治理的重視程度，才能確保該區(qū)域長治久安發(fā)展； 松潘縣地處岷江流域源頭，海拔相對比較高，人口分布少，國家級自然生態(tài)保護區(qū)也分布于此，同時受到地震及次生災(zāi)害較小，因此生態(tài)環(huán)境狀態(tài)較好。

環(huán)境脆弱性分布還與岷江水系分布關(guān)系密切，越靠近岷江水系主河道的區(qū)域脆弱性越嚴重，距離水系越遠的地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性越不明顯，此分布與自然環(huán)境狀況的空間格局大體吻合。另外，該區(qū)域干旱河谷區(qū)的環(huán)境依舊嚴峻，而且鄰近都江堰地區(qū)的環(huán)境表現(xiàn)為極度脆弱，需加大對此處的治理和防護。

5 結(jié)論

區(qū)域環(huán)境脆弱性是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的障礙，脆弱性越大越不利于區(qū)域經(jīng)濟社會的綜合發(fā)展。本研究利用層次分析法，從分析環(huán)境脆弱性本質(zhì)特征入手，在GIS和RS技術(shù)支撐下提取各影響要素數(shù)據(jù)，構(gòu)建多要素環(huán)境下的遞階層次分析模型，在ArcGIS平臺進行系統(tǒng)定量評價，構(gòu)建出岷江上游流域環(huán)境脆弱性評價等級圖。得出如下結(jié)論：

1)從區(qū)域分析角度，岷江上游生態(tài)環(huán)境條件較為嚴峻，脆弱性程度高，尤其在汶川縣和茂縣岷江主河道地帶，應(yīng)加強環(huán)境保護和基礎(chǔ)設(shè)施保障工作。

2)從系統(tǒng)評價過程，影響要素的篩選和提取是進行研究此類定量問題的前提，方法和模型的構(gòu)建是研究的關(guān)鍵和核心。針對此類涉及到多要素、多指標的宏觀問題，今后還需要在脆弱性形成機制、時空變化規(guī)律及多驅(qū)動力影響要素等方面加強研究。

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