南水北调中线工程水源区生态环境综合评价

科技通报

Vol．35No．10Oct．2019

BULLETINOFSCIENCEANDTECHNOLOGY

南水北调中线工程水源区生态环境综合评价

刘伯涛，李崇贵

（西安科技大学测绘科学与技术学院，西安710054）

摘

要：随着南水北调中线工程的投入使用，及时对水源区生态环境进行客观评价有着重要意义。利用GIS和ＲS

技术，在生态环境理论指导下，从土地资源、水热气象、地形地貌和人为影响四方面选取12个影响因子，通过层次II级，分析法对南水北调中线工程水源区生态环境定量评价。结果表明：生态环境较差的I，面积占水源区的13.68%；生态环境一般的III级，V级，面积占水源区的28.32%；生态环境较好的IV，面积占水源区的58.0%。关键词：水源区；生态环境；层次分析法；南水北调中线工程中图分类号：X11

文献标识码：A

文章编号：1001－7119（2019）10－0191－06

DOI：10.13774/j．cnki．kjtb．2019.10.037

ComprehensiveEvaluationofEcologicalEnvironmentinWaterSupply

AreaoftheMiddle-routeoftheSouth-to-northWaterDiversionProject

LiuBotao，LiChonggui

（GollegeofGeomatics，Xi’anUniversityofSicenceandTeachnology，Xi’an710054，China）Abstract：Withtheapplicationofthemiddlerouteprojectofsouth-to-northwatertransferproject，itisveryimportanttoobjectivelyevaluatetheecologicalenvironmentinthewatersourceareaintime．BasedonGISandＲStechnology，12impactfactorsareselectedfromfouraspectsoflandresources，hydrothermalmeteorology，topographyandlandform，andhumanimpactundertheguidanceofecologicalenvironmenttheory．Thequantitativeevaluationofecologicalenvironmentinthewatersourceareaofthemiddlerouteprojectofsouth－to-northwatertransferprojectisconductedbymeansofAnalyticHierarchyProcess．TheresultsshowedthatgradeIandIIofpoorecologicalenvironmentaccountedfor13.68%ofthewatersourcearea．ThegradeIIIofgeneralecologicalenvironmentaccountedfor28.32%ofthewatersourcearea．ThegradeIVandVofbetterecologicalenvironmentaccountedfor58.0%ofthewatersourcearea．

Keywords：watersourcearea；ecologicalenvironmentevaluation；analytichierarchyprocess；themiddlerouteprojectofsouthtonorthwaterdiversionproject生态环境是区域经济可持续发展的基础和核心，正确认识区域生态环境状况和原因，及时对区域

基础上，选取一定的评价指标采用数学方法和模型

进行评价，以评价不同单元的生态环境现状，分析存

［3，4］

。基在的生态环境问题并提出有效的解决方案

于ＲS技术的大范围生态环境监测与评价，与传统

生态环境进行客观评价，是部署和安排国家经济发

［1，2］

。生态环境综合评价是在对展方向的主要依据

区域生态环境特点和生态环境变化进行分析研究的

的调查方式相比具有独特优势。ＲS可监测地表地

收稿日期：2018－09－14

基金项目：十三五重点专项（2017YFD0600400）。

作者简介：刘伯涛（1997－），硕士研究生，主要从事GIS开发与应用和环境遥感研究。男，陕西，

192科技通报第35卷

物变化状况，快速获取影像数据，提供准确的环境信息。而GIS又为ＲS提供了数据处理和分析工具，GIS与ＲS两者的有效结合，为大范围生态环境监测与评价提供了有效方法和措施。

南水北调中线工程是缓解我国华北地区，特别是

京津地区，水资源不足和生态环境恶化的一项大型跨流域调水工程

［5，6］

。而作为中线工程的水源区，其生

态环境状况是保障中线调水水质的关键，及时对水源区生态环境进行客观评价具有重要意义。

国内外学者对生态环境评价研究也有许多进

展，如王晓峰［7］

等人利用GIS和ＲS技术，提取6个因子，通过熵权法对南水北调中线工程陕西水源区

的生态环境质量进行评价；白艳芳［8］

等人利用遥感和GIS技术运用层次分析法对青海湖环湖地区生态

环境脆弱性进行评价；陈振武［9］

等人基于AHP和FUZZY对矿山生态环境进行综合评价研究，以及相

关文献［10－13］等。但针对南水北调中线工程水源区生态环境进行综合评价的研究较少，且缺乏从宏

观尺度的生态环境评价。本文以地理基础数据、DEM数据、气象数据、遥感影像数据为基础，首先全面认识研究区域的生态环境状况，查明研究区生态环境问题。其次分析各生态环境问题的影响因素。最后构建生态环境评价指标体系，通过计算生态环境综合指数对中线工程水源区的生态环境进行综合客观评价。

1研究区概况

南水北调中线工程水源区位于秦岭南坡，

大巴山北麓，汉中盆地、安康盆地贯穿其中，包括汉江流域丹江库区及上游地区，界于31°20'～34°10'N，

106°～111°45'E，总面积约达9.5万km2

，

研究区包含37个县（市区），流域面积大于1046km2

的有17个，包括丹江流域、堵河流域、旬河流域、任河流域等。该区域处于我国南北气候分界带的过度区，属于温带半湿润的北亚热带季风气候区，年平均气温

在15°～18°，多年平均降水量在873.3mm［14］

。该地区受高大地形的影响，植被垂直分异显著，降水分布不均。

2

研究数据及方法

2.1

数据来源及处理

本研究采用的基础数据包括栅格数据、

矢量数据和属性数据。栅格数据为覆盖研究区域的12帧Landsat－8TM遥感影像，从地理空间数据云（www．gscloud．cn）获取，分辨率为30m，时相为2016年。DEM数据分辨率为30m。在ENVI5.2平台上，对遥感影像进行几何精校正，拼接裁剪，获取研究区的影像数据。采用最大似然法对纠正的研究区影像进行监督分类，将土地类型划分为：林地、耕地、草地、水域、建筑用地和未利用地6类，得到研究区土地类型数据。对分幅裁剪的遥感影像进行归一化植被指

数（NDVI）的计算，公式为NDVI=（TM4-TM3）/（TM4+TM3）。矢量数据：以DEM提取的流域边界为参考，在91卫图软件平台上，进行手工绘制水源

区范围、流域，水库，河流等基础数据。属性数据：从中国气象数据网（http：//data．cma．cn/）获取研究区内及周边的23个气象站点2016年日气象数据，为获得年均气温和降水，在Excel中统计各站点年均气温和降水量，在ArcGIS10.1平台上，采用克里金插值对各气象站点年均气温和降水进行空间插值。为了便于后续的叠加分析，对以上各类空间数据均进行投影变换，将这些空间数据与已纠正的遥感图像进行配准，最后对参与环境评价的各因子图层进行重采样，重采样后空间分辨率为100m。2.2

研究方法

层次分析法（analytichierarchyprocess，AHP）［15］是一种层次结构的决策方法，用于分析该方案的多指标体系，对复杂系统的决策过程进行建模和量化。应用这种方法，决策者通过将复杂问题分解为若干层次和若干因素，通过各因素间的相互影响程度，从而确定各因子的权重。运用层次分析法建模来解决实际问题，大体上

可按如下4个步骤［16］

进行：

（1）建立递接层次结构模型。根据影响复杂问题因子之间的关系及重要性等级，进行横向和纵向分层排列，形成层次结构，一般分为目标层、指标层和因子层3层。

（2）构造判断矩阵。在决策者心中，各准则层中影响因子在目标衡量中所占比重是不同的，它们各占有一定比例。决策者引用数字1－9及其它们的倒数作为标度，来定义判断矩阵。

（3）层次单排序及一致性检验。根据下层各因子对上层因素的重要程度不同，对下层因子进行重要性排序。并检验其是否满足一致性要求，计算公式如下。

最大特征值：

第10期刘伯涛等．南水北调中线工程水源区生态环境综合评价193

λmax

1n（AW）=∑nj=1Wi

j

（1）

相对一致性：

CI=（λmax－n）/（n－1）

（2）（3）

图1Fig．1

水源区生态环境评价指标体系结构environmentinwatersourcearea

Evaluationindexsystemstructureofecological

一致性检验：CＲ=CI/ＲI

ＲI为平均随机认为判断矩阵满足一致性式中，

指标；n为判断矩阵阶数。

（4）层次总排序及一致性检验。即在层次单排的基础上，最终确定相对最高层的目标来说，最底层所有因素对总目标相对重要性的排序，计算公式如下。

f

f

CＲ=

atCI/∑atＲIt∑t=1t=1

＜0.1（4）

对土地类型、植被指数、年均气温、年均降水量、

高程使用的标准化公式为：

Ei－Emin

（5）EI=5×

Emax－Emin式中：EI表示生态环境等级，Ei为环境因子。反映生态环境等级EI随生态环境因子Ei的增大而

f为目标层含有的元素个数；at为准则层式中，

关于目标层的权值元素。

3

3.1

水源区生态环境评价模型的构建

生态环境评价指标体系构建

以南水北调中线工程水源区生态环境综合评价

增大。对河流距离、水库距离、坡度、地形起伏度、人

口密度、人均GDP和自然保护区距离选取数据标准化公式为：

EI=5×1－

[Ei－EminEmax－Emin]（6）

结合自然因素和人为因素，运用层次分析为目标，

法，通过对水源区生态环境现状成因进行分析，构建生态环境评价指标体系，如图1所示。3.2

数据标准化

各指标与生态环境等级有正向关系和逆向关系。正向关系是指生态环境等级随着指标的增大而增大。逆向关系是指生态环境等级随着指标的增大而减小。根据各指标与生态环境等级的关系不同，选取的数据标准化公式不相同。

表1

Table1

目标层

式中：EI表示生态环境等级，Ei为环境因子。反映生态环境等级EI随生态环境因子Ei的增大而

0，5］。EI的范围为［减小。

3.3因子权重的确定

针对水源区运用层次分析法分别对土地资源、水热气象、地形地貌、人为影响各模块下的影响因子两两进行影响程度比较，确定影响程度指数，通过计算确定各影响因子指标权重，结果如表1所示。3.4

生态环境综合评价模型

生态环境各级评价因素的权重及综合权重计算结果

因子层

Thecomputingofweightandcomprehensiveweightofevaluationfactorsofecologicalenviroment

指标层

指标土地资源

编号B1

权重0.1315

因子植被指数编号

C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11C12

权重0.67280.32720.25650.51750.15400.07200.52300.30400.17300.58900.25200.1590

土地类型年均气温年均降水量

河流水库高程

水热气象B20.2090

生态环境评价A

地形地貌B30.3765坡度地形起伏度人口密度人均GDP自然保护区

人为影响

B40.2830

194科技通报第35卷

根据综合评判的原则和方法对研究区生态环境进行评价。水源区的生态环境综合评价指数公

式为：

n

EVI=∑wi×EI

（7）

i=1

其中：EI为第i个单项指标的标准化值，wi为第i个单项指标的权重值。

4

结果分析

4.1

研究区分级

在ArcGIS中将标准化处理的数据进行空间叠

加分析，形成土地资源、水热气象、人为影响和地形

地貌4幅图像，每幅图其值域为［0，5］。将4幅图进行空间叠加分析，从而生成水源区生态环境综合

评价指数图层，其值域为［0，5］。根据水源区实际状况，将其分5个等级，其中生态环境等级I的范围

为［

0，1］，生态环境差；生态环境等级II的范围为［1，2］，生态环境较差；生态环境等级III的范围为

［2，3］，生态环境一般；生态环境等级IV的范围为［3，4］，生态环境较好；生态环境等级V的范围为［4，5］，生态环境好。得出水源区生态环境综合评价分布状况，如图2所示。

图2

水源区生态环境评价

Fig．2

Ecologicalenvironmentalassessmentofwatersourcearea

4.2

分指标生态环境影响分析

（1）如图3（a）所示，水源区土地资源空间分布

呈现明显的区域特征，西北部和南部山区的土地资源条件好于中部的农业区。水源区土地资源条件较好与好的区域，占总面积的52.38%，主要分布在秦岭山区与大巴山区；土地资源条件一般的区域，占总面积的33.50%，主要分布在神农架林区和商洛西部河流沿岸；土地资源条件较差与差的区域，占总面积的14.13%，主要分布在汉中平原、汉江沿岸及丹江口库区。

（2）如图3（b）所示，水热气象评价指标中，水源区水热气象条件的空间分布呈现明显的区域特征，水热气象条件最好的位于中南部，由南向北逐渐恶化。由于秦岭的阻挡，使得南部的年均气温和降雨量均大于北部，南部水热气象条件最好，北部最差。环库区周围水热气象条件较差。水源区水热气象条件较好与好的区域，占总面积的32.92%；水热气象条件一般的区域，占总面积的18.58%；水热气象条件较差与差的区域，占总面积的48.49%。（3）如图3（c）所示，水源区地形复杂，特别是秦巴山区两山夹一川的地貌形态，有众多的小盆地和山间谷地相连接。地形地貌越复杂的区域生态环境多样性丰富，受外界影响较小。地形地貌较复杂，生态环境较好与好的区域，占总面积的37.05%，主要分布在西北的秦岭山区和南部的巴山山区；地形地貌介于复杂和单一之间，生态环境一般的区域，占总面积的26.99%，主要分布在山区河谷；地形地貌单一，生态环境较差与差的区域，占总面积的35.95%，主要分布在各盆地。（4）如图3（d）所示，水源区人为影响条件的空间分布呈现明显的区域特征，其分布大致与地形地貌分布特征相同，地形地貌越平缓的区域受人为影响越大，生态环境越差。水源区人为影响较少，生态环境较好与好的区域，占总面积的93.29%，主要分布在秦巴山区地带和山间小盆地，例如西乡盆地、汉阴盆地、安康盆地等；人为影响一般，生态环境一般的区域，占总面积的5.35%，主要分布在汉中盆地、商丹盆地、洛南盆地；人为影响较多，生态环境较差与差的区域，占总面积的1.36%，主要分布在各城市中心人口密集的区域。

4.3分流域生态环境统计分析

对水源区生态环境进行分流域分析，如表2所

示，不同流域之间生态环境状况有着明显的差异，在同一流域之中生态环境状况也有明显差异。水源区

面积超过10000km2

的流域有丹江流域、堵河流域、

旬河流域；面积超过5000km2

的流域有任河流域、金钱河流域、褒河流域。针对大面积流域，其生态环

境状况尤为重要。丹江流域中生态环境一般区域，占其面积的52.09%；堵河流域中生态环境较好区域，占其面积的34.36%；旬河流域中生态环境较好区域，占其面积的56.42%。在生态环境保护工作中应特别注意丹江流域和冷水河流域地区。

第10期刘伯涛等．南水北调中线工程水源区生态环境综合评价195

表2

Table2

生态环境评价指标岚河流域黄洋河流域坝河流域堵河流域任河流域冷水河流域牧马河流域玉带河流域池河流域沮水流域酉水河流域子午河流域金钱河流域旬河流域水河流域褒河流域丹江流域

面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2

比例面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km2比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%面积/km比例/%

2

2

水源区分流域生态环境统计表

生态环境

Statisticaltableofecologicalenvironmentwithdifferentriverbasins

差0.020.00

较差22.061.01

一般179.048.21

较好476.421.85

好1502.6468.92

总计2180.161

14.401.18

103.718.49

412.8533.78

440.0536.01

251.1420.55

1222.151

4.580.18

98.363.96

693.027.88

1413.4056.86

276.4411.12

2485.781

218.371.23

2309.0412.99

5168.1729.07

6108.8334.36

3975.0922.36

17779.50

1

1.550.02

85.351.08

541.946.84

1976.4724.96

5313.4267.10

7918.731

48.02.23

507.7523.55

637.9129.58

589.3727.33

373.1817.31

2156.211

2.170.05

246.095.95

1217.2929.42

1316.9831.83

1354.6332.74

4137.161

2.630.17

80.625.25

473.4930.83

861.3056.08

117.767.67

1535.801

00

19.721.88

108.7010.39

458.9043.85

459.2243.88

1046.541

0.150.01

29.741.70

294.2316.81

1314.2275.07

112.426.42

1750.761

0.030

30.312.54

214.4617.96

527.9944.23

420.9935.27

1193.781

2

0.650.01

27.490.61

265.205.88

1947.3843.17

2269.8550.32

4510.571

2

36.730.49

455.486.11

2849.7838.25

3882.6252.12

225.383.03

7449.991

2

24.760.23

735.496.90

2312.1221.69

6014.7956.42

1572.8914.75

10660.05

1

2

8.990.25

561.2415.89

432.912.26

1549.3043.87

978.8127.72

3531.241

2

103.922.03

381.707.44

488.789.53

3366.1165.62

789.4415.39

5129.951

2

821.024.01

6034.8929.49

10659.8552.09

2940.7514.37

7.980.04

20464.49

1

总计面积/km

1287.9711729.0426949.7135184.8620001.2895152.86

5结论

本文以地理基础数据、气象数据、遥感影像数DEM数据为基础，据、利用GIS和ＲS技术，运用层

次分析法对南水北调中线工程水源区生态环境进行综合评价。得出以下结论：

（1）水源区生态环境总体较好。生态环境较好V级，的IV，占整个水源区面积的58.0%，主要分布在秦巴山区，其土地资源、水热气象条件较好，受人为影响较小。但由于地形复杂，部分地区生态环境一般；生态环境一般的III级，占水源区总面积的28.32%，主要分布在陕西西部的安康，该地经济欠

发达，人为影响和土地利用程度较小；生态环境较差

II级，的I，占整个水源区面积的13.68%，主要分布在河流沿岸的平原、盆地，丹江口库区等，这些地方由于人为影响强，植被指数低等原因，使其生态环境较差。

（2）不同的流域之间差异较大，水源区生态环境较差的流域主要为丹江流域和冷水河流域，同一流域内由于各种因素影响也存在着明显的差异，主要受地形地貌的影响，例如褒河流域、水河流域，南北差异较大，北部山区生态环境比较好，到南部盆地变差。参考文献：

［1］彭建，蒋一军，吴健生，等．我国矿山开采的生态环境

196科技通报第35卷

图3

Fig．3

水源区分指标生态环境评价

Evaluationofecologicalenvironmentofwatersourceareabydifferentiationindex

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