基于3S技术的马鞍山市江心洲生态环境敏感性研究

凌焕然，陆淼菁，王 伟，王祥荣

（复旦大学 环境科学与工程系，上海 200433）

生态环境敏感性指生态系统对人类活动反应的敏感程度，用来反映产生生态失衡与生态环境问题的可能性大小.可以以此确定生态环境影响最敏感的地区和最具有保护价值的地区，为生态功能区划提供依据［1］.

生态环境敏感性评价是根据区域主要生态与环境问题及其形成机制，分析敏感性的区域分异规律，即根据主要影响因子的不同属性或类型划分敏感性等级，进行单因子及综合敏感性评价，明确特定生态环境问题可能发生的地区范围与可能程度，以便提早预防并采取针对性的保护与建设措施［2］.

马鞍山江心洲是马鞍山市“1255”城市发展战略的重要组成部分——生态旅游区，是实现城市产业转型的重要功能区.江心洲发展有助于规划建设环境优美、生态健康的生态岛，有助于统筹相关区域的协调发展，而在发展与保护的矛盾更加尖锐的今天，对规划区域进行生态环境敏感性分析等环境生态专项研究显得尤为重要.因此，对马鞍山江心洲各类生态限制因子进行生态环境敏感性分析，并在此基础上进行生态分区研究，是此后功能分区的重要依据之一，可用于指导规划用地布局，并建构合理的江心洲总体规划结构，以实现其可持续发展，具有十分重大的意义.

1 研究区域概况

马鞍山江心洲地处长江中下游安徽省马鞍山段河道，东临马鞍山市中心城区，西涉长江，整体规划用地63.3km2（其中北部何家洲用地面积3.11km2，夹江水域面积1.49km2），本文以58.7km2的主要地段为研究区（图1）.

江心洲顺水流方向南北长、东西窄，呈鹅卵形.地形总体趋于平坦，平均高程6.1m，呈典型的江心洲地貌特征——南高北低、缓慢均匀倾斜状.主要是一些人工河道与水体，有3条南北向的主要渠道，宽22～29m，可以通行船只；其他相对较小的水道均交错相通，基本上都由当地居民自行开挖而成，与长江水系相离，未受长江水质变化的影响.

江心洲属于北亚热带季风性湿润气候，历年平均气温15.4℃，年平均降水量为991.3mm.植被属中亚热带常绿落叶阔叶混交林带，原生自然植被已不复存在，目前主要以农作物和速生林为主，还有面积较大的以芦苇等植物种类为主的湿地，位于江心圩和彭太圩之间.

2 研究方法

从定量化的角度，生态环境敏感性评价可以看做是一组影响因子按照一定规则组合后形成的新的评价等级.

其基本表达形式可以用下式表示：

图1 马鞍山市江心洲空间地理数据分布Fig.1 Spatial distribution of geographic data for Ma'anshan ait

其中，S是敏感性等级，xi（i＝1，2，3，…，n）是用于评价的一组因子.

本文结合马鞍山江心洲规划，基于3S技术（GPS，全球定位系统；GIS，地理信息系统；RS，遥感技术）对当前环境生态现状及交通规划为依据选取若干生态环境影响因子.结合相应的评价标准，将敏感性分为5级，即极敏感、高敏感、敏感、低敏感、不敏感［3］.同时借助ArcGIS（分析软件）作为空间数据管理工具、矢量化相关图层并获取指标数据后采用多边形法获取评价单元及其属性数据.在计算机软、硬件支持下将各生态因子的景观斑块分别赋予相应的等级指数制作单因子敏感性分布图.同时，根据敏感度指数分析并划分敏感性级别，结合ArcGIS实现评价结果图的输出.随后根据各影响因子敏感性等级的赋值，采用等权或加权的方法，计算特定生态环境问题的敏感性综合指数，应用地理信息系统软件生成特定生态环境问题的敏感性综合评价图并进行综合评价.

3 单因子分析

影响生态系统敏感性的因子很多，如水域、植被、土壤、地形等，不同区域影响因子不同，作用于不同生态过程的生态因子亦不同［4］，故针对特定研究地区，应选用不同的影响因子.尹海伟等［5］选用水域、海拔与堤防、植被、耕地等4项因子进行吴江东部地区的生态环境敏感性分析，霍震等［6］在进行滇池流域生态环境敏感性评价时选用坡度，地形起伏度，土地利用类型，土壤侵蚀强度等因子；颜磊等［7］在北京市域生态环境敏感性综合评价时采用水土流失，河流水量，泥石流，道路等因子；赵义华等［8］选用坡度，高程，水域，植被，道路5个因子分析了常州市宋剑湖地区的生态环境敏感性；程磊等在［9］对南京市江宁区大连山—青龙山片区进行生态环境敏感性分析时将坡度、地表水系、居民用地强度、道路交通影响、高程等共6项列为影响因子.

本文结合马鞍山江心洲的实际情况及规划目的“土地集约利用、环境优美宜人、生态与产业和谐共生的示范区”来看，作为区域大骨架和背景的地形因子，作为生态环境中最重要、最敏感自然要素的地表植被因子，及由于江心洲水体分布和洪水威胁的实际情况而至关重要的水体及洪水因子，列为进行生态环境敏感性分析时必须选取的影响因子.研究发现江心洲如果没有现有的堤防，整个江心洲在长江汛期将长年处于洪水淹没状态，即使是极端枯水的1972年夏季，整个江心洲也有超过85%的面积处于洪水水位线以下.因此，洪水因子是本次敏感性研究中考虑的极为重要因素.由于研究区域内人口密度均在1×104／km2以下，区域的现状中几乎没有工业，大气污染较低，故人口密度，环境污染因子并未参与生态环境敏感性现状分析.

分析的数据主要来源于以下3个途径：（1）提供的资料（文本、CAD、扫描地图图件、现有规划图件）；（2）1∶10000的10m等高线及基础地理矢量数据（图1）；（3）ETM－L7多波段卫星影像和SPOT 5高分辨率卫星影像（图2）.

图2 卫星影像数据（（a）来源于中科院国际科研数据库；（b）来源于马鞍山市规划局）Fig.2 Image data：（a）ETM－L7multi－bands image map and（b）SPOT 5high－resolution image map

3.1 地形因子分析

江心洲地形总体趋于平坦，最高高程11.70m，最低高程4.9m，平均高程6.1m，为典型的江心洲地貌特征——南（洲头）高北（洲尾）低，呈缓慢均匀倾斜状，没有形成明显的大面积坡度地貌.坡向的改变主要存在于堤防及农民建设用地构建的庄台，坡向对地表植被种类的影响不明显.最大坡度在10°以下，而且主要出现在沿江滩涂、堤防和圩内庄台等地区（图3）.

图3 地形因子分析结果图（彩图见封二）Fig.3 Results of topographic factor analysis

3.2 水体因子分析

（1）水系 江心洲内分布着密布的人工沟渠，主要为中部南北向两条干渠和东西向干渠，水系依据地势走向由西南向东北汇流.渠内为自然降雨积水，在雨季洪涝时，可由江心圩东北部的排涝站将内涝排向夹江.水系提供圩内旱作植物灌溉用水.

（2）湿地 江心洲由于自然条件形成南北两块湿地生态系统：北部湿地生态系统位于宫锦圩与何家洲之间，水面较宽，长年处于水道形态；南部湿地生态系统位于江心圩与彭太圩之间，在洪水期内将存在20d左右的淹没期，其余时间呈现典型的湿地生态特征.

3.3 植被多样性因子分析

由Landsat7ETM＋多波段卫星影像计算NDVI（Normalized Difference Vegetation Index，归一化植被指数）［10］结果见图4所示.可以看出圩内植被覆盖度非常高，红色区域为常绿阔叶乔木，主要分布在道路、堤防、沟渠边以及房前屋后，绿色区域为大面积的基本农田.由图1可以看出本区域处于非常低的城市化开发状态，硬质不透水面非常有限，尚未形成成片的城镇建成区.

3.4 洪水风险因子分析

水文条件是影响江心洲规划和发展的重要因素.长江水利委员会规定马鞍山江心洲警戒水位10m，保证水位11.95m.根据安徽省水利厅提供的长江马鞍山水文站历年水位特征值统计图（图5）可以看出，马鞍山市年平均最高水位为9.51m.此为江心洲开发建设绝对的约束条件.研究分析得到各典型年份洪水淹没分析图（图6）.

图4 NDVI指数分布图Fig.4 The distribution map of NDVI index

图5 马鞍山历年水位特征值统计图Fig.5 Eigenvalue charts of Ma'anshan's water level over the years

本处极端洪水年取1954年的11.41m而不是1998年的11.46m，是因为两者水位差不多，而江心洲堤防标准为1954年型.年平均水位则评估如果没有江心洲堤防，将长期处于洪水淹没下的空间分布.

研究发现如果没有现有的江心洲堤防，整个江心洲在长江汛期将长年处于洪水淹没状态，即使是极端枯水的1972年夏季，整个江心洲也有超过85%的面积处于洪水水位线以下.考虑到长江水利委员会规定的江心洲堤防标准为1954年型，在必要时可能会破圩行洪，因此我们以长江马鞍山水文站的保证水位11.95m、警戒水位10m、长年平均水位5.9m为标准评估.根据洪水对规划的威胁，以及防范洪水所需要的工程量，按警戒水位10m为依据划分5个洪水风险等级（表1）.

图6 各典型年份洪水淹没分析图表Fig.6 Flood analysis over typical years

表1 洪水风险等级划分表Tab.1 Classification of flood risk level

经过上述分析及评估，本研究得出江心洲洪水风险图（图7）.

4 多因子综合分析

目前被用于生态环境敏感性综合分析评价因子权重确定的方法已有多种，实践中根据所做研究的特定情况酌情选择应用，如层次分析法［11］、加权叠加法［12～14］，极大值法［15，16］，排队法、权衡分析法等.由于层次分析法具有高度的逻辑性、系统性、简洁性与实用性的特点，且较为成熟，应用比较广泛、最为常见［19～22］.本文的权重确定采用了以层次分析法为基础的成对比较法［12，13］.通过查阅相关文献、资料［19～21］专家咨询等作为选择的辅助手段，本文采用德尔菲法［22］（Delphi Method）来选择确定因子权重（表2）.

本区域主要的风险在于洪水的威胁，而同时本区域没有山地地貌，珍稀植被比较少，NDVI指数较高的地区大部分为人工种植的杨树林和可建设的农田.因此在此处将植物多样性的权重降低，同时大幅提高洪水风险的权重值.

根据GIS系统的计算结果，生成综合生态环境敏感性图，从而将计算结果直观地反映在图形中，生态环境敏感性分析的结果显示土地分为不同的生态区域，为土地的合理配置、有序开发提供科学依据.其中绿色为生态不敏感，浅绿色为生态低敏感，黄色为敏感，橙色为高敏感，红色为非常敏感.

图7 洪水风险（彩图见封二）Fig.7 Flood risk map

表2 生态因子权重表Tab.2 Weights of ecological factors

根据对生态结构的完善，在生态环境敏感性分区的基础上，将增加的生态片区（图8（见第236页）），部分作为高敏感的生态用地进行叠加，作为分区的基础（图9（见第236页）），分区结果见表3.

表3 生态环境敏感性分析结果面积统计表Tab.3 The area of ecological sensitivity results

综合评价值即代表了该空间地块的生态敏感程度，一般此分值相比较越高，则生态环境敏感性越强.在此基础上进行生态环境区划，将区域的生态环境按生态环境敏感性分为非常敏感—高敏感区、敏感区、低敏感—不敏感区3类.

（1）非常敏感—高敏感区：一般为有地表水影响区或坡度＞20%区域，生态价值高.该区域对开发建设活动极为敏感，一旦出现破坏干扰，不仅影响江心洲正常的开发建设活动的进行，而且有可能会给区域生态系统带来严重破坏，属自然生态重点保护地段；本区域人类活动敏感性较高，生态恢复难，对维持最敏感区的良好功能及气候环境等方面起到重要作用，一般划为禁止建设区；

（2）敏感区：能承受一定的人类干扰，但若遭遇严重干扰会引起环境空气质量下降、植被破坏、噪音等生态环境问题，生态恢复慢；

（3）低敏感—不敏感区：可承受一定强度的开发建设，土地可作多种用途开发.

研究表明非常敏感区占地面积3.9285km2，主要集中在宫锦圩与何家洲、江心圩与彭太圩之间的两处湿地系统，高敏感区占地17.8209km2，主要分布于北部何家洲、紫洲、宫锦圩生态片区，东北部水源保护区，南部彭太圩、幸福洲和江心圩生态片区，以及中部江心圩干渠沿线.

为了便于统筹规划，在综合考虑生态廊道后，简化用地统计，将高敏感和非常敏感区域合并，作为自然生态用地.将不敏感和低敏感区进行合并，作为适合开发建设的城市与产业的用地基础，并划定以下3类用地：

（1）不可建设用地：包括非常敏感区、高敏感区、敏感区，这些区域是江心洲中自然生态环境最为重要的地带，该处的环境变化会对区域环境造成很大的影响，也会对自然生态结构的保持与完善产生重大影响.所以对不可建设用地的生态环境要予以严格保护，提高生态系统的多样性和稳定性，并控制水资源污染.

（2）限制建设用地：包括低敏感区及少部分低敏感区和敏感区交错分布的区域，它们属于生态环境较为脆弱的区域，该区域内的生态环境容易受到干扰和破坏，生态环境系统不稳定，此类区域作为控制开发区，以“生态目标和谐、环境目标优美”为原则适度开发，避免对生态环境的破坏.

（3）可建设用地：主要是低敏感区和不敏感区，属于城市生态压力小和环境敏感性低的区域，该区域适宜作为经济建设发展区.但是开发要与生态环境保护相结合，在开发过程中注重生态保护和生态平衡、资源循环再生、并注意建设区中的环境基础设施，走可持续发展的道路.

本生态环境敏感性分析将作为该地区进行进一步生态功能分区和景观生态格局构建的重要基础和指导，将能有效落实建设环境优美、生态健康的生态岛的长远目标，实现江心洲的可持续发展.

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