三峡库区巫山—奉节段生态环境敏感性分析

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(中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院，武汉 430074)

三峡库区巫山—奉节段生态环境敏感性分析

吴翠，牛瑞卿，孙平

(中国地质大学(武汉) 地球物理与空间信息学院，武汉 430074)

随着社会的发展和技术的进步，自然环境受到来自人类影响的范围和强度都在不断加大，由此引起的生态环境问题日益严重。区域生态环境敏感性分析对于制定生态环境保护规划和指导区域生态建设等工作具有重要意义。在RS与GIS 技术的支持下，以三峡库区巫山—奉节段为研究对象，结合研究区实际情况，选取地质灾害、石漠化、土壤侵蚀3个生态因素作为评价指标，建立各单因素生态敏感性评价模型，然后运用层次分析法确定各单因素在整个指标体系中的权重，通过加权求和得到该区域生态敏感性综合评价结果，并将生态敏感性空间分布图与研究区乡镇行政区划图进行空间叠加及统计分析。研究结果表明:研究区域内不敏感区、轻度敏感区、中度敏感区、高度敏感区和极敏感区分别占巫山—奉节段区域总面积的7.55%，40.75%，45.21%，6.31%，0.18%，其中高度敏感区和极敏感区主要分布在康坪乡、永安镇、巫峡镇、康乐镇、大溪乡、朱衣镇和鹤峰乡。这些乡镇生态敏感性高，当受到人类不合理活动影响时，容易产生生态环境问题，应该是生态环境保护和恢复建设的重点。

三峡库区；生态环境；敏感性评价；土壤侵蚀；石漠化；地质灾害；遥感

1 研究背景

进入20 世纪以来，随着人类社会的飞速发展，环境污染、植被退化、水土流失、石漠化等各种各样的生态问题不断出现[1]。三峡库区处于长江中下游平原与四川盆地的结合部，是长江水系重要的生态屏障区，它的生态环境状况与三峡工程的安全运行以及长江中下游生态安全息息相关，是典型的生态环境敏感区。库区内地形地势条件较差，同时由于人类活动的加剧，土地利用强度的不断增大，严重的水土流失等问题，进一步激化了库区生态环境问题。深入研究库区生态环境问题对于整个三峡水利枢纽工程、长江上下游沿岸地区以及国家的生态安全都具有重大的意义。

生态环境敏感性是指生态系统对自然和人类活动反应的敏感程度，它反映了生态系统遇到干扰时产生生态失衡与生态环境破坏问题的可能性大小[2]。早期在国内，学者们针对诸如土地沙漠化敏感性、土壤侵蚀敏感性和酸雨敏感性等单一性的生态敏感性问题有大量的研究和分析。如刘康等[3]以甘肃省为研究对象对其进行土地沙漠化敏感性评价以及空间格局分析；陈建军等[4]以通用水土流失方程为理论基础对吉林省的土壤侵蚀敏感性以及空间分布情况进行研究；张征云等[5]在GIS技术的支持下，对天津市土壤盐渍化敏感性进行了研究。同时近年来，国内一些学者越来越重视多因子综合生态敏感性的研究，如颜磊等[6]从自然和人文2大类因子出发，选取了7个相关生态指标对北京市生态敏感性空间分布进行了综合分析；刘军会等[7]通过构建土壤侵蚀、土地沙漠化、土壤盐渍化等评价指标,综合分析了内蒙古生态环境敏感性。国外学者们关于生态敏感性的研究主要是大尺度、大范围地区单一生态要素敏感性的特征以及变化规律，以及生态环境因子的变化对区域生态环境产生的影响。如Brimblecombe等[8]从生态史的角度分析了从1750—1950年环境敏感性的变化规律；Ren等[9]利用2种不同的水文模型对土壤侵蚀敏感性进行研究并比较评价结果；Hornung等[10]研究了英国的酸雨敏感性特征；Majumder等[11]研究了气候变化对湿地生态敏感性的影响。还有其他一些生态环境敏感性研究成果。

以上这些研究成果对今后学者研究生态环境敏感性以及区域生态环境协调发展具有重要的参考价值。但同时也存在一些局限性：①目前生态环境敏感性评价的指标体系是基于国家尺度或省级尺度等大尺度下建立的，地市级或者县级等小尺度的生态敏感性评价方法正处于研究探索阶段，相关研究较少；②三峡库区地质灾害频繁，对于考虑地质灾害这一生态因素的生态敏感性综合评价研究较少。

因此，本文基于GIS与RS技术，选取三峡库区巫山—奉节段作为研究对象，结合研究区域实情，选择研究区域内问题比较突出的土壤侵蚀、石漠化和地质灾害3个生态因素，建立各单因素敏感性评价模型与方法。其中，土壤侵蚀和石漠化敏感性评价可按照《生态功能红线划定技术指南》(环境保护部办公厅2015年5月8日印发)中提供的指标和方法进行研究；地质灾害敏感性以历史灾害点作为样本数据，应用信息量模型进行反演计算，得到研究区地质灾害敏感性的空间分布。在各单因素敏感性评价结果的基础上再进行研究区多因素生态敏感性综合评价，并将评价结果与研究区乡镇行政区划图进行空间叠加，统计分析出生态敏感性较高的乡镇。以期为地方政府决策提供科学参考,为区域经济协调发展和生态文明建设提供技术支撑与依据。

2 研究区概况和数据来源

2.1 研究区概况

三峡库区巫山—奉节段是长江三峡库区腹部核心地带(图1)，位于109°1′E—110°11′E， 30°29′N—31°28′N。该区地处渝东褶皱带、渝鄂湘黔隆起褶皱带、大巴山弧结合部，强烈的造山运动引起海陆变迁和江水下切，地质构造复杂。在地表则形成峡谷幽深、侵蚀强烈、山势陡峭和岩溶发育的独特峡谷地貌；区域土壤类型则以水稻土、潮土、紫色土、黄壤土、石灰岩土、山地黄棕壤土、山地棕壤7大土壤类型为主。气候属于中亚热带湿润季风气候区，立体气候特征明显，年平均气温18 ℃，雨量充盈，年平均降雨量达约1 800 mm。研究区包括巫山县以及奉节县的55个乡镇，面积总计7 051.63 km2。2014年底，研究区的巫山和奉节两县户籍人口总数为171.91万人，其中非农业人口达38.6万人，占总人口数量的20%有余。

图1 研究区区位图Fig.1 Map of the study area

2.2 数据来源

本文采用的主要数据源包括：覆盖三峡库区巫山—奉节段的两景Landsat8影像(参数分别为轨道号126/38，太阳高度角55.823 940 9°；轨道号126/39，太阳高度角50.960 747°，时间都为2014-03-17，第1—第7波段和第9波段分辨率为30 m，第8波段分辨为15 m)，主要用于提取土地利用类型、植被覆盖度等地表覆盖因子；1∶200 000数字化地质图，主要用于提取区域内断层和工程岩组等信息；DEM数据则主要用于提取地形地貌和水文特征等信息；三峡库区历史灾害点存档资料由三峡库区地质灾害防治工作指挥部提供，主要用于灾害点的空间分布与定位；三峡库区地质灾害防治工作指挥部提供的三峡库区23个气象站点的月均降雨量数据(2003—2013年)，用来计算降雨侵蚀力R值；研究区人口资源及行政区划等数据来源于2014年巫山县和奉节县的统计年鉴。

3 原理和方法

通常情况下，生态环境问题是由多个生态单因子综合作用而形成的，各种生态环境因子之间互相制约、联系，从而形成多样的结构和复杂的生态过程，并构成区域生态环境综合体[12-14]。

3.1 生态评价指标体系的建立

生态敏感性因子的选取因不同的研究尺度和研究区域会呈现出很大的差异。本文在RS和GIS技术支持下，结合三峡库区巫山—奉节段的实际情况，选择研究区域生态问题较突出的土壤侵蚀、石漠化和地质灾害3个生态要素建立研究区生态敏感性评价模型(表1)。所有因子数据均统一转换为WGS-84大地坐标系和UTM投影，且栅格单元大小一致为30 m×30 m。

表1 三峡库区巫山—奉节段生态评价指标因子Table 1 Evaluation indexes of Wushan-Fengjiesegment in Three Gorges Reservoir Area

3.2 土壤侵蚀敏感性评价方法

土壤侵蚀敏感性是指自然环境条件下，土壤侵蚀发生的可能性大小。根据通用土壤流失方程研究以水动力为主的水土流失敏感性[15]，并参照国家环保部颁发的《生态功能红线划定技术指南》，选取降雨侵蚀力、土壤可蚀性、坡长坡度和地表植被覆盖作为评价指标，利用地理信息系统技术对各小指标影响分布图进行乘积计算，公式为

(1)

式中：SSj为j空间单元水土流失敏感性指数；R为降雨侵蚀力；K为土壤质地因子；LS为坡长坡度因子；C为地表植被覆盖因子。

其中，降雨侵蚀力(R)采用周伏建等[16]提出的普遍适合我国南方地区降雨侵蚀力的计算公式，即

(2)

式中Pk为k月份多年月平均降雨量。

土壤质地因子(K)以土壤类型图为底图，绘制土壤侵蚀对土壤可蚀性因子的敏感性分级图[17]。

坡长坡度因子(LS)以地形起伏度大小，即地面一定距离范围内最大高差作为区域土壤侵蚀评价的地形指标。

地表植被覆盖(C)主要根据像元二分植被覆盖度反演模型计算而得[18]，公式为

(3)

式中：fc为植被覆盖度；NDVI为植被覆盖指数；NDVIsoil为无植被覆盖区域的NDVI值；NDVIveg为完全被植被覆盖的NDVI值。

结合研究区实际情况对各因子进行分级赋值(表2)， 并根据以上模型原理， 由三峡库区23个气象站点的月均降雨量、 三峡库区巫山—奉节段土壤分布图、 研究区遥感影像以及DEM数据得到研究区土壤侵蚀敏感性指数图,并采用自然断点法和定性分析相结合的方法将指数图分为5级(图2)。

表2 土壤侵蚀敏感性评价指标及分级赋值Table 2 Indexes and grading assignments for evaluatingsoil erosion sensitivity

图2 三峡库区巫山—奉节段土壤侵蚀敏感性空间分布Fig.2 Spatial distribution of soil erosion sensitivity of Wushan-Fengjie segment in Three Gorges Reservoir Area

3.3 石漠化敏感性评价方法

石漠化敏感性是指特定时空尺度下，生态环境脆弱的岩溶地区，其生态系统在人类活动的影响下产生生态失衡而发生石漠化的概率大小[19-20]。结合国家环保部发布的《生态功能红线划定技术指南》和对石漠化敏感性已有的研究(表3)，选择喀斯特地貌、植被覆盖度和坡度3个指标评价研究区石漠化敏感性。通过分析由三峡库区地质灾害防治工作指挥部提供的监测成果资料确定研究区岩溶地貌区和非岩溶地貌区范围，最终形成该区喀斯特地形分布图。研究区岩溶范围主要分布在巫峡段、瞿塘峡段、巫山段和奉节段，长约100 km；坡度根据研究区DEM 数据直接生成与分级。然后将提取到的植被覆盖度因子与坡度因子进行空间叠加，并划去非喀斯特地貌的区域，从而得到研究区的石漠化敏感性空间分布图(图3)。

表3 石漠化敏感性评价指标及分级Table 3 Indexes and grading assignments for evaluatingdesertification sensitivity

图3 三峡库区巫山—奉节段石漠化敏感性空间分布Fig.3 Spatial distribution of desertification sensitivity of Wushan-Fengjie segment in Three Gorges Reservoir Area

3.4 地质灾害敏感性评价方法

地质灾害的敏感性是指孕育地质灾害的岩土体在内外动力地质作用以及人类活动影响下地质灾害发生的可能性大小。本文采用信息量模型来进行地质灾害敏感性的评价，信息量模型是一个反演计算模型，采用地质灾害发生过程中熵的减少来表示地质灾害事件产生的可能性[21]。其公式为

(4)

式中：I表示信息量；P(xi/A)为地质灾害发生条件下因素xi出现的概率，P(xi)为研究区因素xi出现的概率。

研究区主要有滑坡、崩塌、塌岸、泥石流及高切坡等地质灾害，其中滑坡与崩塌的发生数量最多，并且具有分布广、规模大、危害性大等特点。滑坡与崩塌产生于相同或相似的地质环境中，有着共同的触发因素，常常相伴而生，是研究区内最突出的地质灾害类型。结合研究区实际情况，选取土地利用类型、高程、坡度、坡向、断层、斜坡形态、水系距离和植被指数作为地质灾害敏感性评价指标。而根据统计数据显示研究区灾害点共633处，多分布于河流两岸。本文以全区633个灾害点为样本数据，采用信息量模型对研究区进行地质灾害易发性评价，最后将自然断点法和定性分析法相结合，将地质灾害敏感性指数图分为5级(图4)。

图4 三峡库区巫山—奉节段地质灾害敏感性空间分布Fig.4 Spatial distribution of geological disasters sensitivity of Wushan to Fengjiein segment in Three Gorges Reservoir Area

3.5 生态环境敏感性综合评价方法

本文采用综合指数法对研究区进行生态环境敏感性评价，即先求得各单因素敏感性指数，再利用多因子加权求和的计算方法得到生态敏感性综合指数。公式为

(5)

式中：CSj为j空间单元生态环境敏感性指数；Wi为i生态环境因子的权重；Fi为i生态环境因子敏感性等级值；n为生态环境因子的个数(n=1,2,3,…)。

其中权重的确定采用层次分析法，层次分析法是一种定性和定量相结合的、系统化的、层次化的分析方法[22]。该方法的基本原理是对各指标进行两两比较建立判断矩阵A,然后计算判断矩阵的最大特征值以及对应的特征向量，求得不同方案重要性程度的权重[23]。其中计算特征向量可采用方根法。

(6)

(7)

再规范化得到权重值Wi，即

(8)

式中：A为判断矩阵；aij表示第i个因素相对于第j个因素的比较结果；Wi为指标权重。

本文利用层次分析软件Yaahp求得土壤侵蚀、石漠化和地质灾害要素的权重(如表4)，并判断矩阵的一致性比率CR为0.003 6，具有满意的一致性，故通过检验；最后根据生态环境敏感性评价分级标准(表5)将生态环境敏感性综合指数图分为5级，得到三峡库区巫山—奉节段生态环境敏感性综合评价图(图5)。

表4 三峡库区巫山—奉节段生态敏感性各生态要素权重Table 4 Weights of ecological factors in evaluatingecological sensitivity

表5 生态敏感性评价分级标准Table 5 Rating standard for evaluating ecologicalsensitivity

图5 三峡库区巫山—奉节段生态环境敏感性、综合评价Fig.5 Result of comprehensive evaluation on the ecological environment sensitivity of Wushan- Fengjie segment in Three Gorges Reservoir Area

表6 三峡库区巫山—奉节段乡镇高敏感性及敏感性区域面积统计Table 6 Statistics of highly sensitive and sensitive areas of towns in Wushan-Fengjie segment ofthe Three Gorges Reservoir area

4 结果分析

将各单因素敏感性分级图以及综合敏感性分级图与三峡库区巫山—奉节段乡镇行政区划图叠加(图6)，统计出各乡镇高敏感性与极敏感性区域所占面积较高的10个乡镇(表6)。

图6 三峡库区巫山—奉节段生态敏感性分布Fig.6 Distribution of ecological sensitivity of Wushan-Fengjie segment in Three Gorges Reservoir Area

(1) 研究区土壤侵蚀敏感性以中度敏感为主，占研究区总面积的40.86%。高敏感区以及极敏感区主要集中在奉节县的西北部，主要乡镇有：新政乡、石岗乡、汾河镇、岩湾乡、康乐镇、大树镇、公平镇、红土乡、永安镇和康坪乡等。这些乡镇的土壤主要为紫色土、黄棕壤和黄壤，土壤可蚀性较强，又因为这些地区普遍降雨量大，降雨侵蚀性较强，因此，这些乡镇的土壤侵蚀敏感性比较高。

(2) 石漠化敏感性主要以不敏感为主，占全区总面积的87.89%。高敏感区以及极敏感区主要分布在研究区的中部地区，占全区总面积的12.11%，主要有巫峡镇、永安镇、曲尺乡和大溪乡等喀斯特地形发育地区，且地形坡度较大，导致这些乡镇的石漠化敏感性比较高。

(3) 地质灾害敏感性主要以中度敏感为主，占全区总面积的31.64%。高敏感区以及极敏感区主要分布在河流两岸，主要乡镇有：朱衣镇、康坪乡、巫峡镇、白帝镇、培石乡、永安镇、永乐镇、鹤峰乡、龙井乡和大溪乡等。这些乡镇主要分布在长江及其支流沿岸附近，居民的生产活动以农业耕作为主，但受三峡水库蓄水及库区大规模移民进行城镇建设活动的影响，出现地少人多、人均土地资源紧张等问题，导致地质环境条件日益恶化。因此，这些乡镇的地质灾害敏感性比较高。

(4) 综合生态敏感性主要以中度敏感以及轻度敏感为主，占全区总面积的85.96%,其中中度敏感性区域占全区总面积的45.21%，轻度敏感的区域占40.75%，不敏感区占全区总面积的7.55%；此外，高敏感区占全区面积的6.31%，极高敏感区占0.18%。高敏感区以及极敏感区主要分布在奉节县中北部地区，主要有:康坪乡、永安镇、巫峡镇、康乐镇、大溪乡、朱衣镇和鹤峰乡等。这些乡镇主要分布在长江及支流沿岸附近以及喀斯特地形发育地区，坡耕地开垦严重，地形地貌在垂直方向上差异大，水土流失严重，地质构造发育导致抗地质灾害能力差，故生态环境敏感性较强。

5 结论和展望

本文以三峡库区腹地巫山—奉节段为例，结合RS和GIS技术，选择土壤侵蚀、石漠化和地质灾害3个单因素指标，利用层次分析法计算各单因素权重，通过空间矢量叠加法得到研究区综合生态敏感性空间分布图。

(1) 三峡库区巫山—奉节段生态环境敏感性主要以中度敏感与轻度敏感为主，高敏感区与极敏感区主要分布在奉节县中北部的康乐镇、鹤峰乡、永安镇、朱衣镇、康坪乡、岩湾乡、白帝镇以及巫山县中部的曲尺乡、巫峡镇、大溪乡。

(2) 研究区位于三峡库区核心区域，是长江中上游的交汇处，同时也是我国西南、西北和华中3大区域的结合部。对三峡库区巫山—奉节段综合生态敏感性的研究和分析，一定程度上反映了研究区内自然环境变化和人为活动对生态环境的影响状况，为地方政府的决策和开发提供了科学依据。

(3) 由于相关数据资料的限制以及数据处理过程中存在的误差会影响分析结果的精确性，但仍然能充分反映研究区内各不同生态敏感性区域在地理空间上的分布特征。同时,以上对于各生态敏感性指标的量化以定性分析为主,主要依靠经验获得。因此，如何科学、有效地分析生态敏感性等级与各指标之间的关系以及驱动因子的提取是下一步的研究重点。

致谢：感谢牛瑞卿老师以及同门师兄妹在论文修改过程中提供的建议和帮助！同时非常感谢为本论文提供数据支持的三峡库区地质灾害防治工作指挥部！

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(编辑：姜小兰)

Eco-environmental Sensitivity from Wushan to Fengjie inThree Gorges Reservoir Area

WU Cui, NIU Rui-qing, SUN Ping
(Institute of Geophysics and Geomatics, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China)

As society and technology develop, the impact of human activity on natural environment has widened and intensified, resulting in severe eco-environmental problems. Sensitivity analysis for regional eco-environment is of significance to planning eco-environmental protection and guiding regional ecological construction work. With the segment from Wushan to Fengjie in Three Gorges Reservoir Area as study area, the sensitivity evaluation models of single factor, namely geological disaster, rocky desertification, and soil erosion, were established. The weight of each factor was determined through analytic hierarchical process, and the comprehensive evaluation results of ecological sensitivity were further obtained through weighted summation. With the support of RS and GIS technology, the spatial distribution of ecological sensitivity was superposed on the administrative map of the study area for statistical analysis. Results revealed that insensitive areas, slightly sensitive areas, moderately sensitive areas, highly sensitive areas and extremely sensitive areas comprise 7.55%, 40.75%, 45.21%, 6.31% and 0.18% of the whole research region, respectively. Highly sensitive areas and extremely sensitive areas mainly distributed in Kangping town, Yong’an town, Wuxia town, Kangle town, Daxi town, Zhuyi town and Hefeng town. These towns are easily subjected to eco-environmental problems when affected by improper human activities, and hence should be the focuses of eco-environmental protection and restoration.

Three gorges reservoir area; ecological environment; sensitivity evaluation; soil erosion; rocky desertification; geological disasters; remote sensing

2016-06-03；

：2016-07-18

吴 翠(1991-)，女，安徽铜陵人，硕士研究生，主要从事遥感地质、生态环境、3S与地质灾害信息化研究，(电话)13659289812(电子信箱) lucky_wucui@163.com。

10.11988/ckyyb.20160562

2017,34(9):29-35

X82

：A

：1001-5485(2017)09-0029-07