GIS技术在玛纳斯河流域生态治理评价中的应用

崔静芝

（和田水文勘测局,新疆 和田 848000）

0 引言

随着西部大开发的不断深入,新疆自治区经济水平发展迅猛,但同时也带来了很多环境问题,尤其是对区内河流生态环境造成了影响。进入2010 年以来,自治区各级政府陆续启动了流域生态治理工程,而应用GIS技术对其生态治理效果进行快速、准确、科学的评价成为当前被广泛研究的内容。

1 项目区概况

昌吉市玛纳斯河流域总面积约4278.34 km2,项目区为典型的温带大陆性气候,干旱少雨,但凭借玛纳斯河天然条件,加之流域内土地资源丰富,光照充足,目前已成为著名的棉粮基地。进入新世纪以来,随着项目区人口、耕地、牲畜数量增长,流域内水资源日益紧张,市政府积极采取调整产业结构、打造节水灌溉工程、实施流域生态治理工程等措施,现计划利用GIS技术对持续了近15 年的治理措施进行科学评价。

2 玛纳斯流域生态治理效果评价

2.1 玛纳斯流域生态治理效果评价方法设计

在此根据项目区实际情况和数据来源,遵循“代表性、全面性、可操作性”等原则,以生态效应为主要分析内容,对玛纳斯流域进行生态治理效果进行综合评价。

（1）评价对象

在此将本文所研究的玛纳斯流域划分为6 个子研究区：玛纳斯灌区内部（C1）、玛纳斯灌区外围（C2）、泉山区（C3）、坝区（C4）、湖区（C5）、整个研究区（C6）,分别对其生态治理效果评价（分区见图1）[1]。

图1 项目区分区示意图

（2）评价方法

利用GIS系统的空间插值法和遥感反演法分别对主要生态因子的时空变化进行分析,制作成平面图更为直观展现,之后利用主成分分析法来确定各生态因子的权重,以此建立研究区生态治理效果评价模型（由于篇幅限制,不再叙述）[2]。

2.2 相关数据及处理方法分析

（1）非遥感数据处理

本项目所涉及到的非遥感数据主要是2005 年~2020 年间,从分布在项目区的52 处观测井中测定地下水位埋深和地下水矿化度等数据。其中水样采集频率为3 次/月,取平均值来作为该月份最终值。

（2）遥感数据处理

根据本文研究需要,选择2005 年~2020 年间,不同时期的遥感影像经过辐射标定、大气校正、影像裁剪等处理后,被用于观测项目区地表植被生态恢复情况的分析（见表1）。

3 GIS技术在流域生态治理评价中的应用分析

为了评价玛纳斯流域生态治理效果,选取3 个评价指标：项目区地下水位恢复效果、地下水矿化度恢复程度、地表植被恢复程度[3],下面分别就这3 个指标进行评价分析。

3.1 地下水位恢复效果评价分析

（1）插值方法的确定

GIS系统中共有8 种插值方法,针对不同的分析对象,不同插值方法所模拟结果也会有所差别。在此以2005 年40 个观测井所采集的地下水埋深数据作为不同插值法建立地下水空间分布的模型依据,剩余12 个观测井数据用于验证,来确定精度最高的插值法。具体结果见表1。

由表1 数据可知：OK插值法综合来看在各参数上都表现较好,因此本项目采用该插值法来评价地下水水位和矿化度的恢复情况[4]。

表1 8种地下水埋深插值模型误差分析（部分）

（2）地下水埋深时空分布特征分析

通过OK值法得到了项目区15 年间的地下水埋深时空分布DGDM数据图（像元面积20 m×20 m）,具体见图2（部分）。

由图2 可知：①在2005 年时,C3、C4 区地下水埋深已经达到-30 m以下,其他区域地下水埋深基本在-18 m及以上,差距非常大,主要原因是灌区灌溉用水量多而猛,其他地区地下水还来不及转移位置；②在2010 年时,C3、C4 区地下水位恢复明显,-26 m以下范围相对于五年前显著减小,但C2 区北部地下水位相对于五年前有着较明显下降,由-6 m下降至-16 m左右；③2015 年和2020 年基本相差不大,C2 区北部基本恢复至-6 m及以上水平。C1、C3、C4区地下水位基本无变化,保持在-26 m以上水平。

图2 地下水埋深时空分布DGDM数据图

（3）地下水位恢复效果分析

地下水位埋深变化直接反映了其恢复效果情况,在此以OK插值法得到的DGDM图为基础,计算出不同子研究区在2005年~2020 年间的平均地下水位变化曲线,见图3。

由图3 可知：①2005 年~2010 年间,由于各项治理措施仅仅是推广阶段,所以地下水位仍为不断下降趋势,其中泉山区在2010 年水位达到最低值,为-26 m；②进入2010 年后,各项治理措施落实到位,其中灌区内部、泉山区水位基本维持稳定,灌区外围、湖区、整个研究区水位呈上升趋势；③进入2015 年后,各区水位基本处于稳定状态,其中灌区外围、湖区、整个研究区维持在较高水平,基本在-16 m；灌区内部水位在-22 m,泉山区和湖区稳定在-26 m。

图3 各子研究区地下水位变化曲线图

总体而言：持续了近15 年的治理措施基本遏制了地下水位下降趋势,使项目区大部分面积恢复到了2005 年的水平,治理效果显著,这对项目区的可持续发展意义重大。

3.2 地下水矿化度恢复评价分析

（1）地下水矿化度空分布特征分析

通过OK值法得到了项目区15 年间的地下水矿化度时空分布DGDM数据图（像元面积20 m×20 m）,具体见图4（部分）[5]。

由图4 可知：①整个研究区,地下水矿化度规律呈由东北向西南逐渐减小,具有明显的分带状；②从2005 年~2020 年,东北区的矿化度呈增大趋势,而西南区呈减小趋势；③研究区地下水矿化度主要受地下水埋深影响,埋深越浅,会出现土壤盐渍化。西南地区矿化度低,也说明了地下水虽然埋深大,但流动性、补给性较好,这也是好现象[6]。

图4 地下水矿化度时空分布DGDM数据图

（2）地下水矿化度恢复效果分析

图5是项目区地下水矿化度变化曲线,由图5可知：①在2005年~2015年间,项目区地下水矿化度呈逐渐升高趋势；②2015年~2020年,灌区内部、泉山区、湖区地下水的矿化度突然减小,说明地下水得到了补给。而其他区依然呈上升趋势,说明地下水埋深变浅,受土壤盐渍影响。这些均说明了治理效果取得了成效。

图5 各子研究区地下水矿化度变化曲线图

3.3 地表植被恢复评价分析

在此利用GIS遥感图经GDVI处理后（计算公式如下）[7],来观察项目区地表植被变化情况,见图6（部分）。

图6 地表植被时空分布遥感图

式中：ρnir为Landsat影像近红外光波段；ρred为 Landsat影像红光波段。

由图6可知：①项目区植被覆盖主要集中在C3、C4、C5子区内；②总体来看,项目区地表植被在15 年间,恢复显著,尤其是C1、C3、C4 区,说明治理效果显著。

4 结语

河道流域生态环境治理在当前水资源缺乏、国人环保意识日益提高的今天,是很多地区迫切需要解决的问题之一,而且这一问题的解决需面临投资周期长、规模大、见效慢等突出特点,但这是目前的唯一途径。玛纳斯河流域生态治理从政策制定到全面落实持续至今已超过15年,通过利用GIS技术从地下水位、地下水矿化度、地表植被等三个方面来分析,确实取得了较好的效果,这一系列政策需要常态化,才能保证地区的可持续发展。