基于遥感和GIS的生态健康评价——以石羊河流域为例

韩一星

（兰州资源环境职业技术大学，甘肃 兰州 730020）

石羊河是甘肃三大内陆河之一，它是一条古老而又美丽的河。位于河西走廊东端，发源于积雪皑皑的冷龙岭，滋润着美丽的西凉大地，孕育了灿烂辉煌的古凉州文化，创造了闻名于世的金川镍都。她就像一条苍龙蜿蜒流长数百公里。如今，随着周边人类的开发和破坏，这里已成为环境恶劣的沙尘暴来源之一，生态环境日益恶化，引起了更多人的关注，让很多生态学家为眼前所看到的破坏之境而感到心痛。这个地区因为长期干旱和水资源不断流失的原因，已经让沙漠重重包围，多年来，降水较多的夏季也难以维持流域内部蓄水的充分，更不用说其他季节水位下降问题。目前已经无法供给周边居民日常饮水，水里杂质较多也不利于健康饮用，生态环境一直处于崩溃边缘。为了蓄水种植的沙枣树也无法生存，土壤也因干旱变得逐渐盐碱化，让文明的石羊河流域逐渐成为死水一般。

当前，日益严峻的生态环境现状让当地生态系统逐步遭到破坏，使得需要恢复的时间不断延长，为此，许多生态学、环境学专家和学者都对石羊河流域的生态环境状况进行研究和分析。例如王琪和郭承录正确认识了流域生态是人为破坏而造成的，他们提倡加大对石羊河流域生态环境的关注，并为其生态变化梳理出具体的演化趋势，从而提供相应的治理方案来解决这一问题。当然，胡建勋和马国军从生态环境资源的角度也对其进行研究，他们重点强调石羊河流域的水资源问题，认为流域水量适中，但分布较广，且利用率远远超过储存量，没有达到水资源的优化配置。并根据问题提出了具体的水资源分配管理方案。越来越多的专家学者加大了对拯救和保护石羊河生态流域的关注，这也使评价石羊河流域的生态健康成为重点内容，文章就从生态安全、生态保护的角度出发，在互联网大数据的支持之下，通过生态评价体系，做好对石羊河流域的生态健康综合评价，能够更好地对出现环境问题的地方给予相应的措施，利于更好更快进行恢复生态，促进生态环境绿色、可持续发展，促进我国生态文明建设更上一层楼。

1 研究区概况

“汩汩清流润城郭 盈盈碧波锁黄沙”。石羊河流域作为甘肃境内的较大流域之一，在经过生态文明治理和保护后，其中的威武段入选为2021年全国美丽河湖的优秀案例。这也是石羊河流域生态文明恢复的重要代表。石羊河流域位于甘肃省境内，处于河西走廊东端，是甘肃省内陆水系之一，终于民勤绿洲，是民勤绿洲唯一的地表河流。该条水系主要走向是自东向西，随着城镇、水库以及具体的地势而流。这条流域主要通过八条主要河流以及一些小沟小河组成。这些大河小河全部发源于祁连山脉，河流向下流经，出山后呈倒立扇形向北部逐渐汇集。

这八条河流中，大靖河和古浪河都途径古浪县，为古浪县的农业浇灌提供便利。石羊河有“大漠明珠”之称，他直接从腾格里沙漠穿过，与杂木河、金塔河汇聚，并为周边干旱的土地提供唯一的水源。主要途经甘肃威武市的凉州区境内，通过这两条河还再次建设了中型的调节水库，促进当地发电旅游和用水。西营河作为石羊河的一部分流域，主要经过威武市西南部区，其上游与宁昌河共同汇聚于响水河中，下游主要为威武西南部的山区作为降水的补给以夏季气温高时水量较大，径流较为充足，有很多分叉，很多直接隐藏于山区，不得利用。西大河河东大河通过红牙山水库后流入民勤盆地，最终汇入尾闾青土湖中，分散于各个沙漠。因为处于西北地区，离海边较远，且西北地区天气较为干燥，整体属于大陆性温带干旱气候。所以石羊河流域较为干旱， 常年降水量较少， 给流域内部的支流很少的降水补给。

而且石羊河流域周边人口密度大，对水资源的需求高，这使得水资源的供需问题成为最尖锐、矛盾的主要问题。加上人类生活生产不规律， 给这本就脆弱的生态流域带来巨大的破坏，让石羊河流域的水流环境逐步恶化，成为最严重的被破坏流域之一。从降水量来说，其中南部祁连山高寒半干旱湿润区海拔介于2 000~5 000 m之间，干旱指数1~4；中部走廊平原温良干旱区海拔介于1 500~2 000 m之间，干旱指数4~15；其中北部海拔比中部平原高300~500 m，但是降水量很少，是整个流域降水最少的地方，只有150 mm。民勤盆地周围分布着腾格里沙漠，水分蒸发快，降水又少，是特别严重的干旱地区。

2 研究方法

2.1 数据源和预处理

本次研究选用了Landsat 8 OLI_TRIS的遥感数据作为基础信息源，此外还包括一些辅助数据：石羊河流域的行政区划图、1980年1∶50000地形图、2000年1∶10000地形图、土地利用数据（http：//globalchange.nsdc.cn）、依据中国主要地形形势和走向而监测的空间数据，借助云平台进行上传，最后根据BIM技术可以构建和创立三维模型，通过互联网终端形式进行平台操纵和数据处理，能够让地形图更加生动形象，让生态环境的数据更加准确。利用ArcGIS软件的空间分析功能得到石羊河行政界线处理生成研究区的数据影像；用ArcGIS空间分析功能对DEM数据做流域分析处理。通过填洼、流向、流量、河网提取、河流连接点处理，得到石羊河流域范围；数据融合采用HIS变换法，然后对融合后影像采用计算机监督分类，将全区分为林地、农田、建设用地、水体、园地、等14种景观类型。

2.2 评价指标体系及指标量化分级

生态健康评价指标主要是对生态环境中的生物和环境进行评价，通过对石羊河流域水流系统、土壤和陆地生态系统等不同指标评价，体现其是否可以作为人们的日常用水和农业灌溉用水，通过GIS健康评价体系，能够评价流域健康还是不健康的不同等级。它能够更好地反映生态流域的完整性和恢复能力。通过指标体系法，建立三个层次的生态系统健康的评价指标体系，通过公式的形式来计算具体指标。如下：

（在以上公式中，X代表综合评价指标，W代表评价指标的权重，X为指标量化后的值，n为评价指标个数。）

表1 生态系统健康评价指标体系

因为湖泊的类型多样，每一个具体的支流和河流生态系统结构，具体的生态健康表现都有所不同，所以要对体系表所得到的各个层级的指标进行量化处理，从而得到一一对应的等级健康程度。对流域内部水产品的物质生产功能、支流可利用水量占总体流域水量的具体比例、生态系统能够维持的人口数量增减情况都要具体展示。

2.3 评价单元及其栅格数据叠加

根据目前流域现存区域范围划分网格，为之后获取生态环境各个指标的数据提供基础模型，通过遥感技术汇集景观范围的总面积，筛选掉不适合评价的、低于1.0 km2的样方，通过最后呈现的网格体系作为石羊河流域健康评价的依据。根据选取的评价单元来进行数据筛选和汇集，将汇集的数据与选取的网格一一对应，形成体系。然后利用GIS的空间分析功能，对得到的数据进行编辑和处理，并对数据所对应流域的图形进行属性的区分和标注，通过叠加运算形式汇成数据库，建立最终的健康评价指标图。

2.4 评价指标信息提取

2.4.1 压力指数提取

依据石羊河流域各城镇的人口分布情况计算人口密度，再依据人口密度计算人类干扰指数，公式如（2）所示：

式中，S为村镇居民地、建设用地以及交通用地的建设总面积；ST为土地总面积。

2.4.2 NDVI指数

归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）可用来获得植物生长状态和空间分布数据，被广泛应用于定性、定量评价区域内植被覆盖及其生长能力。计算公式如（3）所示：

2.4.3 生态服务功能信息提取

在对石羊河流域生态价值和生态现状进行评估后，可以直接看到生态服务的具体功能。主要根据生态内部环境资源的条件和服务多样性，将其分为九大功能。其中，调节气象、气候、水循环服务的功能较低；文化多样性、社会功能较高。生活环境提供、生产功能几乎为零。

2.4.4 景观指数信息提取

石羊河流域的景观多样性、斑块平均面积及破碎度指数参考邬建国的计算方法。

2.4.5 生态弹性度指数

生态弹性度指数一般被用来定量表示系统在受到干扰后的恢复能力，其计算公式如（4）所示：

式中，ERI为生态弹性度指数；Si为每种景观的面积比；Pi为弹性分值归一化处理后的数值。由于石羊河流域独特的生态环境状况，生态弹性度指数由专家打分和参考野外调查资料共同决定。

3 评价结果与分析

3.1 压力分析

国家重点要通过科学合理的方法去打造“有河有水、有鱼有草、人水和谐”的石羊河，让石羊河继续在绿色国土上流出自己的一道印记，用其汩汩清澈的流水描绘甘肃生态环境的美丽画卷。但是，要想达到美好愿景，就要考虑到使用和生态环境恶化受到的影响因素，尤其是生态流域能够承受的压力程度。包括来自于外在的人为活动以及全球气候变暖带来的巨大影响，还有内部气候条件干旱、降水少，导致水流流域降水无法供给的状况，还要用仅有的流水去供给周边水草生物的成活。让本就脆弱到石羊河流域承受着巨大的供水压力。通过分析压力来源和压力程度的大小，能够更好地规划石羊河流域水分的分配，减少外界压力对其自身内在系统的干扰和破坏。更快更好地改善退化的流域，根据压力值的分布去调节压力、减小压力。

3.2 状态分析

整体上来看，江河流域的生态活力主要以天祝为最佳，以金川区为最差，生态活力与其植被分布范围和密度有巨大的联系。根据流域内部景观多样性和具体对应的植被分布面积从而得到相应指标，发现指标降低的都分布于山区，这些地方人类活动少植被覆盖高。而受干扰程度最大的，主要是城镇、市区中心，而组织指标较好的区域则分布于湿度干扰状态下的低值区域之间的国度地带，尤其是古浪，这里是森林面积较大，结构复杂、类型多样。健康的生态系统对干扰具有抵抗和弹性的能力，弹性越大，系统就越健康。从弹性指标的分布可以看出，弹性指标的高值区域位于林地茂密、水源地、农田较多的肃南裕固族自治县、天祝藏族自治县和古浪县，低值区域分布于民勤和金川区。

3.3 生态系统健康综合评价

以PSR模型对石羊河流域生态健康进行综合评价，结果表明，石羊河生态系统很健康区域为肃南裕固族自治县，健康区域为天祝藏族自治县和古浪县，亚健康区域为凉州区，不健康区域为民勤，金川区由于人口密度大，人类干扰的作用较为显著，生态系统结构不合理，系统活力较低，自然生态系统处于严重退化阶段，故金川区为疾病区域。

4 讨论

本研究采用RS与GIS技术，获取了生态系统健康的定量评价指标，以景观尺度对石羊河流域的综合治理提供了参考。研究结果表明：遥感和地理信息技术可以用来做区域性的生态健康评价，研究结果精度较高、直观，生态健康的等级划分对区域生态安全有一定预警作用；PSR模型计算得出城镇地区由于路面硬化、植被缺失、规划不合理和环境污染等因素一般都处于亚健康状态，应该作为区域景观格局优化和生态恢复的重点区域；石羊河生态系统很健康区域为肃南裕固族自治县，健康区域为天祝藏族自治县和古浪县，亚健康区域为凉州区，不健康区域为民勤。金川区为疾病区域；要保护石羊河，注意上、中、下游的水资源的合理分配，注重保护森林资源。限于石羊河流域生态环境资料欠缺，文章设计的生态健康评价指标体系尚不完善，为了追求更加合理科学的体系建设，需要我国生态学环境学的工作人员不断去努力探索。