研究区位于安徽省中部的环巢湖流域及其周边地区, 流域面积约4 000 km², 地理坐标为116° 24'30″~118° 0'0″E、30° 58'40″~32° 6'0″N, 处于长江、淮河两大水系之间。研究区地处江淮丘陵地带, 四周分布大量低山丘陵, 地势西高东低、中间低洼平坦, 属于亚热带和暖温带过渡性的副热带季风气候区, 降水量年际变化较大, 季节分配也不均匀, 多集中在夏季。

本研究主要采用的数据包括:2013年8月高分辨率Landsat 8卫星TM遥感影像; 研究区环巢湖DEM数据和坡度数据; 研究区环巢湖矢量数据文件(文件为shp格式)。

对于获得的数据, 以GIS为技术平台, 用ENVI 5.0对TM影像进行大气校正、几何纠正、信息增强等处理。

根据安徽省土地部门制定的土地利用分类系统及实地调查研究, 选取巢湖流域附近为研究区, 进行土地利用分类。将环巢湖土地利用景观类型划分为7类— — 藻类、湿地、水体、林地、建筑、裸地、耕地。分析研究区7类地物的光谱特征, 对研究区进行遥感影像解译, 进而实现对地物的分类, 以便后续的土地利用变化分析。利用ArcGIS提取各地类信息, 同时运用ArcGIS中的统计分析工具, 分别计算7种土地利用景观类型的总面积, 为缓冲区分析和生态环境评价分析提供数据基础。

将研究区的DEM数据导入ArcGIS中, 进行填洼处理以确定水流方向矩阵。为得到环巢湖流域的子流域, 首先计算得到环巢湖流域的汇水面积, 再生成流域分水线。

以研究区所在子流域范围为MASK, 对巢湖DEM数据进行裁切, 得到研究区范围的DEM; 将其在Arcview中打开, 在水流方向获取的基础上, 计算出汇流累积量的大小, 为提取流域河网做准备。在生成河网时, 需要对整个环巢湖流域格网内的各汇流量设定阈值, 本文将其定为500; 之后, 再分割流域, 以确定流域汇水区各个出水口的方位, 得到各个汇水区的面积大小。

根据研究区DEM 数据和识别结果提取各汇水区的相对距离、高程、坡度等地形特征数据, 综合分析污染发生的可能性大小。根据污染源距离湿地、林地的距离, 以及地势高低, 判断林地、湿地区域对污染物质的滞留程度。研究显示, 径流快慢以及其对地面的冲刷程度与坡度成正比。因此, 本研究在构建缓冲带的时候将坡度设置为8%以下。

根据输入的相对距离、高程、坡度等数据, 结合遥感技术以及地理信息空间分析技术, 对环巢湖流域缓冲区的设置进行分析, 得到缓冲区林地和湿地的宽度, 最后利用ArcGIS的缓冲区工具得到每个汇水区林地和湿地的缓冲区。研究方法的具体流程如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 试验流程Fig.1 Experimental flow chart

环巢湖流域生态健康性评价是在土地利用分类的基础上, 结合区域高程和坡度数据, 通过计算相关因子从而实现敏感性分析的。生态健康评价指标由人类干扰度、土地利用度、初级生产力、景观均匀度、植被覆盖度5个生态因子等权叠加计算得到。根据生态健康评价综合指标, 将环巢湖地区的生态健康性分为4个等级— — 很健康区域、健康区域、亚健康区域和不健康区域。

1.5.1 因子测算

(1)人类干扰度。指人类的行为或事件对生态系统、群落或种群结构的影响, 包括改变资源、养分的有效性或改变物理环境^[11]。本研究以LDI为衡量指标。通过查阅文献^{[12, 13]}并结合实地状况, 确定裸地、湿地、水域、藻类、林地、耕地和建筑的LDI权值分别为0.546 4、1、1、1、0.555 6、0.173 3、0.115 2。计算5× 5窗口内(实际对应地面150 m× 150 m)每一种土地利用类型所占的比例, 乘以相应的权值得到窗口内的LDI, 然后令窗口内每一个像素的LDI都等于该值, 遍历整幅影像。

(2)土地利用度。土地利用度反映了人类开发土地的强度^[14]。本研究将研究区域内的各种地物类型按照利用程度分为4级:裸地为1级, 湿地、水域、藻类、林地为2级, 耕地为3级, 建筑为4级。相应地, 1~4级权重分别为0.20、0.15、0.10、0.05。然后, 利用各个级别所占的比例进行计算。计算5× 5窗口内每一种土地利用类型所占的比例, 乘以相应的权重得到窗口内土地利用度的一个总值, 然后令窗口内的每一个像素土地利用度都等于该值, 遍历整幅影像。

(3)初级生产力。指植物进行光合作用, 将无机碳转化为有机碳的能力^[15]。本研究利用区域内归一化植被指数(NDVI)的均值估算初级生产力。计算5× 5窗口内NDVI的平均值, 然后对窗口内每一个位置都附上该值, 依次遍历整幅影像。

(4)景观均匀度。景观均匀度指数(SHEI)等于香农多样性指数除以给定景观丰度下的最大可能多样性^[16], 是比较不同景观或同一景观不同时期多样性变化的一个有力手段, 其取值范围为[0, 1], 表现了优势斑块类型对景观支配的程度; 当景观均匀度指数接近1时, 优势度低, 说明景观中优势类型较少并且类斑块均匀分布。计算5× 5窗口内的景观均匀度, 然后对窗口内的每一个位置都附上该值, 遍历整幅影像。

(5)植被覆盖率。利用校正后的遥感影像计算得到的NDVI来估算植被覆盖率^[17]。计算公式如下:

F= NDVI-NDVIminNDVImax-NDVImin。 (1)

式(1)中:F是植被覆盖率; NDVI_max和NDVI_min分别为最大和最小的归一化植被指数。直接利用公式来计算整幅影像的植被覆盖率, 这样5× 5窗口内每一个位置都有一个相应的值, 然后与其他健康性指标等权相加。

1.5.2 综合指标计算

利用各个指标因子的标准化值, 通过等权相加的方法计算整个研究区范围内的综合指标值, 构建巢湖区域用于健康状态评估的综合指数。

1.5.3 研究区生态健康分级

基于得到的综合指数和实地勘察经验, 对每一个像素位置的指数进行判断, 指数在1.929 2~2.705 6区间内的属于很健康, 指数在1.352 8~1.929 2区间内的属于健康, 指数在0.676 4~1.352 8区间内的属于亚健康, 指数在0~0.676 4区间内的属于不健康。遍历整幅影像。

2.1.1 地物分类结果

根据研究需要和研究区周边的立地类型特征, 将环巢湖流域的土地利用类型划分为藻类、湿地、水体、林地、建筑、裸地、耕地等7类(图2)。分别计算各地物类别的面积和面积占比, 结果如表1所示。可以看出:研究区内耕地面积最大, 占38%; 湿地面积最小, 只有0.3%。建设用地集中于北岸; 南岸为大片农田; 东北边自然环境条件较好, 保留有一片林地和水体; 西北部有大片的裸地。

图2

Fig.2

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	图2 环巢湖流域地物分类图Fig.2 Classification of landforms in Chaohu Lake Basin

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 环巢湖流域地物分类面积汇总 Table 1 Area distribution of landforms in Chaohu Lake Basin 地物类别 Feature category 面积 Area/km2 百分比 Percentage/% 水体Water body 1404.23 10 耕地Arable land 5277.41 38 林地Woodland 2959.38 21 建筑Building 2149.03 16 裸地Bare land 1904.54 14 湿地Wetlands 41.77 0.3 藻类Algae 83.52 0.7 合计Total 13819.88 100

表1 环巢湖流域地物分类面积汇总 Table 1 Area distribution of landforms in Chaohu Lake Basin

2.1.2 汇水区结果

首先在ArcSWAT中生成巢湖的水文图, 接着确定环巢湖流域所在的区域范围。以环巢湖流域所在的子流域为研究对象, 在ArcGIS中进行水文分析, 最后得到汇水区结果(图3), 图中黑线范围即为各个汇水区的分布, 共得到环巢湖流域10个汇水区。分别统计各汇水区面积及所占百分比, 结果如表2所示。其中, 面积最大的为汇水区9, 为4138.55 km², 最小的为汇水区2, 只有344.88 km²。总体来看, 环巢湖西部为流域的上游, 此处的汇水区面积都比较大, 面积最大的汇水区也包括在内, 北部为流域的下游, 汇水区面积普遍较小。

图3

Fig.3

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	图3 环巢湖流域汇水区分布Fig.3 Catchment distribution in Chaohu Lake Basin

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 环巢湖流域汇水区面积统计 Table 2 Area distribution of catchment in Chaohu Lake Basin 编号No. 面积Area/km2 百分比Percentage/% 1 689.76 6 2 344.88 3 3 346.75 3 4 345.82 3 5 2069.27 19 6 344.88 3 7 689.76 6 8 1034.64 9 9 4138.55 37 10 1034.64 11

表2 环巢湖流域汇水区面积统计 Table 2 Area distribution of catchment in Chaohu Lake Basin

2.1.3 缓冲区地形特征提取

环巢湖流域相对距离、相对高程、相对坡度等如图4所示。可以看出, 距离巢湖较近的区域相对距离较小。

图4

Fig.4

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	图4 环巢湖流域相对距离、相对高程与相对坡度Fig.4 Relative distance, elevation and slope in Chaohu Lake Basin

综合相对距离、相对高程、相对坡度计算各汇水区缓冲区, 最终得到环巢湖流域的缓冲区如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 环巢湖流域缓冲区分析Fig.5 Analysis of buffer zone in Chaohu Lake Basin

图6

Fig.6

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	图6 环巢湖流域健康性分级结果Fig.6 Result of ecological health level in Chaohu Lake Basin

设置的缓冲带分为林地和湿地2种。在周边立地条件允许的情况下, 优先考虑设立林地缓冲带; 若周边为建筑用地等不适宜设立林地缓冲带, 以湖岸线为界, 向内设立湿地缓冲带。其宽度设置如表3所示。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 环巢湖流域各汇水区缓冲区宽度设置 Table 3 Design of buffer zone width for catchment area in Chaohu Lake Basin m 汇水区编号 Catchment No. 湿地缓冲区 Wetlands buffer zone 林地缓冲区 Forest buffer zone 局部 Partial 全部 All 局部 Partial 全部 All 1 180 100 100 100 2 0 80 130 160 3 0 80 70 160 4 0 80 70 320 5 0 240 0 80 6 0 240 0 240 7 0 320 0 160 8 0 320 0 160 9 0 200 60 120 10 70 180 0 320

表3 环巢湖流域各汇水区缓冲区宽度设置 Table 3 Design of buffer zone width for catchment area in Chaohu Lake Basin m

环巢湖流域生态健康性评价的结果如图6所示。分别统计分级别的面积和所占比例, 结果见表4。可以看出, 整个研究区域中健康和亚健康等级的合计占比77.39%, 很健康的区域占比20.73%, 不健康区域占比1.88%。从土地利用类型来看, 建筑和耕地受人为干扰因素比较大, 因此在分级结果上多属于不健康和亚健康等级, 而裸地、林地受人为干扰较小, 大部分处于自然状态, 多处于很健康和健康状态。这说明研究区域生态健康分级结果较符合实际情况。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 环巢湖流域健康性分级面积分布 Table 4 Area and proportion of ecological health level in Chaohu Lake Basin 级别Level 面积Area/km2 比例Percentage/% 很健康Very healthy 2700.7 20.73 健康Healthy 6703.8 51.46 亚健康Sub-healthy 3378.5 25.93 不健康Unhealthy 244.3 1.88

表4 环巢湖流域健康性分级面积分布 Table 4 Area and proportion of ecological health level in Chaohu Lake Basin