基于GIS的受損河流濕地景觀格局分析及生態(tài)恢復方案研究

吳文佑，雷婉寧，謝光武，操昌碧

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

濕地是地球上水陸相互作用形成的獨特生態(tài)系統(tǒng)，是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一［1］。在過去的幾個世紀，濕地為人類的生產(chǎn)、生活提供了重要的物質(zhì)基礎:人類利用濕地發(fā)展農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè);利用森林濕地排水發(fā)展林業(yè);圍湖造田、造地發(fā)展農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)等等。然而在人類利用濕地的開發(fā)活動中對濕地的占壓和擾動等，使得濕地面積減少、水質(zhì)改變、濕地生物多樣性降低，濕地生態(tài)系統(tǒng)退化趨勢較為明顯。因此，保護現(xiàn)有濕地并恢復退化濕地，成為保護濕地生態(tài)環(huán)境的一項重要任務。在對濕地功能評價并確定濕地生態(tài)系統(tǒng)是否處于健康狀態(tài)的基礎上［2］，提出有針對性的科學的濕地恢復方案是濕地生態(tài)學研究的重要內(nèi)容。

濕地恢復的研究，早在20世紀70年代就受到了國內(nèi)外生態(tài)學者的關注。在受損濕地恢復與重建方面，美國開展得較早。從1975～1985年的10年間，聯(lián)邦政府環(huán)境保護局(EPA)清潔湖泊項目(CLP)的313個濕地恢復研究項目得到政府資助。1990～1991年，NRC、EPA、CRAM 和農(nóng)業(yè)部提出了龐大的濕地恢復計劃［2］。歐洲的一些國家如瑞典、瑞士、丹麥、荷蘭等在濕地恢復研究方面也有了很大進展［4、5］，例如，在西班牙的 Donana 國家公園，安裝水泵來充斥沼澤，補償減少的河流和地下水流;1993年，大約200多位學者聚集在英國謝菲爾德大學討論了濕地恢復問題。在1995年，出版了這次會議的論文集《溫帶濕地的恢復》，從沼澤濕地恢復的基本理論到實踐，文中都有詳盡的論述?？梢哉f，通過這次會議，對濕地恢復的研究又進入了一個新的領域。

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一門介于信息科學、空間科學和地球科學之間的新技術，是在計算機軟硬件支持下，使描述客觀世界的各種數(shù)據(jù)按其地理坐標或空間數(shù)據(jù)輸入計算機，并在其中存貯更新、查詢檢索、量測運算、分析處理、綜合應用、顯示制圖和輸出的一種技術系統(tǒng)［6］。遙感信息具有綜合、豐富、宏觀、動態(tài)、快速、多源的特點，為地球資源調(diào)查與開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測及全球研究提供了一種強有力的探測手段［7］?！?S”技術在陸生生態(tài)資源調(diào)查及評價、景觀格局分析的應用也逐漸發(fā)展起來，并且許多學者引入“3S”技術對基于景觀格局分析的河流濕地生態(tài)恢復研究進行了新的探討。如邊延輝等［8］在對洪河濕地生態(tài)修復研究中，利用3S技術并應用MATLAB6.5軟件輔助計算，對洪河濕地水域、灌木林、喬木林、沼澤濕地、耕地、荒草地景觀進行分析及預測，提出保護區(qū)的生態(tài)修復對策。劉曉嫣等［9］通過對青西濕地景觀環(huán)境現(xiàn)狀進行定性的適宜性分析，并進一步確定濕地恢復方案。鄔秀杰［10］等采用DHP法對宋建湖濕地進行定性評價，提出該地區(qū)濕地保護的可行性方案。現(xiàn)有的研究多是針對湖泊濕地景觀格局進行定性分析，少數(shù)定量分析也只是運用3S技術對濕地按不同地類進行分析預測，但系統(tǒng)地運用GIS技術按濕地敏感目標進行景觀格局分析，并據(jù)此提出有針對性的受損濕地景觀恢復方案尚不多見。鑒于此，筆者探討了GIS與RS技術結(jié)合的河流濕地景觀格局分析的方法，并據(jù)此分析并提出了受損濕地生態(tài)恢復方案，以期為今后受損濕地恢復工作提供一定的借鑒和參考。

2 數(shù)據(jù)源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)源

2.1.1 地形與影像獲取

基于GIS的受損濕地生態(tài)恢復，需要以研究區(qū)的遙感影像和地形數(shù)據(jù)為基礎。為分析擬建工程對濕地生態(tài)系統(tǒng)的影響及生態(tài)恢復的可行性，本工程購買了研究河段高分辨率的GeoEye－1影像。通過高分辨率的遙感影像，借助遙感軟件提取研究區(qū)內(nèi)主要居民點分布圖和土地利用類型圖。

為獲得研究區(qū)的三維場景模擬，收集了研究區(qū)內(nèi)的地形數(shù)據(jù)ASTER GDEM。利用GIS軟件的空間分析功能，提取研究區(qū)內(nèi)的坡度圖、坡向圖，作為景觀格局分析的基礎數(shù)據(jù)。同時，在GIS軟件的三維模塊中，將研究區(qū)的遙感影像和DEM進行疊加，即可獲得研究區(qū)的三維場景模擬。

2.1.2 景觀現(xiàn)狀調(diào)查

濕地景觀格局的分析，除收集遙感影像和地形信息外，還需對現(xiàn)場進行詳細調(diào)查。分析并明確研究區(qū)的濕地生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀、生態(tài)敏感目標:

(1)植物調(diào)查采用樣方法。

(2)動物調(diào)查主要用樣帶法，輔以樣方進行。

(3)濕地類型調(diào)查:收集1∶10 000地形圖結(jié)合現(xiàn)場查勘，記錄濕地類型、典型類型分布地點并用GPS精確定位;通過衛(wèi)片遙感解譯進行不同類型濕地的面積計算。

收集擬建工程的相關資料，用以預測分析擬建工程對濕地景觀格局的影響。

2.1.3 洪水資料收集

根據(jù)工程防洪規(guī)劃報告的洪水風頻相關數(shù)據(jù)，采用洪水計算數(shù)學模型，選取與工程相關的幾個控制斷面，分別計算天然情況及工程運行后兩個工況下的洪水水位、水深及流速等。

2.2 研究方法

景觀格局的分析是把景觀過程(包括水的流動、物種的空間運動等)作為通過克服空間阻力來實現(xiàn)景觀控制和覆蓋的過程。要有效實現(xiàn)控制和覆蓋，必須選擇具有主導作用的關鍵性景觀元素［11］。本研究選擇了洪水景觀格局、敏感動物生境適應性景觀格局及視覺敏感性景觀格局三個元素進行工程區(qū)景觀格局分析。

2.2.1 洪水景觀格局分析

洪水景觀格局的目標在于建立符合洪水自然過程的空間格局，從整個流域洪水景觀格局出發(fā)，恢復可供調(diào)、滯、蓄洪的濕地和河道緩沖區(qū)，滿足洪水自然宣泄的空間。根據(jù)工程區(qū)洪水風頻計算結(jié)果，借助GIS技術，將研究河流洪水風險頻率和擬建工程正常蓄水位模擬疊加，建立高、中、低不同洪水景觀格局下的濕地規(guī)模和格局。

2.2.2 敏感動物生境適應性景觀格局分析

根據(jù)工程區(qū)敏感目標調(diào)查結(jié)果，選取具有代表性的動物進行棲息地適宜性分析。根據(jù)現(xiàn)場查勘結(jié)果及文獻查閱，確定影響該敏感目標棲息地適宜性的因素、分值及權重，在GIS中對影響該敏感目標的因素圖層進行疊加分析，最終將該敏感目標適宜生境劃分為高、中、低水平，得出生境適應性景觀格局分析結(jié)果。

2.2.3 視覺敏感性景觀格局分析

視覺景觀格局是維護景觀視覺感知過程的關鍵性景觀元素和空間聯(lián)系。針對各區(qū)域和廊道進行可視度分析，確定研究范圍內(nèi)的景觀視覺敏感區(qū)域，保護某些景觀視覺質(zhì)量較高的地區(qū)，并對視覺過程影響最大的區(qū)域進行控制，建立不同水平的景觀視覺格局。通過對場地現(xiàn)狀踏勘分析，確定敏感視點及視覺景觀廊道，通過GIS視覺分析工具對敏感試點或廊道周圍景觀可視度進行計算，根據(jù)可視度分布的直方圖(可視度分布曲線)將研究范圍的敏感區(qū)分為三個等級:高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)。對于視覺高敏感區(qū)域應建立視覺通廊和視覺控制區(qū)，為濕地景觀恢復視覺效果營造提供依據(jù)。

3 某航電工程受損河流濕地景觀格局分析及生態(tài)恢復方案

3.1 某航電工程項目概況

該航電工程以航運為主、航電結(jié)合，兼顧防洪等綜合利用的工程。電站壩址控制流域面積約124 686km2，水庫正常蓄水位358m，航道及船閘等級為Ⅲ級，裝機容量360MW，為河床式航電工程，采用右船閘右廠房的布置形式。樞紐主要建筑物自左至右依次布置泄洪沖沙閘、電站廠房、船閘等，為減少淹沒損失，在庫區(qū)壩前段兩岸修建防洪堤。

3.2 敏感目標的確定

根據(jù)景觀現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)合工程分析可知，本工程建設區(qū)河流濕地主要由沿岸邊灘、河流心灘、江心洲、河流水域以及水陸交錯帶組成。河漫灘濕地植物有五節(jié)芒濕地草叢、白茅濕地草叢、棒頭草濕地草叢、菵草濕地草叢和虉草濕地草叢5種植被類型。水生植物有挺水植物蘆葦、五節(jié)芒、芭芒等;浮水植物有鳳眼蓮、浮萍等;沉水植物有粉綠狐尾藻等。此外，河流生態(tài)系統(tǒng)中，鳳洲島、老江壩的西側(cè)和南側(cè)有大面積沙洲，鷺類、鸛類、鸻類等涉禽類會在沙洲上捕食沙蠶、蟹、蚌等底棲動物;而一些以魚類為食的水禽，如鴨類、鷗類、鸛類、翠鳥等，會以沙洲為落腳點，甚至在此筑巢棲息。通過現(xiàn)場調(diào)查及分析，工程主要敏感目標為:桫欏、黑鸛和黑頸鶴、水獺。

本工程建設對河網(wǎng)濕地生態(tài)系統(tǒng)影響主要為:水庫淹沒、航道河道疏浚及防洪堤建設使得河流水域面積增加，沙洲灘涂濕地面積大為縮小，河流渠化;樞紐工程永久占地、河流兩側(cè)河網(wǎng)回填造地改變河網(wǎng)濕地水文條件等。

3.3 基于GIS的工程區(qū)景觀生態(tài)格局分析

3.3.1 洪水景觀格局分析

根據(jù)工程區(qū)洪水風頻計算結(jié)果見表1、2，對擬建工程河流洪水風險頻率和擬建電站正常蓄水位模擬疊加，確立高、中、低不同洪水景觀格局下的濕地規(guī)模和格局，如圖1所示。

圖1 工程區(qū)洪水景觀格局分析

表1 天然狀況下水位計算

表2 正常蓄水位358m狀況下水位計算

通過對天然水位及航電工程運行后水位的模擬疊加，運行后水位上漲4～1m不等，一些原本具有調(diào)洪功能的濕地將常年位于水下，而之前的水陸過渡帶區(qū)域?qū)⒊蔀樾碌闹匾獫竦厣场８鶕?jù)洪水景觀格局分析結(jié)果圖，在洪水高風頻區(qū)域(五年一遇)應保護、保留自然濕地面貌，對已經(jīng)被人工改造的濕地，應盡量退耕還濕，恢復為自然濕地，以此滿足滯水、生物棲息等過程的需要;在洪水中風頻區(qū)域(十年一遇)可保留農(nóng)田，但應調(diào)整生產(chǎn)結(jié)構，種植耐淹、高桿作物;在洪水低風頻區(qū)域(二十年一遇)應限制開發(fā)和建設規(guī)模，避免布置大中型項目。此外，在滿足行洪安全的框架下，可考慮社會、文化審美需求，如建設濕地公園，開發(fā)利用濕地科普教育功能，開辟水上游覽線路，結(jié)合水產(chǎn)養(yǎng)殖，開展自助捕魚游憩活動。

3.3.2 鳥類生境適應性景觀格局分析

根據(jù)工程區(qū)陸生生態(tài)調(diào)查結(jié)果，區(qū)域濕地的變化將對涉禽類的覓食環(huán)境及棲息地產(chǎn)生較為明顯的影響。本文對以黑頸鶴為代表的涉禽類進行棲息地適宜性分析。通過文獻查閱，確定影響其棲息地適宜性的因素、分值及權重見表3。在GIS中對土地利用類型圖、坡度圖及居民點分布圖三個圖層進行疊加分析，可將區(qū)域以黑頸鶴為代表的涉禽類適宜生境劃分為高、中、低水平。鳥類生境適應性生態(tài)格局分析見圖2。

表3 以黑頸鶴為代表的涉禽類棲息生境適宜性分析

圖2 工程區(qū)鳥類生境適應性景觀格局分析

對于高適宜水平區(qū)(得分分值6～10分)，建議盡量保護濕地自然狀態(tài)，以地帶性鄉(xiāng)土植被為目標，從植物類型和豐富度等方面改善濕地景觀功能，選擇鄉(xiāng)土濕生植物進行濕地生態(tài)恢復。從生物核心棲息地構建與外圍的連接廊道，為動物遷徙提供連通性良好的棲息地和廊道;中等適宜水平區(qū)(得分分值3～6分)，改善植被群落組分結(jié)構，在關鍵部位種植或恢復鄉(xiāng)土濕地植被斑塊，加寬景觀元素間的連接廊道，人工建設避開生態(tài)敏感區(qū)。低適宜水平區(qū)(得分分值0～3分)，調(diào)整土地利用格局，在關鍵部位引入或恢復鄉(xiāng)土濕地植被斑塊，建設防護林體系，構建生物廊道系統(tǒng)，人工建設避開生態(tài)敏感區(qū)。

3.3.3 視覺景觀格局分析

通過對場地現(xiàn)狀踏勘分析，重點對四條廊道進行可視度分析:烏尤山環(huán)型廊道、涌斯江游憩廊道、岷江主航道廊道、鳳洲島環(huán)島廊道。借助GIS視覺分析工具，將研究范圍的敏感區(qū)分為三個等級:高敏感區(qū)、中敏感區(qū)、低敏感區(qū)(圖3)。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)重點視覺敏感區(qū)域包括:

烏尤山環(huán)型廊道:視覺敏感區(qū)域包括凌云山、烏尤山;

涌斯江游憩廊道:由于地形較為平坦，主要的視覺敏感區(qū)域為沿岸居民社區(qū);

岷江主航道廊道:主要的視覺敏感區(qū)域為航道兩側(cè)人口聚居片區(qū);

鳳洲島環(huán)島廊道:主要的視覺敏感區(qū)域為嘉州古城區(qū)、岷江三橋及其江心島以及該地的某世界遺產(chǎn)景點;

圖3 視覺景觀格局分析

對于視覺高敏感區(qū)域應建立視覺通廊和視覺控制區(qū)，為濕地景觀恢復視覺效果營造提供依據(jù)。

3.4 濕地生態(tài)恢復方案

基于區(qū)域景觀生態(tài)格局分析，遵循各水平區(qū)域濕地恢復建設原則及內(nèi)容，提出濕地生態(tài)恢復建設總體布局為:“一環(huán)一廊兩島兩區(qū)九片”。

一環(huán):凌云山與烏尤山之間的環(huán)型溢洪河道。由河網(wǎng)草本灘涂濕地、農(nóng)田濕地、凌云山與烏尤山濱水林帶組成，是連接凌云山、烏尤山與烏尤壩以及岷江的重要生態(tài)廊道。

一廊:指涌斯江生態(tài)走廊。涌斯江是岷江重要的支流，是岷江流域靜緩流魚類以及其他水生動物的重要棲息地，同時，也是沿岸居民社區(qū)與岷江水域連通的景觀鏈，是區(qū)域中重要的水系廊道。

兩島:烏尤壩、鳳洲島。

兩區(qū):濕地區(qū)根據(jù)功能定位和周邊環(huán)境的不同，分為兩個主要功能區(qū):上游濕地景觀功能區(qū):上至岷江三橋以上宋中壩江心島，下至杜家場段;下游航道水景觀區(qū):包括修筑防洪堤的岷江航道以及電站壩區(qū)。

九片:濕地區(qū)內(nèi)9個主要的人口聚居片區(qū)，建設用地集中區(qū)，包括7個主要河壩，即王壩子、青衣壩、黃天壩、湯家壩、楠木壩、馬桑壩、天池壩，以及2個農(nóng)村聚居點:烏木莊、胡家灣。

4 討 論

(1)運用GIS進行受損濕地生態(tài)系統(tǒng)景觀格局分析，可以將計算機技術與地理空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)有機結(jié)合起來，并借助于地理信息系統(tǒng)的建模分析功能，使生態(tài)恢復建設方案具有科學性和可操作性。特別是在ArcGIS軟件的支持下以高分辨率的遙感影像和DEM為底圖，模擬研究區(qū)的三維場景，為濕地景觀格局分析提供了很大的方便。

(2)本研究采用景觀安全格局途徑，將格局的現(xiàn)狀進行量化判讀并結(jié)合工程影響進行趨勢預測，根據(jù)生態(tài)修復的原則和方法最終確定出適合于研究區(qū)的宏觀生態(tài)修復方案。研究初步嘗試了借助GIS軟件與地形、遙感影像等基礎空間信息數(shù)據(jù)下的景觀格局現(xiàn)狀定量化判讀，結(jié)果較為客觀;由于技術有限，景觀格局的定量化判讀研究還有待進一步深入。希望本文能夠?qū)笃诘纳钊胙芯科鸬綊伌u引玉的作用。

5 結(jié) 語

經(jīng)本研究實際驗證，以遙感數(shù)據(jù)為基礎，GIS為分析手段進行濕地景觀格局分析具有可行性及科學性?；贕IS的濕地景觀格局分析結(jié)果反應了受損濕地景觀的現(xiàn)狀特征及發(fā)展趨勢，對制定科學合理的景觀生態(tài)恢復方案具有很大的指導意義。在生態(tài)環(huán)境問題較為突出的今天，濕地的景觀生態(tài)恢復已成為全球較為重視的問題，GIS在應用于濕地景觀生態(tài)修復過程中，為其帶來了不少的新思路和方法，具有較大的推廣應用價值。

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