杨斌， 詹金凤， 李茂娇

(1.西南科技大学环境与资源学院，绵阳 621010； 2.北京师范大学水科学学院，北京 100875)

0 引言

环境脆弱性问题按研究领域可分为人文系统脆弱性和自然系统脆弱性，这是一种较复杂的多要素多因子情况下的系统问题研究，目前主要采用定性研究的方法进行分析。层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)则是通过分析复杂问题所包含的因素及其相互关系，将复杂问题分解为不同的要素，并将这些要素归并为不同的层次，以定性和定量相结合构建多层次结构的分析评价体系[1]，在GIS平台下分析环境脆弱性评价结果，为此类问题系统科学研究提供理论依据。

岷江上游位于青藏高原东缘，地处四川盆地丘陵山地向川西北高原的过渡地带，地形起伏大、河流深切、地质活动频繁，为我国西部典型的环境脆弱区域。尤其在近些年(汶川地震和人口急剧增长影响下)该区域土壤侵蚀、水土流失极其严重，森林退缩速度加快，核心区域内干旱河谷面积逐步扩展，草场退化与荒漠化严重，河流年径流量呈明显减少趋势，表现出区域整体的环境脆弱性问题越来越严重[2]。因此，在剖析该问题基础上，优化评价因素和指标，将AHP和GIS技术集成应用到环境脆弱性分析评价问题研究中，为岷江上游环境质量评价提供科学决策依据，亦为研究该地区其他相关问题提供支持。

1 研究区概况

岷江上游地处青藏高原东缘(E31°16′～32°26′,N102°56′～103°55′)，在行政区域上包括四川省阿坝藏族羌族自治州的汶川、理县、茂县、松潘和黑水5个县，地震活动频发，该区域是长江上游生态屏障的重要组成部分，其生态环境状况直接影响着岷江流域、成都平原和整个长江上游的生态环境与社会经济发展。该区域岩性以变质岩、花岗岩和结晶岩分布最广泛，由于受新构造运动、第四纪冰川作用以及其他外营力的影响，致使该区域地貌类型复杂多样[3]。

该区域内地形高差大，地表岩石破碎、风化强烈，河流由于纵比降和洪枯期流量变幅大，下切和侵蚀能力强，使河谷下部的地貌动态平衡十分脆弱，河谷内的松散堆积物破碎程度高及稳定性差[4]。岷江上游干旱河谷区作为该区域最脆弱的地貌特征，主要分布于松潘县镇江关以下，经茂县凤仪镇至汶川县绵褫间的岷江干流，以及支流黑水河谷和杂谷脑河谷，海拔1 200～2 200 m、相对高差300～500 m不等的沿河狭长山谷地段[5]。脆弱的地表结构导致轻微的外部干扰便会使该区环境受到严重破坏。

2 数据源

1)中国科学院对地观测中心网站为本次研究提供了2003—2010年期间的Landsat5遥感数据。为了便于对汶川地震后岷江上游生态环境的脆弱性进行评价及验证，研究选取了2003年2月和2010年3月2景TM遥感图像数据(图1)。

图1 2010年TM 5(R)4(G)3(B)合成图像

2)收集了1∶25万等高线和部分地形数据，在ArcGIS软件中通过插值生成30 m格网大小的数字高程模型(digital elevation model,DEM)(图2)。

图2 数字高程模型(DEM)

3)通过对TM数据的分析，在ENVI软件支持下提取1∶25万归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)信息，制作土壤类型分布图、坡度分布图、地形起伏度分布图及人口密度分布图等系列图件。

3 研究方法

3.1 递阶层次结构模型体系

AHP包括构建递阶层次结构模型、判断矩阵的建立及其求值、一致性检验和综合指数计算等运算过程。应用AHP分析决策问题时，首先要把问题条理化、层次化，构建一个有层次的结构模型[6]，将复杂问题分解成各自独立的组成元素的组成部分，元素又按其属性及关系形成若干层次，这些层次可以分为3类： ①最高层，该层次中只有1个元素，一般是分析问题的预定目标或理想结果，很多情况下也称为目标层； ②中间层，包含了为实现目标所涉及的中间环节，它可以由若干个层次组成，包括所需考虑的准则、子准则，因此也称为指标层或准则层； ③最底层，包括了为实现目标可供选择的各种措施和决策方案等，因此也称为措施层或方案层。

按照递阶层次结构体系原理，方法涉及到的层次数与问题的复杂程度及需要分析的详尽程度有关，一般层次数不受限制。每一层次中所支配的元素则不宜过多，主要考虑到支配元素过多会给两两比较判断带来困难[7]。根据对研究区生态环境影响要素的分析，引入植被指数变化率、人口密度、地形起伏度、坡度及土壤类型等5类要素，结合层次分析评价体系，将递阶层次结构体系分为目标层、指标层(要素层)和方案层这3个层次进行构建(图3)。

图3 岷江上游环境脆弱性分析递阶层次结构体系

3.2 判断矩阵的构建

根据递阶层次结构模型，需先构造判断矩阵A，结合Satty[8]提出的标度方法，即分别以1，3，5，7，9来标度2个元素之间的重要性程度。根据研究经验，Satty比例标度法虽然在确定事物的排序上基本合理，但其对要素相互之间重要性程度差异的描述与人类认知的常识有一定偏差。例如“稍微重要”的标度值为3，也就是将比“同等重要”大3倍的情况认为是稍微重要，而“明显重要”的标度值为5，与“稍微重要”的标度比为5/3=1.67，远小于3，即“明显重要”事物与“稍微重要”事物相比较得出的差异，还远不能与比较“稍微重要”事物与“同等重要”事物得出的差异相比，这是不合理的。汪树玉等[9]提出的新的比例标度值(表1)，能更真实地量化反映重要性等级之间的数量差异。

表1 改进的比例标度法汇总表

①K表示标度通式形式；k表示标度具体值； 数据相除值大小表示重要性程度。

在文献[9]研究过程中使用的新的比例标度法为指数标度，即： 按要素a比要素b的重要性，从“同等重要”到“极端重要”，分别取1.000，1.277，2.080，4.327，9.000； 反之，若要素a比要素b次要，则取相应权重的倒数(表2)。

表2 A-B判断矩阵

在构建该体系下的判断矩阵过程中，还充分考虑了以下2个要素： ①植被覆盖情况是生态系统最显著的特征之一，决定着生态系统的面貌，是反映生态环境质量本质的特征之一； ②该区域调查表明，人类活动对生态系统的影响明显，人口密度对生态环境质量具有重要指导意义。

3.3 特征向量及权重的计算

利用方根法来计算判断矩阵B的最大特征根及其对应特征向量[10]。经计算，A-B矩阵的特征向量W=[0.532，0.203，0.148，0.083，0.043]，即植被指数变化率B1的权重为0.532、人口密度B2的权重为0.203、地形起伏度B3的权重为0.148、坡度B4的权重为0.083、土壤类型B5的权重为0.043。详见表2。

4 结果与分析

4.1 脆弱性特征因子提取

岷江上游脆弱性主要反映了生境、群落和物种对环境变化的敏感程度，体现出一个生态系统、景观组分或某一景观对外界干扰所产生的应变及其能力[11]，由于资料的局限性,本文仅研究自然内生型脆弱性特征表现。将影响岷江上游自然内生型脆弱性特征因子概括为自然要素和人类活动要素2大类。通过对比分析，选取植被指数变化率、地形起伏度、坡度和土壤类型作为自然要素，人口密度作为人类活动要素[12]。

1)植被指数变化率。分别采用2003年和2010年TM数据提取出每个时间段的NDVI，将NDVI在ArcGIS栅格计算器中进行叠加分析，获取该时间段的NDVI植被指数变化率分布数据(图4)。

图4 植被指数变化率

2)地形起伏度和坡度。利用1∶25万等高线数据通过插值方法在ArcGIS软件中生成DEM数据，然后再根据地形起伏度和坡度定义公式，在ArcGIS平台下进行归类提取，结果如图5所示。

图5 地形起伏度(左)与坡(右)度分布图

3)土壤类型。采用2010年TM图像数据为基础信息源，依据1995年提出的《中国土壤系统分类(修订方案)》，通过监督分类解译和野外特征数据验收，获取该类要素图层(图6)。

图6 土壤类型分布

4)人口密度。根据2011年5月27日四川省阿坝州政府公布的第六次全国人口普查统计数据，岷江上游地区总人口77.03万，占全州人口的86.72%，其中汶川县10.08万人，人口密度25人/km2； 理县4.66万人，人口密度11人/km2； 茂县10.48万人，人口密度26人/km2； 黑水县6.07万人，人口密度15人/km2； 松潘县7.23万人，人口密度9人/km2； 再通过ArcGIS中的邻域特征插值法生成该区域的人口密度分布图(图7)。

图7 人口密度分布

4.2 环境脆弱性特征分析

通过对岷江上游环境脆弱性特征因子的分析和提取，结合递阶层次结构模型计算出来的各要素权重值，在ArcGIS Desktop9.3平台下运用Spatial Analysis Tool中的栅格计算器，将岷江上游的植被指数变化率、人口密度、地形起伏度、坡度及土壤类型这5类影响评价要素进行加权叠置运算，即

EVI=0.523V1+ 0.203V2+ 0.148V3+ 0.083V4+ 0.043V5

,

(1)

式中：EVI为环境脆弱性指标；V1为植被指数变化率；V2为人口密度；V3为地形起伏度；V4为坡度；V5为土壤类型。从而得到岷江上游环境脆弱性连续变化的特征分布图(图8)。

图8 环境脆弱性连续变化分布图

环境脆弱性连续变化分布图的实现流程如图9所示。

图9 岷江上游环境脆弱性评价流程图

EVI评价分级的阈值是判断环境脆弱性呈显性或隐性的重要参数，通过对指标进行标准化处理获得，其分布区间为[0，1]。由于环境脆弱性评价研究尚处在探索阶段，对于评价结果阈值的确定没有统一明确的界定[13-14]，根据国内研究现状，结合该流域自然地理状况、生态脆弱性表现特征及变化规律，采用自然裂点法将研究区脆弱性程度划分为5级，即微度脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、强度脆弱和极强度脆弱。具体参数见表3。

表3 研究区脆弱度等级划分表

4.3 环境脆弱性评价

根据脆弱性程度划分标准，运用ArcMap的Spatial Analyst模块下的Reclassify命令，对岷江上游流域环境脆弱性空间分布进行分级，得到岷江上游流域环境脆弱性评价分级图(图10)。

图10 环境脆弱性分级图

结果表明，研究区微弱、轻度、中度、强度和极强度的脆弱区域面积分别为4 280 km2，7 773 km2，7 314 km2，4 009 km2和2 050 km2，分别占流域总面积的16.8%，30.6%，28.8%，15.8%和8.0%。研究表明，岷江上游流域环境脆弱度等级较高，50%以上的区域属于中度脆弱区，生态环境处于严峻状态的研究区边缘地带，在灾后重建及恢复过程中应引起特别重视。

从岷江上游环境脆弱性等级特征的空间分布分析，区域脆弱性由强到弱的县依次是汶川县、茂县、理县、黑水县和松潘县，汶川县的环境脆弱性表现极其突出，主要受汶川地震和洪雨灾害的重大冲击和影响，因此在灾后重建过程中应加强对环境治理的重视程度，才能确保该区域长治久安发展； 松潘县地处岷江流域源头，海拔相对比较高，人口分布少，国家级自然生态保护区也分布于此，同时受到地震及次生灾害较小，因此生态环境状态较好。

环境脆弱性分布还与岷江水系分布关系密切，越靠近岷江水系主河道的区域脆弱性越严重，距离水系越远的地区生态环境脆弱性越不明显，此分布与自然环境状况的空间格局大体吻合。另外，该区域干旱河谷区的环境依旧严峻，而且邻近都江堰地区的环境表现为极度脆弱，需加大对此处的治理和防护。

5 结论

区域环境脆弱性是经济社会可持续发展的障碍，脆弱性越大越不利于区域经济社会的综合发展。本研究利用层次分析法，从分析环境脆弱性本质特征入手，在GIS和RS技术支撑下提取各影响要素数据，构建多要素环境下的递阶层次分析模型，在ArcGIS平台进行系统定量评价，构建出岷江上游流域环境脆弱性评价等级图。得出如下结论：

1)从区域分析角度，岷江上游生态环境条件较为严峻，脆弱性程度高，尤其在汶川县和茂县岷江主河道地带，应加强环境保护和基础设施保障工作。

2)从系统评价过程，影响要素的筛选和提取是进行研究此类定量问题的前提，方法和模型的构建是研究的关键和核心。针对此类涉及到多要素、多指标的宏观问题，今后还需要在脆弱性形成机制、时空变化规律及多驱动力影响要素等方面加强研究。

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