基于灰色模型的土地生態(tài)安全預警研究樂山市土地生態(tài)安全預警研究

基于灰色模型的土地生態(tài)安全預警研究樂山市土地生態(tài)安全預警研究

安全是人類永恒的主題。土地生態(tài)安全是對土地資源的合理利用和管理，使土地生態(tài)系統(tǒng)在生產(chǎn)、生活和健康方面不受或少受環(huán)境破壞和污染的影響，實現(xiàn)經(jīng)濟利益最大化、最具生態(tài)效益和社會穩(wěn)定的目標。1國家生態(tài)安全和基本目標1.1建立土地生態(tài)安全預警系統(tǒng)土地生態(tài)安全預警系統(tǒng)是隨著土地利用問題、生態(tài)安全的產(chǎn)生和信息技術的發(fā)展而出現(xiàn)的.土地生態(tài)安全預警是指在土地利用過程中,依據(jù)土地生態(tài)安全的各項指標,通過有關的信息采集、分析、預測與評價,確定土地利用活動變化及其對外界影響的趨勢、速度以及達到某一變化閥值的時間等,并按需要適時地提出惡化或危害變化的各種警戒信息及相應的調(diào)控措施.近年來,建立土地生態(tài)安全預警系統(tǒng),防止其利用向無序化發(fā)展,已逐漸成為土地利用與管理領域的研究熱點.1.2分析警情、預警土地生態(tài)安全預警的研究內(nèi)容主要分為五部分,即明確警義、尋找警源、分析警情、預報警度和排除警患.明確警義是前提,是預警研究的基礎,明確預警研究對象的主要內(nèi)容要素;尋找警源是對警情產(chǎn)生原因的分析,是排除警患的基礎;分析警情是研究區(qū)警情的多方位具體分析,是預報警度的基礎;預報警度是在維持現(xiàn)狀的情況下,對未來土地生態(tài)安全的狀態(tài)預測,而排除警患是預警的最終目標.2樂清生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀2.1氣候狀況條件樂山市位于四川省中南部、四川盆地西南部、成都平原至川西南山地過渡帶.北連眉山市,東鄰自貢市,南接宜賓市和涼山彝族自治州,西接雅安市.介于東經(jīng)102°55′～104°00′、北緯28°29′～29°55′之間,幅員面積12827平方公里.該地區(qū)氣候氣候溫和,雨量豐沛,水熱同季,無霜期長.年平均霜日只有5～10d,年平均氣溫在16.5～18℃之間.大于等于0℃積溫6100～6500℃;大于等于10℃積溫5269～5662℃;大于等于15℃積溫4459～4787℃;大于等于20℃積溫2939～3376℃.市境地域內(nèi),濕度大,云霧多,日照處于全國低值區(qū),一般為1000～1200h,日照百分率只有25%左右,年總輻射量80～90Kcal/cm2.2.2音樂水土流失概況根據(jù)研究區(qū)的遙感調(diào)查資料,樂山市水土流失面積約6.2×105hm2,占全市幅員面積的48.47%.全市土壤侵蝕強度以輕度、中度、強度為主,平均侵蝕總量為2.26×107t,平均侵蝕模數(shù)0.36t/hm2·a,按SLl90-96標準樂山市屬水土流失中度侵蝕區(qū).樂山市水土流失的空間分布特征:劇烈侵蝕強度面積7507hm2,主要分布于沐川縣東南部和峨邊區(qū)西南部山區(qū);極強度侵蝕面積18585hm2,主要分布于峨邊區(qū)西北部和犍為縣東北部山區(qū);強度侵蝕面積109254hm2,主要分布于沐川—金口、五通—井研丘陵區(qū);中度侵蝕面積306657hm2,主要分布于馬邊—峨邊,沙灣—夾江丘陵區(qū);輕度侵蝕面積178710hm2,市中區(qū)東部,沙灣區(qū)北部,峨邊區(qū)北部等地均有分布.2.3耕地占用嚴重2005全市耕地面積228463.51hm2.占土地總面積17.81%.近十年來,由于生態(tài)退耕、農(nóng)業(yè)結構調(diào)整、建設占用耕地、自然災毀等,使耕地減少了41769.29hm2,耕地占用嚴重,人多耕地少的矛盾日愈突出.2.4污染2.4.1城市酸雨行為普遍2005年,在進行監(jiān)測的6個城市中,除夾江縣屬較強酸性,市中區(qū)為弱酸性外,其余區(qū)縣皆為中性.但也不容忽視,犍為縣和峨眉山市已非常接近弱酸性標準,且6個監(jiān)測城市中僅五通橋區(qū)未出現(xiàn)酸雨,其余城市均有酸雨產(chǎn)生,酸雨覆蓋的城市達83.3%,酸雨頻率范圍0.0-72.6%(資料來源:樂山市2005年環(huán)境評價報告).2.4.2廢水對環(huán)境的影響近年來樂山市的鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)迅速發(fā)展,工業(yè)用水缺乏環(huán)境保護機制.2005年全市廢水排放量為9.67×107t,COD排放量為1.17×105t,氨氮排放量為1.42×104t.除此之外,近年來農(nóng)田化肥的大量施用、農(nóng)村畜禽養(yǎng)殖的迅速發(fā)展,在丘陵、低山農(nóng)區(qū)蓄積了大量的養(yǎng)分物質(zhì),居高不下的侵蝕泥沙不斷將大量富營養(yǎng)物質(zhì)帶入江河、塘庫,同時水庫、池塘肥水養(yǎng)魚加劇了人工水域的營養(yǎng)負荷,導致池塘、水庫、河道富營養(yǎng)化問題日益突出.在點源污染和非點源性污污染(包括農(nóng)村生活源、農(nóng)田徑流、城市徑流、礦山徑流)的共同作用下,各種廢水對環(huán)境的損壞日益增大,水質(zhì)污染不斷加重(資料來源:樂山市2005年環(huán)境評價報告).2.5常見森林樹種分布樂山市內(nèi)自然植物種類繁多,植被類型較齊全.據(jù)統(tǒng)計,地域內(nèi)共有植物約3540余種.其中,野生維管束植物2250種,常見森林樹種約43科、143種、牧草159種.植物種屬組成以亞熱帶和溫帶種屬為主,南部地勢較低地帶有少量熱帶植物生存,在高山區(qū)有寒溫帶植物分布.市境內(nèi)緯度地帶性植被是常綠闊葉林,但水熱條件不同,地貌條件差異,植被地理分布既有水平地帶性變化,又有垂直地帶性變化.現(xiàn)有森林面積44.32萬公頃,森林覆蓋率29.52%.3樂田市生態(tài)安全警報3.1明確警告明確警義要明確警素和警度兩個方面.在以樂山市為例進行土地生態(tài)環(huán)境安全預警時,要通過明確警義這一步驟確定預警評價的指標和警戒線.3.1.1土地生態(tài)安全預警指標及標準土地生態(tài)環(huán)境安全預警指標包括警情指標、警源指標和警兆指標,三者密切相關.本文在綜合參考了趙鳳琴、毛子龍等在吉林西部土地生態(tài)安全預警研究中的指標體系基礎上,以警情指標為對象,以警源指標為依據(jù),以警兆指標為主體,根據(jù)準確靈敏、可靠充分、互相匹配、宏觀穩(wěn)定的原則,據(jù)樂山市的生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀,采用如下預警指標、權重及分級標準.3.1.2確定指標權重評價指標確定后,直接用它們進行評價是困難的,因為各指標之間的量綱不統(tǒng)一,導致指標間沒有可比性,因此必須對參評因子進行標準化處理.標準化以后,層次分析法確定權重用,將這各項指標賦權重并分級,從而得出預警的警戒線.(1)xminxmin賦值級差標準化參評因子的標準化公式:賦值=Xi?XminXmax?Xmin賦值=Xi-XminXmax-Xmin式中:Xi為實測值;Xmax為實測最大值;Xmin為實測最小值.(2)綜合評價標準將每一級別的指標標準化值與相對應的指標權重相乘并求和,即可得到該級別的綜合評價標準.即G=∑i=1npi×wiG=∑i=1npi×wi式中:G為綜合評價標準值;Pi為指標標準化值;Wi為指標權重;i=1,2,…,10.3.2同時并存階段從災害學的角度和土地生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)不安全狀態(tài)的動力學機制來考慮,有三個過程同時并存,即內(nèi)應力過程、外應力過程和人文作用過程.內(nèi)應力過程即土壤自身條件及建設占用、自然災毀耕地;外應力過程為氣候因素和災變因素;人文作用過程即人口壓力下不合理的土地利用過程,間接引發(fā)土地生態(tài)環(huán)境安全問題.3.2.1土壤侵蝕敏感性分析據(jù)樂山市土地利用總體規(guī)劃修編課題組調(diào)查資料顯示,樂山市境內(nèi)的岷江、大渡河、青衣江流域及西南山地區(qū)水水土流失十分嚴重.按照《生態(tài)環(huán)境功能區(qū)劃暫行規(guī)程》敏感性等級標準對樂山市土壤侵蝕敏感性進行評價,得出如下結果.建設占用耕地、自然災毀造成耕地減少是另一個重要內(nèi)應力警源.資料調(diào)查顯示,1997-2005年,非農(nóng)建設占用耕地3243.58hm2,占耕地減少量4.7%;災毀耕地283.89hm2,占耕地減少量0.5%.3.2.2音樂災害的因素與全球氣候變暖趨勢相一致,氣候偏暖時期的降水變化比較復雜,可能引起降水量及地域分布的變動,這將影響水分的收支,導致旱災或洪災的頻繁發(fā)生.樂山市有較大幅度的變溫和較頻繁的自然災害現(xiàn)象.據(jù)張明珠等岷江中上游及青衣江流域近50年來降水變化特征分析,樂山市在1958年之前為枯水期,1959—1965年進入豐水期,1967年開始進入枯水期,且1991—2001年降水減少趨勢顯著,導致樂山市成災指數(shù)上升,旱災頻繁發(fā)生.3.2.3土地生態(tài)環(huán)境面臨的環(huán)境人文因素警源包括了兩個方面,一是人口密度加大,給土地生態(tài)環(huán)境直接帶來巨大壓力;二是人類對土地資源的不合理利用,從而導致的水土流失、土地退化等生態(tài)環(huán)境問題.1人口擊穿人文因素警素警源中,人口迅速增長是土地生態(tài)環(huán)境發(fā)生風險的最基本原因.土地承載力不只是表示所能持續(xù)供養(yǎng)的人口數(shù)量,更重要的意義在于它揭示了區(qū)域人地關系協(xié)調(diào)狀況和經(jīng)濟、生態(tài)的未來前景,人口超載是生態(tài)脆弱性的直接動力.按照世界糧農(nóng)組織的一般標準,人均耕地面積小于0.08hm2者,即為土地資源出現(xiàn)壓力的臨界值.2005年樂山市人均耕地面積為0.064hm2,人口生存空間壓力指數(shù)為1.2,對該區(qū)的資源與環(huán)境造成了較大壓力,制約社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展.2非國外用地面積、來源面積、多種因素分析20世紀中期以來,由于人口迅速增長,農(nóng)業(yè)技術落后和過量地開發(fā)利用水、土、生物資源,使樂山市土地生態(tài)環(huán)境受到極大破壞.樂山市不合理的土地利用主要表現(xiàn)為:非農(nóng)用地存在利用率低、浪費土地的現(xiàn)象,部分縣城人均用地面積超過80m2,建制鎮(zhèn)人均用地面積在100m2以上,農(nóng)村居民點人均用地在150～200m2之間,超過規(guī)定標準;土地缺乏有效保護,水土流失嚴重,雖經(jīng)多年治理,2005年水土流失面積仍然達620713hm2,占全市幅員面積的48.47%,水土流失造成土地生態(tài)系統(tǒng)抗逆能力減弱.以上對內(nèi)應力警源、外應力警源和人文因素警源三方面進行了警源分析,這三方面導致了樂山市土地生態(tài)環(huán)境安全隱患的原因.3.3土地生態(tài)環(huán)境安全現(xiàn)狀評價警兆是警情發(fā)生前的預兆,本文采用灰色預測中的GM(1,1)模型進行各指標的預測,將樂山市的10個區(qū)縣作為評價單元,采用表3中的指標體系,通過樂山市土地生態(tài)環(huán)境安全現(xiàn)狀評價分析警兆.在評價過程中將警戒線相應轉(zhuǎn)化為評價標準,應用工神經(jīng)網(wǎng)絡模型,通過DPS軟件計算,進行土地生態(tài)環(huán)境安全現(xiàn)狀分析.3.4求關聯(lián)度及模型擬合灰色關聯(lián)分析是采用關聯(lián)度來量化地研究系統(tǒng)內(nèi)各因素的相互聯(lián)系、相互影響與相互作用.本文在通過土地生態(tài)環(huán)境安全標準的確定及歸一化處理后,采用如下步驟進行警度排序.第一步求差序列Δji(k)=|yj(k)?xi(k)|Δji(k)=|yj(k)-xi(k)|式中:xi(K)表示i級標準中第k項評價因子的取值,yi(K)表示第j個樣本中第k項評價的實測值.第二步求兩極最大差和兩極最小差Δmax=maximaxk|yj(k)?xi(k)|Δmin=minimink|yj(k)?xi(k)|Δmax=maximaxk|yj(k)-xi(k)|Δmin=minimink|yj(k)-xi(k)|第三步求關聯(lián)系數(shù)ξji=Δmin+0.5ΔmaxΔji(k)+0.5Δmaxξji=Δmin+0.5ΔmaxΔji(k)+0.5Δmax第四步求關聯(lián)度rji=1n∑k=1nξji(k)rji=1n∑k=1nξji(k)按照該方法,求出第一個樣本的序列各各級標準序列的關聯(lián)度后,就在m個關聯(lián)度中找到最大者,即可確定第一個樣本所屬的質(zhì)量等級.重復同樣的步驟,可求得其他單元樣本所屬的質(zhì)量等級和各樣本的質(zhì)量優(yōu)劣排序.本文分別以1997、2001、2005三個時段對樂山市生態(tài)安全警度進行預報計算,得出如下結果.警度預報結果表明,1997-2005年整個樂山市總體警度屬Ⅱ輕警級別,但其下屬區(qū)縣中人口密度大,水土流失嚴重,生境較敏感的市中區(qū)、五通橋區(qū)和沙灣區(qū)為Ⅳ重警;警情指標較輕的犍為縣、井研縣和夾江縣為Ⅲ中警;而警情指標輕的金口河區(qū)、沐川縣、峨邊區(qū)和馬邊區(qū)為Ⅱ輕警.4提高土地生態(tài)環(huán)境安全性的建議樂山市土地生態(tài)環(huán)境安全預警的研究結果表明,該市土地生態(tài)環(huán)境安全已經(jīng)受到嚴重威脅,這不僅僅是土地生態(tài)環(huán)境的問題,而是能夠影響到整個生態(tài)系統(tǒng)的嚴重問題,應該引起各級政府及當?shù)厝嗣竦母叨戎匾?4.1生態(tài)保護規(guī)劃本文將預警的結果和土地生態(tài)環(huán)境風險的預防相結合,依據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的類型與環(huán)境敏感問題的差異性及其主導生態(tài)服務功能的重要性特點;將樂山市生態(tài)服務功能區(qū)劃分為2個二級區(qū),7個三級區(qū),提出明確的土地生態(tài)功能分區(qū)綜合治理目標.I成都平原農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)I1樂東北盆地平原丘陵農(nóng)業(yè)生態(tài)亞區(qū)I1-1峨樂雙遺產(chǎn)保護區(qū):Ⅳ重警,加強世界自然文化遺產(chǎn)保護、城市化建設監(jiān)督,水源地保護、生物多樣性保護,水源涵養(yǎng)、水土流失預防與監(jiān)督,面源污染、礦山污染控制.I1-2夾江水源地保護區(qū):Ⅲ中警,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、水源保護.I1-3沙五工礦生態(tài)功能區(qū):Ⅳ重警,建設生態(tài)工礦區(qū),保證工礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,進行污染生態(tài)重建.I1-4井犍農(nóng)業(yè)生態(tài)功能區(qū):Ⅲ中警,發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè),控制水土流失.I2樂西南山地土壤侵蝕敏感生態(tài)亞區(qū)I2-1金口河工業(yè)區(qū):Ⅱ輕警,發(fā)展可持續(xù)工業(yè),水土保持,植被保護.I2-2沐川水土保持區(qū):Ⅱ輕警,水土保持,水源涵養(yǎng)、污染物排放控制.I2-3峨邊馬邊生境敏感區(qū):Ⅱ輕警,水土保持,生物多樣性