第四章 GIS在宁夏水土保持生态环境中应用的总结

1宁夏水土保持生态环境建设背景

宁夏是全国水土流失最严重的省区之一。南部黄土高原沟壑纵横，水土流失严重；中北部地区干旱少雨，风大沙多。全区总的地貌类型是山多川少，山地、丘陵占73.2%，平原占26.8%,2000年遥感调查显示，全区水土流失面积36 849 km2，其中水力侵蚀面积22 897 km2，主要分布在宁南山区八县；风力侵蚀面积13 952 km2，主要分布在黄土丘陵区以北、300毫米降水等值线以下区域。根据第一次全国水利普查数据，目前我区水土流失面积为19 619 km（2水力侵蚀13 891 km2，风力侵蚀5 728 km2），水蚀面积占水土流失总面积的71%，风蚀面积占水土流失总面积的29%。

宁夏水土流失有三个显著特点：一是相对面积大。水土流失遍布全区，水土流失面积占自治区国土总面积51 800 km2的37.9%。中北部地区受三大沙漠的包围，风蚀沙化严重；南部黄土丘陵沟壑区以水力侵蚀为主；二是侵蚀强度高。全区中度及以上侵蚀面积占水土流失总面积的52%；三是危害严重。宁夏是水资源严重短缺的地区，水土流失加剧了干旱。严重的水土流失是造成我区中部及南部山区生态环境恶化、区域经济落后、人民生活贫困的主要原因，是制约我区经济社会可持续发展的重要因素。

“十二五”以来，全区治理水土流失面积6 783 km2，水土流失治理以每年1 000 km2以上的速度推进，水土流失面积由2000年的3.68万km2减少到现在的1.96万km2，减少了47%，中度及以上水土流失面积较2000年下降了55%。水土流失治理区大规模的梯田建设为集约化经营创造了条件，彻底转变了粗耕简作、广种薄收的生产方式，农村产业结构得到了调整，农民收入有了大幅度提高。水土流失最为严重的固原市农民人均产粮和人均纯收入较“十一五”末分别增长24%和101%，重点治理区农民人均高标准基本农田达到3亩以上，从根本上解决了治理区群众的生计问题，达到了“治理一方水土，发展一方经济，造福一方群众”的目的。

近年来全区实施了一大批小流域综合治理、坡耕地整治、淤地坝除险加固等水土保持重点项目，水土保持总投资9.4亿元，较“十一五”增长92%。水土流失治理措施保存面积达到1.8万km2，全区累计水土流失治理程度达到46%。全区范围内林草植被得到有效恢复，森林覆盖率提高到12.63%，水土资源得到有效保护，凡是经过水土流失治理的地区，都取得了明显的生态、经济和社会效益。在重要水源区和城镇周边地区，大力推进生态清洁型小流域建设，打造了隆德县清流河、银川市水洞沟等一批清洁型小流域示范精品工程，为防治面源污染、改善人居环境、保护水土资源发挥了重要作用。

2 GIS水土保持生态环境监测中的应用

2.1 GIS技术在水土保持生态环境监测中应用

水土保持研究的对象主要是水土资源及其发展变化过程，它涉及大量大气、土壤、地貌、植被及人类活动因子，其信息具有明显的空间性及时间性。地理信息系统（GIS）是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬件、软件支持下，对整个或部分地球表面（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算和描述的技术系统。GIS强大的空间数据存储、管理、分析能力使得遥感信息源得到充分利用。当前专家学者们在RS和GPS技术的支持下，广泛地应用GIS进行水土保持生态环境监测和研究：GIS能够在土壤侵蚀模型构建过程中完成因子提取和统计信息分析；在以多光谱影像或高光谱影像为基础数据源的情况下完成植被信息、农作物长势及土壤蒸散等信息的获取；可以独立完成影像的解译，获取实时的土地利用/土地覆被等信息等。

在水土保持动态监测中，GIS基于其空间分析功能在数据库中提取构建数字化小流域。结合水土流失预测模型进行小流域土壤侵蚀与治理成效预测。

GIS在水土保持领域中已广泛应用在水土流失的动态监测，防护林体系建设的生态控制，小流域综合治理以及泥石流等灾害的预测预报和防治中。山区是水土流失严重，自然灾害频繁的地区。由于对土地长期的不合理使用，乱垦乱伐，使山区的水土流失严重，生态环境不断恶化，借助GIS，以小流域为单位通过空间分析及合理规划，对其进行综合治理是水土保持领域中重要任务之一。目前，在我国基于GIS的很多应用系统已进入了水土保持领域，为水土保持工作建立了坚实的应用平台，如流域动态监测系统、流域管理信息系统、防护林综合效益评价和预测系统、区域治理和开发空间信息系统等。其应用模型包括数字地形模型、土壤侵蚀模型、土地利用规划模型、流域水文动态模型、洪水预测预报模型、产流产沙模型，以及效益评价模型等。

2.2水土保持生态环境监测流程

水土保持监测主要包括治理项目监测、治理效益监测、土壤侵蚀监测等。在水土保持监测与管理中，从数据获取，到数据管理、分析、评价，均需要GIS及其集成技术的支持，以宁东基地为例。

图4-1宁夏宁东基地水土保持动态监测技术路线图

水土保持初设要求先进的技术手段、可行的措施、规范的管理和典型的示范性，为此，有大量空间对象的属性数据和空间图形和图像，如流域地形、土壤侵蚀状况、水保设施布设、水保效益观测体系等，需要形象直观的描述和表达。地理信息系统GIS正是能把数据管理和图形管理有机结合起来的信息技术，对这些信息的表现具有极大的优越性。通过地理空间分析可以产生常规方法难以得到的分析决策信息，在工作精度、效率和科学性等方面，要远高于人工；应用地理信息系统进行水保初设，不仅能完成流域内各要素的分析，而且可以将自然发生或思维规划的动态过程实施于数据模型中，对未来的趋势进行精确预测，从而指导水保工作，提出水保治理最优方案。

宁夏水土保持生态环境监测工作一般采用地面抽样、遥感解译、模型计算、定位查验、统计报送等技术方法和手段来完成。监测以GIS和RS软件技术为基础，通过统计报送获得降水、风等气象资料，计算分析获取影响土壤侵蚀的降雨侵蚀力、风力因子等外营力因素；利用宁夏普查土壤资料，计算不同土壤的侵蚀特性；以DEM为基础数据提取影响土壤侵蚀的地形因子；通过对SPOT/ASTER, HJ-1, MODIS, GF-2, Landsat TM等遥感数据解译与反演分析获得植被、表土湿度、年冻融日循环天数、日均冻融相变水量等侵蚀影响因子；利用野外调查单元数据经过空间分析获得水土保持工程措施、耕作措施因子、地表粗糙度等侵蚀因子；利用侵蚀模型定量计算土壤流失量，综合分析水蚀、风蚀、冻融侵蚀的分布、面积和强度；最终对监测过程和结果进行总结，分析宁夏水土保持生态环境时空变化特征、驱动因素等。GIS在以上水土保持生态环境监测中扮演着至关重要的角色，在水土保持领域应用广泛，历次的遥感调查无不利用地理信息系统来分析、综合遥感信息。

3 GIS在水土保持中的发展

GIS在国内起步相对国际较晚，20世纪80年代，GIS在水土保持中的应用逐渐显现出来。经过多年的发展，GIS在水土保持中的应用已经非常广泛，具体应用在水土保持动态监测、水土保持规划与设计、土壤侵蚀分析方面。在水土保持规划设计中的基础数据获取、水土流失分析、土地资源分析评价、水土保持措施布局、单项工程设计、投资概率预算和经济分析阶段中，都离不开GIS对遥感图像的解译、数据的获取、查询、分析、显示、评价功能。在数据获取阶段，GIS基于遥感影像进行资料整理编辑。在水土流失、土地资源分析中，GIS利用其地学分析能力分析水土流失因子，得到区域流失特点、主导要素及流失趋势。在水土保持措施布局、工程设计、经济预算中，GIS将社会、人文、经济要素结合分析，将多方面复杂问题进行科学合理分析，为水土保持规划与设计提供科学决策。

GIS产品非常多，包括国外著名的ARC/INFO, MAPINFO等软件，在国内也有很多的优秀的产品如MAPGIS, SUPERMAP等。了解区域土壤侵蚀空间格局分布和动态演化规律，是区域可持续发展中不容忽视的问题。当前对土壤侵蚀的研究主要借用RS和GIS手段，并结合常规的统计分析方法，进一步来深入了解时空尺度和时间尺度上土壤侵蚀的变化规律。随着GIS技术的发展与盛行，基于GIS软件平台与技术、运用USLE/RUSLE模型定量评估土壤侵蚀，已成为合理规划、利用区域水土资源的有效手段，在世界许多国家得到广泛研究和应用。

GIS技术作为一门先进信息技术，通过与水土保持相关的信息和事实数据有效结合，能以立体、色彩、动感的画面将水土保持相关工作高效率的落实，不仅能将水土保持工作在传统处理方法中难以解决的问题有效解决，而且还能减轻人员的工作量。因此，大力推进GIS技术在水土保持中的有效应用，不仅是契合时代信息技术发展的需要，也是水土保持工作的新发展方向。GIS在水土保持规划中的应用；GIS在的土壤侵蚀评价与制图研究中的应用；GIS支持下的水土流失生态风险评价；基于GIS的土地利用与土壤侵蚀及土壤肥力综合评价；土壤侵蚀与水土保持信息系统。

4 GIS技术在宁夏水土保持生态监测成果

GIS技术在宁夏水土保持生态监测和分析中应用的成果丰富，众多专家学者利用GIS强大的空间分析和图形可视化等功能对宁夏全域、黄土丘陵沟壑区、工业开发集中区等进行了研究。在2010年第一次全国水利普查中的水土流失普查培训要求中明确提出利用GIS手段完成遥感影像目视解译、DEM数据的地形因子提取、水利侵蚀因子提取、风力侵蚀因子、冻融侵蚀因子提取及每种侵蚀强度判断等工作，宁夏水利部门严格按照规定完成GIS在普查中的各项任务和规定。

除此之外，专家学者们对宁夏水土保持生态环境中的不同措施实施、结果、效益、生物量及空间分布制图等进行了研究，这些研究主要集中于以水蚀为主的宁夏南部山区的黄土丘陵沟壑区和以风蚀为主的盐池县、宁东能源化工基地等位于荒漠化草原的区域。

（1）针对宁南山区水土保持的研究很多，如胡望舒等利用ArcGIS软件实现Spearman秩相关分析和地统计分析功能，对宁夏南部山区水平梯田在水土保持中的生态效益和农民固定收入进行了探讨，对人均梯田面积和收入进行了插值分析和制图；刘文辉利用GIS技术和RUSLE模型的结合，在具有典型黄土丘陵沟壑区特征的宁夏彭阳县提取土壤侵蚀影响因子，分析了退耕区规划面积及土壤侵蚀量，利用ArcMAP强大的数据统计功能分析和评价人为作用对彭阳县土壤侵蚀的影响；石云集成利用RS和GIS技术，以宁夏南部山区的彭阳县为例，分析了退耕还林（草）动态监测结果，实现了退耕还林的决策分析，该研究中利用GIS完成了彭阳县土地利用的目视解译和不同土地利用空间及属性信息的提取分析，绘制了退耕还林（草）动态变化空间分析图和配置图等；除此之外，作者在GIS平台的支持下景观格局变化对彭阳县生态恢复进行了评价，GIS在景观功能分析中提供强大的空间分析和构建景观格局变化数据库功能等；马超通过GIS技术获取彭阳县不同时段土地利用空间分布信息，利用ENVI提取归一化植被指数（NDVI），利用ArcGIS完成NDVI与植被实测数据空间分布匹配，统计并分析，最终结合R语言得到二者拟合信息，利用GIS图形可视化制图，对信息的拟合结果及空间分析进行评价；马远远在宁南山区阳洼流域针对137 Cs空间分布和土壤侵蚀特征进行了研究，在GIS平台可视化分析的帮助下制作了流域内137 Cs和土壤侵蚀模数的空间分布特征图；柳向阳等探讨了宁南山区水土流失的特征与防治途径，在防治对策与建议中明确指出3S技术作为高新技术在水土流失防治中的重要性。

（2）GIS在宁夏盐池县、宁东能源化工基地等以风蚀为主的荒漠化草原的水土保持研究主要以土地利用、土地覆盖、土壤侵蚀和土壤元素特征进行了研究，如张超等以盐池县为研究区，利用遥感和GIS技术对农牧交错带生态资产进行定量评估，研究中RS技术提供丰富的数据源和影像处理手段，利用Arc GIS 9.3生成投影与NDVI一致的栅格图像，完成了生态资产空间变化图等操作；马斌等利用ArcGIS和MapGIS等对宁东能源化工基地地形图、地貌及总体规划图等进行矢量化、投影转换、遥感图像解译、解译标志建立和数字高程模型建立等操作，对宁东基地水土保持生态环境进行动态监测分析；乔锋等以TM遥感影像为基础数据，利用GIS软件完成NDVI和植被覆盖度像元分解模型的构建，最终建立了TM影像尺度下的盐池县植被覆盖度遥感定量模型，制作了不同年份盐池县植被覆盖等级图并对其空间分布进行了分析。

（3）利用GIS对宁夏全域水土保持的研究主要为水土保持结构、土壤侵蚀动态变化等，如吴启蒙等运用GIS软件对水源涵养、土壤防水蚀、土壤防风蚀3个指标所涉及的影响因子进行空间叠置，利用DEM插值计算工具（AGREE）绘制地表水网络中的天然水流关系，构建各个计算单元的地下水开采补给网络，利用波段计算功能提取NDVI，最终生成湿润指数分区图、冬春季大于6m/s的风频分区图等，对宁夏水土保持产业结构影响进行了评价；吴永红以Landsat MSS和TM遥感影像为数据源，在GIS软件的支持下，通过目视解译和计算机自动面积量算方法获取不同时期宁夏土壤侵蚀状况和动态变化特征，对成因进行了分析。

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