地理信息科学研究进展范文

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1（略）

国内在环境信息科学的一些主要论题包括环境信息系统、环境遥感、环境模型、环境可视化、环境信息处理等方面都开展了一些研究工作。20世纪90年代以来，环境信息化发展迅速，特别是从上至下的各级政府主管部门环境信息系统的建设极大地推动了这一工作的进展，环境地理信息系统则已成为实现环境信息化的主要途径。地理信息系统在环境领域的应用，正在从初期的信息管理、环境专题制图发展到Gls与环境模型集成陈9]、35技术集成的多媒体环境系统、基于Gls的环境污染扩散模拟t‘’，‘“1、基于GIS的环境治理决策支持系统等。遥感技术在环境科学与工程领域有着广泛应用，一些主要领域包括大气污染遥感、水环境遥感、固体废弃物遥感监测、城市热岛效应与热环境监测、植被遥感、景观格局遥感监测、海洋环境监测等。环境建模与模拟一直是环境工程研究的重要内容，一方面，各种数学模型、物理模型、统计模型在环境信息科学中得到大量应用，另一方面，基于环境过程机理的计算机模拟模型、元胞自动机(CA)模型、智能体(Agent)模型等也在环境领域受到重视。数据挖掘与知识发现是从海量数据库中挖掘和提取对决策分析有用的、先前未知的隐含模式和规则的过程，笔者在1999年即面向环境信息化与数据挖掘技术的发展，试图将二者结合，提出“环境数据库中的知识发现”并进行了初步研究。可视化是表达和传输环境信息有效的形式，通过三维可视化、三维模拟实现环境现象、过程的真实感表达，能够更加逼真地传输环境信息。近年来，虚拟现实技术在环境科学与工程领域的应用中受到了研究人员的重视卿]。“虚拟地理环境”是虚拟现实技术支持下地球科学研究的创新平台，依托这一平台，能够进行环境科学与工程相关的理论研究、技术开发、工程实践、模拟决策等活动。针对环境信息技术集成应用的趋势，聂庆华提出了“数字环境”的概念，数字环境是环境信息化的过程和结果，是三维显示的数字虚拟环境，包括环境信息数字化、环境信息传输网络化、环境分析模型化和环境空间决策的智能化、环境过程和管理可视化。尽管国内目前在环境信息科学各个分支方向的研究非常活跃，但缺乏整体性、系统性的认识和探讨。本文在分析环境信息科学研究进展的基础上，基于环境信息流和信息分析处理构建了环境信息科学的体系结构，并以煤矿区环境监测治理与管理为例，全面分析了环境信息科学理论、方法与技术的应用，以期促进环境信息科学研究及其在构建和谐社会、推进可持续发展中的应用。

2环境信息科学的体系结构及其在煤矿区的应用

2.1环境信息科学的体系结构尽管环境信息科学的概念提出已有近20年的时间，但从目前国内外研究的现状来看，对于环境信息科学的概念、学科体系还缺乏明显的定义。已有的一些环境信息科学研究计划中界定的范畴也不尽相同。因此，从促进环境信息科学研究的视角出发，首先需要对环境信息科学的体系结构进行界定。HuangGH等川提出的环境信息科学的构成要素及相互之间的关系见图l，这是当前引用较多的环境信息科学体系结构。由图1可见，环境信息科学是多学科集成的领域。传感器综合技术和通信技术的发展使得大尺度地面采样技术成为可能，处理不同特征、尺度和复杂性问题的模型综合成为新的挑战，包括不同模拟、优化、评价模型以及相关信息技术与平台的合并，不同技术输人与输出之间的联接，社会经济因子的量化，以及大尺度集成模型的解算策略。在此基础上，HuangGH等「‘〕提出基于环境信息科学研究的环境决策支持系统计算机系统，其结构（图略）USGS的研究报告’)中，将环境信息科学定义为:环境信息科学是为加强对不同复杂程度的环境现象的理解，并提出新的认识的，集成物理、生物学、计算机和信息科学的多学科方法的研发、试验和应用的学科。不同定义都强调环境信息科学的多学科交叉、以信息技术为支持、解决复杂环境问题的特点。Huang等川的观点显然更强调以遥感、地理信息系统和GPS技术为基础的空间信息技术与环境科学和工程的交叉，而USGS的定义则重点强调了现代计算技术、人工智能等在环境领域的应用，特别是USGS在其未来环境信息科学发展规划中重点强调了计算智能等技的应用。基于以上观点以及国内外研究的进展，结合我们的研究实践与认识，以环境信息流和环境信息处理分析为主线，可以构建环境信息科学的体系结构及主要技术方法（图略）。环境信息科学的理论基础来源于面向环境科学与工程领域需求的多学科理论交叉，技术支持在于面向环境信息流的多技术手段集成，最终通过不同学科领域方法模型的综合，实现环境科学与工程各个阶段、各个过程的目标和任务。因此，需要从多学科理论交叉与多技术手段集成的角度推进环境信息科学研究。

2.2环境信息科学在煤矿区综合应用的研究从一定意义上来讲，环境信息科学并不是一门独立存在的新兴学科，而是诸多学科的交叉和集成。不同学科在研究过程中，特别是遥感与地理信息系统应用、资源环境规划与城乡管理、环境影响评价、信息科学、计算机技术等领域都从不同的角度开展着与环境信息科学密切相关的内容，这些学科的研究成果是促进环境信息科学发展的基础和关键。换言之，以前进行的研究工作往往是从环境信息科学的开展的相关论题研究，其重点还在于不同学科方向，但已经构成了环境信息科学研究的基础层。为了促进环境信息科学的研究，需要改变从外部到内部的“包围型”研究模式，努力推进从核心到的“拓展型”发展模式，即从环境信息流出发，组织和集成相关学科的研究，特别是在不同学科交叉链接的关键论题上开展深入研究，以便形成适应环境信息科学体系与研究需求的理论方法体系和应用技术系统。煤矿区作为1种以资源开采为驱动力发展起来的特殊地理区域，由于煤炭资源开采(以下仅涉及地下开采矿区)破坏上覆岩层原始应力状态，导致地下水流失、地面塌陷，进而引发土壤污染、水土流失，矿山排研形成的研石山压占大量土地，堆积物导致严重大气污染和土壤损害，甚至引发各种地质灾害。因此，煤炭区是1种典型的由于矿山开采导致的景观破坏、环境污染、生态退化的复杂区域，煤矿区的环境问题具有明显的复杂性。目前，对于煤矿区生态环境主要的研究视角包括:(l)从煤矿开采损害角度出发研究开采沉陷与地表变形预计、监测与治理;(2)从煤矿区土地资源管理角度出发研究煤矿区土地利用/覆盖变化与生态响应;(3)从煤矿区地质环境角度出发研究矿区地质环境评价与地质灾害预防，(4)从煤矿区水资源环境角度出发研究矿井水害、水污染与水资源调控;(5)从景观格局生态学角度出发研究煤矿区景观格局;(6)从地理环境演变角度出发研究煤矿区地理环境演变与模拟;(7)从遥感与GIS应用角度出发研究矿区资源环境遥感与信息系统;(8)从大气污染角度出发研究煤矿区大气污染评价与控制;(9)从经济学角度出发研究煤矿区环境经济评价;(10)从管理学与可持续发展角度出发研究煤矿区环境规划、环境管理与可持续发展决策;等等。对以上不同视角的研究进行综合分析，可以看出多主题、多要素的时空环境信息是其中的关键，任何视角的研究都需要充分的信息和数据的支持、需要环境信息和背景信息的集成、需要计算机信息系统和分析工具的支持、需要环境知识和其它领域知识的交叉和集成。因此，从环境信息科学的角度出发，可以集成现有的研究工作，充分应用相关学科已有研究成果，通过成果整合与集成，在推进环境信息科学研究的同时，也进一步推动相关领域的研究。实现整合的关键在于不同研究视角之间的关联关系构建、链接边界选择、信息传输反馈、系统相互作用。煤矿区环境信息科学综合研究与应用体系框架（图略）。按照该研究框架，煤矿区环境信息科学的重点在于多学科研究的交叉点，主要包括:(l)基于采矿环境影响机理的模型建立、参数获取;(2)各种环境模型的建立、参数提取与模型验证(面向环境系统分析的环境评价、污染扩散、环境演变模型和面向环境管理决策的规划模型、优化配置、动态演变模型以及环境保护治理与生态重建方案设计);(3)面向环境监测的遥感信息源选择与图像处理、环境信息提取与分析，以及组织、集成与管理多种环境相关信息的数据库设计与建立;(4)环境信息系统、地理信息系统平台下的模型解算与解释、分析结果可视化与应用;(5)集成信息、模型、数据库、系统、知识的环境决策支持系统(专家系统)构建。(6)资源一环境一人类一计算机系统中的信息流与信息应用。

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关键词：智能科学与技术；科学研究；专业建设

中图分类号：G642　文献标识码：A

1　引言

智能科学与技术学科以计算机科学为基础，结合了认知科学、信息学、控制科学、生命科学、语言学等学科的相关理论和研究方法，是一门新兴的交叉学科，将成为21世纪信息科学研究的制高点和信息产业价值的主要提升点。

在国外，许多著名高校都设立了“人工智能”专业并授予智能科学专业学位：世界多数知名的理工类院校都设立有人工智能研究所或实验室，进行智能科学专业的研究生培养及科研工作。在国内，智能科学与技术专业起步则较晚：2003年12月5日，教育部正式批准北京大学信息科学技术学院设立“智能科学与技术”本科专业，这标志着我国“智能科学与技术”专业的诞生。

厦门大学在智能科学与技术领域已经有多年的研究积累和师资储备。2006年12月，教育部正式批准厦门大学设立“智能科学与技术”本科专业，2007年6月6日，厦门大学智能科学与技术系经学校批准成立，并于2007年9月迎来了第一届本科生。本文将简要介绍近几年来厦门大学“智能科学与技术”专业的建设情况。

2　厦门大学智能科学与技术相关领域的科学研究进展

厦门大学在智能科学与技术领域的研究已开展了多年。早在1988年，学校就成立了校级科研机构――“厦门大学人工智能与计算机研究所”，目前，经厦门大学批准，正式更名为“厦门大学人工智能研究所”。它是一个以实用智能技术研究为主、集基础研究与应用开发于一体的研究机构，是厦门大学组建智能科学与技术系的主要基础。

厦门大学智能科学与技术系面向国际学科发展趋势和国家发展的重大需求，利用人工智能研究的方法和手段，不断开辟新的研究领域，逐渐确立了语言信息处理、认知计算、智能信息检索、中医信息处理、视频图像处理、智能机器人等主要研究方向。在语言信息处理方面，现设手写汉字识别、自然语言理解、机器翻译、语料库技术等研究领域；在认知计算方面，现设觉知计算、脑机接口、机器感觉、隐喻逻辑等研究领域；在智能信息检索方面，现设文本信息过滤、信息检索、信息提取、智能数据挖掘、Web挖掘等研究领域；在中医信息处理方面，现主要研究开发多媒体中草药智能查询系统、基于舌象中医智能体检系统；在视频图像处理方面，现设图像数据库、生物特征识别、遥感图像、地理信息系统等研究领域。2008年，系里引进了被称为“人工大脑之父”的著名学者Hugo de Garis教授，并以他为首组建了人工大脑研究室，该研究室的目标是，经过三年左右的时间，建设中国首个人工大脑。

经过十几年的不懈努力，我们在上述研究领域均取得了一批有影响的重要研究成果，在我国学术界具有一定的学术地位，获得数十项国家和省部级项目经费的支持。目前在研的项目有国家自然科学基金项目3项、国家863项目2项、国家863子项目2项、福建省自然科学基金项目1项、福建省科技计划重点项目2项。在汉字识别、词语切分标注、语法分析、词义消歧、指代消解、语言神经基础、汉语理解策略、网上信息的选择翻译、统计机器翻译、语音识别与合成、计算机音乐、计琴学等诸多方面进行了有特色的研究，形成了具体的算法，并且还提出了一种系统性的协动计算理论，出版专著5部，数百篇，其中近三年被EI、SCI等检索的论文达200余篇。

在基础理论研究的基础上，智能科学与技术系还十分注重产学研结合，先后与北京德威特电力系统自动化有限公司和深圳名人电脑等公司进行合作研发，广泛开展应用系统的研制开发，主要包括：手写汉字机器识别系统、汉语分词和词性标注系统、机器翻译系统以及网上汉语文本分类和信息过滤系统。其中，手写汉字机器识别系统获浙江省教育厅科学技术进步三等奖：机器辅助汉英互翻系统获福建省科技厅科技进步三等奖；汉语分词和词性标注系统获得2003年863中文信息处理评测第二名：机器翻译系统(包括XMMT汉英机器翻译系统、Matrix英汉机器翻译系统、Light英汉机器翻译系统和Neon英汉双向机器翻译系统)在863智能接口评测中多次名列前茅，形成多项产品，技术授权国内多家单位使用。

在科研平台建设方面，智能科学与技术系发挥厦门大学多学科交叉的优势，联合人文学院、外文学院和海外教育学院华文系的学术力量，于2003年成立了“厦门大学语言技术中心”，其中，汉外多语言机器翻译为主攻方向之一。2006年获批了“智能信息技术福建省高校重点实验室”；目前，以人工大脑相关内容为研究核心的“福建省仿脑智能系统重点实验室”也已获批。

3　厦门大学“智能科学与技术”专业建设情况

厦门大学智能科学与技术系现有一个本科专业(智能科学与技术)，三个学术型硕士学位授予专业(人工智能基础、模式识别与智能系统、计算机应用技术)，一个“计算机技术”工程硕士培养方向(智能工程及网络安全方向)，一个博士学位授予专业(人工智能基础)。现有在校本科生近90人，硕士研究生80多人，博士研究生25人，博士后2人。本系教职工近30人，其中：教授5人，副教授5人，80％具有博士学位或者博士在读，40岁以下的年轻教师占2／3。

3.1　本科生专业建设

在本科生培养方面，厦门大学智能科学与技术系的目标是要求学生能够有效和系统地掌握本学科的理论基础，比较深入地理解智能科学与技术理论；培养具有一定的分析、综合和创新能力，能够承当智能信息系统设计、开发和智能科学与技术学科教学任务的，德、智、体全面发展的科学技术工作者：毕业生适宜到科研机构、学校、技术或行政管理部门、公司、厂矿等企事业单位从事科技研究、应用开发、信息管理和教学工作，也可以进一步攻读该专业及相关专业的硕士学位。

为了实现上述目标，我们遵循“宽口径、厚基础、抓关键、重实践”四项基本原则，制定了较合理的教学计划，在本科一、二年级安排公共基本课程、校通识教育课程、院系通修课程；从二年级下学期开始结束院系通修课程，转而推出部分学科通修课程，向专业化过渡，三年级开始加入方向性选修课程。其中，公共基本课程621学时、33学分；校通识教育课程262学、15学分；学科通修课程1544学时、90学分；方向性课程120学时、分；学科跨方向性课程108学时、6学分。这样的安排能真正使学生在获得扎实而宽厚的理论基础、合理的知识结构的同时，培养较强的获取新知识的能力和创新精神。

为了能切实提高学生的动手实践能力，我们在办学过程中十分重视和强调实践环节的训练并倡导理论与实际 相结合，已经规划建设一个特色实验室――“仿脑认知与智能机器人”实验室，可支撑仿脑认知与智能机器人两个方向相关课程的教学实验，总经费预算100万元。依托该实验室，结合相关课程，高年级本科生可以进行“心理物理测试实验”、“眼动测试实验”、“面部表情与脑电对照实验”、“行为学与智能关系测试实验”、“机器人避障行走路径规划”、“机器人目标识别与跟踪”、“机器人声控实验”、“机器人智能语言翻译”、“机器人足球比赛”等众多特色实验。

3.2　研究生专业建设

厦门大学智能科学与技术系的研究生培养以加强创新能力的培养为核心，以加强基础课、专业课，实验实践教学、论文创新写作、促进理论与实践相结合为重点，包含硕士研究生和博士研究生两个培养层次。其中，硕士研究生层次又分为学术型研究生和工程硕士两种类型，分别进行培养。

在学术型硕士研究生培养方面，我们的目标是培养适应智能科学与计算机科学的发展，适应国家社会发展与进步事业需要的，德、智、体、美全面发展，系统地掌握本学科基本概念、基本原理、基本方法、基本技能的，具有创新能力、理论联系实际的高级专门人才和能适应未来从事基础研究、应用基础研究、技术开发研究和工程应用研究之人才。毕业生适宜到科研部门、学校从事科学研究和教学工作；适宜到计算机产业相关的企事业单位从事智能科学与计算机科学技术的开发研究、应用与管理等工作；可以继续攻读智能科学与计算机科学及其相关学科的博士学位。目前包含“人工智能基础”、“模式识别与智能系统”和“计算机应用技术”三个专业。其中，“人工智能基础”专业包含如下培养方向：认知科学理论、认知逻辑学、计算语言学、智能计算方法、艺术认知与计算、脑高级功能成像等；“模式识别与智能系统”专业包含如下培养方向：计算机视觉、机器翻译系统、智能中医诊断系统、机器音乐、模式识别、音频信息处理等：“计算机应用技术”专业包含如下培养方向：人工智能应用技术、自然语言处理技术、智能信息检索技术、多媒体综合应用技术、图像与视频处理技术、虚拟现实技术等。

在工程硕士培养方面，目前智能系招收“计算机技术”工程硕士――B方向(智能工程及网络安全)的工程硕士研究生，目标是培养具有扎实的计算机学科专业知识和工程技术能力，掌握现代智能与网络科学前沿知识，在智能工程与网络安全方向具有一定研究深度和项目研发能力的高层次应用型人才。培养方向包括：嵌入式智能家居、视频图像处理、网络视觉监控、模式识别与智能系统、智能机器人、网络内容监管、黑客与网络攻防技术、网络信息安全、信息检索与信息过滤、自然语言处理、机器翻译、语音识别与合成、智能中医信息处理、人工大脑、虚拟现实技术等。

在博士研究生培养方面，设有“人工智能基础”博士学位授予专业，目标是培养基础扎实，具有创新意识，对某一领域有全面深入了解或对某一应用领域有独立解决实际问题的能力，能够解决前人未能解决的科学问题或社会发展中亟待解决的技术问题的高级专业人才：其研究工作对科学技术或社会经济的发展具有明显贡献，为人工智能技术发展和应用提供新的基础或新技术、新方法。培养方向包括：人工智能以及应用技术、艺术认知与计算、数据挖掘技术、认知神经科学、软计算方法及其应用、智能多媒体信息处理、脑功能成像技术等。

4　总结与展望

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关键词：合川区；DEM；沟壑密度；坡度；高程

中图分类号 P931.6 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）12-0162-03

水土流失是指在水流作用下，土壤被侵蚀、搬运和沉淀的整个过程。我国是世界上水土流失最为严重的国家之一[1]，据第二次全国土壤侵蚀遥感调查显示，我国水土流失面积高达3.56×106km2，占国土总面积的37.6%[2]。地形是影响地表径流和土壤侵蚀的重要因素[3]，沟壑密度、坡度、高程等指标是影响土壤侵蚀的重要变量。在进行水土保持方案规划和工程建设之前，应对区域的地形进行准确把握。

DEM是当今地理学、地貌学界，特别是地理信息科学研究的热点问题[4]。本文基于DEM数字高程模型对合川区进行地形分析。通过ArcGIS软件对合川区的DEM数据进行水文提取，计算沟壑密度、坡度、高程，以期对该区的地形特征形成综合的认识。当前合川区工业化、城市化正在快速发展中，但水土流失阻碍了其经济发展，破坏了生态环境。本研究通过对合川区的地形的分析，以为合川区的水土保持工作提供可靠的理论依据，具有重要的现实意义，并且为其他区域的地形因子分析、水土保持等提供经验。

1 研究区概况

合川区地理坐标为东经105.58′37″～106.40′37″、北纬29.51′02″～30.22′24″，位于长江上游，重庆西北部，区内嘉陵江、渠江、涪江三江汇流，处嘉陵江下游，上游来水量大。地处中丘陵和重庆平行岭谷的交接地带，全境地貌大致分为平行岭谷和平缓丘陵两大类型：东南边缘的华蓥山区为平行岭谷地形；西北部广大地区，属渝西丘陵盆地，为平缓丘陵地型。境内属亚热带季风气候区，年降雨量达1552.7mm，但降水分布不均，雨季降雨量约占全年的70%。土壤以紫色泥岩、砂岩为主，易风化和流失[5]。全区幅员面积2343km2，总人口156万，人口密度大，土地垦殖系数高，水土流失问题依然严重[5]。

2 数据来源

本文使用的是由美国航天局（NASA）与日本经济产业省（METI）共同推出的全球数字高程模型，简称ASTER GDEM[6]。该数据的分辨率为30m×30m，全球覆盖范围为83°N～83°S的所有陆地区域。在ArcGIS10.2中，定义合川区的矢量坐标与DEM数据的坐标相同，为D_WGS_1984。对DEM栅格数据进行拼接裁剪，得到合川区的DEM数据，进而求出沟壑密度、坡度、高程地形因子（图1）。

3 水文提取

3.1 洼地填 DEM是比较光滑的地形表面的模拟，但是由于一些真实的地形地貌和误差的存在，DEM中的洼地分为了自然洼地和伪洼地。研究表明，洼地影响水流的方向，栅格中的水只能流入洼地不能流出，故在进行水文分析前，应先进行填洼，得到无洼地的DEM数据。

3.2 流向分析 计算流向采用的是ArcGIS中最常用的D8算法。其原理是计算DEM中每一栅格单元与其相邻栅格单元间的最大坡降，以最大坡降的单元格为水流出的方向。如果存在相邻栅格坡降相等，就向外扩张至寻找到最大坡降为止。

3.3 汇流累积量 单位栅格的汇流累积量等于DEM中该栅格单元上游汇入的累加数目。汇流累积量是基于流向数据计算的。汇流累积量的大小直接反映了单元栅格的汇水能力。汇流累积量越大说明该地的地势越低洼，最大值处易形成河流；相反，汇流累积量越小，说明该处地势越高，最小值处可视为分水岭。

3.4 河网提取 河网提取与汇流累计量的阈值有关，阈值越小，其河网越密集，阈值越大，河网越稀疏。但是阈值的选定与当地的地形、地质、气候、植被等因素相关。本文首先假设阈值为500，750，1000……8500，算出不同阈值对应的沟壑密度，然后以沟壑密度趋于稳定的第一个阈值为本文的最佳阈值。

4 结果与分析

4.1 沟壑密度分析 沟壑密度也叫沟道密度或沟谷密度，指单位面积内沟壑的总长度，单位为km/km2。沟壑密度是评价地表侵蚀影响、水土流失情况、进行地貌类型分析等的重要指标[7]。本文根据合川区30米分辨率DEM进行河网提取，得出当阈值为8000时，沟壑密度相对稳定，为0.28km/km2，区内河流总长约为606.28km（表1）。沟壑密度愈大，表明地面被切割得愈破碎，侵蚀愈强烈[8]。合川区的沟壑较小，但境内河流处于幼年时期，以侵蚀作用为主，且汇流累积量大，存在明显的水蚀作用。

4.2 坡度分析 在ArcGIS中进行坡度分析，步骤如下：打开Arc Toolbox 的Spatial Analyst―表面分析―坡度工具，就可以对合川区的DEM数字高程模型进行坡度分析。再将坡度栅格数据进行重分类，得到坡度的分级。坡度是反映一个区域地形特征的基本参数，坡度对土壤侵蚀的影响最大，是水土保持工作中首先要考虑的因素之一[9]。坡度分级方法分为一般主观分级法、临界坡度分级法与模式分发三类[10]，本文采取主观分级的方法，简单、灵活[11]。根据合川区的坡度数据，本文将坡度分为5级，分别是：0°～2°、2°～6°、6°～15°、15°～25°、>25°。坡度小于2°，说明地形相当平坦，一般无水土流失；坡度位于2°～6°的地区，坡度增大，存在轻度土壤侵蚀，应注意水土保持；坡度为6°～15°的地区，可能存在中度土壤侵蚀，应用梯田、等高种植等措施保持水土；15°～25°的地区，坡度较高，水土流失严重，应该加强工程生物等措施防治侵蚀；坡度>25°，是开荒限制坡度，已耕种的应该逐步退耕还林还草。合川区坡度>15°的地区，主要位于东南部平行岭谷地带，地形起伏大，坡度较高。境内坡度主要集中在2°～15°的西部广大地区，地形相对平坦，但受人类活动影响大，地表植被覆盖差，土壤抗蚀力弱（图2、图3）。

4.3 高程分析 根据合川区总体的海拔高度，将该地分为低海拔（1000m）四类。区内>500m的范围主要分布在东部和东南部，属川东平行岭谷地带，呈东北―西南走向。200～500m的海拔高度在区内占绝对优势，主要分布在中部和西部的广大地区。雨季降水量大，降雨集中，山区易形成山洪、泥石流等灾害，水土流失问题严重（图4、图5）。

5 结论与讨论

本研究基于DEM数据分析了合川区的沟壑密度、坡度、高程地形特征，并指出了地形对水土流失的影响。

合川区沟壑密度较小（0.28km/km2），但R流累积量大，水蚀作用明显；区内地形主要以中部和西部的丘陵盆地为主，坡度范围为2°～15°，海拔500m以下，农业活动频繁，地表植被以农作物为主，土壤抗蚀能力差；合川区东部和东南部属华蓥山低山区，坡度15°以上，海拔500m以上，在降水集中的夏季易发生山洪泥石流等灾害。

本文分析了沟壑密度、坡度、高程对合川区水土流失的影响，但是造成水土流失的因素是多方面的，未考虑到区域河流发展演化阶段、人类活动、地表植被状况、降水、土壤等客观条件。因此，今后还需对合川区的水土流失状况进行系统研究。

参考文献

[1]田卫堂，胡维银，李军，等.我国水土流失现状和防治对策分析[J].水土保持研究，2008，15（04）：204-209.

[2]李智广，曹炜，刘秉正，等.我国水土流失状况与发展趋势研究[J].中国水土保持科学，2008，6（01）：57-62.

[3]杨勤科，赵牡丹，刘咏梅，等.DEM与区域土壤侵蚀地形因子研究[J].地理信息世界，2009，02（01）：25-31，45.

[4]汤国安.我国数字高程模型与数字地形分析研究进展[J].地理学报，2014，69（09）：1305-1325.

[5]苏锋，王侨.新形势下合川区水土保持工作思路[J].水土保持应用技术，2013（05）：46-48.

[6]赵国松，杜耘，凌峰，等.ASTER GDEM与SRTM3高程差异影响因素分析[J].测绘科学，2012，37（04）：167-170.

[7]吴秉校，侯雷，宋敏敏，等.基于汇流累积计算的沟壑密度分析方法[J].水土保持研究，2017，24（03）：39-44.

[8]张秀平，许小华，钟发牯，等.基于DEM的鄱阳湖区沟谷网络提取及沟壑密度分析[J].江西水利科技，2011，37（02）：83-86.

[9]杜朝正.基于ArcGIS的坡度分析[J].资源开发与市场，2009，25（01）：17-18.

[10]林爱文，刘建新，丁玲玲.基于DEM的土地整理工程设计中的坡度分析研究[J].测绘通报，2008（04）：60-61.

篇4

关键词：水环境；承载力；分析计算；发展趋势

【分类号】：X832

1.概述

人类社会进入二十世纪后，生产力飞速发展，环境污染日趋严重，在某些地区资源的掠夺性开发及环境污染已威胁着人类自身的生存，人们开始思考一个问题：这种生活模式能够维持多久？什么是健康的经济发展模式，因而出现了可持续发展的观点。1987年，世界环境与发展委员会及挪威首相希伦特兰（Brundtland）提出了《我们共同的未来》这份著名的纲领性报告，可持续发展的概念被定义为“即满足当代人的需要，又不对后人满足其自身需要的能力构成危害的发展”。为了实现可持续发展人们很自然地提出了环境承载能力的问题，即人们寻求的资源开发程度和污染水平，不应超过环境承载能力[1]。

1.1 承载力概述与水环境承载力的定义

承载力原为力学中的一个指标，指物体在不产生任何破坏时的最大（极限）荷载，通常具有力的量纲。当人们研究区域系统时，借用这一概念来描述区域系统对外部环境变化的最大承受能力。随着研究的不断深入，承载力概念的内涵与外延都发生了变化，并被赋予现代含义，成为用来描述发展限制程度常用的一个指标。承载力在生态学中一般被定义为“某一生境所能支持的某一物种的最大数量”[2]。

水资源承载能力特别强调“生态系统良性循环”这个目标。针对水环境来说，水体到底能容纳多大的污水及污染物，这是水环境承载能力计算问题。我国对水环境承载力的概念，表述从不同角度有下列三种：

第一种表述是站在单纯的水体角度，不考虑作用于水体的人类行为，以水体的纳污能力作为水环境的承载力。如汪恕诚提出的“在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍保持良好的生态系统时，所能够容纳污水及污染物的最大能力”，这一定义的特点是其承载对象为污染物，指标体系容易表达，指标能够量化，便于和其它水体流域进行比较。该定义下水环境承载力和水资源承载力联合使用，可以较好地表达流域水体对经济社会的支撑作用以及经济社会对流域水体的反作用。

第二种表述是在第一种的基础上加入了水体环境所能承载的人口规模和人口数量，如高占喜在环境承载力中讲述的在一定生活水平和环境质量要求下，在不超出生态系统弹性限度条件下环境子系统所能容纳的污染物数量，以及可支撑的人口规模与相应人口数量。如朱一中在水环境承载力中讲述的某一区域在特定历史阶段的特定技术和社会经济发展水平条件下，以维持生态良性循环和可持续发展为前提，当地水资源系统可支撑的社会经济活动规模和具有一定生活水平的人口数量。这一定义的特点是将水环境对人类社会的 “承载”内涵表述出来，把水环境承载力具体到人口数量和污染物。

第三种表述是在第二种的基础上加入了水体所能承载的经济规模。将人类行为（经济行为）对水环境承载力的影响概括在内，如何希吾在水环境承载力中讲述的“一个流域、一个地区、一个国家在不同阶段的社会经济和技术条件下，在水资源合理开发利用的前提下，当地水资源能够维持和支撑的人口、经济和环境规模总量”。

鉴于对辽河流域水资源承载能力进行的研究，因此，本次研究将讨论第一种定义下的水环境承载能力，即计算在辽河流域某一水环境单元在给定的环境目标下所能容纳的污染物的量，也就是指环境单元依靠自身特性使本身功能不至于被破坏的前提下能够允许的污染物的量。

1.2 水环境承载力的内涵

人类社会发展初期，生产力水平低下，人类生产活动对水环境破坏程度轻微，水环境并没有对社会发展带来制约作用，直至工业革命以前，水环境问题一直没有成为社会的突出问题。随着工业革命的发展，人类开发利用和改造自然的能力空前增强，人类从自然界获取的资源越来越多的同时，排放的污染物也迅速增加，其排放量已远远超出水环境的自净能力，水环境质量日益恶化，人们开始注重水环境问题的研究。本文以辽河流域为研究区域，进行了区域水环境承载能力评价。

水环境承载力是在人们对社会可持续发展与水环境相互关系有了较深刻认识的基础上被提出来的[3]。少量污染物进入水环境并不会引起环境质量的明显变化，但水环境的纳污量是有限的，污染物的排放量超过一定限度之后，水环境质量就会发生恶化。随着污染物种类和数量的增多，水环境构成的制约作用越来越明显，人们不得不考虑水环境与社会经济协调发展的问题。为了实现可持续发展人们很自然地提出了环境承载能力的问题，即人们寻求的资源开发程度和污染水平，不应超过环境承载能力。

1.3 水环境承载力的基本特性

水环境承载力针对不同时空、流域等因素具有不同计算结果，但是水环境承载力在某些方面上是一致的，这些一致的特征，就是水环境承载力的基本特性，可以归结为以下五方面：

（1）相对极限性：指在某一具体的历史发展阶段，水环境承载能力具有最大的特性，即可能的最大承载指标。随着历史阶段的变更，水环境承载能力也会发生一定的变化。

（2）动态性：说明了事物总是处于不断发展变化的历史过程中，通过提高不同时期的总体技术或生产力水平，使水环境承载力在不同时期上具有跳跃性，因而水资源承载力在时间上具有动态性。

（3）模糊性：承载主体水环境系统受生态环境、水生生物及人类活动的影响，有着一定的不确定性。而承载客体社会、经济发展和环境维护则是一个更为复杂的系统，有着更大的随机性。两方面因素加上人类认识世界和自然规律的局限性，决定了水环境承载能力的模糊性。

（4）可增强性：随着人类社会科学技术的进步，人类不断拓宽水环境的研究范围，提高生态系统的多样性，从而增加水环境的承载能力。

（5）被承载模式的多样性：即经济、社会发展模式的多样性，它决定了水环境承载能力研究是一个复杂的决策问题。

2.研究的背景及意义

当今，可持续发展的理念己被人们所广泛接受。要实现人类生存和社会的可持续发展，自然资源的持续利用和良好的生态环境是最根本的物质保证。随着社会经济的持续发展和人口的不断增长，水资源短缺和水环境破坏已经成为全球性的严峻问题。造成这种现象的原因是多方面的，其中最不容忽视的，一方面是用水量逐年增加，另一方面则是人类随意地乱砍滥伐、不合理的放牧以及向环境排入大量污染物，造成水污染不断加剧、水环境明显恶化，人们开始注重水环境问题，流域水环境承载力是自然资源承载力的重要组成部分，是人类经济社会与河流生态环境协调发展的重要影响因素。开展水环境承载能力研究，对于协调区域水资源分配、改善流域水环境，实现区域可持续发展，具有十分重要的意义。

水环境系统到底能够承载多少污染物？选择什么的数学模型才能有效计算出水环境承载能力？怎样做才能保持水资源的开发利用处于水环境承载能力范围内？这对可持续发展十分重要，也是水环境承载能力计算方面亟待解决的问题。因此，研究水环境承载力，了解当前水环境的承载状况，并通过对影响水环境承载能力的各因素有所侧重的改善与发展，从而对达到协调区域经济发展、居民生活水平与生态环境建设关系的目的是非常重要的[4]。它是水资源安全度量和规划的基础，不仅能够给管理者提供决策依据，而且在一定程度上能增强人们的节水意识，对促进水资源的持续利用和实现社会经济的可持续发展具有重要意义。

3.水环境承载力的国内外研究现状

提到水环境，不得不提及环境与生态环境。环境按其主体可分为两类：一类是以人类为主体，其他生命物体和非生命物质都被视为环境要素的环境；另一类是以生物体作为环境的主体，只把非生命物质视为环境要素，而不把人类以外的生命物体看成环境要素的环境。生态环境是以人类为主体，其他生命物体和非生命物质都被视为环境要素的环境，除包括自然因素外，还包括社会因素。是人类赖以生存的有机结合体，包括生物性的生态因子和非生物性的生态因子，如草木植被、河流、湖泊、土地气候等自然地理条件和人为条件都是人类所赖以生存和发展的环境基础。影响生态环境演变的因素不外乎两大类，即自然因素和人为因素。人为因素形成的生态环境演变现象，包括农垦引起的荒漠化、盐碱化，水生生物减少或灭绝、草场退化；排污引起的水环境污染、大气环境污染、土地肥力下降、生物生存环境破坏。特别是人类活动日益强烈的近代，人类作用急剧加剧了生态环境的破坏。在环境与生态环境的研究基础上，针对水环境研究，国内外都有了很大进展。

3.1 国外研究现状

世界自然保护联盟、联合国环境规划署、世界野生生物基金会在共同发表的《保护地球一可持续生存战略》一书中指出：承载力是“地球或任何一个生态系统所能承受的最大限度的影响就是其承载力”。随着承载力研究的深入，水资源具有量的承载力，同时提出质的承载力，首先研究了水资源承载力，水环境承载力国外的经典研究很少，很多只是泛泛的讨论。

如1968年首先由日本学者提出，水环境承载力（Water Environmental of Carrying Capacity， WECC）是承载力概念与水环境领域的自然结合，其理论雏形为水环境容量；1993年，Pearce D .W 研究了经济、环境与可持续发展的关系；国外对于流域、海湾、湖泊等水体进行的生态学意义的承载力研究中，也涉及到一些水环境承载力研究，但专门的研究较少，一般仅在可持续发展文献中简单地涉及。如北美湖泊协会曾对湖泊承载力进行定义；美国的UPS公司对佛罗里达Keys流域的承载能力进行了研究，内容包括承载力的概念、研究方法和模型量化手段等方面；Rijiberman. J等在研究城市水资源评价和管理体系中将承载力作为城市水资源安全保障的衡量指标；2002年，美国环保局United States Environmental Protection）进行了4个镇区环境承载力研究（Four Town ship Environmental Carrying Capacity Study），具体计算了4个湖泊的环境承载力，并提出了保护和改善湖泊水质的建议。

3.2 国内研究现状

水环境承载力的研究对控制环境污染有十分积极的意义，但由于环境承载力指标与经济开发活动、环境质量状况之间的数量关系非常复杂，加之诸多偶然因素的影响，环境承载力研究进展不快，对水环境承载力的理论和实践研究目前尚处于探索阶段。

我国较严格的“环境承载力”概念最早出现在《福建省泥洲湾开发区环境规划综合研究总报告》中[5]，即“在某一时期，某种状态或条件下，某地区的环境所能承受的人类活动的阖值”。此后，许多学者对环境承载力展开了研究。

1995年，唐剑武等在《环境承载力及其在环境规划中的初步应用》中给出了水环境承载力的概念，但水环境承载力的科学定义目前学术界尚未达成共识。

郭怀成[6]等认为水环境承载力是指某一时期、某种环境状态下、某一区域水环境对人类活动支持能力的闭值。

贾振帮[7]认为水环境承载力的含义是在一定的自然环境条件和特定的社会经济发展模式下，区域水环境（包括水资源和水污染）对其社会经济发展的支持能力。

崔凤军把城市水环境承载力定义为：某一城市（含郊区）、某一时期、某种状态下的水环境条件对该城市的经济发展和生活需求的支持能力。

廖文根[8]认为水环境承载力是指：水环境系统功能可持续正常发挥前提下接纳污染物的能力（即纳污能力）和承受对其基本要素的改变（系统调节能力）。

汪恕成[9]认为水环境承载能力指的是在一定的水域，其水体能够被继续使用并仍能保持良好生态系统时，所能够容纳污水及污染物的最大能力。

崔树彬[10]在《河流水环境承载能力及定量化问题探讨》中认为，水环境承载能力就是通常意义上的“水环境容量”或者是“环境（水体）的纳污能力”，水环境容许污染负荷量等。

钱华在《河流水库水环境承载力研究一以黄河万家寨水库为例》中提出的水环境承载力的定义：水坏境系统在自我维持、自我调节能力正常的情况下，水环境系统的承纳能及其可维育的社会经济活动强度和具有一定生活水平的人口数量。

在联合国开发署资助的《华北水资源项目》中，研究的内容就是华北地区的经济发展、资源配置和环境承载能力之间的平衡和协调问题。当时确定的两个最主要的目标函数就是国内生产总值GDP 和生物需氧量BOD5，前者衡量经济发展及效益，后者衡量水环境清洁水平，而没有明确提出其可接受的最大限度，即承载力。

鉴于对辽河流域水资源承载能力进行的研究，因此，本次研究将采用的水环境承载能力，即计算在辽河流域某一水环境单元在给定的环境目标下所能容纳的污染物的量，也就是指环境单元依靠自身特性使本身功能不至于被破坏的前提下能够允许的污染物的量。

4. 水环境承载能力研究中存在的问题

当前，我国时空变化差异很大，不管是南方或北方，水资源危机以及相关生态环境问题都相当突出，在优化水资源配置的同时，也要充分地考虑到各个地区的水环境承载力。我国水环境承载力研究，目前虽已取得了一定的进展，但是仍然存在以下几点问题。

（1）基础理论不完善

关于水环境承载力概念及其内涵特点多为经验性描述，系统分析不足，其外延模糊，至今还没有统一、公认的定义、理论基础和研究方法，未形成一个完整的计算体系。定义与计算形式不统一，承载力的单位不明确，因此应用上缺乏足够的可行性，实施和操作性还不强。水环境承载力的研究是一个复杂的系统多目标决策问题，其研究领域宽广，涵盖了从生态功能等宏观领域到水生生物呼吸作用等微观领域，从水文学到生态学、环境学、社会经济学、管理学等不同层次、不同学科的研究范围，学科交叉性强。但目前的理论基础还不足以支撑所有的研究领域[11]，因此要加强水资源承载能力的基础理论研究和完善。

（2）研究原则和目标不明确

水的问题已经成为中国社会经济可持续发展的关键制约因素。这就需要我们在进行对水的研究时要充分地考虑可持续发展[12]。而我们在水环境承载力的研究过程中，究竟应该以怎样的可持续发展标准来评价和计算水环境承载力，或者怎样的水环境承载力才可以真正实现可持续发展，目前尚未明确和统一。

（3）亟待建立完善公认的、适合流域特点的承载能力指标体系

现有的水环境承载能力评价指标体系不多，大部分的评价指标体系过于简单或冗余，一般仅是探索性的成果，还未形成统一的、公认的评价指标体系，尚无适宜的筛选框架和分析方法。在承载力研究中，虽然引入了研究复杂系统的数学建模方法，但各方法都具有一定的局限性[13]。而且数学模型中涉及到的指标和指标体系往往过于简单，没有给出分析和筛选框架。这些指标往往不能同时描述人口―生态―社会经济复合系统的复杂性和水环境承载力的大小。而且水环境承载力研究中有大量的定性指标，如政策法规、管理水平、环保意识等，而对这些定性指标的定量化具有相当的难度，所以至今还没有既能描述水资源社会经济系统结构的复杂性，又能描述水环境承载力大小的评价指标体系。现行的指标体系忽略了对自然生态系统各因子间相互作用规律的研究，对水环境承载力的评价因子的引入不全面，这极大地阻碍了水环境承载能力评价研究的深入开展，也限制了水环境承载能力研究的系统性和规范性。

（4）计算分析方法尚待进一步创新

目前，对于水环境承载力的研究大多都是在定性的分析上，而且静态的分析较多，动态的分析计算较少。因此，不能充分反映出动态下的水环境系统、宏观经济系统、社会系统以及生态环境之间的相互协调、相互制约和合理配置的关系。基于水环境的特殊性，建立一套属于水环境承载力系统本身的计算方法非常必要。

5.结语

经过上述探讨，水环境承载力的研究应加强以下方面的研究，以促进水环境承载力分析计算的理论研究和应用发展。

（1）将水环境承载力置于可持续发展框架下进行研究。研究应建立在生态、经济、社会复合系统可持续发展的前提条件下，因此，只有真正明确可持续发展的内涵，深入剖析水环境承载力与可持续发展的关系，才能合理地对水环境承载力进行评价和计算，同样，只有进行了水资源承载力的研究，才能使水资源的开发利用以及社会的经济发展达到可持续。

（2）重视生态系统需水量的研究。为了实现可持续发展的目的，水环境承载力的研究必须以维护生态环境良性发展为条件，科学研究生态需水量，然后进行水环境分析。

（3）加强水环境承载力理论基础的研究。完善水环境承载力理论体系，为水环境承载力研究寻找新思路新方法提供理论依据，并为国家决策、规划、计划和社会协调发展提供科学依据。

（4）以系统的观点研究水环境与其他资源的综合承载能力。人类社会的可持续发展需要水环境和其他资源的共同支持，因此必须从系统的角度研究水环境与其他资源的综合承载力。[14]

（5）引入新方法。现代计算手段和新技术的日新月异，将为水环境承载力研究提供崭新的理论基础和研究技术手段。

（6）结合物理、化学、生物自净理论，把人工措施与水体自净能力相结合等方面，如建设氧化塘来处理污水，利用土地处理系统处理污水，及结合筑堤、建库等水利工程措施来提高河流自净能力等。利用沿河滩湿地，提高水生生物多样性，提高河道的水体自净能力。

参考文献

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[2] 陈春生.环境容量受力分析与都市成长管理之研究：以台北都会区水资源个案为例[J]，国力台湾大学建筑与城乡研究学报，1987，3（1）：133-144

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