滇中城市水源地水源涵養(yǎng)能力研究

段琪彩, 吳 灝, 王 杰, 張 雷

(云南省水利水電科學(xué)研究院, 昆明 650228)

?

滇中城市水源地水源涵養(yǎng)能力研究

段琪彩, 吳 灝, 王 杰, 張 雷

(云南省水利水電科學(xué)研究院, 昆明 650228)

水源涵養(yǎng)能力是水源地保護(hù)研究的主要內(nèi)容?；诶ッ鳌⒂裣?、楚雄3個城市水源地內(nèi)的中和、大矣資、馬家莊和鳳屯(二)站1982—2011年實(shí)測流量數(shù)據(jù)，通過總徑流和基流的變化來揭示水源涵養(yǎng)能力的時空變化規(guī)律，并依據(jù)MODIS，Landsat遙感影像分析其主要影響因素。結(jié)果顯示:總徑流和基流均為鳳屯(二)站最大，馬家莊站最小，兩站分別相差48%，70%；1982—2011年，總徑流和基流除大矣資站呈顯著下降趨勢(α≥99.6%)外，其余站變化趨勢不顯著；總徑流和基流與降水量、林地面積比率呈較好正相關(guān)(R2≥0.814 4)，與園地面積比率呈負(fù)相關(guān)(R2=0.687 7)，與植被覆蓋率、耕地面積比率相關(guān)性不明顯(R2≤0.379 8)?？梢娋琵埖樗畮斓乃春B(yǎng)能力最強(qiáng)，東風(fēng)水庫最弱；松華壩水庫、九龍甸水庫和東風(fēng)水庫的九溪河流域的水源涵養(yǎng)能力無顯著的變化趨勢，東風(fēng)水庫的董炳河流域呈顯著減弱的趨勢；水源涵養(yǎng)能力隨降水量、林地面積增大而增強(qiáng)，隨園地面積增大而減弱，植被覆蓋率的大小不能反映水源涵養(yǎng)能力的強(qiáng)弱。

水文學(xué); 水源涵養(yǎng)能力; 統(tǒng)計(jì)學(xué); 水源地

水是生命之源，是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是城市經(jīng)濟(jì)社會良性發(fā)展的關(guān)鍵性要素。受氣候變化和人類活動的共同影響，水資源短缺、水生態(tài)功能退化等問題日益突出，進(jìn)而影響到水源地的水源涵養(yǎng)能力，其中生態(tài)破壞、草地和林地減少等是導(dǎo)致水源涵養(yǎng)能力下降的重要原因[1]，因而變化環(huán)境下水源涵養(yǎng)能力研究成為當(dāng)前水資源研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。目前，估算水源涵養(yǎng)能力的方法較多，如土壤蓄水能力法、水量平衡法、地下徑流增長法、降水儲存量法、林冠截留剩余量法等[2]。近年來，眾多學(xué)者采用不同的方法研究了不同下墊面的水源涵養(yǎng)能力，如魯春霞等[3]通過水量平衡計(jì)算青藏高原森林生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源量來評估其經(jīng)濟(jì)價值，孟廣濤等[4]測定了云南金沙江流域不同植被類型的林分截流、滲透性能、持水能力和地表徑流，賈彥龍等[5]研究分析了燕山北部山地典型植物群落的水源涵養(yǎng)能力。2009—2012年云南省持續(xù)干旱，滇中地區(qū)部分水源地出現(xiàn)了水量減少、水質(zhì)下降等問題，而從水文學(xué)角度針對滇中城市水源地水源涵養(yǎng)能力研究的文獻(xiàn)尚不多見。因此，本文依據(jù)綜合反映水源涵養(yǎng)能力的實(shí)測流量，通過長系列徑流量及其組成來研究滇中地區(qū)城市水源地的水源涵養(yǎng)能力變化規(guī)律，并結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)等分析影響水源涵養(yǎng)能力的主要因素，以期為水源地保護(hù)和生態(tài)修復(fù)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

松華壩水庫、東風(fēng)水庫、九龍甸水庫均位于滇中地區(qū)，屬于亞熱帶氣候，日照充足，四季如春，氣候宜人，干濕季分明，最熱月平均氣溫19～22℃，最冷月平均氣溫6～8℃。多年平均降水量858.2～1 078.5 mm，其中5—10月降水量占全年的85%以上。土壤類型以山原紅壤、棕壤和水稻土為主。地形以山地和山間盆地為主，地勢起伏和緩。植被類型多樣，多為次生植被和人工植被。松華壩水庫位于昆明市北郊，流域面積為629.8 km2，主要河流為牧羊河和冷水河；東風(fēng)水庫位于玉溪市東北部，流域面積為309.5 km2，主要河流為東北支董炳河和東南支九溪河；九龍甸水庫位于楚雄市西北部，流域面積為257.6 km2，主要河流為紫甸河。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所用降水和徑流數(shù)據(jù)來源于水文部門，時間序列為1982—2011年，其中中和、馬家莊兩站的流量數(shù)據(jù)采用水文比擬法訂正到現(xiàn)狀斷面。MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer中分辨率成像光譜儀)數(shù)據(jù)由http:∥lasdsweb.nascom.nasagov網(wǎng)站下載，分辨率為16 d，時間序列為2001—2010年。2009年Landsat遙感影像數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心。

2.2 研究方法

流域的產(chǎn)匯流過程除了受控于降雨特性外，與流域下墊面的地形、地貌、土壤、植被、地質(zhì)等特性有明顯的因果關(guān)系[6-7]，退水特征可綜合反映流域的水文響應(yīng)條件。對于不受較大水利工程影響接近自然狀態(tài)的流域，總徑流和基流特性可較好地反映流域的水源涵養(yǎng)能力。本文通過總徑流和基流的統(tǒng)計(jì)特征來研究水源涵養(yǎng)能力的時空規(guī)律，以及降水量、植被覆蓋率和土地利用類型對其的影響。

2.2.1 基流計(jì)算 基流分割的方法很多，常用的有直線分割、直線斜割、BFI、加里寧、API、HYSEP法及濾波法等，其中濾波法計(jì)算的基流能夠較好地反映流域的蓄水容量年內(nèi)變化[8]，故本文采用濾波法來分割基流，計(jì)算公式為：

(1)

Qb(i)=Q(i)-Qd(i)

(2)

式中：Qd(i)——i日的地表流量(m3/s)；Q(i)——i日的實(shí)測流量(m3/s)；Qb(i)——i日的基流量(m3/s)；α——濾波系數(shù)，采用0.925。計(jì)算時，為使所分割的基流過程更平滑，進(jìn)行了順序、逆序、順序3次濾波[9]。

2.2.2 平均降水量計(jì)算 水源地平均降水量根據(jù)云南省降水量等值線圖按面積加權(quán)得到，其中降水量等值線圖采用2007年云南省水資源調(diào)查評價成果。

2.2.3 植被覆蓋率計(jì)算 植被覆蓋率(FVC)與NDVI存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，一般通過建立二者的轉(zhuǎn)換關(guān)系來提取植被覆蓋率[10]。計(jì)算公式為：

(3)

式中：FVC——植被覆蓋率；NDVI——區(qū)域內(nèi)歸一化植被指數(shù)的平均值；NDVImin——?dú)w一化植被指數(shù)的最小值；NDVImax——?dú)w一化植被指數(shù)的最大值。

2.2.4 土地利用現(xiàn)狀類型面積提取 土地利用現(xiàn)狀類型通過目視解譯結(jié)合監(jiān)督分類對Landsat遙感影像進(jìn)行解譯，應(yīng)用ArcGIS軟件按耕地、林地、園地、草地、住宅用地、水域等分類提取不同土地利用類型的面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)能力的空間分布特征

各水源地的平均降水量(P)、總徑流深(R)、基流深(Rb)、徑流系數(shù)、基流系數(shù)(基流深/總徑流深)和植被覆蓋率見表1。各站平均降水量、總徑流深、基流深均為鳳屯(二)最大，馬家莊最小，兩站分別相差20%，48%，70%；基流系數(shù)鳳屯(二)站是馬家莊站的1.7倍；中和站與大矣資站平均降水量、總徑流深、徑流系數(shù)、植被覆蓋率接近，但大矣資站的基流系數(shù)明顯偏小?？梢?，各水源地的水源涵養(yǎng)能力存在較大差異，從強(qiáng)到弱依次為九龍甸水庫、松華壩水庫、東風(fēng)水庫，東風(fēng)水庫東南部的九溪河流域(馬家莊站)的水源涵養(yǎng)能力最弱。

表1 水源地水文要素統(tǒng)計(jì)

3.2 水源涵養(yǎng)能力的變化趨勢

建立各站降水量、總徑流深、基流深回歸模型(圖1)。各水源地的降水量呈不顯著下降的趨勢；總徑流深大矣資站呈顯著的下降趨勢(α=99.8%)，其余站呈不顯著的下降趨勢；基流深大矣資站呈顯著的下降趨勢(α=99.6%)，其余站呈不顯著的上升趨勢；東風(fēng)水庫東北部的董炳河流域(大矣資站)的總徑流和基流均呈顯著的下降趨勢。

總體上表現(xiàn)為松華壩水庫、九龍甸水庫水源地和東風(fēng)水庫東南部的九溪河流域的水源涵養(yǎng)能力無顯著的變化趨勢，東風(fēng)水庫東北部的董炳河流域的水源涵養(yǎng)能力呈顯著減弱的趨勢。

圖1 各站降水量、總徑流深、基流深過程線

3.3 影響水源涵養(yǎng)能力的主要因素

3.3.1 降水對水源涵養(yǎng)能力的影響 平均降水量與總徑流深、基流深呈正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.973 7，0.819 7(圖2)，表明降水量與水源涵養(yǎng)能力的相關(guān)性較好(α>90%)，本地區(qū)水源涵養(yǎng)能力隨降水量增加而增強(qiáng)，與甘小莉等[11]研究結(jié)果一致。

3.3.2 植被覆蓋率對水源涵養(yǎng)能力的影響 植被覆蓋率與總徑流深、基流深亦呈正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)分別為0.379 8，0.373 8(圖3)，表明植被覆蓋率與水源涵養(yǎng)能力的相關(guān)性不好(α=60%左右)。中和、大矣資和馬家莊的植被覆蓋率接近，但總徑流深和基流深的差異卻很大，可見植被覆蓋率的大小并不能直觀反映水源涵養(yǎng)能力的強(qiáng)弱，其對徑流的影響較為復(fù)雜，不同地區(qū)、不同類型植被對水源涵養(yǎng)能力的影響亦不相同，與甘小莉[11]、王禮先[12]和石培禮[13]等的研究結(jié)果一致。

圖2 降雨量與徑流深的關(guān)系

3.3.3 土地利用類型對水源涵養(yǎng)能力的影響 本地區(qū)土地利用類型以耕地、林地和園地為主，研究的3個水源地中此3類土地利用類型面積合計(jì)占水源區(qū)總面積的96%以上，因此本文主要分析耕地、林地和園地與水源涵養(yǎng)能力的相關(guān)性。

總徑流深與林地面積比率呈較好的正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.956 8；與園地面積比率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.766 7；與耕地面積比率無相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.063(圖4A)。基流深與林地面積比率呈較好的正相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.814 4；與園地面積比率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.687 7；與耕地面積比率無相關(guān)關(guān)系，決定系數(shù)為0.002(圖4B)?？傮w表現(xiàn)為水源涵養(yǎng)能力隨林地面積增加而增強(qiáng)，隨園地面積增加而減弱，而耕地對水源涵養(yǎng)能力的影響不明顯。

綜合圖3，4來看，馬家莊站雖然植被覆蓋率相對較高，但因以園地為主，受人類活動影響較大，其總徑流和基流均為最小。另外，馬家莊站所處的九溪河流域位于西南暖濕氣流向北輸送的背風(fēng)坡，降水量相對較小，導(dǎo)致了該流域的水源涵養(yǎng)能力最弱。

圖3 植被覆蓋率與徑流深的關(guān)系

圖4 徑流深與土地利用類型面積比率的關(guān)系

4 結(jié) 論

(1) 各水源地的水源涵養(yǎng)能力差異較大，從強(qiáng)到弱依次為九龍甸水庫、松華壩水庫、東風(fēng)水庫，東風(fēng)水庫東南部的九溪河流域的水源涵養(yǎng)能力最弱。

(2) 1982—2011年，松華壩水庫、九龍甸水庫和東風(fēng)水庫東南部的九溪河流域的水源涵養(yǎng)能力無顯著的變化，東風(fēng)水庫東北部的董炳河流域(大矣資站)的水源涵養(yǎng)能力呈顯著減弱的趨勢。

(3) 源涵養(yǎng)能力隨降水量和林地面積增加而增強(qiáng)，隨園地面積增加而減弱，而耕地對水源涵養(yǎng)能力的影響較小，此外植被覆蓋率的大小不能反映水源地水源涵養(yǎng)能力的強(qiáng)弱。

[1] 劉世榮,孫鵬森,溫遠(yuǎn)光.中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能的比較研究[J].植物生態(tài)學(xué)報,2003,27(1):16-22.

[2] 張彪,李文華,謝高地,等.森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其計(jì)量方法[J].生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(3):529-534.

[3] 魯春霞,謝高地,肖玉,等.青藏高原生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值評估[J].生態(tài)學(xué)報,2004,24(12):2749-2755.

[4] 孟廣濤,方向京,李貴祥,等.云南金沙江流域不同植被類型水源涵養(yǎng)能力分析[J].水土保持研究,2007,14(4):160-163.

[5] 賈彥龍,許晴,許中旗,等.燕山北部山地典型植物群落水源涵養(yǎng)能力研究[J].水土保持通報,2012,32(6):16-21.

[6] 關(guān)品高.昆明市松華壩水源區(qū)森林植被類型及水源涵養(yǎng)量估算[J].山東林業(yè)科技,2011,41(2):57-59.

[7] 石朋,芮孝芳,瞿思敏,等.一種通過地形指數(shù)計(jì)算流域蓄水容量的方法[J].水科學(xué)進(jìn)展,2008,19(2):264-267.

[8] 段琪彩,方紹東,王杰,等.昆明市松華壩水源地水源涵養(yǎng)能力時空變化研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2012(10):170-173.

[9] 權(quán)錦,馬建良.石羊河流域基流分割及特征分析[J].水電能源科學(xué),2010,28(1):15-17.

[10] Ignatov A, Gutman G. The derivation of the green vegetation fraction from NOAA/AVHRR data for use in numerical weather prediction models[J]. International Journal of Remote Sensing,2010,19(8):1533-1543.

[11] 甘小莉,孫德泉,張林波,等.自然因素對祁連山水源涵養(yǎng)能力影響研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012.40(4):2186-2188.

[12] 王先禮,張志強(qiáng).森林植被變化的水文生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展[J].世界林業(yè)研究,1998(6):14-23.

[13] 石培禮,李文華.森林植被變化對水文過程和徑流的影響效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報,2001,16(5):481-487.

Study on the Water Conservation Capacity of Urban Catchment Areas in Central Yunnan

DUAN Qicai, WU Hao, WANG Jie, ZHANG Lei

(YunnanHydraulicResearchInstitute,Kunming650228,China)

Water conservation capacity is the main aspect of water source area protect. Therefore, based on the precipitation and runoff date of Zhonghe, Dayizi, Majiazhuang and Fengtun(Ⅱ) from 1982 to 2011 in Kunming, Yuxi and Chuxiong, MODIS and Landsat remote sensing image, the space-time characteristics and the influence of precipitation, vegetation coverage and land use type were analyzed. The results showed that the total runoff and base flow in Fengtun (Ⅱ) were maximum, and were minimum in Majiazhuang, the different of the two stations were 48% and 70%, respectively. The total runoff and base flow in Dayizi declined significantly (α≥99.6%), the trend of the other station was not significant from 1982 to 2011. The total runoff and base flow had positive linear correlation with precipitation, forest land area ratio (R2≥0.814 4), had negative with garden area ratio (R2=0.687 7), but had no correlation with vegetation coverage, the cultivated land area ratio (R2≤0.379 8). The study showed that the water conservation capacity was the strongest in Jiulongdian and the weakest in Dongfeng. The ability of water conservation had not significant change in Jiulongdian, Songhuaba and Jiuxihe of Dongfeng, but had significantly declined in Dongbinghe of Dongfeng. The increase of precipitation and forest area will be conducive to source self-restraint ability enhancement, the increase of the future area will lead to a drop in water conservation ability, but the vegetation coverage can not reflect the level of water conservation capacity.

hydrology; water conservation capacity; statistics; water source

2014-10-13

2014-11-24

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“云南高原湖泊水資源地面—遙感監(jiān)測技術(shù)研究”(201401026)

段琪彩(1965—),女,云南盈江縣人,高工,主要從事水文水資源研究。E-mail:Duanqicai@126.com

S152.7

1005-3409(2015)05-0312-04