江西省水源涵養(yǎng)量動態(tài)變化遙感監(jiān)測與分析

曹 飛 肖如林 付 卓 殷守敬 楊 旻 蔡明勇

(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

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江西省水源涵養(yǎng)量動態(tài)變化遙感監(jiān)測與分析

曹 飛 肖如林 付 卓 殷守敬 楊 旻 蔡明勇

(環(huán)境保護(hù)部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094)

穩(wěn)定而又良好的水源涵養(yǎng)量是維持區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。迄今為止，國內(nèi)開展水源涵養(yǎng)功能監(jiān)測與評估主要涉及森林生態(tài)系統(tǒng)和不同土壤特性下的水源涵養(yǎng)量的計(jì)算，有關(guān)省域尺度的水源涵養(yǎng)量變化監(jiān)測研究相對較少。因此，本文選取江西省作為研究區(qū)，采用降水貯存量法結(jié)合遙感技術(shù)，基于研究區(qū)降水量和植被度指數(shù)數(shù)據(jù)，監(jiān)測分析研究區(qū)水源涵養(yǎng)量在2010-2015年間的時空變化情況。結(jié)果顯示，2010-2015年間，江西省水源涵養(yǎng)量的整體格局基本保持穩(wěn)定，整體略有小幅降低。

水源涵養(yǎng)；變化；遙感；江西

引言

水源涵養(yǎng)功能概念較為廣泛，主要表現(xiàn)形式包括生態(tài)系統(tǒng)的攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、影響降雨量、凈化水質(zhì)等[1]。水源涵養(yǎng)生態(tài)功能評估雖具有基本的理論和方法，但由于不同學(xué)者對水源涵養(yǎng)服務(wù)功能內(nèi)涵理解存在差異，致使水源涵養(yǎng)服務(wù)功能至今尚未形成一個公認(rèn)的定義，因而其核算方法也多種多樣(土壤蓄水能力法、降水貯存量法、雨水量平衡法等)，并且評估結(jié)果差異也較大，但在量級上卻是一致的[2]。目前，國內(nèi)水源涵養(yǎng)服務(wù)功能監(jiān)測與評估主要涉及森林生態(tài)系統(tǒng)，或不同土壤特性下水源涵養(yǎng)量的計(jì)算[3-5]以及特定生態(tài)區(qū)域的水源涵養(yǎng)服務(wù)功能評價[6-8]，有關(guān)省域尺度的水源涵養(yǎng)量變化監(jiān)測研究相對較少。同時，上述研究需要采集地面監(jiān)測數(shù)據(jù)測定指標(biāo)數(shù)值，造成研究周期較長，時效性差，削弱了區(qū)域規(guī)劃發(fā)展的指導(dǎo)意義。

遙感技術(shù)具有時效性強(qiáng)、監(jiān)測范圍廣、數(shù)據(jù)便于獲取等優(yōu)勢，目前已廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，并取得了非常顯著的成效。降水儲存量法是計(jì)算水源涵養(yǎng)量方法中的一種，因其計(jì)算原理可以很好地與遙感數(shù)據(jù)相結(jié)合，并能快速地計(jì)算出水源涵養(yǎng)量，使其成為一種方便、快捷、實(shí)用的水源涵養(yǎng)變化監(jiān)測方法。這種方法通過對比植被覆蓋區(qū)域與裸地的徑流減少量，認(rèn)為其減少量即為水源涵養(yǎng)量，因此，降雨量和植被覆蓋度成為衡量水源涵養(yǎng)量的重要指標(biāo)[9]，其中，植被覆蓋度可以利用遙感影像歸一化植被指數(shù)NDVI計(jì)算得出，由此，利用遙感數(shù)據(jù)就能計(jì)算出水源涵養(yǎng)量，從而開展水源涵養(yǎng)量變化遙感監(jiān)測研究。

1 研究區(qū)

江西省位于我國東南近海內(nèi)陸，居長江中、下游南岸。長期以來，人們都認(rèn)為江西省屬于豐水地區(qū)，并不缺少淡水資源。但實(shí)際上，江西省人均擁有水資源量僅為世界平均值的1/3，屬于少水地區(qū)。同時，江西省水資源量在年際間變化較大，在年內(nèi)的分配也極不均勻，主汛期(4～6月)占全年降水總量的50%，在這期間有大量洪水資源沒有得到有效利用就白白流走[10]。因此，江西省水源涵養(yǎng)量變化的監(jiān)測研究，對該地區(qū)的水資源安全和可持續(xù)發(fā)展利用都具有重要作用。而國內(nèi)有關(guān)省域水源涵養(yǎng)量狀況的變化監(jiān)測研究相對較少。為更好的了解江西省的水源涵養(yǎng)情況，本文選取江西省作為研究區(qū)，基于遙感技術(shù)，采用降水量和植被覆蓋度指數(shù)，從降水貯存量的角度，對該區(qū)域在2010-2015年的水源涵養(yǎng)量的進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

圖1 江西省遙感影像圖

2 監(jiān)測方法及數(shù)據(jù)

2.1 監(jiān)測方法

水源涵養(yǎng)能力通過生態(tài)蓄水能力Q體現(xiàn)。即與裸地相比，各類生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量，生態(tài)蓄水能力Q值越高，表明生態(tài)系統(tǒng)可調(diào)蓄容量越大，生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力越強(qiáng)。

采用降水貯存量法，即用森林生態(tài)系統(tǒng)的蓄水效應(yīng)來衡量其涵養(yǎng)水分的功能。對比林地與裸地的徑流減少量，認(rèn)為其減少量為水源涵養(yǎng)量。

Q=A·J·R

J=J0·K

(1)

(1)Q：與裸地相比較，森林、草地、濕地、耕地、荒漠等生態(tài)系統(tǒng)涵養(yǎng)水分的增加量(m3)；

(2)A：面積；

(3)J：計(jì)算區(qū)多年均產(chǎn)流降雨量(P>20mm)(mm)；

(4)J0：計(jì)算區(qū)多年均降雨總量(mm)；

(5)K：產(chǎn)流降雨量占降雨總量的比例；根據(jù)趙同謙等以秦嶺-淮河一線為界限，將全國劃分為北方區(qū)和南方區(qū)。北方降雨較少，降雨主要集中于6-9月份，甚至一年的降雨量主要集中于一兩次降雨中。南方區(qū)降雨次數(shù)多、強(qiáng)度大，主要集中于4-9月份。因此，建議北方區(qū)K取0.4，南方區(qū)K取0.6。本研究區(qū)為江西省，年均降水1638mm，屬于南方濕潤地區(qū)，設(shè)定K值為0.6。

(6)R：與裸地(或皆伐跡地)比較，生態(tài)系統(tǒng)減少徑流的效益系數(shù)；根據(jù)已有的實(shí)測和研究成果，結(jié)合各種生態(tài)系統(tǒng)的分布、植被指數(shù)、土壤、地形特征以及對應(yīng)裸地的相關(guān)數(shù)據(jù)，可確定全國主要生態(tài)系統(tǒng)類型的R值，表1是主要森林生態(tài)系統(tǒng)的R值。其他草地、灌木林、沼澤等生態(tài)系統(tǒng)的R值有待于進(jìn)一步確定。而冰川、湖泊、河流、水庫等濕地生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)量為系統(tǒng)平均儲水(蓄水)量。

(7)R0：產(chǎn)流降雨條件下裸地降雨徑流率。

(8)Rg：產(chǎn)流降雨條件下生態(tài)系統(tǒng)降雨徑流率。

由上述方法可知，水源涵養(yǎng)量監(jiān)測采用植被覆蓋度指數(shù)和降雨量兩個指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測分析，其中植被覆蓋度指數(shù)采用MODIS數(shù)據(jù)的歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)NDVI通過計(jì)算得出。

植被覆蓋度的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：NDVIV和NDVIs分別是茂密植被覆蓋和完全裸土像元的值。

用李元壽等[11]、夏軍等[12]及Yin Jianzhong等[13]關(guān)于不同植被覆蓋度對應(yīng)徑流系數(shù)的影響，建立植被覆蓋度和徑流系數(shù)之間的聯(lián)系，加之采用降雨量數(shù)據(jù)，利用降水貯存量法便可計(jì)算出地區(qū)的水源涵養(yǎng)量。

表1 不同植被覆蓋度對應(yīng)徑流系數(shù)分級表

2.2 數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采用降水量和NDVI數(shù)據(jù)，其中，降水量數(shù)據(jù)時間為2010年和2015年，NDVI數(shù)據(jù)為2010年和2015年的月數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)現(xiàn)狀監(jiān)測與評價

通過計(jì)算，獲取江西省2010年及2015年的水源涵養(yǎng)遙感綜合評價監(jiān)測結(jié)果，如圖2所示。

圖2 江西省水源涵養(yǎng)遙感監(jiān)測評價結(jié)果

圖2中顏色由紅色過渡到綠色再到藍(lán)色，表示水源涵養(yǎng)遙感監(jiān)測值從低值到高值逐漸變化。從數(shù)值范圍角度來看，2010年水源涵養(yǎng)遙感綜合評價監(jiān)測價值范圍為[3.8×10-5mm，467.2mm]，水源涵養(yǎng)量為6.0×1010噸，2015年為[3.1×10-5mm，505.6mm]，水源涵養(yǎng)量為5.9×1010噸?？梢钥闯觯?015年水源涵養(yǎng)遙感綜合評價監(jiān)測評價的最高值大于2010年，最小值則小于2010年，其整體變化幅度要大于2010年；從空間分布角度來看，按照水源涵養(yǎng)遙感綜合評價監(jiān)測值，可將研究區(qū)大致分為低值、中值和高值等3個區(qū)域，大致表現(xiàn)為：區(qū)域西南部顯示為紅色到黃色的低值區(qū)域，中部到西部區(qū)域?yàn)樗{(lán)綠色的中值區(qū)域，東部及東北部區(qū)域?yàn)樗{(lán)色的高值區(qū)域；從時間角度來看，2010～2015年間的水源涵養(yǎng)量在空間分布上基本相似，大體都表現(xiàn)為南部、西南部為低值，中部、中西部為中值，東部及東北部區(qū)域高值區(qū)域，而5年間水源涵養(yǎng)量的變化主要為東北部地區(qū)水源涵養(yǎng)量下降。以上分析說明，2010～2015年間水源涵養(yǎng)分布規(guī)律并未發(fā)生較大變化，但在局部地區(qū)表現(xiàn)出降低的趨勢。

3.2 水源涵養(yǎng)變化監(jiān)測分析

通過GIS疊加分析和波段運(yùn)算，計(jì)算2015年水源涵養(yǎng)綜合評價值與2010年的差值，差值小于0表示水源涵養(yǎng)量降低，大于0表示水源涵養(yǎng)量增加，其結(jié)果如圖3所示。圖中紅色表示水源涵養(yǎng)量增加、綠色表示下降。從圖中可以看出，中南部的大部分區(qū)域表現(xiàn)為紅色及橙黃色區(qū)域，北部及零散地區(qū)顯示為綠色及黃綠色區(qū)域。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，降低區(qū)域面積占研究區(qū)總面積的55%，增加區(qū)域占45%，降低區(qū)域面積約是增加區(qū)域的1.2倍?；诜治隹芍?，2010～2015年，研究區(qū)水源涵養(yǎng)量有所下降，整體呈下降趨勢。

圖3 江西省水源涵養(yǎng)變化量遙感監(jiān)測分析結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)江西省在2010～2015年間水源涵養(yǎng)量的整體情況基本穩(wěn)定，但從面積角度來看，降低區(qū)域范圍略大于增加區(qū)域。水源涵養(yǎng)量減少區(qū)域主要集中于鄱陽湖周邊區(qū)域，表明鄱陽湖周邊區(qū)域的水源涵養(yǎng)量減少，對江西省水源涵養(yǎng)量的維持造成一定程度影響，可能與鄱陽湖環(huán)湖區(qū)域開發(fā)強(qiáng)度增加有關(guān)。

(2)水源涵養(yǎng)的變化是一個持續(xù)變化的過程，由于受數(shù)據(jù)的限制，本文的時間尺度僅為5年，在條件允許情況下，今后的研究應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大。

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A Study on Dynamic Change of Water Conservation in Jiangxi Province Based on Remote Sensing Monitoring

CAO Fei XIAO Rulin FU Zhuo YIN Shoujing YANG Min CAI Mingyong

(Satellite Environmental Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing，100094)

Stable and good water conservation is an important foundation for maintaining regional ecological stability and achieving sustainable development. So far，monitoring and assessment of water conservation in China has mainly involved the calculation of water conservation in forest ecosystems and different soil properties. There are relatively few studies in the monitoring of water resources conservation in provincial scale. Therefore，this paper selected Jiangxi Province as the study area，based on the precipitation and vegetation index data of the study area，used precipitation storage method and remote sensing technology to monitor and analyze the spatial and temporal changes of the water conservation capacity in the study area in 2010-2015. The results showed that the overall pattern of water conservation in Jiangxi Province was basically stable in 2010-2015，and the overall trend was slightly decreased.

water conservation；dynamic change；remote sensing；Jiangxi

曹飛，工程師，研究方向?yàn)榄h(huán)境應(yīng)急與風(fēng)險評估分析

肖如林，博士，高級工程師，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)監(jiān)管、環(huán)境應(yīng)急3S技術(shù)研究與應(yīng)用

X21

A

1673-288X(2016)06-0210-03

項(xiàng)目資助：自然保護(hù)區(qū)典型人類活動變化自動提取技術(shù)研究、山西省礦區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及評價體系研究

引用文獻(xiàn)格式：曹 飛 等.江西省水源涵養(yǎng)量動態(tài)變化遙感監(jiān)測與分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：210-212.