沐川縣水源涵養(yǎng)能力變化研究

洪宇辰 白浪 喻舒林

摘 要：本研究基于多年多源數(shù)據(jù)，采用水量平衡法計(jì)算出沐川縣多年水源涵養(yǎng)量，利用線性回歸分析得到了沐川縣的水源涵養(yǎng)能力變化情況。研究表明：沐川縣水源涵養(yǎng)能力變化較大，中西部區(qū)域水源涵養(yǎng)能力明顯增強(qiáng)，東北區(qū)域偏北方向水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，中東部區(qū)域水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，中部區(qū)域及東南部分區(qū)域水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)明顯減弱趨勢(shì)。整體來(lái)看，區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)能力增強(qiáng)區(qū)域略多于減弱區(qū)域。主成分分析方法顯示，研究區(qū)水源涵養(yǎng)變化的首要驅(qū)動(dòng)因素為高程，可以看作植被涵養(yǎng)水源能力，次要驅(qū)動(dòng)力為降水量、植被覆蓋度和地表溫度，可以看作水分的流動(dòng)分布情況。

關(guān)鍵詞：水源涵養(yǎng)變化；水量平衡法；線性回歸

中圖分類號(hào)：P344 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）25-0091-02

Abstract： Based on years of multi-source data， the water balance method was used to calculate the amount of water conservation in Muchuan County， and the linear regression analysis was used to get the change of water conservation capacity in Muchuan County. The results showed that the water conservation capacity of Muchuan County changed greatly， the water conservation capacity of the central and western regions was obviously enhanced， the water conservation capacity of the north-eastern region showed a downward trend， and the water conservation capacity of the central and eastern regions showed a weakening trend. The water conservation capacity of the central region and the southeast part of the region showed a significant weakening trend. Taken as a whole， the enhanced water conservation capacity in the region is slightly stronger than the weakened area. The principal component analysis method shows that the primary driving factor of water conservation change in the study area is elevation， which can be regarded as vegetation water conservation ability， and the secondary driving forces are precipitation， vegetation cover and land surface temperature. It can be regarded as the flow and distribution of water.

Keywords： change of water conservation； water balance method； linear regression

1 概述

通過水源涵養(yǎng)量評(píng)價(jià)可以更清晰的認(rèn)識(shí)到水資源情況。水源涵養(yǎng)作為陸地植被生態(tài)系統(tǒng)的重要功能，在調(diào)節(jié)徑流、凈化水源、減輕土壤侵蝕等方面起著巨大的作用。同時(shí)，科學(xué)評(píng)估水源涵養(yǎng)能力也是制定合理的生態(tài)保護(hù)措施以及建設(shè)生態(tài)工程的重要依據(jù)。研究評(píng)價(jià)分析一個(gè)區(qū)域水源涵養(yǎng)能力的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)分析下一個(gè)時(shí)間段內(nèi)該區(qū)域水源涵養(yǎng)能力可能的變化并找到影響其變化的自然人為因素有著重要意義，另外根據(jù)區(qū)域內(nèi)水源涵養(yǎng)能力的變化情況制定合理的措施有利于提高水源涵養(yǎng)功能產(chǎn)生的社會(huì)效益。

2 研究區(qū)概況

沐川縣位于四川盆地西南，東經(jīng)103度59分，北緯28度58分東接宜賓、南連屏山縣、北靠沙灣、犍為縣，西與峨邊縣接壤，西南同馬邊縣毗鄰，岷江、金沙江倚境而過。地勢(shì)由西南向東北傾斜，地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。受地形與區(qū)域氣候影響，年平均氣溫17.3℃。幅員面積1422平方公里，人口26萬(wàn)，轄19個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、196個(gè)行政村，森林覆蓋率62.8%，被譽(yù)為“綠色明珠”。

3 研究方法

3.1 水量平衡法

水量平衡法從區(qū)域的層面將整個(gè)水分流動(dòng)系統(tǒng)看做一個(gè)黑箱，從輸入輸出兩個(gè)方面考慮，通過輸入水分（大氣降水）減去輸出水分（蒸發(fā)蒸騰、徑流）即為該區(qū)域的涵養(yǎng)水分。由于區(qū)域內(nèi)包含不同的生態(tài)系統(tǒng)，每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力不同，因此將區(qū)域劃分為不同的生態(tài)系統(tǒng)，分系統(tǒng)計(jì)算水源涵養(yǎng)量，最后將所有系統(tǒng)合并起來(lái)即整個(gè)研究區(qū)的水源涵養(yǎng)量分布情況。水量平衡計(jì)算方程如下公式（1）：

式中，TQ表示總的水源涵養(yǎng)量（m3）；Pi表示生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的年降水量（mm）；Ri表示年地表徑流量（mm）；ETi表示年蒸散發(fā)量（mm）；Ai表示第i類生態(tài)系統(tǒng)的面積；i表示研究區(qū)內(nèi)第i類生態(tài)系統(tǒng)類型；n表示研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)總類型數(shù)。地表徑流系數(shù)是指在同一時(shí)間段內(nèi)流域面積上徑流量所占降雨量的數(shù)值。降雨量乘以地表徑流系數(shù)即為地表徑流量，計(jì)算公式如下公式（2）：

式中，R表示為地表徑流量（mm）；P表示年降雨量（mm）；a表示平均地表徑流系數(shù)。

3.2 線性回歸分析

線性回歸分析計(jì)算公式如下公式（3）：

其中Wi表示每年水源涵養(yǎng)量；n表示為研究總年份；i表示為研究年份；slope表示為一元線性回歸斜率，實(shí)際表示為水源涵養(yǎng)能力變化率；slope的大小反映了水源涵養(yǎng)量的變化情況，當(dāng)斜率slope為負(fù)時(shí)，反映水源涵養(yǎng)能力減弱，當(dāng)斜率slope斜率為正時(shí)，反映水源涵養(yǎng)能力增強(qiáng)。

4 數(shù)據(jù)獲取與處理

4.1 降雨與地表溫度數(shù)據(jù)

降雨數(shù)據(jù)以沐川縣及其周圍氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際情況分析，選擇反距離加權(quán)法作為降水?dāng)?shù)據(jù)空間插值方法。經(jīng)過空間插值、裁剪、投影得到沐川縣年降水量分布。

溫度數(shù)據(jù)與降雨量計(jì)算方法相似。以沐川縣及其周圍氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過空間插值獲取。本次使用數(shù)據(jù)為沐川縣及周圍各站點(diǎn)日均溫度為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計(jì)得到各站點(diǎn)年日均溫度，并選定反距離加權(quán)法作為溫度數(shù)據(jù)空間插值方法，得到沐川縣各年溫度分布情況。

4.2 地形與蒸散發(fā)數(shù)據(jù)

本文使用的高程數(shù)據(jù)，通過拼接，投影，裁剪等步驟獲得高程數(shù)據(jù)，平均高程在400m左右，沐川縣區(qū)域內(nèi)南端和西端普遍高程較高，中東部高程普遍在平均高程左右，高程較低的區(qū)域普遍分布在河流兩岸?；谘芯繀^(qū)高程數(shù)據(jù)，使用ArcGIS空間分析工具--表面分析進(jìn)行處理，分別獲取坡度坡向數(shù)據(jù)。

地表水轉(zhuǎn)化為水蒸汽的過程叫做蒸散發(fā)（Evapotranspiration，ET），這是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，包括土壤表面水蒸發(fā)、植被冠層截流水分蒸發(fā)與植物自身水分的蒸騰。本文使用的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)源自MOD16蒸散發(fā)（ET）數(shù)據(jù)集，通過裁剪、格式轉(zhuǎn)換等處理，獲得沐川縣多年蒸散發(fā)（ET）數(shù)據(jù)。

4.3 植被覆蓋度數(shù)據(jù)

植被覆蓋度是指植被冠層或葉面垂直投影在地面的面積占統(tǒng)計(jì)區(qū)總面積的比值，是表示地表植被覆蓋情況的重要因子之一。植被覆蓋度的計(jì)算常結(jié)合NDVI與像元二分模型，計(jì)算滿足公式（4）：

Fc=（NDVI-NDVIsoil）（NDVIveg-NDVIsoil） （4）

式中：NDVIsoil表示無(wú)植被覆蓋區(qū)或裸土的NDVI值；NDVIveg表示全植被覆蓋區(qū)的NDVI值；Fc為植被覆蓋度。

5 結(jié)果與分析

5.1 水源涵養(yǎng)量變化分析

運(yùn)用公式（1），計(jì)算每類生態(tài)系統(tǒng)的面積，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)類型分區(qū)使用降水量、徑流量與蒸散發(fā)量，將結(jié)果和每個(gè)生態(tài)系統(tǒng)面積進(jìn)行運(yùn)算，最后求和得出水源涵養(yǎng)量。利用公式（3）計(jì)算2000年到2014年的水源涵養(yǎng)量變化情況。線性回歸分析結(jié)果即為水源涵養(yǎng)量變化率。變化率為負(fù)的區(qū)域即為水源涵養(yǎng)量減少的區(qū)域，變化率大于0的區(qū)域?yàn)樗春B(yǎng)量增加的區(qū)域。

研究區(qū)水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)面積共計(jì)219.04平方公里；明顯減弱區(qū)域共計(jì)118.46平方公里；減弱區(qū)域共計(jì)100.58平方公里；區(qū)域水源涵養(yǎng)能力變化不大區(qū)域面積共計(jì)853.21平方公里，占總面積59.97%；區(qū)域水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)的區(qū)域面積為350.46平方公里；明顯增區(qū)域共計(jì)48.9平方公里；增強(qiáng)區(qū)域共計(jì)301.56平方公里，共計(jì)21.19%。

5.2 水源涵養(yǎng)變化分析

本研究結(jié)合各類文獻(xiàn)資料及雅安市實(shí)際情況，綜合各類影響因素，利用主成分分析方法，對(duì)驅(qū)動(dòng)因子進(jìn)行識(shí)別。

利用ArcGIS的主成分分析進(jìn)行分析。為了保證計(jì)算的客觀性和科學(xué)性，需要先對(duì)不同量綱的原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同量綱帶來(lái)的誤差。主成分分析后得到的統(tǒng)計(jì)情況如下：

由表可知，第一主因子貢獻(xiàn)率最高，為80.63%，而第一、第二、第三因子累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到98.68%。由此，只考慮第一主因子和第二主因子作為主成分，其中高程可以看做首要驅(qū)動(dòng)力，降雨量、地表溫度、植被覆蓋度可以看做第二驅(qū)動(dòng)力。第一主因子即首要驅(qū)動(dòng)力，表示沐川縣的植被涵養(yǎng)水源能力，第二主因子即第二驅(qū)動(dòng)力，表示沐川縣的水分的流動(dòng)分布情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果顯示，沐川縣大部分區(qū)域水源涵養(yǎng)能力變化比較大，減弱趨勢(shì)面積共計(jì)219.04平方公里，明顯減弱區(qū)域共計(jì)118.46平方公里，占總面積8.33%，減弱區(qū)域共計(jì)100.58平方公里，占總面積7.08%；區(qū)域水源涵養(yǎng)能力變化不大區(qū)域面積共計(jì)853.21平方公里，占總面積59.97%；區(qū)域水源涵養(yǎng)能力呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)的區(qū)域面積為350.46平方公里，明顯增強(qiáng)區(qū)域共計(jì)48.9平方公里。占總面積3.43%，增強(qiáng)區(qū)域共計(jì)301.56平方公里，共計(jì)21.19%。沐川縣水源涵養(yǎng)能力變化的驅(qū)動(dòng)因素分為兩類，首要驅(qū)動(dòng)因素是高程，可以看做是沐川縣的植被涵養(yǎng)水源的能力，第二驅(qū)動(dòng)力為以降水量、植被覆蓋度以及地表溫度為代表的第二主因子，可以看做沐川縣的水分流動(dòng)情況。

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