1978年—2013年官?gòu)d水庫(kù)水域面積變化及相關(guān)因素分析

馬振剛，李黎黎，張利雅

（張家口學(xué)院理學(xué)系，河北張家口075000）

官?gòu)d水庫(kù)是新中國(guó)成立后修建的第一座水庫(kù)，是北京市的第二供水水源，其上游水系洋河和桑干河流經(jīng)張家口地區(qū)，并在懷來(lái)縣牛官屯交匯后匯入官?gòu)d水庫(kù)[1].官?gòu)d水庫(kù)水質(zhì)惡化始于20世紀(jì)70年代，90年代中期水庫(kù)有機(jī)污染愈加嚴(yán)重，達(dá)到劣V類標(biāo)準(zhǔn)，1997年5月被迫退出北京市生活飲用水源地.2001年，國(guó)家實(shí)施了《21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》，官?gòu)d水庫(kù)被列為全國(guó)重點(diǎn)的治理對(duì)象.與此同時(shí)，有關(guān)官?gòu)d水庫(kù)的研究也大量展開(kāi)，包括水質(zhì)變化[2]、水質(zhì)污染[3-4]、水資源開(kāi)發(fā)與利用[5-6]、流域內(nèi)土地利用與覆被變化[7-8]以及流域生態(tài)補(bǔ)償[9-10]等.目前，現(xiàn)有研究對(duì)水體污染研究較多，對(duì)水量變化研究較少；定性研究較多，定量研究較少；基于統(tǒng)計(jì)資料研究較多，基于遙感影像數(shù)據(jù)研究較少；缺少對(duì)官?gòu)d水庫(kù)水域面積變化及其影響因素的全面準(zhǔn)確的把握.

本研究采用1978年—2013年9景系列遙感影像數(shù)據(jù)，利用Erdas和Arcgis軟件技術(shù)，對(duì)近35年來(lái)官?gòu)d水庫(kù)水域面積進(jìn)行提取，并結(jié)合改革開(kāi)放以來(lái)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的主要指標(biāo)，分析水域變化的相關(guān)影響因素，以期為首都圈水資源可持續(xù)利用和保護(hù)提供參考.

1 官?gòu)d水庫(kù)水域變化分析

1.1 面積變化的數(shù)量特征

針對(duì)官?gòu)d水庫(kù)小尺度的空間特點(diǎn)和研究的時(shí)間序列要求，本研究選取了美國(guó)Landsat系列衛(wèi)星影像，數(shù)據(jù)基本情況如表1所示.在對(duì)其進(jìn)行幾何精校正和分辨率融合的基礎(chǔ)上，通過(guò)人機(jī)交互解譯提取了各時(shí)段水庫(kù)水域的面積.遙感影像數(shù)據(jù)主要來(lái)源于USGS網(wǎng)站和GLCF網(wǎng)站.

表1 影像數(shù)據(jù)基本情況Tab.1 Basic situation of image data

官?gòu)d水庫(kù)水域面積變化情況如圖1所示.通過(guò)對(duì)比不同年份遙感影像中官?gòu)d水庫(kù)的水域面積發(fā)現(xiàn)，1978年—1987年，水庫(kù)水域面積逐年增大，1987年水域面積達(dá)到91.3 km2；1987年—2000年，水域面積維持在90 km2左右，變化不大；2000年—2004年，水域面積急劇下降，降至38.8 km2，縮小到不足原水域面積的一半.2004年—2013年，水域面積維持在40 km2左右.

圖1 官?gòu)d水庫(kù)水域面積變化時(shí)序特征Fig.1 Timing characteristics of Guanting reservoir water area changes

1.2 面積變化的空間特征

官?gòu)d水庫(kù)庫(kù)區(qū)可分為永定河庫(kù)區(qū)和媯水河庫(kù)區(qū)[11]，水庫(kù)水域面積總體減少，除體現(xiàn)在水量上，在空間分布上并不均衡.為此，制作了庫(kù)區(qū)水域各時(shí)段的地圖，如圖2所示.地圖采用通用橫軸墨卡托投影，中央經(jīng)線117°，坐標(biāo)單位為km，每個(gè)方網(wǎng)里單元格為25 km2.由圖2可以看出，媯水河庫(kù)區(qū)水域面積的變化量大于永定河庫(kù)，特別是2000年來(lái)，水域面積的減少集中在媯水河庫(kù)，尤其以橫坐標(biāo)（395～400）、縱坐標(biāo)（4 470～4 475）之間最為明顯.

1.3 官?gòu)d水庫(kù)形狀的變化特征

水庫(kù)作為一種景觀，可以應(yīng)用景觀生態(tài)學(xué)中的數(shù)量分析法對(duì)其進(jìn)行分析，其破碎化是景觀的1個(gè)重要特征.官?gòu)d水庫(kù)作為1個(gè)流域整體大斑塊，在其水量減少的過(guò)程中，景觀要素特征也在發(fā)生變化.為探討水庫(kù)景觀變化，本研究計(jì)算了水庫(kù)的邊界密度，以此揭示水庫(kù)的破碎化程度.景觀邊界密度=景觀總周長(zhǎng)/景觀總面積，邊界密度值越大，說(shuō)明景觀被邊界的分割程度越大，破碎度越大[12]，計(jì)算結(jié)果如圖3所示.由圖3可知，1978年—2000年，水庫(kù)的邊界密度逐年小幅減小，水庫(kù)形狀趨于規(guī)則；2000年，水庫(kù)的邊界密度陡然增加，雖然在2009年后有所下降，但仍遠(yuǎn)高于2000年前.這說(shuō)明從2000年開(kāi)始，隨著水庫(kù)水量的減少，水庫(kù)的邊界形狀向不規(guī)則方向演變，生境面積不斷縮小，狹窄處的水域被分割切斷，流域大斑塊開(kāi)始破碎成小斑塊，彼此之間被裸露的泥沙等隔離，破碎化指數(shù)提高.破碎化程度的加劇，不僅會(huì)降低官?gòu)d水庫(kù)所能提供的生態(tài)環(huán)境效益，更增加了小斑塊水域受自然環(huán)境和人類活動(dòng)蠶食的危險(xiǎn)性，導(dǎo)致水庫(kù)生境恢復(fù)更加困難.

圖2 各年份官?gòu)d水庫(kù)水域面積Fig.2 Guanting reservoir water area in different years

圖3 官?gòu)d水庫(kù)邊界密度時(shí)序變化特征Fig.3 Variation characteristics of boundary density timing of Guanting reservoir

2 官?gòu)d水庫(kù)水域面積變化相關(guān)因素分析

水域面積的變化受多種因素影響，其中流域上游地區(qū)是重要的影響因子載體.官?gòu)d水庫(kù)上游的洋河和桑干河流域主要經(jīng)過(guò)張家口境內(nèi)的4區(qū)7縣，包括懷來(lái)縣、涿鹿縣、宣化縣、萬(wàn)全縣、蔚縣、陽(yáng)原縣和懷安縣以及張家口橋西區(qū)、橋東區(qū)、下花園區(qū)和宣化區(qū)，如圖4所示.

本研究選取有可能對(duì)水域變化產(chǎn)生影響的11項(xiàng)指標(biāo)，包括年均降雨量、年均氣溫、地區(qū)人口數(shù)、地區(qū)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值、第二產(chǎn)生產(chǎn)總值、第三產(chǎn)生產(chǎn)總值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值、常用耕地面積、有效灌溉面積和公路通車?yán)锍?因?yàn)樗钄?shù)據(jù)跨年度長(zhǎng)，不同類型數(shù)據(jù)的尺度存在變化，故作如下說(shuō)明：（1）數(shù)據(jù)主要參考張家口經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒[13-16]，對(duì)流域上游4區(qū)7縣的社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)；（2）年均降水量和年均氣溫為張家口地區(qū)年均值，其空間尺度與4區(qū)7縣不一致，但考慮到空間的臨近性，2個(gè)尺度下氣溫和降雨量的年際變化與研究區(qū)具有相近性；（3）因2013年經(jīng)濟(jì)社會(huì)各項(xiàng)指標(biāo)需到2014年方能統(tǒng)計(jì)出，所以統(tǒng)計(jì)樣本中沒(méi)有2013年的相關(guān)數(shù)據(jù)，樣本數(shù)為8.通過(guò)研究所有指標(biāo)的變化趨勢(shì)，對(duì)水庫(kù)流域面積和主要經(jīng)濟(jì)社會(huì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果如表2所示.

圖4 官?gòu)d水庫(kù)上游張家口地區(qū)主要縣區(qū)分布Fig.4 Distribution of Zhangjiakou′s main districts upstream of Guanting reservoir

表2 相關(guān)性統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of elements correlation

由表2可以看出：（1）水庫(kù)水域面積與常用耕地面積呈高度正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.854，這說(shuō)明耕地面積變化與官?gòu)d水庫(kù)水域面積變化具有方向一致性和強(qiáng)相關(guān)性；（2）水域面積與主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)呈中度負(fù)相關(guān)，特別是與第二產(chǎn)業(yè)值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值和公路通車?yán)锍滔嚓P(guān)顯著；（3）水域面積受降水量和氣溫等自然因素影響較弱，呈低度相關(guān)，與有效灌溉面積呈低度負(fù)相關(guān).

表2數(shù)據(jù)說(shuō)明：（1）官?gòu)d水庫(kù)水域面積的變化受自然環(huán)境和人類活動(dòng)雙重影響，但在本研究所對(duì)應(yīng)的時(shí)空尺度下，人類活動(dòng)影響是主要且關(guān)鍵性的影響因素.（2）耕地面積變化與水域面積變化具有強(qiáng)正相關(guān)，通過(guò)對(duì)常用耕地面積與其他指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析可知，耕地面積與區(qū)域生產(chǎn)總值及三次產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值均呈高度負(fù)相關(guān)，這說(shuō)明導(dǎo)致耕地面積變化的主要因素是產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，耕地面積與水域面積變化的一致性體現(xiàn)出伴生現(xiàn)象.（3）導(dǎo)致水庫(kù)水域面積減小的主導(dǎo)因素是上游地區(qū)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展.人類的生產(chǎn)生活需要消耗水資源，但消耗量的大小與經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)關(guān)系密切.2000年，張家口地區(qū)的三次產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，第三產(chǎn)業(yè)所占比重與第二產(chǎn)業(yè)比重大致相當(dāng)，第一產(chǎn)業(yè)比重下降至15%左右，這一數(shù)據(jù)說(shuō)明張家口處于工業(yè)化初期[13].但考慮張家口壩上壩下的發(fā)展存在較大不平衡，2000年時(shí)張家口壩上地區(qū)仍處于農(nóng)業(yè)化社會(huì)階段，所以官?gòu)d水庫(kù)上游的壩下地區(qū)一定程度上已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化加速期，其產(chǎn)業(yè)以重工業(yè)為主，尤其以鋼鐵冶煉和熱力發(fā)電等高耗水產(chǎn)業(yè)為代表，如2002年宣鋼80 t轉(zhuǎn)爐一期工程竣工投產(chǎn)，2003年宣鋼集體450 m3高爐建設(shè)拉開(kāi)序幕，這些產(chǎn)業(yè)的新建擴(kuò)容側(cè)面反映了產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)水資源需求的急速增加，因此，張家口地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)是2000年后水庫(kù)水域面積快速減小的主要原因.

官?gòu)d水庫(kù)上游水域是張家口市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大動(dòng)脈，沿洋河分布的宣化區(qū)、張家口主城區(qū)、下花園區(qū)和懷來(lái)縣等建成區(qū)像不斷膨脹的海綿一樣吸收著流域的水量.隨著這些地區(qū)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的加速發(fā)展，用水需求不斷提高.雖然該市正在加緊進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，但受產(chǎn)業(yè)發(fā)展自身規(guī)律和區(qū)域經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)底子薄的現(xiàn)實(shí)約束，靠其自身短時(shí)期內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)身難度很大.官?gòu)d水庫(kù)及其上游水資源治理由來(lái)已久，特別以2001年開(kāi)展的《21世紀(jì)初期首都水資源可持續(xù)利用規(guī)劃》為典型，該規(guī)劃實(shí)施時(shí)間是2001年—2005年，恰是該階段，官?gòu)d水庫(kù)水域面積出現(xiàn)大幅度萎縮，且到目前仍沒(méi)有得到恢復(fù).2個(gè)時(shí)間段的重疊，一方面說(shuō)明了工程實(shí)施在一定程度上的滯后和失效，另一方面也說(shuō)明水資源治理與流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展契合非常重要.

3 結(jié)論與對(duì)策

3.1 結(jié)論

1978年—2013年，官?gòu)d水庫(kù)水域面積發(fā)生巨大變化.數(shù)量上，1978年—1996年水域面積不斷擴(kuò)大，1996年達(dá)到最大的112.3 km2；從1996年起，水域面積持續(xù)下降至2004年的40 km2左右，并持續(xù)到現(xiàn)在.在空間分布上，水域面積減少集中在媯水河庫(kù)區(qū)，尤其以媯水河庫(kù)中部25 km2區(qū)域最為顯著.水庫(kù)的邊界密度在2000年前后經(jīng)歷了逐年減小到陡然增加的過(guò)程，2000年后，水庫(kù)生境面積不斷縮小，破碎化不斷加劇，水庫(kù)水域面臨著被蠶食的危險(xiǎn).

水庫(kù)水域面積變化受自然因素和人為活動(dòng)雙重影響，在所研究時(shí)空尺度上，以人類活動(dòng)影響為主.其中，水域變化與降水量和氣溫等自然因素呈弱相關(guān)性，與區(qū)域生產(chǎn)總值特別是第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值呈強(qiáng)負(fù)相關(guān).2000年來(lái)，導(dǎo)致水庫(kù)水域面積加速縮小的主要原因是上游地區(qū)的生產(chǎn)生活用水不斷增加，特別以鋼鐵冶煉和熱力發(fā)電等高耗水產(chǎn)業(yè)為典型.

3.2 對(duì)策

官?gòu)d水庫(kù)水域面積減少的根源是流域整體性的失調(diào)，體現(xiàn)為以京張為主體的流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的斷層、流域管理的斷裂和治理需求的斷代.所以，流域水資源的恢復(fù)與治理需要從這3個(gè)方面入手.

（1）加快推進(jìn)以首都圈為主的京張區(qū)域合作，在深化生態(tài)環(huán)保等合作項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，拓寬現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)的發(fā)展，特別是以京張聯(lián)合申辦2022年冬奧會(huì)為契機(jī)，深化兩地合作體制機(jī)制，借力北京加快張家口產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級(jí)，為流域治理和水資源恢復(fù)提供經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ).

（2）規(guī)避因行政分區(qū)造成的流域管理的割裂，按流域統(tǒng)一規(guī)劃管理水資源，保障水資源的可持續(xù)利用.對(duì)涉水事物進(jìn)行統(tǒng)一管理，科學(xué)控制流域內(nèi)水資源利用工程的建設(shè)和對(duì)水資源的過(guò)渡利用和消耗，提高用水效率，推動(dòng)全流域的水資源合理開(kāi)發(fā)和可持續(xù)利用.

（3）在完善水權(quán)制度建設(shè)基礎(chǔ)上，加快實(shí)現(xiàn)流域水資源補(bǔ)償政策，明確上下游之間的權(quán)責(zé)利，提高水資源保護(hù)主體的積極性，降低流域外部性的負(fù)面作用.

[1]王志剛，王凈.官?gòu)d水庫(kù)的遙感動(dòng)態(tài)變化探測(cè)及邊岸穩(wěn)定性判別[J].遙感學(xué)報(bào)，2003，7（4）：328-332.

[2]梁濤，王浩，丁士明.官?gòu)d水庫(kù)近三十年的水質(zhì)演變時(shí)序特征[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2003，22（1）：38-43.

[3]郝芳華，孫峰，張建永.官?gòu)d水庫(kù)流域非點(diǎn)源污染研究進(jìn)展[J].地學(xué)前緣，2002，9（2）：385-386.

[4]路炳軍，段淑懷，袁愛(ài)萍，等.官?gòu)d水庫(kù)上游地區(qū)植被覆蓋對(duì)面源污染影響的定量研究[J].資源科學(xué)，2006，28（5）：196-200.

[5]王登月.實(shí)施首都水資源規(guī)劃的進(jìn)展與建議[J].河北水量水電技術(shù)，2004，（4）：2-3.

[6]章亦兵，高月霞，范曉秋.官?gòu)d水庫(kù)上游水資源保護(hù)問(wèn)題的思考[J].東北水利水電，2005，23（4）：24-26.

[7]武鵬飛，宮輝力，周德民.基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的官?gòu)d水庫(kù)流域土地利用/覆被變化[J].地理學(xué)報(bào)，2012，67（1）：113-121.

[8]馬振剛.基于遙感技術(shù)的洋河流域土地覆被變化特征分析[D].長(zhǎng)春：東北師范大學(xué)，2008.

[9]程明.北京跨界水源功能區(qū)生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)初探——以官?gòu)d水庫(kù)流域懷來(lái)縣為例[J].湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院學(xué)報(bào)：人文社會(huì)科學(xué)版，2010，7（5）：11-12.

[10]劉桂環(huán)，文一惠，張惠遠(yuǎn).基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的官?gòu)d水庫(kù)流域生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制研究[J].資源科學(xué)，2010，32（5）：856-862.

[11]王凈，李光遠(yuǎn)，陳月平.永定河河口泥沙淤泥對(duì)官?gòu)d水庫(kù)供水的影響分析[J].北京水務(wù)，2006（3）：23-25.

[12]傅伯杰，陳利頂，馬克明，等.景觀生態(tài)學(xué)原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[13]張家口市人民政府.張家口60年張家口經(jīng)濟(jì)年鑒特別版2009[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2010.

[14]張家口市人民政府.張家口經(jīng)濟(jì)年鑒（2010）[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2011.

[15]張家口市人民政府.張家口經(jīng)濟(jì)年鑒（2011）[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2012.

[16]張家口市人民政府.張家口經(jīng)濟(jì)年鑒（2012）[M].北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社，2013.