潮河流域景觀格局變化對徑流的影響

婁俊鵬, 張志強, 郭軍庭, 項洋旭, 姚安坤, 何鐵章

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京100083;

2.北京林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083； 3.河北省豐寧縣林業(yè)局， 豐寧 068350)

潮河流域景觀格局變化對徑流的影響

婁俊鵬1, 張志強1, 郭軍庭1, 項洋旭2, 姚安坤1, 何鐵章3

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室, 北京100083;

2.北京林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100083； 3.河北省豐寧縣林業(yè)局， 豐寧 068350)

摘要：[目的] 分析潮河流域的景觀空間格局變化及其與徑流的關(guān)系，為流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供理論依據(jù)。 [方法] 根據(jù)潮河流域50 a多的水文氣象資料，利用1979，1987，1991和2009年4期遙感影像，采用ArcGIS及Fragstats等景觀分析軟件計算。 [結(jié)果] 潮河流域的降雨量呈減少趨勢，而溫度以0.215 ℃/10 a的速度升高，潮河的徑流量明顯減少，并呈現(xiàn)以28 a為周期的豐枯轉(zhuǎn)換;潮河流域斑塊個數(shù)增加，斑塊分布趨于均勻，斑塊面積變小并逐漸趨于穩(wěn)定，斑塊形狀趨向于簡單，復(fù)雜化程度降低，流域內(nèi)景觀異質(zhì)性變?nèi)酢?[結(jié)論] 徑流量隨著景觀形狀指數(shù)的增大而減小，在平均斑塊周長為1 050 m，流域斑塊數(shù)量為110 000以及Shannon’s多樣性指數(shù)為1.33左右時，斑塊的綜合截留能力最強，流域產(chǎn)流能力最弱。

關(guān)鍵詞：潮河流域; 小波分析; 景觀格局; 徑流

水資源是基礎(chǔ)性自然資源，是保障一個國家或地區(qū)實現(xiàn)經(jīng)濟、社會、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要前提條件[1]。密云水庫作為北京巿重要飲用水源，近年來其入庫水量持續(xù)減少，對北京市供水安全造成了巨大的壓力，而潮河流域的產(chǎn)流狀況直接影響著密云水庫的入庫水量[2]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人類活動日益加劇，對流域水循環(huán)的干預(yù)強度也逐漸增大。人類土地利用方式的變化、水利工程的興建和城市化的發(fā)展等活動，在不同程度上改變著水循環(huán)的狀態(tài)和水循環(huán)要素，從而引起水文循環(huán)要素在時間、空間和數(shù)量上發(fā)生著不可忽視的變化[3]。多數(shù)研究[4-7]表明，造成密云水庫來水量顯著減少的原因是土地利用變化和氣候變異共同作用的結(jié)果造成的。氣候變化的影響主要是降雨量的變化，其次為氣溫；土地利用變化的影響主要是通過改變下墊面的入滲性能，從而對徑流產(chǎn)生影響[8]。土地利用的變化必然引起景觀格局的變化，景觀作為地球表面空間布局的復(fù)合體，其變化反映了景觀的結(jié)構(gòu)和功能隨時間的變化過程和規(guī)律[9-10]。許多研究結(jié)果[11-12]顯示，水分的運動與景觀空間格局具有密切關(guān)系，流域內(nèi)植被景觀格局，特別是森林景觀格局的改變，對整個流域的水文狀況有直接的影響。因此，本研究根據(jù)潮河流域50 a多氣象水文資料，對降水、溫度和徑流進行統(tǒng)計分析，并利用1979,1987,1991和2009年4期遙感影像，從斑塊和景觀兩個尺度上分析潮河流域的景觀空間格局變化與徑流的關(guān)系。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究區(qū)是密云水庫以上的潮河上游流域，位于116°10′—117°35′和40°35′—41°37′，發(fā)源于河北省承德地區(qū)豐寧滿族自治縣上黃旗北，經(jīng)灤平縣、古北口流入北京密云縣，至高嶺鄉(xiāng)漕城子注入密云水庫東北端，干流全長239.15 km。下會水文站為流域的控制水文站，控制斷面以上集水面積4 855.9 km2，約占密云水庫上游集水區(qū)面積的40%，入庫水量約占密云水庫入庫水量的60%，是北京市重要的飲用水源地。流域氣候類型屬于中溫帶向暖溫帶及半干旱向半濕潤過渡的大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為8.3 ℃，多年平均降水量為511 mm，汛期(6—9月)占年降水量的75%以上。汛期降水多以暴雨形式出現(xiàn)，土壤侵蝕嚴重，土壤平均侵蝕模數(shù)為2 682 t/(km2·a)，多發(fā)生于上游河谷階地黃土覆蓋區(qū)。流域內(nèi)土壤類型以棕壤和褐土為主，占總面積的80%以上[13]。

潮河流域植被以森林，灌木和草地為主，3者面積和占總面積的80%以上。森林植被主要以人工和天然次生的暖溫帶落葉闊葉林為主。人工林主要分布在淺山丘陵和低山地帶，天然次生林和原始林主要分布在山地中山以上山脊部位，以及山勢陡峭人跡罕至的地方。人工林的主要樹種包括側(cè)柏(Platycladusorientalis)、油松(Pioustabulaefornis)、刺槐(Robiniapseucdoacacia)、山楊(Populusdavidiana)和旱柳(Salixmatsudana)以及板栗(Castaneamollissima)，核桃(Juglansregia)等經(jīng)濟林。天然次生林主要分布在中山和低山人為干擾少的地方，樹種以山楊(Populuspekingensis)、蒙古櫟(Quercusmongolica)和栓皮櫟(Quercusriabilis)為主的闊葉混交雜木林為主[14]。灌草叢主要分布在低山丘陵，類型有荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)，小紅菊(Dendranthemachanetii)、酸棗(Zizyphusjujuba)、白頭翁(Pulsatillachinensis)和繡線菊(SpiraeasalicifoliaL)等。

1.2　研究方法

1.2.1水文氣象分析采用下會(辛莊)流域控制水文站1961—2009年的徑流數(shù)據(jù)以及流域內(nèi)8個雨量站的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)分別由河北水文水資源局和北京水文總站提供。1961—2009年的氣溫數(shù)據(jù)由密云、豐寧和承德3個氣象站的數(shù)據(jù)空間插值所得，該數(shù)據(jù)由國家氣象局提供。采用Morlet函數(shù)連續(xù)復(fù)小波變換對潮河下會站年徑流量時間序列進行分析，得到潮河流域近50 a來徑流在不同時間尺度上的變化特征，運用小波方差圖確定主要的振蕩周期[15-16]。小波方差圖反映了能量隨尺度年的分布，可以確定一個時間序列中各種尺度擾動的相對強度，進而確定一個時間序列中存在的主要周期[17-19]。

1.2.2景觀格局分析利用潮河流域1979,1987,1991和2009年4個時期8景的Landsat衛(wèi)星影像，采用ERDAS 9.2和ArcGIS 9.3對影像進行處理，并進行實地對比、核查、修正獲得各年的土地利用狀況，再利用GIS軟件進行更精確的分類得到4期土地利用圖并轉(zhuǎn)換為Grid屬性數(shù)據(jù)。Fragstats軟件是美國俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開發(fā)的一個景觀指標計算軟件，可計算的指數(shù)包括了8種類型，各類型之下又包括了許多個指數(shù)。其中在斑塊級別共有96個、在類型級別共有111個、在景觀級別共有97個指數(shù)，總共277個景觀指標。運用Fragstats軟件對斑塊個數(shù)(NP)、斑塊周長(PERIM)、斑塊形狀指數(shù)(SHAPE)、斑塊分維度(FRAC)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀聚集度(CONTAG)和Shannon’s多樣性指數(shù)(SHDI)等進行提取計算，然后運用Origin 8.0軟件，分析景觀指標與徑流的相關(guān)性。

3結(jié)果與討論

3.1　潮河流域水文氣象變化特征分析

氣候變化是通過氣溫、降水等因素的改變來影響陸地水文循環(huán)系統(tǒng)，從而影響水文徑流過程[3]。已有研究[17]表明，在氣候變化情況下，降水對流域產(chǎn)水量的影響最大,溫度對徑流時序影響最大，溫度的變化會強化或減弱降水的影響。對潮河流域1961—2009年的降雨和氣溫的多年變化趨勢進行分析發(fā)現(xiàn)，50 a多來，年流域內(nèi)氣溫呈顯著增加趨勢(圖1)，1961—2009年年平均氣溫的升溫幅度為0.215 ℃/10 a。在這期間，年均降雨量呈現(xiàn)明顯的波動變化，在2000年后呈現(xiàn)較明顯的波動下降的趨勢(圖1)。

圖1　潮河流域1961-2009年年降雨量和溫度變化曲線

分析圖2可得，潮河的年徑流在1961—2009年總體上呈現(xiàn)出減少趨勢，而且減少的趨勢顯著。尤其是在20世紀的初期以來更為顯著。根據(jù)徑流的擬合曲線來看，潮河徑流量表現(xiàn)為波動下降，在20世紀70年代和90年代表現(xiàn)為波峰，在80年代和20世紀初表現(xiàn)為波谷。為進一步探究潮河徑流量的波動性，對潮河的徑流變化時間序列進行了小波分析，結(jié)果如圖2所示，圖中負等值線用虛線表示，代表徑流量偏低，正等值線用實線表示，代表徑流量偏高，小波系數(shù)為零對應(yīng)著突變點。

從小波系數(shù)的實部可以看出不同尺度下的豐枯位相結(jié)構(gòu)，表明不同的時間尺度所對應(yīng)的徑流豐枯變化是不同的。小尺度的豐枯變化則表現(xiàn)為嵌套在較大尺度下的較為復(fù)雜的豐枯結(jié)構(gòu)。根據(jù)方差分析可以發(fā)現(xiàn)，潮河徑流量變化主要有兩個主周期，分別為7和28 a。在以7 a的小尺度周期上，可以發(fā)現(xiàn)在20世紀80年代后，該周期逐漸紊亂，出現(xiàn)不規(guī)則變化。分析其原因，主要是潮河流域從該時期開始，人類活動加劇，大量植樹造林、修建水庫等對潮河徑流量造成巨大影響。在以28 a為周期的大尺度周期上，徑流量的周期性基本穩(wěn)定，按照該大尺度的周期規(guī)律，潮河流域目前正處于徑流量相對較大的豐水期。

根據(jù)潮河流域的水文氣象資料，可以發(fā)現(xiàn)氣候變化對潮河徑流量的減少貢獻較大，首先是降雨量的減少，直接造成徑流量的下降；另外年均氣溫升高，造成流域的蒸散量加大，這也是潮河徑流量減少的重要原因。

圖2　潮河下會站年徑流變化及其小波變換系數(shù)圖

3.2　潮河流域土地利用及其景觀格局變化特征分析

3.2.1土地利用變化對潮河流域4期遙感數(shù)據(jù)采用監(jiān)督分類和人工目視解譯相結(jié)合的方法，并通過實地調(diào)查和文獻調(diào)查，檢查修改并建立土地利用/覆蓋空間數(shù)據(jù)庫，總精度在85%左右。根據(jù)解譯結(jié)果，統(tǒng)計出潮河流域土地利用面積變化(表1)。由表1可知，潮河流域的植被類型以草地、灌木林地和喬木林地為主，這3種土地利用面積基本占流域面積的85%以上，從1979年以來，潮河流域的有林地和灌木林地呈現(xiàn)較明顯的增幅，耕地面積則呈下降趨勢。這種變化主要是由潮河流域的生態(tài)定位造成的，從20世紀80年代末開始，流域所處地區(qū)先后實施了潮白河密云水庫上游國家重點水土流失治理工程、京津風(fēng)沙源區(qū)防沙治沙工程和首都水資源區(qū)水土保持工程等生態(tài)和工程治理項目[18]，耕地在退耕還林還草的政策下采取封山育林措施而轉(zhuǎn)化為草地和灌木林地，草地因生態(tài)恢復(fù)和植樹造林逐漸轉(zhuǎn)化為灌木林地和喬木林地，其面積呈減少趨勢。另外，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，1979—2009年流域內(nèi)建筑用地面積增加了74%，而水域面積則由于氣候和人類不合理利用的影響，呈現(xiàn)減少的趨勢。

表1　不同土地利用面積變化　%

3.2.2景觀格局變化景觀格局變化是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心內(nèi)容之一，也是土地利用/土地覆蓋變化研究的重要組成部分[19]。景觀格局的變化分析，可以幫助我們深入理解人類活動與景觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系，對潮河流域而言，通過景觀變化分析來發(fā)現(xiàn)、認識并運用景觀變化的一般規(guī)律，對于制定旨在改善密云水庫水量與水質(zhì)的適應(yīng)性流域管理技術(shù)措施體系是十分重要的。景觀指數(shù)是指能夠高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標。因而需要在依據(jù)所研究的目的和數(shù)據(jù)來源與精度來選擇合適的指標和尺度。

通過參閱大量前人的研究成果[11,20-21]，本研究在斑塊尺度和景觀尺度上選擇了7個指標，包括：斑塊數(shù)量(NP)、斑塊周長(PERIM)、斑塊形狀指數(shù)(SHAPE)、斑塊分維度(FRAC)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、景觀聚集度(CONTAG)和Shannon’s多樣性指數(shù)(SHDI)等，對潮河流域土地利用圖進行斑塊個體特征以及景觀整體結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化分析，各指標的計算公式詳見參考文獻[22]。將潮河流域1979,1987,1991和2009年4個時期的Grid數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入到Fragstats景觀分析軟件中，計算得到潮河流域的景觀指標(表2)。從表2可以看出，潮河流域的景觀形狀指數(shù)(LSI)在1979—1991年期間呈明顯的遞增趨勢，在1991—2009年又小幅回落；景觀聚集度(CONTAG)在1979—1991年期間逐漸降低，從1991—2009年又上升。這反映出了潮河流域在80年代人類活動加劇，造成景觀的破碎化程度較高，而后在90年代到新世紀初，景觀中的某種優(yōu)勢拼塊類型又形成了良好的連接性，景觀的破碎化程度降低。潮河流域的斑塊數(shù)量從1979—2009年增加了7倍多，尤其是在1987—1991年發(fā)生突變。流域的斑塊周長(PERIM)、斑塊形狀指數(shù)(SHAPE)、斑塊分維度(FRAC)和Shannon’s多樣性指數(shù)(SHDI)整體均呈現(xiàn)降低的趨勢。由此可以看出，潮河流域斑塊個數(shù)增加，斑塊分布趨于均勻，斑塊面積變小并逐漸趨于穩(wěn)定，斑塊形狀趨向于簡單，復(fù)雜化程度降低，流域內(nèi)景觀異質(zhì)性變?nèi)酢?/p>

表2　潮河流域景觀指標值

注：NP為斑塊數(shù)量，SHDI為Shannon’s多樣性指數(shù)，LSI為景觀形狀指數(shù)，CONTAG為景觀聚集度，PERIM為斑塊周長，SHAPE為斑塊形狀指數(shù)，F(xiàn)RAC為斑塊分維度。

3.3　潮河流域景觀格局變化與徑流變化的相關(guān)性分析

從圖3可以看出，選取的景觀斑塊指標與徑流呈二次項相關(guān)關(guān)系，相關(guān)性顯著。徑流在流域斑塊數(shù)量小于110 000，平均斑塊周長小于1 050 m時，徑流量隨著其增大而減少，而在斑塊數(shù)量大于110 000，平均斑塊周長大于1 050 m時，徑流量隨其增大而增大，說明流域內(nèi)的斑塊數(shù)量以及平均斑塊周長對徑流量有很大影響，在平均斑塊周長為1 050 m、流域斑塊數(shù)量為110 000時，流域斑塊的綜合截留能力最強，流域產(chǎn)流能力最弱。在在平均斑塊周長大于1 050 m、流域斑塊數(shù)量大于110 000時，流域斑塊的綜合截留能力慢慢變?nèi)酰饔虍a(chǎn)流能力變強，徑流量變大。在流域斑塊分維度小于1.05，平均板塊形狀指數(shù)小于1.3時，徑流量隨其增大而增大；在流域斑塊分維度大于1.05，平均板塊形狀指數(shù)大于1.3時，徑流量隨這兩項指標的增大而減少，說明流域內(nèi)斑塊的形狀趨于復(fù)雜化以及下墊面粗糙度的增加，對流域產(chǎn)流具有很大影響。在一定限度內(nèi)，徑流量隨著斑塊形狀的復(fù)雜化和下墊面粗糙度的增加而增大，超過一定的閾值，徑流量則隨其增大而減小。

圖3　景觀斑塊指標與徑流的關(guān)系曲線

從圖4可以看出，景觀格局指標與徑流的關(guān)系同樣呈二次項相關(guān)關(guān)系，但是Shannon’s多樣性指數(shù)和景觀聚集度與徑流的相關(guān)性不是很強，R2分別只有0.588和0.670。景觀形狀指數(shù)與徑流相關(guān)性顯著，R2達到0.95，從擬合方程可以發(fā)現(xiàn)，徑流量隨著景觀形狀指數(shù)的增大而減小。這體現(xiàn)了流域內(nèi)景觀的異質(zhì)性對徑流的影響，隨著流域內(nèi)景觀異質(zhì)性的減弱，流域的產(chǎn)流能力減弱，徑流量減小。

圖4　景觀格局指標與徑流的關(guān)系曲線

4結(jié) 論

(1) 潮河流域內(nèi)氣溫以0.215 ℃/10 a的速度上升，降雨量也呈減少趨勢。潮河的徑流量顯著減少，但是呈現(xiàn)以28 a為周期的豐枯轉(zhuǎn)換。據(jù)此可知，潮河流域目前正處于豐水期。潮河流域的植被類型以草地、灌木林地和喬木林地為主，這3種土地利用面積基本占流域面積的85%以上，并呈增加的趨勢。潮河流域斑塊個數(shù)增加，斑塊分布趨于均勻，斑塊面積變小并逐漸趨于穩(wěn)定，斑塊形狀趨向于簡單，復(fù)雜化程度降低，流域內(nèi)景觀異質(zhì)性變?nèi)?。選取的景觀斑塊指標與徑流呈二次項相關(guān)關(guān)系，在流域斑塊分維度小于1.05，平均板塊形狀指數(shù)小于1.3時，徑流量隨其增大而增大；在流域斑塊分維度大于1.05，平均板塊形狀指數(shù)大于1.3時，徑流量隨其增大而減少。在平均斑塊周長為1 050 m、流域斑塊數(shù)量為110 000以及Shannon’s多樣性指數(shù)為1.33左右時，流域斑塊的綜合截留能力最強，流域產(chǎn)流能力最弱。

(2) 密云水庫作為北京巿重要飲用水源，近年來由于氣候變化和人類活動的加劇，其入庫水量持續(xù)減少，對北京市供水安全造成了巨大的壓力。潮河流域作為政府大力推行以涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流、改善生態(tài)環(huán)境為目的的水源涵養(yǎng)林，它的產(chǎn)流狀況直接影響到密云水庫的入庫水量，在流域內(nèi)進行退耕還林等生態(tài)建設(shè)以及其他水土保持設(shè)施建設(shè)的同時，需要特別考慮人類活動對流域產(chǎn)水量的影響，以免矯枉過正，加劇密云水庫的水量收支矛盾。

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Impact of Landscape Pattern Change on Runoff in Chaohe River Watershed

LOU Junpeng1, ZHANG Zhiqiang1, GUO Junting1, XIANG Yangxu2, YAO Ankun1, HE Tiezhang3

(1.KeyLaboratoryofSoil&WaterConservationandDesertificationCombatingofMinistryofEducation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 2.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China; 3.FengningForestryBureauofHebeiProvince,Fengning，Hebei068350,China)

Abstract：[Objective] The changes of landscape pattern and relations among landscape index and runoff in Chaohe River watershed were examined in order to provide theoretical basis for the basin ecological environment construction. [Methods] The hydrometeorological data of Chaohe watershed over 50 years, ArcGIS and Fragstats software, landscape index from the remote sensing images(1979, 1987, 1991, 2009) of Chaohe River watershed were used. [Results] Precipitation and runoff decreased over time, and the temperature increased at 0.215 ℃/10 a. The runoff of Chaohe River decreased significantly with the 28-year cycle of wet and dry conversion; a steady increasing patches number with decreasing area with more simplicity caused Chaohe River watershed become weak. [Conclusion] Runoff decreased with increase of landscape shape index. When the mean patches perimeter was 1 050 m, the number of patches was 110 000 with Shannon’s diversity index of about 1.33. Therefore, the comprehensive intercepting ability of patches was the strongest and the watershed runoff capacity was the weakest.

Keywords:Chaohe River watershed; wavelet analysis; landscape pattern; runoff

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0034-06

中圖分類號：S715.3

通信作者：張志強(1967—),男(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人,博士,教授,主要從事水文水資源研究。E-mail:zhqzhang@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-05-08修回日期：2014-06-28

資助項目：北京市科學(xué)研究與研究生培養(yǎng)共建項目“森林植被恢復(fù)對密云水庫上游流域水文的影響”； 國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201204102)

第一作者：婁俊鵬(1988—),男(漢族),河南省平頂山市人,碩士研究生,研究方向為森林水文。E-mail:loujp08@qq.com。