基于GIS的易災(zāi)地區(qū)小流域植被減洪能力初探──以岷江上游為例

王　跚，彭培好，劉　勤，田叢珊

(1.成都理工大學(xué) 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 成都610059；2.中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都610059)

?

基于GIS的易災(zāi)地區(qū)小流域植被減洪能力初探──以岷江上游為例

王跚1,2，彭培好1，劉勤2,3，田叢珊3

(1.成都理工大學(xué) 旅游與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，四川 成都610059；2.中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3.成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都610059)

以小流域?yàn)榛締卧?，采用灰色關(guān)聯(lián)及統(tǒng)計(jì)分析方法，結(jié)合地理空間技術(shù)識(shí)別岷江上游不同植被類型及覆蓋度與山洪災(zāi)害的關(guān)系特征，結(jié)果表明：①在不考慮植被覆蓋時(shí)，岷江上游山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)性較高，并存在空間分異，干流及一級(jí)支流的中下游潛在危險(xiǎn)性較高，而干流上游及小姓溝、黑水溝部分區(qū)域其值較低；②根據(jù)災(zāi)害發(fā)生實(shí)際情況，該區(qū)域的植被具有減洪能力，緩解程度與潛在危險(xiǎn)水平存在相關(guān)性；③不同植被類型及覆蓋下，植被的減洪能力也存在差異，并與覆蓋度存在不同程度相關(guān)性。

易災(zāi)地區(qū)；GIS；小流域；植被覆蓋；減洪能力；岷江上游

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，其中洪澇災(zāi)害發(fā)生面廣，災(zāi)損嚴(yán)重，大約有2/3的國(guó)土面積遭受不同程度的洪澇災(zāi)害威脅。特別是在山區(qū)，地形和降水的雙重作用下山洪災(zāi)害頻發(fā)。森林、草地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)能在一定程度上緩解洪水災(zāi)害[1-4]，相關(guān)研究主要是利用遙感技術(shù)和水文模型探討不同植被覆蓋對(duì)水文要素及過(guò)程的影響[5-9]，或是從生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)、洪水調(diào)蓄等功能進(jìn)行估算和評(píng)價(jià)[10-16]。但是區(qū)域、流域尺度下多生態(tài)系統(tǒng)類型及植被覆蓋與山洪發(fā)生頻次、概率的統(tǒng)計(jì)研究較少，而將潛在致災(zāi)因子與生態(tài)因子進(jìn)行疊加分析更是鮮有報(bào)道。本文以岷江上游為例，將小流域作為研究單元，應(yīng)用空間信息技術(shù)和統(tǒng)計(jì)分析方法探討不同植被覆蓋減洪能力的差異及規(guī)律，其研究結(jié)果可為岷江上游地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)和保護(hù)，生態(tài)防災(zāi)減災(zāi)能力提升等提供科學(xué)參考。

1　研究區(qū)概況

岷江上游位于31°26′～33°16′N，102°59′～104°14′E，分布在四川盆地西緣山區(qū)，是我國(guó)自然地理垂直階梯之間的過(guò)渡地帶，該流域面積23 037 km2，屬高山峽谷地貌，地勢(shì)相對(duì)高差懸殊。區(qū)域氣候干濕季節(jié)明顯，植被類型豐富，具有明顯的水平分布和垂直帶譜特征。岷江上游支流眾多，共計(jì)140余條，其徑流以降雨補(bǔ)給為主，降水空間差異明顯，多年平均降水為700～900 mm，最高可達(dá)1 098 mm，主要集中在下半年(5-10月)，且多短歷時(shí)強(qiáng)降水，極易形成山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)該地區(qū)發(fā)生較大規(guī)模的山洪災(zāi)害120余次，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳柏?cái)產(chǎn)安全構(gòu)成重大威脅。岷江上游植被類型、植被覆蓋度及山洪災(zāi)害點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1　岷江上游植被類型、植被覆蓋度及山洪災(zāi)害點(diǎn)分布

2　數(shù)據(jù)源和研究方法

2.1數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中利用TM影像以人工解譯為主、自動(dòng)監(jiān)督分類為輔的方法提取解譯植被覆蓋分類信息；植被覆蓋度是根據(jù)MODIS NDVI數(shù)據(jù)，其植被指數(shù)利用像元二分模型的方法獲??；小流域劃分?jǐn)?shù)據(jù)基于1:5萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)獲??；山洪災(zāi)害數(shù)據(jù)主要來(lái)源于岷江上游各縣相關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)及地災(zāi)調(diào)查。

2.2研究方法

影響山洪災(zāi)害的因素較多，且發(fā)揮的作用很難單獨(dú)量化[17]，故將眾多致災(zāi)因子劃分為生態(tài)因子和非生態(tài)因子兩類，其中非生態(tài)因子包括地質(zhì)地貌、氣象水文等，生態(tài)因子以植被及覆蓋度表征。劃分的小流域面積較小，植被類型較少，故提取最大面積比例的類型作為主要植被類型(少數(shù)小流域有兩種及以上植被類型占較大比例，發(fā)揮減洪能力的主要植被無(wú)法確定，故不納入統(tǒng)計(jì))。非生態(tài)因子視為山洪災(zāi)害發(fā)生的“潛在危險(xiǎn)性”，它與生態(tài)因子共同影響山洪災(zāi)害的發(fā)生，即山洪“潛在危險(xiǎn)”、“植被減洪能力”與“山洪實(shí)際發(fā)生”[18-19]可能存在相關(guān)性，故運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法揭示小流域不同植被覆蓋的減洪能力。

2.2.1山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)

(1)灰色關(guān)聯(lián)法

利用灰色關(guān)聯(lián)法[20-21]，通過(guò)綜合考慮各因素之間的關(guān)聯(lián)性，得到不同流域山洪災(zāi)害發(fā)生的潛在危險(xiǎn)及其差異[22]。

選取n個(gè)因子對(duì)i個(gè)流域進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析：

Xi={Xi(1),Xi(2),Xi(3),…,Xi(n)} 。

(1)

式中:Xj作為參考序列，Xi作為比較序列。

使用“極差化”方法對(duì)各參數(shù)進(jìn)行去量綱處理：

(2)

關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算中，先將Xi比較序列與Xj參考序列在k點(diǎn)比較，兩個(gè)因子差的絕對(duì)值為Δij(k):

Δij(k)=|Xi(k)-Xj(k)|,k=1,2,3,…,n 。

(3)

兩個(gè)因子最小和最大絕對(duì)差分別為：

Δmin=minjmink|Xi(k)-Xj(k)|；

(4)

Δmax=maxjmaxk|Xi(k)-Xj(k)|。

(5)

Xi比較序列與Xj參考序列在k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

(6)

式中：ρ值為分辨系數(shù)，取值范圍為[0，1]，已有研究中ρ多數(shù)取值0.5[23-24]，本研究取值0.5。

關(guān)聯(lián)系數(shù)僅表示每個(gè)影響因子的關(guān)聯(lián)程度，多個(gè)因子同時(shí)比較過(guò)于分散，因此選取平均值表示比較序列Xi與參考序列Xj的關(guān)聯(lián)度：

(7)

(2)指標(biāo)選擇

借鑒山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)研究[25-27]，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，根據(jù)致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境采用層次分析與專家咨詢相結(jié)合的方法，最終獲取10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行該區(qū)域潛在危險(xiǎn)性評(píng)估(表1)。

(3)參考序列選擇

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，岷江上游中南部的中河小流域近30年山洪災(zāi)害發(fā)生頻率較高，規(guī)模較大，其地形地貌、降雨分布等因素具有較好代表性，故選取為參考流域，對(duì)岷江上游已劃分的1 285個(gè)小流域進(jìn)行潛在危險(xiǎn)評(píng)估。

表1　山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)

2.2.2山洪災(zāi)害實(shí)際發(fā)生

收集整理近年來(lái)岷江上游山洪災(zāi)害歷史資料，得到山洪災(zāi)害的空間位置、時(shí)間、發(fā)生頻次及規(guī)模等數(shù)據(jù)(圖1c)。

3　結(jié)果

3.1山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)

岷江上游山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)較高，且空間差異較為明顯，如圖2中的岷江干流中下部、黑水河干流及汶川南部的臥龍、三江、水磨等地潛在危險(xiǎn)較高，雜谷腦河中上游次之，北部松潘境內(nèi)大部分區(qū)域山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)相對(duì)較低。

圖2　岷江上游山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)空間分布

3.2不同植被覆蓋減洪能力

各小流域植被主要以常綠針葉林、草原、草甸、落葉闊葉灌木林和常綠闊葉灌木林為主，其他植被類型為主的小流域很少，均不超過(guò)30個(gè)，不具備統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。如圖3所示，當(dāng)山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)(歸一化數(shù)值，下同)Risk<0.8時(shí)，山洪災(zāi)害頻次隨潛在危險(xiǎn)的升高顯著增加；當(dāng)山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)Risk>0.8時(shí)，由于受到其他條件影響，山洪災(zāi)害頻次隨潛在危險(xiǎn)的升高而減少。各小流域針對(duì)主要植被類型，統(tǒng)計(jì)分析不同潛在風(fēng)險(xiǎn)和植被覆蓋條件下發(fā)生山洪的概率(即發(fā)生山洪小流域所占比例)，如表2和圖4所示，若概率越高植被減洪能力越低。

圖3　潛在危險(xiǎn)與山洪災(zāi)害頻次

圖4　主要植被類型不同植被覆蓋率與山洪災(zāi)害概率

從總體趨勢(shì)來(lái)看，小流域潛在危險(xiǎn)越大其災(zāi)害發(fā)生概率越高，其中以落葉闊葉灌木林為主要植被類型的山洪發(fā)生概率最大，其次為常綠針葉林。從不同植被類型減災(zāi)能力來(lái)看，小流域潛在危險(xiǎn)較低(Risk≤0.8)時(shí)，常綠闊葉灌木林覆蓋度達(dá)到0.6后減洪能力最高，其次分別是落葉闊葉灌木林和常綠針葉林，草原、草甸最低；潛在危險(xiǎn)較高(Risk>0.8)時(shí)，常綠闊葉灌木林減洪能力最為突出，常綠針葉林與草原、草甸次之，落葉闊葉灌木林最低。同時(shí)，各種植被類型(高潛在危險(xiǎn)水平下，落葉闊葉灌木林除外)減洪能力與植被覆蓋度存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系。

表2　主要植被類型不同覆蓋度和潛在危險(xiǎn)條件下山洪災(zāi)害概率

注：“-”表示無(wú)該情況統(tǒng)計(jì)樣本或樣本數(shù)量太少(<30個(gè))，統(tǒng)計(jì)值不具備可取性。

對(duì)統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)進(jìn)行擬合分析可得不同植被類型的災(zāi)害概率隨覆蓋率變化函數(shù)，即相同潛在危險(xiǎn)水平下，災(zāi)害概率越高減災(zāi)能力越低。如圖5a所示，岷江上游西北部和汶川縣東南部植被減洪能力較強(qiáng)，納咪溝、毛兒蓋河以及孟屯河、雜谷腦河中上游等區(qū)域相對(duì)較弱。

圖5　岷江上游植被減洪能力、山洪實(shí)際危險(xiǎn)空間分布

3.3結(jié)果驗(yàn)證

利用岷江上游山洪災(zāi)害歷史資料的129個(gè)災(zāi)害點(diǎn)對(duì)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。山洪災(zāi)害危險(xiǎn)分布由山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)與植被減洪能力疊加而來(lái),如圖5b所示，并將其劃分為高、較高、中、較低、低五個(gè)等級(jí)，統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)災(zāi)害點(diǎn)在各區(qū)間分布數(shù)量，得到山洪危險(xiǎn)高和較高比例為79.07%，可見(jiàn)評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況總體相符。

4　結(jié)論與討論

以小流域?yàn)檠芯繂卧獙?duì)岷江上游地區(qū)不同植被類型及覆蓋度的減洪能力進(jìn)行初步分析，主要得到以下結(jié)論。

(1)岷江上游地區(qū)山洪災(zāi)害潛在危險(xiǎn)較高，存在空間分異，干流及其一級(jí)支流的中下游較高，而干流上游及小姓溝、黑水溝部分區(qū)域較低。

(2)植被類型及覆蓋度具備一定程度的減洪能力，在不同潛在危險(xiǎn)條件下其能力也不相同。

(3)各植被類型減洪能力具有差異，總體上植被的減洪能力與覆蓋度存在正相關(guān)關(guān)系。

本研究基于災(zāi)害實(shí)測(cè)和地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以小流域?yàn)閱卧?，?duì)各植被類型及覆蓋度下的減洪能力進(jìn)行初步量化，這有別于水文過(guò)程的相關(guān)研究。該研究主要利用空間統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果趨勢(shì)基本符合實(shí)際情況，其精度和深度還有待提升。

致謝：特別感謝中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站、環(huán)保部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心以及岷江上游各縣相關(guān)單位提供的數(shù)據(jù)支持和寫作建議。

[1]劉憲春, 徐憲立. 黃河下游防洪工程的生態(tài)環(huán)境影響分析[J]. 水土保持通報(bào), 2005, 25(1):78-81.

[2]Posthumus H, Hewett C J M, Morris J, et al. Agricultural land use and flood risk management: Engaging with stakeholders in North Yorkshire[J]. Agricultural Water Management An International Journal, 2008, 95(7): 787-798.

[3]劉世榮. 中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律[M].北京:中國(guó)林業(yè)出版社, 1996.

[4]金棟梁. 森林對(duì)水文要素的影響[J]. 人民長(zhǎng)江, 1989(1): 28-35.

[5]余荔. 窟野河流域植被覆蓋變化及其對(duì)徑流影響[D]. 武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[6]林峰, 陳瑩, 陳芬,等. 流域森林覆被變化對(duì)多峰暴雨洪水過(guò)程的影響[J]. 中國(guó)水土保持科學(xué), 2010,8(5): 19-23.

[7]叢沛桐, 于慧敏, 韋未,等 潖江滯洪區(qū)森林植被覆蓋率與防洪減災(zāi)的耦合關(guān)系[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 39(6): 104-105.

[8]金棟梁, 劉予偉. 森林水文效應(yīng)的綜合分析[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào), 2013, 24(2): 138-144.

[9]莫菲. 六盤山洪溝小流域森林植被的水文影響與模擬[D]. 北京:中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院, 2008.

[10]張彪, 李文華, 謝高地, 等. 北京市森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2008,28(11): 5619-5624.

[11]李雙權(quán). 長(zhǎng)江上游森林水源涵養(yǎng)功能研究[D]. 呼和浩特:內(nèi)蒙古師范大學(xué), 2008.

[12]李雙權(quán), 蘇德畢力格, 哈斯, 等. 長(zhǎng)江上游森林水源涵養(yǎng)功能及空間分布特征[J]. 水土保持通報(bào), 2011, 31(4): 62-67.

[13]段興鳳. 元陽(yáng)梯田水源區(qū)森林水源涵養(yǎng)功能研究[D]. 昆明:西南林業(yè)大學(xué), 2011.

[14]傅斌, 徐佩, 王玉寬, 等. 都江堰市水源涵養(yǎng)功能空間格局[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(3): 789-797.

[15]徐翠, 張林波, 杜加強(qiáng),等. 三江源區(qū)高寒草甸退化對(duì)土壤水源涵養(yǎng)功能的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(8): 2388-2399.

[16]陳山山, 周忠學(xué). 西安都市農(nóng)業(yè)水源涵養(yǎng)功能測(cè)評(píng)[J]. 干旱區(qū)地理, 2014, 37(3): 579-586.

[17]方云祥, 關(guān)偉, 王曉輝. 安徽省山洪災(zāi)害成因分析[J]. 國(guó)土與自然資源研究, 2007(1): 63-64.

[18]何報(bào)寅, 張海林, 張穗,等. 基于GIS的湖北省洪水災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào), 2002, 11(4): 84-89.

[19]孫欣, 林孝松, 何錦峰, 等. 基于GIS的山區(qū)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與分區(qū)[J]. 河北北方學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2014, 30(3): 44-49.

[20]譚學(xué)瑞, 鄧聚龍. 灰色關(guān)聯(lián)分析：多因素統(tǒng)計(jì)分析新方法[J]. 統(tǒng)計(jì)研究, 1995(3): 46-48.

[21]田民, 劉思峰, 卜志坤. 灰色關(guān)聯(lián)度算法模型的研究綜述[J]. 統(tǒng)計(jì)與決策, 2008(1): 24-27.

[22]鄒翔, 崔鵬, 韋方強(qiáng), 等. 灰色關(guān)聯(lián)度法在泥石流活動(dòng)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J]. 山地學(xué)報(bào), 2003, 21(3): 360-364.

[23]申卯興, 薛西鋒, 張小水. 灰色關(guān)聯(lián)分析中分辨系數(shù)的選取[J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2003, 4(1): 68-70.

[24]呂鋒. 灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度之分辨系數(shù)的研究[J]. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐, 1997(6): 50-55.

[25]周成虎, 萬(wàn)慶, 黃詩(shī)峰, 等. 基于GIS的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究[J]. 地理學(xué)報(bào), 2000, 55(1): 15-24.

[26]陸桂華, 鐘凌, 吳志勇, 等. 中小流域山洪危險(xiǎn)性區(qū)劃[J]. 地球科學(xué):中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 39(10): 1538-1544.

[27]萬(wàn)慶. 洪水災(zāi)害系統(tǒng)分析與評(píng)估[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1999.

Primary Analyse of Reducing Flood Effect of Different Vegetation Cover in Small Watershed of Disaster Prone Area Based on GIS: A Case Study in Upper Minjiang River Basin

Wang Shan1,2, Peng Peihao1, Liu Qin2,3and Tian Chongshan3

(1.TourismandUrban-RuralPlanningCollege,UniversityofTechnology,Chengdu610059,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China; 3.CollegeofEarthSciences,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China)

Afavorableeco-environmenthasafunctionofreducingflood,whilevegetationcoverisanimportantindextomeasuretheeco-environmentquality.Researchingonsmallwatersheds,usinggreycorrelationanalysisandstatisticalmethodcombinedwithGIS,thispaperanalyzehowvariousvegetationtypesanddifferentvegetationcoverreducefloodinupperMinjiangriverbasin.Theresultsshowthat: (1)GenerallythepotentialriskoffloodinupperMinjiangriverbasinisrelativelyhigh,andexistsspatialdifference,thehighvalueismainlydistributedinmiddleandlowerreachesofmainchannelofMinjiangriveranditsfirsttributaries,thelowvalueismainlydistributedinupperreachesofmainchannelofMinjiangriverandregionofXiaoxinggou,Heishuigouandsoon; (2)Accordingtotheactualhappensofdisasters,vegetationintheregionhavefloodreductionability,thereisanassociationbetweenfloodreductionabilityandpotentialriskofflood; (3)Underdifferentvegetationtypesandcoverage,floodreductionabilityisdifferent,andthereisadifferentdegreeofcorrelationwithcoverage.

disasterpronearea;GIS;smallwatershed;vegetationcover;abilityofreducingflood;upperMinjiangriverbasin

2015-02-03

2016-03-28

環(huán)保部專項(xiàng)“易災(zāi)地區(qū)生態(tài)環(huán)境功能評(píng)估”(20140502)；中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目“四川省易災(zāi)地區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化的減災(zāi)戰(zhàn)略”(2013030)

王跚(1990-)，男，四川營(yíng)山人，碩士研究生，主要從事流域生態(tài)管理方面研究. E-mail：wangshanimm@qq.com

彭培好(1963-)，男，山東諸城人，教授，主要從事生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)及生物多樣性方面研究. E-mail：peihaop@163.com

X43；P64

A

1000-811X(2016)04-0210-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.038

王跚，彭培好，劉勤，等. 基于GIS的易災(zāi)地區(qū)小流域植被減洪能力初探──以岷江上游為例[J]. 災(zāi)害學(xué)，2016，31(4)：210-214. [WANG Shan, PENG Peihao, LIU Qin，et al.Primary Analyseof Reducing Flood Effect of Different Vegetation Cover in Small Watershed of Disaster Prone Area Based on GIS: A Case Study in Upper Minjiang River Basin[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(4)：210-214.doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.038]