白洋淀水文變化對土地利用類型的影響

趙 穎，張 麗，王 飛

(1.山西省環(huán)境科學(xué)研究院，山西 太原 030027； 2. 山西大學(xué) 體育科學(xué)研究所，山西 太原 030006)

白洋淀水文變化對土地利用類型的影響

趙 穎1，張 麗1，王 飛2

(1.山西省環(huán)境科學(xué)研究院，山西 太原 030027； 2. 山西大學(xué) 體育科學(xué)研究所，山西 太原 030006)

水文參數(shù)；土地利用類型；Mann-Kendal法；Theil-Sen’s slope法；白洋淀

利用非參數(shù)Mann-Kendal、Theil-Sen’s slope及Bayes Information Criterion方法，研究水文及土地利用類型的變化趨勢，探討水文情況對土地利用變化的影響，結(jié)果表明：白洋淀水位和溫度變化存在下降趨勢，下降幅度分別為0.02 m/a和0.11 ℃/a，降水量呈上升趨勢，幅度約為0.04 mm/a。降水量和溫度的時(shí)間序列未檢測到突變點(diǎn)，水位時(shí)間序列的突變點(diǎn)為2004年。白洋淀水文改變對區(qū)域內(nèi)的土地利用類型產(chǎn)生重要影響：該區(qū)域水體面積下降最為明顯，濕地和農(nóng)田是該區(qū)域目前最主要的土地利用類型。

水資源是支撐人類生存發(fā)展不可替代的自然資源，近年來愈發(fā)嚴(yán)重的水資源危機(jī)已成為許多國家和地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要制約因素。在流域尺度上，人類土地利用方式改變導(dǎo)致的土地覆被變化與河川徑流量變化密切相關(guān)。土地利用/覆被變化揭示了流域下墊面各種土地利用類型的面積與分布，進(jìn)一步影響植被降雨截留、地面蒸發(fā)、土壤水分下滲及蓄水能力等，因而改變了流域水文干旱、洪澇等災(zāi)害發(fā)生的頻率和強(qiáng)度[1]。同時(shí)，水文水資源情勢對土地利用/覆被變化的影響受到流域面積、氣候、地形、土壤和植被類型等因素的制約[2-4]。水文過程對土地利用/覆被變化的影響，以及流域水資源可持續(xù)發(fā)展問題已成為區(qū)域植被恢復(fù)領(lǐng)域重要的研究課題[5-6]。

白洋淀位于海河流域大清河水系中游，是華北平原上最大的天然淀泊，具有緩洪滯瀝、蓄水灌溉、調(diào)節(jié)局地氣候、改善生態(tài)環(huán)境、補(bǔ)充地下水、保護(hù)生物多樣性等多種生態(tài)功能，素有“北國江南”“華北明珠”的美譽(yù)。20世紀(jì)70年代以來，在自然和人類活動(dòng)的雙重作用下白洋淀水文條件發(fā)生了明顯變化，上游來水量顯著減少，出現(xiàn)了水源不足、濕地萎縮、干淀頻繁、水質(zhì)污染、水體富營養(yǎng)化、生物多樣性減少等危機(jī)[7-8]。目前，關(guān)于白洋淀水土資源評(píng)價(jià)和生態(tài)環(huán)境治理等方面已經(jīng)積累了一些研究成果，但是針對白洋淀水文變化對土地利用影響的專門研究目前還未見報(bào)道。本研究擬選取白洋淀湖區(qū)及周邊區(qū)域?yàn)榈湫脱芯繀^(qū)，通過非參數(shù)Mann-Kendal、Theil-Sen’s slope及Bayes Information Criterion(BIC)方法，研究水文參數(shù)及各土地利用類型面積的變化趨勢，探討水文情況對土地利用類型的影響，以期為白洋淀水環(huán)境改善和生態(tài)恢復(fù)提供新的思路。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

白洋淀(39°02′～40°04′N、113°39′～116°11′E)位于華北平原中部，距離北京130 km，地跨河北、山西、北京3省(市)的30多個(gè)縣(市)，流域面積約 3.12萬 km2，是京津冀重要的淡水水源地；屬濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均降水量約469 mm，降水具有典型的季節(jié)性特征，其中80%集中在6—9月份，年均氣溫變化范圍11.4 ～13.2 ℃；地形地貌復(fù)雜，地勢西高東低，上游分布有諸多水庫設(shè)施用于枯水期湖泊水量的補(bǔ)充，整個(gè)湖泊區(qū)域地形最大落差不超過9 m[9]。進(jìn)入21世紀(jì)以來，白洋淀水資源嚴(yán)重不足，上游水庫的補(bǔ)給已成為維持其生態(tài)功能的重要措施(表1)。生態(tài)補(bǔ)水顯著改變了湖泊的水位波動(dòng)情況，也對湖泊周邊土地利用產(chǎn)生了重要影響。研究生態(tài)補(bǔ)水條件下湖泊水文變化對土地利用的影響，對維護(hù)和恢復(fù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)的完整性和安全性具有積極意義。

1.2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

本研究中月水文數(shù)據(jù)集(1998—2009年)獲取自安新縣環(huán)保局，四期土地利用數(shù)據(jù)集(1996、2000、2005、2008年)獲取自中國科學(xué)院地理資源中心。研究區(qū)主要土地利用類型有水體、濕地、農(nóng)田和建設(shè)用地等4種。

表1 上游水庫對白洋淀水量補(bǔ)給量 (2000—2009年)

水文數(shù)據(jù)趨勢分析方法采用非參數(shù)Mann-Kendal 和 Theil-Sen’s slope 方法，為消除水文時(shí)間序列的自相關(guān)性及其季節(jié)相關(guān)性特征，采用pre-whitening 模式和差分方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。趨勢分析方法采用R語言“openair”包進(jìn)行編程和做圖。

水文數(shù)據(jù)突變分析是基于Bayes Information Criterion方法。該方法通過計(jì)算子數(shù)據(jù)序列最小殘差平方和(RSS)而發(fā)現(xiàn)水文時(shí)間最優(yōu)的突變點(diǎn)和突變點(diǎn)數(shù)量。突變分析方法采用R語言“strucchange”包進(jìn)行編程和做圖。該程序包能夠檢測到水文時(shí)間序列多個(gè)突變特征，如一段水文時(shí)間序列有m個(gè)突變點(diǎn)，則會(huì)將該時(shí)間序列分為m+1 段子時(shí)間序列，每一段時(shí)間序列均具有穩(wěn)定的回歸系數(shù)，“strucchange”包通過對每一時(shí)間段的BIC 和 RSS 指標(biāo)的評(píng)估，基于最小BIC值和總體最小 RSS值確定最優(yōu)的突變點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水文數(shù)據(jù)的描述性統(tǒng)計(jì)特征

1998—2009年，白洋淀區(qū)域小于20 mm的降水量出現(xiàn)頻率最大，水位和溫度頻率波動(dòng)相對較小。圖1顯示了白洋淀水文參數(shù)月變化特征，其中降水量峰值出現(xiàn)在7月份，水位在7月份波動(dòng)最小，溫度最大值也出現(xiàn)在7月份。

圖1 白洋淀水文參數(shù)月變化箱線圖(1998—2009年)

2.2 白洋淀水文變化趨勢分析

圖2顯示了去季節(jié)影響的月尺度降水量、水位和溫度的變化趨勢。由圖2可知，水位和溫度存在下降趨勢，平均下降幅度分別為0.02 m/a和 0.11 ℃/a，但兩者的變化趨勢均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著性(P>0.05)；降水量數(shù)據(jù)顯示了上升趨勢，其平均上升幅度約為0.04 mm/a，變化趨勢也不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著性(P>0.05)。王潔等[10]對白洋淀流域氣溫、降水量的長期變化趨勢的研究認(rèn)為，降水量存在輕微的下降趨勢，溫度存在微弱的上升趨勢，這與本研究結(jié)果有一定的類似。白洋淀水位下降是受淀區(qū)洼淀淺碟狀結(jié)構(gòu)影響，水面寬闊，水深較淺，蒸發(fā)損失較大，加之受耕地水土流失及區(qū)域氣候變化的雙重影響，水量減少嚴(yán)重。

2.3 白洋淀水文變化的突變分析

基于BIC方法對突變點(diǎn)的檢測和基于最小RSS對突變趨勢的估計(jì)，白洋淀水文時(shí)間序列可能的突變點(diǎn)分析結(jié)果見表2，其中：降水量和溫度時(shí)間序列的突變點(diǎn)未被檢測到；水位時(shí)間序列(綜合考慮最小BIC值和最小RSS值)的可能突變點(diǎn)有4個(gè)，即1999、2001、2004、2006年。具體突變時(shí)間可由該區(qū)域土地利用中水體面積的動(dòng)態(tài)變化來確定。

2.4 白洋淀土地利用類型的變化

白洋淀水文參數(shù)改變對區(qū)域內(nèi)的土地利用類型產(chǎn)生了重要影響。據(jù)圖3和表3，土地利用類型中水體面積下降最為明顯，由1996年的76.26 km2減少到2009年的14.11 km2。2009年以后，濕地和農(nóng)田成為該區(qū)域最主要的土地利用類型。白洋淀水體面積迅速萎縮發(fā)生在2005年前后(圖3)，結(jié)合區(qū)域水文突變分析，可以確定白洋淀水文突變發(fā)生在2004年。此外，白洋淀區(qū)域濕地面積在2000年左右最大，之后逐漸縮小，濕地分布及面積的變化主要受水位的影響。從白洋淀水量補(bǔ)給來看，2004年2—6月水量補(bǔ)充達(dá)到近10多年的最大值(表1)，這與突變檢測得到的2004年突變點(diǎn)的結(jié)論相一致，也與張敏等[11]的研究結(jié)果相印證，即2004年白洋淀處于干淀期，純水域面積縮減嚴(yán)重，水生植被退化明顯，濕地退化嚴(yán)重。

圖2 白洋淀水文時(shí)間序列的變化趨勢分析

注：圖中粗實(shí)線代表趨勢估計(jì)，細(xì)實(shí)線代表95%的置信區(qū)間。

圖3 白洋淀土地利用變化

3 結(jié)論與建議

1998—2009年白洋淀水位和溫度變化存在下降趨勢，降水量變化呈現(xiàn)上升趨勢，且三者變化趨勢均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)的顯著性。白洋淀湖區(qū)獨(dú)特的淀區(qū)結(jié)構(gòu)、人類活動(dòng)和區(qū)域氣候變化多重影響是造成白洋淀水文趨勢變化的重要因素。白洋淀降水量和溫度時(shí)間序列未檢測到突變點(diǎn)，水位時(shí)間序列的可能突變點(diǎn)有4個(gè)，土地利用類型及水量補(bǔ)給確定突變點(diǎn)出現(xiàn)在2004年，這與同時(shí)期相關(guān)研究成果相符。白洋淀水文改變對區(qū)域內(nèi)的土地利用類型產(chǎn)生了重要影響。土地利用類型中的水體面積下降最為明顯，濕地次之，濕地和農(nóng)田是該區(qū)域目前最主要的土地利用類型。

表2 白洋淀水文序列突變檢測結(jié)果

表3 白洋淀各時(shí)期土地利用類型面積變化 km2

針對白洋淀區(qū)域因水量減少而出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題，提出以下治理措施和建議：① 針對入淀水量少的問題，建議加大上游水庫(如西大洋水庫、安各莊水庫、王快水庫和岳城水庫)入淀水量排放。此外，隨著白洋淀水量的減少，早期修建的上游人工河道、溝渠的作用也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，充分利用汛期洪水資源，在保證河道、溝渠暢通的前提下，盡可能多地使上游洪水資源入淀。 ②嚴(yán)格執(zhí)行地下水開采規(guī)定，保證區(qū)域地下水采補(bǔ)平衡。通過關(guān)閉環(huán)保不合格企業(yè)、建立污水處理廠等方式，使上游地區(qū)排入淀內(nèi)的城市生活用水、工農(nóng)業(yè)廢水達(dá)到生態(tài)用水要求。③建議嚴(yán)格限制在白洋淀區(qū)域內(nèi)新開發(fā)耕地和建筑用地；保護(hù)和恢復(fù)水域周邊的濕地，建立植被緩沖帶；重點(diǎn)治理點(diǎn)源和內(nèi)源污染。此外，積極開展白洋淀流域尺度下的水環(huán)境變化對土地利用空間格局濕地的影響研究，有助于揭示流域人類活動(dòng)與景觀生態(tài)系統(tǒng)變化和水環(huán)境的交互作用機(jī)制。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401020，41601202)

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1000-0941(2017)05-0052-04

趙穎(1982—)，女，山西太原市人，高級(jí)工程師，博士，主要從事水環(huán)境污染與治理方面的研究工作。

2016-09-05