中國陸表水空間展布及動態(tài)變化分析

師俞晨 ， 王榮華,2

(1.北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；2.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

0 引 言

人類社會伊始，陸表水就是水資源中最為重要的一部分，它不僅曾哺育了世界各地的人類，同時帶動了海陸的水循環(huán)，且影響著地表能量平衡[1]。近年來，隨著全球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，水資源匱乏的問題受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注。中國的水資源總量在世界上名列前茅，但其中可用的淡水資源卻屈指可數(shù)[2]。

相對于地面取樣觀測，遙感數(shù)據(jù)具有覆蓋面廣、穩(wěn)定性好及存檔周期長等特點，因此被廣泛用于全球及區(qū)域范圍的水域監(jiān)測[3]。目前，基于遙感的全球或區(qū)域級水域研究中多使用空間分辨率為千米或百米級的遙感數(shù)據(jù)，比如AVHRR NDVI產(chǎn)品，MODIS相關(guān)產(chǎn)品以及ENVISAT ASAR數(shù)據(jù)等[4-7]。隨著我國發(fā)布了世界上第一套空間分辨率為30米的全球地表覆蓋產(chǎn)品(Globeland30)[8-9],將全球地表覆蓋產(chǎn)品的空間分辨率從千米級提升到30米，為深入開展地表覆蓋空間分布及變化分析研究奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。比如曹鑫等基于Globeland30產(chǎn)品對全球陸表水的空間格局與波動進(jìn)行了詳盡的分析[10]。

考慮到降水量是干、濕區(qū)自然區(qū)劃的重要指標(biāo)，在一定程度上反映了區(qū)域的干濕狀況[11]，而陸表水的分布又與我國主要流域密切相關(guān)[12]?；诖耍疚囊訥lobeland30為數(shù)據(jù)源，以中國內(nèi)陸地區(qū)為研究區(qū)，著眼于不同的流域及不同的降水區(qū)域，研究我國陸表水的空間分布及其隨著時間的變化。首先對數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行介紹，然后介紹統(tǒng)計分析和空間分析方法，以及對本文的結(jié)果進(jìn)行分析和探討，最后是本文的初步結(jié)論。

1 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)源

本研究所采用的數(shù)據(jù)包括我國主要流域數(shù)據(jù)、等降水量線數(shù)據(jù)，以及覆蓋我國范圍內(nèi)的2000年和2010年兩期GlobeLand30數(shù)據(jù)，見表1。GlobeLand30全球地表覆蓋產(chǎn)品是國際首套空間分辨率為30米的地表覆蓋產(chǎn)品，共10個地表覆蓋類別，分別是：耕地、森林、草地、灌 木地、濕地、水體、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久積雪。目前一共有2000年和2010年兩期產(chǎn)品，是綜合利用美國陸地衛(wèi)星 Landsat TM/ETM+、國產(chǎn)環(huán)境減災(zāi)星(HJ-1)等影像,采用基于像素分類-對象提取-知識檢核的POK (Pixel-Object-Knowledge)方法，由國家基礎(chǔ)地理信息中心生產(chǎn)和面向全球發(fā)布的[13-14]。我國主要流域劃分不一，本文主要參考文獻(xiàn)[15]的流域劃分方法，將全國劃分為10大流域:黃河流域、長江流域、珠江流域、青海流域、黑龍江流域、雅魯藏布江流域、淮河流域、甘蒙內(nèi)流域、海河流域、遼河流域。等降水量線則參考文獻(xiàn)[16]，重點考察200mm等降水量線（干旱和半干旱區(qū)域的分界線）、400mm等降水量線（半干旱和半濕潤區(qū)域的分界線）、以及800 mm等降水量線（半濕潤區(qū)和濕潤區(qū)的分界線）。

表1 本文所采用的數(shù)據(jù)Tab.1 Data used in this research

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先，將GlobeLand30產(chǎn)品中的水體從數(shù)據(jù)集中提取出來。由于水體的屬性值與其他有明顯不同，因此采用重分類的方法將全球范圍內(nèi)水體提取出來。通過疊加分析，利用中國內(nèi)陸的邊界將中國內(nèi)陸轄區(qū)內(nèi)的陸表水提取出來。

其次，對于等降水量線數(shù)據(jù)和主要流域數(shù)據(jù)，利用已有的中國內(nèi)陸邊界數(shù)據(jù)，將相應(yīng)參考文獻(xiàn)中獲取的圖片格式的等降水量線數(shù)據(jù)和流域數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像糾正和配準(zhǔn)，并數(shù)字化出本文所需要的流域線數(shù)據(jù)和等降水量線數(shù)據(jù)。由于本文重點考慮不同流域區(qū)和不同干濕區(qū)劃的陸表水分布及變化狀況，因此，需要將上述線數(shù)據(jù)通過空間拓?fù)渖上鄳?yīng)的面數(shù)據(jù)以便后續(xù)的結(jié)果分析。最終提取出包括遼河、海河、甘蒙內(nèi)河流、淮河、雅魯贊布江、黑龍江、青海、珠江、長江、黃河流域共十大流域區(qū)。

最后，利用等降水量線及其所包含的區(qū)域?qū)⑷珖鴦澐譃榻邓繛?00mm以下的干旱區(qū)域、200～400mm的半干旱區(qū)域、400～800mm的半濕潤區(qū)域以及800mm以上的濕潤區(qū)域。

2 分析方法

目前，對區(qū)域或全球范圍內(nèi)水域空間分布及動態(tài)變化的分析方法主要有經(jīng)緯度格網(wǎng)法和水域率法等[10,17]。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，相對于經(jīng)緯度格網(wǎng)法，水域率法更能反映水體的空間格局及動態(tài)變化。因此，本文嘗試?yán)盟蚵史▉碛嬎阄覈饕饔虻乃蚵剩瑫r結(jié)合GIS的空間統(tǒng)計和分析功能，分析我國陸表水的空間展布及動態(tài)變化。

2.1 水域率

水域?qū)τ诃h(huán)境、生態(tài)等多個方面都起著至關(guān)重要的作用，而水域率則指承載水域功能的區(qū)域面積占區(qū)域總面積的比率，是反映水域能夠為人所用的狀態(tài)。

根據(jù)文獻(xiàn)[10]，水域率（R）的定義為：

式中，AW是基本統(tǒng)計單元內(nèi)的水域面積，AL是基本統(tǒng)計單元的陸表面積。由于本文使用的是空間分辨率為30米的GlobeLand30數(shù)據(jù)，為方便統(tǒng)計，將基本統(tǒng)計單元面積設(shè)置為300 m×300 m。

2.2 空間疊加和統(tǒng)計分析

為了探討不同流域和不同降水區(qū)域的陸表水空間分布及其隨時間的變化，本文采用ArcGIS的空間統(tǒng)計分析方法將流域分區(qū)數(shù)據(jù)和干濕區(qū)劃數(shù)據(jù)分別與2000,2010兩期的陸表水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加，并統(tǒng)計不同流域和不同干濕區(qū)劃的陸表水的水域面積、水域率數(shù)據(jù)，以此來研究陸表水的空間展布及時間變化特征。

本文詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理及分析方法如圖1所示。

圖1 本文的數(shù)據(jù)處理及分析方法Fig.1 Data processing and analysis method in this paper

3 結(jié)果及分析

3.1 我國內(nèi)陸地區(qū)陸表水總體空間布局

根據(jù)上述的數(shù)據(jù)處理方法，從GlobeLand30產(chǎn)品中提取的水體數(shù)據(jù)和中國內(nèi)陸的邊界數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到2000年和2010年我國內(nèi)陸地區(qū)陸表水的空間分布圖。在空間分布上，我國陸表水分布均呈現(xiàn)南多北少、東多西少的態(tài)勢。

3.2 主要流域陸表水空間分布及變化

流域是包括河流的干流、支流以及其所形成的湖泊等水域。在對于水體的研究中，流域面積是十分重要的一個數(shù)據(jù)。流域的面積大小，象征著該區(qū)域的水流量是否豐富，同時也影響河流和徑流的形成。因此，本文嘗試探討我國主要流域的水體分布及其變化。主要流域陸表水的分布呈現(xiàn)明顯不均一的特征。2000年和2010年我國主要流域陸表水水域面積如圖2所示。

圖2 我國內(nèi)陸主要流域2000年和2010年水域面積圖（單位：Km2）Fig.2 Water area of the major watersheds of China in 2000 and 2010(unit: Km2)

盡管2000年和2010年的水域總面積有所變化，但是其各個流域的水域的面積大小，沒有太多的順序變化。根據(jù)各個流域的水域面積從大到小排序為長江、黑龍江、珠江、淮河、黃河、青海、雅魯贊布江、遼河、海河、甘蒙內(nèi)流域。

通過對比圖2中2000年和2010年我國主要流域陸表水水域面積圖，可以看出，除了長江流域，其他的流域面積均呈現(xiàn)不同程度的增加。長江作為中國的第一大河，流域面積之大，橫跨11個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）。從2000～2010年，長江的水域面積呈下降趨勢，將勢必對整個長江流域的人類生存及生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生不利的影響。

圖3為我國內(nèi)陸主要流域水域率對比圖，從圖中可以看出，在2000年和2010年主要流域的水域率從大到小，依次為長江、淮河、青海、珠海、海河、黑龍江、雅魯贊布江、遼河、黃河、甘蒙內(nèi)流域。

圖3 我國內(nèi)陸主要流域2000年和2010年水域率對比圖Fig.3 Comparison of water's rates of major watersheds in China in 2000 and 2010

水域率的變化順序與水域面積的變化順序稍有不同。有些流域面積是相對較大的流域，其水域率并不是特別地高，說明其水載能力不是很強，如黑龍江流域盡管流域面積大，但相對于其所在的陸地面積來說，卻存在供給不足的問題。

3.3 我國主要干濕區(qū)域陸表水空間分布及變化

降水區(qū)域就是通過降水量而劃分的區(qū)域。其中降水量是雨水或者雪在水平面上的聚集深度。陸表水是水循環(huán)的重要組成部分，它與降水量息息相關(guān)，并相互影響。由于受經(jīng)緯度以及地形等多種因素影響，我國東部的降水量明顯比西部的降水量多，南部的降水量比北部的降水量多，是典型的分布不均勻。

為了探究降水量對于水域面積的影響，本文提取出降水量為200 mm以下、200～400 mm、400～800 mm、800～1600 mm以及1600 mm以上區(qū)域?qū)?yīng)的水域面積，如圖4所示。

圖4 我國內(nèi)陸主要等降水線所圍區(qū)域2000年和2010年水域面積圖（單位：Km2）Fig.4 Water area surrounded by the main isohyetal line in inland China in 2000 and 2010 (unit: Km2)

水域面積從大到小的降水區(qū)域，應(yīng)為降水量是800～1600 mm區(qū)域、降水量小于200 mm區(qū)域、降水量為200～400 mm區(qū)域、降水量為400～800 mm區(qū)域、降水量大于1600 mm區(qū)域。

降水區(qū)域為200 mm以下的水域面積在10年中有明顯的減小，但是降水區(qū)域為200～400 mm的水域面積有明顯的提升，其余的降水區(qū)域并沒有很多的變化，但是也有所增加、減少。這表明降水量為200 mm以下的區(qū)域氣候變得越來越干燥，致使降水量減少，水域面積變小；降水量為200～400 mm的區(qū)域，降水量增多，水域面積變大。這些問題可能是由于在這10年期間氣候的變化所造成的。

圖5為我國不同等降水量線所圍成的干濕區(qū)域的水域率對比圖，可以看出，水域率從大到小的排序，應(yīng)為降水量是800～1600 mm區(qū)域、降水量大于1600 mm區(qū)域、降水量為200～400 mm區(qū)域、降水量小于200 mm區(qū)域、降水量為400～800 mm區(qū)域。

圖5 我國內(nèi)陸降水區(qū)域2000年和2010年水域率對比圖Fig.5 Comparison of water's area rates of precipitation area in inland China in 2000 and 2010

根據(jù)圖中的對比情況，可以看出降水量小于200 mm的區(qū)域和降水量為400～800 mm的區(qū)域水域率有明顯的下降情況，說明這兩部分的區(qū)域，水域面積有明顯的減小情況。甚至在降水量為400～800 mm的區(qū)域，其水域率小于1%，屬于干旱缺水區(qū)域。有可能是因為該區(qū)域在2010年的降水量相對于2000年有所減少。反之，降水量為200～400 mm的區(qū)域和降水量為800～1600 mm的區(qū)域水域率有所增加。

為了探尋2000年至2010年我國主要流域及干濕區(qū)域陸表水的波動，本文分別以水域面積和水域率對主要流域和干濕區(qū)域的陸表水變化量予以統(tǒng)計，見表2、表3。

表2 我國內(nèi)陸主要流域2000年和2010年陸表水變化對比表Tab.2 Comparison of land surface water area changes in the main watersheds in 2000 and 2010

表3 我國內(nèi)陸主要干濕區(qū)域2000年和2010年陸表水變化對比表Tab.3 Comparison of land surface water changes in the main dry and wet regions in 2000 and 2010

根據(jù)表2、表3可以看出，2000年和2010年的水域率相差并不是特別的多，基本都小于0.1%。但是降水量小于200 mm的區(qū)域（0.21%）、長江流域（0.66%）、青海流域（-0.48%）、淮河（0.12%）相對于其他區(qū)域波動相對較大，它們的水域率變化均高于0.1%。

4 結(jié)束語

本文通過疊加我國的主要流域、干濕區(qū)域的數(shù)據(jù)和2000年和2010年兩期GlobeLand30水體數(shù)據(jù)，對我國內(nèi)陸的陸表水空間分布及其變化進(jìn)行分析。初步的研究結(jié)果表明：

1）從陸表水在我國的總體分布來看，由于我國跨越緯度較大，因此，水域分布呈現(xiàn)明顯不均的狀態(tài)。

2）根據(jù)上述的數(shù)據(jù)分析，按照我國流域劃分，陸表水的分布從小到大依次為：甘蒙內(nèi)流域、海河、遼河、雅魯贊布江、青海、黃河、淮河、珠江、黑龍江、長江。然而，按照水域率從小到大依次為：甘蒙內(nèi)流域、黃河、遼河、雅魯贊布江、黑龍江、海河、珠海、青海、淮河、長江。水域率的順序與水域面積的順序稍有不同。無論是水域面積還是水域率，長江流域均為最高，表明其在我國流域中的地位。從2000年到2010年，長江流域的水域面積有所減少，而其他的流域面積則均呈現(xiàn)不同程度的增加。而在此期間，水域率的變化順序與水域面積的變化順序稍有不同。黑龍江流域面積相對較大，但其水域率則影響度比較低，說明其水載能力稍差。

3）受限于氣候區(qū)的變化差異大，在我國不同的干濕區(qū)域范圍內(nèi)，陸表水的分布呈現(xiàn)明顯不均的態(tài)勢。通過數(shù)據(jù)的對比分析，表明半干旱、半濕潤區(qū)域的陸表水并沒有太多的差異，而干旱區(qū)域的陸表水則高于半干旱、半濕潤區(qū)域的陸表水，其中，濕潤區(qū)域的陸表水分布相對較高。而水域率則在不同區(qū)域存在明顯的差異，這表明陸表水的承載能力與干濕區(qū)域并沒有明顯的相關(guān)性。從2000年到2010年，在干旱區(qū)水域面積及水域率在10年中均有明顯的減小，而其他區(qū)域則變化不大。

GlobeLand30地表覆蓋數(shù)據(jù)中，水體提取的正確率是最高的，總體精度可以達(dá)到87%，因此，本研究結(jié)果具有很好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，上述結(jié)論的可靠性也得以保障。因為本文著眼于不同的流域以及不同的干濕區(qū)域，而數(shù)據(jù)的獲取是基于相關(guān)文獻(xiàn)獲得的，雖然參考的是相對權(quán)威的文獻(xiàn)，但數(shù)據(jù)也并非具備百分百的可靠性。此外，數(shù)據(jù)糾正的誤差也會為后續(xù)的結(jié)果造成一些誤差。

此外，因為目前GlobeLand30僅發(fā)布了2000和2010年兩期產(chǎn)品，因此，本文沒有進(jìn)行陸表水的分布與主要流域及干濕區(qū)域的相關(guān)關(guān)系的研究，這將是本文后續(xù)深入研究的主要內(nèi)容。