臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及雨后泥石流對(duì)廣東高州水庫(kù)生態(tài)環(huán)境的影響

周文婷,邵瑞華,張雅洲,馬千里,胡艷芳,冼憲恒,茍 婷,許振成,趙學(xué)敏

(1.環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所,廣東 廣州 510655;2.西安工程大學(xué), 陜西 西安 710000;3.中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所, 北京 100000;4廣州市璞境生態(tài)保護(hù)技術(shù)有限公司,廣東 廣州 510730)

0 引言

近年來全球臺(tái)風(fēng)災(zāi)害規(guī)模不斷擴(kuò)大，災(zāi)害頻率也急劇攀升[1]。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨易引發(fā)滑坡、山洪、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡。2011年強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“洛克”和2014年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“浣熊”，導(dǎo)致日本部分地區(qū)出現(xiàn)高強(qiáng)度降雨，并誘發(fā)山體滑坡和泥石流災(zāi)害[2-3]。2005年和2012年颶風(fēng)“卡特里娜”和“桑迪”橫掃美國(guó)南部和東海岸，誘發(fā)的洪水災(zāi)害造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-5]。2013年臺(tái)風(fēng)“海燕”登陸菲律賓南部，部分地區(qū)出現(xiàn)的嚴(yán)重洪災(zāi)造成慘痛的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[6]。我國(guó)也頻繁受臺(tái)風(fēng)災(zāi)害影響，臺(tái)風(fēng)登陸前后引發(fā)的風(fēng)、雨、潮常常給沿海地區(qū)造成較大的災(zāi)害[7]，近十年臺(tái)風(fēng)災(zāi)害每年都給我國(guó)造成上百億甚至千億元損失[8]。2006年7月強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“碧利斯”[9]、2009年8月臺(tái)風(fēng)“莫拉克”[10-17]、2010年強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“凡亞比”、2013年8月強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“尤特”[18]在我國(guó)福建、廣東等沿海地區(qū)造成了嚴(yán)重的山洪、泥石流和滑坡災(zāi)害，對(duì)生態(tài)環(huán)境與生命財(cái)產(chǎn)安全均造成嚴(yán)重的影響。

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨引發(fā)的山洪、崩塌、山體滑坡、泥石流等系列次生災(zāi)害不僅對(duì)森林植被造成破壞，同時(shí)強(qiáng)降雨沖刷地表攜帶大量土石和垃圾進(jìn)入水體，極易造成水環(huán)境質(zhì)量下降引發(fā)水生態(tài)系統(tǒng)的變化。研究發(fā)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)過境后能夠?qū)е聟^(qū)域植被減少近50%[19]，臺(tái)風(fēng)引起的滑坡和泥石流災(zāi)害可使植被區(qū)域變成裸地或是水體[20]；臺(tái)風(fēng)誘發(fā)的洪水災(zāi)害增加了水體的攪動(dòng)，帶來充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，不僅降低水環(huán)境質(zhì)量[21]，還會(huì)促進(jìn)水生生物群落的演變，導(dǎo)致浮游植物生物量的變化[22-24]。

廣東省地處華南沿海地區(qū)，海岸線較長(zhǎng)，主要受熱帶與亞熱帶季風(fēng)氣候控制，成為我國(guó)西太平洋臺(tái)風(fēng)影響的主要區(qū)域，也是建國(guó)以來臺(tái)風(fēng)登陸最多的省份，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害已成為影響廣東社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要災(zāi)種之一[25-26]。2010年9月20日第11號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“凡亞比”(英文名：Fanapi)以35 m/s的風(fēng)速?gòu)母＝ㄕ钠值顷懀艽伺_(tái)風(fēng)影響廣東高州地區(qū)遭遇200年一遇的特大暴雨，日均降雨量高達(dá)120 mm，導(dǎo)致9月21日高州水庫(kù)集水區(qū)上游馬貴鎮(zhèn)發(fā)生特大洪災(zāi)(9·21洪災(zāi))，并引發(fā)山體滑坡和泥石流次生災(zāi)害，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)截至9月28日下午17時(shí)，暴雨造成高州市七鎮(zhèn)受災(zāi)，受災(zāi)人口16.7萬人，受災(zāi)農(nóng)作物面積43.3 km2。造成直接經(jīng)濟(jì)損失30多億元。9·21特大洪災(zāi)導(dǎo)致大量的有機(jī)質(zhì)、泥砂、植物、垃圾及家禽家畜等動(dòng)物尸體進(jìn)入庫(kù)區(qū)，對(duì)高州水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量及浮游植物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[27]。為了評(píng)估“凡亞比”臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨引發(fā)的特大洪災(zāi)及泥石流對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境的影響，本研究根據(jù)災(zāi)害前后集水區(qū)植被覆蓋度以及水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量變化，分析臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及次生災(zāi)害泥石流對(duì)集水區(qū)內(nèi)陸生植被及水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量的影響。結(jié)合區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類活動(dòng)干擾狀況，提出應(yīng)對(duì)極端氣候臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨的環(huán)境管理對(duì)策，為未來區(qū)域減災(zāi)防災(zāi)與保障供水安全提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

高州水庫(kù)位于廣東省西部N 21°58′～22°19′和E 110°59′～111°23′)，是茂名市唯一飲用水源地。水庫(kù)由良德庫(kù)區(qū)和石骨庫(kù)區(qū)通過0.7 km人工河相連接，水庫(kù)面積為58.94 km2，庫(kù)容為1.15×109m3。水庫(kù)集水區(qū)面積1 022 km2，包括馬貴、大坡、古丁、深鎮(zhèn)、平山五個(gè)鎮(zhèn)和東岸、長(zhǎng)坡兩鎮(zhèn)的部分區(qū)域。入庫(kù)河流有深鎮(zhèn)河、古丁河與朋情河(圖1)。

圖1 研究區(qū)域圖Fig.1 The areal map of research areaS1—良德庫(kù)區(qū)中心; S2—良德電站; S3—石骨庫(kù)區(qū)中心采樣點(diǎn); S4—供水口采樣點(diǎn); S5—深鎮(zhèn)河口采樣點(diǎn); S6—古丁河口采樣點(diǎn); S7—朋情河口采樣點(diǎn)。

集水區(qū)地處北熱帶和南亞熱過渡的季風(fēng)區(qū)，雨量充沛，多年年平均降水量1 938.8 mm，年均蒸發(fā)量1 650.3 mm，4～9 月的雨量約占全年的85%，每年7～9月常有臺(tái)風(fēng)侵襲。集水區(qū)內(nèi)地貌主要以山地為主，山地占總面積的70%左右，山地海拔一般在500～800 m，岸坡多呈25°～45°的斜坡。集水區(qū)土壤分布以紅壤為主，紅壤酸性強(qiáng)，富含鐵錳等金屬元素。集水區(qū)內(nèi)的植被與氣候相適應(yīng)，地帶性植被是熱帶、亞熱帶常綠闊葉林，但由于長(zhǎng)期的人類活動(dòng)結(jié)果，原生植被已不存在，現(xiàn)有植被是在人類活動(dòng)影響下處于不同發(fā)育階段的次生植被和作物。

1.2 評(píng)估方法與數(shù)據(jù)

1.2.1災(zāi)害對(duì)陸生植被的影響評(píng)估

以臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨前(2010年9月19號(hào))和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨后(2010年10月30號(hào))獲取的多光譜、影像分辨率為30 m的環(huán)境小衛(wèi)星遙感影像為基礎(chǔ)影像，同時(shí)選用集水區(qū)1∶50 000地形圖、研究區(qū)行政邊界矢量數(shù)據(jù)以及該地區(qū)1∶50 000DEM數(shù)據(jù)，比較臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨前后集水區(qū)地表植被覆蓋特征變化，分析臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及次生災(zāi)害泥石流對(duì)植被的破壞情況，進(jìn)一步運(yùn)用GIS分析受損植被的空間特征，評(píng)估臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)的影響。

1.2.2災(zāi)害對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的影響評(píng)估

根據(jù)高州水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)結(jié)果，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括pH、溶解氧(DO)、透明度(SD)、濁度(TD)硝氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、硅酸鹽(SiO4)、高錳酸鹽(CODMn)指數(shù)、葉綠素a(Chl.a)、鐵(Fe)12個(gè)指標(biāo)，評(píng)估臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及次生災(zāi)害泥石流對(duì)高州水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量的影響，評(píng)價(jià)依據(jù)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)。

1.3 樣品采集及分析

分別于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨前期(2010年9月9日)和后期(2010年9月25日)在高州水庫(kù)開展水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)，共設(shè)置7個(gè)采樣點(diǎn)(圖1)。其中S4采樣點(diǎn)為供水口，水深約23 m，為底部出水進(jìn)入調(diào)節(jié)水庫(kù)后給水廠供水，為了解臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及次生災(zāi)害泥石流對(duì)供水口水質(zhì)影響，在該樣點(diǎn)水面下0.5 m、2 m、5 m、10 m和底層進(jìn)行分層采樣。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH、溶解氧(DO)、透明度(SD)、濁度(TD)；采集水樣后帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定葉綠素a(Chl.a)、硝氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)、總氮(TN)、總磷(TP)、鐵(Fe)、硅酸鹽(SiO4)指數(shù)和高錳酸鹽(CODMn)指數(shù)，測(cè)定方法均參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行[28]。

1.4 遙感數(shù)據(jù)處理與分析

在ENVI5.1中對(duì)遙感影像進(jìn)行正射校正、輻射標(biāo)定、大氣校正和地形校正，具體操作過程參照《ENVI遙感圖像處理方法》[29]。獲取具有較高定位精度和準(zhǔn)確地物光譜反射率的遙感影像，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)預(yù)處理后的遙感影像進(jìn)行定量反演，采用面向?qū)ο蟮男畔⑻崛》椒ㄌ崛「咧菟畮?kù)集水區(qū)泥石流發(fā)生的范圍和面積。計(jì)算災(zāi)前、災(zāi)后兩個(gè)時(shí)期的歸一化植被指數(shù)(NDVI)，利用像元二分模型將NDVI轉(zhuǎn)化為植被覆蓋度，獲取庫(kù)區(qū)植被覆蓋情況。

植被覆蓋度轉(zhuǎn)換模型為Fc=(NDVI-NDVISOI)/(NDVIVEG-NDVISOI)[30]

式中：Fc為植被覆蓋度，NDVIVEG為全植被覆蓋像元的NDVI值；NDVISOI為無植被覆蓋的裸土像元的NDVI值。NDVIVEG和NDVISOI的理論值分別接近于1和0，但是受大氣狀況、地表粗糙度、地表水分等因素影響，NDVIVEG和NDVISOI的值會(huì)隨著時(shí)間和空間而改變。結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況，本文對(duì)在NDVIVEG和NDVISOI取值時(shí)，以累計(jì)百分比為98%的累計(jì)值為NDVIVEG，2%的累計(jì)值為NDVISOI。同時(shí)運(yùn)用ArcGIS 10.2技術(shù)生成集水區(qū)泥石流災(zāi)害發(fā)生前、后不同時(shí)期的植被覆蓋狀況，對(duì)比得出災(zāi)后植被的損害狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 臺(tái)風(fēng)期間降雨量及入庫(kù)流量特征

受臺(tái)風(fēng)“凡亞比”影響，2010年9月21～23日水庫(kù)集水區(qū)出現(xiàn)特大暴雨。9月21日24小時(shí)降雨量高達(dá)130.88 mm，22日與23日的24h內(nèi)降雨量分別為94.96 mm、34.57 mm(圖2)，9月21～23日累計(jì)降雨量占9月份總降雨量64%。水庫(kù)日流量變化趨勢(shì)和降雨量變化趨勢(shì)一致，9月21日水庫(kù)平均入庫(kù)流量達(dá)到了最高值361.97 m3/s，22日與23日集水區(qū)平均流量分別降低為181.67 m3/s和67.27 m3/s。

圖2 集水區(qū)9月日降雨量及流量變化Fig.2 The daily rainfall and flow in the catchment area in September

2.2 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨期間泥石流狀況及對(duì)水體濁度的影響

臺(tái)風(fēng)“凡亞比”強(qiáng)降雨引發(fā)的泥石流災(zāi)害主要發(fā)生在高州水庫(kù)集水區(qū)內(nèi)的馬貴鎮(zhèn)、古丁鎮(zhèn)和大坡鎮(zhèn)，其中馬貴鎮(zhèn)最為嚴(yán)重，面積共約為36 km2(圖3)。泥石流發(fā)生后入庫(kù)河流及水體的濁度均升高，朋情河(S7)和深鎮(zhèn)河(S5)分別由災(zāi)前4.4 NTU、3.1 NTU增加到災(zāi)后的32.6 NTU和17.2 NTU，古丁河(S6)濁度升高幅度最大，從17.7 NTU增加到374.4 NTU，濁度升高了21.2倍(表1)。由此可見，強(qiáng)降雨導(dǎo)致的次生災(zāi)害泥石流，引起了嚴(yán)重的水土流失，是災(zāi)后短期內(nèi)水體濁度快速升高的主要原因。

圖3 高州水庫(kù)集水區(qū)泥石流受災(zāi)范圍Fig.3 Disaster area of debris flow in catchment area

S1S2S3S4S5S6S7201009191.501.901.403.603.1017.704.40201009254.802.708.703.9017.20374.4032.60

2.3 對(duì)陸生植被的影響

2.3.1災(zāi)害前后集水區(qū)NDVI計(jì)算及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

基于高州水庫(kù)集水區(qū)災(zāi)害前后遙感影像，利用ENVI對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理并計(jì)算兩個(gè)時(shí)期的NDVI指數(shù)，得到災(zāi)前和災(zāi)后集雨區(qū)NDVI分布(表2、圖4)。泥石流災(zāi)害前集水區(qū)內(nèi)平均NDVI值為0.567，泥石流災(zāi)害后集水區(qū)平均NDVI值降低為0.503。災(zāi)害前后兩期的NDVI標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)生較大變化，災(zāi)前集水區(qū)NDVI標(biāo)準(zhǔn)差為0.145，災(zāi)后集水區(qū)NDVI標(biāo)準(zhǔn)差升高至0.169，泥石流對(duì)集水區(qū)NDVI值產(chǎn)生了一定影響。

表2 泥石流災(zāi)害前后集水區(qū)NDVI統(tǒng)計(jì)值Table 2 Statistics of NDVI before and after debris flow

圖4 泥石流災(zāi)害前(a)及災(zāi)后(b)集水區(qū)NDVI分布圖Fig.4 Distribution of NDVI in catchment area before debris flow (a) and after (b)

2.3.2災(zāi)害前后集水區(qū)植被覆蓋分級(jí)變化

依據(jù)密度分割法將研究區(qū)的植被覆蓋度劃分為無植被覆蓋區(qū)、低植被覆蓋區(qū)、中植被覆蓋區(qū)和高植被覆蓋區(qū)[30]。從集水區(qū)植被覆蓋分級(jí)圖5可以看出，泥石流發(fā)生后集水區(qū)植被覆蓋度總體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，高植被覆蓋面積明顯減少，中植被覆蓋面積增加，而無植被及低植被覆蓋面積變化不大(圖5)。由植被覆蓋度分級(jí)圖與泥石流受災(zāi)范圍圖進(jìn)行疊加對(duì)比分析可知，受泥石流災(zāi)害影響嚴(yán)重區(qū)域如馬貴鎮(zhèn)、古丁鎮(zhèn)和大坡鎮(zhèn)，植被覆蓋度呈現(xiàn)由高植被覆蓋向中植被覆蓋轉(zhuǎn)化。

圖5 泥石流災(zāi)前(a)災(zāi)后(b)集水區(qū)植被覆蓋分級(jí)圖Fig. 5 Vegetation coverrate in catchment area before debris flow (a) and after (b)

根據(jù)集水區(qū)災(zāi)害前后遙感影像對(duì)比得到的各類植被面積及其增減情況見表3，災(zāi)害前后變化幅度最大的是高植被覆蓋區(qū)，其面積由災(zāi)害前932.28 km2減少到災(zāi)后的889.40 km2，面積減少42.88 km2，植被覆蓋比例由災(zāi)前的91.67%降低至災(zāi)后的87.46%，覆蓋比例下降4.21%。無植被、低植被和中植被覆蓋區(qū)面積都有不同程度增加，其中中植被覆蓋區(qū)面積增加幅度最大，由災(zāi)前39.40 km2增加到76.75 km2，面積增加了37.35 km2。以上結(jié)果表明災(zāi)害對(duì)集水區(qū)高植被覆蓋區(qū)造成較嚴(yán)重破壞。

表3 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及泥石流次生災(zāi)害前后植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of vegetation coverage before and after typhoon heavy rainfall and debris flow

注：無植被覆蓋區(qū)，主要以水體、云、建筑用地和裸地等構(gòu)成；低植被覆蓋區(qū)，植被覆蓋度小于30%，主要是草地、疏林地；中植被覆蓋區(qū)，植被覆蓋度介于30%～60%，主要是林地、園地及耕地等；高植被覆蓋區(qū)，植被覆蓋度大于60%，指植被密集的灌木林。

2.3.3災(zāi)害前后植被覆蓋區(qū)域面積轉(zhuǎn)化分析

在綜合分析集水區(qū)災(zāi)害前后植被覆蓋度面積變化的基礎(chǔ)上，利用ENVI 5.0進(jìn)行矩陣分析后得到集水區(qū)災(zāi)害前后各級(jí)植被覆蓋度面積轉(zhuǎn)移矩陣(表4)，以更好地反映各級(jí)植被覆蓋度的區(qū)域面積轉(zhuǎn)化特征。結(jié)果表明，災(zāi)害過后集水區(qū)植被覆蓋度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。高植被覆蓋度轉(zhuǎn)出面積最大，轉(zhuǎn)出面積932.7 km2，大于轉(zhuǎn)入面積889.4 km2，植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)；共有58.8 km2高植被覆蓋度發(fā)生轉(zhuǎn)變，主要轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄脖桓采w度區(qū)域，轉(zhuǎn)化面積為52.27 km2，占高植被覆蓋轉(zhuǎn)化面積的89.35%，面積轉(zhuǎn)移率為68.19%。

表4 災(zāi)害前后集水區(qū)植被覆蓋度區(qū)域面積轉(zhuǎn)移矩陣Table 4 Area transfer matrix of vegetation coverage before and after debris flow

注：表中各級(jí)植被覆蓋度的面積橫向表示20100919-20101030轉(zhuǎn)出面積，縱向表示20100919-20101030轉(zhuǎn)入面積。

2.4 對(duì)水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量影響

2.4.1災(zāi)害前后水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量

災(zāi)后庫(kù)區(qū)及入庫(kù)河流水質(zhì)短時(shí)間發(fā)生了較大變化(圖6)，水庫(kù)及入庫(kù)河流中pH、SD降低，濁度升高；水中DO、CODMn、Chl.a含量降低；TN、NO3-N、NH4-N、TP、Fe濃度升高，SiO4變化不明顯。災(zāi)后，大量的土壤、泥沙進(jìn)入水體導(dǎo)致濁度升高和透明度降低，地表徑流攜帶有機(jī)污染物進(jìn)入水體進(jìn)行呼吸作用造成水中pH、DO降低。災(zāi)后入庫(kù)河流的Fe含量均升高并超標(biāo)，其中古丁河超標(biāo)最嚴(yán)重，F(xiàn)e含量從0.017 mg/L上升至1.926 mg/L，超出地表水標(biāo)準(zhǔn)限值6.4倍。

圖6 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及泥石流災(zāi)害前后水庫(kù)水質(zhì)變化Fig.6 Change of water quality in the Reservoir before and after typhoon heavy rainfall and debris flow

災(zāi)后水庫(kù)和入庫(kù)河流中TN、NO3、NH4-N、TP濃度增加，水體Chl.a濃度降低。災(zāi)后TN濃度總體表現(xiàn)為升高趨勢(shì)，其中良德庫(kù)區(qū)中心、古丁河口、朋情河口升高幅度較大。與災(zāi)前相比，庫(kù)區(qū)內(nèi)及入庫(kù)河流NO3-N含量顯著增加(p<0.05)。災(zāi)后良德庫(kù)區(qū)中心和深鎮(zhèn)河口NH4-N濃度增加幅度較大。受臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及次生災(zāi)害泥石流影響，水體TP濃度表現(xiàn)為升高趨勢(shì)，其中朋情河口升高幅度較大，由0.028 mg/L升高至0.079 mg/L，水質(zhì)由原來的Ⅲ類降低至Ⅳ類。災(zāi)害導(dǎo)致水體Chl.a濃度含量普遍降低，其中河流入口(S5、S6、S7)Chl.a含量顯著降低(p<0.01)。

2.4.2災(zāi)后供水口垂向水層水質(zhì)分析

由圖7可見，災(zāi)害發(fā)生后供水口水體分層顯著，表現(xiàn)為表層水溫高、DO含量和pH較高，水體濁度較低，隨著水深的增加水溫、DO、pH均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，濁度呈現(xiàn)明顯增加。NH4-N、NO3-N、TP、Fe、Mn濃度隨水深增加逐漸升高，表層水體濃度最低，分別為0.041、0.451、0.019、0.040和0.019 mg/L，至底層濃度分別升高到0.115、0.485、0.21、0.44和0.06 mg/L。垂向水體TN和CODMn變化趨勢(shì)一致，水面下5 m以內(nèi)TN和CODMn隨著水深增加而增加，水深10 m處TN和CODMn濃度最低，分別為0.804 mg/L和1.350 mg/L，底層達(dá)到最大值分別為1.206 mg/L和1.800 mg/L。Chl.a含量隨水深增加先升高后降低，表層水體Chl.a含量為10.4 mg/m3，至水層5 m處含量最高，為13.7 mg/m3，底層Chl.a含量最低為9.6 mg/m3。災(zāi)后供水口垂向水質(zhì)結(jié)果表明災(zāi)后供水口底層TP、TN含量超過地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，底層Fe濃度超出標(biāo)準(zhǔn)限值0.3 mg/L。由于高州水庫(kù)供水口從底部取水，災(zāi)后供水口底層水體TN、TP和Fe含量超標(biāo)將影響水庫(kù)供水安全。

圖7 災(zāi)后供水口垂向水質(zhì)分析Fig.7 Vertical water quality analysis of post-disaster water supply

3 討論

3.1 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨對(duì)集水區(qū)內(nèi)植被及水環(huán)境質(zhì)量影響

我國(guó)沿海地區(qū)受臺(tái)風(fēng)影響頻繁[31]，近年來臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨誘發(fā)的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模不斷擴(kuò)大，災(zāi)害頻率也急劇攀升，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨對(duì)植被演替的影響非常明顯[32]，常導(dǎo)致陸生植被植被生態(tài)系統(tǒng)受損。研究表明 “威馬遜”臺(tái)風(fēng)過境后導(dǎo)致研究區(qū)域內(nèi)NDVI值整體下降[33]。臺(tái)風(fēng)“卡特里娜”造成美國(guó)阿拉巴馬州沿海植被指數(shù)顯著降低，臺(tái)風(fēng)過境前值為0.71，臺(tái)風(fēng)過境后值僅為0.36[19]。泥石流災(zāi)害發(fā)生后，高州水庫(kù)集水區(qū)域內(nèi)NDVI平均值由0.567降低為0.503。災(zāi)后高植被覆蓋度轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，且主要轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄脖桓采w度區(qū)域，植被覆蓋度整體呈下降趨勢(shì)。

臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨誘發(fā)的山洪、泥石流災(zāi)害短期內(nèi)加重水源地的污染狀況，地表徑流攜帶有機(jī)和無機(jī)污染物增加，對(duì)供水安全造成嚴(yán)重威脅。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨導(dǎo)致太湖水體中固體懸浮物含量、TP、TN、溶解性磷酸鹽(SRP)、NO3-N 和NH4-N含量較臺(tái)風(fēng)前分別增加了4、2、1.5、2.5、3.5和1.5倍[34]。臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨誘發(fā)的山洪、滑坡等水土流失災(zāi)害，造成東圳水庫(kù)懸浮物、濁度、高錳酸鹽指數(shù)、總磷濃度明顯增加，水庫(kù)水質(zhì)惡化，不能滿足飲用水質(zhì)量要求[21]。洪水也曾造成邕江水體Fe及有機(jī)污染物含量超標(biāo)[35]。高州水庫(kù)集水區(qū)發(fā)生的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨誘發(fā)山洪泥石流災(zāi)害期間，大量有機(jī)質(zhì)、泥沙、污染物等通過地表徑流匯入水庫(kù)，導(dǎo)致災(zāi)害后的水體透明度、溶解氧、pH、高錳酸鹽指數(shù)、葉綠素a下降、濁度、氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽以及Fe濃度升高；三條入口河流Fe濃度均超出地表水標(biāo)準(zhǔn)限值，水庫(kù)供水口處底層水體Fe濃度也超標(biāo)，嚴(yán)重影響水庫(kù)供水安全。集水區(qū)內(nèi)以富含鐵元素的紅壤為主，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨的強(qiáng)烈沖刷作用形成水土流失，使得水體Fe濃度超標(biāo)。由此可見臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨及次生災(zāi)害泥石流導(dǎo)致的水土流失加劇了水污染的程度。

3.2 災(zāi)害成因及應(yīng)對(duì)策略

高州水庫(kù)集水區(qū)以山地為主，海拔多在500～800 m，岸坡多呈25°～45°斜坡，地形較復(fù)雜，處于山坡地高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，為滑坡、崩塌、泥石流等次生地質(zhì)災(zāi)害的形成提供了前提。同時(shí)，庫(kù)區(qū)內(nèi)不合理的人類活動(dòng)改變了集水區(qū)自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，破壞了庫(kù)區(qū)的自然平衡，降低了抵抗自然災(zāi)害的能力，加劇了災(zāi)情。主要體現(xiàn)在集水區(qū)耕地面積少，居民為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)效益，大量的對(duì)山地進(jìn)行開墾，過度開發(fā)山坡地破壞了庫(kù)區(qū)內(nèi)原有植被，使原生植被覆蓋降低，加劇了庫(kù)區(qū)內(nèi)水土流失。2010年9月21日“凡亞比”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)造成集水區(qū)七個(gè)鎮(zhèn)出現(xiàn)特大暴雨，持續(xù)強(qiáng)降雨使馬貴、大坡、古丁等鎮(zhèn)出現(xiàn)大范圍的山體滑坡，誘發(fā)了特大山洪和泥石流災(zāi)害。

高州水庫(kù)集水區(qū)是對(duì)氣候變化極其敏感的區(qū)域，且地形復(fù)雜、降雨強(qiáng)烈、災(zāi)害類型復(fù)雜且空間尺度小，應(yīng)對(duì)未來氣候變化下的災(zāi)害具有很大的挑戰(zhàn)。為了提高應(yīng)對(duì)極端天氣的影響，提出如下建議：首先，加強(qiáng)集水區(qū)內(nèi)水土流失治理，開展封山育林和封山護(hù)林，推廣生態(tài)公益林建設(shè)；合理控制開發(fā)強(qiáng)度，依法禁止在坡度25°以上的陡坡地以及水土流失嚴(yán)重、生態(tài)脆弱的地區(qū)毀林開荒及順坡耕作，對(duì)坡度過陡且無法進(jìn)行生態(tài)改造的果園及一些生態(tài)脆弱地區(qū)實(shí)施“退果還林”；對(duì)集水區(qū)生態(tài)破壞嚴(yán)重、不宜居住的地區(qū)實(shí)行生態(tài)移民。其次，加強(qiáng)集水區(qū)內(nèi)水環(huán)境保護(hù)，加強(qiáng)區(qū)域環(huán)境綜合整治，推進(jìn)集水區(qū)內(nèi)點(diǎn)源和面源污染整治工程，保障水庫(kù)供水安全。最后，加強(qiáng)區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)能力建設(shè)，提高災(zāi)害預(yù)警和防范能力。

4 結(jié)論

(1)災(zāi)害發(fā)生后集水區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)降低，植被覆蓋度呈下降趨勢(shì)，災(zāi)后集水區(qū)內(nèi)高植被覆蓋轉(zhuǎn)出面積大于轉(zhuǎn)入面積，發(fā)生轉(zhuǎn)變的面積為58.8 km2，且主要轉(zhuǎn)變?yōu)橹兄脖桓采w區(qū)域，高植被覆蓋區(qū)面積共減少42.88 km2；中植被覆蓋區(qū)面積增加37.35 km2，而無植被及低植被覆蓋面積變化不大。

(2)災(zāi)后高州水庫(kù)水質(zhì)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了較大變化，DO、pH、SD、CODMn、Chl.a含量降低；水體濁度、TN、NO3-N、NH4-N、TP、Fe濃度升高；入庫(kù)河流古丁河濁度和Fe濃度升幅最大，濁度從17.70 NTU上升至374.40 NTU，升高22倍，F(xiàn)e濃度從0.017 mg/L上升至1.926 mg/L，超出地表水標(biāo)準(zhǔn)限值6.4倍。

(3)災(zāi)后水庫(kù)供水口處水溫、DO和pH含量隨著水深的增加均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，濁度、NH4-N、NO3-N、TP、Fe、Mn濃度隨著水深的增加逐漸增大，底層TP、TN含量超過地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，底層Fe濃度超出標(biāo)準(zhǔn)限值0.3 mg/L，嚴(yán)重影響供水安全。

(4)高州水庫(kù)集水區(qū)地形復(fù)雜、降雨強(qiáng)烈、面臨的災(zāi)害類型復(fù)雜且空間尺度小，應(yīng)對(duì)未來極端氣候變化下的災(zāi)害具有很大的挑戰(zhàn)。因此，評(píng)估臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨引發(fā)的特大洪災(zāi)及泥石流對(duì)集水區(qū)內(nèi)陸生植被及水庫(kù)水環(huán)境質(zhì)量的影響，結(jié)合區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類活動(dòng)干擾狀況，提出應(yīng)對(duì)極端氣候臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降雨的環(huán)境管理對(duì)策，為未來區(qū)域減災(zāi)防災(zāi)與保障供水安全提供技術(shù)支撐。