從水體面積和河流水面連通性變化看華北地區(qū)河湖生態(tài)復(fù)蘇

趙慧子，曹 引，趙紅莉，楊雯娜，3，仇亞琴，張雙虎

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，100038，北京；2.水利數(shù)字孿生流域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100038，北京；3.蘭州交通大學(xué)，730070，蘭州）

復(fù)蘇河湖生態(tài)環(huán)境是推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展的重要路徑之一，識別河湖生態(tài)變化過程，評估河湖生態(tài)現(xiàn)狀是開展河湖復(fù)蘇的重要基礎(chǔ)。以華北地區(qū)為研究區(qū)，通過分析1984—2020年華北地區(qū)水體面積和河流連通性變化，評估華北地區(qū)河湖生態(tài)變化和復(fù)蘇狀況，研究結(jié)果可為開展河湖復(fù)蘇工作提供參考。

一、華北地區(qū)河湖水體面積和河流水面連通性變化特征識別

1.研究區(qū)情況和數(shù)據(jù)來源

（1）研究區(qū)情況

華北地區(qū)在自然地理上一般指秦嶺—淮河線以北，長城以南的中國廣大區(qū)域，涉及北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、山東、河南等省份。本研究選取北京、天津、河北、山東、河南作為研究區(qū)域，該區(qū)域是典型的河湖生態(tài)復(fù)蘇治理區(qū)，自20世紀(jì)90年代以來，大多經(jīng)歷了河湖生態(tài)環(huán)境破壞，近5~10年來都進(jìn)行了大規(guī)模的治理。研究區(qū)內(nèi)水系眾多、運(yùn)河發(fā)達(dá)，有各級河流200余條，其中三級以上河流14條，四級河流20條，黃河為研究區(qū)域內(nèi)唯一的一級河流，除運(yùn)河外其余河流大多為海河、淮河、灤河及其支流；區(qū)域內(nèi)有面積1 km2以上的湖泊38個。

（2）數(shù)據(jù)來源

研究使用Pekel等生成的1984—2020年全球地表水?dāng)?shù)據(jù)集（GSWD）地表水面積月尺度產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)集使用了1984—2020年間Landsat-5、Landsat-7和Landsat-8衛(wèi)星的超過300萬景影像，將每個像元分類為水體和非水體兩類。由于2000年以前衛(wèi)星數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性相對不高，在研究區(qū)存在一定的數(shù)據(jù)缺失條帶，1984—2000年的數(shù)據(jù)僅用來合成計(jì)算河湖水面復(fù)蘇的基準(zhǔn)值，使用2000年以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行華北地區(qū)水體面積與連通性變化過程的分析。2001—2020年降雨量數(shù)據(jù)來自《全國水資源公報(bào)》。

2.華北地區(qū)水體面積時(shí)空變化特征識別

利用GSW年水體面積合成產(chǎn)品識別1984—2020年北京、天津、河北、山東、河南和華北地區(qū)水體面積，其中1984—2000年水體面積為1984—2000年GSW年水體面積產(chǎn)品最大值合成面積，用以表征2000年前華北地區(qū)各行政區(qū)歷史最大水域面積，作為2000年以后各年份變化對比的基數(shù)。在華北地區(qū)及各行政區(qū)1984—2020年水體面積、降水量和調(diào)水量變化中，水體面積變化從全部水體面積（全 部）、面 積 小 于1 km2（0~1 km2）、面積介于1~5 km2（1~5 km2）和面積大于5 km2（＞5 km2）四個維度進(jìn)行分析，可以看出華北地區(qū)各行政區(qū)2001—2020年水體面積均小于1984—2000年水體面積，且變化存在時(shí)空差異性。

（1）北 京

北京2000年以后水體面積表現(xiàn)為“持續(xù)減少—波動—持續(xù)增加”的變化特征。具體來看，2001—2004年為持續(xù)減少；2004—2015年呈小幅波動，但整體穩(wěn)定在較低水平，其中2009—2013年呈小幅持續(xù)增加趨勢，和降水變化趨勢保持一致；2015—2020年為持續(xù)增加，其間北京市降水量呈降低趨勢，水體面積持續(xù)增加得益于2014年年底至今南水北調(diào)中線的持續(xù)調(diào)水。0~1 km2水體面積：2001—2009年持續(xù)降低，2009—2020年呈波動、小幅度增加趨勢；1~5 km2水體面積：2001—2004年呈下降趨勢，2005—2011年保持相對穩(wěn)定，2012年呈上升趨勢隨后保持相對穩(wěn)定；＞5 km2水體面積：2001—2004年持續(xù)快速減少，2004—2015年保持相對穩(wěn)定，2015—2020年持續(xù)增加。分析可知，2001—2004年水體面積持續(xù)減少主要表現(xiàn)為不同面積水體的持續(xù)減少，2015—2020年水體面積持續(xù)增加主要表現(xiàn)為＞5 km2水體面積的持續(xù)增加。

（2）天 津

天津2000年以后水體面積呈“持續(xù)減少”的變化特征。0~1 km2水體面積：2001—2015年保持相對穩(wěn)定，2015—2020年呈先增加后穩(wěn)定的變化特征；1~5 km2水體面積：2001—2015保持相對穩(wěn)定；＞5 km2水體面積呈持續(xù)降低趨勢。分析可知，1984—2020年天津水體面積“持續(xù)減少”變化特征主要表現(xiàn)為＞5 km2水體面積持續(xù)降低。2001—2020年天津降水呈波動變化，但無明顯降低趨勢，加上2014年年底南水北調(diào)中線持續(xù)供水，天津水體面積仍呈降低趨勢。通過分析發(fā)現(xiàn)，相比于2015年，天津2020年部分水體面積增加，如南大港水庫通過生態(tài)補(bǔ)水，水體面積明顯增加，但同時(shí)存在因人類活動如濱海開發(fā)等導(dǎo)致的水體面積減少，使得天津水體面積呈下降趨勢。

（3）河 北

河北2000年以后水體面積呈“穩(wěn)定—增加—減少”的變化特征。2001—2015年河北水體面積始終穩(wěn)定在較低水平，2016年水體增長明顯，2017年水體面積最大，2018—2020年呈減少趨勢，2020年基本和2011—2014年保持在同一水平。0~1 km2水體面積2001—2011年保持穩(wěn)定，2011—2020年呈波動增加趨勢；1~5 km2水體面積2001—2011年呈波動但相對穩(wěn)定趨勢，2011—2020年呈波動增加趨勢；＞5 km2水體面積2001—2008年保持相對穩(wěn)定，2008—2020整體呈緩慢下降趨勢。分析可知，2001—2020年河北水體面積“穩(wěn)定—增加—稍有減少”的變化特征受不同面積水體變化共同影響。

（4）河 南

河南2000年以后水體面積呈“減少—增加”的變化特征。2005—2014年水體面積呈逐漸減少趨勢，2015—2020年呈波動增加趨勢。2001—2020年水體面積變化和降水變化整體具有較好的一致性，2015—2020年受降水和調(diào)水共同影響，受降水減少的影響有所減弱，如2019年河南降水量為近20年最低，水體面積仍維持在2001—2014年的最好水平；0~1 km2、＞5 km2水體面積變化特征基本一致，2001—2014年整體呈下降趨勢，2015—2020年呈持續(xù)上升趨勢，1~5 km2水體面積2001—2020年保持相對穩(wěn)定。2001—2020年河南水體面積呈“減少—增加”的變化特征受不同面積水體變化共同影響。

（5）山 東

山東2000年以后水體面積呈“增加—穩(wěn)定—減少—增加—穩(wěn)定”的變化特征。2001—2004年水體面積逐漸增加，2004—2008年保持相對穩(wěn)定，2008—2015年 呈 下 降 趨 勢，2015—2017年有所提升，隨后保持穩(wěn)定，水體面積變化和降水變化的一致性相對較差。0~1 km2水體面積2001—2015年呈波動變化趨勢，2015—2020年呈持續(xù)增加趨勢；1~5 km2水體面積2001—2020年整體保持相對穩(wěn)定；＞5 km2水體面積2001—2008年保持穩(wěn)定，隨后持續(xù)下降。2001—2020年山東水體面積呈“增加—穩(wěn)定—減少—增加—穩(wěn)定”的變化特征受不同面積水體變化共同影響。

（6）華北地區(qū)

華北地區(qū)水體面積變化為各行政區(qū)水體面積變化的綜合表現(xiàn)，2000年以后水體面積表現(xiàn)為“穩(wěn)定—減少—增加—穩(wěn)定”的變化特征。其中2001—2008年水體面積保持相對穩(wěn)定，2008—2015年逐漸減少，2016—2017年明顯上升，2018—2020年保持穩(wěn)定。0~1km2水體面積2001—2015年保持相對穩(wěn)定，2015—2020年呈逐漸增加趨勢；1~5 km2水體面積2001—2020年保持相對穩(wěn)定；＞5 km2水體面積2001—2008年保持相對穩(wěn)定，2008—2015年呈持續(xù)減少趨勢，2015—2020年呈波動穩(wěn)定狀態(tài)。分析可知，1984—2020年華北地區(qū)水體面積“穩(wěn)定—減少—增加—穩(wěn)定”變化特征受不同面積水體變化共同影響。

綜上分析可知，除天津外，其余行政區(qū)水體面積2015年以來均有不同程度提高，華北地區(qū)水體面積2015—2017年呈增加趨勢，2018—2020年保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。

3.華北地區(qū)河流水面連通性時(shí)空變化特征識別

利用GSW產(chǎn)品識別的有水河道水面長度和河道水面總長度的比值表示河流水面連通性，GSW的空間分辨率為30 m，細(xì)小有水河道難以識別，因此識別的河流連通性較實(shí)際情況會偏低，但其相對大小仍可以表征河流水面連通性變化。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)各省市1~3級、4級和5級河流連通性的時(shí)空變化可以看出，華北地區(qū)2001—2020年各行政區(qū)不同級別河流連通性變化趨勢存在差異。

（1）北 京

北京2001—2020年河流連通性整體呈“減少—增加”變化特征。2001—2010年呈波動減少趨勢，2011—2020呈波動增加趨勢。1~3級河流連通性2001—2010年呈波動變化，河流連通性均值為0.27，2011—2020年1~3級河流連通性呈快速增加趨勢，從2011年的0.30增加至2020年的0.55，其中永定河和北運(yùn)河的連通性指數(shù)由2011年的0.21和0.62增加至2020年的0.43和0.96；4級河流連通性2001—2010年保持相對穩(wěn)定，河流連通性均值為0.24，2011—2020年4級河流連通性呈增加趨勢，從2011年的0.27增加至2020年的0.37；5級河流連通性2003—2010年呈下降趨勢，河流連通性由0.19下降至0.13，隨后呈增加趨勢，2020年增加至0.19。分析可知，北京2011—2020年河流連通性的快速增加主要體現(xiàn)在北運(yùn)河和永定河河流連通性的快速恢復(fù)。

（2）天 津

天津2001—2020年河流連通性呈“穩(wěn)定—波動小幅上升”變化特征。2001—2015年河流連通性相對穩(wěn)定，河流連通性均值為0.56，2015—2020年呈波動上升趨勢，但增幅較小，2020年河流連通性為0.6。4級以上河流連通性變化趨勢和總河流連通性變化趨勢一致，2001—2020年4級河流連通性均值為0.75，其中青龍灣河、薊運(yùn)河、大清河和潮白河河流連通性均值在0.9以上，處于較好水平；5級河流連通性2001—2020年呈波動下降趨勢。

（3）河 北

河北2001—2020年河流連通性呈“穩(wěn)定—波動大幅上升—穩(wěn)定”變化特征。2001—2015年1~5級河流連通性呈波動變化狀態(tài)，均值為0.15，2016—2017年河流連通性有所提高，達(dá)到0.22，隨后保持穩(wěn)定狀態(tài)，均值在0.2左右。河北1~5級河流連通性變化趨勢基本一致。

（4）河 南

河南2001—2020年河流連通性呈“相對穩(wěn)定—波動上升”變化特征。2001—2012年1~5級河流連通性呈波動變化，河流連通性均值為0.39，2013—2020年呈波動上升趨勢，河流連通性均值為0.46。1~3級河流連通性2001—2020呈波動上升趨勢，由2001年的0.50增加至2020年的0.68，其中黃河的連通性由2001年的0.64升至2020年的0.83；4級河流連通性2001—2012年呈波動穩(wěn)定狀態(tài)，河流連通性均值為0.43，2013—2020年呈波動上升趨勢，2020年河流連通性增加至0.50；5級河流連通性2003—2012年呈波動降低趨勢，河流連通性由0.19降至0.13，2013—2020年呈波動增加趨勢，2020年增至0.23。

（5）山 東

山東2001—2020年河流連通性呈“相對穩(wěn)定—波動上升”變化特征。2004—2015年1~5級河流連通性呈波動變化，河流連通性均值為0.54，2015—2020年呈上升趨勢，2020年河流連通性均值為0.62。1~5級河流連通性變化趨勢基本一致。

（6）華北地區(qū)

整體來看，華北地區(qū)2001—2020年河流連通性呈“相對穩(wěn)定—波動上升”變化特征。2001—2015年河流連通性在較低水平波動，河流連通性均值為0.38，2015—2020年河流連通性開始呈波動上升趨勢，2020年河流連通性達(dá)到最大值0.45，和1984—2020年持平。1~5級河流連通性變化趨勢基本一致。

二、華北地區(qū)河湖復(fù)蘇評價(jià)

1.河湖水面恢復(fù)指數(shù)構(gòu)建

選擇1984—2000水體面積和河流連通性作為河湖復(fù)蘇評價(jià)的基準(zhǔn)值，利用水體面積和河流連通性構(gòu)建河湖恢復(fù)指數(shù)（River and Lake Recovery Index,RLRI），從地表水體恢復(fù)的視角分析河湖復(fù)蘇程度。河湖恢復(fù)指數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，RLRIi為第i年河湖恢復(fù)指數(shù)，Si和S1984—2000為分別為第i年和1984—2000年水體面積；RCi和RC1984—2000分別為第i年和1984—2000年河流連通性指數(shù)。

2.華北地區(qū)河湖恢復(fù)指數(shù)變化過程

華北地區(qū)河湖恢復(fù)指數(shù)時(shí)空變化特征如圖1所示，可以看出華北地區(qū)河湖恢復(fù)過程存在時(shí)空差異。

圖1 華北地區(qū)河湖恢復(fù)指數(shù)變化

①北京。2001—2004年河湖恢復(fù)指數(shù)迅速下降，河湖生態(tài)迅速退化，2004—2010年河湖恢復(fù)指數(shù)始終處于較低水平，2010—2013年河湖恢復(fù)指數(shù)有所提升，2014—2015年河湖恢復(fù)指數(shù)保持相對穩(wěn)定，2016—2020年河湖恢復(fù)指數(shù)迅速提升，河湖生態(tài)呈現(xiàn)明顯復(fù)蘇態(tài)勢。

②天津。2001—2020年河湖恢復(fù)指數(shù)呈波動下降趨勢，河湖生態(tài)呈緩慢退化趨勢。

③河北。2001—2015年河湖恢復(fù)指數(shù)呈波動變化，2015—2017年河湖恢復(fù)指數(shù)增加明顯，隨后保持相對穩(wěn)定狀態(tài)，河湖生態(tài)呈現(xiàn)復(fù)蘇態(tài)勢。

④河南。2001—2005年河湖恢復(fù)指數(shù)呈增加趨勢，隨后2006—2012年河湖恢復(fù)指數(shù)呈波動下降趨勢，河湖生態(tài)逐漸退化，2012—2020年河湖恢復(fù)指數(shù)呈增加趨勢，特別是2015以后增速較快，河湖生態(tài)呈現(xiàn)復(fù)蘇態(tài)勢。

⑤山東。2002—2004年河湖恢復(fù)指數(shù)呈短期上升趨勢，2004—2015年呈波段緩慢下降趨勢，河湖生態(tài)有所退化，2015—2020年整體呈緩慢上升趨勢，河湖生態(tài)有所復(fù)蘇。

⑥華北地區(qū)。2001—2015年呈波動變化，2015—2017年河湖恢復(fù)指數(shù)顯著上升，河湖生態(tài)得到明顯復(fù)蘇，隨后2018—2020年保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。不同行政區(qū)不同大小水體面積、河流連通性的時(shí)空變化特征不同，決定了華北地區(qū)河湖恢復(fù)過程存在時(shí)空差異，降水的時(shí)空異質(zhì)性、跨流域調(diào)水以及不同行政區(qū)水資源利用和保護(hù)政策均是影響河湖恢復(fù)過程的重要因素。

3.華北地區(qū)河湖水面恢復(fù)現(xiàn)狀

以1984—2000年合成數(shù)據(jù)作為基數(shù)，對2020年華北地區(qū)5省市河湖復(fù)蘇狀況進(jìn)行評價(jià)。北京、天津、河北、山東和河南2020年河湖恢復(fù)指數(shù)分別為0.93、0.75、0.84、0.9和1.03，河南河湖生態(tài)已經(jīng)達(dá)到基準(zhǔn)年水平，北京和山東河湖復(fù)蘇接近基準(zhǔn)年水平，天津和河北河湖生態(tài)尚未達(dá)到基準(zhǔn)年水平。華北地區(qū)2020年河湖恢復(fù)指數(shù)為0.89，河湖生態(tài)恢復(fù)至基準(zhǔn)年89%的水平。2015—2020年，華北地區(qū)河湖生態(tài)復(fù)蘇明顯，其可能的驅(qū)動因素包括：①2015—2020年華北地區(qū)平均降水量（616.2 mm），比2001—2020年平均降水量（599.1 mm）略高；②南水北調(diào)工程的持續(xù)調(diào)水和生態(tài)補(bǔ)水；③華北地區(qū)地下水超采綜合治理工作的深入推進(jìn)。

三、小 結(jié)

本文利用GSW年水體面積合成產(chǎn)品識別了2001—2020年華北地區(qū)水體面積和河流連通性的時(shí)空變化特征，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建河湖恢復(fù)指數(shù)，對華北地區(qū)河湖生態(tài)復(fù)蘇進(jìn)行評價(jià)，得出的主要結(jié)論如下：

①華北地區(qū)水體面積呈“穩(wěn)定—減少—增加—穩(wěn)定”變化特征，2001—2008水體面積相對穩(wěn)定，2008—2015年呈減少趨勢，2016—2017年明顯上升，2018—2020年保持穩(wěn)定；河流連通性呈“相對穩(wěn)定—波動上升”變化特征，2001—2015年河流連通性在較低水平波動，2015—2020年呈波動上升趨勢。從水體面積和河流連通性角度來看，華北地區(qū)河湖生態(tài)2001—2015呈波動變化狀態(tài)，2015年以后呈明顯復(fù)蘇趨勢，降水增加、南水北調(diào)東中線持續(xù)調(diào)水和華北地下水超采綜合治理是華北地區(qū)河湖復(fù)蘇潛在的驅(qū)動因素。利用河湖恢復(fù)指數(shù)評估得到華北地區(qū)2020年河湖生態(tài)已恢復(fù)至1984—2000年89%水平。

②華北地區(qū)不同行政區(qū)2001—2020年水體面積變化特征存在時(shí)空差異性。北京水體面積呈“持續(xù)減少—波動—持續(xù)增加”變化特征，天津水體面積呈“持續(xù)減少”變化特征，河北水體面積呈“穩(wěn)定—增加—減少”變化特征，河南水體面積呈“減少—增加”變化特征，山東水體面積呈“增加—穩(wěn)定—減少—增加—穩(wěn)定”變化特征。

③華北地區(qū)不同行政區(qū)2001—2020年河流連通性的變化趨勢存在差異。北京河流連通性整體呈“減少—增加”趨勢；天津河流連通性呈“穩(wěn)定—波動小幅上升”趨勢，河北河流連通性呈“穩(wěn)定—波動大幅上升—穩(wěn)定”趨勢；河南和山東河流連通性呈“相對穩(wěn)定—波動上升”趨勢。

④華北地區(qū)不同行政區(qū)河湖生態(tài)恢復(fù)程度存在差異，其中河南2020年河湖生態(tài)已經(jīng)恢復(fù)至1984—2000年水平，北京和山東2020年河湖復(fù)蘇接近1984—2020年約90%水平，天津和河北河湖生態(tài)恢復(fù)至1984—2000年約75%和85%水平。

⑤水體面積和河流連通性的時(shí)空變化特征是不同大小水體面積和不同級別河流連通性變化特征的綜合表現(xiàn)，降水的時(shí)空異質(zhì)性、跨流域調(diào)水以及不同行政區(qū)水資源利用和保護(hù)政策是影響水體面積和河流連通性變化的重要因素，決定了河湖恢復(fù)過程。

本文從華北地區(qū)水體面積和河流連通性變化視角對華北地區(qū)河湖復(fù)蘇進(jìn)行了評估，可為全國河湖復(fù)蘇評估提供參考。目前河湖復(fù)蘇評價(jià)指標(biāo)體系尚未建立，采用更多指標(biāo)、從更多的視角系統(tǒng)開展河湖復(fù)蘇評價(jià)需要進(jìn)一步深入研究。 ■