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    2000—2020年汾河流域生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)時空變化

    2023-03-16 01:55:04許麗婷劉海紅黃麗潔王鈺帆
    干旱區(qū)研究 2023年2期
    關鍵詞:汾河水源流域

    許麗婷, 劉海紅, 黃麗潔, 王鈺帆

    (陜西師范大學地理科學與旅游學院,陜西 西安 710000)

    生態(tài)環(huán)境治理和修復一直是研究的熱點,極端天氣事件引發(fā)的暴雨、洪水等氣象災害促使研究者高度重視水生態(tài)安全和風險評估,流域因其對生態(tài)環(huán)境質量變化和水生態(tài)安全有高度敏感性而成為研究的重點區(qū)域。流域水源涵養(yǎng)動態(tài)變化通過對河川徑流、洪水調蓄、植被生長等產(chǎn)生影響,進而影響到流域的生態(tài)環(huán)境質量。關于生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)關系的研究主要集中于生態(tài)系統(tǒng)服務權衡,有學者對植被覆蓋度和產(chǎn)水量的關系進行了分析[1],認為在閾值范圍內,植被覆蓋度增加會促進產(chǎn)水量的增加[2]。但也存在研究內容單一問題,不能立足于整體性觀點研究生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)的關系。

    生態(tài)環(huán)境監(jiān)測是生態(tài)環(huán)境治理和修復的基礎,遙感技術是監(jiān)測和評估生態(tài)環(huán)境的有效手段[3]。遙感技術通過長時間和多空間尺度監(jiān)測生態(tài)環(huán)境變化并結合特殊的地理背景就能夠為區(qū)域生態(tài)環(huán)境治理和修復提供客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)。由濕度、干度、綠度和熱度指標通過主成分分析得到的遙感生態(tài)指數(shù)(Remote Sensing Ecological Index,RSEI)[4]能夠用來監(jiān)測生態(tài)環(huán)境變化,提高環(huán)境監(jiān)測的客觀性。RSEI 能夠可視化生態(tài)環(huán)境質量變化的時空特征[5],被廣泛應用于城市群[6]、流域[7]、礦區(qū)[8]、山地[9]等區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質量評價和動態(tài)演變分析,研究成果具有代表性和通用性,能夠客觀反映出生態(tài)環(huán)境的整體時空動態(tài)演變過程。作為生態(tài)系統(tǒng)服務功能之一的水源涵養(yǎng),能夠涵養(yǎng)土壤水分、維持植物生長所需水分、有效調節(jié)河川徑流量[10]。其中水源涵養(yǎng)評估模型眾多,InVEST(Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool)模型以其可視化、定量化優(yōu)勢被學者廣泛應用于水源涵養(yǎng)量的計算與評估中[11],模型較為成熟,研究成果能夠有效評價當?shù)厮春B(yǎng)量的時空變化特征。

    汾河作為黃河的第二大支流,水土流失嚴重,水資源供需矛盾突出[12],水源涵養(yǎng)能力低[13],生態(tài)環(huán)境問題突出,是黃河流域生態(tài)環(huán)境治理的重點。汾河流域2020 年水質整體得到提升,Ⅰ~Ⅲ類斷面比例為41.7%,無劣V 類斷面,水質屬于輕度污染,但大氣污染和土壤污染問題嚴重,生態(tài)環(huán)境仍需持續(xù)治理和修復[14]。以往研究涉及土壤侵蝕[15]、植被覆蓋[16]、水資源生態(tài)修復補償[17]、生態(tài)系統(tǒng)服務功能[18]、生態(tài)脆弱性評價及修復[19]、生態(tài)環(huán)境評價與治理[20]等,但是總體的生態(tài)環(huán)境質量評價的時間更新較慢,對于2000—2020年的生態(tài)環(huán)境質量變化研究較少,基于RSEI 的生態(tài)環(huán)境質量評價也較少,并且以整個汾河流域作為切入點,研究流域總體的水源涵養(yǎng)量較少,缺乏全流域的研究。因此需從時序和空間上補充和更新汾河流域生態(tài)環(huán)境質量評價,基于整體性原則,對全流域水源涵養(yǎng)功能進行評價分析。立足于整體性觀點研究生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)的關系,既能充分解釋生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)時空動態(tài)變化及其關系,也能促進汾河流域統(tǒng)籌協(xié)調經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)建設。

    鑒于此,本研究以汾河流域作為研究對象,基于時空性、生態(tài)性和整體性原則,采用2000年、2005年、2010年、2015年以及2020年5期研究數(shù)據(jù),利用RSEI模型和InVEST模型評估汾河流域20 a的生態(tài)環(huán)境質量及水源涵養(yǎng)量的動態(tài)變化,并通過Pearson相關分析來研究二者之間的相關性,以此來檢驗20 a來汾河流域生態(tài)環(huán)境治理效果。

    1 研究區(qū)概況

    汾河發(fā)源于山西省寧武縣境內(圖1),自北向南流經(jīng)忻州、太原、呂梁、晉中、臨汾和運城六個地級市,于運城市萬榮縣注入黃河,全長713 km,流域南北延伸(110°30′~113°32′E,35°20′~39°00′N),全域面積約39464 km2。汾河支流眾多,包括瀟河、文峪河、澮河等,流域內地勢北高南低,平均海拔1128 m,河道總高差1302 m[21],西南是以呂梁山為主體的山地,東面是以太行山為主體的山地,中間是太原盆地、臨汾盆地和運城盆地[15]。汾河流域屬于大陸性半干旱季風氣候,多年平均降水量為507 mm,年際變化大且年內分布不均,7—9月降水較為集中[22],多年平均氣溫6~13 ℃[15]。土壤類型以褐土為主[23],水土流失嚴重,生態(tài)環(huán)境脆弱。2020年汾河水資源總量232.2×108m3,當年徑流深度54.9 mm,用水總量29.3×108m3,農(nóng)田灌溉用水占比較大,干流兩岸生態(tài)環(huán)境明顯好轉。

    圖1 汾河流域概況圖Fig.1 Overview of Fenhe River Basin

    2 材料與方法

    2.1 數(shù)據(jù)來源及預處理

    數(shù)據(jù)來源及預處理見表1。

    表1 數(shù)據(jù)來源及預處理Tab.1 Data source and preprocessing operation

    2.2 研究方法

    2.2.1 遙感生態(tài)指數(shù) 基于研究區(qū)綠度、濕度、干度和熱度的考慮,分別選取NDVI為綠度指數(shù)、WET為濕度指數(shù)、NDBSI為干度指數(shù)、LST為熱度指數(shù),4個指數(shù)分別代表影響生態(tài)環(huán)境質量的4個方面。為更客觀準確的確定4 個指數(shù)的權重,需要剔除人為干擾,首先對4 個指數(shù)在ENVI 軟件中進行歸一化處理,再根據(jù)將與生態(tài)環(huán)境質量相關的信息集中到較少的主成分上的主成分分析方法[24],對4 個指數(shù)進行權重確定。通過主成分分析,保留方差最大的第一主成分,用于表征汾河流域遙感生態(tài)指數(shù),對其歸一化處理,值越大說明生態(tài)環(huán)境質量越好。利用ENVI 軟件生成汾河流域RSEI 柵格圖層,并于Arc-GIS 軟件中依照徐涵秋[4]提到的分級方法,將RSEI圖層重分類為差(0~0.2)、較差(0.2~0.4)、中等(0.4~0.6)、良好(0.6~0.8)、優(yōu)(0.8~1)。

    2.2.2 水源涵養(yǎng)量 基于InVEST 模型下的年產(chǎn)水量(Annual Water Yield)模塊進行汾河流域水源涵養(yǎng)量計算,此模型依據(jù)水量平衡原理,在不考慮地表水和地下水相互作用的情況下,加入氣候、地形、土地利用等數(shù)據(jù),依托區(qū)域空間位置,對空間各點進行水量平衡分析,用降水量減去實際蒸散量得到每個點的徑流量[25],再以空間分布模式將圖層輸出,在ArcGIS 平臺加載圖層可得到汾河流域的年產(chǎn)水量柵格數(shù)據(jù)。根據(jù)土地利用類型計算地表徑流系數(shù)和徑流量,用產(chǎn)水量減去徑流量即為研究區(qū)的水源涵養(yǎng)量[26]。

    2.2.3 相關性分析 為進一步分析生態(tài)環(huán)境質量與水源涵養(yǎng)量之間的關系,參考李曉榮等[27]采用的空間相關性分析方法,基于柵格數(shù)據(jù)空間像元單位,在ArcGIS 軟件中對汾河流域水源涵養(yǎng)量和遙感生態(tài)指數(shù)進行空間相關性分析。計算公式如下:

    Pearson空間相關分析:

    式中:Rxy為x和y的相關系數(shù);N代表年數(shù),N=5;i為第i年,取值為1~5;xi為水源涵養(yǎng)量;xˉ為2000—2020年水源涵養(yǎng)量的平均值;yi為遙感生態(tài)指數(shù);yˉ為2000—2020 年遙感生態(tài)指數(shù)的平均值。其中R取值范圍為[-1,1],R的絕對值越接近1,代表相關性越強,R取正為正相關,R取負為負相關。

    2.2.4 區(qū)域統(tǒng)計分析 根據(jù)區(qū)域統(tǒng)計分析方法,通過ArcGIS 平臺疊加河段流域、縣域邊界和RSEI 空間分布圖,研究不同河段流域尺度和縣域尺度下RSEI 各等級面積的空間分布和時空動態(tài)變化程度。結合不同河段流域和縣域尺度,對流域RSEI和水源涵養(yǎng)量進行空間相關性分析,探討二者的相關性及可能的影響因素。

    3 結果與分析

    3.1 遙感生態(tài)指數(shù)時空變化特征

    3.1.1 時間尺度變化特征 依據(jù)上述遙感生態(tài)指數(shù)計算和分級方法,將汾河流域遙感生態(tài)指數(shù)分為:差、較差、中等、良好和優(yōu)5 個級別,以5 a 作為一個時間梯度,從時間尺度上統(tǒng)計RSEI各分級面積及占比并分析RSEI 發(fā)展趨勢。通過發(fā)展趨勢可以明顯看出,RSEI 的5 個級別從2000—2020 年呈現(xiàn)“兩增兩減一波動”狀態(tài),良好和優(yōu)級面積呈現(xiàn)逐年增加趨勢,差和較差級面積呈現(xiàn)逐年下降趨勢,中等級呈現(xiàn)波動上升后下降趨勢。

    從發(fā)展趨勢方面反映了汾河流域2000—2020年生態(tài)環(huán)境質量呈現(xiàn)極大變好趨勢,從治理成果方面反映了汾河流域多年的生態(tài)環(huán)境治理和恢復措施成效顯著。分析2000—2020年RSEI各級面積及占比(圖2),優(yōu)級面積從僅有的90.9 km2到832 km2,增加了1.9%;良好級面積增幅較大,從6600.3 km2增加到15852.5 km2,增加了將近10000 km2,增幅達到23.6%,2020年優(yōu)和良好級達到42.6%,可以看出,整體生態(tài)環(huán)境持續(xù)好轉狀態(tài);中等級面積占比較大,是汾河流域生態(tài)環(huán)境的主體部分,2000 年占比47.7%到2020 年49.2%,面積從18676.1 km2到19249.6 km2,增幅較小,僅增加了1.5%,說明汾河流域整體生態(tài)環(huán)境沒有變差,中等水平比例較高;較差級面積減小幅度較大,2000 年占比33.8%到2020年占比8.2%,面積從13231.2 km2減少到3192.9 km2,減少了10038.3 km2;差級面積從531.7 km2減少到3.1 km2,2020年面積占比幾乎為0,說明生態(tài)環(huán)境治理效果顯著,整體呈現(xiàn)較好狀態(tài)。

    圖2 2000—2020年遙感生態(tài)指數(shù)各分級面積Fig.2 Statistics of area of remote sensing ecological index at different levels from 2000 to 2020

    3.1.2 空間尺度變化特征 分析2000—2020年RSEI空間分布圖(圖3),優(yōu)和良好主要分布于呂梁山以東和太行山以西的邊緣地區(qū),中等級分布最廣,差和較差零散分布于汾河干流周邊,這與山區(qū)植被生長較好和人為干擾較小有關,汾河干流周邊水資源相對較多,城市分布和工業(yè)發(fā)展集中,生態(tài)環(huán)境破壞較大。2000 年RSEI 差和較差面積占比較大(圖3a),優(yōu)和良好占比較少,中等級適中,其中差級主要分布于汾河下游地區(qū),以洪洞縣、翼城縣、曲沃縣、襄城縣、新絳縣、稷山縣和聞喜縣為主,煤礦開采嚴重破壞地表自然景觀和生態(tài)環(huán)境,導致生態(tài)環(huán)境質量很差;較差級主要分布于上游和中游地區(qū),以嵐縣、婁煩縣、靜樂縣、太原市東部、孝義市、介休市、交口縣和靈石縣為主;良好級主要分布于上游西北部、中游西北部、下游東北部地區(qū),以寧武縣西部、交城縣西部、文水縣、介休市東南部、沁源縣西南部、長治市東部、古縣西北部等為主。2005 年RSEI主要以中等級為主(圖3b),差和優(yōu)分布較少,較差主要分布于汾河上游東南部和下游南部地區(qū),隨著植被恢復和生態(tài)環(huán)境治理工作開展,生態(tài)環(huán)境逐步好轉,良好主要分布于中游西部和下游東部地區(qū)。2010 年RSEI 優(yōu)級分布較少(圖3c),主要分布于陽曲縣東北部、東南部和沁源縣南部;良好主要分布

    于汾河上游西北部和東南部、中游西部和東部、下游東北部和東南部;生態(tài)環(huán)境大幅度改善,但是受工業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境治理進程緩慢的影響,差和較差分布仍然較多,較差分布于下游中部和南部地區(qū),差級分布于洪洞縣中部偏南地區(qū)。2015年RSEI良好和優(yōu)分布面積增加(圖3d),由于汾河上游水源地水土保持工程和植被恢復的落實,大幅度提高生態(tài)環(huán)境質量,以寧武縣西部、文水縣、沁源縣增加較多;差和較差級分布于汾河中下游,中等級貫穿于汾河流域內部。2020 年RSEI 優(yōu)級明顯增多(圖3e),生態(tài)環(huán)境治理進入新階段,在環(huán)保政策強制要求下,工業(yè)需要綠色發(fā)展,生態(tài)環(huán)境質量大幅度提高,主要以寧武縣西部、陽曲縣西北部和東南部、文水縣、平遙縣東南部、沁源縣南部、介休市東南部、靈石縣東部、翼城縣東部和絳縣東部為主;良好級較2000年分布地區(qū)增加明顯,整體流域呈現(xiàn)良好和中等級分布;差和較差分布較少,零散分布于上游西部、下游南部等。從汾河流域RSEI空間分布圖的整體分布可以觀察發(fā)現(xiàn),整體生態(tài)環(huán)境呈現(xiàn)極大改善狀態(tài),優(yōu)和良好面積分布范圍擴大明顯,差和較差分布范圍大幅度縮小,說明汾河流域生態(tài)環(huán)境治理效果顯著,但是汾河上游西部和下游南部仍需繼續(xù)加強治理和修復。

    圖3 2000—2020年汾河流域RSEI空間分布Fig.3 Spatial distribution of RSEI in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

    3.1.3 整體時空動態(tài)變化程度 在ArcGIS中使用柵格計算器,用后期數(shù)據(jù)減去前期數(shù)據(jù)得到變化值,依據(jù)前后2個時期RSEI的變化等級,將變化值分為五大類(圖4):明顯變差(等級變差兩級及以上)、變差(等級變差一級)、不變(等級不變)、變好(等級變好一級)、明顯變好(等級變好兩級及以上)[28]。

    圖4 2000—2020年汾河遙感生態(tài)指數(shù)變化Fig.4 Changes of remote sensing ecological index of Fenhe River from 2000 to 2020

    2000—2010 年汾河流域RSEI 以維持原狀和變好為主(圖5a),發(fā)生明顯變化的區(qū)域較少,其中62.19%的區(qū)域環(huán)境等級未發(fā)生變化(24333.1 km2),主要分布于汾河上游流域;33.09%的區(qū)域變好(12634.32 km2),主要分布于中游東部、下游西部和南部,由于前期工業(yè)發(fā)展對生態(tài)環(huán)境的破壞嚴重,需要重點治理和修復,以平定縣、和順縣、昔陽縣和汾西縣、交口縣為主;0.8%的區(qū)域環(huán)境明顯變好(311.47 km2),以晉中市東北部、陽泉市為主,這與當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境治理投入較大有關,生態(tài)環(huán)境質量變化明顯;在城市擴展的過程中,必然會破壞人地和諧關系,導致生態(tài)環(huán)境變差,變差區(qū)域(1824.10 km2)占比為4.66%,有0.07%的區(qū)域面積處于明顯變差狀態(tài)(27.14 km2),主要集中分布于太原市南部、清徐縣中部和平遙縣中部地區(qū)。2010—2020 年汾河流域RSEI 處于持續(xù)變好狀態(tài)(圖5b),整體生態(tài)環(huán)境變好(31.5%)大于變差(5.24%),明顯變好(0.89%)也大于明顯變差(0.08%),等級不變區(qū)域面積占比較大(63.61%),零散分布于汾河流域各地區(qū);11837.16 km2的區(qū)域環(huán)境變好,以汾河下游流域為主,主要包括孝義市、交口縣東部、靈石縣西部、長治市西部、汾西縣東部等地區(qū);348.63 km2的區(qū)域環(huán)境明顯變好,以靈石縣西部、長治市南部、翼城縣東部、襄汾縣南部等地區(qū)為主;變差和明顯變差面積占比為5.24%,零散分布于汾河上游西部、中游東部、下游西北部和西南部等地區(qū)。由圖5c 可知,RSEI整體呈現(xiàn)穩(wěn)定增加趨勢,47.51%的區(qū)域環(huán)境處于變好狀態(tài),面積達到18590.53 km2,是RSEI 變化最大的區(qū)域,主要分布于汾河上游北部、中游東部和下游地區(qū),包括寧武縣、靜樂縣、婁煩縣西部、陽泉市、洪洞縣西部、臨汾市西部等地區(qū);5.71%的區(qū)域環(huán)境明顯變好(2236.15 km2),以陽泉市、和順縣、晉中市東北部、孝義市、交口縣東部、靈石縣、介休市、汾西縣、古縣、新絳縣、聞喜縣、稷山縣東部、翼城縣東部和西北部等地區(qū)為主;變差(3.03%)和明顯變差(0.1%)面積為1226.47 km2,主要分布于上游區(qū)域,以太原市和清徐縣為主。經(jīng)過20 a的生態(tài)環(huán)境恢復和治理,汾河流域整體生態(tài)環(huán)境持續(xù)變好,少數(shù)地區(qū)由于經(jīng)濟發(fā)展需求使得生態(tài)環(huán)境變差,需要持續(xù)修復和治理。

    圖5 2000—2020年汾河流域遙感生態(tài)指數(shù)變化空間分布Fig.5 Spatial distribution of remote sensing ecological index changes in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

    3.2 水源涵養(yǎng)量時空變化特征

    3.2.1 時間尺度變化特征 根據(jù)InVEST 模型合理設置參數(shù),計算汾河流域水源涵養(yǎng)量,統(tǒng)計2000—2020 年汾河流域以柵格為單元的平均水源涵養(yǎng)量各參數(shù)總量及變化趨勢(圖6)。可以明顯看出,各參數(shù)發(fā)展變化趨勢,降水量、徑流量和產(chǎn)水量與水源涵養(yǎng)量變化趨勢一致,均呈現(xiàn)波動遞增趨勢。汾河流域水源涵養(yǎng)總量由2000 年的205.9×108mm 增加到2020年228.9×108mm,增加了23×108mm;平均水源涵養(yǎng)量先減少后增加,增加量為16.1 mm,說明汾河流域20 a的水源涵養(yǎng)功能良好,處于持續(xù)變好狀態(tài);汾河流域年平均降水量處于增加狀態(tài),2005年降水量最低(422.6 mm),2020 年降水量最高(513.2 mm),增加了90.6 mm;平均產(chǎn)水量從2000年的260.8 mm 增加到2020 年288.2 mm,增加了27.4 mm,說明經(jīng)過20 a 的發(fā)展汾河流域產(chǎn)水能力得到提高;平均地表徑流量與降水量保持一致趨勢,2005 年平均地表徑流量最低67.3 mm,2020 年最高81.6 mm,徑流量的變化與降水量密切相關??傮w水源涵養(yǎng)能力得到提高,這與汾河流域生態(tài)環(huán)境治理、汾河徑流量增加等密切相關。

    圖6 汾河流域平均水源涵養(yǎng)量參數(shù)Fig.6 Parameters of average water conservation in Fenhe River Basin

    3.2.2 空間尺度變化特征 統(tǒng)計汾河流域以柵格為單元的平均水源涵養(yǎng)量,以100 mm 為一級,將水源涵養(yǎng)量從低到高分為低(0~100 mm)、較低(101~200 mm)、中等(201~300 mm)、較高(301~400 mm)和高(>400 mm)5個級別。由圖7可以明顯看到,汾河流域水源涵養(yǎng)量主要以較低等級(101~200 mm)和中等級別(201~300 mm)為主,較高等級和高等級分布較少,主要分布于汾河上游源頭地區(qū),低等級零散分布于汾河各地。

    圖7 2000—2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量空間分布Fig.7 Spatial distribution of water conservation in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

    2000 年汾河流域水源涵養(yǎng)量較低區(qū)域主要分布于汾河中下游中間區(qū)域(圖7a),城市快速擴展和工業(yè)高速發(fā)展、農(nóng)業(yè)大幅用水導致水資源供需矛盾突出,植被破壞嚴重,產(chǎn)水量低,水源涵養(yǎng)量低,主要包括太原市區(qū)縣南部、呂梁市區(qū)縣東部、晉中市區(qū)縣西部、臨汾市區(qū)縣東部、長治市區(qū)縣西部、運城市區(qū)縣北部等地區(qū);尤其是經(jīng)濟發(fā)展較好的城市用水量更大,以太原市中部、文水縣東部、孝義市西部、交口縣北部、長治市中部等地為代表的水源涵養(yǎng)量最低;中等級主要分布于汾河上游和中下游邊緣地區(qū);較高等級主要分布于汾河中游東部地區(qū),主要包括陽泉市東南部、和順縣北部、昔陽縣等地,說明山地開發(fā)強度小,植被破壞較少,能夠維持一定的水源涵養(yǎng)量,但是高等級幾乎很少有分布,總體上存在水資源供需矛盾突出,水源涵養(yǎng)量低的問題。2005 年汾河流域平均水源涵養(yǎng)量以低和較低等級為主(圖7b),較高等級和高等級分布很少,說明這一時期整個流域的水源涵養(yǎng)量均很低,與降水量低和需水量大有一定關系。2010 年汾河流域水源涵養(yǎng)量得到改善(圖7c),汾河上游流域北部區(qū)域水源涵養(yǎng)量較高,主要包括寧武縣東部和北部,中下游水源涵養(yǎng)量依舊較低。2015 年汾河流域上游南部、中游和下游北部地區(qū)水源涵養(yǎng)量較低(圖7d),陽曲縣、太原市中部、文水縣、汾陽市西部和孝義市西部水源涵養(yǎng)量最低,汾河下游東南部區(qū)域水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)較高等級,高等級分布很少。2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量相較于2000 年有明顯增加趨勢(圖7e),上游植被恢復和水土保持工程的實施,極大改善了自然環(huán)境,提高了流域水源涵養(yǎng)功能,上游流域水源涵養(yǎng)量較高,主要包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣西部和文水縣西北部等地,尤其以寧武縣西部和東南部、靜樂縣東北部地區(qū)最為突出,水源涵養(yǎng)功能極大提高,水源涵養(yǎng)量超過400 mm,處于高等級狀態(tài);城市分布集中的中下游地區(qū),用水量大,產(chǎn)水量低,水源涵養(yǎng)量較低,低等級和較低等級主要分布于汾河中游和下游流域,中等級主要分布于邊緣地區(qū)。2000—2020 年汾河流域水源涵養(yǎng)量總體上呈現(xiàn)增加趨勢,較高等級和高等級分布范圍擴大,以上游源地為主,中等級分布范圍由邊緣向中心擴展,低等級和較低等級主要分布于中下游的中部地區(qū)。

    3.2.3 整體時空動態(tài)變化程度 在ArcGIS 中使用柵格計算器,用后期數(shù)據(jù)減去前期數(shù)據(jù)得到變化值,通過自然段點法對變化值進行重分類,負值代表水源涵養(yǎng)量減少,正值代表增加,0 代表不變,將變化值劃分為:明顯減少、減少、不變、增加和明顯增加5種變化情況,并統(tǒng)計各自的區(qū)域面積(圖8)。

    圖8 2000—2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量變化Fig.8 Changes of water conservation in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

    2000—2010 年汾河流域水源涵養(yǎng)量以增加和不變?yōu)橹鳎▓D9a),發(fā)生明顯減少的區(qū)域面積較小,41.17%的區(qū)域水源涵養(yǎng)量處于增加狀態(tài)(17758.52 km2),前期城市發(fā)展大量用水,且汾河水量較少,水源涵養(yǎng)量低,在水資源合理調配和生態(tài)環(huán)境治理的政策驅動下,水源涵養(yǎng)量逐步提高,主要分布于汾河流域西部、中部及南部地區(qū);15.47%的區(qū)域水源涵養(yǎng)量明顯增加,面積達6674.77 km2,尤其以汾河上游水源涵養(yǎng)量增加明顯,包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣東部、交城縣東部和文水縣東部等地區(qū);同時也存在12152.74 km2的區(qū)域水源涵養(yǎng)量處于不變狀態(tài)(28.18%),主要分布于汾河流域中部偏東地區(qū);明顯減少(5140.93 km2)和減少(1406.89 km2)區(qū)域占總流域的15.18%,主要分布于汾河流域東北部,包括陽泉市、晉中市、太谷縣、和順縣和昔陽縣等地區(qū)。2010—2020 年汾河流域水源涵養(yǎng)量主要以增加和不變?yōu)橹鳎▓D9b),汾河水量增加和水資源合理分配促使流域水源涵養(yǎng)量增加,其中增加區(qū)域占到74.43%,面積達32101.07 km2,主要分布于上游、中游及下游東部;21.42%區(qū)域的水源涵養(yǎng)量沒有發(fā)生變化,主要分布于汾河流域東北部和西南部,包括陽泉市東部、昔陽縣、和順縣、晉中市東部和太谷縣東部等地區(qū);明顯增加區(qū)域面積(283.71 km2)僅占0.66%,明顯減少(954.47 km2)和減少(1.28 km2)區(qū)域占3.49%,說明汾河流域總體水源涵養(yǎng)量處于持續(xù)增加狀態(tài);2000—2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量增加區(qū)域占38.72%(圖9c),其中15.8%的區(qū)域水源涵養(yǎng)量明顯增加(6826.35 km2),主要分布在上游水源地,包括寧武縣、靜樂縣、嵐縣、婁煩縣、交城縣東部和文水縣東部地區(qū);41.01%區(qū)域水源涵養(yǎng)量維持收支平衡(17736.25 km2),以汾河流域中游東部和下游南部地區(qū)為主;明顯減少(2950.18 km2)和減少(5797.01 km2)區(qū)域面積占10.24%,主要分布于汾河流域東北部和西南部,說明水源涵養(yǎng)量減少區(qū)域面積較大,需要改善當?shù)厮春B(yǎng)條件,提升水源涵養(yǎng)能力。經(jīng)過20 a汾河流域水源涵養(yǎng)總體呈現(xiàn)增加趨勢,但仍有10%區(qū)域水源涵養(yǎng)減少,需要加強水土保持建設,提高水源涵養(yǎng)能力。

    圖9 2000—2020年汾河流域水源涵養(yǎng)量變化情況空間分布Fig.9 Spatial distribution of water conservation change in Fenhe River Basin from 2000 to 2020

    3.3 生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)的相關性分析

    為進一步探討生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)之間的關系,利用Pearson 相關分析法對RSEI 和水源涵養(yǎng)量進行分析,R的絕對值越接近1,代表相關性越強,相關性區(qū)域面積統(tǒng)計分析結果顯示(圖10):汾河流域RSEI 和水源涵養(yǎng)量二者的正相關性面積占比78.42%,負相關性面積占21.58%,流域整體呈現(xiàn)正相關性,說明流域生態(tài)環(huán)境質量與水源涵養(yǎng)的關系是正向的,即生態(tài)環(huán)境質量變好能夠提高水源涵養(yǎng)功能,水源涵養(yǎng)量提高也會進一步促進生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展;對相關性指數(shù)較強的區(qū)域面積進行分析可知,正相關指數(shù)在0.67~0.99之間的區(qū)域面積占比達30.95%,負相關指數(shù)在-0.99~0.4之間的區(qū)域占比為7.93%,進一步說明整體上生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)的相關性較強,水源涵養(yǎng)量變化會影響生態(tài)環(huán)境質量,同樣生態(tài)環(huán)境質量變化也會影響流域的水源涵養(yǎng)量;對相關性較弱的區(qū)域進行分析可知,20.72%的區(qū)域正相關指數(shù)在0.01~0.35之間,13.65%的區(qū)域負相關指數(shù)在-0.39~0之間,部分區(qū)域相關性較弱,說明生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)之間的關系存在差異性,即不同區(qū)域社會經(jīng)濟條件和自然條件不同,影響生態(tài)環(huán)境和水源涵養(yǎng)的主導因素也不同,在二者的關系上表現(xiàn)出差異性。

    圖10 遙感生態(tài)指數(shù)與水源涵養(yǎng)的相關性分析Fig.10 Correlation analysis of remote sensing ecological index and water conservation

    生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)的相關分析空間圖說明,正相關指數(shù)區(qū)域面積較大,且相關性較強區(qū)域所占比例較大,可以看出二者之間有一定正向關系,即水源涵養(yǎng)量多,促進當?shù)刂脖簧L和恢復,進一步促進生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展,同樣生態(tài)環(huán)境良好,植被生長茂盛,水源涵養(yǎng)功能較強,也能加強區(qū)域的水源涵養(yǎng)。從空間位置分析,汾河流域水源涵養(yǎng)量和RSEI 的正相關性較強的區(qū)域主要分布于汾河上游北部和南部、中游東部以及下游北部地區(qū),包括寧武縣、靜樂縣、交城縣西部、文水縣、汾陽市西部、孝義市西部、介休市東部、沁源縣西部和南部、靈石縣東部等地區(qū),這主要得益于當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境保護政策、植被恢復和水土保持工程,上游作為水源地,植被茂盛,水源涵養(yǎng)功能強大,生態(tài)環(huán)境良好;負相關性較強的區(qū)域主要分布在上游西南部、中游東部以及下游南部,包括嵐縣、陽泉市、晉中市東部、和順縣、昔陽縣、襄汾縣西部、鄉(xiāng)寧縣、河津市、萬榮縣、翼城縣東部、沁水縣和絳縣等地區(qū),主要與社會經(jīng)濟發(fā)展有關,一方面由于長期的煤礦開采和重工業(yè)發(fā)展,地表自然環(huán)境景觀和植被生長遭到嚴重破壞,水源涵養(yǎng)功能急劇下降,在環(huán)保政策的驅動下,當?shù)胤e極改善生態(tài)環(huán)境,恢復地表植被景觀,但是植被恢復速度慢,水源涵養(yǎng)功能具有滯后性。另一方面由于工業(yè)發(fā)展和生活農(nóng)業(yè)用水需求量大,城市發(fā)展迅速,水資源供需矛盾突出,導致當?shù)厮春B(yǎng)量少,所以會表現(xiàn)出生態(tài)環(huán)境變好了但是水源涵養(yǎng)功能依然很低。

    4 討論

    分析汾河流域RSEI時空分布變化趨勢,進而分析生態(tài)環(huán)境質量20 a的發(fā)展態(tài)勢,研究發(fā)現(xiàn)RSEI呈現(xiàn)增加趨勢,2000年以后汾河流域生態(tài)環(huán)境質量得到大幅提高,以良好和中等為主。這與喬玉良[29]利用EI對汾河流域生態(tài)環(huán)境質量評價結果基本一致,說明RSEI 模型適用于汾河流域地區(qū)。分析其變化原因,主要包括自然和社會兩方面,一方面汾河自2000 年開始實行退耕還林政策,植被逐漸恢復[30],另一方面在生態(tài)環(huán)境保護政策的支持下,社會經(jīng)濟發(fā)展的同時開始注重對環(huán)境的保護和修復,大幅度改善生態(tài)環(huán)境質量。值得注意的是,在太原市和清徐縣部分地區(qū),生態(tài)環(huán)境質量變差,這與工業(yè)生產(chǎn)有很大關系,需要重點進行調整和改善。

    利用InVEST模型計算汾河流域水源涵養(yǎng)量,進而分析當?shù)氐乃春B(yǎng)功能,研究發(fā)現(xiàn)水源涵養(yǎng)量呈增加趨勢,水源涵養(yǎng)功能得到提高。研究者對汾河流域水源涵養(yǎng)功能的研究多集中于汾河上游源地[18],認為水源涵養(yǎng)功能得到提高,與本文研究分析的水源涵養(yǎng)能力明顯增加區(qū)域為汾河上游流域結果一致,這源于上游的水土流失治理、汾河水量增加和植被恢復。需要格外關注汾河流域東北部和西南部,水源涵養(yǎng)量呈現(xiàn)減少趨勢,說明這2個地區(qū)用水量大于產(chǎn)水量,與社會經(jīng)濟發(fā)展有關,需要在發(fā)展經(jīng)濟的同時,兼顧地區(qū)水源涵養(yǎng)能力,維持生態(tài)系統(tǒng)平衡。

    利用空間相關性對RSEI 和水源涵養(yǎng)量進行分析,認為整體上水源涵養(yǎng)功能與生態(tài)環(huán)境存在正向相關關系,二者協(xié)同發(fā)展,即水源涵養(yǎng)能力提高,植被恢復速度加快,促進生態(tài)環(huán)境質量變好,同時生態(tài)環(huán)境質量提高也能提高當?shù)氐乃春B(yǎng)能力。但是有21.58%的區(qū)域顯示二者之間呈現(xiàn)負相關關系,一方面是因為生態(tài)環(huán)境受多方面因素的影響,社會經(jīng)濟發(fā)展對生態(tài)環(huán)境影響較大,煤礦業(yè)發(fā)展帶來環(huán)境問題,地表自然環(huán)境景觀嚴重破壞,植被生長受阻,水源涵養(yǎng)功能降低,在恢復植被的過程中,水源涵養(yǎng)功能具有一定的滯后性,會出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境變好了但是水源涵養(yǎng)功能依然很低的情況;另一方面是因為水源涵養(yǎng)也受自然和社會經(jīng)濟發(fā)展的雙重影響,水資源供需矛盾突出,產(chǎn)水的速度跟不上用水的速度,會導致整體的水源涵養(yǎng)量較低,恢復生態(tài)環(huán)境的同時,用水量過多也會導致二者存在負相關關系,由于區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平和自然環(huán)境差異,影響水源涵養(yǎng)和生態(tài)環(huán)境質量的主導因素不同導致二者出現(xiàn)負相關關系。在分析兩者之間關系的方法上,本文僅參考空間Pearson 方法進行了分析,沒有對比其他相關分析方法,還需多方面量化二者之間的相關關系,準確判斷二者的關系,后續(xù)研究需要引入其他分析方法。

    文中分析的是汾河流域20 a的生態(tài)環(huán)境質量和水源涵養(yǎng)的時空變化,由于數(shù)據(jù)量大且處理繁瑣,故基于系統(tǒng)性和整體性以及科學性考慮,選擇2000年、2005年、2010年、2015年和2020年5期數(shù)據(jù)進行研究,結果相對于連續(xù)20 a數(shù)據(jù)分析結果來說精度欠缺,故后期可利用連續(xù)時間序列進行相關性研究。此外,研究二者之間的相關性,僅采用空間Pearson 方法進行了分析,沒有對其進一步分析探討,后期研究中需要采用多方法進行量化二者之間的關系。

    5 結論

    本研究基于RSEI 模型分析了汾河流域20 a 來生態(tài)環(huán)境質量與水源涵養(yǎng)量的時空動態(tài)變化,并通過Pearson 空間相關性量化二者之間的相關關系。研究結論如下:

    (1)汾河流域20 a 來生態(tài)環(huán)境持續(xù)變好,良好和優(yōu)面積逐年增加,差和較差面積逐年下降,中等級呈現(xiàn)波動上升后下降趨勢。同時,汾河上游西部和下游南部生態(tài)環(huán)境較差,仍需繼續(xù)加強治理和修復。

    (2)汾河流域20 a 來水源涵養(yǎng)功能持續(xù)提高,2020年水源涵養(yǎng)總量228.9×108mm,相較于2000年增加了23×108mm。汾河上游水源地的水源涵養(yǎng)量明顯增加,中下游中部地區(qū)較低。

    (3)汾河流域生態(tài)環(huán)境與水源涵養(yǎng)正相關性比例最大,水源涵養(yǎng)能力提高能夠促進生態(tài)環(huán)境質量變好,同時生態(tài)環(huán)境質量提高也能提高當?shù)氐乃春B(yǎng)能力。存在21.58%的區(qū)域二者關系呈現(xiàn)負相關,這主要與二者的主導因素有關。

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