基于“3S”技術的秦嶺黑河水源保護區(qū)植被覆蓋及水源涵養(yǎng)敏感區(qū)分析

劉 哲，馬新萍

[1.中檢西北生態(tài)技術（陜西）有限公司，陜西西安 710168；2.咸陽師范學院地理與環(huán)境學院，陜西咸陽 712000]

森林植物主要通過林冠層、枯枝落葉層和土壤層攔截、吸收、蓄積降水實現對降水的再分配，從而發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能。秦嶺森林資源豐富，被譽為天然“中央水塔”，具有重要的水源涵養(yǎng)功能。秦嶺北麓地表水源地分布眾多，其中以黑河水源地最為重要，是陜西省西安市重要的水源。黑河流域涉及多個自然保護區(qū)，區(qū)域內植被狀態(tài)對水源地生態(tài)安全保障具有重要作用[1]。目前，關于秦嶺區(qū)域的研究多為植被覆蓋變化趨勢及驅動力相關性研究分析、水資源相關研究等，針對水源地，特別是黑河水源地保護的相關研究較少。

本文以黑河水源地保護范圍為研究區(qū)域，基于遙感技術（Remote Sensing，RS）、地理信息系統(tǒng)（Geography Information Systems，GIS）和全球定位系統(tǒng)（Global Positioning Systems，GPS）等“3S”技術，分析區(qū)內植被覆蓋特征，劃定水源涵養(yǎng)敏感區(qū)，提出黑河水源地生態(tài)保護建議，以期為秦嶺區(qū)域水源地生態(tài)環(huán)境保護管理提供參考。

1 研究區(qū)概況

黑河水源地位于黑河峪口以上，保護區(qū)面積1 481 km2，包括一級保護區(qū)、二級保護區(qū)和準保護區(qū)；涉及6 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，上游常住人口較少；林木茂密，屬暖溫帶落葉闊葉林帶，有種子植物121 科640 屬1 550 種、苔蘚植物63 科142 屬302 種，還有大量的蕨類、地衣和菌類植物。

2 研究方法

2.1 數據來源與預處理

選取2020年中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺http://www.gscloud.cn）Landsat-5 TM影像（空間分辨率30 m，云量小于10%）、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、水系圖及保護區(qū)圖等，在ArcGIS、ENVI 等軟件平臺支持下，進行數據校正、配準、合成、增強及裁剪等處理，獲得研究數據。

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在單位面積內的垂直投影面積所占百分比。目前，基于遙感監(jiān)測估算植被覆蓋度的方法有植被指數法、回歸模型法、機器學習法等，其中植被指數法應用較廣泛，該方法多利用各種植被指數建立與植被覆蓋度的轉換關系，近似估算植被蓋度。歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是常見植被指數中的一種，通過測量近紅外（植被強烈反射）和紅光（植被吸收）之間的差異來量化植被，作為檢測植被生長狀態(tài)的重要指示因子，其靈敏度較高，應用最為典型。一般認為NDVI 為正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大，0.2～0.8 表示有植被覆蓋。本研究采用NDVI 建立植被指數與植被覆蓋度（FractionalVegetation Cover，FVC）的轉換關系，如公式（1）和（2）所示[2-3]。

式中：INDV為歸一化植被指數或標準差植被指數；Pnir為近紅外波段的反射值；Pred為紅外波段的反射值。本文選取的Landsat-5 TM 影像，紅外波段和近紅外波段分別對應3、4通道。

式中：FVC為所計算像元的植被覆蓋度；INDV為所計算像元的植被指數；INDVv為純植物像元的植被指數；INDVs為完全無植被覆蓋像元的植被指數。本文INDVv和INDVs取值分別為植被指數累計百分比在95%和5%的數值。

結合黑河流域植被實際生長情況，將研究區(qū)植被覆蓋度分為低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋、高覆蓋4 個等級（見表1）[4]。

表1 黑河水源保護區(qū)植被覆蓋度分級

在ENVI 平臺利用公式（1）和（2）進行圖像運算得到研究區(qū)FVC柵格文件。基于ArcGIS平臺對FVC柵格文件按表1 分級標準進行重新分類，得到研究區(qū)植被覆蓋空間分級分布數據。

2.3 敏感區(qū)劃定

水源涵養(yǎng)能力受山地起伏、地表覆蓋差異、土壤、降雨等因素影響，如陡坡附近或地表覆蓋率較低的地方易發(fā)生水土流失[5]。本文選取坡度和植被覆蓋度2 個對水源涵養(yǎng)功能影響較大的指標，參考土壤侵蝕劃分標準，對研究區(qū)進行水源涵養(yǎng)敏感區(qū)劃定，分為低敏感區(qū)（生態(tài)環(huán)境較好、水源保護狀態(tài)較好）、中敏感區(qū)（水源保護風險較明顯，較易發(fā)生水土流失等）、較高敏感區(qū)（水源保護風險明顯，易發(fā)生水土流失等）、高敏感區(qū)（水源涵養(yǎng)功能損失嚴重，極易發(fā)生水土流失等），具體分級見表2[6]。

表2 水源涵養(yǎng)敏感區(qū)劃分指標

在ArcGIS 中對DEM 數據提取坡度，利用重分類功能將坡度分為4 個等級區(qū)，分別為[0°,5°)、[5°,15°)、[15°,25°)、[25°,90°)，將植被覆蓋度分級圖與坡度分級圖疊加，得到不同坡度等級下不同植被覆蓋度的空間分布情況，并按表2 的分類標準劃定為水源涵養(yǎng)低敏感區(qū)、中敏感區(qū)、較高敏感區(qū)、高敏感區(qū)4個區(qū)域，進行面積統(tǒng)計。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋情況

1）水源保護區(qū)內植被覆蓋度以高覆蓋為主，其次為低覆蓋、中覆蓋和中低覆蓋，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量整體較高，水源涵養(yǎng)能力較強。

2）低覆蓋區(qū)占8.65%，一部分集中在水庫周邊、黑河及其支流河（溝）道兩側，該區(qū)域內多為道路、農村居民住宅，植被以灌、草、經濟苗木、農作物為主。該區(qū)域受人類生產生活活動影響明顯，以人工植被為主，地表覆蓋稀疏。一部分集中在高海拔的山脊或鞍部區(qū)域，分布有裸巖、高山草甸、人工植被（經濟苗木）。

3）中低覆蓋區(qū)占4.46%，分布在低覆蓋區(qū)附近，以灌、草為主，處于人工干擾區(qū)—自然群落演替過渡區(qū)。中覆蓋區(qū)占5.74%，分布在中低覆蓋區(qū)附近，主要有針葉林、針闊混交林、闊葉林及灌叢，植被較茂密。

4）高覆蓋區(qū)占81.15%，廣泛分布，遠離交通道路和居住區(qū)，受人類活動干擾較少，保持自然群落狀態(tài)，以喬木為主，植被茂密。

3.2 水源涵養(yǎng)敏感性

如圖1 所示，保護區(qū)水源涵養(yǎng)以中、低敏感區(qū)為主；因近年來黑河流域生態(tài)保護工作力度大，植被整體生長狀況較好，受坡度和植被覆蓋度影響的敏感區(qū)面積小、分布較廣。其中：低敏感區(qū)占23.57%，以植被高覆蓋度區(qū)域為主；中敏感區(qū)占66.58%，以植被中、高覆蓋度區(qū)域為主；較高敏感區(qū)占5.52%，以植被中低覆蓋度、低覆蓋度區(qū)域為主，分布在河道兩側邊坡；高敏感區(qū)占4.33%，以植被低覆蓋度區(qū)域為主，主要分布于庫周、河道兩側及上游源頭區(qū)（裸巖），呈帶狀分布，距離河（溝）道10～200 m。

圖1 黑河水源地水源涵養(yǎng)敏感區(qū)圖

陳河至取水口段（即水源一級保護區(qū)、二級保護區(qū)），以及黑河左岸支流大蟒河與右岸支流虎豹溝、板房子河區(qū)域屬水源涵養(yǎng)高敏感區(qū)，邊坡陡峭，植被稀疏，應減少人為干擾，加強水源涵養(yǎng)能力建設，如河流生態(tài)緩沖帶建設，進一步涵養(yǎng)水源，同時減少面源污染。

4 結論與討論

本文利用“3S”技術，以植被覆蓋度、坡度為基礎劃定區(qū)域水源涵養(yǎng)敏感區(qū)，提出黑河水源地生態(tài)保護建議。結果表明：1）黑河水源保護區(qū)植被以高覆蓋為主，占區(qū)域總面積的81.15%，且分布廣泛；低覆蓋區(qū)占區(qū)域面積的8.65%，主要分布在水庫周邊、黑河及其支流河（溝）道兩側；2）因近年來黑河流域生態(tài)保護工作力度大，區(qū)域植被生長狀況良好，水源涵養(yǎng)以中、低敏感區(qū)為主，占區(qū)域面積的90%以上；3）水源涵養(yǎng)高敏感區(qū)占區(qū)域面積的4.33%，面積較小，但沿河（溝）道兩側10～200 m 呈帶狀廣泛分布；4）水源一級保護區(qū)、二級保護區(qū)及大蟒河、虎豹溝、板房子河應加強水源涵養(yǎng)能力建設。

山區(qū)地表水水源地水源涵養(yǎng)敏感區(qū)集中在河（溝）道兩側，因此對河（溝）道兩側進行生態(tài)緩沖帶建設，有利于提高水源涵養(yǎng)能力，攔截面源污染，保障水源安全。降雨、土壤等因子也是影響水源涵養(yǎng)的指標，本文僅選取植被覆蓋度和坡度2 個因子進行分析，具有一定的局限性，后期可增加影響因子進一步研究?；贜DVI 構建的植被遙感估算法，低覆蓋區(qū)包含水域、交通道路等，統(tǒng)計存在一定誤差，可在后期研究中進一步修正。