2000—2020年汾河流...生态环境与水源涵养时空变化_许丽婷.pdf

第40卷第2期2023年2月Vol.40No.2Feb.2023干 旱 区 研 究ARIDZONERESEARCHhttp:/DOI：10.13866/j.azr.2023.02.1520002020年汾河流域生态环境与水源涵养时空变化许丽婷，刘海红，黄丽洁，王钰帆（陕西师范大学地理科学与旅游学院，陕西 西安710000）摘要：基于时空性、生态性和整体性原则，采用2000年、2005年、2010年、2015年以及2020年5期研究数据，利用RSEI模型和InVEST模型评估汾河流域20 a的生态环境质量及水源涵养量的动态变化，并通过相关性分析研究二者之间的关系。结果表明：（1）20002020年RSEI良好级面积增幅较大（23.6%），优级增加了1.9%，主要分布于汾河流域西部和东部地区。（2）2020年水源涵养总量为228.9108mm，相比于2000年增加了23108mm，主要分布于上游水源地，中下游的中部地区水源涵养量较低。（3）RSEI和水源涵养量二者的正相关性区域面积占78.42%，负相关性区域面积占21.58%，总体呈现出正相关性。汾河流域20 a来生态环境持续变好，良好和优面积逐年增加，差和较差面积逐年下降，中等级呈现波动上升后下降的趋势；水源涵养功能持续提高，上游水源地的水源涵养量明显增加，中下游中部地区较低；汾河流域生态环境与水源涵养正相关性区域面积比例最大，水源涵养能力提高能够促进生态环境质量变好，同时生态环境质量提高也能促进当地水源涵养能力的提高；存在21.58%的区域二者关系呈现负相关，主要与二者的主导因素有关。关键词：生态环境；水源涵养；时空变化；汾河流域生态环境治理和修复一直是研究的热点，极端天气事件引发的暴雨、洪水等气象灾害促使研究者高度重视水生态安全和风险评估，流域因其对生态环境质量变化和水生态安全有高度敏感性而成为研究的重点区域。流域水源涵养动态变化通过对河川径流、洪水调蓄、植被生长等产生影响，进而影响到流域的生态环境质量。关于生态环境和水源涵养关系的研究主要集中于生态系统服务权衡，有学者对植被覆盖度和产水量的关系进行了分析1，认为在阈值范围内，植被覆盖度增加会促进产水量的增加2。但也存在研究内容单一问题，不能立足于整体性观点研究生态环境和水源涵养的关系。生态环境监测是生态环境治理和修复的基础，遥感技术是监测和评估生态环境的有效手段3。遥感技术通过长时间和多空间尺度监测生态环境变化并结合特殊的地理背景就能够为区域生态环境治理和修复提供客观的数据依据。由湿度、干度、绿度和热度指标通过主成分分析得到的遥感生态指数（Remote Sensing Ecological Index，RSEI）4能够用来监测生态环境变化，提高环境监测的客观性。RSEI能够可视化生态环境质量变化的时空特征5，被广泛应用于城市群6、流域7、矿区8、山地9等区域的生态环境质量评价和动态演变分析，研究成果具有代表性和通用性，能够客观反映出生态环境的整体时空动态演变过程。作为生态系统服务功能之一的水源涵养，能够涵养土壤水分、维持植物生长所需水分、有效调节河川径流量10。其中水源涵养评估模型众多，InVEST（Integrate Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs Tool）模型以其可视化、定量化优势被学者广泛应用于水源涵养量的计算与评估中11，模型较为成熟，研究成果能够有效评价当地水源涵养量的时空变化特征。汾河作为黄河的第二大支流，水土流失严重，水资源供需矛盾突出12，水源涵养能力低13，生态环境问题突出，是黄河流域生态环境治理的重点。汾河流域2020年水质整体得到提升，类断面收稿日期：2022-06-13；修订日期：2022-10-27基金项目：陕西省水利厅基金项目（201510085）作者简介：许丽婷（1996-），女，硕士研究生，研究方向为区域开发与环境治理.E-mail:313325页40卷干旱区研究比例为41.7%，无劣V类断面，水质属于轻度污染，但大气污染和土壤污染问题严重，生态环境仍需持续治理和修复14。以往研究涉及土壤侵蚀15、植被覆盖16、水资源生态修复补偿17、生态系统服务功能18、生态脆弱性评价及修复19、生态环境评价与治理20等，但是总体的生态环境质量评价的时间更新较慢，对于20002020年的生态环境质量变化研究较少，基于RSEI的生态环境质量评价也较少，并且以整个汾河流域作为切入点，研究流域总体的水源涵养量较少，缺乏全流域的研究。因此需从时序和空间上补充和更新汾河流域生态环境质量评价，基于整体性原则，对全流域水源涵养功能进行评价分析。立足于整体性观点研究生态环境和水源涵养的关系，既能充分解释生态环境和水源涵养时空动态变化及其关系，也能促进汾河流域统筹协调经济发展和生态建设。鉴于此，本研究以汾河流域作为研究对象，基于时空性、生态性和整体性原则，采用2000年、2005年、2010年、2015年以及2020年5期研究数据，利用RSEI模型和InVEST模型评估汾河流域20 a的生态环境质量及水源涵养量的动态变化，并通过Pearson相关分析来研究二者之间的相关性，以此来检验20a来汾河流域生态环境治理效果。1研究区概况汾河发源于山西省宁武县境内（图1），自北向南流经忻州、太原、吕梁、晋中、临汾和运城六个地级市，于运城市万荣县注入黄河，全长713 km，流域南北延伸（1103011332E，35203900N），全域面积约39464 km2。汾河支流众多，包括潇河、文峪河、浍河等，流域内地势北高南低，平均海拔1128m，河道总高差1302 m21，西南是以吕梁山为主体的山地，东面是以太行山为主体的山地，中间是太原盆地、临汾盆地和运城盆地15。汾河流域属于大陆性半干旱季风气候，多年平均降水量为507 mm，年际变化大且年内分布不均，79月降水较为集中22，多年平均气温613 15。土壤类型以褐土为主23，水土流失严重，生态环境脆弱。2020年汾河水资源总量232.2108m3，当年径流深度54.9 mm，用水总量29.3108m3，农田灌溉用水占比较大，干流两岸生态环境明显好转。2材料与方法2.1 数据来源及预处理数据来源及预处理见表1。2.2 研究方法2.2.1 遥感生态指数基于研究区绿度、湿度、干度和热度的考虑，分别选取NDVI为绿度指数、WET为湿度指数、NDBSI为干度指数、LST为热度指数，4个指数分别代表影响生态环境质量的4个方面。为更客观准确的确定4个指数的权重，需要剔除人为干扰，首先对4个指数在ENVI软件中进行归一化处理，再根据将与生态环境质量相关的信息集中到较少的主成分上的主成分分析方法24，对4个指数进行权重确定。通过主成分分析，保留方差最大的第一主成分，用于表征汾河流域遥感生态指数，对其归一化处理，值越大说明生态环境质量越好。利用ENVI软件生成汾河流域RSEI栅格图层，并于ArcGIS软件中依照徐涵秋4提到的分级方法，将RSEI图层重分类为差（00.2）、较差（0.20.4）、中等（0.40.6）、良好（0.60.8）、优（0.81）。2.2.2水源涵养量基于InVEST模型下的年产水量（Annual Water Yield）模块进行汾河流域水源涵养图1 汾河流域概况图Fig.1 Overview of Fenhe River Basin3142期许丽婷等：20002020年汾河流域生态环境与水源涵养时空变化量计算，此模型依据水量平衡原理，在不考虑地表水和地下水相互作用的情况下，加入气候、地形、土地利用等数据，依托区域空间位置，对空间各点进行水量平衡分析，用降水量减去实际蒸散量得到每个点的径流量25，再以空间分布模式将图层输出，在ArcGIS平台加载图层可得到汾河流域的年产水量栅格数据。根据土地利用类型计算地表径流系数和径流量，用产水量减去径流量即为研究区的水源涵养量26。2.2.3 相关性分析为进一步分析生态环境质量与水源涵养量之间的关系，参考李晓荣等27采用的空间相关性分析方法，基于栅格数据空间像元单位，在ArcGIS软件中对汾河流域水源涵养量和遥感生态指数进行空间相关性分析。计算公式如下：Pearson空间相关分析：Rxy=Ni=1()xi-x()yi-y Ni=1()xi-x 2Ni=1()yi-y 2式中：Rxy为x和y的相关系数；N代表年数，N=5；i为第 i 年，取值为 15；xi为水源涵养量；x 为 20002020年水源涵养量的平均值；yi为遥感生态指数；y 为20002020年遥感生态指数的平均值。其中R取值范围为-1,1，R的绝对值越接近1，代表相关性越强，R取正为正相关，R取负为负相关。2.2.4 区域统计分析根据区域统计分析方法，通过ArcGIS平台叠加河段流域、县域边界和RSEI空间分布图，研究不同河段流域尺度和县域尺度下RSEI 各等级面积的空间分布和时空动态变化程度。结合不同河段流域和县域尺度，对流域 RSEI和水源涵养量进行空间相关性分析，探讨二者的相关性及可能的影响因素。3结果与分析3.1 遥感生态指数时空变化特征3.1.1 时间尺度变化特征依据上述遥感生态指数计算和分级方法，将汾河流域遥感生态指数分为：差、较差、中等、良好和优5个级别，以5 a作为一个时间梯度，从时间尺度上统计RSEI各分级面积及占比并分析RSEI发展趋势。通过发展趋势可以明显看出，RSEI的5个级别从20002020年呈现“两增两减一波动”状态，良好和优级面积呈现逐年增加趋势，差和较差级面积呈现逐年下降趋势，中等级呈现波动上升后下降趋势。从发展趋势方面反映了汾河流域20002020年生态环境质量呈现极大变好趋势，从治理成果方面反映了汾河流域多年的生态环境治理和恢复措施成效显著。分析20002020年RSEI各级面积及占比（图2），优级面积从仅有的90.9 km2到832 km2，增加了1.9%；良好级面积增幅较大，从6600.3 km2增加到15852.5 km2，增加了将近10000 km2，增幅达到23.6%，2020年优和良好级达到42.6%，可以看出，整体生态环境持续好转状态；中等级面积占比较大，是汾河流域生态环境的主体部分，2000 年占比47.7%到 2020 年 49.2%，面 积 从 18676.1 km2到19249.6 km2，增幅较小，仅增加了1.5%，说明汾河流域整体生态环境没有变差，中等水平比例较高；较表1 数据来源及预处理Tab.1 Data source and preprocessing operation数据类型汾河流域遥感影像土地利用类型降水量潜在蒸散发土壤空间分辨率/m905030100010001000数据来源中国科学院资源环境科学与数据中心全球云计算平台Landsat影像（TM影像和OLI影像）生态遥感前沿国家地球系统科学数据中心Applied Spatial Econometrics国家青藏高原科学数据中心数据处理DEM水文分析，确定流量和流向，划分分水岭，生成流域矢量边界中值合成、影像筛选、几何纠正、辐射定标、大气校正、拼接裁剪5期数据均进行Albers投影转换、流域矢量数据裁剪等预处理5期数据均进行Albers投影转换、流域矢量数据裁剪等预处理5期数据均进行Albers投影转换、流域矢量数据裁剪等预处理5期数据均进行Albers投影转换、流域矢量数据裁剪等预处理31540卷干旱区研究差级面积减小幅度较大，2000年占比33.8%到2020年占比 8.2%，面积从 13231.2 km2减少到 3192.9km2，减少了10038.3 km2；差级面积从531.7 km2减少到3.1 km2，2020年面积占比几乎为0，说明生态环境治理效果显著，整体呈现较好状态。3.1.2 空间尺度变化特征分析20002020年RSEI空间分布图（图3），优和良好主要分布于吕梁山以东和太行山以西的边缘地区，中等级分布最广，差和较差零散分布于汾河干流周边，这与山区植被生长较好和人