江西省水源涵養量動態變化遙感監測與分析

曹 飛 肖如林 付 卓 殷守敬 楊 旻 蔡明勇

(環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094)

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江西省水源涵養量動態變化遙感監測與分析

曹 飛 肖如林 付 卓 殷守敬 楊 旻 蔡明勇

(環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094)

穩定而又良好的水源涵養量是維持區域生態環境穩定、實現生態保護可持續發展的重要基礎。迄今為止，國內開展水源涵養功能監測與評估主要涉及森林生態系統和不同土壤特性下的水源涵養量的計算，有關省域尺度的水源涵養量變化監測研究相對較少。因此，本文選取江西省作為研究區，采用降水貯存量法結合遙感技術，基于研究區降水量和植被度指數數據，監測分析研究區水源涵養量在2010-2015年間的時空變化情況。結果顯示，2010-2015年間，江西省水源涵養量的整體格局基本保持穩定，整體略有小幅降低。

水源涵養；變化；遙感；江西

引言

水源涵養功能概念較為廣泛，主要表現形式包括生態系統的攔蓄降水、調節徑流、影響降雨量、凈化水質等[1]。水源涵養生態功能評估雖具有基本的理論和方法，但由于不同學者對水源涵養服務功能內涵理解存在差異，致使水源涵養服務功能至今尚未形成一個公認的定義，因而其核算方法也多種多樣(土壤蓄水能力法、降水貯存量法、雨水量平衡法等)，并且評估結果差異也較大，但在量級上卻是一致的[2]。目前，國內水源涵養服務功能監測與評估主要涉及森林生態系統，或不同土壤特性下水源涵養量的計算[3-5]以及特定生態區域的水源涵養服務功能評價[6-8]，有關省域尺度的水源涵養量變化監測研究相對較少。同時，上述研究需要采集地面監測數據測定指標數值，造成研究周期較長，時效性差，削弱了區域規劃發展的指導意義。

遙感技術具有時效性強、監測范圍廣、數據便于獲取等優勢，目前已廣泛應用于生態環境監測領域，并取得了非常顯著的成效。降水儲存量法是計算水源涵養量方法中的一種，因其計算原理可以很好地與遙感數據相結合，并能快速地計算出水源涵養量，使其成為一種方便、快捷、實用的水源涵養變化監測方法。這種方法通過對比植被覆蓋區域與裸地的徑流減少量，認為其減少量即為水源涵養量，因此，降雨量和植被覆蓋度成為衡量水源涵養量的重要指標[9]，其中，植被覆蓋度可以利用遙感影像歸一化植被指數NDVI計算得出，由此，利用遙感數據就能計算出水源涵養量，從而開展水源涵養量變化遙感監測研究。

1 研究區

江西省位于我國東南近海內陸，居長江中、下游南岸。長期以來，人們都認為江西省屬于豐水地區，并不缺少淡水資源。但實際上，江西省人均擁有水資源量僅為世界平均值的1/3，屬于少水地區。同時，江西省水資源量在年際間變化較大，在年內的分配也極不均勻，主汛期(4～6月)占全年降水總量的50%，在這期間有大量洪水資源沒有得到有效利用就白白流走[10]。因此，江西省水源涵養量變化的監測研究，對該地區的水資源安全和可持續發展利用都具有重要作用。而國內有關省域水源涵養量狀況的變化監測研究相對較少。為更好的了解江西省的水源涵養情況，本文選取江西省作為研究區，基于遙感技術，采用降水量和植被覆蓋度指數，從降水貯存量的角度，對該區域在2010-2015年的水源涵養量的進行動態監測。

圖1 江西省遙感影像圖

2 監測方法及數據

2.1 監測方法

水源涵養能力通過生態蓄水能力Q體現。即與裸地相比，各類生態系統涵養水分的增加量，生態蓄水能力Q值越高，表明生態系統可調蓄容量越大，生態系統水源涵養能力越強。

采用降水貯存量法，即用森林生態系統的蓄水效應來衡量其涵養水分的功能。對比林地與裸地的徑流減少量，認為其減少量為水源涵養量。

Q=A·J·R

J=J0·K

(1)

(1)Q：與裸地相比較，森林、草地、濕地、耕地、荒漠等生態系統涵養水分的增加量(m3)；

(2)A：面積；

(3)J：計算區多年均產流降雨量(P>20mm)(mm)；

(4)J0：計算區多年均降雨總量(mm)；

(5)K：產流降雨量占降雨總量的比例；根據趙同謙等以秦嶺-淮河一線為界限，將全國劃分為北方區和南方區。北方降雨較少，降雨主要集中于6-9月份，甚至一年的降雨量主要集中于一兩次降雨中。南方區降雨次數多、強度大，主要集中于4-9月份。因此，建議北方區K取0.4，南方區K取0.6。本研究區為江西省，年均降水1638mm，屬于南方濕潤地區，設定K值為0.6。

(6)R：與裸地(或皆伐跡地)比較，生態系統減少徑流的效益系數；根據已有的實測和研究成果，結合各種生態系統的分布、植被指數、土壤、地形特征以及對應裸地的相關數據，可確定全國主要生態系統類型的R值，表1是主要森林生態系統的R值。其他草地、灌木林、沼澤等生態系統的R值有待于進一步確定。而冰川、湖泊、河流、水庫等濕地生態系統水源涵養量為系統平均儲水(蓄水)量。

(7)R0：產流降雨條件下裸地降雨徑流率。

(8)Rg：產流降雨條件下生態系統降雨徑流率。

由上述方法可知，水源涵養量監測采用植被覆蓋度指數和降雨量兩個指標進行監測分析，其中植被覆蓋度指數采用MODIS數據的歸一化植被指數數據NDVI通過計算得出。

植被覆蓋度的計算公式如下：

(2)

式中：NDVIV和NDVIs分別是茂密植被覆蓋和完全裸土像元的值。

用李元壽等[11]、夏軍等[12]及Yin Jianzhong等[13]關于不同植被覆蓋度對應徑流系數的影響，建立植被覆蓋度和徑流系數之間的聯系，加之采用降雨量數據，利用降水貯存量法便可計算出地區的水源涵養量。

表1 不同植被覆蓋度對應徑流系數分級表

2.2 數據

數據采用降水量和NDVI數據，其中，降水量數據時間為2010年和2015年，NDVI數據為2010年和2015年的月數據。

3 結果與分析

3.1 水源涵養現狀監測與評價

通過計算，獲取江西省2010年及2015年的水源涵養遙感綜合評價監測結果，如圖2所示。

圖2 江西省水源涵養遙感監測評價結果

圖2中顏色由紅色過渡到綠色再到藍色，表示水源涵養遙感監測值從低值到高值逐漸變化。從數值范圍角度來看，2010年水源涵養遙感綜合評價監測價值范圍為[3.8×10-5mm，467.2mm]，水源涵養量為6.0×1010噸，2015年為[3.1×10-5mm，505.6mm]，水源涵養量為5.9×1010噸。可以看出，2015年水源涵養遙感綜合評價監測評價的最高值大于2010年，最小值則小于2010年，其整體變化幅度要大于2010年；從空間分布角度來看，按照水源涵養遙感綜合評價監測值，可將研究區大致分為低值、中值和高值等3個區域，大致表現為：區域西南部顯示為紅色到黃色的低值區域，中部到西部區域為藍綠色的中值區域，東部及東北部區域為藍色的高值區域；從時間角度來看，2010～2015年間的水源涵養量在空間分布上基本相似，大體都表現為南部、西南部為低值，中部、中西部為中值，東部及東北部區域高值區域，而5年間水源涵養量的變化主要為東北部地區水源涵養量下降。以上分析說明，2010～2015年間水源涵養分布規律并未發生較大變化，但在局部地區表現出降低的趨勢。

3.2 水源涵養變化監測分析

通過GIS疊加分析和波段運算，計算2015年水源涵養綜合評價值與2010年的差值，差值小于0表示水源涵養量降低，大于0表示水源涵養量增加，其結果如圖3所示。圖中紅色表示水源涵養量增加、綠色表示下降。從圖中可以看出，中南部的大部分區域表現為紅色及橙黃色區域，北部及零散地區顯示為綠色及黃綠色區域。經統計，降低區域面積占研究區總面積的55%，增加區域占45%，降低區域面積約是增加區域的1.2倍?；诜治隹芍?，2010～2015年，研究區水源涵養量有所下降，整體呈下降趨勢。

圖3 江西省水源涵養變化量遙感監測分析結果

4 結 論

(1)江西省在2010～2015年間水源涵養量的整體情況基本穩定，但從面積角度來看，降低區域范圍略大于增加區域。水源涵養量減少區域主要集中于鄱陽湖周邊區域，表明鄱陽湖周邊區域的水源涵養量減少，對江西省水源涵養量的維持造成一定程度影響，可能與鄱陽湖環湖區域開發強度增加有關。

(2)水源涵養的變化是一個持續變化的過程，由于受數據的限制，本文的時間尺度僅為5年，在條件允許情況下，今后的研究應適當擴大。

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A Study on Dynamic Change of Water Conservation in Jiangxi Province Based on Remote Sensing Monitoring

CAO Fei XIAO Rulin FU Zhuo YIN Shoujing YANG Min CAI Mingyong

(Satellite Environmental Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing，100094)

Stable and good water conservation is an important foundation for maintaining regional ecological stability and achieving sustainable development. So far，monitoring and assessment of water conservation in China has mainly involved the calculation of water conservation in forest ecosystems and different soil properties. There are relatively few studies in the monitoring of water resources conservation in provincial scale. Therefore，this paper selected Jiangxi Province as the study area，based on the precipitation and vegetation index data of the study area，used precipitation storage method and remote sensing technology to monitor and analyze the spatial and temporal changes of the water conservation capacity in the study area in 2010-2015. The results showed that the overall pattern of water conservation in Jiangxi Province was basically stable in 2010-2015，and the overall trend was slightly decreased.

water conservation；dynamic change；remote sensing；Jiangxi

曹飛，工程師，研究方向為環境應急與風險評估分析

肖如林，博士，高級工程師，研究方向為生態環境保護監管、環境應急3S技術研究與應用

X21

A

1673-288X(2016)06-0210-03

項目資助：自然保護區典型人類活動變化自動提取技術研究、山西省礦區生態環境監測系統及評價體系研究

引用文獻格式：曹 飛 等.江西省水源涵養量動態變化遙感監測與分析[J].環境與可持續發展，2016，41(6)：210-212.