沐川縣水源涵養能力變化研究

洪宇辰 白浪 喻舒林

摘 要：本研究基于多年多源數據，采用水量平衡法計算出沐川縣多年水源涵養量，利用線性回歸分析得到了沐川縣的水源涵養能力變化情況。研究表明：沐川縣水源涵養能力變化較大，中西部區域水源涵養能力明顯增強，東北區域偏北方向水源涵養能力呈現下降趨勢，中東部區域水源涵養能力呈現減弱趨勢，中部區域及東南部分區域水源涵養能力呈現明顯減弱趨勢。整體來看，區域內水源涵養能力增強區域略多于減弱區域。主成分分析方法顯示，研究區水源涵養變化的首要驅動因素為高程，可以看作植被涵養水源能力，次要驅動力為降水量、植被覆蓋度和地表溫度，可以看作水分的流動分布情況。

關鍵詞：水源涵養變化；水量平衡法；線性回歸

中圖分類號：P344 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0091-02

Abstract： Based on years of multi-source data， the water balance method was used to calculate the amount of water conservation in Muchuan County， and the linear regression analysis was used to get the change of water conservation capacity in Muchuan County. The results showed that the water conservation capacity of Muchuan County changed greatly， the water conservation capacity of the central and western regions was obviously enhanced， the water conservation capacity of the north-eastern region showed a downward trend， and the water conservation capacity of the central and eastern regions showed a weakening trend. The water conservation capacity of the central region and the southeast part of the region showed a significant weakening trend. Taken as a whole， the enhanced water conservation capacity in the region is slightly stronger than the weakened area. The principal component analysis method shows that the primary driving factor of water conservation change in the study area is elevation， which can be regarded as vegetation water conservation ability， and the secondary driving forces are precipitation， vegetation cover and land surface temperature. It can be regarded as the flow and distribution of water.

Keywords： change of water conservation； water balance method； linear regression

1 概述

通過水源涵養量評價可以更清晰的認識到水資源情況。水源涵養作為陸地植被生態系統的重要功能，在調節徑流、凈化水源、減輕土壤侵蝕等方面起著巨大的作用。同時，科學評估水源涵養能力也是制定合理的生態保護措施以及建設生態工程的重要依據。研究評價分析一個區域水源涵養能力的時空變化規律，對預測分析下一個時間段內該區域水源涵養能力可能的變化并找到影響其變化的自然人為因素有著重要意義，另外根據區域內水源涵養能力的變化情況制定合理的措施有利于提高水源涵養功能產生的社會效益。

2 研究區概況

沐川縣位于四川盆地西南，東經103度59分，北緯28度58分東接宜賓、南連屏山縣、北靠沙灣、犍為縣，西與峨邊縣接壤，西南同馬邊縣毗鄰，岷江、金沙江倚境而過。地勢由西南向東北傾斜，地處亞熱帶濕潤季風氣候區。受地形與區域氣候影響，年平均氣溫17.3℃。幅員面積1422平方公里，人口26萬，轄19個鄉鎮、196個行政村，森林覆蓋率62.8%，被譽為“綠色明珠”。

3 研究方法

3.1 水量平衡法

水量平衡法從區域的層面將整個水分流動系統看做一個黑箱，從輸入輸出兩個方面考慮，通過輸入水分（大氣降水）減去輸出水分（蒸發蒸騰、徑流）即為該區域的涵養水分。由于區域內包含不同的生態系統，每個生態系統水源涵養能力不同，因此將區域劃分為不同的生態系統，分系統計算水源涵養量，最后將所有系統合并起來即整個研究區的水源涵養量分布情況。水量平衡計算方程如下公式（1）：

式中，TQ表示總的水源涵養量（m3）；Pi表示生態系統內的年降水量（mm）；Ri表示年地表徑流量（mm）；ETi表示年蒸散發量（mm）；Ai表示第i類生態系統的面積；i表示研究區內第i類生態系統類型；n表示研究區生態系統總類型數。地表徑流系數是指在同一時間段內流域面積上徑流量所占降雨量的數值。降雨量乘以地表徑流系數即為地表徑流量，計算公式如下公式（2）：

式中，R表示為地表徑流量（mm）；P表示年降雨量（mm）；a表示平均地表徑流系數。

3.2 線性回歸分析

線性回歸分析計算公式如下公式（3）：

其中Wi表示每年水源涵養量；n表示為研究總年份；i表示為研究年份；slope表示為一元線性回歸斜率，實際表示為水源涵養能力變化率；slope的大小反映了水源涵養量的變化情況，當斜率slope為負時，反映水源涵養能力減弱，當斜率slope斜率為正時，反映水源涵養能力增強。

4 數據獲取與處理

4.1 降雨與地表溫度數據

降雨數據以沐川縣及其周圍氣象站點數據為基礎，結合實際情況分析，選擇反距離加權法作為降水數據空間插值方法。經過空間插值、裁剪、投影得到沐川縣年降水量分布。

溫度數據與降雨量計算方法相似。以沐川縣及其周圍氣象站點數據為基礎，通過空間插值獲取。本次使用數據為沐川縣及周圍各站點日均溫度為基礎，通過統計得到各站點年日均溫度，并選定反距離加權法作為溫度數據空間插值方法，得到沐川縣各年溫度分布情況。

4.2 地形與蒸散發數據

本文使用的高程數據，通過拼接，投影，裁剪等步驟獲得高程數據，平均高程在400m左右，沐川縣區域內南端和西端普遍高程較高，中東部高程普遍在平均高程左右，高程較低的區域普遍分布在河流兩岸。基于研究區高程數據，使用ArcGIS空間分析工具--表面分析進行處理，分別獲取坡度坡向數據。

地表水轉化為水蒸汽的過程叫做蒸散發（Evapotranspiration，ET），這是一個復雜的物理過程，包括土壤表面水蒸發、植被冠層截流水分蒸發與植物自身水分的蒸騰。本文使用的蒸散發數據源自MOD16蒸散發（ET）數據集，通過裁剪、格式轉換等處理，獲得沐川縣多年蒸散發（ET）數據。

4.3 植被覆蓋度數據

植被覆蓋度是指植被冠層或葉面垂直投影在地面的面積占統計區總面積的比值，是表示地表植被覆蓋情況的重要因子之一。植被覆蓋度的計算常結合NDVI與像元二分模型，計算滿足公式（4）：

Fc=（NDVI-NDVIsoil）（NDVIveg-NDVIsoil） （4）

式中：NDVIsoil表示無植被覆蓋區或裸土的NDVI值；NDVIveg表示全植被覆蓋區的NDVI值；Fc為植被覆蓋度。

5 結果與分析

5.1 水源涵養量變化分析

運用公式（1），計算每類生態系統的面積，結合生態系統類型分區使用降水量、徑流量與蒸散發量，將結果和每個生態系統面積進行運算，最后求和得出水源涵養量。利用公式（3）計算2000年到2014年的水源涵養量變化情況。線性回歸分析結果即為水源涵養量變化率。變化率為負的區域即為水源涵養量減少的區域，變化率大于0的區域為水源涵養量增加的區域。

研究區水源涵養能力呈現減弱趨勢面積共計219.04平方公里；明顯減弱區域共計118.46平方公里；減弱區域共計100.58平方公里；區域水源涵養能力變化不大區域面積共計853.21平方公里，占總面積59.97%；區域水源涵養能力呈現增強趨勢的區域面積為350.46平方公里；明顯增區域共計48.9平方公里；增強區域共計301.56平方公里，共計21.19%。

5.2 水源涵養變化分析

本研究結合各類文獻資料及雅安市實際情況，綜合各類影響因素，利用主成分分析方法，對驅動因子進行識別。

利用ArcGIS的主成分分析進行分析。為了保證計算的客觀性和科學性，需要先對不同量綱的原始數據矩陣進行標準化處理，消除不同量綱帶來的誤差。主成分分析后得到的統計情況如下：

由表可知，第一主因子貢獻率最高，為80.63%，而第一、第二、第三因子累計貢獻率達到98.68%。由此，只考慮第一主因子和第二主因子作為主成分，其中高程可以看做首要驅動力，降雨量、地表溫度、植被覆蓋度可以看做第二驅動力。第一主因子即首要驅動力，表示沐川縣的植被涵養水源能力，第二主因子即第二驅動力，表示沐川縣的水分的流動分布情況。

6 結束語

研究結果顯示，沐川縣大部分區域水源涵養能力變化比較大，減弱趨勢面積共計219.04平方公里，明顯減弱區域共計118.46平方公里，占總面積8.33%，減弱區域共計100.58平方公里，占總面積7.08%；區域水源涵養能力變化不大區域面積共計853.21平方公里，占總面積59.97%；區域水源涵養能力呈現增強趨勢的區域面積為350.46平方公里，明顯增強區域共計48.9平方公里。占總面積3.43%，增強區域共計301.56平方公里，共計21.19%。沐川縣水源涵養能力變化的驅動因素分為兩類，首要驅動因素是高程，可以看做是沐川縣的植被涵養水源的能力，第二驅動力為以降水量、植被覆蓋度以及地表溫度為代表的第二主因子，可以看做沐川縣的水分流動情況。

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