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

摘 要 為更好地保護(hù)秦嶺黑河水源地生態(tài)環(huán)境，利用“3S”技術(shù)分析秦嶺黑河水源保護(hù)區(qū)植被覆蓋情況，以植被覆蓋度、坡度為基礎(chǔ)，劃定區(qū)域水源涵養(yǎng)敏感區(qū)。結(jié)果表明：1）黑河水源保護(hù)區(qū)植被以高覆蓋度為主，且分布廣泛；低覆蓋度區(qū)主要分布在水庫(kù)及其周邊、黑河及其支流河（溝）道兩側(cè)；2）90%以上區(qū)域?yàn)樗春B(yǎng)中、低敏感區(qū)，高敏感區(qū)占4.33%，主要沿河（溝）道呈帶狀分布。因此，應(yīng)加強(qiáng)水源一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)，以及大蟒河、虎豹溝、板房子河水源涵養(yǎng)能力建設(shè)。

關(guān)鍵詞 歸一化植被指數(shù)；植被覆蓋度；水源涵養(yǎng)；秦嶺黑河水源保護(hù)區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)：X37 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.19.014

森林植物主要通過(guò)林冠層、枯枝落葉層和土壤層攔截、吸收、蓄積降水實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yù)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(gè)自然保護(hù)區(qū)，區(qū)域內(nèi)植被狀態(tài)對(duì)水源地生態(tài)安全保障具有重要作用[1]。目前，關(guān)于秦嶺區(qū)域的研究多為植被覆蓋變化趨勢(shì)及驅(qū)動(dòng)力相關(guān)性研究分析、水資源相關(guān)研究等，針對(duì)水源地，特別是黑河水源地保護(hù)的相關(guān)研究較少。

本文以黑河水源地保護(hù)范圍為研究區(qū)域，基于遙感技術(shù)（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(shù)，分析區(qū)內(nèi)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(hù)建議，以期為秦嶺區(qū)域水源地生態(tài)環(huán)境保護(hù)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(hù)區(qū)面積

1 481 km2，包括一級(jí)保護(hù)區(qū)、二級(jí)保護(hù)區(qū)和準(zhǔn)保護(hù)區(qū)；涉及6個(gè)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(lèi)、地衣和菌類(lèi)植物。

2" 研究方法

2.1" 數(shù)據(jù)來(lái)源與預(yù)處理

選取2020年中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)http：//www.gscloud.cn）Landsat-5 TM影像（空間分辨率30 m，云量小于10%）、數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、水系圖及保護(hù)區(qū)圖等，在A(yíng)rcGIS、ENVI等軟件平臺(tái)支持下，進(jìn)行數(shù)據(jù)校正、配準(zhǔn)、合成、增強(qiáng)及裁剪等處理，獲得研究數(shù)據(jù)。

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(nèi)的垂直投影面積所占百分比。目前，基于遙感監(jiān)測(cè)估算植被覆蓋度的方法有植被指數(shù)法、回歸模型法、機(jī)器學(xué)習(xí)法等，其中植被指數(shù)法應(yīng)用較廣泛，該方法多利用各種植被指數(shù)建立與植被覆蓋度的轉(zhuǎn)換關(guān)系，近似估算植被蓋度。歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是常見(jiàn)植被指數(shù)中的一種，通過(guò)測(cè)量近紅外（植被強(qiáng)烈反射）和紅光（植被吸收）之間的差異來(lái)量化植被，作為檢測(cè)植被生長(zhǎng)狀態(tài)的重要指示因子，其靈敏度較高，應(yīng)用最為典型。一般認(rèn)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(shù)與植被覆蓋度（FractionalVegetation Cover，F(xiàn)VC）的轉(zhuǎn)換關(guān)系，如公式（1）和（2）所示[2-3]。

式中：INDV為歸一化植被指數(shù)或標(biāo)準(zhǔn)差植被指數(shù)；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(duì)應(yīng)3、4通道。

式中：FVC為所計(jì)算像元的植被覆蓋度；INDV為所計(jì)算像元的植被指數(shù)；INDVv為純植物像元的植被指數(shù)；INDVs為完全無(wú)植被覆蓋像元的植被指數(shù)。本文INDVv和INDVs取值分別為植被指數(shù)累計(jì)百分比在95%和5%的數(shù)值。

結(jié)合黑河流域植被實(shí)際生長(zhǎng)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(gè)等級(jí)（見(jiàn)表1）[4]。

在ENVI平臺(tái)利用公式（1）和（2）進(jìn)行圖像運(yùn)算得到研究區(qū)FVC柵格文件。基于A(yíng)rcGIS平臺(tái)對(duì)FVC柵格文件按表1分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新分類(lèi)，得到研究區(qū)植被覆蓋空間分級(jí)分布數(shù)據(jù)。

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(gè)對(duì)水源涵養(yǎng)功能影響較大的指標(biāo)，參考土壤侵蝕劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究區(qū)進(jìn)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(hù)狀態(tài)較好）、中敏感區(qū)（水源保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較明顯，較易發(fā)生水土流失等）、較高敏感區(qū)（水源保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)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(yán)重，極易發(fā)生水土流失等），具體分級(jí)見(jiàn)表2[6]。

在A(yíng)rcGIS中對(duì)DEM數(shù)據(jù)提取坡度，利用重分類(lèi)功能將坡度分為4個(gè)等級(jí)區(qū)，分別為[0°， 5°）、[5°， 15°）、[15°， 25°）、[25°， 90°），將植被覆蓋度分級(jí)圖與坡度分級(jí)圖疊加，得到不同坡度等級(jí)下不同植被覆蓋度的空間分布情況，并按表2的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)區(qū)域，進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)。

3" 結(jié)果與分析

3.1" 植被覆蓋情況

1）水源保護(hù)區(qū)內(nèi)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(zhì)量整體較高，水源涵養(yǎng)能力較強(qiáng)。

2）低覆蓋區(qū)占8.65%，一部分集中在水庫(kù)周邊、黑河及其支流河（溝）道兩側(cè)，該區(qū)域內(nèi)多為道路、農(nóng)村居民住宅，植被以灌、草、經(jīng)濟(jì)苗木、農(nóng)作物為主。該區(qū)域受人類(lèi)生產(chǎn)生活活動(dòng)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(jīng)濟(jì)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(guò)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(yuǎn)離交通道路和居住區(qū)，受人類(lèi)活動(dòng)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(hù)區(qū)水源涵養(yǎng)以中、低敏感區(qū)為主；因近年來(lái)黑河流域生態(tài)保護(hù)工作力度大，植被整體生長(zhǎng)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?yàn)橹鳎恢忻舾袇^(qū)占66.58%，以植被中、高覆蓋度區(qū)域?yàn)橹鳎惠^高敏感區(qū)占5.52%，以植被中低覆蓋度、低覆蓋度區(qū)域?yàn)橹鳎植荚诤拥纼蓚?cè)邊坡；高敏感區(qū)占4.33%，以植被低覆蓋度區(qū)域?yàn)橹鳎饕植加趲?kù)周、河道兩側(cè)及上游源頭區(qū)（裸巖），呈帶狀分布，距離河（溝）道10～200 m。

陳河至取水口段（即水源一級(jí)保護(hù)區(qū)、二級(jí)保護(hù)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?qū)偎春B(yǎng)高敏感區(qū)，邊坡陡峭，植被稀疏，應(yīng)減少人為干擾，加強(qiáng)水源涵養(yǎng)能力建設(shè)，如河流生態(tài)緩沖帶建設(shè)，進(jìn)一步涵養(yǎng)水源，同時(shí)減少面源污染。

4" 結(jié)論與討論

本文利用“3S”技術(shù)，以植被覆蓋度、坡度為基礎(chǔ)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(hù)建議。結(jié)果表明：1）黑河水源保護(hù)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(kù)周邊、黑河及其支流河（溝）道兩側(cè)；2）因近年來(lái)黑河流域生態(tài)保護(hù)工作力度大，區(qū)域植被生長(zhǎng)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(cè)10～200 m呈帶狀廣泛分布；4）水源一級(jí)保護(hù)區(qū)、二級(jí)保護(hù)區(qū)及大蟒河、虎豹溝、板房子河應(yīng)加強(qiáng)水源涵養(yǎng)能力建設(shè)。

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(cè)，因此對(duì)河（溝）道兩側(cè)進(jìn)行生態(tài)緩沖帶建設(shè)，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(biāo)，本文僅選取植被覆蓋度和坡度2個(gè)因子進(jìn)行分析，具有一定的局限性，后期可增加影響因子進(jìn)一步研究。基于NDVI構(gòu)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(jì)存在一定誤差，可在后期研究中進(jìn)一步修正。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李方周.秦嶺和合南北、澤被天下[J].陜西地質(zhì)，2021，39（1）：11-14.

[2] 竇永靜，王讓虎，付含培，等.山西省植被NDVI時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)力研究[J].山西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，46（1）：244-255.

[3] 謝綺麗，楊鑫，郝利娜.2001—2020年三江源區(qū)植被覆蓋時(shí)空變化特征及其影響因素[J].水土保持通報(bào)，2022，42（5）：202-212.

[4] 聶桐，董國(guó)濤，蔣曉輝，等.延安地區(qū)植被覆蓋度時(shí)空變化及驅(qū)動(dòng)力[J].水土保持研究，2021，28（5）：340-346.

[5] 張耀文，張勃，姚榮鵬，等.2000—2020年渭河流域植被覆蓋度及產(chǎn)水量時(shí)空變化[J].中國(guó)沙漠，2022，42（2）：223-233.

[6] 鄭雪慧，楊志，任正龑?zhuān)?基于GIS的寧夏土壤侵蝕敏感性與景觀(guān)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J].水土保持研究，2022，29（6）：8-13.