基于RS/GIS的湖北省水源涵养重要性评价.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.83M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 RS/GIS 的湖北省水源涵养重要性评价刘兆芹，何晓蓉，严冬** （武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉 430070） 10 5 摘要：根据水源涵养重要性评价的研究成果和湖北省的环境特征，基于 RS 和 GIS 技术，选取降雨量、植被、土地覆盖、土壤质地、人口数量和土地利用类型 6 个指标，建立水源涵养重要性评价模型，评价湖北省水源涵养重要性，结果表明：（1）湖北省的水涵养重要性从东南到西北依次减弱，湖北省的东南部水源涵养最重要，北部地区最不重要；（2）水源涵养功能较高的是咸宁、恩施、黄石市，其次是宜昌和麻城的东南部和鄂州市东北部，较差的地方随州市、荆门市东北部、十堰市北部和孝感市西北部；（3）湖北省水源需求较大的区域分布在湖北中东部，襄樊北部，荆州大部、沙门市、武汉市和麻城的西南部。关键词：环境科学；RS 和 GIS；水源涵养评价；水源需求；综合指数法中图分类号：X82 15 Assessment of Eater Conservation Important Based on RS/GIS of Hubei Province LIU Zhaoqin, HE Xiaorong, YAN Dong (School of Resources and Environmental Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070) Abstract: According to the result about improtance evaluation of water conservation and environment characteristics of Hubei province, based on RS and GIS technology, select rainfall, vegetation, land cover, soil texture, population and land use type , establish importance evaluation model of water conservation, evaluate water conservation importance in Hubei province, and the results show that: (1) From the southeast to the northwest,hubei province’s water conservation importance are weaker and weaker, more important area mainly distributed in the southwest of Hubei province，the north, the least important. (2) The higher function of water conservation is Xianning City, Enshi City, Huangshi City, the lower is the southeast of Yichang City, the southeast of Macheng City and northeast of Ezhou City. The poorest function of water conservation place is Suizhou City, Jingmen City, northeast of Shiyan City, northwest of Xiaogan City. (3) The area of highly water demand mainly distributed in east-central Hubei, such as northern of Xiangfan City, Jinzhou City, Shamen City, Wuhan City and the southwest of Macheng City. Key words: Environmental Science; RS/GIS; evaluation of water conservation; water demand; comprehensive index method 20 25 30 35 0 引言水是生命的源泉，是生态系统不可缺少的要素，同土地、能源等构成人类经济与社会发展的基本条件，随着全球水资源需求量的不断增加以及水环境的急剧恶化，水资源紧缺成为人民所共同关注的全球性问题[1,2]。水源涵养是生态系统重要的服务功能之一，水源涵养重 40 要性评价具有重要的生态学意义和经济意义。通过具体区域水源涵养重要性的研究，不仅有助于识别水源涵养重要性的时空分布，确定水源保护的重要区域，为水源涵养区的建设和保护提供了重要的科学依据，同时对水源涵养重要性较弱区域的建设具有重要的指导意义和现实意义。从世界范围上看，发达国家水源涵养的系统研究始于 20 世纪 70 年代。从目前研究进展作者简介：刘兆芹（1988-),女，研究生，主要研究方向：环境管理与评价通信联系人：何晓蓉，女，副教授，主要研究方向：区域环境退化与生态重建. E-mail: hxr970114@163.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 45 上看，国外关于水源涵养效益方面的研究报道较多。在国内，刘延国在 Arcview3.3 上建立长江上游植被类型数据库，计算各植被类型水源涵养功能，生成 1100 万长江上游植被水源涵养功能评价图[3]。胡国红在 GIS9.1 的技术支持下，利用林冠截留、地被层截留和土壤蓄水 3 个评估指标，对长江上游地区森林生态系统不同植被单元的水源涵养功能进行了计量分析和研究，并且建立地理分析模型和数据库[4]；王春菊，汤小华在 GIS 软件的支持下，利用数据处理得到的流域面积，水系分布，地貌类型，年降水量，植被类型等资料，完成了评价指标的提取和集成，并按照重要性等级标准进行了福建省水源涵养功能重要性评价[5]；刘征 50 选取植被结构类型，植被郁闭度、地表层覆盖状况和土壤理化性质等指标，运用层次分析法，根据专家系统意见，构建判断矩阵，确定了各指标的权重。综合叠加各指标矢量图，得到了河北省水源涵养生态功能保护区分级图[6]。凡非得在桂西北喀斯特地区生态系统服务功能重 55 要性评价与空间分析中选取蓄水状况、河流、水库的给水状况为影响因子，降雨量、蒸发量、河流水系、洼地分布为指标进行了水源涵养功能重要性评价[7]。聂忆黄基于区域水量平衡，利用地表能力平衡的原理计算陆地实际增发散量，结合遥感数据对祁连山水源涵养重要区水源涵养能力强弱的空间分布及其变化规律进行了计算和分析[8]。王晓学根据元胞自动机的基本原理，结合水源涵养效应的多尺度特征，提出了一个新的基于元胞自动机的水源涵养量计 60 算模型。这种新模型讲水源涵养由小尺度向流域、景观尺度上推提供有效的定量研究途径，从而进一步推动水源涵养功能研究的深入[9]。涵养水源的生态系统是一个自然、社会经济综合作用的系统，目前，水源涵养评价体系的构建多是考虑区域的自然特征，社会因素被忽略。湖北省素有千湖之省的美誉，水资源总量居全国第四，但是降雨量分布不均，地形地貌等原因导致水资源时空分布不均，汛期饱受 65 洪涝灾害之苦，枯季缺水源不足，水资源的优势反而成为了劣势，制约了湖北省社会经济的可持续发展。因此，本文基于 RS 和 GIS 技术手段，选取自然和社会两大类指标，对湖北省水源涵养进行重要性评价，对生态系统重要性评价体系的构建具有指导意义，同时对湖北省的水资源可持续利用具有重要意义。 1 研究区概况和数据来源 70 1.1 研究区概况湖北省，简称“鄂”，位于中国中部、长江中游、洞庭湖以北，介于北纬29°05′至 33°20′，东经108°21′至 116°07′。东西长约 740 公里，南北宽约 470 公里，面积 18.59 万平方公里，占全国总面积的 1.95%，居全国第 14 位，正处于中国地势第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带，地貌类型多样，山地、丘陵、岗地和平原兼备。山地约占全省总面积 55.5%，丘陵和岗 75 地占 24.5%，平原湖区占 20%。温润多雨的亚热带气候、准盆地的地貌形态，使得湖北省成为我国水资源的丰水区和淡水湖泊集中分布区之一。我国第一大河-长江自西向东横贯本省，流贯省内的长度为 1061 公里，并有洞庭湖的湘、资、沅、澧四水和汉江汇入干流。湖北省受亚热带季风气候控制，年平均气温 15-17℃，年均降雨 750-1600mm，大于等于 10℃活动积温 4300-5500℃，每年 4-10 月，气温高，降雨丰沛，十分有利于农作物的生产。在中国植 80 被区划中，湖北省隶属于亚热带常阔叶林区域，东部（湿润）常绿阔叶林亚区域，包括北压热带常绿、落叶混交林地带和中亚热带常绿阔叶林北部亚热带两个地带。 - 2 -

中国科技论文在线 1.2 数据及处理 http://www.paper.edu.cn 遥感影像数据主要是从国际科学数据服务平台的镜像数据获取。获取的数据为 Landsat ETM+传感器在 2000 年前后拍摄的遥感影像图。数据格式为 MrSID 格式，投影/坐标系为 85 UTM / WGS84。植被类型、土地覆盖类型和土壤质地类型数据来源于中国行政区划图对相应的专题地图。数据处理的技术路线如图: 90 2 研究方法图 1 数据处理技术路线 Fig.1 Data processing technique 根据重要性评价指标选取的科学性、完备性、定性与定量结合、可比性和可操作的原则，选择对区域水源涵养重要性有重要影响的指标因子，赋予科学合理的权重，建立科学准确的 95 评价指标体系；根据评价指标体系从专题地图中提取专题数据，然后在 AcrGIS 软件上进行一系列的数据处理加工，采用多级加权求和的方法来评价水源涵养重要性。模型如下：式中 A 表示评价单元水源涵养重要性指数；Wi 为第 i 个指标权重值，Ti 为第 i 个指标 100 经过处理后的定量表达值，m 表示影响水源涵养重要性的指标要素的数量。生态系统中，涵养水源和水资源的利用同等重要，在查阅文献和专家咨询的情况下，确定水源涵养功能指数和水源涵养需求指数的权重值分别是 0.5,0.5。影响水源涵养功能的四个因子：降雨量、植被分布、土地覆盖、土壤质地，综合考虑水源涵养功能的内在机制和已有的调查研究[10-12]，确定它们的重要性大小为：降雨量>土壤质地类型>土地覆盖类型>植被, 105 它们的权重大小分别为 0.4,0.25,0.2,0.15。水源需求指数由生活用水、农业用水，工业用水三部分组成，考虑数据的可获取性，生活用水指标由人口数量量化，农业用水和工业用水统称生产用水，由土地利用类型量化，根据生活常识和专家意见，确定权重值分别为 0.4,0.6,如下图所示: - 3 - 大范围遥感影像合并，剪裁及坐标转换湖北省区域遥感影像非监督分类及分类后处理湖北省土地利用图全国人口数据剪裁及坐标转换湖北省人口数据湖北省水源需求图全国范围降雨量数据全国植被类型专题图全国土地覆盖类型图全国土壤质地类型图合并，剪裁，配准，重分类湖北省降雨量数据湖北省植被类型图湖北省土地覆盖图湖北省土壤质地图湖北省水源涵养功能图湖北省水源涵养等级图1*miAWiTi

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 110 图 2 水源涵养重要性评价指标权重 Fig.2 The index weight of water importance evaluation 由于各指标性质不同，量纲各异，需要实现统一标准下的定量化表达，使其在参与多因子综合分析时，保持因子间的均衡与综合性。因子标准化定量值均在 0~10 之间，各个指标表 1 水源需求指标量化分级图 Tab.1 The classification map of water demand index quantitative 土地利用类型人口数量 0 2 4 8 10 0-170 170-446 446-884 884-2003 2003-3930 3930-6491 6491-9783 9783-13896 13896-20021 20021-26757 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 115 的赋值如下：水域未利用的土地林地城市或建筑用地农业用地 1 120 表 2 水源涵养功能指标量化分值关系表 Tab.2 The quantification scoe table of water conservation function index 降雨量植被类型土地覆盖土壤质 778-883.1 1 灌木和萌生矮林 1 温带两年三熟粮作 2 黏土和落叶果树 2 883.1-988.2 2 一年两熟或两年三熟旱作和 2 亚热带一年两熟良 2 壤土暖泥带落叶果树园、经济林作和落叶、常绿果树 3 922.2-1093.3 3 单季稻喜凉旱作或一年三熟 2 落叶灌丛 4 壤黏土 4 5 6 7 8 9 旱作和亚热带常绿经济林 1093.3-1198.4 4 一年水旱两熟粮作和亚热带 4 亚热带双季稻、常绿 5 粉黏土常绿落叶经济林、果树林果树、经济林 1198.4-1303.5 5 针叶林 1303.5-1408.6 6 阔叶林 6 高山针叶林 7 砂壤土 8 常绿阔叶、落叶阔叶 8 砂粉土 1408.6-1513.7 7 湖泊 1513.7-1618.8 8 1618.8-1723.9 9 灌丛 10 水域 - 4 - 10 粉土 2 3 5 7 7 9 10 水源涵养重要性综合指数水源涵养功能指数0.5水源涵养需求指数）0.5降雨量(0.4)植被(0.15)土地覆盖(0.2)土壤质地(0.25)土地利用(0.6)人口数量(0.4)

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 10 1723.9-1829 10 3 结果分析 3.1 水源涵养功能重要性评价湖北省水源涵养功能=0.4*降雨量+0.25*土壤质地+0.2*土地覆盖类型+0.15*植被类型，运用空间分析的 Raster Calculater 计算器得湖北省水源涵养功能指数图如下： 125 图 3 湖北省水源涵养功能指数图 Fig.3 The index map of water conservation function of Hubei province 从图中可知湖北省水源涵养功能得分在 1.45-9.3 之间，平均值是 4.39。湖北省的平均涵养功能总体指数不高，没有达到令人满意的程度，中等以下水平的占湖北省大部。从行政区 130 域来看，水源涵养功能较高的是咸宁市、恩施市、黄石市，其次水源涵养功能较高的区域还有宜昌市的东南部，麻城的东南部和鄂州市东北部。咸宁市和恩施市降雨充足，水资源特别充足，切林地面积大，且植被多以针叶林、阔叶林、阔叶混交林为主。水源涵养功能较差的地方是随州市、荆门市东北大部、十堰市北部，孝感市西北部。这些地区降雨量较少，十堰市植被矮生灌丛较多，灌丛截留雨水能力差，随州、孝感、荆门的土质以粘土为主，故在涵 135 养水源方面表现较差。 3.2 水源需求评价湖北省水源涵养需求反映湖北省评价单元对实际需要的水量大小，水源涵养需求=0.4* 人口数量+0.6*土地利用类型, 在 AcrGIS 软件中，添加人口分布和土地利用类型两个图层，运用空间分析中的 Raster Calculater 计算功能,得到水源涵养需求评价图如下： - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 140 图 4 湖北省水源涵养需求指数图 Fig.4 The water conservation demand index chart of Hubei province 湖北省水源需求指数分布在 0.4-9.6 之间，评价值是 3.9。平均值比较小的原因是恩施、十堰地理空间较大，但是两个市的人口分布相对较少，且土地利用类型多以林地为主，故需 145 求水源相对较少，湖北省水源需求较大的区域主要分布在湖北中东部，如襄樊北部，荆州大部，沙门市、武汉市和麻城的西南部。这些区域的人口较多，人口密度大且农业耕种用水量大。武汉市中心用水量也较大，主要是人口较多，工业用水也较多。 3.3 湖北省水源需求程度分布水源涵养供需指数=水源涵养需求指数/水源涵养功能指数，反映评价区域实际需水与实 150 际蓄水之间的差距，比值越大，说明评价区域蓄水量大,湖北省水源涵养供需指数图如下：图 5 湖北省水源需求程度图 Fig.5 The water demand level chart of Hubei province 图中较亮的区域为急需水资源的地区，主要分布在湖北省的北部和中部地区，十堰北部， 155 襄樊北部，随州市，孝感市、天门市和武汉等地。这些区域涵养水量相对较少，但是水需求 - 6 -

中国科技论文在线量却较高。 3.4 水源涵养重要性综合评价 http://www.paper.edu.cn 水源涵养重要性指数=0.5*水源涵养功能指数+0.5*水源需求指数，得到湖北省水源涵养重要性指数图。 160 图 6 湖北省水源涵养重要性分级图 Fig.6 The importance classification map of water conservation of Hubei province 1 级区（0.925-1.914286）占 1.45%，2 级区（10914286-2.903572）占 9.99%，3 级区 165 （ 2.903572-3.892857 ）占 27% ，四级区（ 3.892857-4.882143 ）占 37.28% ，五级区（4.882143-5.871429）占 18%，六级区（5.871429-6.860715）占 5.89%，七级区（6.860715-7.85）占 0.39%。湖北省水源涵养功能重要性评价最大值仅为 7.85，这个值相对于是水源涵养功能指数和水源涵养需求指数的最大值是较小，且省内 7 级区的比例仅占 0.39%，说明湖北省涵养功能和需求功能在空间分布并不一致，涵养功能较好的区域水源需求并不是最高，水量需 170 求高的区域涵养水源的功能较低。从地理位置来看，湖北省的水涵养重要性分布表现为南重北轻，水源涵养较重要的区域主要分布在湖北省的西南部，北部地区最不重要。从整体来看，四级区比例最大，其次是 3 级区和 5 级区，三者面积之和为 82%，说明湖北省水源涵养重要性居于中等以下水平。 4 建议与不足 175 针对湖北省水源涵养现状，给出以下建议：（1）改变区域植被类型。阔叶林、针叶林的蓄水率较高，十堰、襄阳等水源涵养较差的区域应多种植此类林木，提高自身的涵养功能。（2）改变灌溉方式，提高水的利用率。湖北省是农业大省，农业用水量占总用水量的大头，节水潜力比较大大。在灌溉方式上大水漫灌十分普遍，引水渠利用率仅为 50%，即有一半的水白白渗漏蒸发掉了,可使用滴灌、淋 180 洒灌水技术、作物根际灌技术和配撒灌水技术。（3）禁止过度砍伐林木，毁林开垦，林木是生态系统发挥水源涵养功能的主体，过度砍伐造成严重的水土流失，降低了森林、土壤涵 - 7 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 养水源的功能，冲刷下来的泥沙缩短了水利工程的寿命，抬高和淤塞了河道和湖泊；（4）禁止围湖垦殖，湖泊为湖北省调蓄了大量水资源，但是近年来平原湖区过度的围湖垦殖，使湖泊的调蓄功能下降或消失，损失越来越大。 185 不足（1）数据处理的精度和不确定性：水源涵养重要性等级综合评价研究是一个系统性的研究，涉及到的数据十分复杂。植被类型、土地覆盖类型等数据根据公布的全国范围专题图进行多步处理获取。这些数据的精度本身就不够高，经过多步处理之后，精度就更加无法保障。此外获取的数据的时间尺度以及像元尺度存在很大的差异，也更加增加了结果的不确定 190 性。（2）主观性较强：涵养水源的系统是一个复杂的系统，其内部机理十分复杂，故影响水源涵养重要性评价的模型的因素很多，由于一些因素的数据较难获取，本文便忽略不计，这对湖北省水源涵养重要性分级产生了一定的影响，另外水源涵养重要性评价模型指标权重的赋值和量化存在很强的主观性，期待更好的方法解决这个问题。 195 [参考文献] (References) 200 205 210 [1] 高成德,余新晓.水源涵养林研究综述[J].北京林业大学学报,2000,22(5):78-82. [2] 姜文来.森林涵养水源的价值核算研究.水土保持学报[J],2003,17(2):34～40. [3] 刘延国,彭培好,陈文德,王玉宽,范建荣.基于 GIS 的长江上游植被水源涵养功能评价研究[J].安徽农业科学,2006,34（14）：3323-3325. [4] 胡国红,彭培好,王玉宽,廖清泉.基于 GIS 的长江上游森林生态系统水源涵养功能[J].安徽农业科学,2008:8919-8921. [5] 王春菊,汤小华.GIS 支持下的水源涵养功能评价研究[J].水土保持研究,2008,15(2):218-219. [6] 刘征,赵旭阳.河北省水源涵养生态功能保护区划分研究[J].水土保持通报,2008,(2):181-184. [7] 凡非得,罗俊,王克林,陈洪松,张伟.桂西北喀斯特地区生态系统服务功能重要性评价与空间分析[J].生态学杂志,2011, 30( 4):804-809. [8] 聂亿黄.基于地表能力平衡与 SCS 模型的祁连山水源涵养能力研究[J].地学前缘（中国地质大学（北京）；北京大学）:2010,17(3)：270-274. [9] 王晓学,李叙勇,莫菲,江燕基于元胞自动机的森林水源涵养量模型新方法-概念与理论框架][J].生态学报,2010,30(20):5491-5500. [10] 蔡体久.基于 RS 和 GIS 的林型结构与森林涵养水源关系的研究[J].水土保持学报,2001,15(4):16-19. [11] 张志永,张桌文,陈玉生.5 种主要森林类型涵养水源能力比较研究[J].福建林学院学报,2005,25（2）： 171-175. [12] 张彪,李文华,谢高地.北京市森林生态系统的水源涵养功能[J].生态学报,2008,28(11):5620-5624. - 8 -

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