江西省水源涵养量动态变化遥感监测与分析

曹 飞 肖如林 付 卓 殷守敬 杨 旻 蔡明勇

(环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094)



江西省水源涵养量动态变化遥感监测与分析

曹 飞 肖如林 付 卓 殷守敬 杨 旻 蔡明勇

(环境保护部卫星环境应用中心，北京 100094)

稳定而又良好的水源涵养量是维持区域生态环境稳定、实现生态保护可持续发展的重要基础。迄今为止，国内开展水源涵养功能监测与评估主要涉及森林生态系统和不同土壤特性下的水源涵养量的计算，有关省域尺度的水源涵养量变化监测研究相对较少。因此，本文选取江西省作为研究区，采用降水贮存量法结合遥感技术，基于研究区降水量和植被度指数数据，监测分析研究区水源涵养量在2010-2015年间的时空变化情况。结果显示，2010-2015年间，江西省水源涵养量的整体格局基本保持稳定，整体略有小幅降低。

水源涵养；变化；遥感；江西

引言

水源涵养功能概念较为广泛，主要表现形式包括生态系统的拦蓄降水、调节径流、影响降雨量、净化水质等[1]。水源涵养生态功能评估虽具有基本的理论和方法，但由于不同学者对水源涵养服务功能内涵理解存在差异，致使水源涵养服务功能至今尚未形成一个公认的定义，因而其核算方法也多种多样(土壤蓄水能力法、降水贮存量法、雨水量平衡法等)，并且评估结果差异也较大，但在量级上却是一致的[2]。目前，国内水源涵养服务功能监测与评估主要涉及森林生态系统，或不同土壤特性下水源涵养量的计算[3-5]以及特定生态区域的水源涵养服务功能评价[6-8]，有关省域尺度的水源涵养量变化监测研究相对较少。同时，上述研究需要采集地面监测数据测定指标数值，造成研究周期较长，时效性差，削弱了区域规划发展的指导意义。

遥感技术具有时效性强、监测范围广、数据便于获取等优势，目前已广泛应用于生态环境监测领域，并取得了非常显著的成效。降水储存量法是计算水源涵养量方法中的一种，因其计算原理可以很好地与遥感数据相结合，并能快速地计算出水源涵养量，使其成为一种方便、快捷、实用的水源涵养变化监测方法。这种方法通过对比植被覆盖区域与裸地的径流减少量，认为其减少量即为水源涵养量，因此，降雨量和植被覆盖度成为衡量水源涵养量的重要指标[9]，其中，植被覆盖度可以利用遥感影像归一化植被指数NDVI计算得出，由此，利用遥感数据就能计算出水源涵养量，从而开展水源涵养量变化遥感监测研究。

1 研究区

江西省位于我国东南近海内陆，居长江中、下游南岸。长期以来，人们都认为江西省属于丰水地区，并不缺少淡水资源。但实际上，江西省人均拥有水资源量仅为世界平均值的1/3，属于少水地区。同时，江西省水资源量在年际间变化较大，在年内的分配也极不均匀，主汛期(4～6月)占全年降水总量的50%，在这期间有大量洪水资源没有得到有效利用就白白流走[10]。因此，江西省水源涵养量变化的监测研究，对该地区的水资源安全和可持续发展利用都具有重要作用。而国内有关省域水源涵养量状况的变化监测研究相对较少。为更好的了解江西省的水源涵养情况，本文选取江西省作为研究区，基于遥感技术，采用降水量和植被覆盖度指数，从降水贮存量的角度，对该区域在2010-2015年的水源涵养量的进行动态监测。

图1 江西省遥感影像图

2 监测方法及数据

2.1 监测方法

水源涵养能力通过生态蓄水能力Q体现。即与裸地相比，各类生态系统涵养水分的增加量，生态蓄水能力Q值越高，表明生态系统可调蓄容量越大，生态系统水源涵养能力越强。

采用降水贮存量法，即用森林生态系统的蓄水效应来衡量其涵养水分的功能。对比林地与裸地的径流减少量，认为其减少量为水源涵养量。

Q=A·J·R

J=J0·K

(1)

(1)Q：与裸地相比较，森林、草地、湿地、耕地、荒漠等生态系统涵养水分的增加量(m3)；

(2)A：面积；

(3)J：计算区多年均产流降雨量(P>20mm)(mm)；

(4)J0：计算区多年均降雨总量(mm)；

(5)K：产流降雨量占降雨总量的比例；根据赵同谦等以秦岭-淮河一线为界限，将全国划分为北方区和南方区。北方降雨较少，降雨主要集中于6-9月份，甚至一年的降雨量主要集中于一两次降雨中。南方区降雨次数多、强度大，主要集中于4-9月份。因此，建议北方区K取0.4，南方区K取0.6。本研究区为江西省，年均降水1638mm，属于南方湿润地区，设定K值为0.6。

(6)R：与裸地(或皆伐迹地)比较，生态系统减少径流的效益系数；根据已有的实测和研究成果，结合各种生态系统的分布、植被指数、土壤、地形特征以及对应裸地的相关数据，可确定全国主要生态系统类型的R值，表1是主要森林生态系统的R值。其他草地、灌木林、沼泽等生态系统的R值有待于进一步确定。而冰川、湖泊、河流、水库等湿地生态系统水源涵养量为系统平均储水(蓄水)量。

(7)R0：产流降雨条件下裸地降雨径流率。

(8)Rg：产流降雨条件下生态系统降雨径流率。

由上述方法可知，水源涵养量监测采用植被覆盖度指数和降雨量两个指标进行监测分析，其中植被覆盖度指数采用MODIS数据的归一化植被指数数据NDVI通过计算得出。

植被覆盖度的计算公式如下：

(2)

式中：NDVIV和NDVIs分别是茂密植被覆盖和完全裸土像元的值。

用李元寿等[11]、夏军等[12]及Yin Jianzhong等[13]关于不同植被覆盖度对应径流系数的影响，建立植被覆盖度和径流系数之间的联系，加之采用降雨量数据，利用降水贮存量法便可计算出地区的水源涵养量。

表1 不同植被覆盖度对应径流系数分级表

2.2 数据

数据采用降水量和NDVI数据，其中，降水量数据时间为2010年和2015年，NDVI数据为2010年和2015年的月数据。

3 结果与分析

3.1 水源涵养现状监测与评价

通过计算，获取江西省2010年及2015年的水源涵养遥感综合评价监测结果，如图2所示。

图2 江西省水源涵养遥感监测评价结果

图2中颜色由红色过渡到绿色再到蓝色，表示水源涵养遥感监测值从低值到高值逐渐变化。从数值范围角度来看，2010年水源涵养遥感综合评价监测价值范围为[3.8×10-5mm，467.2mm]，水源涵养量为6.0×1010吨，2015年为[3.1×10-5mm，505.6mm]，水源涵养量为5.9×1010吨。可以看出，2015年水源涵养遥感综合评价监测评价的最高值大于2010年，最小值则小于2010年，其整体变化幅度要大于2010年；从空间分布角度来看，按照水源涵养遥感综合评价监测值，可将研究区大致分为低值、中值和高值等3个区域，大致表现为：区域西南部显示为红色到黄色的低值区域，中部到西部区域为蓝绿色的中值区域，东部及东北部区域为蓝色的高值区域；从时间角度来看，2010～2015年间的水源涵养量在空间分布上基本相似，大体都表现为南部、西南部为低值，中部、中西部为中值，东部及东北部区域高值区域，而5年间水源涵养量的变化主要为东北部地区水源涵养量下降。以上分析说明，2010～2015年间水源涵养分布规律并未发生较大变化，但在局部地区表现出降低的趋势。

3.2 水源涵养变化监测分析

通过GIS叠加分析和波段运算，计算2015年水源涵养综合评价值与2010年的差值，差值小于0表示水源涵养量降低，大于0表示水源涵养量增加，其结果如图3所示。图中红色表示水源涵养量增加、绿色表示下降。从图中可以看出，中南部的大部分区域表现为红色及橙黄色区域，北部及零散地区显示为绿色及黄绿色区域。经统计，降低区域面积占研究区总面积的55%，增加区域占45%，降低区域面积约是增加区域的1.2倍。基于分析可知，2010～2015年，研究区水源涵养量有所下降，整体呈下降趋势。

图3 江西省水源涵养变化量遥感监测分析结果

4 结 论

(1)江西省在2010～2015年间水源涵养量的整体情况基本稳定，但从面积角度来看，降低区域范围略大于增加区域。水源涵养量减少区域主要集中于鄱阳湖周边区域，表明鄱阳湖周边区域的水源涵养量减少，对江西省水源涵养量的维持造成一定程度影响，可能与鄱阳湖环湖区域开发强度增加有关。

(2)水源涵养的变化是一个持续变化的过程，由于受数据的限制，本文的时间尺度仅为5年，在条件允许情况下，今后的研究应适当扩大。

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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

曹飞，工程师，研究方向为环境应急与风险评估分析

肖如林，博士，高级工程师，研究方向为生态环境保护监管、环境应急3S技术研究与应用

X21

A

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

项目资助：自然保护区典型人类活动变化自动提取技术研究、山西省矿区生态环境监测系统及评价体系研究

引用文献格式：曹 飞 等.江西省水源涵养量动态变化遥感监测与分析[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：210-212.