白洋淀水文变化对土地利用类型的影响

赵 颖，张 丽，王 飞

(1.山西省环境科学研究院，山西 太原 030027； 2. 山西大学 体育科学研究所，山西 太原 030006)

白洋淀水文变化对土地利用类型的影响

赵 颖1，张 丽1，王 飞2

(1.山西省环境科学研究院，山西 太原 030027； 2. 山西大学 体育科学研究所，山西 太原 030006)

水文参数；土地利用类型；Mann-Kendal法；Theil-Sen’s slope法；白洋淀

利用非参数Mann-Kendal、Theil-Sen’s slope及Bayes Information Criterion方法，研究水文及土地利用类型的变化趋势，探讨水文情况对土地利用变化的影响，结果表明：白洋淀水位和温度变化存在下降趋势，下降幅度分别为0.02 m/a和0.11 ℃/a，降水量呈上升趋势，幅度约为0.04 mm/a。降水量和温度的时间序列未检测到突变点，水位时间序列的突变点为2004年。白洋淀水文改变对区域内的土地利用类型产生重要影响：该区域水体面积下降最为明显，湿地和农田是该区域目前最主要的土地利用类型。

水资源是支撑人类生存发展不可替代的自然资源，近年来愈发严重的水资源危机已成为许多国家和地区社会经济发展的重要制约因素。在流域尺度上，人类土地利用方式改变导致的土地覆被变化与河川径流量变化密切相关。土地利用/覆被变化揭示了流域下垫面各种土地利用类型的面积与分布，进一步影响植被降雨截留、地面蒸发、土壤水分下渗及蓄水能力等，因而改变了流域水文干旱、洪涝等灾害发生的频率和强度[1]。同时，水文水资源情势对土地利用/覆被变化的影响受到流域面积、气候、地形、土壤和植被类型等因素的制约[2-4]。水文过程对土地利用/覆被变化的影响，以及流域水资源可持续发展问题已成为区域植被恢复领域重要的研究课题[5-6]。

白洋淀位于海河流域大清河水系中游，是华北平原上最大的天然淀泊，具有缓洪滞沥、蓄水灌溉、调节局地气候、改善生态环境、补充地下水、保护生物多样性等多种生态功能，素有“北国江南”“华北明珠”的美誉。20世纪70年代以来，在自然和人类活动的双重作用下白洋淀水文条件发生了明显变化，上游来水量显著减少，出现了水源不足、湿地萎缩、干淀频繁、水质污染、水体富营养化、生物多样性减少等危机[7-8]。目前，关于白洋淀水土资源评价和生态环境治理等方面已经积累了一些研究成果，但是针对白洋淀水文变化对土地利用影响的专门研究目前还未见报道。本研究拟选取白洋淀湖区及周边区域为典型研究区，通过非参数Mann-Kendal、Theil-Sen’s slope及Bayes Information Criterion(BIC)方法，研究水文参数及各土地利用类型面积的变化趋势，探讨水文情况对土地利用类型的影响，以期为白洋淀水环境改善和生态恢复提供新的思路。

1 研究区和研究方法

1.1 研究区概况

白洋淀(39°02′～40°04′N、113°39′～116°11′E)位于华北平原中部，距离北京130 km，地跨河北、山西、北京3省(市)的30多个县(市)，流域面积约 3.12万 km2，是京津冀重要的淡水水源地；属湿润半湿润大陆性季风气候区，年均降水量约469 mm，降水具有典型的季节性特征，其中80%集中在6—9月份，年均气温变化范围11.4 ～13.2 ℃；地形地貌复杂，地势西高东低，上游分布有诸多水库设施用于枯水期湖泊水量的补充，整个湖泊区域地形最大落差不超过9 m[9]。进入21世纪以来，白洋淀水资源严重不足，上游水库的补给已成为维持其生态功能的重要措施(表1)。生态补水显著改变了湖泊的水位波动情况，也对湖泊周边土地利用产生了重要影响。研究生态补水条件下湖泊水文变化对土地利用的影响，对维护和恢复湖泊生态系统的完整性和安全性具有积极意义。

1.2 数据来源及研究方法

本研究中月水文数据集(1998—2009年)获取自安新县环保局，四期土地利用数据集(1996、2000、2005、2008年)获取自中国科学院地理资源中心。研究区主要土地利用类型有水体、湿地、农田和建设用地等4种。

表1 上游水库对白洋淀水量补给量 (2000—2009年)

水文数据趋势分析方法采用非参数Mann-Kendal 和 Theil-Sen’s slope 方法，为消除水文时间序列的自相关性及其季节相关性特征，采用pre-whitening 模式和差分方法进行数据预处理。趋势分析方法采用R语言“openair”包进行编程和做图。

水文数据突变分析是基于Bayes Information Criterion方法。该方法通过计算子数据序列最小残差平方和(RSS)而发现水文时间最优的突变点和突变点数量。突变分析方法采用R语言“strucchange”包进行编程和做图。该程序包能够检测到水文时间序列多个突变特征，如一段水文时间序列有m个突变点，则会将该时间序列分为m+1 段子时间序列，每一段时间序列均具有稳定的回归系数，“strucchange”包通过对每一时间段的BIC 和 RSS 指标的评估，基于最小BIC值和总体最小 RSS值确定最优的突变点。

2 结果与分析

2.1 水文数据的描述性统计特征

1998—2009年，白洋淀区域小于20 mm的降水量出现频率最大，水位和温度频率波动相对较小。图1显示了白洋淀水文参数月变化特征，其中降水量峰值出现在7月份，水位在7月份波动最小，温度最大值也出现在7月份。

图1 白洋淀水文参数月变化箱线图(1998—2009年)

2.2 白洋淀水文变化趋势分析

图2显示了去季节影响的月尺度降水量、水位和温度的变化趋势。由图2可知，水位和温度存在下降趋势，平均下降幅度分别为0.02 m/a和 0.11 ℃/a，但两者的变化趋势均不具有统计学的显著性(P>0.05)；降水量数据显示了上升趋势，其平均上升幅度约为0.04 mm/a，变化趋势也不具有统计学的显著性(P>0.05)。王洁等[10]对白洋淀流域气温、降水量的长期变化趋势的研究认为，降水量存在轻微的下降趋势，温度存在微弱的上升趋势，这与本研究结果有一定的类似。白洋淀水位下降是受淀区洼淀浅碟状结构影响，水面宽阔，水深较浅，蒸发损失较大，加之受耕地水土流失及区域气候变化的双重影响，水量减少严重。

2.3 白洋淀水文变化的突变分析

基于BIC方法对突变点的检测和基于最小RSS对突变趋势的估计，白洋淀水文时间序列可能的突变点分析结果见表2，其中：降水量和温度时间序列的突变点未被检测到；水位时间序列(综合考虑最小BIC值和最小RSS值)的可能突变点有4个，即1999、2001、2004、2006年。具体突变时间可由该区域土地利用中水体面积的动态变化来确定。

2.4 白洋淀土地利用类型的变化

白洋淀水文参数改变对区域内的土地利用类型产生了重要影响。据图3和表3，土地利用类型中水体面积下降最为明显，由1996年的76.26 km2减少到2009年的14.11 km2。2009年以后，湿地和农田成为该区域最主要的土地利用类型。白洋淀水体面积迅速萎缩发生在2005年前后(图3)，结合区域水文突变分析，可以确定白洋淀水文突变发生在2004年。此外，白洋淀区域湿地面积在2000年左右最大，之后逐渐缩小，湿地分布及面积的变化主要受水位的影响。从白洋淀水量补给来看，2004年2—6月水量补充达到近10多年的最大值(表1)，这与突变检测得到的2004年突变点的结论相一致，也与张敏等[11]的研究结果相印证，即2004年白洋淀处于干淀期，纯水域面积缩减严重，水生植被退化明显，湿地退化严重。

图2 白洋淀水文时间序列的变化趋势分析

注：图中粗实线代表趋势估计，细实线代表95%的置信区间。

图3 白洋淀土地利用变化

3 结论与建议

1998—2009年白洋淀水位和温度变化存在下降趋势，降水量变化呈现上升趋势，且三者变化趋势均不具有统计学的显著性。白洋淀湖区独特的淀区结构、人类活动和区域气候变化多重影响是造成白洋淀水文趋势变化的重要因素。白洋淀降水量和温度时间序列未检测到突变点，水位时间序列的可能突变点有4个，土地利用类型及水量补给确定突变点出现在2004年，这与同时期相关研究成果相符。白洋淀水文改变对区域内的土地利用类型产生了重要影响。土地利用类型中的水体面积下降最为明显，湿地次之，湿地和农田是该区域目前最主要的土地利用类型。

表2 白洋淀水文序列突变检测结果

表3 白洋淀各时期土地利用类型面积变化 km2

针对白洋淀区域因水量减少而出现的生态环境问题，提出以下治理措施和建议：① 针对入淀水量少的问题，建议加大上游水库(如西大洋水库、安各庄水库、王快水库和岳城水库)入淀水量排放。此外，随着白洋淀水量的减少，早期修建的上游人工河道、沟渠的作用也应进行相应调整，充分利用汛期洪水资源，在保证河道、沟渠畅通的前提下，尽可能多地使上游洪水资源入淀。 ②严格执行地下水开采规定，保证区域地下水采补平衡。通过关闭环保不合格企业、建立污水处理厂等方式，使上游地区排入淀内的城市生活用水、工农业废水达到生态用水要求。③建议严格限制在白洋淀区域内新开发耕地和建筑用地；保护和恢复水域周边的湿地，建立植被缓冲带；重点治理点源和内源污染。此外，积极开展白洋淀流域尺度下的水环境变化对土地利用空间格局湿地的影响研究，有助于揭示流域人类活动与景观生态系统变化和水环境的交互作用机制。

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(责任编辑 李杨杨)

国家自然科学基金项目(41401020，41601202)

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1000-0941(2017)05-0052-04

赵颖(1982—)，女，山西太原市人，高级工程师，博士，主要从事水环境污染与治理方面的研究工作。

2016-09-05