中国陆表水空间展布及动态变化分析

师俞晨 ， 王荣华,2

(1.北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京 102616；2.城市空间信息工程北京市重点实验室，北京 100038)

0 引 言

人类社会伊始，陆表水就是水资源中最为重要的一部分，它不仅曾哺育了世界各地的人类，同时带动了海陆的水循环，且影响着地表能量平衡[1]。近年来，随着全球生态环境的不断恶化，水资源匮乏的问题受到国内外广泛关注。中国的水资源总量在世界上名列前茅，但其中可用的淡水资源却屈指可数[2]。

相对于地面取样观测，遥感数据具有覆盖面广、稳定性好及存档周期长等特点，因此被广泛用于全球及区域范围的水域监测[3]。目前，基于遥感的全球或区域级水域研究中多使用空间分辨率为千米或百米级的遥感数据，比如AVHRR NDVI产品，MODIS相关产品以及ENVISAT ASAR数据等[4-7]。随着我国发布了世界上第一套空间分辨率为30米的全球地表覆盖产品(Globeland30)[8-9],将全球地表覆盖产品的空间分辨率从千米级提升到30米，为深入开展地表覆盖空间分布及变化分析研究奠定了数据基础。比如曹鑫等基于Globeland30产品对全球陆表水的空间格局与波动进行了详尽的分析[10]。

考虑到降水量是干、湿区自然区划的重要指标，在一定程度上反映了区域的干湿状况[11]，而陆表水的分布又与我国主要流域密切相关[12]。基于此，本文以Globeland30为数据源，以中国内陆地区为研究区，着眼于不同的流域及不同的降水区域，研究我国陆表水的空间分布及其随着时间的变化。首先对数据源及数据处理方法进行介绍，然后介绍统计分析和空间分析方法，以及对本文的结果进行分析和探讨，最后是本文的初步结论。

1 数据源及数据处理

1.1 数据源

本研究所采用的数据包括我国主要流域数据、等降水量线数据，以及覆盖我国范围内的2000年和2010年两期GlobeLand30数据，见表1。GlobeLand30全球地表覆盖产品是国际首套空间分辨率为30米的地表覆盖产品，共10个地表覆盖类别，分别是：耕地、森林、草地、灌 木地、湿地、水体、苔原、人造地表、裸地、冰川和永久积雪。目前一共有2000年和2010年两期产品，是综合利用美国陆地卫星 Landsat TM/ETM+、国产环境减灾星(HJ-1)等影像,采用基于像素分类-对象提取-知识检核的POK (Pixel-Object-Knowledge)方法，由国家基础地理信息中心生产和面向全球发布的[13-14]。我国主要流域划分不一，本文主要参考文献[15]的流域划分方法，将全国划分为10大流域:黄河流域、长江流域、珠江流域、青海流域、黑龙江流域、雅鲁藏布江流域、淮河流域、甘蒙内流域、海河流域、辽河流域。等降水量线则参考文献[16]，重点考察200mm等降水量线（干旱和半干旱区域的分界线）、400mm等降水量线（半干旱和半湿润区域的分界线）、以及800 mm等降水量线（半湿润区和湿润区的分界线）。

表1 本文所采用的数据Tab.1 Data used in this research

1.2 数据处理

首先，将GlobeLand30产品中的水体从数据集中提取出来。由于水体的属性值与其他有明显不同，因此采用重分类的方法将全球范围内水体提取出来。通过叠加分析，利用中国内陆的边界将中国内陆辖区内的陆表水提取出来。

其次，对于等降水量线数据和主要流域数据，利用已有的中国内陆边界数据，将相应参考文献中获取的图片格式的等降水量线数据和流域数据进行图像纠正和配准，并数字化出本文所需要的流域线数据和等降水量线数据。由于本文重点考虑不同流域区和不同干湿区划的陆表水分布及变化状况，因此，需要将上述线数据通过空间拓扑生成相应的面数据以便后续的结果分析。最终提取出包括辽河、海河、甘蒙内河流、淮河、雅鲁赞布江、黑龙江、青海、珠江、长江、黄河流域共十大流域区。

最后，利用等降水量线及其所包含的区域将全国划分为降水量为200mm以下的干旱区域、200～400mm的半干旱区域、400～800mm的半湿润区域以及800mm以上的湿润区域。

2 分析方法

目前，对区域或全球范围内水域空间分布及动态变化的分析方法主要有经纬度格网法和水域率法等[10,17]。根据文献[10]，相对于经纬度格网法，水域率法更能反映水体的空间格局及动态变化。因此，本文尝试利用水域率法来计算我国主要流域的水域率，同时结合GIS的空间统计和分析功能，分析我国陆表水的空间展布及动态变化。

2.1 水域率

水域对于环境、生态等多个方面都起着至关重要的作用，而水域率则指承载水域功能的区域面积占区域总面积的比率，是反映水域能够为人所用的状态。

根据文献[10]，水域率（R）的定义为：

式中，AW是基本统计单元内的水域面积，AL是基本统计单元的陆表面积。由于本文使用的是空间分辨率为30米的GlobeLand30数据，为方便统计，将基本统计单元面积设置为300 m×300 m。

2.2 空间叠加和统计分析

为了探讨不同流域和不同降水区域的陆表水空间分布及其随时间的变化，本文采用ArcGIS的空间统计分析方法将流域分区数据和干湿区划数据分别与2000,2010两期的陆表水数据进行叠加，并统计不同流域和不同干湿区划的陆表水的水域面积、水域率数据，以此来研究陆表水的空间展布及时间变化特征。

本文详细的数据处理及分析方法如图1所示。

图1 本文的数据处理及分析方法Fig.1 Data processing and analysis method in this paper

3 结果及分析

3.1 我国内陆地区陆表水总体空间布局

根据上述的数据处理方法，从GlobeLand30产品中提取的水体数据和中国内陆的边界数据进行叠加，得到2000年和2010年我国内陆地区陆表水的空间分布图。在空间分布上，我国陆表水分布均呈现南多北少、东多西少的态势。

3.2 主要流域陆表水空间分布及变化

流域是包括河流的干流、支流以及其所形成的湖泊等水域。在对于水体的研究中，流域面积是十分重要的一个数据。流域的面积大小，象征着该区域的水流量是否丰富，同时也影响河流和径流的形成。因此，本文尝试探讨我国主要流域的水体分布及其变化。主要流域陆表水的分布呈现明显不均一的特征。2000年和2010年我国主要流域陆表水水域面积如图2所示。

图2 我国内陆主要流域2000年和2010年水域面积图（单位：Km2）Fig.2 Water area of the major watersheds of China in 2000 and 2010(unit: Km2)

尽管2000年和2010年的水域总面积有所变化，但是其各个流域的水域的面积大小，没有太多的顺序变化。根据各个流域的水域面积从大到小排序为长江、黑龙江、珠江、淮河、黄河、青海、雅鲁赞布江、辽河、海河、甘蒙内流域。

通过对比图2中2000年和2010年我国主要流域陆表水水域面积图，可以看出，除了长江流域，其他的流域面积均呈现不同程度的增加。长江作为中国的第一大河，流域面积之大，横跨11个省（自治区、直辖市）。从2000～2010年，长江的水域面积呈下降趋势，将势必对整个长江流域的人类生存及生态环境等产生不利的影响。

图3为我国内陆主要流域水域率对比图，从图中可以看出，在2000年和2010年主要流域的水域率从大到小，依次为长江、淮河、青海、珠海、海河、黑龙江、雅鲁赞布江、辽河、黄河、甘蒙内流域。

图3 我国内陆主要流域2000年和2010年水域率对比图Fig.3 Comparison of water's rates of major watersheds in China in 2000 and 2010

水域率的变化顺序与水域面积的变化顺序稍有不同。有些流域面积是相对较大的流域，其水域率并不是特别地高，说明其水载能力不是很强，如黑龙江流域尽管流域面积大，但相对于其所在的陆地面积来说，却存在供给不足的问题。

3.3 我国主要干湿区域陆表水空间分布及变化

降水区域就是通过降水量而划分的区域。其中降水量是雨水或者雪在水平面上的聚集深度。陆表水是水循环的重要组成部分，它与降水量息息相关，并相互影响。由于受经纬度以及地形等多种因素影响，我国东部的降水量明显比西部的降水量多，南部的降水量比北部的降水量多，是典型的分布不均匀。

为了探究降水量对于水域面积的影响，本文提取出降水量为200 mm以下、200～400 mm、400～800 mm、800～1600 mm以及1600 mm以上区域对应的水域面积，如图4所示。

图4 我国内陆主要等降水线所围区域2000年和2010年水域面积图（单位：Km2）Fig.4 Water area surrounded by the main isohyetal line in inland China in 2000 and 2010 (unit: Km2)

水域面积从大到小的降水区域，应为降水量是800～1600 mm区域、降水量小于200 mm区域、降水量为200～400 mm区域、降水量为400～800 mm区域、降水量大于1600 mm区域。

降水区域为200 mm以下的水域面积在10年中有明显的减小，但是降水区域为200～400 mm的水域面积有明显的提升，其余的降水区域并没有很多的变化，但是也有所增加、减少。这表明降水量为200 mm以下的区域气候变得越来越干燥，致使降水量减少，水域面积变小；降水量为200～400 mm的区域，降水量增多，水域面积变大。这些问题可能是由于在这10年期间气候的变化所造成的。

图5为我国不同等降水量线所围成的干湿区域的水域率对比图，可以看出，水域率从大到小的排序，应为降水量是800～1600 mm区域、降水量大于1600 mm区域、降水量为200～400 mm区域、降水量小于200 mm区域、降水量为400～800 mm区域。

图5 我国内陆降水区域2000年和2010年水域率对比图Fig.5 Comparison of water's area rates of precipitation area in inland China in 2000 and 2010

根据图中的对比情况，可以看出降水量小于200 mm的区域和降水量为400～800 mm的区域水域率有明显的下降情况，说明这两部分的区域，水域面积有明显的减小情况。甚至在降水量为400～800 mm的区域，其水域率小于1%，属于干旱缺水区域。有可能是因为该区域在2010年的降水量相对于2000年有所减少。反之，降水量为200～400 mm的区域和降水量为800～1600 mm的区域水域率有所增加。

为了探寻2000年至2010年我国主要流域及干湿区域陆表水的波动，本文分别以水域面积和水域率对主要流域和干湿区域的陆表水变化量予以统计，见表2、表3。

表2 我国内陆主要流域2000年和2010年陆表水变化对比表Tab.2 Comparison of land surface water area changes in the main watersheds in 2000 and 2010

表3 我国内陆主要干湿区域2000年和2010年陆表水变化对比表Tab.3 Comparison of land surface water changes in the main dry and wet regions in 2000 and 2010

根据表2、表3可以看出，2000年和2010年的水域率相差并不是特别的多，基本都小于0.1%。但是降水量小于200 mm的区域（0.21%）、长江流域（0.66%）、青海流域（-0.48%）、淮河（0.12%）相对于其他区域波动相对较大，它们的水域率变化均高于0.1%。

4 结束语

本文通过叠加我国的主要流域、干湿区域的数据和2000年和2010年两期GlobeLand30水体数据，对我国内陆的陆表水空间分布及其变化进行分析。初步的研究结果表明：

1）从陆表水在我国的总体分布来看，由于我国跨越纬度较大，因此，水域分布呈现明显不均的状态。

2）根据上述的数据分析，按照我国流域划分，陆表水的分布从小到大依次为：甘蒙内流域、海河、辽河、雅鲁赞布江、青海、黄河、淮河、珠江、黑龙江、长江。然而，按照水域率从小到大依次为：甘蒙内流域、黄河、辽河、雅鲁赞布江、黑龙江、海河、珠海、青海、淮河、长江。水域率的顺序与水域面积的顺序稍有不同。无论是水域面积还是水域率，长江流域均为最高，表明其在我国流域中的地位。从2000年到2010年，长江流域的水域面积有所减少，而其他的流域面积则均呈现不同程度的增加。而在此期间，水域率的变化顺序与水域面积的变化顺序稍有不同。黑龙江流域面积相对较大，但其水域率则影响度比较低，说明其水载能力稍差。

3）受限于气候区的变化差异大，在我国不同的干湿区域范围内，陆表水的分布呈现明显不均的态势。通过数据的对比分析，表明半干旱、半湿润区域的陆表水并没有太多的差异，而干旱区域的陆表水则高于半干旱、半湿润区域的陆表水，其中，湿润区域的陆表水分布相对较高。而水域率则在不同区域存在明显的差异，这表明陆表水的承载能力与干湿区域并没有明显的相关性。从2000年到2010年，在干旱区水域面积及水域率在10年中均有明显的减小，而其他区域则变化不大。

GlobeLand30地表覆盖数据中，水体提取的正确率是最高的，总体精度可以达到87%，因此，本研究结果具有很好的数据基础，上述结论的可靠性也得以保障。因为本文着眼于不同的流域以及不同的干湿区域，而数据的获取是基于相关文献获得的，虽然参考的是相对权威的文献，但数据也并非具备百分百的可靠性。此外，数据纠正的误差也会为后续的结果造成一些误差。

此外，因为目前GlobeLand30仅发布了2000和2010年两期产品，因此，本文没有进行陆表水的分布与主要流域及干湿区域的相关关系的研究，这将是本文后续深入研究的主要内容。