沐川县水源涵养能力变化研究

洪宇辰 白浪 喻舒林

摘 要：本研究基于多年多源数据，采用水量平衡法计算出沐川县多年水源涵养量，利用线性回归分析得到了沐川县的水源涵养能力变化情况。研究表明：沐川县水源涵养能力变化较大，中西部区域水源涵养能力明显增强，东北区域偏北方向水源涵养能力呈现下降趋势，中东部区域水源涵养能力呈现减弱趋势，中部区域及东南部分区域水源涵养能力呈现明显减弱趋势。整体来看，区域内水源涵养能力增强区域略多于减弱区域。主成分分析方法显示，研究区水源涵养变化的首要驱动因素为高程，可以看作植被涵养水源能力，次要驱动力为降水量、植被覆盖度和地表温度，可以看作水分的流动分布情况。

关键词：水源涵养变化；水量平衡法；线性回归

中图分类号：P344 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）25-0091-02

Abstract： Based on years of multi-source data， the water balance method was used to calculate the amount of water conservation in Muchuan County， and the linear regression analysis was used to get the change of water conservation capacity in Muchuan County. The results showed that the water conservation capacity of Muchuan County changed greatly， the water conservation capacity of the central and western regions was obviously enhanced， the water conservation capacity of the north-eastern region showed a downward trend， and the water conservation capacity of the central and eastern regions showed a weakening trend. The water conservation capacity of the central region and the southeast part of the region showed a significant weakening trend. Taken as a whole， the enhanced water conservation capacity in the region is slightly stronger than the weakened area. The principal component analysis method shows that the primary driving factor of water conservation change in the study area is elevation， which can be regarded as vegetation water conservation ability， and the secondary driving forces are precipitation， vegetation cover and land surface temperature. It can be regarded as the flow and distribution of water.

Keywords： change of water conservation； water balance method； linear regression

1 概述

通過水源涵养量评价可以更清晰的认识到水资源情况。水源涵养作为陆地植被生态系统的重要功能，在调节径流、净化水源、减轻土壤侵蚀等方面起着巨大的作用。同时，科学评估水源涵养能力也是制定合理的生态保护措施以及建设生态工程的重要依据。研究评价分析一个区域水源涵养能力的时空变化规律，对预测分析下一个时间段内该区域水源涵养能力可能的变化并找到影响其变化的自然人为因素有着重要意义，另外根据区域内水源涵养能力的变化情况制定合理的措施有利于提高水源涵养功能产生的社会效益。

2 研究区概况

沐川县位于四川盆地西南，东经103度59分，北纬28度58分东接宜宾、南连屏山县、北靠沙湾、犍为县，西与峨边县接壤，西南同马边县毗邻，岷江、金沙江倚境而过。地势由西南向东北倾斜，地处亚热带湿润季风气候区。受地形与区域气候影响，年平均气温17.3℃。幅员面积1422平方公里，人口26万，辖19个乡镇、196个行政村，森林覆盖率62.8%，被誉为“绿色明珠”。

3 研究方法

3.1 水量平衡法

水量平衡法从区域的层面将整个水分流动系统看做一个黑箱，从输入输出两个方面考虑，通过输入水分（大气降水）减去输出水分（蒸发蒸腾、径流）即为该区域的涵养水分。由于区域内包含不同的生态系统，每个生态系统水源涵养能力不同，因此将区域划分为不同的生态系统，分系统计算水源涵养量，最后将所有系统合并起来即整个研究区的水源涵养量分布情况。水量平衡计算方程如下公式（1）：

式中，TQ表示总的水源涵养量（m3）；Pi表示生态系统内的年降水量（mm）；Ri表示年地表径流量（mm）；ETi表示年蒸散发量（mm）；Ai表示第i类生态系统的面积；i表示研究区内第i类生态系统类型；n表示研究区生态系统总类型数。地表径流系数是指在同一时间段内流域面积上径流量所占降雨量的数值。降雨量乘以地表径流系数即为地表径流量，计算公式如下公式（2）：

式中，R表示为地表径流量（mm）；P表示年降雨量（mm）；a表示平均地表径流系数。

3.2 线性回归分析

线性回归分析计算公式如下公式（3）：

其中Wi表示每年水源涵养量；n表示为研究总年份；i表示为研究年份；slope表示为一元线性回归斜率，实际表示为水源涵养能力变化率；slope的大小反映了水源涵養量的变化情况，当斜率slope为负时，反映水源涵养能力减弱，当斜率slope斜率为正时，反映水源涵养能力增强。

4 数据获取与处理

4.1 降雨与地表温度数据

降雨数据以沐川县及其周围气象站点数据为基础，结合实际情况分析，选择反距离加权法作为降水数据空间插值方法。经过空间插值、裁剪、投影得到沐川县年降水量分布。

温度数据与降雨量计算方法相似。以沐川县及其周围气象站点数据为基础，通过空间插值获取。本次使用数据为沐川县及周围各站点日均温度为基础，通过统计得到各站点年日均温度，并选定反距离加权法作为温度数据空间插值方法，得到沐川县各年温度分布情况。

4.2 地形与蒸散发数据

本文使用的高程数据，通过拼接，投影，裁剪等步骤获得高程数据，平均高程在400m左右，沐川县区域内南端和西端普遍高程较高，中东部高程普遍在平均高程左右，高程较低的区域普遍分布在河流两岸。基于研究区高程数据，使用ArcGIS空间分析工具--表面分析进行处理，分别获取坡度坡向数据。

地表水转化为水蒸汽的过程叫做蒸散发（Evapotranspiration，ET），这是一个复杂的物理过程，包括土壤表面水蒸发、植被冠层截流水分蒸发与植物自身水分的蒸腾。本文使用的蒸散发数据源自MOD16蒸散发（ET）数据集，通过裁剪、格式转换等处理，获得沐川县多年蒸散发（ET）数据。

4.3 植被覆盖度数据

植被覆盖度是指植被冠层或叶面垂直投影在地面的面积占统计区总面积的比值，是表示地表植被覆盖情况的重要因子之一。植被覆盖度的计算常结合NDVI与像元二分模型，计算满足公式（4）：

Fc=（NDVI-NDVIsoil）（NDVIveg-NDVIsoil） （4）

式中：NDVIsoil表示无植被覆盖区或裸土的NDVI值；NDVIveg表示全植被覆盖区的NDVI值；Fc为植被覆盖度。

5 结果与分析

5.1 水源涵养量变化分析

运用公式（1），计算每类生态系统的面积，结合生态系统类型分区使用降水量、径流量与蒸散发量，将结果和每个生态系统面积进行运算，最后求和得出水源涵养量。利用公式（3）计算2000年到2014年的水源涵养量变化情况。线性回归分析结果即为水源涵养量变化率。变化率为负的区域即为水源涵养量减少的区域，变化率大于0的区域为水源涵养量增加的区域。

研究区水源涵养能力呈现减弱趋势面积共计219.04平方公里；明显减弱区域共计118.46平方公里；减弱区域共计100.58平方公里；区域水源涵养能力变化不大区域面积共计853.21平方公里，占总面积59.97%；区域水源涵养能力呈现增强趋势的区域面积为350.46平方公里；明显增区域共计48.9平方公里；增强区域共计301.56平方公里，共计21.19%。

5.2 水源涵养变化分析

本研究结合各类文献资料及雅安市实际情况，综合各类影响因素，利用主成分分析方法，对驱动因子进行识别。

利用ArcGIS的主成分分析进行分析。为了保证计算的客观性和科学性，需要先对不同量纲的原始数据矩阵进行标准化处理，消除不同量纲带来的误差。主成分分析后得到的统计情况如下：

由表可知，第一主因子贡献率最高，为80.63%，而第一、第二、第三因子累计贡献率达到98.68%。由此，只考虑第一主因子和第二主因子作为主成分，其中高程可以看做首要驱动力，降雨量、地表温度、植被覆盖度可以看做第二驱动力。第一主因子即首要驱动力，表示沐川县的植被涵养水源能力，第二主因子即第二驱动力，表示沐川县的水分的流动分布情况。

6 结束语

研究结果显示，沐川县大部分区域水源涵养能力变化比较大，减弱趋势面积共计219.04平方公里，明显减弱区域共计118.46平方公里，占总面积8.33%，减弱区域共计100.58平方公里，占总面积7.08%；区域水源涵养能力变化不大区域面积共计853.21平方公里，占总面积59.97%；区域水源涵养能力呈现增强趋势的区域面积为350.46平方公里，明显增强区域共计48.9平方公里。占总面积3.43%，增强区域共计301.56平方公里，共计21.19%。沐川县水源涵养能力变化的驱动因素分为两类，首要驱动因素是高程，可以看做是沐川县的植被涵养水源的能力，第二驱动力为以降水量、植被覆盖度以及地表温度为代表的第二主因子，可以看做沐川县的水分流动情况。

参考文献：

[1]张彪，李文华，谢高地，等.北京市森林生态系统的水源涵养功能[J].生态学报，2008，28（11）：5618-5624.

[2]孙德泉.井冈山国家级自然保护区水源涵养能力研究[D].北京：中国地质大学，2005.

[3]聂忆黄.基于地表能量平衡与SCS模型的祁连山水源涵养能力研究[J].地学前缘，2010，17（3）：269-274.

[4]张海博.基于SEBS与SCS模型的区域水源涵养量估算研究——以北京北部山区为例[D].北京：中国环境科学院，2012：39-43.

[5]尹云鹤，吴绍洪，赵东升，等.过去30年气候变化对黄河源区水源涵养量的影响[J].地理研究，2016，35（1）：49-57.

[6]裴超重.长江源区蒸散量及水涵养能力变化规律与影响因素[D].北京：中国地质大学，2005.