曾冰茹,李云良,譚志強(qiáng)

(1:中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所,南京 210008) (2:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

河湖水系是水資源形成與演化的主要載體,其結(jié)構(gòu)和連通狀況對(duì)生態(tài)環(huán)境具有重要影響[1]。流域徑流泥沙管理,是水資源利用和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵問題,而水文連通則是預(yù)測(cè)流域內(nèi)徑流泥沙潛在輸移路徑可能性的重要方法[2-3],因此了解連通性的空間格局及其變化具有重要意義。概念定義上,水文連通性是以水為媒介,在水循環(huán)要素內(nèi)部或之間傳遞各種物質(zhì)、能量和生物的過程[4],分為結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性[5],前者表示景觀結(jié)構(gòu)或格局的物理連接程度,后者常用來反映結(jié)構(gòu)特征之間的相互作用對(duì)地貌、生態(tài)和水文過程的影響[6-7]。水文連通性與諸多生態(tài)過程密切相關(guān),對(duì)其時(shí)空變化特征和驅(qū)動(dòng)機(jī)制進(jìn)行探析,對(duì)于流域生態(tài)功能評(píng)價(jià)和水土資源管理具有切實(shí)意義。

目前量化水文連通性的方法很多,包括水文模型、連通性指數(shù)、景觀生態(tài)學(xué)、圖論和遙感等主要方法。Borselli等[8]基于地貌方法提出連通性指數(shù)(index of connectivity,IC)來評(píng)估流域尺度上的連通性。IC表示沉積物沿流動(dòng)路徑到達(dá)匯流點(diǎn)的可能性,是評(píng)價(jià)流域泥沙侵蝕、輸運(yùn)和沉積過程隨時(shí)間變化的重要地貌指標(biāo)[9-10],在國(guó)內(nèi)外水文連通領(lǐng)域應(yīng)用頗為廣泛。例如,Arabkhedri[11]等基于伊朗黃土地區(qū)的11個(gè)流域探究了IC與產(chǎn)沙量之間的關(guān)系,研究表明產(chǎn)沙量與IC具有強(qiáng)相關(guān)性。袁亞男[12]利用IC探討了土地利用變化對(duì)昕水河流域水文連通性及侵蝕泥沙輸移過程的影響。為分析河網(wǎng)水系的時(shí)空分布特征和演變趨勢(shì),許多學(xué)者結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)和圖論方法構(gòu)建相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了大量研究。如甘容[13]等基于圖論、RS和GIS方法分析了襄陽市河湖水系格局的變化及其影響因素。江燕等[14]從數(shù)量、結(jié)構(gòu)和連通性三個(gè)方面構(gòu)建指標(biāo)體系探究了近30年來南四湖流域水系的時(shí)空演變特征。這些研究為認(rèn)識(shí)水系連通演變提供了借鑒和參考,對(duì)流域綜合治理具有重要意義。但以往工作多集中在一些局部地區(qū),而基于系統(tǒng)視角的大尺度流域連通分析,更能體現(xiàn)連通研究的實(shí)際作用和價(jià)值。

鄱陽湖流域的水生態(tài)健康對(duì)長(zhǎng)江中下游具有重要的水文生態(tài)意義。然而,隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口激增,鄱陽湖流域泥沙輸移、水循環(huán)過程和生態(tài)環(huán)境等方面受到嚴(yán)重影響,為其生態(tài)安全帶來了嚴(yán)重干擾和威脅[15-16]。自1990s以來,鄱陽湖濕地水文連通性呈先下降后上升的趨勢(shì)[17],流域水土流失面積有所減少,但流失強(qiáng)度不斷加劇。此外,鄱陽湖流域洪澇災(zāi)害的頻率和強(qiáng)度不斷增加,河湖水系出現(xiàn)不同程度的水文問題,導(dǎo)致水文連通性受阻。目前,關(guān)于鄱陽湖地區(qū)的水文連通研究已取得一些開創(chuàng)性研究成果,例如Li等[18]采用湖泊二維水動(dòng)力模型和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,探明了鄱陽湖洪泛區(qū)水文連通性的季節(jié)性變化和影響因素。Xia[17]等基于長(zhǎng)時(shí)間序列遙感影像提出了評(píng)價(jià)鄱陽湖濕地水文連通性的綜合方法,并分析了其演化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。盡管水文連通的評(píng)價(jià)方法和相關(guān)研究很多,但在鄱陽湖流域開展結(jié)構(gòu)連通和功能連通等相關(guān)方面的研究仍然較少,尤其是關(guān)于水文連通的長(zhǎng)期演化研究和定量評(píng)價(jià)幾乎沒有開展。因此,亟需拓展到流域尺度來對(duì)鄱陽湖流域的水系變化與水文連通狀況進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估,從而為變化環(huán)境下流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與治理提供重要基礎(chǔ)背景。

鑒于上述分析,本文以鄱陽湖流域?yàn)檠芯繉?duì)象,基于近30年的水系、地形、土地利用和NDVI等數(shù)據(jù),從時(shí)空尺度上評(píng)估水文連通性的變化特征,主要研究目標(biāo)為:(1)研究近30年鄱陽湖流域水系格局的總體演變特征和態(tài)勢(shì);(2)評(píng)價(jià)流域結(jié)構(gòu)連通性的時(shí)空變化特征,探究水系結(jié)構(gòu)和連通變化的主要原因;(3)探討流域功能連通性的時(shí)空分布格局,揭示其與徑流量和輸沙量的相互影響關(guān)系。本研究可為水系結(jié)構(gòu)與水文連通演變研究提供一定參考,有助于更好地理解泥沙輸移過程,進(jìn)而為鄱陽湖流域綜合管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鄱陽湖流域(24°29′～30°05′N,113°35′～118°29′E)位于中國(guó)東南部,流域總面積1.62×105km2,屬亞熱帶溫暖濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年平均氣溫17.5℃,年平均降雨量約1638 mm[19],是長(zhǎng)江流域的重要組成部分。鄱陽湖流域海拔處于-7～2157 m, 由贛江、撫河、信江、饒河和修水五個(gè)子流域以及鄱陽湖區(qū)組成,流域三面被山包圍,中間是起伏的丘陵,北部是鄱陽湖平原(圖1)。鄱陽湖流域土地利用類型主要為林地(64%)、耕地(26%)和草地(4%)[20],流域內(nèi)紅壤和黃壤在分布最廣,水土流失面積占全流域土地面積的20%。鄱陽湖流域水系發(fā)達(dá),面積100 km2以上河流約有490條,1000 km2以上的約有51條[21],年均徑流量為1525億m3,約占長(zhǎng)江流域年均徑流量的16.3%。研究區(qū)人口約有4500多萬,經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)以農(nóng)業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)為主,是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)地,盛產(chǎn)水稻、棉花和油菜。在過去的幾十年里,鄱陽湖流域?qū)嵤┝舜罅康乃こ?截止到2011年,該地區(qū)已建成1萬余座水庫(kù),其中大型水庫(kù)30座,總庫(kù)容約190億m3[21]。

圖1 鄱陽湖流域地形和主要水系分布Fig.1 Topography and major river distributions in Lake Poyang Basin

1.2 研究方法

1.2.1 水系格局及結(jié)構(gòu)連通性評(píng)價(jià)指標(biāo) 本文結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)和圖論的方法,從水系數(shù)量特征、形態(tài)特征和結(jié)構(gòu)連通特征3個(gè)方面,主要識(shí)別并定量描述鄱陽湖流域1989-2020年的水系演變特征,并對(duì)結(jié)構(gòu)連通性進(jìn)行分析,其中水系數(shù)量特征包括河網(wǎng)密度Rd和水面率Wp;形態(tài)特征包括河網(wǎng)復(fù)雜度CR和河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)Kw;結(jié)構(gòu)連通特征選取經(jīng)典水文連通性指數(shù): 水系連通環(huán)度α、節(jié)點(diǎn)連接率β和水系連通度γ[22],具體指標(biāo)的計(jì)算公式及含義見表1。

表1 本文采用的水系結(jié)構(gòu)及連通性評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.1 Evaluation index of river structure and connectivity used in this study

1.2.2 功能連通性指數(shù)(IC) 本文采用IC指數(shù)來量化流域的功能連通性,其由上坡貢獻(xiàn)區(qū)域(Dup)和下坡流域(Ddn)計(jì)算得出。此外,本研究中林草地和灌木的權(quán)重因子W使用土壤流失方程(RULSE)中的植被管理與覆蓋因子C值,其他土地利用類型的W采用分類賦值法進(jìn)行估算,其中水體取值為0,耕地取值0.23,裸地和建設(shè)用地等取值0.35[23]。本文應(yīng)用ArcGIS 10.7中的模型構(gòu)建器創(chuàng)建IC計(jì)算模型,模型的具體處理流程見圖2。C因子的計(jì)算采用C與f的關(guān)系式[24],其中f由NDVI[25]推導(dǎo)而來,計(jì)算公式如下:

圖2 水文連通性IC計(jì)算流程(不同顏色代表重要數(shù)據(jù)資料和計(jì)算過程)Fig.2 Flow chart of the IC calculation for the hydrological connectivity analysis (Different colors represent important data and calculation processes)

(1)

(2)

(3)

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究用于計(jì)算功能連通的地形數(shù)據(jù)ASTER GDEM V2從地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)下載;土地利用和NDVI數(shù)據(jù)共1990、1995、2000、2005、2010、2015和2020年7期,土地利用數(shù)據(jù)來自基于Landsat的1985-2019年中國(guó)土地覆蓋年度數(shù)據(jù)集(CLCD)[27](http://www.crensed.ac.cn);NDVI數(shù)據(jù)基于GEE從 Landsat 5/ 8 影像數(shù)據(jù)上下載。本文使用的數(shù)據(jù)空間分辨率均為30 m,坐標(biāo)系統(tǒng)一使用WGS_1984_UTM_Zone_50N。本文通過對(duì)外洲站(贛江)、李家渡站(撫河)、梅港站(信江)、虎山站(饒河)、萬家埠站(修水)五大河流的水文觀測(cè)站點(diǎn)1990-2020年水沙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究,2000年以前的徑流量數(shù)據(jù)由江西省水文局提供,輸沙量數(shù)據(jù)根據(jù)各站點(diǎn)的水沙關(guān)系由年徑流量推求補(bǔ)缺;2000年以后的水沙數(shù)據(jù)來自于長(zhǎng)江水文網(wǎng)公布的《長(zhǎng)江泥沙公報(bào)》(http://www.cjh.com.cn/)。

本研究用于計(jì)算結(jié)構(gòu)連通的水系數(shù)據(jù)基于Google Earth Engine(GEE)提取,以十年為間隔選取了1990、2000、2010、2020年以及中間年份2005年這5個(gè)時(shí)段的Landsat TM/OLI遙感影像。其中,由于1990、2005和2010年這3個(gè)年份的水體提取結(jié)果中有部分地區(qū)云量覆蓋較大,因此選擇前后年份即1989、2004和2009年的提取結(jié)果來代替。具體操作步驟為: 選擇研究區(qū)域和時(shí)段一年內(nèi)的所有影像數(shù)據(jù)、篩選云量小于30的影像并去云處理、生成年度合成的修正歸一化差異水體指數(shù)(MNDWI)、利用大津法(Otsu)進(jìn)行閾值分割后提取水體、將水體影像數(shù)據(jù)導(dǎo)出,得到初步的鄱陽湖流域水體數(shù)據(jù),然后在ArcMap將水系圖轉(zhuǎn)換成矢量數(shù)據(jù)、采用目視檢驗(yàn)等方法進(jìn)行檢驗(yàn)和修正,最后得到鄱陽湖流域5期的數(shù)字水系圖。在此基礎(chǔ)上,采用斯特拉勒(Strahler)法對(duì)河流進(jìn)行分級(jí),本文將鄱陽湖流域河流分4個(gè)等級(jí),然后對(duì)各圖層添加相應(yīng)的字段,得到其相應(yīng)的屬性值如長(zhǎng)度、面積等,從而建立空間數(shù)據(jù)集,以便用于水系結(jié)構(gòu)和連通性的參數(shù)計(jì)算。

1.4 水系精度驗(yàn)證

本文通過Google Earth采用同年或鄰近年份的高分辨率影像,設(shè)置間隔2 km均勻選取河流中心位置為樣本點(diǎn),選取2009和2020年提取的水系結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證。鄱陽湖流域水系選取的驗(yàn)證點(diǎn)共計(jì)4000個(gè),根據(jù)各級(jí)河流的長(zhǎng)度比例,Ⅰ級(jí)河流選取2000個(gè),Ⅱ級(jí)河流1200個(gè),Ⅲ級(jí)河流600個(gè)和Ⅳ級(jí)河流200個(gè)。在ArcGIS中建立各級(jí)河流50 m緩沖區(qū),落在緩沖區(qū)內(nèi)樣本點(diǎn)即為樣點(diǎn)匹配,否則為樣點(diǎn)不匹配。驗(yàn)證結(jié)果表明,2009年的水系驗(yàn)證點(diǎn)中有3693個(gè)樣點(diǎn)匹配,總體精度為92%,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級(jí)河流的精度分別為88%、96%、98%和97%;2020年的水系驗(yàn)證點(diǎn)有3743個(gè)樣點(diǎn)匹配,總體精度為93%,其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ級(jí)河流的精度分別為91%、97%、95%和97%。盡管水系提取結(jié)果受到遙感影像的云量覆蓋、分辨率以及人工目視修正等諸多原因影響,但總體提取精度基本都在90%以上,表明本文結(jié)果可滿足水系分析要求。

2 結(jié)果分析

2.1 鄱陽湖流域水系格局演變特征

2.1.1 水系結(jié)構(gòu)連通變化特征 依據(jù)本文的水系提取和分級(jí)方法,獲得鄱陽湖流域1989-2020年5個(gè)時(shí)期的水系結(jié)果分布圖(圖3)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),近30年來鄱陽湖流域水系結(jié)構(gòu)發(fā)生較為顯著的變化,河網(wǎng)水系逐漸密集,其中2004年以后流域水系變化得尤為明顯,與興建水利工程等強(qiáng)烈人類活動(dòng)有關(guān)。其中Ⅰ級(jí)和Ⅲ級(jí)河流變化程度較大,Ⅱ級(jí)河流變化較小,Ⅳ級(jí)河流基本維持不變。1989-2004年,流域河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和河流數(shù)量較少,水系空間格局基本不變。而2009年以后節(jié)點(diǎn)數(shù)和河流數(shù)呈現(xiàn)明顯增加的態(tài)勢(shì),這是由于城市化進(jìn)程加快導(dǎo)致支流的增長(zhǎng),以及對(duì)河流進(jìn)行疏浚拓寬、開挖河道等。其中主要以Ⅰ級(jí)和Ⅲ級(jí)河流的增加為主,Ⅱ級(jí)河流有所減少,例如信江流域的部分Ⅱ級(jí)河流合并為Ⅲ級(jí)河流。2020年,撫河流域存在Ⅰ級(jí)河流匯合成Ⅱ級(jí)河流,修水流域出現(xiàn)Ⅱ級(jí)河流匯合成Ⅲ級(jí)河流等現(xiàn)象,同時(shí)流域I級(jí)河流數(shù)量大幅度上升,Ⅱ級(jí)河流數(shù)量也有所增加。

圖3 鄱陽湖流域1989、1999、2004、2009和2020年水系分布提取結(jié)果Fig.3 Distributions of river system in the Lake Poyang Basin during 1989, 1999, 2004, 2009 and 2020

近30年鄱陽湖流域水系的節(jié)點(diǎn)數(shù)和河鏈數(shù)總體呈增加的趨勢(shì)(表2),節(jié)點(diǎn)數(shù)由108個(gè)逐漸增加至127 個(gè),河鏈數(shù)從204段增加至 247 段,兩者的增加率均約為15%,其中2009-2020年增加得更為明顯。此外,水系連通環(huán)度α和水系連通度γ均呈逐漸增加的趨勢(shì),節(jié)點(diǎn)連接率β呈先減少后增加的趨勢(shì)?？傮w上,α由0.46增加至0.49,β由1.89增長(zhǎng)至1.94,γ由0.64提高到0.66,說明鄱陽湖流域水系結(jié)構(gòu)連通性呈逐漸好轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。根據(jù)先前的研究結(jié)論,α和γ一般介于[0,1]之間,β介于[0,3]之間,指數(shù)越大說明連通程度越高,河網(wǎng)越復(fù)雜[28]。本文中α≈0.5、γ>0.6∈[0,1],β≈2∈[0,3],各特征參數(shù)均處于區(qū)間中上段,表明水系的河網(wǎng)連接、節(jié)點(diǎn)間的連接性和水系連通度均達(dá)到一般程度,各水系均存在較好的連接水平,流域尺度水系結(jié)構(gòu)連通性總體較好且變化較小。

表2 鄱陽湖流域水系結(jié)構(gòu)連通性指標(biāo)變化Tab.2 Changes of structure connectivity indicators for rivers witin the Lake Poyang Basin

2.1.2 水系數(shù)量和形態(tài)變化特征 基于上述分析,圖4進(jìn)一步反映了鄱陽湖流域水系數(shù)量和形態(tài)特征在不同階段的變化情況。數(shù)量特征上(圖4a), 1989-2004年,各級(jí)河流的面積均呈減少趨勢(shì),其中Ⅳ級(jí)河流面積減少最多,約為43.2%,但其數(shù)量和長(zhǎng)度基本不變;Ⅰ級(jí)河流的數(shù)量不變,但其長(zhǎng)度有所減少;Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)河流的數(shù)量均呈增加趨勢(shì),且長(zhǎng)度分別增加約11.7%和6.6%。2004-2020年,Ⅰ級(jí)和Ⅲ級(jí)河流的數(shù)量、長(zhǎng)度和面積均明顯增加,數(shù)量分別增加了21和17條,長(zhǎng)度和面積的增加比重均超過20%;Ⅱ級(jí)河流數(shù)量和長(zhǎng)度均減少,但其面積約增加18.4%;Ⅳ級(jí)河流數(shù)量和長(zhǎng)度保持不變,但面積約增加35.9%。總的來看,1989-2020年鄱陽湖流域除干流(Ⅳ級(jí))外,每個(gè)等級(jí)河流的數(shù)量、長(zhǎng)度和面積均有所增加,但每個(gè)等級(jí)河流的增加速率不盡相同,其中最為明顯的是流域Ⅲ級(jí)河流,三者增加速率均達(dá)到20%以上,其次為Ⅰ級(jí)河流,增加速率達(dá)到15%以上,最后為Ⅱ級(jí)河流,增加速率基本小于4%。

圖4 鄱陽湖流域水系數(shù)量(a)和形態(tài)(b)特征的階段變化Fig.4 Changes of river quantitative (a) and morphological (b) characteristics in the Lake Poyang Basin

形態(tài)特征上,近30年來鄱陽湖流域河網(wǎng)密度和河網(wǎng)復(fù)雜度呈顯著的增加趨勢(shì),水面率亦呈較顯著的增加趨勢(shì),而河網(wǎng)發(fā)育系數(shù)的增加趨勢(shì)相對(duì)微弱(圖4b)。其中,受河流總長(zhǎng)度增加的影響,流域河網(wǎng)密度持續(xù)增加,河網(wǎng)復(fù)雜度從1989年的55逐步增加到2020年的63,增加比重約15%,表明隨著水系數(shù)量和長(zhǎng)度增加,水系表現(xiàn)得更為密集。1989-2004年,各級(jí)河流面積均有所減少,導(dǎo)致水面率下降。由于流域支渠數(shù)量的增加,支流長(zhǎng)度增加,進(jìn)而支流發(fā)育系數(shù)也相應(yīng)增大。但是不同階段形態(tài)特征的變化幅度相差較大,2004-2020年的變化幅度明顯高于1989-2004年,后一階段的變化率約為前一階段變化率的兩倍,表明2004年以后,鄱陽湖流域水系結(jié)構(gòu)的增長(zhǎng)速度明顯加快,空間結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化。

2.2 鄱陽湖流域功能連通變化特征

2.2.1 功能連通IC指數(shù)的時(shí)空變化 1990、1995、2000、2005、2010、2015和2020年7個(gè)時(shí)期的IC空間分布結(jié)果如圖5所示。整體上,IC最小值為-8.27,最大值為6.86,不同年份IC空間分布不均,下游靠近主河道和植被稀疏的流域IC較高,水沙運(yùn)移能力較強(qiáng);而上游遠(yuǎn)離河道的茂密森林覆蓋區(qū)域IC較低,泥沙輸移至下游河道的可能性較小。1990-2000年,IC的空間分布格局較為相似,總體呈東高西低的分布特征;2000年后IC表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性,IC高值主要分布在流域的北部湖區(qū)周圍以及最南部地區(qū),IC低值主要出現(xiàn)在流域中部,空間分布比較分散,說明流域徑流泥沙向北部湖區(qū)附近輸移的潛在可能性更大。相對(duì)于1990年,2020年流域68.8%的地區(qū)IC有所減少,23.3%的區(qū)域IC有所增加,7.9%的流域其IC值基本不變。由此表明,大多數(shù)流域的IC發(fā)生了變化,其中減少的區(qū)域主要是林地,增大的區(qū)域分布得較為零散。由1990-2020年IC概率密度分布曲線(圖6)可知,IC主要分布在-3～3之間,峰值存在于-1～1之間,基本符合正態(tài)分布。1990、2000、2010和2020年IC的平均值分別為0.18、0.20、0.22和0.17,IC變化范圍不大,呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。但2000年后IC分布曲線(虛線)逐漸向左偏移,呈緩慢減小的趨勢(shì),說明2000年后鄱陽湖流域徑流泥沙輸移的可能性逐漸減小,流域局部和整體潛在輸沙量降低。

圖5 1990-2020年鄱陽湖流域IC計(jì)算結(jié)果的空間分布Fig.5 Spatial distribution of the calculated IC values in the Lake Poyang Basin during 1990-2020

圖6 1990-2020年鄱陽湖流域IC的概率密度分布Fig.6 Probability density distribution of IC in the Lake Poyang Basin during 1990-2020

2.2.2IC與土地利用、年徑流量和輸沙量的關(guān)系 圖7為1990-2020年不同土地利用類型的IC分布結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn),鄱陽湖流域林地和灌木的IC主要分布在-2～2之間,耕地和草地的IC介于-2～3之間,裸地和建設(shè)用地的IC基本大于0。林地的IC呈減小趨勢(shì),裸地的IC明顯增加,其他土地利用類型的連通性變化不大。流域內(nèi)不同土地利用類型的IC從大到小排序?yàn)榻ㄔO(shè)用地>裸地>草地>耕地>灌木>林地,低IC主要分布在林地和灌木區(qū),IC高值區(qū)主要集中分布在建設(shè)用地和裸地,即流域植被覆蓋程度越好的位置攔截水沙的能力越強(qiáng)。裸地和植被分別是徑流、產(chǎn)沙的“源”和“匯”[8],裸地是流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要源區(qū),會(huì)使流域遭受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn),而植被具有較好的保水能力和泥沙攔截作用,可以攔蓄地表徑流和侵蝕泥沙,從而減小徑流泥沙向河道輸移的可能性,因此IC較低。

圖7 1990-2020年鄱陽湖流域不同土地利用類型IC分布 Fig.7 IC distribution of different land uses in the Lake Poyang Basin during 1990-2020

本文利用鄱陽湖流域1990、2000、2005、2010、2015 和2020年整個(gè)流域和各子流域的IC均值,分別與年徑流量和年輸沙量開展Person相關(guān)性分析。通過表3結(jié)果可知,整個(gè)流域的IC均值與年徑流量和年輸沙量相關(guān)性系數(shù)分別為0.6和 0.7,表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系,說明鄱陽湖流域的IC均值能夠在一定程度上反映徑流泥沙輸出能力。除修水流域的IC均值與年徑流量相關(guān)性不顯著外,其他子流域的IC均值都與年徑流量和年輸沙量呈明顯正相關(guān)關(guān)系,總體上可體現(xiàn)流域產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。其中,信江流域與年徑流量和年輸沙量相關(guān)性達(dá)到0.8以上,表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系。綜上所述,隨著IC的增大,流域內(nèi)徑流量和輸沙量也增大,則徑流泥沙到達(dá)河道的可能性也就越大,反之亦然。表明IC將在預(yù)測(cè)土壤侵蝕、水土流失等水文事件中發(fā)揮重要作用。

表3 鄱陽湖流域IC均值與徑流量、輸沙量的相關(guān)性系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient between the mean IC, runoff and sediment discharge in the Lake Poyang Basin

3 討論

河湖水系的變化受多種因素影響,主要有地形地貌、氣候變化、洪水、水利工程等,人類活動(dòng)是改變河網(wǎng)水系連通的重要因素[29]。本研究結(jié)果顯示,近30年來鄱陽湖流域結(jié)構(gòu)連通性呈逐漸好轉(zhuǎn)趨勢(shì),流域內(nèi)有部分支流衰減或擴(kuò)寬,水利工程為代表的人類活動(dòng)是影響鄱陽湖流域水系連通演變的主導(dǎo)因素。1989-1999年,為抵御特大洪水和旱情等嚴(yán)重自然災(zāi)害,江西水利建設(shè)力度逐步加大,比如治理和加固了九江長(zhǎng)江大堤、贛撫大堤等[30],此時(shí)的水系格局變化相對(duì)較小。1999-2009年,進(jìn)入21世紀(jì),鄱陽湖流域的大、中型水庫(kù)數(shù)量不斷增加[31],強(qiáng)烈的人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖流域的水文連通產(chǎn)生顯著影響。例如1998年大洪水之后,在江西省開展了以堤防建設(shè)為重點(diǎn)的防洪工程建設(shè),對(duì)主要支流和鄱陽湖區(qū)重點(diǎn)堤防陸續(xù)加高培厚[30],對(duì)河網(wǎng)水系的整治以及新河道的開挖使得這時(shí)期河網(wǎng)水系密度迅速增加。2009-2020年,峽江、倫潭、山口巖等標(biāo)志性大型水利工程相繼建成,加之全面推行河湖長(zhǎng)制,五河干支流調(diào)控能力得到增強(qiáng),水生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善[32]。近30年來通過修建水庫(kù)、閘堤、渠系等,鄱陽湖流域水利工程體系日臻完善,尤其是2003年三峽水庫(kù)等調(diào)控性水利工程建成運(yùn)行后,鄱陽湖的水位、面積、水質(zhì)等愛到影響[33],流域水系結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生一系列變化,進(jìn)一步推進(jìn)了河湖水系連通工程的實(shí)施。此外,隨著生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善,水系朝著良好的方向發(fā)展,最終形成現(xiàn)在的河湖水系格局。本研究主要結(jié)合水利建設(shè),對(duì)近30年來鄱陽湖流域水系結(jié)構(gòu)變化的原因加以宏觀討論,未來需要利用更長(zhǎng)的時(shí)間數(shù)據(jù)并將氣候變化、下墊面和重要水利工程等考慮進(jìn)來,例如三峽工程改變水文節(jié)律后對(duì)水系連通的影響,以強(qiáng)化和詳細(xì)分析水系連通演化原因,從而更有效地為流域防洪減災(zāi)工作提供支持。

本文定量分析了近30年來鄱陽湖流域功能連通指數(shù)IC的時(shí)空變化及其與土地利用、徑流量和輸沙量的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在靠近流域主河道的地區(qū)IC較高,裸地和建設(shè)用地也具有高連通性,而遠(yuǎn)離河道的森林覆蓋區(qū)域IC較低,這與Koci[34]和Yan等[35]研究結(jié)論基本一致。此外,近30年來流域大部分地區(qū)IC有所減少,其中林地和灌木的IC顯著下降,原因主要是流域水土保持工程的實(shí)施減少了水土流失和潛在產(chǎn)沙量。建國(guó)初期,鄱陽湖流域因毀林開荒、圍湖墾田等行為導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化,水土流失嚴(yán)重。自20世紀(jì)80年代開始,鄱陽湖流域開始實(shí)施“山江湖工程”,大規(guī)模進(jìn)行退耕還林、植樹造林。1980-2015年,流域大量的耕地面積減少且主要轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾徒ㄔO(shè)用地,林地面積總體呈增加趨勢(shì),森林覆蓋率由1983年的33%上升到2020年63%以上[36-37]。研究時(shí)段植被覆蓋度升高和土地利用方式改善,提高了流域內(nèi)土壤對(duì)徑流和泥沙的攔蓄能力,對(duì)降低潛在產(chǎn)沙量有很大的作用。因?yàn)樯值耐寥辣砻嬗泻芏嗟蚵湮?可以增加對(duì)泥沙流動(dòng)的阻抗,從而調(diào)節(jié)了徑流,使得進(jìn)入河道的泥沙降低,保護(hù)了土壤侵蝕[38-39]。IC與徑流量和輸沙量的相關(guān)性較高,即隨著流域水文連通性的增強(qiáng),地表徑流增加,大量的徑流會(huì)促進(jìn)沉積物的剝離,徑流泥沙則更容易被運(yùn)輸至河道。已有研究表明,2000年以來,流域五河入湖泥沙量和徑流量減少,土壤侵蝕量明顯減少,水土流失狀況好轉(zhuǎn),生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善[40]。因此,IC在一定程度上能有效的表征流域水土流失的狀況,可以識(shí)別土壤侵蝕的熱點(diǎn)地區(qū),確定泥沙來源和泥沙轉(zhuǎn)移路徑,以便采取行動(dòng)減少或促進(jìn)連通。流域內(nèi)IC指數(shù)高的地方應(yīng)被視為侵蝕風(fēng)險(xiǎn)的重要信號(hào),需要采取水土保持措施,IC低值區(qū)易發(fā)生沉積,可以修建止水壩。總之,流域的土地利用類型和空間格局應(yīng)給予充分重視,未來的水土資源管理、保護(hù)和恢復(fù)策略可以通過選擇關(guān)鍵IC高或低值區(qū)采取相應(yīng)措施來優(yōu)化,以便制定有效的泥沙管理策略。

本文主要基于長(zhǎng)時(shí)間序列、從流域尺度上開展了鄱陽湖流域水文結(jié)構(gòu)連通和功能連通研究。相對(duì)于以往使用ArcGIS從DEM數(shù)據(jù)中處理或基于遙感影像的ENVI處理研究,本文通過閾值法應(yīng)用GEE來提取水體數(shù)據(jù),IC計(jì)算中的權(quán)重因子使用賦值法與基于遙感反演相結(jié)合來確定,因而能確定更適合鄱陽湖流域的權(quán)重因子,提高了IC計(jì)算結(jié)果的可靠性。然而,IC計(jì)算方法及其與徑流量和輸沙量的相關(guān)分析,尚未考慮降雨徑流、營(yíng)養(yǎng)鹽等因素,評(píng)價(jià)體系仍不夠全面。因此,未來還需通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過程的有效結(jié)合,更加全面地考慮功能連通性評(píng)價(jià)方法,明確物質(zhì)和能量的流動(dòng)路徑,進(jìn)一步探索水文連通性與土壤侵蝕過程、人類活動(dòng)之間的關(guān)系,進(jìn)而深入揭示功能連通的變化及其指示意義。

4 結(jié)論

本文基于流域尺度,從宏觀尺度上構(gòu)建水系數(shù)量和形態(tài)屬性,結(jié)合結(jié)構(gòu)和功能連通性評(píng)估指標(biāo),定量分析近30年來鄱陽湖流域水系結(jié)構(gòu)與水文連通性的時(shí)空分布與演變特征,并探究其演化的主要原因。本文實(shí)屬基于流域結(jié)構(gòu)和功能連通視角的重要基礎(chǔ)研究,為鄱陽湖流域水土環(huán)境保護(hù)與治理、生態(tài)文明建設(shè)與發(fā)展提供了科學(xué)支撐。主要結(jié)論如下:

1)自20世紀(jì)90年代以來,鄱陽湖流域水系變化較為顯著。數(shù)量特征上,除干流(Ⅳ級(jí))外,每個(gè)等級(jí)河流的數(shù)量、長(zhǎng)度和面積都有所增加,最為明顯的是Ⅲ級(jí)河流,三者增加率均達(dá)到20%以上,其次為I級(jí)河流,達(dá)到15%以上;形態(tài)特征上,水面率、河網(wǎng)密度、河網(wǎng)復(fù)雜度和發(fā)育系數(shù)總體呈增加趨勢(shì),且2000年后的變化率約為2000年以前的兩倍;空間結(jié)構(gòu)上,鄱陽湖流域水系格局趨于復(fù)雜化,主要體現(xiàn)在流域北部一些支流的增加。

2)近30年來,流域水系節(jié)點(diǎn)數(shù)和河鏈數(shù)逐年增加,兩者增長(zhǎng)率均約為15%,水系連通環(huán)度α和水系連通度γ均呈逐漸增加的趨勢(shì),節(jié)點(diǎn)連接率β呈先減少后增加的趨勢(shì),結(jié)構(gòu)連通性總體上呈好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。一系列水系整治工程的實(shí)施推進(jìn)了河湖水系連通,以水利工程為代表的人類活動(dòng)是影響鄱陽湖流域水系連通演變的主導(dǎo)因素。

3)近30年來,流域68.8%的地區(qū)IC減少,減少的區(qū)域主要是林地,而IC增加的區(qū)域僅占23.3%?？臻g上,下游靠近主河道和植被稀疏的流域IC較高,而上游遠(yuǎn)離河道的茂密森林覆蓋區(qū)域IC較低。就不同土地利用類型而言,IC值呈現(xiàn)出建設(shè)用地>裸地>草地>耕地>灌木>林地。分析得出,流域IC與年徑流量和年輸沙量呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系,IC指數(shù)將在預(yù)測(cè)土壤侵蝕、水土流失等水文事件中發(fā)揮重要作用。