白洋淀水文變化對土地利用類型的影響

趙 穎，張 麗，王 飛

(1.山西省環境科學研究院，山西 太原 030027； 2. 山西大學 體育科學研究所，山西 太原 030006)

白洋淀水文變化對土地利用類型的影響

趙 穎1，張 麗1，王 飛2

(1.山西省環境科學研究院，山西 太原 030027； 2. 山西大學 體育科學研究所，山西 太原 030006)

水文參數；土地利用類型；Mann-Kendal法；Theil-Sen’s slope法；白洋淀

利用非參數Mann-Kendal、Theil-Sen’s slope及Bayes Information Criterion方法，研究水文及土地利用類型的變化趨勢，探討水文情況對土地利用變化的影響，結果表明：白洋淀水位和溫度變化存在下降趨勢，下降幅度分別為0.02 m/a和0.11 ℃/a，降水量呈上升趨勢，幅度約為0.04 mm/a。降水量和溫度的時間序列未檢測到突變點，水位時間序列的突變點為2004年。白洋淀水文改變對區域內的土地利用類型產生重要影響：該區域水體面積下降最為明顯，濕地和農田是該區域目前最主要的土地利用類型。

水資源是支撐人類生存發展不可替代的自然資源，近年來愈發嚴重的水資源危機已成為許多國家和地區社會經濟發展的重要制約因素。在流域尺度上，人類土地利用方式改變導致的土地覆被變化與河川徑流量變化密切相關。土地利用/覆被變化揭示了流域下墊面各種土地利用類型的面積與分布，進一步影響植被降雨截留、地面蒸發、土壤水分下滲及蓄水能力等，因而改變了流域水文干旱、洪澇等災害發生的頻率和強度[1]。同時，水文水資源情勢對土地利用/覆被變化的影響受到流域面積、氣候、地形、土壤和植被類型等因素的制約[2-4]。水文過程對土地利用/覆被變化的影響，以及流域水資源可持續發展問題已成為區域植被恢復領域重要的研究課題[5-6]。

白洋淀位于海河流域大清河水系中游，是華北平原上最大的天然淀泊，具有緩洪滯瀝、蓄水灌溉、調節局地氣候、改善生態環境、補充地下水、保護生物多樣性等多種生態功能，素有“北國江南”“華北明珠”的美譽。20世紀70年代以來，在自然和人類活動的雙重作用下白洋淀水文條件發生了明顯變化，上游來水量顯著減少，出現了水源不足、濕地萎縮、干淀頻繁、水質污染、水體富營養化、生物多樣性減少等危機[7-8]。目前，關于白洋淀水土資源評價和生態環境治理等方面已經積累了一些研究成果，但是針對白洋淀水文變化對土地利用影響的專門研究目前還未見報道。本研究擬選取白洋淀湖區及周邊區域為典型研究區，通過非參數Mann-Kendal、Theil-Sen’s slope及Bayes Information Criterion(BIC)方法，研究水文參數及各土地利用類型面積的變化趨勢，探討水文情況對土地利用類型的影響，以期為白洋淀水環境改善和生態恢復提供新的思路。

1 研究區和研究方法

1.1 研究區概況

白洋淀(39°02′～40°04′N、113°39′～116°11′E)位于華北平原中部，距離北京130 km，地跨河北、山西、北京3省(市)的30多個縣(市)，流域面積約 3.12萬 km2，是京津冀重要的淡水水源地；屬濕潤半濕潤大陸性季風氣候區，年均降水量約469 mm，降水具有典型的季節性特征，其中80%集中在6—9月份，年均氣溫變化范圍11.4 ～13.2 ℃；地形地貌復雜，地勢西高東低，上游分布有諸多水庫設施用于枯水期湖泊水量的補充，整個湖泊區域地形最大落差不超過9 m[9]。進入21世紀以來，白洋淀水資源嚴重不足，上游水庫的補給已成為維持其生態功能的重要措施(表1)。生態補水顯著改變了湖泊的水位波動情況，也對湖泊周邊土地利用產生了重要影響。研究生態補水條件下湖泊水文變化對土地利用的影響，對維護和恢復湖泊生態系統的完整性和安全性具有積極意義。

1.2 數據來源及研究方法

本研究中月水文數據集(1998—2009年)獲取自安新縣環保局，四期土地利用數據集(1996、2000、2005、2008年)獲取自中國科學院地理資源中心。研究區主要土地利用類型有水體、濕地、農田和建設用地等4種。

表1 上游水庫對白洋淀水量補給量 (2000—2009年)

水文數據趨勢分析方法采用非參數Mann-Kendal 和 Theil-Sen’s slope 方法，為消除水文時間序列的自相關性及其季節相關性特征，采用pre-whitening 模式和差分方法進行數據預處理。趨勢分析方法采用R語言“openair”包進行編程和做圖。

水文數據突變分析是基于Bayes Information Criterion方法。該方法通過計算子數據序列最小殘差平方和(RSS)而發現水文時間最優的突變點和突變點數量。突變分析方法采用R語言“strucchange”包進行編程和做圖。該程序包能夠檢測到水文時間序列多個突變特征，如一段水文時間序列有m個突變點，則會將該時間序列分為m+1 段子時間序列，每一段時間序列均具有穩定的回歸系數，“strucchange”包通過對每一時間段的BIC 和 RSS 指標的評估，基于最小BIC值和總體最小 RSS值確定最優的突變點。

2 結果與分析

2.1 水文數據的描述性統計特征

1998—2009年，白洋淀區域小于20 mm的降水量出現頻率最大，水位和溫度頻率波動相對較小。圖1顯示了白洋淀水文參數月變化特征，其中降水量峰值出現在7月份，水位在7月份波動最小，溫度最大值也出現在7月份。

圖1 白洋淀水文參數月變化箱線圖(1998—2009年)

2.2 白洋淀水文變化趨勢分析

圖2顯示了去季節影響的月尺度降水量、水位和溫度的變化趨勢。由圖2可知，水位和溫度存在下降趨勢，平均下降幅度分別為0.02 m/a和 0.11 ℃/a，但兩者的變化趨勢均不具有統計學的顯著性(P>0.05)；降水量數據顯示了上升趨勢，其平均上升幅度約為0.04 mm/a，變化趨勢也不具有統計學的顯著性(P>0.05)。王潔等[10]對白洋淀流域氣溫、降水量的長期變化趨勢的研究認為，降水量存在輕微的下降趨勢，溫度存在微弱的上升趨勢，這與本研究結果有一定的類似。白洋淀水位下降是受淀區洼淀淺碟狀結構影響，水面寬闊，水深較淺，蒸發損失較大，加之受耕地水土流失及區域氣候變化的雙重影響，水量減少嚴重。

2.3 白洋淀水文變化的突變分析

基于BIC方法對突變點的檢測和基于最小RSS對突變趨勢的估計，白洋淀水文時間序列可能的突變點分析結果見表2，其中：降水量和溫度時間序列的突變點未被檢測到；水位時間序列(綜合考慮最小BIC值和最小RSS值)的可能突變點有4個，即1999、2001、2004、2006年。具體突變時間可由該區域土地利用中水體面積的動態變化來確定。

2.4 白洋淀土地利用類型的變化

白洋淀水文參數改變對區域內的土地利用類型產生了重要影響。據圖3和表3，土地利用類型中水體面積下降最為明顯，由1996年的76.26 km2減少到2009年的14.11 km2。2009年以后，濕地和農田成為該區域最主要的土地利用類型。白洋淀水體面積迅速萎縮發生在2005年前后(圖3)，結合區域水文突變分析，可以確定白洋淀水文突變發生在2004年。此外，白洋淀區域濕地面積在2000年左右最大，之后逐漸縮小，濕地分布及面積的變化主要受水位的影響。從白洋淀水量補給來看，2004年2—6月水量補充達到近10多年的最大值(表1)，這與突變檢測得到的2004年突變點的結論相一致，也與張敏等[11]的研究結果相印證，即2004年白洋淀處于干淀期，純水域面積縮減嚴重，水生植被退化明顯，濕地退化嚴重。

圖2 白洋淀水文時間序列的變化趨勢分析

注：圖中粗實線代表趨勢估計，細實線代表95%的置信區間。

圖3 白洋淀土地利用變化

3 結論與建議

1998—2009年白洋淀水位和溫度變化存在下降趨勢，降水量變化呈現上升趨勢，且三者變化趨勢均不具有統計學的顯著性。白洋淀湖區獨特的淀區結構、人類活動和區域氣候變化多重影響是造成白洋淀水文趨勢變化的重要因素。白洋淀降水量和溫度時間序列未檢測到突變點，水位時間序列的可能突變點有4個，土地利用類型及水量補給確定突變點出現在2004年，這與同時期相關研究成果相符。白洋淀水文改變對區域內的土地利用類型產生了重要影響。土地利用類型中的水體面積下降最為明顯，濕地次之，濕地和農田是該區域目前最主要的土地利用類型。

表2 白洋淀水文序列突變檢測結果

表3 白洋淀各時期土地利用類型面積變化 km2

針對白洋淀區域因水量減少而出現的生態環境問題，提出以下治理措施和建議：① 針對入淀水量少的問題，建議加大上游水庫(如西大洋水庫、安各莊水庫、王快水庫和岳城水庫)入淀水量排放。此外，隨著白洋淀水量的減少，早期修建的上游人工河道、溝渠的作用也應進行相應調整，充分利用汛期洪水資源，在保證河道、溝渠暢通的前提下，盡可能多地使上游洪水資源入淀。 ②嚴格執行地下水開采規定，保證區域地下水采補平衡。通過關閉環保不合格企業、建立污水處理廠等方式，使上游地區排入淀內的城市生活用水、工農業廢水達到生態用水要求。③建議嚴格限制在白洋淀區域內新開發耕地和建筑用地；保護和恢復水域周邊的濕地，建立植被緩沖帶；重點治理點源和內源污染。此外，積極開展白洋淀流域尺度下的水環境變化對土地利用空間格局濕地的影響研究，有助于揭示流域人類活動與景觀生態系統變化和水環境的交互作用機制。

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(責任編輯 李楊楊)

國家自然科學基金項目(41401020，41601202)

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1000-0941(2017)05-0052-04

趙穎(1982—)，女，山西太原市人，高級工程師，博士，主要從事水環境污染與治理方面的研究工作。

2016-09-05