白洋淀流域濕地連通性研究

閆 欣,牛振國(guó)

1 中國(guó)科學(xué)院空天信息研究院，遙感科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049

作為“地球之腎”的濕地生態(tài)系統(tǒng),在為眾多野生動(dòng)植物提供棲息地的同時(shí),也為人類提供多種生態(tài)服務(wù),如涵養(yǎng)水源、調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)氣候、降解污染、固碳釋氧、控制侵蝕、營(yíng)養(yǎng)循環(huán)等。濕地生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的連通性是維系濕地上述功能的重要指標(biāo)之一,但日益增強(qiáng)的人類活動(dòng)使得濕地生態(tài)格局發(fā)生改變,割斷了不同濕地斑塊間的聯(lián)系,導(dǎo)致濕地連通性急劇下降,進(jìn)而導(dǎo)致濕地功能出現(xiàn)了不同程度的退化。

水安全和生態(tài)環(huán)境是“雄安新區(qū)”面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一[1]。白洋淀水資源量的時(shí)空分布本質(zhì)上受控于流域的自然地理特征,也受到流域間人為調(diào)水的影響。但多年來(lái)為滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要,白洋淀流域上游大量修建水庫(kù),下游農(nóng)灌用水量也不斷增加,地表水已開發(fā)90%以上,超負(fù)荷開采地下水、占用河道問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重[2]。對(duì)濕地的開發(fā)占用極大影響了濕地的連通性,進(jìn)而影響了濕地功能的發(fā)揮。保護(hù)和恢復(fù)濕地,增強(qiáng)濕地連通性,對(duì)于提高水生態(tài)安全具有重要意義[3]。分析白洋淀流域的濕地連通性,對(duì)于提高雄安新區(qū)的水安全和生態(tài)環(huán)境建設(shè)將具有重要的參考價(jià)值。

本文以白洋淀流域整體為研究對(duì)象,基于最新(2017年)的多源高分辨率遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù),①提取白洋淀流域河道及濕地生態(tài)網(wǎng)絡(luò)信息；②結(jié)合地形等資料,分析白洋淀流域的濕地分布現(xiàn)狀；③在此基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)白洋淀流域濕地的連通性。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

雖然目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于濕地連通性的研究較多,但沒(méi)有建立專門的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。像最小成本路徑模型[4- 7]、形態(tài)學(xué)空間格局分析法(MSPA)[7-8]、整體連通性指數(shù)(IIC)[9]、障礙影響指數(shù)[5]、圖論算法[9-11]、多指標(biāo)評(píng)價(jià)法[12]、景觀指數(shù)方法[13]等多種方法被廣泛應(yīng)用在綠地、水文等生態(tài)領(lǐng)域的連通性研究中,均從不同角度反映了濕地連通性的研究?jī)?nèi)容?？傮w而言,濕地的連通性研究包括濕地的水文連通性和景觀連通性兩方面的內(nèi)容。

水文連通性的狹義概念是指流域內(nèi)物質(zhì)以水為媒介,在空間異質(zhì)性景觀或斑塊內(nèi)(間)進(jìn)行傳輸?shù)谋憷潭?是指空間上的連通狀態(tài)[14]。長(zhǎng)江水利委員會(huì)[15]將水文連通性定義為河道干支流、湖泊及其他濕地等水系的連通情況,體現(xiàn)水流的連續(xù)性和水系的連通狀況。評(píng)估水文連通性對(duì)于了解濕地生態(tài)系統(tǒng)中沉積物和其他污染物的水流和水文傳輸是非常必要的。Van Looy[16]利用圖論理論對(duì)河流廊道與河網(wǎng)進(jìn)行建模,分析其結(jié)構(gòu)與功能連通性。由于濕地(尤其是河流)獨(dú)特的空間分布特征,可以將河流和水系看作景觀中的廊道和網(wǎng)絡(luò),利用廊道與網(wǎng)絡(luò)的分析方法比較不同條件下河流廊道與水系網(wǎng)絡(luò)的特征指標(biāo),以反映水文結(jié)構(gòu)連通的情況。如今水文連通性已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于描述河流、濕地景觀的空間連接。

然而,只有水文連通性無(wú)法定量描述不同斑塊之間的物理聯(lián)系及生態(tài)行為、生態(tài)功能和生態(tài)過(guò)程上的有機(jī)聯(lián)系。景觀格局與生態(tài)過(guò)程是相互聯(lián)系、相互影響的,景觀連通性作為景觀格局分析中的一大研究熱點(diǎn),可以很好的指示斑塊間的連接程度。Merriam[17]最初基于生態(tài)學(xué)角度引入景觀連通性的概念,來(lái)解釋物種分布和景觀結(jié)構(gòu)之間的交互作用在決定生境斑塊之間生物遷移的作用。鄔建國(guó)[18]從景觀生態(tài)學(xué)的角度認(rèn)識(shí)連通性概念,定義為斑塊間通過(guò)廊道、網(wǎng)絡(luò)而連結(jié)在一起的程度。景觀格局的分析方法主要采用數(shù)量研究方法,其定量分析可以從景觀指數(shù)的變化上反映出來(lái)[19]。景觀指數(shù)是反映景觀構(gòu)成、組合、聯(lián)系等方面的簡(jiǎn)單定量指標(biāo),在景觀生態(tài)學(xué)及地理學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[20]。采用不同景觀指數(shù)可以開展?jié)竦氐纳鷳B(tài)特征和景觀結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)[21-22]。如宮兆寧等[22]利用景觀指數(shù)方法分析了北京濕地20多年濕地景觀動(dòng)態(tài)變化特征。景觀連通性是景觀指數(shù)中專門反映景觀斑塊連通程度方面的定量指標(biāo),包括SPLIT、DIVISION、COHESION等計(jì)算景觀連通性、景觀分離度、景觀破碎度、分維數(shù)等,都可以用來(lái)定量描述景觀的連接狀況。

2 研究區(qū)與數(shù)據(jù)源

2.1 研究區(qū)概況

白洋淀流域(38°7′43″—39°39′56″N,114°10′50″—116°8′51″E)屬于大清河流域,上游有5座大型水庫(kù),分為南北兩大支流。如圖1所示,南部支流中,橫山嶺水庫(kù)、口頭水庫(kù)、王快水庫(kù)分別通過(guò)磁河、沙河注入潴龍河,最后注入白洋淀；西大洋水庫(kù)通由唐河注入白洋淀；中部支流中,由漕河注入白洋淀；北部支流中安各莊水庫(kù)通由中易水河與北拒馬河、南拒馬河等由白溝引河注入白洋淀。白洋淀流域處于華北平原,降水相對(duì)集中,在夏秋兩季的7—8月份,屬于典型溫帶大陸性季風(fēng)氣候。白洋淀及其所在大清河上游流域跨越太行山和華北平原,在春夏時(shí)分有來(lái)自太行山的高山融水匯入流域。

2.2 數(shù)據(jù)源

白洋淀流域濕地的遙感分類使用2017年9月20日的Sentinel- 2B遙感影像為數(shù)據(jù)源, “哨兵(Sentinel)”系列地球觀測(cè)衛(wèi)星是歐盟委員會(huì)和歐洲航天局共同倡議的全球環(huán)境與安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(即哥白尼計(jì)劃)的重要組成部分,目的是幫助歐洲監(jiān)測(cè)陸地和海洋環(huán)境并滿足其應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害等安全需求。Sentinel- 2B衛(wèi)星攜帶高分辨率多光譜成像裝置,共有13個(gè)波段(表1)。本文使用的波段為10米分辨率的第2、3、4、8波段。

3 研究方法

3.1 土地利用/覆蓋分類

本研究在對(duì)哨兵影像數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣和幾何校正的基礎(chǔ)上,采用4、3、2波段進(jìn)行彩色合成,采用支持向量機(jī)(Support Vector Machines, SVM)分類方法進(jìn)行研究區(qū)土地利用/覆蓋類型的分類。支持向量機(jī)是一種基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的分類器,通過(guò)解二次規(guī)劃問(wèn)題,尋找將數(shù)據(jù)分為兩類的最優(yōu)超平面,其理論最初來(lái)自于對(duì)數(shù)據(jù)分類問(wèn)題的處理。基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的支持向量機(jī)算法具有理論完備、全局優(yōu)化、適應(yīng)性強(qiáng)、推廣能力好等優(yōu)點(diǎn),是機(jī)器學(xué)習(xí)研究的新熱點(diǎn)。它在最小化經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí),有效提高了算法的泛化能力,具有良好的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展前景[23]。

訓(xùn)練和驗(yàn)證樣本的選取。通過(guò)目視解譯與對(duì)照Google Earth高分辨率影像相結(jié)合的方式(圖2),對(duì)8種地物類型進(jìn)行樣本判別選取,共計(jì)選取樣本總量5199個(gè),其中67%用于監(jiān)督分類,33%用于混淆矩陣精度驗(yàn)證。

表1 Sentinel- 2圖像數(shù)據(jù)基本參數(shù)

圖2 谷歌影像河堤示例Fig.2 An example of the Google image embankment(Ⅰ)：谷歌地球高分真彩色影像,經(jīng)度115°34′17″至115°34′45″,緯度39°02′34″至39°02′48″,成像日期2018年2月3日；(Ⅱ)：實(shí)際河堤照片

國(guó)家林業(yè)和草原局于1999年發(fā)布的中國(guó)濕地分類標(biāo)準(zhǔn)將我國(guó)濕地分為近海與海岸濕地、沼澤濕地、湖泊濕地、河流濕地與人工濕地五大類,依據(jù)白洋淀流域內(nèi)土地利用/覆蓋狀況以及影像分辨率,本文將流域內(nèi)土地利用/覆蓋劃分為河流、洪泛區(qū)、湖泊、沼澤、溝渠、耕地、林地、建設(shè)用地等八種類型(表2)。

平原地區(qū)的河道在濕地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有重要的意義,但是由于季節(jié)性降水等原因,河道的識(shí)別和提取具有很大的挑戰(zhàn)。河堤是平原地區(qū)識(shí)別河道的重要標(biāo)志。根據(jù)《中華人民共和國(guó)河道管理?xiàng)l例(2017年)》,有堤防的河道,范圍為兩岸堤防之間的水域、沙洲、灘地(包括可耕地)、行洪區(qū),兩岸堤防及護(hù)堤地。無(wú)堤防的河道,其范圍根據(jù)歷史最高洪水位或者設(shè)計(jì)洪水位確定。由于河道是潛在的洪水泛濫區(qū)域,任何開發(fā)都存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。

河道的提取。由于河堤堤身材料的復(fù)雜性及遙感影像不同地物光譜特征具有一定的相似性,使得河道自動(dòng)提取難度很大。為了有效識(shí)別河道和保證提取的精度,以0.23m空間分辨率的谷歌影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用LocaSpaceViewer軟件,以人工目視判讀的方法進(jìn)行河道的識(shí)別和提取。對(duì)于有河堤的河道,沿著河堤進(jìn)行識(shí)別和勾繪；對(duì)沒(méi)有河堤的河道的提取,依據(jù)河道與周圍土地利用/覆蓋類型的光譜差異以及經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行判別,不確定的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)記,后期進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,保證能夠識(shí)別的河道都能被提取。識(shí)別的河道包括主河道以及各個(gè)分級(jí)河道、廢棄河道等,且所有河道保持連續(xù)。

表2 白洋淀流域土地利用/覆蓋類型

3.2 濕地連通性分析

本文將濕地連通性從水文連通性和景觀連通性兩個(gè)方面進(jìn)行分析。狹義上的水文連通性,是指河流中水體的連通狀況,主要考慮河道干支流與流域內(nèi)湖泊等水系的連通情況。景觀連通性主要取決于景觀的組成特征和空間分布格局,反映某種斑塊類型的不同斑塊之間的物理聯(lián)系。因此可以看作水文連通性是從水文形態(tài)學(xué)的角度對(duì)流域中河流廊道連通性的定量描述,而景觀連通性是從景觀生態(tài)學(xué)的角度對(duì)流域中濕地斑塊連通性的定量描述。

3.2.1水文連通性

目前水文連通性的評(píng)價(jià)方法是多指標(biāo)評(píng)價(jià)法,評(píng)價(jià)體系構(gòu)建一般采用的指標(biāo)是節(jié)點(diǎn)度數(shù)β、實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)γ等[24]。其中節(jié)點(diǎn)度數(shù)又被稱為連接率指標(biāo),是指與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的邊的個(gè)數(shù),反映了節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)連接的難易程度,節(jié)點(diǎn)度數(shù)越高,連接越容易,連通性越高。γ指數(shù)是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際廊道數(shù)目與最大可能連接廊道數(shù)目之比,γ指數(shù)以拓?fù)淇臻g為基礎(chǔ),主要揭示節(jié)點(diǎn)與連接數(shù)的關(guān)系,反映網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度,便于計(jì)算,不反映實(shí)際距離、線性程度、廊道的方向及節(jié)點(diǎn)的確切位置。其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中,N是河網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù),L代表河網(wǎng)中的河鏈數(shù),是指現(xiàn)存的由河流廊道抽象成的線段數(shù)目,連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。Lmax為最大可能連接廊道的數(shù)目。如果有3個(gè)節(jié)點(diǎn),那么最多只有3條連接廊道；但若有4個(gè)節(jié)點(diǎn),則另外增加3個(gè)連接廊道,總數(shù)為6。假設(shè)無(wú)新的交叉形成,則每增加一個(gè)節(jié)點(diǎn),最大可能的連接廊道數(shù)以3的倍數(shù)增加。γ取值為0—1,0表示節(jié)點(diǎn)沒(méi)有連線,1表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相互連通,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)說(shuō),γ多在1/3到1之間取值,接近1/3時(shí),網(wǎng)絡(luò)呈樹狀；接近1時(shí),網(wǎng)絡(luò)近似于最大平面網(wǎng)絡(luò)。即指數(shù)越大,表明網(wǎng)絡(luò)的連接度越好。

3.2.2景觀連通性

通常在三個(gè)水平上計(jì)算景觀指數(shù),分別為斑塊水平、斑塊類型水平和景觀水平。斑塊(水平)指數(shù)是基于單個(gè)斑塊的指數(shù)；斑塊類型(水平)指數(shù)是針對(duì)某類斑塊中所有斑塊的指數(shù)；景觀(水平)指數(shù)是針對(duì)整個(gè)景觀中所有類型斑塊的指數(shù)。由于白洋淀流域面積較大,單一景觀類型的小斑塊較多,計(jì)算斑塊級(jí)別的數(shù)據(jù)量大但意義不大,因此本文只在類型水平與景觀水平上(表3)對(duì)流域內(nèi)自然濕地、人工濕地及河道內(nèi)景觀進(jìn)行景觀連通性分析。

表3 景觀連通性指數(shù)

4 結(jié)果

4.1 白洋淀流域濕地分布

分類結(jié)果表明白洋淀流域土地利用/覆蓋的總體分類精度為84.25%,Kappa系數(shù)為0.82,具有較好的精度,錯(cuò)分誤差較小,可供研究使用。

圖3 2017年白洋淀流域坡度圖(Ⅰ)和土地利用/覆蓋圖(Ⅱ)Fig.3 Distribution map of slope (Ⅰ) and land use/cover (Ⅱ) maps in 2017

遙感監(jiān)測(cè)顯示,2017年白洋淀流域土地利用/覆蓋以耕地和林地為主,而各類濕地面積占13.90%,建設(shè)用地占7.31%(表4)。濕地類型中沼澤面積最大,洪泛區(qū)面積次之,溝渠約占1%,湖泊與河流比例均不足0.5%。河道內(nèi)主要土地利用類型為濕地,沼澤、洪泛區(qū)、湖泊類型居多,溝渠與河流類型偏少。

表4 白洋淀流域內(nèi)土地利用/覆蓋類型和河道內(nèi)各類用地面積及所占比例/km2

圖4 白洋淀流域河道3km范圍內(nèi)土地利用/覆蓋分布圖Fig.4 Map of 3km buffer zone of river course of Baiyangdian basin

為分析人類活動(dòng)對(duì)濕地的影響,以河道為中心,分別在兩側(cè)建立1km、2km、3km的范圍的緩沖區(qū),對(duì)基于Sentinel影像提取的土地利用/覆蓋分類結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖4)。隨著緩沖區(qū)范圍的增大,非濕地類型所占比例逐漸增加,濕地類型所占比例逐漸減少。河道兩側(cè)1—3km緩沖區(qū)范圍內(nèi)的土地利用類型主要是耕地類型,其次是濕地,沼澤與洪泛區(qū)是主要的濕地類型,開闊水體面積較少。

結(jié)合GDEM 30m分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù),利用ArcGIS10.2軟件對(duì)白洋淀流域進(jìn)行坡度計(jì)算,得到坡度分布圖。結(jié)合土地利用/覆蓋分類圖(圖3)以及不同土地利用/覆蓋類型的坡度、高程分布(表5、表6)可以看出除林地有近60%的面積分布在10°至30°的山區(qū)外,其余土地利用/覆蓋類型主要分布在0°至2°的區(qū)域上。而高程統(tǒng)計(jì)值顯示近80%的湖泊、大型水庫(kù)分布在100m至300m高度上,沼澤的分布比較均勻,主要在20m至300m的較高海拔區(qū)域,建設(shè)用地、洪泛區(qū)與耕地類型主要集中在20m至100m區(qū)域,河流、溝渠主要集中在0m至100m的區(qū)域內(nèi)。

表5 白洋淀流域不同土地利用/覆蓋類型坡度分布/%

表6 白洋淀流域不同土地利用/覆蓋類型高程分布/%

4.1.2白洋淀流域的河道分布及河道占用

圖5 2017年白洋淀流域河道分布圖Fig.5 Distribution of river course of Baiyangdian basin in 2017

根據(jù)人工目視解譯結(jié)果,白洋淀流域河道總長(zhǎng)度約為2440km,總面積為514km2(圖5),占流域面積的1.55%。以坡度10°和高程100m為界,將流域內(nèi)河道劃分為山區(qū)河道和平原河道。統(tǒng)計(jì)得到山區(qū)河道共有177km2,長(zhǎng)度為866km,呈東北-西南向分布,多位于林地與耕地交界處；平原河道面積共337km2,其長(zhǎng)度為1574km。

由表4可以看出,河道內(nèi)耕地面積比例達(dá)27.34%,接近三分之一的河道屬于耕地,河道占用情況嚴(yán)重。河道內(nèi)洪泛區(qū)與沼澤的面積遠(yuǎn)高于明水面積,與白洋淀流域的河流基本處于斷流狀態(tài)有關(guān)。一方面反映了北方河流季節(jié)性顯著的特性；另一方面,與水資源利用強(qiáng)度大密切相關(guān)。與此同時(shí)河道內(nèi)還存在部分建設(shè)用地,包括了河道內(nèi)修筑的河堤河壩等水工建筑物和其他與水利無(wú)關(guān)的建設(shè)用地。通過(guò)對(duì)河道內(nèi)建設(shè)物進(jìn)行人工目視解譯,計(jì)算出非水利建筑物面積5.51km2,占總建設(shè)用地的12.23%。

河道內(nèi)不同濕地類型面積與白洋淀流域整體濕地相比,流域內(nèi)約有1/3的河流和3/4的湖泊分布在河道內(nèi),河道內(nèi)的沼澤面積占整個(gè)流域沼澤面積3%左右?？梢钥闯?流域內(nèi)大部分水體被人類控制,而沼澤濕地等則較少。

4.2 河道內(nèi)濕地水文連通性

本文從河道整體、河道內(nèi)濕地、河道內(nèi)水體(包括河流和湖泊)三個(gè)方面對(duì)河道水文連通性進(jìn)行分析。河道水文連通性是假設(shè)河道沒(méi)有任何占用,將河道作為一個(gè)整體計(jì)算其水文連通性,河道水文連通性可以表征不受影響的情況下的原始水文連通性。河道濕地的水文連通性分析,是將河道內(nèi)所有濕地類型(包括沼澤、洪泛濕地和水體等)作為一個(gè)整體,計(jì)算水文連通性。排除了耕地、建設(shè)用地與林地等非濕地類型。此種情況表示河道水系受人類開發(fā)占用后河道的水文連通性。河道內(nèi)水體的水文連通性是只考慮河道內(nèi)現(xiàn)狀地表水體類型(包括河流與湖泊)時(shí)的水文連通性,它反映的是現(xiàn)狀情況下(如地表水被大量開發(fā)利用)的河道的水文連通性。這三個(gè)不同的水文連通性可以代表人類活動(dòng)對(duì)河道的影響程度。河道的開發(fā)占用和水資源的高強(qiáng)度利用,是現(xiàn)狀下河道的水文連通性狀況,人類影響最強(qiáng)；而河道水文連通性代表了沒(méi)有人類活動(dòng)的直接和間接影響下的水文連通性；河道內(nèi)濕地的水文連通性介于上述二者之間。

經(jīng)計(jì)算河道的河鏈數(shù)為2592,節(jié)點(diǎn)數(shù)為2528,求得實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)γ為0.34,節(jié)點(diǎn)度最小值為1,最大值為5,平均節(jié)點(diǎn)度數(shù)為2.91,標(biāo)準(zhǔn)差為0.689。實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)與節(jié)點(diǎn)度數(shù)在三種情況下均為最高,節(jié)點(diǎn)度數(shù)越高表示與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的邊的個(gè)數(shù)越多,即節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)連接越容易,而γ越大表示該網(wǎng)絡(luò)越接近最大平面網(wǎng)絡(luò),其連接度也越好。另外節(jié)點(diǎn)度數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差最小,說(shuō)明節(jié)點(diǎn)度數(shù)的值處于相對(duì)較高且穩(wěn)定的狀態(tài)?？傮w來(lái)看河道的水文連通性在三者中是最好的。

河道內(nèi)濕地的河鏈數(shù)為19174,節(jié)點(diǎn)數(shù)為20583,求得實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)γ為0.31,節(jié)點(diǎn)度最小值為1,最大值為5,平均節(jié)點(diǎn)度數(shù)β為2.47,標(biāo)準(zhǔn)差為0.898。從數(shù)值上看,河道內(nèi)濕地的河鏈數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種情況下的數(shù)值,由此可見其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜,但實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)、節(jié)點(diǎn)度數(shù)及節(jié)點(diǎn)度數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差均介于河道整體與河道內(nèi)河流湖泊之間,說(shuō)明在水文連通性方面,河道內(nèi)濕地的連通性處于中等。

河道內(nèi)河流湖泊的河鏈數(shù)為1296,節(jié)點(diǎn)數(shù)為1436,求得實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)γ為0.30,節(jié)點(diǎn)度最小值為1,最大值為4,平均節(jié)點(diǎn)度數(shù)β為1.81,標(biāo)準(zhǔn)差為0.998。河流湖泊的河鏈數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)在三者中是最少的,這是因?yàn)樵诋?dāng)前氣候與人類活動(dòng)的影響下導(dǎo)致的地表水嚴(yán)重匱乏,流域內(nèi)的幾大河流均出現(xiàn)很大程度的斷流現(xiàn)象,只有水庫(kù)、堤壩等截留了一部分地表徑流,導(dǎo)致水體分布不連續(xù)且比較分散。實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)與節(jié)點(diǎn)度數(shù)在三者之中最低,表明節(jié)點(diǎn)間連接的容易程度與網(wǎng)絡(luò)連接度最差。節(jié)點(diǎn)度數(shù)遠(yuǎn)低于上述兩者但標(biāo)準(zhǔn)差最大,說(shuō)明節(jié)點(diǎn)度數(shù)的值較不穩(wěn)定?？傮w來(lái)看只有河流湖泊參與計(jì)算的河道實(shí)際水文連通性最差。

從上述結(jié)果可以看到河道的水文連通性最好,河道內(nèi)濕地的水文連通性次之,河道內(nèi)河流湖泊的水文連通性最差,與理論分析結(jié)果一致。由于將河道作為整體表示的是在不受人類影響的假設(shè)條件下水文連通性最好的狀態(tài),可以作為衡量其他條件下水文連通性大小的標(biāo)準(zhǔn)。河道內(nèi)本應(yīng)全部為濕地類型卻因人類活動(dòng)的影響,出現(xiàn)不同程度的濕地退化與占用,導(dǎo)致其連通性降低。而地表徑流更是少之又少,天然入淀河流只占極少一部分,白洋淀只能靠“引黃濟(jì)淀”、“引岳濟(jì)淀”等跨流域調(diào)水緩解干淀危機(jī),連通性出現(xiàn)大幅度降低,與理想狀態(tài)相比節(jié)點(diǎn)度數(shù)的值減少了1/3,實(shí)際結(jié)合度指標(biāo)比河道內(nèi)濕地的計(jì)算值略低,但也遠(yuǎn)低于理想狀態(tài)。表明當(dāng)前白洋淀流域的實(shí)際水文連通性狀況不容樂(lè)觀,需要引起足夠的重視。

4.3 流域的濕地景觀連通性

利用ArcGIS10.2軟件對(duì)流域和河道內(nèi)的濕地在類型級(jí)別進(jìn)行景觀分析,對(duì)流域內(nèi)的自然濕地、人工濕地與河道進(jìn)行景觀級(jí)別的分析(表7)。景觀連接的過(guò)程可以看作是生境破碎化的反過(guò)程,景觀連通性將影響物種在生境斑塊中運(yùn)動(dòng)的順利程度。從斑塊類型水平對(duì)河道和流域內(nèi)的濕地類型進(jìn)行分析,可以掌握具體濕地類型的連通狀況,將決定該種斑塊類型是否可被某個(gè)生物體占據(jù)利用以及影響到生物體在該類型斑塊中轉(zhuǎn)移的能力,其連通性大小也會(huì)對(duì)生物多樣性高低產(chǎn)生影響。從景觀水平對(duì)自然濕地、人工濕地與河道進(jìn)行連通性分析可以從流域尺度上把握其整體的連通性。

表7 景觀指數(shù)計(jì)算結(jié)果

分離度越高表明斑塊間的距離越大,斑塊分布越離散,連通性越低。由景觀指數(shù)結(jié)果可以看出,在類型級(jí)別上,流域內(nèi)各濕地類型的SPLIT和DIVISION值顯示出一致性,由大到小排序?yàn)檎訚?、溝渠、洪泛區(qū)、河流、湖泊。雖然湖泊的分布比較分散,但由于湖泊內(nèi)部的像素比較聚集所以總體上計(jì)算的湖泊分離度的值最小,連通性最強(qiáng)。本文河流表示的是狹義上的地表徑流,分布與洪泛區(qū)類似,多小規(guī)模出現(xiàn),斑塊間的距離比較小,所以其景觀連通性也相對(duì)較好。而沼澤與溝渠的分布比較廣泛,幾乎遍布整個(gè)流域,斑塊與斑塊間的距離較遠(yuǎn),其連通性最差。河道內(nèi)濕地類型的分離度值與流域內(nèi)各濕地類型計(jì)算的值略有差異,但也可以明顯看出沼澤的分離度仍然最高,河流、溝渠次之,洪泛區(qū)、湖泊最低,連通性好壞與分離度的值成反比。而景觀級(jí)別上的SPLIT與DIVISION值也表現(xiàn)出了一致性,即自然濕地的分離度最高,人工濕地次之,河道的分離度最低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是自然濕地的斑塊類型與數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于人工濕地,且分布更加廣泛,而人工濕地也就是溝渠類型在人類的控制下,一般不會(huì)出現(xiàn)部分溝渠有水、部分溝渠無(wú)水的情況,連通性較好。河道由于是人工勾繪,不出現(xiàn)不連續(xù)的情況,所以其連通性最好。

從上述計(jì)算可以看出在濕地類型方面湖泊的連通性最好,溝渠、洪泛區(qū)、河流的連通性次之,沼澤的連通性最差。從景觀級(jí)別看河道的連通性最好,人工濕地次之,自然濕地最差。表明對(duì)河道與人工濕地進(jìn)行管理可以有效促進(jìn)加強(qiáng)濕地的連通性,保持河道與溝渠良好的連通性對(duì)增強(qiáng)流域的供水安全與洪水防控安全有重要意義。而自然濕地尤其是沼澤類型不易進(jìn)行管控,導(dǎo)致其景觀連通性很差。建議濕地管理部門在進(jìn)行決策時(shí)多關(guān)注沼澤等自然濕地的連通性問(wèn)題。

5 結(jié)論與討論

水生態(tài)安全是“雄安新區(qū)”面臨的關(guān)鍵生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。白洋淀承接了流域內(nèi)9條河流水體的匯入,規(guī)劃在淀區(qū)周圍的“雄安新區(qū)”的水生態(tài)安全不僅直接受淀區(qū)濕地生態(tài)環(huán)境的影響,也間接受到流域內(nèi)濕地生態(tài)功能狀況的影響。因此整個(gè)流域濕地的連通性對(duì)于“雄安新區(qū)”水安全起著關(guān)鍵性的作用。

由于長(zhǎng)期的開發(fā),2017年白洋淀流域內(nèi)濕地面積只占流域面積的13.90%。白洋淀流域內(nèi)的水體在很大程度上被人類控制。通過(guò)人工目視解譯提取的河道分布表明,到2017年,白洋淀流域河道總長(zhǎng)度約為2440km,河道面積為514km2。流域內(nèi)27%的河流與73%的湖泊分布在河道內(nèi)。同時(shí)河道被開發(fā)占用顯著。近三分之一的河道被農(nóng)田占用,以河道為中心,向兩側(cè)不同距離范圍增大,非濕地類型所占比例逐漸增加。河道的開發(fā)占用不僅妨礙了河道的輸水功能,農(nóng)田中的農(nóng)藥進(jìn)入河道也會(huì)污染水質(zhì),若遇洪水更會(huì)使人民生命財(cái)產(chǎn)受到威脅。

人類對(duì)濕地的影響分為直接的開發(fā)占用和間接的水資源的高強(qiáng)度利用。在假設(shè)不考慮人為情況下,白洋淀河道具有較好的水文連通性。但受到人類活動(dòng)影響后河道的水文連通性下降?，F(xiàn)狀情況下河道的水文連通性與河道沒(méi)有受到干擾時(shí)候的連通性水平相比,減少了三分之一。同時(shí)在流域整體上看,受人類活動(dòng)影響,流域內(nèi)濕地破碎,自然濕地的景觀連通性最差,人工濕地略好于自然濕地。

流域內(nèi)濕地的連通性降低,不僅會(huì)直接降低甚至破壞濕地的生態(tài)和環(huán)境功能,進(jìn)而對(duì)流域水安全帶來(lái)極大威脅；同時(shí)對(duì)于流域內(nèi)的耕地等也存在潛在的威脅。對(duì)濕地進(jìn)行合理恢復(fù)和管理將有助于提高白洋淀流域濕地的連通性,對(duì)流域內(nèi)的濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能發(fā)揮、動(dòng)植物生境保護(hù)以及景觀規(guī)劃等都具有重要影響作用。將白洋淀流域作為整體,通過(guò)提高濕地的連通性,增強(qiáng)流域內(nèi)濕地的生態(tài)和環(huán)境功能,將有助于增強(qiáng)雄安新區(qū)以及白洋淀流域的水生態(tài)和環(huán)境安全。