粵北巖溶區(qū)雨水資源空間可利用潛力評價

陳佳升, 尹 輝

(1.東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 南昌 330013; 2.惠州學(xué)院 地理與旅游學(xué)院, 廣東 惠州 516007)

水是維持生態(tài)系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)不可或缺的基本要素，是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量交換的主要介質(zhì)。由于巖溶地區(qū)具有地表和地下雙層結(jié)構(gòu)，6—9月的季風性強降雨季節(jié)，對于落水洞堵塞、地表排水不暢的地區(qū)，洪澇災(zāi)害時有發(fā)生；然而，雨季過后，大量地表水下滲、匯入到深幾十米甚至幾百米的當?shù)鼐用耠y以獲得水資源的地下河，常常造成長達6個月或半年以上的干旱。此外，生態(tài)環(huán)境惡化、土地資源流失在巖溶區(qū)可以造成地表植被覆蓋度減少，涵養(yǎng)水源能力減弱，水源枯竭和糧食減產(chǎn)，給當?shù)厝藗兩a(chǎn)和生活帶來威脅[1-3]。可見，作為維持巖溶區(qū)居民生產(chǎn)與生活，巖溶區(qū)治理與生態(tài)恢復(fù)重要組成部分的水資源，其雨水資源空間可利用潛力的空間評估和雨水資源利用模式的相關(guān)研究，是急待深入探討的科學(xué)問題。

國外學(xué)者對于非巖溶區(qū)雨水資源的量化研究主要集中在氣候變化引發(fā)的降水量變化、人類活動等對下墊面的改造[4-8]影響下的雨水資源可利用風險評價，和雨水—徑流數(shù)值建模等方面[9-13]；巖溶區(qū)雨水資源的量化研究，主要從水循環(huán)與水動力模型、試驗評價、雨水資源與環(huán)境背景的相互關(guān)系等方面展開，技術(shù)手段主要應(yīng)用了經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)、GIS技術(shù)、水工程勘測等研究方法[14-21]。國內(nèi)學(xué)者對于非巖溶區(qū)雨水資源的量化研究，主要以某個特定區(qū)域或小流域為單位開展空間層面上的研究[22-24]；對于巖溶區(qū)雨水資源的量化研究，主要從遙感監(jiān)測技術(shù)、綜合評價模型兩個大方面進行了量化計算與多指標綜合評價[25-26]。當前，對于雨水資源可開發(fā)利用潛力的研究主要集中在坡面和小流域尺度上，區(qū)域尺度上對雨水資源可利用潛力進行系統(tǒng)性分析的研究較少[27-28]，小尺度上的評價指標體系及其評價方法難以適合區(qū)域尺度上的評價，因而亟需探討區(qū)域尺度上的雨水資源開發(fā)潛力評價指標體系和評價方法[29-31]。

廣東巖溶區(qū)總面積1.06萬km2，占廣東省總土地面積的5.9%，大部分位于粵北和粵西地區(qū)，是我國巖溶區(qū)的重要組成部分，集中在粵北的清新、英德、連州、陽山、乳源和粵西的封開、懷集等縣市[32-33]。該區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展較為落后，貧困人口多[34]。利用遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，開展粵北巖溶區(qū)雨水資源空間可利用評價，可以探索RS和GIS技術(shù)支持下粵北巖溶區(qū)雨水資源可利用評價的實現(xiàn)方法，從宏觀上了解研究區(qū)域雨水資源化潛力的空間分布現(xiàn)狀，并進行定量評價。此外，研究結(jié)果有利于為粵北巖溶區(qū)雨水資源開發(fā)提供參考，因地制宜合理地保護和利用雨水資源，解決局部區(qū)域的缺水問題，實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

本研究選取粵北巖溶區(qū)為研究區(qū)域，采用3S技術(shù)和統(tǒng)計學(xué)方法，選擇與雨水資源空間可利用潛力緊密相關(guān)的氣候、巖性、土壤、地形地貌、植被覆蓋等影響因素作為評價指標，分析各因子之間的關(guān)系進行數(shù)據(jù)建模，通過野外考察采樣和室內(nèi)試驗分析、空間分析的相互結(jié)合，進行粵北巖溶區(qū)雨水資源空間可利用評價。研究核心探討如何實現(xiàn)粵北巖溶區(qū)雨水資源可利用潛力影響因子的空間量化，并對評價結(jié)果進行分析。

1 研究區(qū)概況

粵北地區(qū)地處廣東省北部，位于112°07′—114°30′E，24°00′—25°28′N，是廣東、廣西和湖南3省交界地帶。基于區(qū)域的水文地質(zhì)條件，結(jié)合前人研究成果，論文以行政區(qū)為邊界確定粵北巖溶區(qū)，主要包括清遠市的清城區(qū)、清新區(qū)、英德市、連州市、佛岡縣、陽山縣、連南瑤族自治縣和連山壯族瑤族自治縣，韶關(guān)市的曲江區(qū)、湞江區(qū)、武江區(qū)和乳源瑤族自治縣。粵北巖溶區(qū)北屬于亞熱帶季風氣候，溫暖潮濕，雨熱同期，雨旱季分季明顯。研究區(qū)多年平均氣溫20.6℃，因地處南嶺南坡的多雨區(qū)，年降雨量達1 500～2 400 mm，大雨、暴雨頻率高；受東亞季風和南亞疾風共同影響，降水多集中于每年的4—9月，占全年雨量的67.5%～74.2%。研究區(qū)域內(nèi)巖溶地貌發(fā)育典型，分布面積大，生態(tài)環(huán)境脆弱，土壤侵蝕和植被退化較為強烈，面臨著突出的石漠化、水土流失等生態(tài)環(huán)境問題[3,35]。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

(1) 遙感數(shù)據(jù)。本研究采用Landsat8 OLI影像Level 1T地形校正產(chǎn)品，共3景，數(shù)據(jù)下載自中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)。所有影像均采用UTM-WGS84投影坐標系，空間分辨率為30 m。在日期選擇上，為了減少物候?qū)τ谟跋褡R別的影響，降低解譯難度，在4—10月份篩選數(shù)據(jù)。研究區(qū)域地處南方多雨區(qū)(降水集中在4—9月)，獲得完全無云覆蓋的影像有一定難度，因此在盡可能保證小云量的前提下選擇日期較為接近的數(shù)據(jù)[36]。遙感影像預(yù)處理工作主要包括影像輻射定標、大氣校正、影像鑲嵌和研究區(qū)裁剪等[37]。本研究遙感影像所有的預(yù)處理工作在遙感圖像處理軟件ENVI中進行。

(2) DEM(數(shù)字高程模型)數(shù)據(jù)。本研究選擇由日本METI和美國NASA聯(lián)合研制的ASTER GDEMV2數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，采用WGS-84地理坐標系，數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http:∥www.gscloud.cn)。預(yù)處理工作包括進行投影變換為UTM-WGS84投影坐標系、鑲嵌、研究區(qū)域裁剪等。

(3) 土地利用類型數(shù)據(jù)。本研究以中國科學(xué)院土地利用/覆蓋分類體系[38-41]為基礎(chǔ)，結(jié)合粵北巖溶區(qū)實際情況，將研究區(qū)域土地利用分為耕地，林地，草地，水體，城鄉(xiāng)、工礦和居民用地、其他用地共6大類。為了減小和避免監(jiān)督分類中人為主觀因素較強、類別定義誤差和訓(xùn)練樣本選擇誤差等制約分類精度的因素干擾，節(jié)省樣本的選取和評估的人力、時間，同時充分利用遙感影像和其他輔助數(shù)據(jù)提供的專題信息，研究中采用非監(jiān)督分類和決策樹分類相結(jié)合的方法進行土地利用分類，得到粵北巖溶區(qū)土地利用分類結(jié)果(附圖6)。

此外，粵北巖溶區(qū)氣候數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)的中國地面累年值年值數(shù)據(jù)集(1981—2010年)(http:∥data.cma.cn)，選擇了粵北巖溶區(qū)6個，以及周邊27個，共33個國家基本氣象站點的年降水量數(shù)據(jù)。圖件資料主要有來自中國水文地質(zhì)圖冊的廣東省水文地質(zhì)圖、廣東省土壤類型圖等。在ArcGIS中，完成上述圖件的地理配準、矢量化、研究區(qū)域裁剪等預(yù)處理工作，建立地理空間數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理。研究中涉及轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)的，重采樣分辨率統(tǒng)一為30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標的選取 一般而言，影響區(qū)域雨水資源空間可利用潛力的因素可歸納為3個方面：氣候因素、下墊面因素和人為因素，3個方面的因素可進一步分解為氣候、巖性、土壤、地形、植被和人為6個方面的因素。按照評價指標具有代表性、宏觀性和適于GIS處理的要求，同時參考前人相關(guān)研究結(jié)果，最后選定雨水資源空間可利用潛力評價的各項指標見表1。

表1 粵北巖溶區(qū)雨水資源空間可利用潛力評價指標

2.2.2 評價指標的空間量化

(1) 巖性因素(R)。本研究對巖性因素空間量化，主要基于粵北巖溶區(qū)各類巖層的水文地質(zhì)條件，通過層次分析法計算指標值。在構(gòu)建層次分析法的判斷矩陣時，主要參考《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范GB50487—2008》行業(yè)標準中提供的不同巖體特征條件和不同滲透性等級下的滲透系數(shù)和透水率，并根據(jù)粵北巖溶區(qū)的具體實際情況和數(shù)值量化的可操作性，界定出粵北巖溶區(qū)不同巖性條件下的透水系數(shù)比值關(guān)系為：富水性強(強透水性)∶富水性中等(中等透水性)∶富水性弱(弱透水性)=1∶3∶7。據(jù)此得到基于層次分析法的各巖性判斷矩陣(表2)，以及粵北巖溶區(qū)巖性因素(R)值空間分布圖(附圖7)。

(2) 氣候因素(P)。以粵北巖溶區(qū)及其周邊33個國家基本氣象站年平均降水量為依據(jù)，計算多年平均降水量；然后將多年平均降水量數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS中，生成帶有多年平均降水量屬性的氣象站點圖層；最后應(yīng)用ArcGIS地統(tǒng)計模塊中的反距離權(quán)重法進行空間插值，得到粵北巖溶區(qū)多年平均降水量空間分布圖(附圖8)。

表2 基于層次分析法的各巖性權(quán)重構(gòu)成

(3) 土壤因素(S)。由于不同土地利用類型下，人為活動的多寡對團聚體的影響或破壞作用不一，加上巖溶山地是典型的脆弱生態(tài)環(huán)境，土壤資源存在先天不足性，其退化恢復(fù)受土地利用方式的影響大。首先，以粵北巖溶區(qū)土地利用圖(附圖6)和Google Earth影像為依據(jù)，進行空間布點，共選取覆蓋研究區(qū)的36個采樣點，每個采樣點均采集不同土地利用方式下，0—20 cm深度并去除植物和巖石等雜質(zhì)的土壤樣品。隨后通過樣品烘干和過篩的方式完成土壤粒度分析試驗，得到研究區(qū)域土壤粒度數(shù)據(jù)。其中，≥0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量為粒徑0.25 mm以上的土壤質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。最后，結(jié)合研究區(qū)域土地利用圖和行政區(qū)劃圖。在ArcGIS中對粒度分析試驗得到≥0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量進行屬性賦值，得到粵北巖溶區(qū)≥0.25 mm的土壤水穩(wěn)性團聚體含量空間分布(附圖9)。

(4) 地形因素(T)。區(qū)域地形特征對雨水資源化潛力有很大的影響，選擇溝壑密度作為反映地形因素的綜合度量指標。以粵北巖溶區(qū)DEM數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于ArcGIS的水文分析工具箱，提取了研究區(qū)域的河網(wǎng)；最后通過線密度分析計算研究區(qū)域溝壑密度分布(附圖10)。

(5) 植被因素(V)。植被覆蓋度可以基于遙感圖像提取的歸一化植被指數(shù)(NDVI)反演得到，結(jié)果如附圖11所示。其中，歸一化植被指數(shù)(NDVI)的計算公式為：

(1)

式中：NDVI為歸一化植被指數(shù)；NIR為近紅外波段地物反射率；R為紅光波段地物反射率。植被覆蓋度(FVC)的計算公式為：

(2)

式中：FVC為植被覆蓋度(%)，NDVImin為區(qū)域NDVI的最小值；NDVImax為區(qū)域NDVI的最大值。

2.2.3 雨水資源空間可利用潛力的計算方法 相關(guān)研究表明，影響區(qū)域雨水資源空間可利用潛力的巖性因素、氣候因素、土壤因素、地形因素、植被因素之間的關(guān)系是一個典型的乘法關(guān)系[42-43]。粵北巖溶區(qū)雨水資源空間可利用潛力的計算公式為式(3)(記為模型1)。為了較好地探討雨水資源空間可利用潛力模型的效果，對式(3)進行了兩次調(diào)整。考慮到土壤因子中≥0.25 mm水穩(wěn)性團粒含量越大，越可能會增加雨水資源的下滲，從而造成地表水的流失，雨水資源可利用潛力越小，將式(3)調(diào)整為式(4)(記為模型2)；此外，在土壤因子調(diào)整的基礎(chǔ)上，植被覆蓋對于雨水資源的樹冠截留，會造成蒸發(fā)和蒸騰增加，從而導(dǎo)致雨水資源可利用潛力的減小，據(jù)此調(diào)整為式(3)(記為模型3)。

W′=a×R×P×S×T×V

(3)

(4)

(5)

3 結(jié)果與分析

3.1 雨水資源空間可利用潛力分析

在ArcGIS中，利用柵格計算器可實現(xiàn)雨水資源空間可利用潛力計算。得到粵北巖溶區(qū)雨水資源空間可利用潛力分布圖(圖1)。對計算結(jié)果進行基于自然間斷點方法的重分類，把雨水資源可利用潛力由小到大劃分為5個等級，得到分級統(tǒng)計表(表3)。由圖1和表3可知，3個模型計算結(jié)果中，粵北巖溶區(qū)雨水資源可利用潛力空間分布不均，呈現(xiàn)塊狀分布、梯度變化的特點；3個模型均值分別為1 117.866，239.68，218.549，模型1的均值高于模型2、模型3的均值；同時從模型1到模型3，雨水資源空間可利用潛力分布的梯度變化逐漸增大。由圖1B—1C可知，模型2和模型3的計算結(jié)果中，雨水資源空間可利用潛力呈現(xiàn)南多北少、東多西少的特征。

圖1 基于模型1、模型2、模型3的粵北巖溶區(qū)雨水資源空間可利用潛力分布

模型潛力等級最小值最大值均值標準差潛力小0523.237234.739101.195潛力較小523.2431074.758829.166148.410模型1潛力中等1074.7601541.4301330.925131.432潛力較大1541.4312008.0981752.994132.239潛力大2008.1043606.0992254.848197.989潛力小0179.18080.43244.022潛力較小179.180374.649280.58455.880模型2潛力中等374.650879.584475.18778.346潛力較大879.9291824.3771286.038274.745潛力大1824.6414153.7232356.935352.341潛力小0230.922102.53362.829潛力較小230.9221019.679374.842127.752模型3潛力中等1020.4892212.8571668.971348.710潛力較大2213.1983251.7832749.273271.261潛力大3252.7454907.0953762.121328.316

為了揭示縣域尺度下不同模型雨水資源可利用潛力的空間差異，分別計算了3個模型下不同等級雨水資源可利用潛力在各縣域的構(gòu)成比例，結(jié)果見圖2、表4。粵北巖溶區(qū)南部的清城區(qū)、佛岡縣、清新區(qū)，東北部的曲江區(qū)、武江區(qū)等縣區(qū)雨水資源空間可利用潛力相對較大，位于西北部的連州市、連山縣等的可利用潛力相對較小。

3.2 雨水資源空間可利用潛力影響因素分析

主成分分析可以通過數(shù)理統(tǒng)計方法來衡量各自變量對因變量的影響程度。在SPSS統(tǒng)計軟件的支持下，對巖性、氣候、土壤、地形和植被5個因子進行主成分分析。表5顯示了影響因子之間的相關(guān)系數(shù)，基于此可以計算得到主成分的特征值、貢獻率和累積貢獻率(表6)。根據(jù)累積貢獻率超過85%或特征值大于1時，即可確定主因子，由表6可知，主成分1和主成分2的特征值分別為1.502，1.345，因此取這兩個主成分作為主因子計算各影響因素的主成分載荷，結(jié)果見表7。由表7可知，在主成分1中起主導(dǎo)作用的依次是地形因素和巖性因素，在主成分2中起主導(dǎo)作用的依次為植被因素、巖性因素和土壤因素。綜上可知，影響雨水資源空間可利用潛力的因素按照影響程度依次為巖性因素和地形因素，其主成分載荷分別為0.645，0.788。

圖2 縣域尺度下不同等級雨水資源空間可利用潛力構(gòu)成

潛力等級模型1潛力小潛力中等潛力大模型2潛力小潛力中等潛力大模型3潛力小潛力中等潛力大清城區(qū)55.2821.3723.3570.5926.882.5396.601.002.40佛岡縣10.9817.7671.2650.0149.570.4299.550.200.25清新區(qū)33.6422.0844.2946.4652.471.0698.640.221.14英德市43.259.5147.2475.2624.180.5599.200.300.50連山壯族瑤族自治縣36.4345.0018.5799.920.030.0499.930.040.02曲江區(qū)73.9063.9343.4142.5757.270.1599.740.210.14連南瑤族自治縣35.6838.4725.8499.850.110.0499.960.010.03武江區(qū)59.5325.1115.3657.4341.141.4497.630.551.82陽山縣65.6117.1217.2692.946.940.1399.870.100.03湞江區(qū)46.8126.6226.5745.4554.110.4399.410.230.35乳源瑤族自治縣46.1827.4126.4195.244.450.3199.050.280.67連州市63.0126.1310.8699.020.830.1599.680.200.12

注：潛力小的比例等于潛力小與潛力較小兩個等級的比例之和，潛力大的比例等于潛力較大與潛力大兩個等級比例之和。

表5 各影響因素的相關(guān)系數(shù)

表6 各主成分特征值、貢獻率和累積貢獻率

表7 各影響因素的主成分載荷

4 結(jié) 論

以粵北巖溶區(qū)為研究對象，選取巖性、氣候、土壤、地形和植被作為影響因素，建立了區(qū)域雨水資源空間可利用潛力評價模型。在3S技術(shù)的支持下，著重研究了評價指標的空間量化和表達，并在此基礎(chǔ)上對研究區(qū)域的雨水資源空間可利用潛力進行了評價。得出以下結(jié)論：(1) 雨水資源空間可利用潛力的影響因素在GIS中的空間量化效果較好，適合于進行空間分析；(2) 3個評價模型雖然基于不同的考慮，但計算結(jié)果均顯示，粵北巖溶區(qū)雨水資源可利用潛力呈現(xiàn)塊狀分布和梯度變化的特點，且從模型1到模型3，梯度變化逐漸增大；(3) 粵北巖溶區(qū)雨水資源空間可利用潛力空間分布不均，區(qū)域差異較大；(4) 主成分分析顯示，雨水資源空間可利用潛力受到各因素的綜合影響，貢獻率較大的是巖性因素和地形因素。

本研究僅僅是在3S技術(shù)支持下，選擇巖性、氣候、土壤、地形和植被5個因素的具體指標宏觀評價粵北巖溶區(qū)的雨水資源空間可利用潛力。而除上述因素和指標外，雨水資源空間可利用潛力還受到其他環(huán)境變量的影響，這需要進行深入系統(tǒng)探討。