黃土高原地區(qū)小流域NDVI值變化對徑流量影響研究

張春元，徐 陽

(聊城黃河河務局，山東 聊城 252000)

植被覆蓋度的變化對徑流的產(chǎn)生和坡面匯流起著重要作用。受地形等自然環(huán)境的制約，植被覆蓋通過影響植被冠層截留、地表蒸散、植被蒸騰、地表水入滲徑流等直接影響自然水循環(huán)，其中最直接的表現(xiàn)就是流域內(nèi)徑流量的變化。Wang等分析了中國黃河上游水蝕風交錯帶西柳溝流域1960—2010年的植被、徑流和泥沙特征，結果表明，主要植被類型以低覆蓋度為主，植被覆蓋度的提高不僅增加了土壤入滲，而且增加了植被蒸散，從而使降雨引起的徑流減少。Minns和Hall、Tokar和Johnson分別利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法模擬了降雨徑流過程。賀維(2007)使用SWAT水文模型模擬了不同植被覆蓋率下的徑流量，發(fā)現(xiàn)徑流量隨植被覆蓋率的減少而增加，納磊(2008)利用HEC-HMS模型，模擬得出了與其相同的結論。

從國內(nèi)外研究成果看，黃河流域植被變化對水文過程研究近年來備受關注，但相關研究多集中在大區(qū)域和大流域，對小流域小尺度地表徑流量的研究較少。為此，本文研究禿尾河小流域植被覆蓋變化對地表徑流量的影響。

1 研究區(qū)概況

禿尾河位于榆林市境內(nèi)，在漢代被叫做圜水，后世又稱為吐渾河，明代稱為禿尾河。它屬于黃河右岸的支流。因發(fā)源于沙漠地區(qū)，支流較少，故得名“禿尾”。發(fā)源于神木縣鳳沙區(qū)宮泊海子，起初稱為公泊溝，與圪丑溝相匯合之后稱之為禿尾河。禿尾河的下游是神木、榆陽和佳縣之間的邊界河流，在佳縣的武家峁附近流入黃河，如圖1所示。禿尾河水系結構極為簡單，以支流形式廣泛分布，西南岸支流比較發(fā)育。全長140.0km，流域面積3373.0km2，主河道長133.9km，河道縱坡比降3.87‰，落差507m，年均流量12.0m3/s，年均輸沙量2800萬t。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

年植被指數(shù)(NDVI)空間分布數(shù)據(jù)集是基于連續(xù)時間序列的spot植被NDVI衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。

遙感數(shù)據(jù)源選取1991年陸地衛(wèi)星TM(5)夏季分辨率為30m，2016年陸地衛(wèi)星TM(8)夏季分辨率為15m的遙感數(shù)據(jù)。借助遙感解譯軟件ENVI、ArcGIS和MAPGIS，采集解譯地圖區(qū)域的高程，選取控制點，對圖像進行預加工處理，通過人工目視解譯，完成了1991和2016年1∶10比例尺的土地利用數(shù)據(jù)。

利用GIS中網(wǎng)格系統(tǒng)的空間分析功能，基于DEM數(shù)字高程模型提取流域和河網(wǎng)數(shù)據(jù)集。首先將DEM數(shù)據(jù)填充成凹陷和峰值，確定每個網(wǎng)格單元的流向。然后，根據(jù)各網(wǎng)格單元的流向，計算各網(wǎng)格單元的匯流能力。根據(jù)匯流能力確定河網(wǎng)。最后快速識別各子流域。

圖1 禿尾河位置及概況

禿尾河徑流量以及降雨量數(shù)據(jù)，來自于黃河水利委員會所發(fā)布的資料《黃河流域水文年鑒》。

2.2 研究方法

利用ENVI軟件對遙感數(shù)據(jù)進行處理，可以得到禿尾河流域的土地利用和歸一化植被指數(shù)(NDVI)。選取1998年后的徑流和降雨數(shù)據(jù)，使用SPSS軟件分析處理。

2.2.1歸一化植被指數(shù)

NDVI又被稱為標準化植被指數(shù)(Normalized Differential Vegetation Index)，是指近紅外波段近紅外光譜(NIR)為0.7～1.1μm，可見光波段近紅外光譜(R)為0.4～0.7μm，2者之和的比值。NDVI在植被研究和植物物候研究中有著廣泛的應用，是反映地表植物生長狀態(tài)和空間分布密度的最優(yōu)指標。與植被分布密度呈線性相關，植被覆蓋探測范圍廣，時空適應性好。計算公式為：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中，NIR—近紅外波段；R—紅波段。

2.2.2統(tǒng)計分析

本文運用統(tǒng)計學中的相關分析和回歸分析方法對徑流量、植被指數(shù)以及降雨量數(shù)據(jù)進行分析。采用SPSS軟件來操作相關分析。計算了各子流域NDVI與徑流的Pearson相關系數(shù)、偏相關系數(shù)。顯著性檢驗采用T檢驗法。

皮爾遜(Pearson)相關系數(shù)：它是一種幾何解釋，用來衡量2個變量之間的線性相關的程度，它表示2個變量之間夾角的余弦用于研究2個變量之間的相關性。其計算公式為：

(2)

3 結果

3.1 禿尾河流域植被改善及其效果

禿尾河1991—2016年土地利用變化如圖2所示，植被指數(shù)變化如圖3所示。

禿尾河流域1991、2016年土地利用情況對比如圖4所示。從圖2—4中可以清楚地看到整個盆地格局和各區(qū)域面積的變化。五類土地面積有不同程度的變化，禿尾河地區(qū)林地變化較大，總面積增加6.60×108m2。其中，建設用地和道路所占比例最小。由于人口大幅度增長和經(jīng)濟的大力發(fā)展，建設用地面積逐年增加。近年來，在氣候變暖和人類活動的影響下，水域面積大幅度縮小，水域面積變化小于其他土地類型，減少了0.36×108m2，由于國家大力實施退耕還林政策，禿尾河流域耕地面積逐年減少，演變?yōu)榱值嘏c建筑面積。

圖2 禿尾河1991—2016年土地利用變化

圖3 禿尾河1991—2016年植被指數(shù)變化

圖4 禿尾河流域土地利用情況

土地利用動態(tài)度是各土地利用類型變化速度最為直觀的反映，可以用其來衡量指定土地利用類型在一定時間范圍里的面積變化。它對變化速率的計算和對未來的變化趨勢有著積極的影響。計算公式如下：

(3)

式中，Ubi，Uai—研究期末和研究期初某土地利用類型i的面積，108m2；T—研究時段長。

由式(3)計算可以得到，1991—2016年，林地的K值為2.3%，水體為-3.8%，風沙草灘為-3.7%。說明水體減少的速率大于植被增加的速度。

1991—2016年禿尾河流域NDVI分級對比如圖5所示。通過對NDVI對比分析，禿尾河流域生態(tài)植被總體上呈改善趨勢，低植被覆蓋度和中植被覆蓋度占比大大增加，無植被覆蓋度和極低植被覆蓋的占比急劇減少，植被覆蓋度逐漸由無向中轉換。但應引起注意的是，流域內(nèi)高植被覆蓋度的地區(qū)占總面積的比重仍然很小，僅3.67%。過去29a的時間內(nèi)研究區(qū)林地、建設用地、耕地和裸地都出現(xiàn)了增加，而水體面積基本無變化。對比植被覆蓋度，發(fā)現(xiàn)植被覆蓋度最高的區(qū)域為禿尾河流域南部林地，占流域總面積3.67%；禿尾河中部大部分為中等植被覆蓋度區(qū)域，占流域總面積的28.72%，地類以耕地、裸地和建設用地為主，水域覆蓋度最低；對比植被覆蓋變化趨勢空間分布圖，植被退化的區(qū)域主要為耕地、裸地轉變?yōu)榻ㄔO用地的區(qū)域，植被改善的區(qū)域為禿尾河北部大量的風沙草灘轉變?yōu)榱值貐^(qū)域。

圖5 禿尾河流域1998、2016年植被覆蓋度分級對比

禿尾河流域高植被覆蓋度減少3.54%，中植被覆蓋度增加11.39%，低植被覆蓋度增加9.44%，極低植被覆蓋度減少12.61%，無植被覆蓋區(qū)域減少4.69%。由于政府近年來對禿尾河流域西北部的風沙草灘進行系統(tǒng)性的整治，使得風沙草灘面積大幅度減少，植被覆蓋面積逐年增高。

3.2 NDVI逐年變化特征及與年徑流的相關性

一元線性回歸趨勢分析是對一組隨著時間變化的變量進行回歸分析的方法。該方法可以用來分析禿尾河流域各元素之間的變化趨勢，直觀反映植被綠度的變化率。以1998—2015年18a各像元NDVI值為基礎，模擬了18aNDVI的變化趨勢，并用最小二乘法求出回歸線的斜率：

(4)

式中，i—1998—2015年18a中的第i年；NDVIi—第i年的NDVI值；slope—趨勢線的斜率，slope>0說明NDVI在18a間呈現(xiàn)增加的趨勢，slope<0說明NDVI在18a間呈現(xiàn)減少的趨勢，slope=0說明NDVI在18a間沒有變化。

經(jīng)計算得slope=0.011>0，所以禿尾河18a間的NDVI值呈現(xiàn)增加的趨勢。將禿尾河流域1998—2015年的NDVI值繪制出散點圖和最優(yōu)擬合曲線如圖6所示。

y=-0.0001x2+0.5295x-542.28

R2=0.8878y″=-0.0002

圖6 1998—2015年禿尾河年均NDVI值變化

可以看出，曲線的二階導數(shù)為負值，禿尾河NDVI值的整體趨勢為逐年增大，但增長率逐年降低。將禿尾河的逐年年均徑流量與年均NDVI值疊加觀察，隨著NDVI值增大，徑流量呈現(xiàn)出逐年減小的趨勢。2001年以前的平均NDVI值為0.26，2012年后的平均值為0.43，有明顯的增長，增長68%。而2001年以前的平均徑流量為2.17億m3，2012年后的平均徑流量為1.67億m3，出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，如圖7所示。

圖7 徑流量與年均NDVI值關系

對徑流量和NDVI進行相關性分析，相關系數(shù)為-0.814，表示徑流量與NDVI值呈負相關，徑流量與NDVI值的數(shù)量變動方向相反，見表1。徑流量隨著NDVI值增大而減小，相關性較高。顯著性值(sig)為0，其具有顯著性意義。說明植被覆蓋度的增高將減少地表徑流量并延長匯流時間。

表1 徑流量與NDVI值相關性

3.3 降雨量與NDVI的變化對徑流量的影響

3.3.1年際變化

地表的徑流過程是復雜的，通常受多因子的控制。比如，降雨量的大小對徑流量的影響是顯著存在的。通過趨勢分析法，禿尾河小流域1998—2015年降水量總體呈波動上升的趨勢。2003—2006年年降水量顯著降低。1997年為該時期降雨量最低點。2013年出現(xiàn)一個降水峰值，之后逐年降低。如圖8所示。

圖8 禿尾河流域降雨量趨勢

通過對比徑流量和降雨量不難發(fā)現(xiàn)，禿尾河1998—2015年的降雨量增加的情況下，徑流量呈現(xiàn)逐年降低的趨勢。對比1998—2015年，降雨量增加52%，徑流量卻減少9.5%。這是由于植被覆蓋度增加，植物截留而來的降雨在植物莖、枝葉表面吸著力、承托力和水分重力、表面張力等作用下儲存在植物表面的現(xiàn)象。在降水過程中，植物截留量不斷增加，直至達到最大截留量，并延續(xù)于整個降雨過程。

使用偏相關分析法，將降雨量設置為控制變量，以便于消除降雨量的影響，更好地反映NDVI和徑流量之間的關系，見表2。在降雨量為控制變量的條件下，徑流量和NDVI之間的偏相關系數(shù)為-0.783，與二者之間的相關系數(shù)相差不大，概率(p)值為0，在顯著性水平為0.05的條件下，徑流量和NDVI依然呈現(xiàn)負相關關系。降雨量作為地表徑流量的唯一輸入，與徑流量具有很強的正相關關系，說明降雨量對二者之間的相關性影響較小，在黃土高原小流域地區(qū)，植被覆蓋是影響流域徑流量的主要因素之一，植被覆蓋度越高，徑流量越小。

表2 降雨、NDVI和徑流偏相關性分析

3.3.2年內(nèi)變化

全球氣候變化對水資源時空循環(huán)格局產(chǎn)生較大程度的影響，將1998—2015年降雨量與徑流量按1—12月逐月求取平均值。禿尾河徑流量年內(nèi)變化規(guī)律如圖9所示，禿尾河徑流量在年內(nèi)表現(xiàn)出“先增加—后減小—再增加—再減小”的變化趨勢，其曲線為顯著的雙峰特點。隨著氣溫升高，冰雪融化，河流解凍，此時段蒸發(fā)量較小，導致3月徑流量出現(xiàn)高峰值；6—8月雖然蒸發(fā)強烈，但此時段降雨量較大，使徑流量急劇增加。同時可以看出，2000—2013年徑流量年內(nèi)變化趨勢不明顯，雙峰特點不顯著。禿尾河3—4月徑流量急劇變化；8月以后徑流量隨時間呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。

圖9 月均降雨量與月均徑流量

將1998—2015年的NDVI值按1—12月求取平均值，月均NDVI值如圖10所示。NDVI受到降雨的影響較大，與降雨量的變化趨勢相同。從時間上來看，禿尾河1—3月的NDVI值均處于0.12以下的較低值，3月過后開始迅速升高，持續(xù)至8月達到峰值，NDVI超過0.3。8月過后，開始持續(xù)降低，12月的NDVI值降為0.13左右。降雨量對NDVI的年內(nèi)影響相關性較大，而對徑流量的影響較小。在降雨量較少的條件下，降雨量和徑流量相關性較小，徑流量的大小受到植被的影響更高。

圖10 NDVI月均變化值

4 結論

水作為“山水林田湖草”生命共同體的要素之一，在國土空間上與城鎮(zhèn)建設、農(nóng)業(yè)開發(fā)和生態(tài)保護三類空間有著密切聯(lián)系。通過對土地利用動態(tài)度評價表明，水體減少的速度大于植被增加的面積。加入降雨數(shù)據(jù)，通過Pearson相關性檢驗得出，降雨量對NDVI值的大小呈正相關影響，而隨著1998—2015年NDVI值逐年增高，徑流量卻逐年降低，2者之間顯現(xiàn)初負相關趨勢。說明，植被覆蓋度的增加，將會影響地表匯流的過程，減小地表徑流量。改善禿尾河地區(qū)的植被生態(tài)質(zhì)量，將對其地表徑流起到明顯的調(diào)控作用。該地區(qū)應加強水資源水生態(tài)防洪抗旱等各類水利專業(yè)規(guī)劃之間的統(tǒng)籌來調(diào)控水資源分配。

本文選用黃土高原地區(qū)單一小流域進行了理論與實際分析，得出了一定的結論，但未對植被覆蓋變化對徑流量影響進行定量研究，這將成為后期的研究方向。