基于SCS模型的山地濕地緩沖區研究：以湖北恩施自治州為例

孫尚遠

（阿德萊德大學，澳大利亞 阿德萊德 5000）

山地環境高程變化顯著，溫度等自然要素隨山地高度的變化發生改變，山地自然生態系統隨之產生分層，這也是山地環境具有豐富的生物多樣性的重要原因。山地環境相比于平原而言，年降水量更多，其環境吸收利用的水含量也往往更高（Crystal，2006）。山地因地形抬升而形成的迎風面和背風面會使山地不同位置的生態環境在濕度上具有顯著差異(Jeník, 1975)，山地不同的高程，其土壤類型以及土地使用類別在水文方面也會有很大差異，例如地表產流的大小在不同山地區域會有所不同等。山地濕地更易在山地環境中形成(Batzer et al, 2012），且多以小微濕地為主，而地形復雜多變的山地又使山地濕地的空間布局呈現不連續性與隨機性(Wacker et al, 2014)。這些看似零散且任意分布的山地濕地之間實際上也有著形態與功能上的聯系，其對于維持穩定的山地環境十分必要(Jason, 2018)。濕地緩沖區作為濕地重要的組成部分，在保護水質、提供動植物棲息地、防止侵蝕等方面具有重要作用(William et al, 2007)。在山地環境的背景下，濕地緩沖區面臨多重因素的制約和影響，譬如山地地表徑流速率較大，相比于平原地區山地濕地緩沖區更容易受到侵蝕、水土流失等影響。

國內外學者針對山地濕地保護開展了一系列研究。例如馮鳳嬌等(2016)對翁安山地濕地景觀規劃可持續發展進行了研究；袁興中等(2021)提出了順應高程梯度的山地梯塘小微濕地生態系統的景觀設計技術框架；Lee等(2017)則利用水文預測工具與模型為未來山地濕地棲息地保護提供借鑒參考。前人的研究對山地濕地景觀的保護與修復起到了重要的推進作用，但目前研究重點還是在平原濕地上，山地濕地的研究仍較為有限；其次，由于山地地形高程復雜多變，相比于平原濕地，山地景觀中地表徑流對濕地的影響更加突出。目前尚缺乏地表徑流與山地濕地及緩沖區的相關定量研究，本研究可以在宏觀層面上提出需要重點加強防護的山地小微濕地緩沖區的范圍。

本文以湖北恩施土家族苗族自治州附近山地濕地緩沖區為研究區域，通過ArcGIS工具進行流域分析并明確主要地表徑流流域，結合SCS模型定量研究地表徑流與山地濕地緩沖區的關系，從而找到在強降雨情況下受地表徑流影響較大的山地濕地斑塊，為未來山地濕地景觀保護與修復提供借鑒。

1 研究區概況

恩施土家族苗族自治州(108°23′12″～110°38′08″ E,29°07′10″～31°24′13″N)的首府位于恩施市，是湖北13個地理行政區之一，西連重慶市黔江區，東連湖北省宜昌市的神農架林區。恩施山地屬于亞熱帶季風型山地濕潤氣候，海拔落差較大，表現出十分明顯的氣候垂直地域差異(圖1)。該地年平均降雨量1 600 mm，平均氣溫為16.2℃。該地區主要的地貌地形特征為階梯狀多級巖面構成的山地形態，由于當地溫暖濕潤氣候的影響下，碳酸巖類占據較大比重(羅菊英等,2018)。研究區范圍內較高的降水量，高差明顯的坡地結構等因素，使得該區域本身地表徑流所帶來的影響相比于平原地區更加突出。

圖1 恩施土家族苗族自治州地形地貌Fig.1 landform of Enshi Tujia and Miao Autonomous Prefecture

2 研究數據和處理方法

2.1 遙感數據的處理

恩施土家族苗族自治州區域土地利用現狀分析主要的獲取方法，是通過對Landsat 8 OLI_TIRS衛星遙感數據進行人工目視解譯得到，云量小于5%，衛星掃描該區域得到的遙感數據最近時間為2020年11月12日，滿足分析研究的基本需求。遙感圖像在GIS軟件中采用UTM投影，地理坐標系為WGS-1984，對于不同的波段組合如7、6、4組合(城市)，5、4、3組合(水體)，6、5、2組合(不同植被)等進行有針對性的土地類型分析，然后通過創建特征文件(Create Signatures)和最大似然法分類(Maximum Likelihood Classify)進行解譯，最終得到土地類型分析圖(圖2)。

圖2 土地類型分析Fig.2 land type analysis

2.2 高程數據的處理

DEM高程數據來源于GDEMV3衛星，精度為30 m，中心經度為109.5°，中心緯度為30.5°，條帶號30，行編號109，云量小于5%，高程圖范圍基本位于研究區位置，但初始得到的DEM數據邊界為矩形，它的面積略大于研究區域，通過ArcGIS軟件中的掩膜提取分析(Extract By Mask)得到更加精準的高程圖范圍。

2.3 氣象數據的處理

降雨量是研究地表徑流的關鍵數據，同時也是SCS模型中重要的組成部分。由于該地區經常遭遇較大規模降雨的緣故，山地濕地更容易受到不同程度的破壞，因此為了明確其在極端降雨環境下的自然狀況，通過選取該地區氣象觀測站點逐年氣象數據中過去40年中最大單日降雨量作為研究數據，數據來源為中國氣象數據網(中國氣象數據網，2021)和氣象分析工具小麥芽（WheatA）的數據綜合比對。其中該區域每10～20 a的最大單日降雨量均為144.53 mm，每30～40 a的最大單日降雨量均為320.04 mm。

3 研究方法

為了明確研究區域內地表徑流對山地濕地及其緩沖區的影響，需要通過土地利用類型了解不同土地種類的徑流系數。明確徑流的流向、流量、徑流分支點等因素，利用這些數據對研究區內主要的集水區范圍進行準確劃定。通過SCS模型，結合土地徑流系數、區域高程數據、集水區范圍以及當地的氣象數據，得到最大單日降雨時地表徑流集中淹沒的區域高程。通過ArcGIS軟件分析提取出河流、山地濕地等相關水體的緩沖區范圍，并與地表徑流淹沒區進行比較，得到受影響的山地濕地緩沖區。具體的工作流程如圖3所示。

圖3 工作研究流程Fig.3 Work flow

3.1 土地徑流系數的選取

徑流系數為指定的集水區域中總地表徑流量與總降水量的比值，是一種表明多少降水可以轉換成地表徑流的指標數據，可以體現出各種因素對降水轉換成地表徑流的影響情況(孫燁等,2020)。研究借鑒了《2019年湖北省海綿城市標準》(湖北省勘察設計協會, 2020)和《室外排水設計標準》(GB 50014-2021)(中國住房和城鄉建設部, 2021)中關于徑流系數的取值參考，并結合Landsat 8 OLI_TIRS與Worldview 2衛星遙感觀測對各類型土地中徑流系數進行了數值范圍的劃定。由于山地降雨強度較強、山地坡度大、土地利用結構破碎化等因素，山地與平原地區相比仍有較大差異，參考山地型區域地表徑流系數的相關研究(錢進等, 2019; 馮力柯等, 2021; 盧垚等, 2020)，在研究區內對徑流系數的取值進行了適當調整，具體數據如表1所示。

表1 地表徑流系數取值Table 1 Value of surface runoff coefficient

3.2 明確地表徑流的流域范圍

通過流域分析可以明確徑流集水區的大致范圍，為之后結合SCS模型進行更細致的定量研究提供有效幫助。DEM高程數據在獲取時由于衛星精度、數據轉換等因素有時可能會存在一些小的誤差，這會導致高程數據表面不會十分平滑，在后續分析中可能會誤判洼陷區域，從而使分析結果準確度下降，因此在ArcGIS中首先利用填洼(Fill)工具對DEM進行完善。為了得到集水區范圍，首先利用ArcGIS中的流向工具分析徑流流向(Flow Direction)，然后基于流向數據可以分析出徑流流量(Flow Accumulation)，這可反映出河流、地表徑流等集中匯集的具體情況。為避免ArcGIS在分析中因數據精度等原因遺漏少部分徑流支流的識別，導致最終結果的不完整，通過河流鏈接(Stream Link)工具尋找各個支流的分叉交匯點，從而呈現出完整的徑流支流網絡，并最終利用流域分析(Watershed)識別出研究區域內完整的集水區范圍。

3.3 SCS模型的使用

流域水文模型簡稱SCS模型，是一種針對流域的水文情況進行定量分析的模型工具，由美國農業部水土保持局在1954年發明使用(Claude et al, 2005)，是目前頗為流行的流域水文分析工具之一。通過該模型可以基于降雨量、土地利用類型、土壤種類等因素判斷地表徑流的具體影響情況。SCS模型的具體公式如下所示：

式中：Q表示直接徑流量(mm)，S為可能最大滯留量(mm)，CN為徑流系數參數，P為總降雨量(mm)。

3.4 確定山地濕地緩沖區范圍

濕地緩沖區是濕地系統中重要的棲息地組成部分和自然保護屏障，在生物群落交流、凈化涵養濕地水源、穩定土壤結構等方面扮演著重要的角色。但目前學術界對于濕地緩沖區的范圍界定標準仍各有不同，如Margaret等(2019)在研究農業污染與修復時認為濕地緩沖區范圍至少應該大于150 m，SCJ咨詢聯盟(2019)則在濕地環境評估中將濕地緩沖區范圍大致分為50 m、100 m、200 m和300 m 4個區間，而Victor(2014)在眾多研究中更加接受濕地緩沖區寬度范圍取值為10 m、30 m或100 m。基于上述研究，本文決定采用100 m作為山地濕地緩沖區的寬度。

4 結果與分析

4.1 山地地表流域的范圍劃分

基于利用完善后的高程數據得到的山地地表流向情況和徑流支點數據，明確劃分出該區域內地表徑流流域的具體范圍分布(圖4)。為了便于后續進行定量分析，對不同流域依次編號，經統計研究區域內共計21塊徑流流域，其中西北處云陽縣附近單個徑流流域范圍較大，而中部至東南處徑流流域區塊較多且多數面積范圍較小。

圖4 流域范圍分析Fig.4 Analysis of watershed scope

4.2 強降雨情況下山地地表徑流影響分析

每塊流域被作為一個單獨的研究對象并逐個分析從而得出每塊流域中徑流總水量與徑流淹沒高程，并由此推算出每塊流域的平均徑流系數。在10～20 a一遇（144.53 mm）與30～40 a一遇(320.04 mm)最大單日降雨量的氣象情況下，通過SCS數據模型推算出每塊流域的直接徑流量，然后利用表面體積工具(Surface Volume)反向推算出山地徑流淹沒所在高程的具體情況，具體數據見表2。其中在山地較低高度分布（約74～350 m）的徑流淹沒區多位于研究區北部(云陽縣、奉節縣附近)，包括流域1、2、3、4、7、17；在山地中等高度分布(約350～700 m)的徑流淹沒區多位于中部和南部，包括流域5、6、8-11、12、14、16、18-21；在山地較高高度分布(約700 m以上)的徑流淹沒區位于研究區西南部(玉龍洞景區和利川市附近)，包括流域13和15。

表2 強降雨下山地徑流淹沒所在高程Table 2 Elevation of mountain runoff inundation under heavy rainfall

4.3 明確受到影響的山地濕地緩沖區

利用SCS模型推算出地表徑流集中淹沒的高程數據并將其通過ArcGIS進行可視化顯示，再將解譯后得到的濕地與河流以100 m為標準進行緩沖分析(Buffer)，最終比對徑流淹沒區域與山地濕地緩沖區的相交位置，從而尋找在強降雨下山地濕地緩沖區受影響的部分(圖5)。通過計算分析，研究區域內100 m緩沖區面積共計318.04 km2，受到10～20 a一遇最大單日降雨影響的緩沖區面積有73.11 km2，占全部緩沖區比重約22.99%；受到30～40 a一遇最大單日降雨影響的緩沖區面積有80.54 km2，占全部緩沖區比重約25.32%。結果顯示：無論是10～20 a一遇或30～40 a一遇強降雨來臨時均有超過1/5的緩沖區受到地表徑流淹沒的消極影響，這和山地地區降雨量普遍比平原地區要大、山地高程變化明顯、不同的土地類型等因素均有一定關聯。在空間分布上，因強降雨受到徑流影響的山地小微濕地緩沖區主要集中在龍鳳鎮、梭布埡石林景區、巫山縣、安坪鎮等地區附近。

圖5 強降雨影響下山地濕地緩沖區安全性分析Fig.5 Safety analysis of downhill wetland buffer zone affected by heavy rainfall

5 討論

5.1 定期進行山地濕地安全評估

山地濕地相比于平原濕地分布更加分散和隨機，并且有一部分位于高程較高的位置，所以很容易被忽視，但這些山地濕地的安全情況實際上在一定程度上反映了附近生態斑塊的穩定性，為人們解讀山地環境變化提供可判讀的信號。與此同時，一些當地特有的珍稀瀕危物種如國家Ⅱ級保護植物水松(Glyptostrobus pensilis)、篦子三尖杉(Cephalotaxus oliveri)等物種也更多依賴于山地濕地(雷澤湘等, 1998)，所以建立完整且科學的山地濕地緩沖區定期評估十分重要。由于本研究其中一項重要的基本數據是降雨年度數據，如果想要對山地濕地進行更加及時有效的評估，可以選取半年度、季度甚至月度內的降雨量數據，然后進行SCS模型評估，并根據結果建立山地濕地緩沖區評估大數據體系，從而做到及時有效的安全監測機制。

5.2 控制相關人類活動的干預

部分受影響山地濕地緩沖區靠近河流或者居住區如白楊坪鎮山地區、團堡鎮山地區等，相比坐落于海拔較高的山地濕地，這些緩沖區更容易受到相關人類活動的干擾，造成濕地緩沖區不同程度的退化和萎縮，這對于濕地微環境的穩定發展是極具挑戰性的。為最大程度上避免和消除人類活動對山地濕地緩沖區所帶來的消極影響，政府機構和環保組織需要對這些可能存在負面影響的人類活動進行評估和管控，例如減少無節制的開墾梯田、開山挖礦、破壞污染山地水源等行為。

5.3 研究的局限性與未來研究優化方向

在研究中衛星遙感數據、地表徑流系數、緩沖區范圍等數據是進行分析的關鍵數據，相關數據選取使用的合理性將影響最后結果的判讀。研究過程中不可避免會遇到一定的數據誤差，如本研究中衛星遙感數據精度為30 m，如果通過高分衛星進行更高精度的解譯會使得土地利用類型分析更加準確，這也會間接影響地表徑流系數的取值。其次，相比于平原地區，山地環境更加復雜，地表徑流系數也會有所不同，但目前在取值方面仍缺乏足夠的研究，會存在一定的誤差，這需要相關領域的專家對山地地表徑流系數取值研究進行優化調整，得到更加合適的山地水文評估模型。濕地緩沖區范圍目前仍然是學術界爭相探討的話題之一，準確的山地濕地緩沖區范圍仍然有待更深層次的研究，這些因素的改進也是未來優化本研究方法的主要工作方向。

6 結論

恩施自治州山地地形復雜多變、降雨量明顯高于平原地區、土壤結構復雜等因素導致地表徑流帶來的負面問題相比于平原地區更加突出，需盡快建立山地濕地緩沖區保護評價機制，促進山地生態景觀整體環境的恢復和改善，得出以下結論：

(1)恩施自治州研究區內山地濕地與水體100 m緩沖區面積總計318.04 km2，在10～20 a一遇和30～40 a一遇最大單日降雨時受地表徑流影響的緩沖區各占22.99%和25.32%，均超過緩沖區總面積的1/5，其中多數緩沖區靠近河流及其支流或山地坡地區域，部分靠近居民生活區。

(2)定期開展科學有效的山地環境安全評估以及人類活動干預等研究，并對山地濕地緩沖區進行保護，總結分析本研究存在的局限性以及未來研究的優化方向，為山地濕地安全性定量評估和山地環境修復提供借鑒。