基于“3S”技術的秦嶺黑河水源保護區植被覆蓋及水源涵養敏感區分析

劉 哲，馬新萍

[1.中檢西北生態技術（陜西）有限公司，陜西西安 710168；2.咸陽師范學院地理與環境學院，陜西咸陽 712000]

森林植物主要通過林冠層、枯枝落葉層和土壤層攔截、吸收、蓄積降水實現對降水的再分配，從而發揮水源涵養功能。秦嶺森林資源豐富，被譽為天然“中央水塔”，具有重要的水源涵養功能。秦嶺北麓地表水源地分布眾多，其中以黑河水源地最為重要，是陜西省西安市重要的水源。黑河流域涉及多個自然保護區，區域內植被狀態對水源地生態安全保障具有重要作用[1]。目前，關于秦嶺區域的研究多為植被覆蓋變化趨勢及驅動力相關性研究分析、水資源相關研究等，針對水源地，特別是黑河水源地保護的相關研究較少。

本文以黑河水源地保護范圍為研究區域，基于遙感技術（Remote Sensing，RS）、地理信息系統（Geography Information Systems，GIS）和全球定位系統（Global Positioning Systems，GPS）等“3S”技術，分析區內植被覆蓋特征，劃定水源涵養敏感區，提出黑河水源地生態保護建議，以期為秦嶺區域水源地生態環境保護管理提供參考。

1 研究區概況

黑河水源地位于黑河峪口以上，保護區面積1 481 km2，包括一級保護區、二級保護區和準保護區；涉及6 個鄉鎮，上游常住人口較少；林木茂密，屬暖溫帶落葉闊葉林帶，有種子植物121 科640 屬1 550 種、苔蘚植物63 科142 屬302 種，還有大量的蕨類、地衣和菌類植物。

2 研究方法

2.1 數據來源與預處理

選取2020年中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺http://www.gscloud.cn）Landsat-5 TM影像（空間分辨率30 m，云量小于10%）、數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、水系圖及保護區圖等，在ArcGIS、ENVI 等軟件平臺支持下，進行數據校正、配準、合成、增強及裁剪等處理，獲得研究數據。

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度是指植被（包括葉、莖、枝）在單位面積內的垂直投影面積所占百分比。目前，基于遙感監測估算植被覆蓋度的方法有植被指數法、回歸模型法、機器學習法等，其中植被指數法應用較廣泛，該方法多利用各種植被指數建立與植被覆蓋度的轉換關系，近似估算植被蓋度。歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是常見植被指數中的一種，通過測量近紅外（植被強烈反射）和紅光（植被吸收）之間的差異來量化植被，作為檢測植被生長狀態的重要指示因子，其靈敏度較高，應用最為典型。一般認為NDVI 為正值，表示有植被覆蓋，且隨覆蓋度增大而增大，0.2～0.8 表示有植被覆蓋。本研究采用NDVI 建立植被指數與植被覆蓋度（FractionalVegetation Cover，FVC）的轉換關系，如公式（1）和（2）所示[2-3]。

式中：INDV為歸一化植被指數或標準差植被指數；Pnir為近紅外波段的反射值；Pred為紅外波段的反射值。本文選取的Landsat-5 TM 影像，紅外波段和近紅外波段分別對應3、4通道。

式中：FVC為所計算像元的植被覆蓋度；INDV為所計算像元的植被指數；INDVv為純植物像元的植被指數；INDVs為完全無植被覆蓋像元的植被指數。本文INDVv和INDVs取值分別為植被指數累計百分比在95%和5%的數值。

結合黑河流域植被實際生長情況，將研究區植被覆蓋度分為低覆蓋、中低覆蓋、中覆蓋、高覆蓋4 個等級（見表1）[4]。

表1 黑河水源保護區植被覆蓋度分級

在ENVI 平臺利用公式（1）和（2）進行圖像運算得到研究區FVC柵格文件。基于ArcGIS平臺對FVC柵格文件按表1 分級標準進行重新分類，得到研究區植被覆蓋空間分級分布數據。

2.3 敏感區劃定

水源涵養能力受山地起伏、地表覆蓋差異、土壤、降雨等因素影響，如陡坡附近或地表覆蓋率較低的地方易發生水土流失[5]。本文選取坡度和植被覆蓋度2 個對水源涵養功能影響較大的指標，參考土壤侵蝕劃分標準，對研究區進行水源涵養敏感區劃定，分為低敏感區（生態環境較好、水源保護狀態較好）、中敏感區（水源保護風險較明顯，較易發生水土流失等）、較高敏感區（水源保護風險明顯，易發生水土流失等）、高敏感區（水源涵養功能損失嚴重，極易發生水土流失等），具體分級見表2[6]。

表2 水源涵養敏感區劃分指標

在ArcGIS 中對DEM 數據提取坡度，利用重分類功能將坡度分為4 個等級區，分別為[0°,5°)、[5°,15°)、[15°,25°)、[25°,90°)，將植被覆蓋度分級圖與坡度分級圖疊加，得到不同坡度等級下不同植被覆蓋度的空間分布情況，并按表2 的分類標準劃定為水源涵養低敏感區、中敏感區、較高敏感區、高敏感區4個區域，進行面積統計。

3 結果與分析

3.1 植被覆蓋情況

1）水源保護區內植被覆蓋度以高覆蓋為主，其次為低覆蓋、中覆蓋和中低覆蓋，區域生態環境質量整體較高，水源涵養能力較強。

2）低覆蓋區占8.65%，一部分集中在水庫周邊、黑河及其支流河（溝）道兩側，該區域內多為道路、農村居民住宅，植被以灌、草、經濟苗木、農作物為主。該區域受人類生產生活活動影響明顯，以人工植被為主，地表覆蓋稀疏。一部分集中在高海拔的山脊或鞍部區域，分布有裸巖、高山草甸、人工植被（經濟苗木）。

3）中低覆蓋區占4.46%，分布在低覆蓋區附近，以灌、草為主，處于人工干擾區—自然群落演替過渡區。中覆蓋區占5.74%，分布在中低覆蓋區附近，主要有針葉林、針闊混交林、闊葉林及灌叢，植被較茂密。

4）高覆蓋區占81.15%，廣泛分布，遠離交通道路和居住區，受人類活動干擾較少，保持自然群落狀態，以喬木為主，植被茂密。

3.2 水源涵養敏感性

如圖1 所示，保護區水源涵養以中、低敏感區為主；因近年來黑河流域生態保護工作力度大，植被整體生長狀況較好，受坡度和植被覆蓋度影響的敏感區面積小、分布較廣。其中：低敏感區占23.57%，以植被高覆蓋度區域為主；中敏感區占66.58%，以植被中、高覆蓋度區域為主；較高敏感區占5.52%，以植被中低覆蓋度、低覆蓋度區域為主，分布在河道兩側邊坡；高敏感區占4.33%，以植被低覆蓋度區域為主，主要分布于庫周、河道兩側及上游源頭區（裸巖），呈帶狀分布，距離河（溝）道10～200 m。

圖1 黑河水源地水源涵養敏感區圖

陳河至取水口段（即水源一級保護區、二級保護區），以及黑河左岸支流大蟒河與右岸支流虎豹溝、板房子河區域屬水源涵養高敏感區，邊坡陡峭，植被稀疏，應減少人為干擾，加強水源涵養能力建設，如河流生態緩沖帶建設，進一步涵養水源，同時減少面源污染。

4 結論與討論

本文利用“3S”技術，以植被覆蓋度、坡度為基礎劃定區域水源涵養敏感區，提出黑河水源地生態保護建議。結果表明：1）黑河水源保護區植被以高覆蓋為主，占區域總面積的81.15%，且分布廣泛；低覆蓋區占區域面積的8.65%，主要分布在水庫周邊、黑河及其支流河（溝）道兩側；2）因近年來黑河流域生態保護工作力度大，區域植被生長狀況良好，水源涵養以中、低敏感區為主，占區域面積的90%以上；3）水源涵養高敏感區占區域面積的4.33%，面積較小，但沿河（溝）道兩側10～200 m 呈帶狀廣泛分布；4）水源一級保護區、二級保護區及大蟒河、虎豹溝、板房子河應加強水源涵養能力建設。

山區地表水水源地水源涵養敏感區集中在河（溝）道兩側，因此對河（溝）道兩側進行生態緩沖帶建設，有利于提高水源涵養能力，攔截面源污染，保障水源安全。降雨、土壤等因子也是影響水源涵養的指標，本文僅選取植被覆蓋度和坡度2 個因子進行分析，具有一定的局限性，后期可增加影響因子進一步研究。基于NDVI 構建的植被遙感估算法，低覆蓋區包含水域、交通道路等，統計存在一定誤差，可在后期研究中進一步修正。