孫尚遠(yuǎn)

（阿德萊德大學(xué)，澳大利亞 阿德萊德 5000）

山地環(huán)境高程變化顯著，溫度等自然要素隨山地高度的變化發(fā)生改變，山地自然生態(tài)系統(tǒng)隨之產(chǎn)生分層，這也是山地環(huán)境具有豐富的生物多樣性的重要原因。山地環(huán)境相比于平原而言，年降水量更多，其環(huán)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(fēng)面和背風(fēng)面會使山地不同位置的生態(tài)環(huán)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(chǎn)流的大小在不同山地區(qū)域會有所不同等。山地濕地更易在山地環(huán)境中形成(Batzer et al, 2012），且多以小微濕地為主，而地形復(fù)雜多變的山地又使山地濕地的空間布局呈現(xiàn)不連續(xù)性與隨機(jī)性(Wacker et al, 2014)。這些看似零散且任意分布的山地濕地之間實(shí)際上也有著形態(tài)與功能上的聯(lián)系，其對于維持穩(wěn)定的山地環(huán)境十分必要(Jason, 2018)。濕地緩沖區(qū)作為濕地重要的組成部分，在保護(hù)水質(zhì)、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(huán)境的背景下，濕地緩沖區(qū)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(qū)山地濕地緩沖區(qū)更容易受到侵蝕、水土流失等影響。

國內(nèi)外學(xué)者針對山地濕地保護(hù)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(guī)劃可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了研究；袁興中等(2021)提出了順應(yīng)高程梯度的山地梯塘小微濕地生態(tài)系統(tǒng)的景觀設(shè)計(jì)技術(shù)框架；Lee等(2017)則利用水文預(yù)測工具與模型為未來山地濕地棲息地保護(hù)提供借鑒參考。前人的研究對山地濕地景觀的保護(hù)與修復(fù)起到了重要的推進(jìn)作用，但目前研究重點(diǎn)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(fù)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(qū)的相關(guān)定量研究，本研究可以在宏觀層面上提出需要重點(diǎn)加強(qiáng)防護(hù)的山地小微濕地緩沖區(qū)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(qū)為研究區(qū)域，通過ArcGIS工具進(jìn)行流域分析并明確主要地表徑流流域，結(jié)合SCS模型定量研究地表徑流與山地濕地緩沖區(qū)的關(guān)系，從而找到在強(qiáng)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(hù)與修復(fù)提供借鑒。

1 研究區(qū)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(gè)地理行政區(qū)之一，西連重慶市黔江區(qū)，東連湖北省宜昌市的神農(nóng)架林區(qū)。恩施山地屬于亞熱帶季風(fēng)型山地濕潤氣候，海拔落差較大，表現(xiàn)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(qū)主要的地貌地形特征為階梯狀多級巖面構(gòu)成的山地形態(tài)，由于當(dāng)?shù)販嘏瘽駶櫄夂虻挠绊懴拢妓釒r類占據(jù)較大比重(羅菊英等,2018)。研究區(qū)范圍內(nèi)較高的降水量，高差明顯的坡地結(jié)構(gòu)等因素，使得該區(qū)域本身地表徑流所帶來的影響相比于平原地區(qū)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(shù)據(jù)和處理方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)的處理

恩施土家族苗族自治州區(qū)域土地利用現(xiàn)狀分析主要的獲取方法，是通過對Landsat 8 OLI_TIRS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行人工目視解譯得到，云量小于5%，衛(wèi)星掃描該區(qū)域得到的遙感數(shù)據(jù)最近時(shí)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(biāo)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(jìn)行有針對性的土地類型分析，然后通過創(chuàng)建特征文件(Create Signatures)和最大似然法分類(Maximum Likelihood Classify)進(jìn)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(shù)據(jù)的處理

DEM高程數(shù)據(jù)來源于GDEMV3衛(wèi)星，精度為30 m，中心經(jīng)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(qū)位置，但初始得到的DEM數(shù)據(jù)邊界為矩形，它的面積略大于研究區(qū)域，通過ArcGIS軟件中的掩膜提取分析(Extract By Mask)得到更加精準(zhǔn)的高程圖范圍。

2.3 氣象數(shù)據(jù)的處理

降雨量是研究地表徑流的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)也是SCS模型中重要的組成部分。由于該地區(qū)經(jīng)常遭遇較大規(guī)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(huán)境下的自然狀況，通過選取該地區(qū)氣象觀測站點(diǎn)逐年氣象數(shù)據(jù)中過去40年中最大單日降雨量作為研究數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源為中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，2021)和氣象分析工具小麥芽（WheatA）的數(shù)據(jù)綜合比對。其中該區(qū)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(qū)域內(nèi)地表徑流對山地濕地及其緩沖區(qū)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(shù)。明確徑流的流向、流量、徑流分支點(diǎn)等因素，利用這些數(shù)據(jù)對研究區(qū)內(nèi)主要的集水區(qū)范圍進(jìn)行準(zhǔn)確劃定。通過SCS模型，結(jié)合土地徑流系數(shù)、區(qū)域高程數(shù)據(jù)、集水區(qū)范圍以及當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，得到最大單日降雨時(shí)地表徑流集中淹沒的區(qū)域高程。通過ArcGIS軟件分析提取出河流、山地濕地等相關(guān)水體的緩沖區(qū)范圍，并與地表徑流淹沒區(qū)進(jìn)行比較，得到受影響的山地濕地緩沖區(qū)。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(shù)的選取

徑流系數(shù)為指定的集水區(qū)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(zhuǎn)換成地表徑流的指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以體現(xiàn)出各種因素對降水轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)》(湖北省勘察設(shè)計(jì)協(xié)會, 2020)和《室外排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50014-2021)(中國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部, 2021)中關(guān)于徑流系數(shù)的取值參考，并結(jié)合Landsat 8 OLI_TIRS與Worldview 2衛(wèi)星遙感觀測對各類型土地中徑流系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值范圍的劃定。由于山地降雨強(qiáng)度較強(qiáng)、山地坡度大、土地利用結(jié)構(gòu)破碎化等因素，山地與平原地區(qū)相比仍有較大差異，參考山地型區(qū)域地表徑流系數(shù)的相關(guān)研究(錢進(jìn)等, 2019; 馮力柯等, 2021; 盧垚等, 2020)，在研究區(qū)內(nèi)對徑流系數(shù)的取值進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 地表徑流系數(shù)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(qū)的大致范圍，為之后結(jié)合SCS模型進(jìn)行更細(xì)致的定量研究提供有效幫助。DEM高程數(shù)據(jù)在獲取時(shí)由于衛(wèi)星精度、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等因素有時(shí)可能會存在一些小的誤差，這會導(dǎo)致高程數(shù)據(jù)表面不會十分平滑，在后續(xù)分析中可能會誤判洼陷區(qū)域，從而使分析結(jié)果準(zhǔn)確度下降，因此在ArcGIS中首先利用填洼(Fill)工具對DEM進(jìn)行完善。為了得到集水區(qū)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)精度等原因遺漏少部分徑流支流的識別，導(dǎo)致最終結(jié)果的不完整，通過河流鏈接(Stream Link)工具尋找各個(gè)支流的分叉交匯點(diǎn)，從而呈現(xiàn)出完整的徑流支流網(wǎng)絡(luò)，并最終利用流域分析(Watershed)識別出研究區(qū)域內(nèi)完整的集水區(qū)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(jìn)行定量分析的模型工具，由美國農(nóng)業(yè)部水土保持局在1954年發(fā)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(shù)參數(shù)，P為總降雨量(mm)。

3.4 確定山地濕地緩沖區(qū)范圍

濕地緩沖區(qū)是濕地系統(tǒng)中重要的棲息地組成部分和自然保護(hù)屏障，在生物群落交流、凈化涵養(yǎng)濕地水源、穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)等方面扮演著重要的角色。但目前學(xué)術(shù)界對于濕地緩沖區(qū)的范圍界定標(biāo)準(zhǔn)仍各有不同，如Margaret等(2019)在研究農(nóng)業(yè)污染與修復(fù)時(shí)認(rèn)為濕地緩沖區(qū)范圍至少應(yīng)該大于150 m，SCJ咨詢聯(lián)盟(2019)則在濕地環(huán)境評估中將濕地緩沖區(qū)范圍大致分為50 m、100 m、200 m和300 m 4個(gè)區(qū)間，而Victor(2014)在眾多研究中更加接受濕地緩沖區(qū)寬度范圍取值為10 m、30 m或100 m?；谏鲜鲅芯浚疚臎Q定采用100 m作為山地濕地緩沖區(qū)的寬度。

4 結(jié)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(shù)據(jù)得到的山地地表流向情況和徑流支點(diǎn)數(shù)據(jù)，明確劃分出該區(qū)域內(nèi)地表徑流流域的具體范圍分布(圖4)。為了便于后續(xù)進(jìn)行定量分析，對不同流域依次編號，經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)域內(nèi)共計(jì)21塊徑流流域，其中西北處云陽縣附近單個(gè)徑流流域范圍較大，而中部至東南處徑流流域區(qū)塊較多且多數(shù)面積范圍較小。

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

4.2 強(qiáng)降雨情況下山地地表徑流影響分析

每塊流域被作為一個(gè)單獨(dú)的研究對象并逐個(gè)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(shù)。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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)見表2。其中在山地較低高度分布（約74～350 m）的徑流淹沒區(qū)多位于研究區(qū)北部(云陽縣、奉節(jié)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(qū)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(qū)位于研究區(qū)西南部(玉龍洞景區(qū)和利川市附近)，包括流域13和15。

表2 強(qiáng)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(qū)

利用SCS模型推算出地表徑流集中淹沒的高程數(shù)據(jù)并將其通過ArcGIS進(jìn)行可視化顯示，再將解譯后得到的濕地與河流以100 m為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行緩沖分析(Buffer)，最終比對徑流淹沒區(qū)域與山地濕地緩沖區(qū)的相交位置，從而尋找在強(qiáng)降雨下山地濕地緩沖區(qū)受影響的部分(圖5)。通過計(jì)算分析，研究區(qū)域內(nèi)100 m緩沖區(qū)面積共計(jì)318.04 km2，受到10～20 a一遇最大單日降雨影響的緩沖區(qū)面積有73.11 km2，占全部緩沖區(qū)比重約22.99%；受到30～40 a一遇最大單日降雨影響的緩沖區(qū)面積有80.54 km2，占全部緩沖區(qū)比重約25.32%。結(jié)果顯示：無論是10～20 a一遇或30～40 a一遇強(qiáng)降雨來臨時(shí)均有超過1/5的緩沖區(qū)受到地表徑流淹沒的消極影響，這和山地地區(qū)降雨量普遍比平原地區(qū)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(guān)聯(lián)。在空間分布上，因強(qiáng)降雨受到徑流影響的山地小微濕地緩沖區(qū)主要集中在龍鳳鎮(zhèn)、梭布埡石林景區(qū)、巫山縣、安坪鎮(zhèn)等地區(qū)附近。

圖5 強(qiáng)降雨影響下山地濕地緩沖區(qū)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(jìn)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(jī)，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(shí)際上在一定程度上反映了附近生態(tài)斑塊的穩(wěn)定性，為人們解讀山地環(huán)境變化提供可判讀的信號。與此同時(shí)，一些當(dāng)?shù)靥赜械恼湎l危物種如國家Ⅱ級保護(hù)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(xué)的山地濕地緩沖區(qū)定期評估十分重要。由于本研究其中一項(xiàng)重要的基本數(shù)據(jù)是降雨年度數(shù)據(jù)，如果想要對山地濕地進(jìn)行更加及時(shí)有效的評估，可以選取半年度、季度甚至月度內(nèi)的降雨量數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行SCS模型評估，并根據(jù)結(jié)果建立山地濕地緩沖區(qū)評估大數(shù)據(jù)體系，從而做到及時(shí)有效的安全監(jiān)測機(jī)制。

5.2 控制相關(guān)人類活動的干預(yù)

部分受影響山地濕地緩沖區(qū)靠近河流或者居住區(qū)如白楊坪鎮(zhèn)山地區(qū)、團(tuán)堡鎮(zhèn)山地區(qū)等，相比坐落于海拔較高的山地濕地，這些緩沖區(qū)更容易受到相關(guān)人類活動的干擾，造成濕地緩沖區(qū)不同程度的退化和萎縮，這對于濕地微環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)展是極具挑戰(zhàn)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(qū)所帶來的消極影響，政府機(jī)構(gòu)和環(huán)保組織需要對這些可能存在負(fù)面影響的人類活動進(jìn)行評估和管控，例如減少無節(jié)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(yōu)化方向

在研究中衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、地表徑流系數(shù)、緩沖區(qū)范圍等數(shù)據(jù)是進(jìn)行分析的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)選取使用的合理性將影響最后結(jié)果的判讀。研究過程中不可避免會遇到一定的數(shù)據(jù)誤差，如本研究中衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)精度為30 m，如果通過高分衛(wèi)星進(jìn)行更高精度的解譯會使得土地利用類型分析更加準(zhǔn)確，這也會間接影響地表徑流系數(shù)的取值。其次，相比于平原地區(qū)，山地環(huán)境更加復(fù)雜，地表徑流系數(shù)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(guān)領(lǐng)域的專家對山地地表徑流系數(shù)取值研究進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，得到更加合適的山地水文評估模型。濕地緩沖區(qū)范圍目前仍然是學(xué)術(shù)界爭相探討的話題之一，準(zhǔn)確的山地濕地緩沖區(qū)范圍仍然有待更深層次的研究，這些因素的改進(jìn)也是未來優(yōu)化本研究方法的主要工作方向。

6 結(jié)論

恩施自治州山地地形復(fù)雜多變、降雨量明顯高于平原地區(qū)、土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素導(dǎo)致地表徑流帶來的負(fù)面問題相比于平原地區(qū)更加突出，需盡快建立山地濕地緩沖區(qū)保護(hù)評價(jià)機(jī)制，促進(jìn)山地生態(tài)景觀整體環(huán)境的恢復(fù)和改善，得出以下結(jié)論：

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

(2)定期開展科學(xué)有效的山地環(huán)境安全評估以及人類活動干預(yù)等研究，并對山地濕地緩沖區(qū)進(jìn)行保護(hù)，總結(jié)分析本研究存在的局限性以及未來研究的優(yōu)化方向，為山地濕地安全性定量評估和山地環(huán)境修復(fù)提供借鑒。