李顯鴻，崔松云，郭財秀，胡俊波，王 軍，張 蘭

(1.云南省水文水資源局昆明分局，云南 昆明 650051；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 概述

植被覆蓋作為流域下墊面的重要組成部分，其變化會對流域產(chǎn)匯流發(fā)生影響，進(jìn)而影響過程。近年來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞植被覆蓋變化及其影響開展了大量的研究。2021年陳瑜等[1]通過流域植被覆蓋度變化探究流域內(nèi)氣象要素的演變規(guī)律；王醒等[2]研究了植被覆蓋度的空間分布及其對地形因子的響應(yīng)特征；此外，植被覆蓋度還被用于評估生態(tài)環(huán)境質(zhì)量[3]與探索生態(tài)保護(hù)與修復(fù)的途徑方面[4]等多個領(lǐng)域。在水文學(xué)領(lǐng)域，學(xué)者也開展了大量的研究。如曹亞楠等[5]根據(jù)生長季與非生長季降水指數(shù)，分析降水變化對植被覆蓋狀況的影響；王歡等[6]通過模擬鄱陽湖不同水文連通性子湖水生植被覆蓋度變化趨勢，分析該區(qū)域水文參數(shù)與水生植被覆蓋面積的關(guān)系。

縱觀各類成果，主要聚焦在植被覆蓋度演變規(guī)律及其驅(qū)動影響的研究，而以流域為對象，以徑流對流域植被覆蓋變化響應(yīng)為對象的研究較為少見。為填補(bǔ)這一空白，本文以昆明市松華壩水庫以上流域為對象，研究不同年代植被覆蓋演變規(guī)律，揭示徑流對植被覆蓋變化的響應(yīng)機(jī)制。

2 理論與方法

本文采用植被指數(shù)NDVI和植被覆蓋度Fc為指標(biāo)，表征研究區(qū)域植被覆蓋情況；采用汛枯比X和年徑流量年際比值Ka為指標(biāo)，表征年徑流量的年內(nèi)分布與年際分布情況，計算原理簡述如下。

2.1 植被指數(shù)

目前，學(xué)界已提出了幾十種植被指數(shù)模型，其中，DVI(差值植被指數(shù))、RVI(比值植被指數(shù))和NDVI(歸一化植被指數(shù))等應(yīng)用較為廣泛。NDVI(歸一化植被指數(shù))被認(rèn)為是植被生長狀態(tài)及植被覆蓋度的最佳指示因子，且具有可較好地消除與太陽高度角、衛(wèi)星觀測角、地形、云陰影和大氣條件有關(guān)的輻照度條件變化(大氣程輻射)等影響的優(yōu)勢，在植被遙感中應(yīng)用最為廣泛[7]。因此，本文采用該指數(shù)分析松華壩流域植被覆蓋度的變化規(guī)律。

植被指數(shù)NDVI被定義為近紅外波段與紅光波段的反射值之差比兩者反射值之和，公式如下：

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

(1)

式中，NIR—近紅外波段的反射值；R—紅光波段的反射值。

2.2 植被覆蓋度

植被覆蓋度最廣泛的定義是包含莖葉枝在內(nèi)的植被在地面上的垂直投影面積與計算區(qū)域的總面積之比[8]。植被覆蓋度Fc可由植被指數(shù)NDVI推求，其公式如下：

Fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIvge-NDVIsoil)

(2)

式中，NDVIsoil—完全是裸土或無植被覆蓋區(qū)域的NDVI值；NDVIveg—完全被植被所覆蓋區(qū)域的NDVI值。

2.3 汛枯比

為分析松華壩流域徑流年內(nèi)分布規(guī)律，即汛期與枯季平均徑流量的分布規(guī)律，本文引入汛枯比X，計算公式如下：

X=W汛/W枯

(3)

式中，W汛—某年汛期平均徑流量，萬m3；W枯—某年枯季平均徑流量，萬m3。

2.4 年徑流量的年際比值

為分析松華壩流域徑流量年際變化規(guī)律，本文引入年徑流量的年際比值Ka，計算公式下：

Ka=Qmax/Qmin

(4)

式中，Qmax—最大年流量，m3/s；Qmin—最小年流量，m3/s。

3 植被覆蓋度對區(qū)域徑流量的影響研究

3.1 研究區(qū)概況

松華壩水庫流域面積為593km2，是昆明市的重要飲用水水源地之一，因此，流域水資源量對昆明城市供水至關(guān)重要。然而，自20世紀(jì)80年代后期以來，該流域植被覆蓋發(fā)生了變化，同時徑流量也發(fā)生了變化，兩者之間是否存在驅(qū)動響應(yīng)關(guān)系一直是困擾當(dāng)?shù)卣疀Q策部門的科學(xué)難題。為揭示植被覆蓋對徑流量的影響規(guī)律，本次選用松華壩流域1988—2016年的遙感影像及長序列徑流平行觀測資料開展研究。

3.2 松華壩流域植被覆蓋演變分析

3.2.1松華壩流域植被覆蓋度計算

通過1988—2016年的遙感影像解譯，分別利用公式(1)、(2)推求歷年的植被指數(shù)NDVI和植被覆蓋度Fc，最終得到松華壩流域的植被覆蓋度逐年情況，結(jié)果見表1。

表1 松華壩流域平均植被覆蓋度成果表

3.2.2植被覆蓋度演變趨勢分析

為進(jìn)一步分析植被覆蓋度演變趨勢，繪制松華壩流域歷年植被覆蓋度折線圖，如圖1所示。

圖1 松華壩流域平均植被覆蓋度年際變化圖

由圖1可知，自1988年以來，松華壩流域植被覆蓋度總體演變趨勢為先升后降再升，按其規(guī)律可劃分為1988—1994年、1994—2000年和2000—2016年3個階段。其中第一階段植被覆蓋度從45.5%增加至56.78%，該階段多年平均植被覆蓋度為49.57%；第二階段植被覆蓋度降至47.27%，究其原因，是因該階段發(fā)展經(jīng)濟(jì)而增加流域開發(fā)所致；第三階段，植被覆蓋度增加至54.01%，該階段內(nèi)年平均植被覆蓋度為51.48%，究其原因，是因昆明市出臺退耕還林政策所致。需要說明的是，2010年植被覆蓋度有所下降，主要是受干旱氣候影響所致。

3.3 松華壩流域年徑流量演變分析

由于降雨對徑流量的影響權(quán)重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于植被覆蓋度對徑流量的影響權(quán)重，為分析植被覆蓋度對徑流量的影響，需剔除降雨對徑流量的影響。本文基于同一流域年內(nèi)下墊面、產(chǎn)匯流條件基本不變的前提下，假定各年份降雨量一致(采用流域多年平均降雨量)，采用實測降雨、徑流資料分別計算各年年徑流系數(shù)，并根據(jù)徑流將各年徑流量修正為降雨一致條件下年徑流量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 松華壩流域年徑流分析成果圖

由圖2可知，松華壩流域徑流量隨降雨的增大而增大，與降雨對應(yīng)性較好。在降雨一致的條件下，年徑流量累進(jìn)均值在2008年以前總體呈上升趨勢，表明該期間(1988—2008年)年徑流量呈增加趨勢；2008年以后累進(jìn)均值呈下降趨勢，表明年徑流量呈減少趨勢。

3.4 植被覆蓋變化對徑流驅(qū)動響應(yīng)影響分析

植被覆蓋度對徑流量的影響可能表現(xiàn)在徑流總量、年內(nèi)及年際徑流量分布、徑流系數(shù)等方面，針對這幾類要素，開展植被覆蓋變化對徑流影響定量分析。

3.4.1對徑流總量的影響分析

為消除分析中降雨對徑流量的影響因素，更直觀地反映植被覆蓋度變化對徑流總量的影響情況，根據(jù)表1及植被覆蓋度、降雨一致條件下的年入庫徑流量，引入植被覆蓋度模比系數(shù)與年徑流量模比系數(shù)(其中模比系數(shù)為隨機(jī)變量的個體值與總體平均值之比)，繪制植被覆蓋度、年徑流量模比系數(shù)過程線圖與兩者的相關(guān)圖，如圖3—4所示

圖3 松華壩流域徑流區(qū)植被覆蓋度與年徑流量模比系數(shù)過程線對照圖

圖4 植被覆蓋度模比系數(shù)過程與入庫徑流量模比系數(shù)過程相關(guān)圖

從圖3可知，植被覆蓋度與年徑流量模比系數(shù)幾乎無對應(yīng)關(guān)系；進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，兩者相關(guān)系數(shù)R2為0.0069，表明植被覆蓋度與年徑流量基本無相關(guān)關(guān)系，如圖4所示。綜上可知，研究流域植被覆蓋度變化對其年徑流總量基本無影響。

3.4.2對徑流量年內(nèi)及年際分布的影響分析

(1)對徑流年內(nèi)分布影響

本次引入汛枯比這一指數(shù)表征徑流年內(nèi)分布特性，計算方法見公式(3)。為分析植被覆蓋度與汛枯比之間的統(tǒng)計關(guān)系，根據(jù)前文松華壩流域植被覆蓋度3個階段變化規(guī)律，將松華壩流域1988—2016年徑流系列劃分對應(yīng)的3個階段，并計算各階段各年徑流的汛枯比，結(jié)果見表2。需要說明的是：根據(jù)區(qū)域內(nèi)水文氣象特性及實測徑流過程的年內(nèi)變化情況，確定枯季為11月—次年4月，汛期為5—10月。

表2 松華壩流域徑流量年內(nèi)變化及植被覆蓋度變化情況

從表2可知，各階段年內(nèi)徑流汛枯比與流域平均植被覆蓋度具有較好的相關(guān)性，并呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即徑流量年內(nèi)變化隨流域平均植被覆蓋度增加而呈減小趨勢。從產(chǎn)匯流機(jī)理上分析，隨著流域覆蓋度增加，致使流域調(diào)蓄能力增加，進(jìn)而改變徑流的年內(nèi)分配，本次分析結(jié)果與這一機(jī)理相符。

(2)對徑流年際分布影響

本次引入年徑流量的年際比值Ka表征年徑流量的年際變化特性，計算方法見公式(4)。繪制植被覆蓋度與Ka的關(guān)系線，如圖5所示。

從圖5可知，以植被覆蓋度為50%為界，植被覆蓋度與Ka的關(guān)系表現(xiàn)規(guī)律不同。1992—1998年、2004—2008年、2012—2016年3個時段植被覆蓋度超過50%，相應(yīng)時段Ka分別為1.82、1.75、1.52，徑流量年際變化相對較?。欢?988—1992年、2000—2004年2個時段植被覆蓋度低于50%，相應(yīng)時段Ka分別為2.17、2.12，徑流年際變化相對較大。表明植被覆蓋度變化對徑流年際變化有一定影響，該影響呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即流域植被覆蓋度增加則徑流年際變化相對減小，流域植被覆蓋度減小則徑流年際變化增大。

圖5 植被覆蓋度變化對徑流年際變化影響示意圖

3.4.3對徑流系數(shù)的影響分析

植被覆蓋度會對徑流系數(shù)產(chǎn)生影響，分析植被覆蓋度變化與徑流系數(shù)關(guān)系可發(fā)現(xiàn)，隨著年降雨量的量級不同，植被覆蓋度對徑流系數(shù)的影響規(guī)律也不同。根據(jù)分析，降雨量級在0～800mm、800～1070mm、1070～1300mm三個區(qū)間，植被覆蓋度對徑流系數(shù)的影響不同，具體關(guān)系如圖6—8所示。

圖6 植被覆蓋度與徑流系數(shù)關(guān)系圖(降雨量在0～800mm)

圖7 植被覆蓋度與徑流系數(shù)關(guān)系圖(降雨量在1070～1300mm)

圖8 植被覆蓋度與徑流系數(shù)關(guān)系圖(降雨量在800～1070mm)

從圖6—8可知，當(dāng)降雨量在800～1070mm之間時，即降雨量在多年平均降雨量附近變化時，徑流系數(shù)隨植被覆蓋度增加而減??；當(dāng)年降雨量低于800mm，或者高于1070mm時，植被覆蓋度變化對徑流系數(shù)影響幾乎無影響。

本文根據(jù)徑流系數(shù)和植被覆蓋度序列(圖8)進(jìn)行曲線擬合，可得松華壩水源地徑流系數(shù)與植被覆蓋度的函數(shù)關(guān)系式如下：

α=0.4604e-2.2849x

(5)

式中，α—徑流系數(shù)；x—植被覆蓋度，%；e—自然對數(shù)函數(shù)的底數(shù)，取2.71828。

從式(5)可知，在一定降雨量級之內(nèi)，即降雨量在多年平均降雨量921.8mm附近變化時，徑流系數(shù)與植被覆蓋度呈指數(shù)關(guān)系，表明在該降雨變化范圍內(nèi)隨著植被覆蓋度的增加，徑流系數(shù)呈減小趨勢。分析其機(jī)理，隨著植被覆蓋度增加，致使土壤下滲量增加，進(jìn)而導(dǎo)致徑流系數(shù)的降低。

4 總結(jié)與展望

植被覆蓋度對松華壩流域的徑流總量幾乎沒有影響，但對其年際分布和年內(nèi)分布均有一定影響；當(dāng)年降雨量在800～1070mm之間時，徑流系數(shù)隨植被覆蓋度增加而減小。本文揭示了松華壩流域植被覆蓋度對區(qū)域徑流量的驅(qū)動響應(yīng)關(guān)系，但無法預(yù)測徑流未來演變規(guī)律，若能引入氣候預(yù)測產(chǎn)品，并結(jié)合分布式水文模型，可預(yù)測不同氣候和植被覆蓋情景下的徑流量，從而為區(qū)域水資源開發(fā)利用提供科學(xué)支撐。