粤北岩溶区雨水资源空间可利用潜力评价

陈佳升, 尹 辉

(1.东华理工大学 地球科学学院, 南昌 330013; 2.惠州学院 地理与旅游学院, 广东 惠州 516007)

水是维持生态系统正常运转不可或缺的基本要素，是生态系统物质和能量交换的主要介质。由于岩溶地区具有地表和地下双层结构，6—9月的季风性强降雨季节，对于落水洞堵塞、地表排水不畅的地区，洪涝灾害时有发生；然而，雨季过后，大量地表水下渗、汇入到深几十米甚至几百米的当地居民难以获得水资源的地下河，常常造成长达6个月或半年以上的干旱。此外，生态环境恶化、土地资源流失在岩溶区可以造成地表植被覆盖度减少，涵养水源能力减弱，水源枯竭和粮食减产，给当地人们生产和生活带来威胁[1-3]。可见，作为维持岩溶区居民生产与生活，岩溶区治理与生态恢复重要组成部分的水资源，其雨水资源空间可利用潜力的空间评估和雨水资源利用模式的相关研究，是急待深入探讨的科学问题。

国外学者对于非岩溶区雨水资源的量化研究主要集中在气候变化引发的降水量变化、人类活动等对下垫面的改造[4-8]影响下的雨水资源可利用风险评价，和雨水—径流数值建模等方面[9-13]；岩溶区雨水资源的量化研究，主要从水循环与水动力模型、试验评价、雨水资源与环境背景的相互关系等方面展开，技术手段主要应用了经典统计学、GIS技术、水工程勘测等研究方法[14-21]。国内学者对于非岩溶区雨水资源的量化研究，主要以某个特定区域或小流域为单位开展空间层面上的研究[22-24]；对于岩溶区雨水资源的量化研究，主要从遥感监测技术、综合评价模型两个大方面进行了量化计算与多指标综合评价[25-26]。当前，对于雨水资源可开发利用潜力的研究主要集中在坡面和小流域尺度上，区域尺度上对雨水资源可利用潜力进行系统性分析的研究较少[27-28]，小尺度上的评价指标体系及其评价方法难以适合区域尺度上的评价，因而亟需探讨区域尺度上的雨水资源开发潜力评价指标体系和评价方法[29-31]。

广东岩溶区总面积1.06万km2，占广东省总土地面积的5.9%，大部分位于粤北和粤西地区，是我国岩溶区的重要组成部分，集中在粤北的清新、英德、连州、阳山、乳源和粤西的封开、怀集等县市[32-33]。该区域经济发展较为落后，贫困人口多[34]。利用遥感(RS)和地理信息系统(GIS)技术，开展粤北岩溶区雨水资源空间可利用评价，可以探索RS和GIS技术支持下粤北岩溶区雨水资源可利用评价的实现方法，从宏观上了解研究区域雨水资源化潜力的空间分布现状，并进行定量评价。此外，研究结果有利于为粤北岩溶区雨水资源开发提供参考，因地制宜合理地保护和利用雨水资源，解决局部区域的缺水问题，实现区域可持续发展。

本研究选取粤北岩溶区为研究区域，采用3S技术和统计学方法，选择与雨水资源空间可利用潜力紧密相关的气候、岩性、土壤、地形地貌、植被覆盖等影响因素作为评价指标，分析各因子之间的关系进行数据建模，通过野外考察采样和室内试验分析、空间分析的相互结合，进行粤北岩溶区雨水资源空间可利用评价。研究核心探讨如何实现粤北岩溶区雨水资源可利用潜力影响因子的空间量化，并对评价结果进行分析。

1 研究区概况

粤北地区地处广东省北部，位于112°07′—114°30′E，24°00′—25°28′N，是广东、广西和湖南3省交界地带。基于区域的水文地质条件，结合前人研究成果，论文以行政区为边界确定粤北岩溶区，主要包括清远市的清城区、清新区、英德市、连州市、佛冈县、阳山县、连南瑶族自治县和连山壮族瑶族自治县，韶关市的曲江区、浈江区、武江区和乳源瑶族自治县。粤北岩溶区北属于亚热带季风气候，温暖潮湿，雨热同期，雨旱季分季明显。研究区多年平均气温20.6℃，因地处南岭南坡的多雨区，年降雨量达1 500～2 400 mm，大雨、暴雨频率高；受东亚季风和南亚疾风共同影响，降水多集中于每年的4—9月，占全年雨量的67.5%～74.2%。研究区域内岩溶地貌发育典型，分布面积大，生态环境脆弱，土壤侵蚀和植被退化较为强烈，面临着突出的石漠化、水土流失等生态环境问题[3,35]。

2 材料与方法

2.1 数据来源及预处理

(1) 遥感数据。本研究采用Landsat8 OLI影像Level 1T地形校正产品，共3景，数据下载自中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)。所有影像均采用UTM-WGS84投影坐标系，空间分辨率为30 m。在日期选择上，为了减少物候对于影像识别的影响，降低解译难度，在4—10月份筛选数据。研究区域地处南方多雨区(降水集中在4—9月)，获得完全无云覆盖的影像有一定难度，因此在尽可能保证小云量的前提下选择日期较为接近的数据[36]。遥感影像预处理工作主要包括影像辐射定标、大气校正、影像镶嵌和研究区裁剪等[37]。本研究遥感影像所有的预处理工作在遥感图像处理软件ENVI中进行。

(2) DEM(数字高程模型)数据。本研究选择由日本METI和美国NASA联合研制的ASTER GDEMV2数据，空间分辨率为30 m，采用WGS-84地理坐标系，数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http:∥www.gscloud.cn)。预处理工作包括进行投影变换为UTM-WGS84投影坐标系、镶嵌、研究区域裁剪等。

(3) 土地利用类型数据。本研究以中国科学院土地利用/覆盖分类体系[38-41]为基础，结合粤北岩溶区实际情况，将研究区域土地利用分为耕地，林地，草地，水体，城乡、工矿和居民用地、其他用地共6大类。为了减小和避免监督分类中人为主观因素较强、类别定义误差和训练样本选择误差等制约分类精度的因素干扰，节省样本的选取和评估的人力、时间，同时充分利用遥感影像和其他辅助数据提供的专题信息，研究中采用非监督分类和决策树分类相结合的方法进行土地利用分类，得到粤北岩溶区土地利用分类结果(附图6)。

此外，粤北岩溶区气候数据来源于中国气象数据网的中国地面累年值年值数据集(1981—2010年)(http:∥data.cma.cn)，选择了粤北岩溶区6个，以及周边27个，共33个国家基本气象站点的年降水量数据。图件资料主要有来自中国水文地质图册的广东省水文地质图、广东省土壤类型图等。在ArcGIS中，完成上述图件的地理配准、矢量化、研究区域裁剪等预处理工作，建立地理空间数据库进行统一管理。研究中涉及转换为栅格数据的，重采样分辨率统一为30 m。

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标的选取 一般而言，影响区域雨水资源空间可利用潜力的因素可归纳为3个方面：气候因素、下垫面因素和人为因素，3个方面的因素可进一步分解为气候、岩性、土壤、地形、植被和人为6个方面的因素。按照评价指标具有代表性、宏观性和适于GIS处理的要求，同时参考前人相关研究结果，最后选定雨水资源空间可利用潜力评价的各项指标见表1。

表1 粤北岩溶区雨水资源空间可利用潜力评价指标

2.2.2 评价指标的空间量化

(1) 岩性因素(R)。本研究对岩性因素空间量化，主要基于粤北岩溶区各类岩层的水文地质条件，通过层次分析法计算指标值。在构建层次分析法的判断矩阵时，主要参考《水利水电工程地质勘察规范GB50487—2008》行业标准中提供的不同岩体特征条件和不同渗透性等级下的渗透系数和透水率，并根据粤北岩溶区的具体实际情况和数值量化的可操作性，界定出粤北岩溶区不同岩性条件下的透水系数比值关系为：富水性强(强透水性)∶富水性中等(中等透水性)∶富水性弱(弱透水性)=1∶3∶7。据此得到基于层次分析法的各岩性判断矩阵(表2)，以及粤北岩溶区岩性因素(R)值空间分布图(附图7)。

(2) 气候因素(P)。以粤北岩溶区及其周边33个国家基本气象站年平均降水量为依据，计算多年平均降水量；然后将多年平均降水量数据导入ArcGIS中，生成带有多年平均降水量属性的气象站点图层；最后应用ArcGIS地统计模块中的反距离权重法进行空间插值，得到粤北岩溶区多年平均降水量空间分布图(附图8)。

表2 基于层次分析法的各岩性权重构成

(3) 土壤因素(S)。由于不同土地利用类型下，人为活动的多寡对团聚体的影响或破坏作用不一，加上岩溶山地是典型的脆弱生态环境，土壤资源存在先天不足性，其退化恢复受土地利用方式的影响大。首先，以粤北岩溶区土地利用图(附图6)和Google Earth影像为依据，进行空间布点，共选取覆盖研究区的36个采样点，每个采样点均采集不同土地利用方式下，0—20 cm深度并去除植物和岩石等杂质的土壤样品。随后通过样品烘干和过筛的方式完成土壤粒度分析试验，得到研究区域土壤粒度数据。其中，≥0.25 mm水稳性团粒含量为粒径0.25 mm以上的土壤质量占总质量的百分比。最后，结合研究区域土地利用图和行政区划图。在ArcGIS中对粒度分析试验得到≥0.25 mm水稳性团粒含量进行属性赋值，得到粤北岩溶区≥0.25 mm的土壤水稳性团聚体含量空间分布(附图9)。

(4) 地形因素(T)。区域地形特征对雨水资源化潜力有很大的影响，选择沟壑密度作为反映地形因素的综合度量指标。以粤北岩溶区DEM数据为基础，基于ArcGIS的水文分析工具箱，提取了研究区域的河网；最后通过线密度分析计算研究区域沟壑密度分布(附图10)。

(5) 植被因素(V)。植被覆盖度可以基于遥感图像提取的归一化植被指数(NDVI)反演得到，结果如附图11所示。其中，归一化植被指数(NDVI)的计算公式为：

(1)

式中：NDVI为归一化植被指数；NIR为近红外波段地物反射率；R为红光波段地物反射率。植被覆盖度(FVC)的计算公式为：

(2)

式中：FVC为植被覆盖度(%)，NDVImin为区域NDVI的最小值；NDVImax为区域NDVI的最大值。

2.2.3 雨水资源空间可利用潜力的计算方法 相关研究表明，影响区域雨水资源空间可利用潜力的岩性因素、气候因素、土壤因素、地形因素、植被因素之间的关系是一个典型的乘法关系[42-43]。粤北岩溶区雨水资源空间可利用潜力的计算公式为式(3)(记为模型1)。为了较好地探讨雨水资源空间可利用潜力模型的效果，对式(3)进行了两次调整。考虑到土壤因子中≥0.25 mm水稳性团粒含量越大，越可能会增加雨水资源的下渗，从而造成地表水的流失，雨水资源可利用潜力越小，将式(3)调整为式(4)(记为模型2)；此外，在土壤因子调整的基础上，植被覆盖对于雨水资源的树冠截留，会造成蒸发和蒸腾增加，从而导致雨水资源可利用潜力的减小，据此调整为式(3)(记为模型3)。

W′=a×R×P×S×T×V

(3)

(4)

(5)

3 结果与分析

3.1 雨水资源空间可利用潜力分析

在ArcGIS中，利用栅格计算器可实现雨水资源空间可利用潜力计算。得到粤北岩溶区雨水资源空间可利用潜力分布图(图1)。对计算结果进行基于自然间断点方法的重分类，把雨水资源可利用潜力由小到大划分为5个等级，得到分级统计表(表3)。由图1和表3可知，3个模型计算结果中，粤北岩溶区雨水资源可利用潜力空间分布不均，呈现块状分布、梯度变化的特点；3个模型均值分别为1 117.866，239.68，218.549，模型1的均值高于模型2、模型3的均值；同时从模型1到模型3，雨水资源空间可利用潜力分布的梯度变化逐渐增大。由图1B—1C可知，模型2和模型3的计算结果中，雨水资源空间可利用潜力呈现南多北少、东多西少的特征。

图1 基于模型1、模型2、模型3的粤北岩溶区雨水资源空间可利用潜力分布

模型潜力等级最小值最大值均值标准差潜力小0523.237234.739101.195潜力较小523.2431074.758829.166148.410模型1潜力中等1074.7601541.4301330.925131.432潜力较大1541.4312008.0981752.994132.239潜力大2008.1043606.0992254.848197.989潜力小0179.18080.43244.022潜力较小179.180374.649280.58455.880模型2潜力中等374.650879.584475.18778.346潜力较大879.9291824.3771286.038274.745潜力大1824.6414153.7232356.935352.341潜力小0230.922102.53362.829潜力较小230.9221019.679374.842127.752模型3潜力中等1020.4892212.8571668.971348.710潜力较大2213.1983251.7832749.273271.261潜力大3252.7454907.0953762.121328.316

为了揭示县域尺度下不同模型雨水资源可利用潜力的空间差异，分别计算了3个模型下不同等级雨水资源可利用潜力在各县域的构成比例，结果见图2、表4。粤北岩溶区南部的清城区、佛冈县、清新区，东北部的曲江区、武江区等县区雨水资源空间可利用潜力相对较大，位于西北部的连州市、连山县等的可利用潜力相对较小。

3.2 雨水资源空间可利用潜力影响因素分析

主成分分析可以通过数理统计方法来衡量各自变量对因变量的影响程度。在SPSS统计软件的支持下，对岩性、气候、土壤、地形和植被5个因子进行主成分分析。表5显示了影响因子之间的相关系数，基于此可以计算得到主成分的特征值、贡献率和累积贡献率(表6)。根据累积贡献率超过85%或特征值大于1时，即可确定主因子，由表6可知，主成分1和主成分2的特征值分别为1.502，1.345，因此取这两个主成分作为主因子计算各影响因素的主成分载荷，结果见表7。由表7可知，在主成分1中起主导作用的依次是地形因素和岩性因素，在主成分2中起主导作用的依次为植被因素、岩性因素和土壤因素。综上可知，影响雨水资源空间可利用潜力的因素按照影响程度依次为岩性因素和地形因素，其主成分载荷分别为0.645，0.788。

图2 县域尺度下不同等级雨水资源空间可利用潜力构成

潜力等级模型1潜力小潜力中等潜力大模型2潜力小潜力中等潜力大模型3潜力小潜力中等潜力大清城区55.2821.3723.3570.5926.882.5396.601.002.40佛冈县10.9817.7671.2650.0149.570.4299.550.200.25清新区33.6422.0844.2946.4652.471.0698.640.221.14英德市43.259.5147.2475.2624.180.5599.200.300.50连山壮族瑶族自治县36.4345.0018.5799.920.030.0499.930.040.02曲江区73.9063.9343.4142.5757.270.1599.740.210.14连南瑶族自治县35.6838.4725.8499.850.110.0499.960.010.03武江区59.5325.1115.3657.4341.141.4497.630.551.82阳山县65.6117.1217.2692.946.940.1399.870.100.03浈江区46.8126.6226.5745.4554.110.4399.410.230.35乳源瑶族自治县46.1827.4126.4195.244.450.3199.050.280.67连州市63.0126.1310.8699.020.830.1599.680.200.12

注：潜力小的比例等于潜力小与潜力较小两个等级的比例之和，潜力大的比例等于潜力较大与潜力大两个等级比例之和。

表5 各影响因素的相关系数

表6 各主成分特征值、贡献率和累积贡献率

表7 各影响因素的主成分载荷

4 结 论

以粤北岩溶区为研究对象，选取岩性、气候、土壤、地形和植被作为影响因素，建立了区域雨水资源空间可利用潜力评价模型。在3S技术的支持下，着重研究了评价指标的空间量化和表达，并在此基础上对研究区域的雨水资源空间可利用潜力进行了评价。得出以下结论：(1) 雨水资源空间可利用潜力的影响因素在GIS中的空间量化效果较好，适合于进行空间分析；(2) 3个评价模型虽然基于不同的考虑，但计算结果均显示，粤北岩溶区雨水资源可利用潜力呈现块状分布和梯度变化的特点，且从模型1到模型3，梯度变化逐渐增大；(3) 粤北岩溶区雨水资源空间可利用潜力空间分布不均，区域差异较大；(4) 主成分分析显示，雨水资源空间可利用潜力受到各因素的综合影响，贡献率较大的是岩性因素和地形因素。

本研究仅仅是在3S技术支持下，选择岩性、气候、土壤、地形和植被5个因素的具体指标宏观评价粤北岩溶区的雨水资源空间可利用潜力。而除上述因素和指标外，雨水资源空间可利用潜力还受到其他环境变量的影响，这需要进行深入系统探讨。