1978年—2013年官厅水库水域面积变化及相关因素分析

2014-08-06马振刚李黎黎张利雅

天津师范大学学报（自然科学版） 2014年2期

马振刚，李黎黎，张利雅

（张家口学院理学系，河北张家口075000）

官厅水库是新中国成立后修建的第一座水库，是北京市的第二供水水源，其上游水系洋河和桑干河流经张家口地区，并在怀来县牛官屯交汇后汇入官厅水库[1].官厅水库水质恶化始于20世纪70年代，90年代中期水库有机污染愈加严重，达到劣V类标准，1997年5月被迫退出北京市生活饮用水源地.2001年，国家实施了《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》，官厅水库被列为全国重点的治理对象.与此同时，有关官厅水库的研究也大量展开，包括水质变化[2]、水质污染[3-4]、水资源开发与利用[5-6]、流域内土地利用与覆被变化[7-8]以及流域生态补偿[9-10]等.目前，现有研究对水体污染研究较多，对水量变化研究较少；定性研究较多，定量研究较少；基于统计资料研究较多，基于遥感影像数据研究较少；缺少对官厅水库水域面积变化及其影响因素的全面准确的把握.

本研究采用1978年—2013年9景系列遥感影像数据，利用Erdas和Arcgis软件技术，对近35年来官厅水库水域面积进行提取，并结合改革开放以来区域经济社会发展的主要指标，分析水域变化的相关影响因素，以期为首都圈水资源可持续利用和保护提供参考.

1 官厅水库水域变化分析

1.1 面积变化的数量特征

针对官厅水库小尺度的空间特点和研究的时间序列要求，本研究选取了美国Landsat系列卫星影像，数据基本情况如表1所示.在对其进行几何精校正和分辨率融合的基础上，通过人机交互解译提取了各时段水库水域的面积.遥感影像数据主要来源于USGS网站和GLCF网站.

表1 影像数据基本情况Tab.1 Basic situation of image data

官厅水库水域面积变化情况如图1所示.通过对比不同年份遥感影像中官厅水库的水域面积发现，1978年—1987年，水库水域面积逐年增大，1987年水域面积达到91.3 km2；1987年—2000年，水域面积维持在90 km2左右，变化不大；2000年—2004年，水域面积急剧下降，降至38.8 km2，缩小到不足原水域面积的一半.2004年—2013年，水域面积维持在40 km2左右.

图1 官厅水库水域面积变化时序特征Fig.1 Timing characteristics of Guanting reservoir water area changes

1.2 面积变化的空间特征

官厅水库库区可分为永定河库区和妫水河库区[11]，水库水域面积总体减少，除体现在水量上，在空间分布上并不均衡.为此，制作了库区水域各时段的地图，如图2所示.地图采用通用横轴墨卡托投影，中央经线117°，坐标单位为km，每个方网里单元格为25 km2.由图2可以看出，妫水河库区水域面积的变化量大于永定河库，特别是2000年来，水域面积的减少集中在妫水河库，尤其以横坐标（395～400）、纵坐标（4 470～4 475）之间最为明显.

1.3 官厅水库形状的变化特征

水库作为一种景观，可以应用景观生态学中的数量分析法对其进行分析，其破碎化是景观的1个重要特征.官厅水库作为1个流域整体大斑块，在其水量减少的过程中，景观要素特征也在发生变化.为探讨水库景观变化，本研究计算了水库的边界密度，以此揭示水库的破碎化程度.景观边界密度=景观总周长/景观总面积，边界密度值越大，说明景观被边界的分割程度越大，破碎度越大[12]，计算结果如图3所示.由图3可知，1978年—2000年，水库的边界密度逐年小幅减小，水库形状趋于规则；2000年，水库的边界密度陡然增加，虽然在2009年后有所下降，但仍远高于2000年前.这说明从2000年开始，随着水库水量的减少，水库的边界形状向不规则方向演变，生境面积不断缩小，狭窄处的水域被分割切断，流域大斑块开始破碎成小斑块，彼此之间被裸露的泥沙等隔离，破碎化指数提高.破碎化程度的加剧，不仅会降低官厅水库所能提供的生态环境效益，更增加了小斑块水域受自然环境和人类活动蚕食的危险性，导致水库生境恢复更加困难.

图2 各年份官厅水库水域面积Fig.2 Guanting reservoir water area in different years

图3 官厅水库边界密度时序变化特征Fig.3 Variation characteristics of boundary density timing of Guanting reservoir

2 官厅水库水域面积变化相关因素分析

水域面积的变化受多种因素影响，其中流域上游地区是重要的影响因子载体.官厅水库上游的洋河和桑干河流域主要经过张家口境内的4区7县，包括怀来县、涿鹿县、宣化县、万全县、蔚县、阳原县和怀安县以及张家口桥西区、桥东区、下花园区和宣化区，如图4所示.

本研究选取有可能对水域变化产生影响的11项指标，包括年均降雨量、年均气温、地区人口数、地区生产总值、第一产业生产总值、第二产生产总值、第三产生产总值、人均地区生产总值、常用耕地面积、有效灌溉面积和公路通车里程.因为所需数据跨年度长，不同类型数据的尺度存在变化，故作如下说明：（1）数据主要参考张家口经济统计年鉴[13-16]，对流域上游4区7县的社会经济指标进行汇总统计；（2）年均降水量和年均气温为张家口地区年均值，其空间尺度与4区7县不一致，但考虑到空间的临近性，2个尺度下气温和降雨量的年际变化与研究区具有相近性；（3）因2013年经济社会各项指标需到2014年方能统计出，所以统计样本中没有2013年的相关数据，样本数为8.通过研究所有指标的变化趋势，对水库流域面积和主要经济社会指标进行相关分析，结果如表2所示.

图4 官厅水库上游张家口地区主要县区分布Fig.4 Distribution of Zhangjiakou′s main districts upstream of Guanting reservoir

表2 相关性统计表Tab.2 Statistical table of elements correlation

由表2可以看出：（1）水库水域面积与常用耕地面积呈高度正相关，相关系数为0.854，这说明耕地面积变化与官厅水库水域面积变化具有方向一致性和强相关性；（2）水域面积与主要经济指标呈中度负相关，特别是与第二产业值、人均地区生产总值和公路通车里程相关显著；（3）水域面积受降水量和气温等自然因素影响较弱，呈低度相关，与有效灌溉面积呈低度负相关.

表2数据说明：（1）官厅水库水域面积的变化受自然环境和人类活动双重影响，但在本研究所对应的时空尺度下，人类活动影响是主要且关键性的影响因素.（2）耕地面积变化与水域面积变化具有强正相关，通过对常用耕地面积与其他指标进行相关分析可知，耕地面积与区域生产总值及三次产业生产总值均呈高度负相关，这说明导致耕地面积变化的主要因素是产业发展情况，耕地面积与水域面积变化的一致性体现出伴生现象.（3）导致水库水域面积减小的主导因素是上游地区的经济产业发展.人类的生产生活需要消耗水资源，但消耗量的大小与经济发展阶段和产业结构关系密切.2000年，张家口地区的三次产业结构发生转变，第三产业所占比重与第二产业比重大致相当，第一产业比重下降至15%左右，这一数据说明张家口处于工业化初期[13].但考虑张家口坝上坝下的发展存在较大不平衡，2000年时张家口坝上地区仍处于农业化社会阶段，所以官厅水库上游的坝下地区一定程度上已经进入工业化加速期，其产业以重工业为主，尤其以钢铁冶炼和热力发电等高耗水产业为代表，如2002年宣钢80 t转炉一期工程竣工投产，2003年宣钢集体450 m3高炉建设拉开序幕，这些产业的新建扩容侧面反映了产业发展对水资源需求的急速增加，因此，张家口地区的产业结构是2000年后水库水域面积快速减小的主要原因.

官厅水库上游水域是张家口市经济发展的大动脉，沿洋河分布的宣化区、张家口主城区、下花园区和怀来县等建成区像不断膨胀的海绵一样吸收着流域的水量.随着这些地区城镇化、工业化的加速发展，用水需求不断提高.虽然该市正在加紧进行产业结构调整，但受产业发展自身规律和区域经济基础底子薄的现实约束，靠其自身短时期内实现转身难度很大.官厅水库及其上游水资源治理由来已久，特别以2001年开展的《21世纪初期首都水资源可持续利用规划》为典型，该规划实施时间是2001年—2005年，恰是该阶段，官厅水库水域面积出现大幅度萎缩，且到目前仍没有得到恢复.2个时间段的重叠，一方面说明了工程实施在一定程度上的滞后和失效，另一方面也说明水资源治理与流域内经济发展契合非常重要.

3 结论与对策

3.1 结论

1978年—2013年，官厅水库水域面积发生巨大变化.数量上，1978年—1996年水域面积不断扩大，1996年达到最大的112.3 km2；从1996年起，水域面积持续下降至2004年的40 km2左右，并持续到现在.在空间分布上，水域面积减少集中在妫水河库区，尤其以妫水河库中部25 km2区域最为显著.水库的边界密度在2000年前后经历了逐年减小到陡然增加的过程，2000年后，水库生境面积不断缩小，破碎化不断加剧，水库水域面临着被蚕食的危险.

水库水域面积变化受自然因素和人为活动双重影响，在所研究时空尺度上，以人类活动影响为主.其中，水域变化与降水量和气温等自然因素呈弱相关性，与区域生产总值特别是第二产业生产总值呈强负相关.2000年来，导致水库水域面积加速缩小的主要原因是上游地区的生产生活用水不断增加，特别以钢铁冶炼和热力发电等高耗水产业为典型.