贾鲁河景观变化与径流耦合关系研究

王 宪，冯 辉，周 延，刘 欣，3

（1.河南豫矿地质勘查投资有限公司，郑州 450018；2.河南省自然资源投资集团有限公司，郑州 450018；3.河南大学环境与规划学院，河南开封 475004）

河流生态质量评价是城市生态系统研究的重要内容［1］，对于维护城市生态平衡、优化城市景观、提升城市人居环境品质有着重要作用［2］.在快速城市化的背景下，河流结构、过程与功能产生显著影响，部分引起河流的生态系统退化［3］，保障生态基础设施的结构完整性和功能完善性尤为重要［4］.影响整个区域生态安全格局［5］.景观格局指数是定量化分析景观空间格局动态的主要工具［6］，景观格局的改变可以对一个流域内水分的空间分布起到调节作用.国外对于景观格局的研究主要是以北美生态学为代表的对于格局组成及景观的空间格局基于Forman提出的斑块、廊道和基底的模式进行描述［7-10］，国内主要基于GIS技术，采用Fragstats软件对景观指数进行分析［11-15］.生态工程的实施对土地利用/覆被和景观格局具有显著影响［16-19］.土地覆被和气候变化是影响水域规划的主要因素［20］.土地利用/覆被变化对流域水文要素具有不同程度上的影响［21-26］.为研究中牟县水文过程和生态系统之间的关系，本论文选取了横穿中牟县最大的贾鲁河为研究对象，分析了河流生态护岸带的现状和发展趋势，深入研究土地利用景观格局变化在流域径流变化过程中的作用，以期改善河道生境，增加生物多样性，提高河流生态系统的稳定性.

1 研究区概况

中牟县分布的水系主要有贾鲁河、石沟、大孟沟、水溃沟和运粮河，其中以贾鲁河流域面积最大.贾鲁河发源于新密市白素镇杨树岗圣水峪，流经横岭寨、黄帝岭水库，下汇冰泉，温泉、九曲娘娘庙河诸水，形成双干型河道，经郑州市西郊候寨、西流湖至北郊老鸦陈折向东流，出郑州市区后流经中牟县、祥符区、尉氏县、扶沟县、西华县，在周口市入沙颍河，最后注入淮河，属于淮河的二级支流，全长247 km，总流域面积5896 km2.郑州辖区内河长118.3 km，流域面积2750 km2.贾鲁河流域现有常庙、中牟、扶沟、常庄、新郑及西黄庄等6个水文站，扶沟站、中牟站和常庙站为贾鲁河干流上的水文站，常庄站、新郑站和西黄庄站分别为支流上的水文站.中牟水文站设站于1959年，控制流域面积2106 km2，观测使用至今.本次涉及的水文数据来源主要为贾鲁河干流中牟水文站，本次取水口位于贾鲁河京港澳高速交叉口下游150 m处，其下游有中牟水文站，该站有1986—2016年的长系列实测径流资料.根据研究需要，基于1992—2016年的基础数据进行运算.

2 区域景观特征

2.1 研究范围

国内外学者关于生态廊道的宽度做了大量研究.通常认为生态廊道宽度在600～1200 m之间可以有效保护生物多样性［27］.本研究在此基础上，结合实地情况确定贾鲁河两岸1000 m范围内作为研究对象，通过对1992、2004、2016年三年的遥感数据解译（见图1～3），结合野外实地调查以及其他辅助资料，基于GIS平台，分析贾鲁河三个时间段的分析绿色基础设施景观格局，研究其景观变化规律，找出径流量的变化与景观格局之间的耦合变化规律.

图1 1992年贾鲁河沿岸景观格局Fig.1 Landscape pattern along the Jialu River in 1992

图2 2004年贾鲁河沿岸景观格局Fig.2 Landscape pattern along the Jialu River in 2004

图3 2016年贾鲁河沿岸景观格局Fig.3 Landscape pattern along the Jialu River in 2016

2.2 景观格局分析

统计分析了贾鲁河两岸在1992、2004、2016年三个时间段1 km范围内的景观格局（见表1～2，图3～6）.统计结果如下：1992年总斑块数1665个，耕地139个，总斑块面积68.65 km2，周长587.34 km；林地41个，总斑块面积0.036 km2，周长3.1 km；草地346个，总斑块面积0.64 km2，周长63.9 km；水域187个，总斑块面积1.13 km2，周长88.14 km；建设用地929个，总斑块面积7.68 km2，周长411.84 km；未利用地23个，总斑块面积0.27 km2，周长0.36 km.

2004年总斑块数1906个，耕地220个，总斑块面积61.62 km2，周长710.58 km；林地49个，总斑块面积0.036 km2，周长0.3 km；草地360个，总斑块面积0.68 km2，周长67.26 km；水域192个，总斑块面积1.13 km2，周长86.76 km；建设用地974个，总斑块面积14.22 km2，周长586.20 km；未利用地111个，总斑块面积0.447 3 km2，周长34.14 km.

2016年总斑块数2127个，耕地456个，总斑块面积49.61 km2，周长651.72 km；林地318个，总斑块面积0.29 km2，周长6.42 km；草地352个，总斑块面积0.67 km2，周长66.30 km；水域154个，总斑块面积3.72 km2，周长121.98 km；建设用地698个，总斑块面积22.71 km2，周长669.06 km；未利用地149个，总斑块面积1.09 km2，周长60.01 km.

表1 1992、2004、2016年贾鲁河沿岸景观水平指标变化Tab.1 Changes of landscape level indicators along the Jialu River in 1992，2004 and 2016

表2 1992、2004、2016年贾鲁河沿岸景观类型水平景观指标变化Tab.2 Changes of landscape type level indicators along the Jialu River in 1992，2004 and 2016

图4 1992年各景观类型SHAPE与FRAC值Fig.4 SHAPE and FRAC values of different landscape types in 1992

图5 2004年各景观类型SHAPE与FRAC值Fig.5 SHAPE and FRAC values of different landscape types in 2004

图6 2016年各景观类型SHAPE与FRAC值Fig.6 SHAPE and FRAC values of different landscape types in 2016

2.2.1 景观水平指数变化与年径流变化的关系 本文在景观水平上选取了11个景观指标，结合1992—2016年径流指标，运用SPSS软件将景观水平指数与贾鲁河径流深数据作相关性分析，本文以1992、2004、2016年三年径流深作为响应变量，以景观水平景观指数作为解释变量.

表3 贾鲁河沿岸景观水平指数和径流深相关性分析Tab.3 Correlation analysis of landscape level index and runoff depth along the Jialu River

从表3可以看出，在贾鲁河沿岸景观水平上，斑块结合度指数（COHESION）、多样性指数（SHDI）、景观分离度指数（DIVISION）、蔓延度指数（CONTAG）、分维数指数（PAFRAC）和最大斑块指数（LPI）是影响径流的主要指标.

其中分维数指数（PAFRAC）、最大斑块指数（LPI）、蔓延度指数（CONTAG）、斑块结合度指数（COHESION）、斑块聚集度（AI）和径流深呈负相关.多样性指数（SHDI）、景观分离度指数（DIVISION）、边缘密度指数（ED）和径流深呈正相关.

在研究时间段内，香浓多样性指数（SHDI）和边缘密度指数（ED）逐渐增加，流域的径流量总体呈波动上升趋势.从具体的研究周期来看，1992—2004年，流域的聚集度（AI）和蔓延度指数（CONTAG）逐渐减小，流域在这段时期的径流量是逐渐降低的；2004—2016年，边缘密度指数（ED）、香浓多样性指数（SHDI）、景观分离度指数（DIVISION）逐渐增加，径流量上升，这与年径流量变化特征大致符合.

2.2.2 景观类型水平指数变化与年径流变化的关系 本研究在景观类型水平上，选择了8个景观指标，结合1992—2016年径流指标，运用SPSS软件将耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地六类景观的景观类型指数与贾鲁河径流深数据作相关性分析，本文以1992、2004、2016年三年径流深作为响应变量，以景观水平景观指数作为解释变量.

随着我国经济、社会的快速发展，人口老龄化已经成为一个较为严重的问题[1]。女性盆底功能障碍性疾病(FPFD)包括尿失禁和盆腔器官脱垂等，在中老年女性人群中发病率较高，是一类中老年女性的常见病[2]。但是大多数患者对FPFD认识不够，导致早期症状出现时未能及时采取治疗，进而错过了患者的早期治疗最佳时间，影响了患者的身心健康[3]。本研究将盆底超声应用于FPFD的诊断中，能较好的为临床提供诊断依据，现报道如下。

表4 耕地景观指数和径流深相关性分析Tab.4 Correlation analysis between landscape index of cultivated land and runoff depth

从表4可以看出，耕地景观中，斑块数目（NP）、斑块密度（PD）、最大斑块指数（LPI）、分维数指数（PAFRAC）、斑块结合度指数（COHESION）、景观分离度指数（DIVISION）和聚集度（AI）是影响径流量的主要因素.其中，斑块数目（NP）、斑块密度（PD）和景观分离度指数（DIVISION）与径流深呈正相关，其余指数呈负相关.1992—2016年耕地面积呈现逐渐减小的趋势，且减小速度越来越快，分离度指数（DIVISION）逐渐增加，最大斑块指数（LPI）逐渐减小，耕地形状逐渐复杂化，促进了景观表面径流的增加.

表5 林地景观指数和径流深相关性分析Tab.5 Correlation analysis of forest landscape index and runoff depth

从表4～5可以看出，林地景观中，最大斑块指数（LPI）、分维数指数（PAFRAC）、景观分离度指数（DIVISION）和聚集度（AI）是影响径流量的主要因素.其中，最大斑块指数（LPI）、聚集度（AI）与径流深呈正相关，景观分离度指数（DIVISION）呈负相关.这说明，林地景观的最大斑块指数（LPI）、聚集度（AI）越大，贾鲁河径流量就越大.近年来随着贾鲁河流域退耕还林还草，以及沿岸公园开发，林地景观趋向成片的存在，这说明林地有涵养水源的作用，对径流有一定的补给作用，同时还能延缓地表径流的入渗，因此林地的增加有利于对径流的保持.

表6 草地景观指数和径流深相关性分析Tab.6 Correlation analysis between grassland landscape index and runoff depth

从表4～6可以看出，草地景观中，斑块结合度指数（COHESION）、最大斑块指数（LPI）、聚集度（AI）和分维数指数（PAFRAC）是影响径流量的主要因素.其中，斑块结合度指数（COHESION）、最大斑块指数（LPI）、聚集度（AI）与径流深呈正相关，分维数指数（PAFRAC）呈负相关.1992—2016年草地逐渐由小斑块连接成大斑块，有利于径流的保持，具有保持水土和涵养水源的作用.

表7 水域景观指数和径流深相关性分析Tab.7 Correlation analysis between water landscape index and runoff depth

从表4～7可以看出，水域景观中，上述8个指标均对径流量有重要影响.其中，最大斑块指数（LPI）、边缘密度（ED）、斑块结合度指数（COHESION）、聚集度（AI）与径流深呈正相关；斑块数目（NP）、斑块密度（PD）、景观分离度指数（DIVISION）和分维数指数（PAFRAC）与径流量深呈负相关.1992—2016年水域面积呈现逐渐增加的趋势，促进了景观表面径流的增加.

表8 建设用地景观指数和径流深相关性分析Tab.8 Correlation analysis between landscape index of construction land and runoff depth

从表4～8可以看出，建设用地景观中，上述8个指标均对径流量有重要影响.其中，最大斑块指数（LPI）、边缘密度（ED）、斑块结合度指数（COHESION）、聚集度（AI）与径流深呈正相关；斑块数目（NP）、斑块密度（PD）、景观分离度指数（DIVISION）和分维数指数（PAFRAC）与径流量深呈负相关.1992—2016年贾鲁河流域建设用地有聚集化发展趋势，建设用地的最大斑块指数、边缘密度、斑块结合度指数和聚集度呈现逐渐增加的趋势，减少了径流消耗，促进了景观径流的增加.

表9 未利用地景观指数和径流深相关性分析Tab.9 Correlation analysis between landscape index of unused land and runoff depth

从表4～9可以看出，未利用地景观中，最大斑块指数（LPI）、分维数指数（PAFRAC）、边缘密度（ED）、聚集度（AI）、斑块数目（NP）、斑块密度（PD）对径流量有主要影响.其中，最大斑块指数（LPI）、斑块数目（NP）、斑块密度（PD）、边缘密度（ED）、聚集度（AI）与径流深呈正相关；分维数指数（PAFRAC）和与径流量深呈负相关.随着城市化发展，1992—2016年贾鲁河流域耕地有所减少，被侵蚀并发展成为建设用地，减少了径流消耗，促进了景观径流的增加.

2.3 流域径流和降水变化特征

图7 1992—2016年贾鲁河径流量统计表Fig.7 The runoff statistics of Jialu River from 1992 to 2016

本次中牟站径流量计算采用1992—2014年的年径流系列，是贾鲁河中牟站实测年径流量还原得来，还原过程中充分考虑了上游用水户取水、河道生活工业排水量和灌溉退水量，还原后的天然年径流系列具有很好的一致性.通过分析贾鲁河中牟站年径流模比系数差积曲线（图8）.从图中可以看出：中牟水文站1992—2016的长系列径流过程包含了一个完整的丰枯周期.通过分析贾鲁河中牟站年径流量模比系数累积曲线（图9），当年径流系列长度达到20年时其年径流量均值波动趋于平缓.由此可见贾鲁河中牟站年径流的均值也是较稳定的.

反映年径流量年际变化幅度的特征值主要是年径流量的变差系数Cv值和年径流量的年际极值比.年径流量的变差系数是年径流量的标准差与平均值的比，它可以反映历年径流量对多年平均值相对离散程度的大小.Cv值大，年径流量的年际变化剧烈，这对水资源的利用不利，而且易发生洪涝灾害；Cv值小，则年径流量的年际变化小，有利于径流资源的利用.年径流量的年际极值比是年径流量年际变化的绝对值比例，即多年最大年径流量与多年最小年径流量的比值，可以反映径流年际变化的幅度.

图8 贾鲁河中牟站年径流模比系数差积曲线图Fig.8 Difference plot of annual runoff modulus ratio coefficient at Zhongmu station of Jialu River

图9 贾鲁河中牟站年平均径流量模比系数累积平均曲线图Fig.9 Cumulative average curve of modulus ratio coefficient of annual average runoff at Zhongmu station of Jialu River

根据中牟站1992—2016年的逐年实测径流量数据，得出1992—2016年流域年平均径流量为5.18亿m3，2016年的年径流量最大，达到10.81亿m3，2000年的年径流量最小，为2.92亿m3，流域径流量的年际极值比为3.7，流域年径流变差系数Cv值为0.39，流域年径流量的年际变化较大，说明区域内洪涝灾害发生概率较大.本研究收集了中牟县水务局提供中牟县2002—2013年的旱涝灾害情况统计数据（表10），表明涝灾发生频率较高.

表10 2002—2013年中牟县旱灾涝灾情况统计Tab.10 Statistics of drought and waterlogging in Zhongmu County from 2002 to 2013

2.3.2 流域年降水变化特征和趋势分析 降水影响径流过程的最重要的驱动因素，其深度影响流域径流变化.本研究通过观测1992—2015年降雨观测数据，以定量研究流域降水径流关系.

根据图10可以看出，1992—2016年中牟县年降雨量变化剧烈，流域年降水的线性方程是负值，从趋势上看，年降雨量总体呈现降低趋势.流域年降雨量最枯时期为1997年，年降雨量为423 mm，最丰年份为2003年，年降雨量为1 029.34 mm，变化幅度为606.34 mm，变化较大.

图10 1992—2016年降水变化Fig.10 Precipitation change from 1992 to 2016

2.3.3 年径流变化与年降水变化的关系 根据1992—2016年的贾鲁河年径流数据，得出其径流深值和变化趋势（如图11），可以看出，贾鲁河径流深值在研究时间段内，波动较大，整体为上升趋势.

径流深和年降雨量关系呈负相关，可以看出降水不是贾鲁河径流补给的重要来源（见图12）；贾鲁河年径流量与年降水量都存在一定的波动性，且其年际的波动频率基本一致，说明径流量的变化在一定程度上受到降水量的影响（见图13）.考虑到贾鲁河的水源补给有黄河水的调入，因此，本文采用郑州市水务局统计数据，将贾鲁河自2002—2016年的引黄量与径流量做相关性分析，结果无明显相关性，结果如图14、图15.

图11 1992—2016年的贾鲁河年径流深变化Fig.11 Change of annual runoff depth of Jialu River from 1992 to 2016

图12 1992—2016年的贾鲁河径流深和年降雨量关系Fig.12 Relationship between runoff depth and annual rainfall of Jialu River from 1992 to 2016

图13 1992—2016年的贾鲁河年降水和年径流的变化关系Fig.13 Relationship between annual precipitation and annual runoff of Jialu River from 1992 to 2016

图14 2002—2016年的贾鲁河引黄流量和年径流的相关性Fig.14 Correlation between annual runoff and Yellow River diversion discharge of Jialu River from 2002 to 2016

图15 贾鲁河引黄流量和年径流的变化关系Fig.15 Relationship between annual runoff and Yellow River diversion discharge of the Jialu River

考虑到地下水对河流的补给作用，本研究运用郑州市水务局提供的观测数据，将中牟县2002—2016年15眼观测井观测的平均地下埋深变化值与年径流量的关系进行研究，明显相关性（见图16）.

图16 平均地下埋深变化值和年径流量的关系Fig.16 The relationship between the change value of average buried depth and annual runoff

考虑到中牟县城市化速度快，为了解水质情况，力求全面掌握径流量变化的原因，本研究将郑州市水务局提供的观测数据，将2002—2016年的贾鲁河水质观测数据进行统计，发现贾鲁河水质自2002—2004年间为V类，2005年开始水质恶化为劣V类，污染物主要有DO、高锰酸盐指数、COD、BOD5、氨氮等，至2016年，水质达标，为Ⅳ类（表11）.

表11 2002—2016年贾鲁河水质检测数据Tab.11 2002-2016 water quality test data of Jialu River

鉴于上述结果，降雨量、引黄量、地下水位作为补给水源与贾鲁河的径流量均不相关，可以说明贾鲁河作为平原河道，特别是中牟水文站，水源已经变成城市废水、灌溉退水，径流量变化受到人类因素的影响较大，而土地利用变化是人类活动的主要方面.结合景观指数分析认为，贾鲁河流域的GI景观格局变化对年径流量具有调蓄涵养的作用，尤其是占比较高的耕地和建设用地的变化对径流量的变化带来显著影响.

3 结论及讨论

为研究中牟县水文过程和生态系统之间的关系，本论文选取了横穿中牟县最大的贾鲁河沿岸两侧1 km以内的景观带为研究对象，深入研究土地利用景观格局变化在流域径流变化过程中的作用，结果表明：耕地和建设用地是该区域的主要景观类型.1992—2016年间，耕地面积不断减少，建设用地不断增加，景观破碎化程度加大.径流深与分维数指数（PAFRAC）、最大斑块指数（LPI）、蔓延度指数（CONTAG）、斑块结合度指数（COHESION）、斑块聚集度（AI）呈负相关；与多样性指数（SHDI）、景观分离度指数（DIVISION）、边缘密度指数（ED）呈正相关.

通过分析，降雨量、引黄量、地下水位作为补给水源与贾鲁河的径流量均不相关，可以说明贾鲁河作为平原河道，特别是中牟水文站，水源已经变成城市废水、灌溉退水，径流量变化受到人类因素的影响较大，而土地利用变化是人类活动的主要方面.结合景观指数分析认为，贾鲁河流域的GI景观格局变化对年径流量具有调蓄涵养的作用，尤其是占比较高的耕地和建设用地的变化对径流量的变化带来显著影响.本研究尝试从景观格局角度分析贾鲁河径流量变化的内在原因，为研究景观变化与径流量的耦合关系提出了新的方法.