从水体面积和河流水面连通性变化看华北地区河湖生态复苏

赵慧子，曹 引，赵红莉，杨雯娜，3，仇亚琴，张双虎

（1.中国水利水电科学研究院，100038，北京；2.水利数字孪生流域重点实验室，100038，北京；3.兰州交通大学，730070，兰州）

复苏河湖生态环境是推动新阶段水利高质量发展的重要路径之一，识别河湖生态变化过程，评估河湖生态现状是开展河湖复苏的重要基础。以华北地区为研究区，通过分析1984—2020年华北地区水体面积和河流连通性变化，评估华北地区河湖生态变化和复苏状况，研究结果可为开展河湖复苏工作提供参考。

一、华北地区河湖水体面积和河流水面连通性变化特征识别

1.研究区情况和数据来源

（1）研究区情况

华北地区在自然地理上一般指秦岭—淮河线以北，长城以南的中国广大区域，涉及北京、天津、河北、山西、内蒙古、山东、河南等省份。本研究选取北京、天津、河北、山东、河南作为研究区域，该区域是典型的河湖生态复苏治理区，自20世纪90年代以来，大多经历了河湖生态环境破坏，近5~10年来都进行了大规模的治理。研究区内水系众多、运河发达，有各级河流200余条，其中三级以上河流14条，四级河流20条，黄河为研究区域内唯一的一级河流，除运河外其余河流大多为海河、淮河、滦河及其支流；区域内有面积1 km2以上的湖泊38个。

（2）数据来源

研究使用Pekel等生成的1984—2020年全球地表水数据集（GSWD）地表水面积月尺度产品，该数据集使用了1984—2020年间Landsat-5、Landsat-7和Landsat-8卫星的超过300万景影像，将每个像元分类为水体和非水体两类。由于2000年以前卫星数据的稳定性相对不高，在研究区存在一定的数据缺失条带，1984—2000年的数据仅用来合成计算河湖水面复苏的基准值，使用2000年以后的数据进行华北地区水体面积与连通性变化过程的分析。2001—2020年降雨量数据来自《全国水资源公报》。

2.华北地区水体面积时空变化特征识别

利用GSW年水体面积合成产品识别1984—2020年北京、天津、河北、山东、河南和华北地区水体面积，其中1984—2000年水体面积为1984—2000年GSW年水体面积产品最大值合成面积，用以表征2000年前华北地区各行政区历史最大水域面积，作为2000年以后各年份变化对比的基数。在华北地区及各行政区1984—2020年水体面积、降水量和调水量变化中，水体面积变化从全部水体面积（全 部）、面 积 小 于1 km2（0~1 km2）、面积介于1~5 km2（1~5 km2）和面积大于5 km2（＞5 km2）四个维度进行分析，可以看出华北地区各行政区2001—2020年水体面积均小于1984—2000年水体面积，且变化存在时空差异性。

（1）北 京

北京2000年以后水体面积表现为“持续减少—波动—持续增加”的变化特征。具体来看，2001—2004年为持续减少；2004—2015年呈小幅波动，但整体稳定在较低水平，其中2009—2013年呈小幅持续增加趋势，和降水变化趋势保持一致；2015—2020年为持续增加，其间北京市降水量呈降低趋势，水体面积持续增加得益于2014年年底至今南水北调中线的持续调水。0~1 km2水体面积：2001—2009年持续降低，2009—2020年呈波动、小幅度增加趋势；1~5 km2水体面积：2001—2004年呈下降趋势，2005—2011年保持相对稳定，2012年呈上升趋势随后保持相对稳定；＞5 km2水体面积：2001—2004年持续快速减少，2004—2015年保持相对稳定，2015—2020年持续增加。分析可知，2001—2004年水体面积持续减少主要表现为不同面积水体的持续减少，2015—2020年水体面积持续增加主要表现为＞5 km2水体面积的持续增加。

（2）天 津

天津2000年以后水体面积呈“持续减少”的变化特征。0~1 km2水体面积：2001—2015年保持相对稳定，2015—2020年呈先增加后稳定的变化特征；1~5 km2水体面积：2001—2015保持相对稳定；＞5 km2水体面积呈持续降低趋势。分析可知，1984—2020年天津水体面积“持续减少”变化特征主要表现为＞5 km2水体面积持续降低。2001—2020年天津降水呈波动变化，但无明显降低趋势，加上2014年年底南水北调中线持续供水，天津水体面积仍呈降低趋势。通过分析发现，相比于2015年，天津2020年部分水体面积增加，如南大港水库通过生态补水，水体面积明显增加，但同时存在因人类活动如滨海开发等导致的水体面积减少，使得天津水体面积呈下降趋势。

（3）河 北

河北2000年以后水体面积呈“稳定—增加—减少”的变化特征。2001—2015年河北水体面积始终稳定在较低水平，2016年水体增长明显，2017年水体面积最大，2018—2020年呈减少趋势，2020年基本和2011—2014年保持在同一水平。0~1 km2水体面积2001—2011年保持稳定，2011—2020年呈波动增加趋势；1~5 km2水体面积2001—2011年呈波动但相对稳定趋势，2011—2020年呈波动增加趋势；＞5 km2水体面积2001—2008年保持相对稳定，2008—2020整体呈缓慢下降趋势。分析可知，2001—2020年河北水体面积“稳定—增加—稍有减少”的变化特征受不同面积水体变化共同影响。

（4）河 南

河南2000年以后水体面积呈“减少—增加”的变化特征。2005—2014年水体面积呈逐渐减少趋势，2015—2020年呈波动增加趋势。2001—2020年水体面积变化和降水变化整体具有较好的一致性，2015—2020年受降水和调水共同影响，受降水减少的影响有所减弱，如2019年河南降水量为近20年最低，水体面积仍维持在2001—2014年的最好水平；0~1 km2、＞5 km2水体面积变化特征基本一致，2001—2014年整体呈下降趋势，2015—2020年呈持续上升趋势，1~5 km2水体面积2001—2020年保持相对稳定。2001—2020年河南水体面积呈“减少—增加”的变化特征受不同面积水体变化共同影响。

（5）山 东

山东2000年以后水体面积呈“增加—稳定—减少—增加—稳定”的变化特征。2001—2004年水体面积逐渐增加，2004—2008年保持相对稳定，2008—2015年 呈 下 降 趋 势，2015—2017年有所提升，随后保持稳定，水体面积变化和降水变化的一致性相对较差。0~1 km2水体面积2001—2015年呈波动变化趋势，2015—2020年呈持续增加趋势；1~5 km2水体面积2001—2020年整体保持相对稳定；＞5 km2水体面积2001—2008年保持稳定，随后持续下降。2001—2020年山东水体面积呈“增加—稳定—减少—增加—稳定”的变化特征受不同面积水体变化共同影响。

（6）华北地区

华北地区水体面积变化为各行政区水体面积变化的综合表现，2000年以后水体面积表现为“稳定—减少—增加—稳定”的变化特征。其中2001—2008年水体面积保持相对稳定，2008—2015年逐渐减少，2016—2017年明显上升，2018—2020年保持稳定。0~1km2水体面积2001—2015年保持相对稳定，2015—2020年呈逐渐增加趋势；1~5 km2水体面积2001—2020年保持相对稳定；＞5 km2水体面积2001—2008年保持相对稳定，2008—2015年呈持续减少趋势，2015—2020年呈波动稳定状态。分析可知，1984—2020年华北地区水体面积“稳定—减少—增加—稳定”变化特征受不同面积水体变化共同影响。

综上分析可知，除天津外，其余行政区水体面积2015年以来均有不同程度提高，华北地区水体面积2015—2017年呈增加趋势，2018—2020年保持相对稳定状态。

3.华北地区河流水面连通性时空变化特征识别

利用GSW产品识别的有水河道水面长度和河道水面总长度的比值表示河流水面连通性，GSW的空间分辨率为30 m，细小有水河道难以识别，因此识别的河流连通性较实际情况会偏低，但其相对大小仍可以表征河流水面连通性变化。统计研究区各省市1~3级、4级和5级河流连通性的时空变化可以看出，华北地区2001—2020年各行政区不同级别河流连通性变化趋势存在差异。

（1）北 京

北京2001—2020年河流连通性整体呈“减少—增加”变化特征。2001—2010年呈波动减少趋势，2011—2020呈波动增加趋势。1~3级河流连通性2001—2010年呈波动变化，河流连通性均值为0.27，2011—2020年1~3级河流连通性呈快速增加趋势，从2011年的0.30增加至2020年的0.55，其中永定河和北运河的连通性指数由2011年的0.21和0.62增加至2020年的0.43和0.96；4级河流连通性2001—2010年保持相对稳定，河流连通性均值为0.24，2011—2020年4级河流连通性呈增加趋势，从2011年的0.27增加至2020年的0.37；5级河流连通性2003—2010年呈下降趋势，河流连通性由0.19下降至0.13，随后呈增加趋势，2020年增加至0.19。分析可知，北京2011—2020年河流连通性的快速增加主要体现在北运河和永定河河流连通性的快速恢复。

（2）天 津

天津2001—2020年河流连通性呈“稳定—波动小幅上升”变化特征。2001—2015年河流连通性相对稳定，河流连通性均值为0.56，2015—2020年呈波动上升趋势，但增幅较小，2020年河流连通性为0.6。4级以上河流连通性变化趋势和总河流连通性变化趋势一致，2001—2020年4级河流连通性均值为0.75，其中青龙湾河、蓟运河、大清河和潮白河河流连通性均值在0.9以上，处于较好水平；5级河流连通性2001—2020年呈波动下降趋势。

（3）河 北

河北2001—2020年河流连通性呈“稳定—波动大幅上升—稳定”变化特征。2001—2015年1~5级河流连通性呈波动变化状态，均值为0.15，2016—2017年河流连通性有所提高，达到0.22，随后保持稳定状态，均值在0.2左右。河北1~5级河流连通性变化趋势基本一致。

（4）河 南

河南2001—2020年河流连通性呈“相对稳定—波动上升”变化特征。2001—2012年1~5级河流连通性呈波动变化，河流连通性均值为0.39，2013—2020年呈波动上升趋势，河流连通性均值为0.46。1~3级河流连通性2001—2020呈波动上升趋势，由2001年的0.50增加至2020年的0.68，其中黄河的连通性由2001年的0.64升至2020年的0.83；4级河流连通性2001—2012年呈波动稳定状态，河流连通性均值为0.43，2013—2020年呈波动上升趋势，2020年河流连通性增加至0.50；5级河流连通性2003—2012年呈波动降低趋势，河流连通性由0.19降至0.13，2013—2020年呈波动增加趋势，2020年增至0.23。

（5）山 东

山东2001—2020年河流连通性呈“相对稳定—波动上升”变化特征。2004—2015年1~5级河流连通性呈波动变化，河流连通性均值为0.54，2015—2020年呈上升趋势，2020年河流连通性均值为0.62。1~5级河流连通性变化趋势基本一致。

（6）华北地区

整体来看，华北地区2001—2020年河流连通性呈“相对稳定—波动上升”变化特征。2001—2015年河流连通性在较低水平波动，河流连通性均值为0.38，2015—2020年河流连通性开始呈波动上升趋势，2020年河流连通性达到最大值0.45，和1984—2020年持平。1~5级河流连通性变化趋势基本一致。

二、华北地区河湖复苏评价

1.河湖水面恢复指数构建

选择1984—2000水体面积和河流连通性作为河湖复苏评价的基准值，利用水体面积和河流连通性构建河湖恢复指数（River and Lake Recovery Index,RLRI），从地表水体恢复的视角分析河湖复苏程度。河湖恢复指数计算公式如下：

式中，RLRIi为第i年河湖恢复指数，Si和S1984—2000为分别为第i年和1984—2000年水体面积；RCi和RC1984—2000分别为第i年和1984—2000年河流连通性指数。

2.华北地区河湖恢复指数变化过程

华北地区河湖恢复指数时空变化特征如图1所示，可以看出华北地区河湖恢复过程存在时空差异。

图1 华北地区河湖恢复指数变化

①北京。2001—2004年河湖恢复指数迅速下降，河湖生态迅速退化，2004—2010年河湖恢复指数始终处于较低水平，2010—2013年河湖恢复指数有所提升，2014—2015年河湖恢复指数保持相对稳定，2016—2020年河湖恢复指数迅速提升，河湖生态呈现明显复苏态势。

②天津。2001—2020年河湖恢复指数呈波动下降趋势，河湖生态呈缓慢退化趋势。

③河北。2001—2015年河湖恢复指数呈波动变化，2015—2017年河湖恢复指数增加明显，随后保持相对稳定状态，河湖生态呈现复苏态势。

④河南。2001—2005年河湖恢复指数呈增加趋势，随后2006—2012年河湖恢复指数呈波动下降趋势，河湖生态逐渐退化，2012—2020年河湖恢复指数呈增加趋势，特别是2015以后增速较快，河湖生态呈现复苏态势。

⑤山东。2002—2004年河湖恢复指数呈短期上升趋势，2004—2015年呈波段缓慢下降趋势，河湖生态有所退化，2015—2020年整体呈缓慢上升趋势，河湖生态有所复苏。

⑥华北地区。2001—2015年呈波动变化，2015—2017年河湖恢复指数显著上升，河湖生态得到明显复苏，随后2018—2020年保持相对稳定状态。不同行政区不同大小水体面积、河流连通性的时空变化特征不同，决定了华北地区河湖恢复过程存在时空差异，降水的时空异质性、跨流域调水以及不同行政区水资源利用和保护政策均是影响河湖恢复过程的重要因素。

3.华北地区河湖水面恢复现状

以1984—2000年合成数据作为基数，对2020年华北地区5省市河湖复苏状况进行评价。北京、天津、河北、山东和河南2020年河湖恢复指数分别为0.93、0.75、0.84、0.9和1.03，河南河湖生态已经达到基准年水平，北京和山东河湖复苏接近基准年水平，天津和河北河湖生态尚未达到基准年水平。华北地区2020年河湖恢复指数为0.89，河湖生态恢复至基准年89%的水平。2015—2020年，华北地区河湖生态复苏明显，其可能的驱动因素包括：①2015—2020年华北地区平均降水量（616.2 mm），比2001—2020年平均降水量（599.1 mm）略高；②南水北调工程的持续调水和生态补水；③华北地区地下水超采综合治理工作的深入推进。

三、小 结

本文利用GSW年水体面积合成产品识别了2001—2020年华北地区水体面积和河流连通性的时空变化特征，并在此基础上构建河湖恢复指数，对华北地区河湖生态复苏进行评价，得出的主要结论如下：

①华北地区水体面积呈“稳定—减少—增加—稳定”变化特征，2001—2008水体面积相对稳定，2008—2015年呈减少趋势，2016—2017年明显上升，2018—2020年保持稳定；河流连通性呈“相对稳定—波动上升”变化特征，2001—2015年河流连通性在较低水平波动，2015—2020年呈波动上升趋势。从水体面积和河流连通性角度来看，华北地区河湖生态2001—2015呈波动变化状态，2015年以后呈明显复苏趋势，降水增加、南水北调东中线持续调水和华北地下水超采综合治理是华北地区河湖复苏潜在的驱动因素。利用河湖恢复指数评估得到华北地区2020年河湖生态已恢复至1984—2000年89%水平。

②华北地区不同行政区2001—2020年水体面积变化特征存在时空差异性。北京水体面积呈“持续减少—波动—持续增加”变化特征，天津水体面积呈“持续减少”变化特征，河北水体面积呈“稳定—增加—减少”变化特征，河南水体面积呈“减少—增加”变化特征，山东水体面积呈“增加—稳定—减少—增加—稳定”变化特征。

③华北地区不同行政区2001—2020年河流连通性的变化趋势存在差异。北京河流连通性整体呈“减少—增加”趋势；天津河流连通性呈“稳定—波动小幅上升”趋势，河北河流连通性呈“稳定—波动大幅上升—稳定”趋势；河南和山东河流连通性呈“相对稳定—波动上升”趋势。

④华北地区不同行政区河湖生态恢复程度存在差异，其中河南2020年河湖生态已经恢复至1984—2000年水平，北京和山东2020年河湖复苏接近1984—2020年约90%水平，天津和河北河湖生态恢复至1984—2000年约75%和85%水平。

⑤水体面积和河流连通性的时空变化特征是不同大小水体面积和不同级别河流连通性变化特征的综合表现，降水的时空异质性、跨流域调水以及不同行政区水资源利用和保护政策是影响水体面积和河流连通性变化的重要因素，决定了河湖恢复过程。

本文从华北地区水体面积和河流连通性变化视角对华北地区河湖复苏进行了评估，可为全国河湖复苏评估提供参考。目前河湖复苏评价指标体系尚未建立，采用更多指标、从更多的视角系统开展河湖复苏评价需要进一步深入研究。 ■