基于“3S”技术的秦岭黑河水源保护区植被覆盖及水源涵养敏感区分析

刘 哲，马新萍

[1.中检西北生态技术（陕西）有限公司，陕西西安 710168；2.咸阳师范学院地理与环境学院，陕西咸阳 712000]

森林植物主要通过林冠层、枯枝落叶层和土壤层拦截、吸收、蓄积降水实现对降水的再分配，从而发挥水源涵养功能。秦岭森林资源丰富，被誉为天然“中央水塔”，具有重要的水源涵养功能。秦岭北麓地表水源地分布众多，其中以黑河水源地最为重要，是陕西省西安市重要的水源。黑河流域涉及多个自然保护区，区域内植被状态对水源地生态安全保障具有重要作用[1]。目前，关于秦岭区域的研究多为植被覆盖变化趋势及驱动力相关性研究分析、水资源相关研究等，针对水源地，特别是黑河水源地保护的相关研究较少。

本文以黑河水源地保护范围为研究区域，基于遥感技术（Remote Sensing，RS）、地理信息系统（Geography Information Systems，GIS）和全球定位系统（Global Positioning Systems，GPS）等“3S”技术，分析区内植被覆盖特征，划定水源涵养敏感区，提出黑河水源地生态保护建议，以期为秦岭区域水源地生态环境保护管理提供参考。

1 研究区概况

黑河水源地位于黑河峪口以上，保护区面积1 481 km2，包括一级保护区、二级保护区和准保护区；涉及6 个乡镇，上游常住人口较少；林木茂密，属暖温带落叶阔叶林带，有种子植物121 科640 属1 550 种、苔藓植物63 科142 属302 种，还有大量的蕨类、地衣和菌类植物。

2 研究方法

2.1 数据来源与预处理

选取2020年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）Landsat-5 TM影像（空间分辨率30 m，云量小于10%）、数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）、水系图及保护区图等，在ArcGIS、ENVI 等软件平台支持下，进行数据校正、配准、合成、增强及裁剪等处理，获得研究数据。

2.2 植被覆盖度

植被覆盖度是指植被（包括叶、茎、枝）在单位面积内的垂直投影面积所占百分比。目前，基于遥感监测估算植被覆盖度的方法有植被指数法、回归模型法、机器学习法等，其中植被指数法应用较广泛，该方法多利用各种植被指数建立与植被覆盖度的转换关系，近似估算植被盖度。归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）是常见植被指数中的一种，通过测量近红外（植被强烈反射）和红光（植被吸收）之间的差异来量化植被，作为检测植被生长状态的重要指示因子，其灵敏度较高，应用最为典型。一般认为NDVI 为正值，表示有植被覆盖，且随覆盖度增大而增大，0.2～0.8 表示有植被覆盖。本研究采用NDVI 建立植被指数与植被覆盖度（FractionalVegetation Cover，FVC）的转换关系，如公式（1）和（2）所示[2-3]。

式中：INDV为归一化植被指数或标准差植被指数；Pnir为近红外波段的反射值；Pred为红外波段的反射值。本文选取的Landsat-5 TM 影像，红外波段和近红外波段分别对应3、4通道。

式中：FVC为所计算像元的植被覆盖度；INDV为所计算像元的植被指数；INDVv为纯植物像元的植被指数；INDVs为完全无植被覆盖像元的植被指数。本文INDVv和INDVs取值分别为植被指数累计百分比在95%和5%的数值。

结合黑河流域植被实际生长情况，将研究区植被覆盖度分为低覆盖、中低覆盖、中覆盖、高覆盖4 个等级（见表1）[4]。

表1 黑河水源保护区植被覆盖度分级

在ENVI 平台利用公式（1）和（2）进行图像运算得到研究区FVC栅格文件。基于ArcGIS平台对FVC栅格文件按表1 分级标准进行重新分类，得到研究区植被覆盖空间分级分布数据。

2.3 敏感区划定

水源涵养能力受山地起伏、地表覆盖差异、土壤、降雨等因素影响，如陡坡附近或地表覆盖率较低的地方易发生水土流失[5]。本文选取坡度和植被覆盖度2 个对水源涵养功能影响较大的指标，参考土壤侵蚀划分标准，对研究区进行水源涵养敏感区划定，分为低敏感区（生态环境较好、水源保护状态较好）、中敏感区（水源保护风险较明显，较易发生水土流失等）、较高敏感区（水源保护风险明显，易发生水土流失等）、高敏感区（水源涵养功能损失严重，极易发生水土流失等），具体分级见表2[6]。

表2 水源涵养敏感区划分指标

在ArcGIS 中对DEM 数据提取坡度，利用重分类功能将坡度分为4 个等级区，分别为[0°,5°)、[5°,15°)、[15°,25°)、[25°,90°)，将植被覆盖度分级图与坡度分级图叠加，得到不同坡度等级下不同植被覆盖度的空间分布情况，并按表2 的分类标准划定为水源涵养低敏感区、中敏感区、较高敏感区、高敏感区4个区域，进行面积统计。

3 结果与分析

3.1 植被覆盖情况

1）水源保护区内植被覆盖度以高覆盖为主，其次为低覆盖、中覆盖和中低覆盖，区域生态环境质量整体较高，水源涵养能力较强。

2）低覆盖区占8.65%，一部分集中在水库周边、黑河及其支流河（沟）道两侧，该区域内多为道路、农村居民住宅，植被以灌、草、经济苗木、农作物为主。该区域受人类生产生活活动影响明显，以人工植被为主，地表覆盖稀疏。一部分集中在高海拔的山脊或鞍部区域，分布有裸岩、高山草甸、人工植被（经济苗木）。

3）中低覆盖区占4.46%，分布在低覆盖区附近，以灌、草为主，处于人工干扰区—自然群落演替过渡区。中覆盖区占5.74%，分布在中低覆盖区附近，主要有针叶林、针阔混交林、阔叶林及灌丛，植被较茂密。

4）高覆盖区占81.15%，广泛分布，远离交通道路和居住区，受人类活动干扰较少，保持自然群落状态，以乔木为主，植被茂密。

3.2 水源涵养敏感性

如图1 所示，保护区水源涵养以中、低敏感区为主；因近年来黑河流域生态保护工作力度大，植被整体生长状况较好，受坡度和植被覆盖度影响的敏感区面积小、分布较广。其中：低敏感区占23.57%，以植被高覆盖度区域为主；中敏感区占66.58%，以植被中、高覆盖度区域为主；较高敏感区占5.52%，以植被中低覆盖度、低覆盖度区域为主，分布在河道两侧边坡；高敏感区占4.33%，以植被低覆盖度区域为主，主要分布于库周、河道两侧及上游源头区（裸岩），呈带状分布，距离河（沟）道10～200 m。

图1 黑河水源地水源涵养敏感区图

陈河至取水口段（即水源一级保护区、二级保护区），以及黑河左岸支流大蟒河与右岸支流虎豹沟、板房子河区域属水源涵养高敏感区，边坡陡峭，植被稀疏，应减少人为干扰，加强水源涵养能力建设，如河流生态缓冲带建设，进一步涵养水源，同时减少面源污染。

4 结论与讨论

本文利用“3S”技术，以植被覆盖度、坡度为基础划定区域水源涵养敏感区，提出黑河水源地生态保护建议。结果表明：1）黑河水源保护区植被以高覆盖为主，占区域总面积的81.15%，且分布广泛；低覆盖区占区域面积的8.65%，主要分布在水库周边、黑河及其支流河（沟）道两侧；2）因近年来黑河流域生态保护工作力度大，区域植被生长状况良好，水源涵养以中、低敏感区为主，占区域面积的90%以上；3）水源涵养高敏感区占区域面积的4.33%，面积较小，但沿河（沟）道两侧10～200 m 呈带状广泛分布；4）水源一级保护区、二级保护区及大蟒河、虎豹沟、板房子河应加强水源涵养能力建设。

山区地表水水源地水源涵养敏感区集中在河（沟）道两侧，因此对河（沟）道两侧进行生态缓冲带建设，有利于提高水源涵养能力，拦截面源污染，保障水源安全。降雨、土壤等因子也是影响水源涵养的指标，本文仅选取植被覆盖度和坡度2 个因子进行分析，具有一定的局限性，后期可增加影响因子进一步研究。基于NDVI 构建的植被遥感估算法，低覆盖区包含水域、交通道路等，统计存在一定误差，可在后期研究中进一步修正。