段金龍， 任圓圓， 張學(xué)雷

(1.鄭州大學(xué)自然資源與生態(tài)環(huán)境研究所，河南 鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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河網(wǎng)密度與水體空間分布多樣性的對(duì)比研究

段金龍1, 2， 任圓圓1， 張學(xué)雷1

(1.鄭州大學(xué)自然資源與生態(tài)環(huán)境研究所，河南 鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

以河南省和江蘇省的典型區(qū)域?yàn)槔?，比較了地表水資源的分布特征評(píng)價(jià)中廣泛使用的河網(wǎng)密度法和1種最新的基于仙農(nóng)熵的水體空間分布多樣性法，計(jì)算了各研究區(qū)及其分區(qū)域內(nèi)的河網(wǎng)密度值和1 km網(wǎng)格尺度下的水體空間分布多樣性，并探索了兩者之間的聯(lián)系與異同。研究表明,樣區(qū)內(nèi)水體表面積與河流總長度之間存在一定程度的正相關(guān)；在評(píng)價(jià)湖泊、水庫等大規(guī)模面狀水體類型時(shí)，水體多樣性的表現(xiàn)明顯優(yōu)于河網(wǎng)密度；當(dāng)研究區(qū)面積相等時(shí)，河網(wǎng)密度值與水體空間分布多樣性之間的聯(lián)系視研究區(qū)內(nèi)地表水資源性質(zhì)而定，在湖泊稀缺地區(qū)，兩者之間一般呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，判定系數(shù)R2達(dá)到0.5以上，在湖泊富集地區(qū)，兩者之間一般呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，如蘇州市達(dá)到0.9以上。

多樣性；空間分布；河網(wǎng)密度；地表水資源

人類活動(dòng)的加劇、城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)流域內(nèi)地表性質(zhì)與河流水系造成了較大沖擊，使得區(qū)域河流水系退化嚴(yán)重，水土環(huán)境持續(xù)惡化，阻礙了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)糧食生產(chǎn)也造成了直接影響。當(dāng)前中國的水資源危機(jī)很大程度體現(xiàn)在水資源的不均衡分布上，分為空間上的不均衡分布和時(shí)間上的不均衡分布，總體上呈現(xiàn)出南多、北少、東多、西少、夏秋多、冬春少的分布特點(diǎn)。中國的水資源總量約為2.8×1012m3，低于加拿大、巴西、俄羅斯、美國和印度尼西亞，居世界第6位，但人均水資源占有量只有2 200 m3左右，僅為世界平均值的1/3左右，居世界121位，為13個(gè)貧水國家之一[1]。區(qū)域氣候變化對(duì)水資源分布產(chǎn)生重要影響，受季風(fēng)氣候的影響[2]，中國的水資源空間分布總體上呈現(xiàn)出由東南沿海向西北內(nèi)陸逐漸減少的狀態(tài)，北方地區(qū)耕地多但水資源匱乏，南方地區(qū)耕地少但水資源持有量相對(duì)豐富。對(duì)水資源的空間分布特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)在生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天具有重要意義，同時(shí)這也是水文水資源、水土環(huán)境保護(hù)等研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。以往研究中，水資源的供需矛盾、分布特征、不同區(qū)域水資源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系等都獲得了學(xué)者的重視[3, 4]，而降水量、蒸發(fā)量、水體面積、人均水資源占有量[5]、徑流量、河網(wǎng)密度[6]等參數(shù)的應(yīng)用，都是傳統(tǒng)水資源空間分布特征評(píng)價(jià)中的常用手段。土壤多樣性是土壤地理學(xué)研究領(lǐng)域的前沿性內(nèi)容[7, 8]，水要素是土壤發(fā)生的重要影響因素之一，涉及水土關(guān)聯(lián)性的研究內(nèi)容是相關(guān)學(xué)科的熱點(diǎn)問題之一[9]，較早的研究中[10, 11]，土壤多樣性的相關(guān)研究方法已被證明適用于地表水資源的分布特征評(píng)價(jià)，而水體空間分布多樣性的提出也為水資源的空間分布特征評(píng)價(jià)提供了一種嶄新的思路和方法，但其實(shí)用性、科學(xué)性仍需更多數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和支持。本研究以水體空間分布多樣性研究為基礎(chǔ)，以河網(wǎng)密度為參考，以中國中、東部典型樣區(qū)為例，深入分析了水體空間分布多樣性與傳統(tǒng)的河網(wǎng)密度評(píng)價(jià)法在地表水資源分布特征評(píng)價(jià)中的異同點(diǎn)，并比較了兩者各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為區(qū)域水土資源保護(hù)提供理論和數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

在中國中部以農(nóng)業(yè)為主的經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的河南省和中國東部高度城市化的江蘇省內(nèi)，分別選擇了不同尺度的典型樣區(qū)(河南省鄭州市、開封市和原陽縣，江蘇省南京市、蘇州市和如皋市)為例。其中河南省位于中國中部偏東，處于東經(jīng)110°21′～116°39′，北緯31°23′～36°22′，地形復(fù)雜，地勢(shì)西高東低，橫跨黃河、淮河、海河和長江四大水系，北部為暖溫帶，南部為亞熱帶，屬濕潤半濕潤季風(fēng)氣候，是國家重要的戰(zhàn)略綜合交通樞紐。江蘇省位于中國大陸東部沿海中心，處于東經(jīng)116°18′～121°57′，北緯30°45′～35°20′，地形以平原為主，地處長江和淮河下游，東臨黃海，河湖眾多，屬溫帶向亞熱帶過渡性氣候，自古便是富饒之地、魚米之鄉(xiāng)，人均GDP居全國各省第1位。其中鄭州市和南京市均為各自省份省會(huì)及經(jīng)濟(jì)、政治、文化中心，開封市和蘇州市均為各自省份內(nèi)的代表性城市，原陽縣和如皋市均為2省份內(nèi)的典型縣域。

1.2 數(shù)據(jù)來源及運(yùn)行環(huán)境

研究所用基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)均為美國地球資源衛(wèi)星(Landsat)的TM傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)期：鄭州市、開封市和原陽縣同為2004年，南京市2006年，蘇州市和如皋市同為2005年，所有數(shù)據(jù)獲取季節(jié)均為夏季。其他相關(guān)數(shù)據(jù)主要包括各研究區(qū)行政區(qū)劃矢量數(shù)據(jù)等，研究所用遙感軟件為ENVI 4.8和ArcGIS 10.1。

1.3 研究方法

1.3.1 改進(jìn)的仙農(nóng)熵方法 研究使用一種仙農(nóng)熵的變形公式，以更好地評(píng)價(jià)地表水資源的空間分布離散性：

(1)

在地表水資源空間分布多樣性中，S為空間網(wǎng)格的數(shù)目，pi為第i個(gè)空間網(wǎng)格中水體的面積在水體總面積中所占的比例，這時(shí)多樣性指數(shù)Yh表示了研究區(qū)內(nèi)地表水資源的空間分布離散性程度。多樣性指數(shù)Yh取值區(qū)間為[0, 1]，當(dāng)相對(duì)豐度分布極度不均勻，也就是當(dāng)一個(gè)或者少數(shù)幾個(gè)對(duì)象占支配地位時(shí)，Yh取值趨于0；當(dāng)每個(gè)對(duì)象都均勻分布時(shí)，Yh取值等于1。該仙農(nóng)熵變形公式涉及到空間網(wǎng)格概念，因此在評(píng)價(jià)對(duì)象的空間分布多樣性上比經(jīng)典仙農(nóng)熵公式更加精確。圖1展示了一個(gè)人為構(gòu)造的地表水分布例子，其中S=9，即網(wǎng)格數(shù)目為9，網(wǎng)格大小為1 km×1 km，即網(wǎng)格尺度為1 km，網(wǎng)格內(nèi)右下角數(shù)字表示網(wǎng)格編號(hào)，中心數(shù)字表示該網(wǎng)格內(nèi)地表水資源的面積，區(qū)域內(nèi)地表水資源總面積為1 000，代入公式(1)后求得該例子中的空間分布多樣性指數(shù)Yh=0.818，即在這個(gè)9 km2的研究區(qū)內(nèi)，地表水資源在1 km網(wǎng)格尺度下的水體空間分布多樣性為0.818，具有較高的空間分布離散性程度。

圖1 地表水空間分布例子Fig.1 An example of spatial distribution of surface water

P1=0/1 000=0;

P2=224/1 000=0.224;

P3=268/1 000=0.268;

……

S=9;

將數(shù)據(jù)代入公式(1)，可以得到：

Yh=0.818

1.3.2 河網(wǎng)密度方法 河網(wǎng)密度又稱為河流密度，指區(qū)域內(nèi)干支流總長度與區(qū)域面積的比值，即區(qū)域單位面積內(nèi)的河流長度，它表明了水系發(fā)展與河流分布疏密的程度，公式如下：

(2)

式中：ρ為河網(wǎng)密度，單位是km·km-2;L為區(qū)域內(nèi)的河流總長度;A為區(qū)域面積。一般情況下，河網(wǎng)密度大的地區(qū)，水資源總量相對(duì)豐富，反之亦然。

1.3.3 方法的對(duì)比 首先對(duì)諸研究區(qū)進(jìn)行土地利用監(jiān)督分類，并基于Google Earth高清衛(wèi)星圖片對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行精度驗(yàn)證，通過提取其中的水體信息，計(jì)算了1 km網(wǎng)格尺度下各研究區(qū)的水體空間分布多樣性和河網(wǎng)密度值，評(píng)價(jià)了不同自然與人文條件下各研究區(qū)2類指數(shù)的異同點(diǎn)，并按照等面積分割原則將各研究區(qū)分為8份，評(píng)價(jià)了相似自然與人文條件下各分區(qū)域2類指數(shù)的異同點(diǎn)，以期更加準(zhǔn)確地比較2類指數(shù)在水資源分布特征評(píng)價(jià)中各自的優(yōu)越性和局限性。需要指出的是，盡管鄭州市、南京市和蘇州市均含有一定比例的山地，但它們?nèi)跃云皆匦螢橹?，因此在各研究區(qū)河網(wǎng)提取中未使用傳統(tǒng)的DEM提取河網(wǎng)法(DEM提取法在山區(qū)表現(xiàn)出色，但平原表現(xiàn)較差)，而選擇通過土地利用監(jiān)督分類所得結(jié)果進(jìn)行河網(wǎng)提取，并使用ArcScan功能提取了柵格水體數(shù)據(jù)的中心線(根據(jù)河網(wǎng)密度定義和ArcScan實(shí)際操作要求，數(shù)據(jù)處理過程中刪除了較大面積的湖泊、水庫，只保留河流、少量高級(jí)別溝渠、條帶狀湖泊等水體類型)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體空間分布多樣性與河網(wǎng)密度

圖2依次展示了2004年開封市在1 km網(wǎng)格尺度下的面狀地表水資源(圖2-A)、線狀河網(wǎng)以及分區(qū)域(圖2-B)分布情況，其余研究區(qū)專題圖略。研究發(fā)現(xiàn)，線狀河網(wǎng)在描述低級(jí)別河流時(shí)表現(xiàn)較好，但在描述湖泊、高寬度河流時(shí)表現(xiàn)較差，而面狀水體數(shù)據(jù)在地表水資源空間分布特征描述中具有更佳表現(xiàn)，而這在濕潤地區(qū)也會(huì)體現(xiàn)得更加明顯。如開封市北部的高寬度地表水體為黃河，但該處的線狀河流無法如面狀水體一樣直觀表達(dá)水體的面積特征。

圖2 2004年開封市河網(wǎng)、水體及分區(qū)域分布Fig.2 Distribution of drainage networks, water body and subareas of Kaifeng in 2004

6個(gè)研究區(qū)內(nèi)的河網(wǎng)密度、地表水資源面積、水體空間分布多樣性等數(shù)據(jù)見表1。表1表明，隨著樣區(qū)內(nèi)地表水體總面積的不斷增加，樣區(qū)內(nèi)河流總長度具有一定程度上的遞增趨勢(shì)(圖3-A)，但經(jīng)過F檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)顯著性不明顯(Sig(F)=0.187)，隨著樣區(qū)內(nèi)面狀水體類型(湖泊、水庫等)的減少，該顯著性將會(huì)增強(qiáng)。

表1 各研究區(qū)信息統(tǒng)計(jì)Table 1 Information statistics of each research area

圖3 水資源不同信息間的關(guān)系Fig.3 Relationship between different water resource information types

樣區(qū)內(nèi)水體比例與河網(wǎng)密度數(shù)據(jù)間未發(fā)現(xiàn)聯(lián)系(圖3-B)，進(jìn)行F檢驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)兩者無關(guān)聯(lián)(Sig(F)=0.652)。造成這種現(xiàn)象的原因可能為線狀河流不能客觀表現(xiàn)流域水資源的總量，在河網(wǎng)密度研究中，為了提高評(píng)價(jià)精度，可以對(duì)線狀河網(wǎng)進(jìn)行分級(jí)賦值，并以此人為增加高寬度、大徑流量河流流域的河網(wǎng)密度值，但此種方法需要更多實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)支持，同時(shí)仍無法對(duì)大規(guī)模湖泊、水庫等水資源類型的分布特征進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

樣區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密度與水體空間分布多樣性間也未發(fā)現(xiàn)聯(lián)系(圖3-C)，進(jìn)行F檢驗(yàn)，也發(fā)現(xiàn)兩者無關(guān)聯(lián)(Sig(F)=0.694)。較早的研究中，已經(jīng)證明在面積相等時(shí)[11]，不同研究區(qū)內(nèi)的水體面積與水體空間分布多樣性之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，即作為表征地表水資源空間分布特征的最新因子，水體空間分布多樣性在很大程度上由區(qū)域水體面積所決定。本研究數(shù)據(jù)表明，水體總面積與水體空間分布多樣性間存在一定程度的正相關(guān)變化關(guān)系(圖3-D)，但進(jìn)行F檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)顯著性不明顯(Sig(F)=0.181)。

綜上所述，作為評(píng)價(jià)流域內(nèi)河流疏密程度的傳統(tǒng)因子，河網(wǎng)密度在地表水資源空間分布特征評(píng)價(jià)中，特別是評(píng)價(jià)復(fù)雜水體類型(地表水資源由河流、湖泊、水庫等多種水體類型構(gòu)成)時(shí)，其表現(xiàn)明顯弱于水體空間分布多樣性。為更客觀地比較河網(wǎng)密度和水體空間分布多樣性之間的異同，下面將使用分區(qū)域評(píng)價(jià)法在相同面積條件下進(jìn)行深入分析。

2.2 分區(qū)域水體空間分布多樣性與河網(wǎng)密度

各研究區(qū)下屬分區(qū)域的水體相關(guān)信息見表2，從表2可知，當(dāng)研究區(qū)面積相等時(shí)(本研究各樣區(qū)下屬分區(qū)域面積基本相等，誤差<0.5%)，分區(qū)域河網(wǎng)密度值與分區(qū)域內(nèi)水體總面積在一般情況下(樣區(qū)內(nèi)地表水體類型以低寬度河流、溝渠為主時(shí))呈現(xiàn)出不同程度的正相關(guān)關(guān)系，其中鄭州分區(qū)的一元線性回歸方程為y=169.386x+2.846，R2=0.756(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.005，顯著相關(guān))，開封為y=217.468x-53.167，R2=0.713(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.008，顯著相關(guān))，原陽為y=37.333x-6.119，R2=0.630(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.019，顯著相關(guān))，如皋為y=7.809x+2.103，R2=0.338(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.130，顯著性不明顯)；而當(dāng)樣區(qū)內(nèi)地表水體存在大規(guī)模湖泊、水庫、高寬度河流時(shí)，分區(qū)河網(wǎng)密度值與分區(qū)內(nèi)水體總面積將呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中南京分區(qū)為y=-349.242x+165.134，R2=0.345(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.126，顯著性不明顯)，蘇州分區(qū)為y=-1551.728x+818.657，R2=0.844(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.001，顯著相關(guān))。相似規(guī)律在分區(qū)域河網(wǎng)密度值與分區(qū)域內(nèi)水體空間分布多樣性之間也有體現(xiàn)，其中鄭州分區(qū)的一元線性回歸方程為y=0.468x+0.614，R2=0.757(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.005，顯著相關(guān))，開封為y=0.253x+0.732，R2=0.415(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.085，顯著性不明顯)，原陽為y=0.310x+0.616，R2=0.553(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.035，顯著相關(guān))，南京為y=0.067x+0.784，R2=0.026(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.703，無關(guān)聯(lián))，蘇州為y=-0.300x+0.985，R2=0.902(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.000，顯著相關(guān))，如皋為y=0.286x+0.750，R2=0.368(進(jìn)行F檢驗(yàn)，Sig(F)=0.111，顯著性不明顯)。本組數(shù)據(jù)與上組數(shù)據(jù)的唯一區(qū)別是南京由上組的負(fù)相關(guān)變?yōu)楸窘M的正相關(guān)，但應(yīng)注意到本組南京數(shù)據(jù)的正相關(guān)判定系數(shù)R2值極小。

表2 各研究區(qū)分區(qū)域信息統(tǒng)計(jì)Table 2 Information statistics of subareas in each research area

注：分區(qū)編號(hào)Z1～Z8為鄭州市；K1～K8為開封市；Y1～Y8為原陽縣；N1～N8為南京市；S1～S8為蘇州市；R1～R8為如皋市。

Note: Subarea number Z1～Z8 is Zhengzhou; K1～K8 is Kaifeng; Y1～Y8 is Yuanyang; N1～N8 is Nanjing; S1～S8 is Suzhou; R1～R8 is Rugao.

綜上所述，傳統(tǒng)河網(wǎng)密度方法的分析計(jì)算一般將研究重點(diǎn)集中于流域內(nèi)的所有河流，在類似于鄭州市這樣的湖泊、水庫等大規(guī)模面狀水體較匱乏地區(qū)，河網(wǎng)密度和水體多樣性均能較好地描述區(qū)域內(nèi)地表水資源的分布情況，且兩者之間具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，如鄭州市和原陽縣的分區(qū)域R2值均達(dá)到0.5以上；但在類似于蘇州市這種大規(guī)模面狀水體富集地區(qū)，河網(wǎng)密度無法準(zhǔn)確描述水資源分布情況，且隨著面狀水體規(guī)模的不斷增大，河網(wǎng)密度的描述準(zhǔn)確度不斷降低，而使用水體多樣性評(píng)價(jià)法能夠更加準(zhǔn)確地描述地表水資源的空間分布特征，且河網(wǎng)密度與水體空間分布多樣性之間具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，如蘇州市的分區(qū)域R2值達(dá)到0.9以上。但應(yīng)注意到，水體多樣性的計(jì)算依托于面狀水體矢量或柵格數(shù)據(jù)的獲取，土地利用分類(至少分類為水體和非水體2類)工作是水體多樣性評(píng)價(jià)法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而河網(wǎng)密度的分析與評(píng)價(jià)需要線狀河網(wǎng)矢量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的獲取更為簡(jiǎn)單，因此在地表水資源分布特征評(píng)價(jià)中，選擇河網(wǎng)密度還是水體多樣性，首先應(yīng)考慮研究區(qū)內(nèi)的主要水體類型、地形等因素。

3 結(jié)論

(1)大尺度下，區(qū)域河流總長度與區(qū)域內(nèi)地表水體總面積間一般具有正相關(guān)變化趨勢(shì)，小尺度下，在多湖泊、水庫等區(qū)域內(nèi)，河網(wǎng)密度值與水體總面積將呈明顯的負(fù)相關(guān)變化關(guān)系，如蘇州市的R2值達(dá)到0.844，且兩者顯著相關(guān)。

(2)在地表水資源分布特征評(píng)價(jià)中，河網(wǎng)密度與水體多樣性這2種評(píng)價(jià)因子的選擇，應(yīng)視研究區(qū)內(nèi)的主要水體類型特征而選擇不同方法，在研究數(shù)據(jù)工作量可控情況下，建議使用水體空間分布多樣性因子，以獲取更加準(zhǔn)確的水體空間分布離散性評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

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(責(zé)任編輯：朱秀英)

Comparative study on drainage density and water spatial distribution diversity

DUAN Jinlong1,2, REN Yuanyuan1, ZHANG Xuelei1

(1.Institute of Natural Resources and Eco-environment, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China; 2.College of Information Science and Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450001, China)

Typical research areas of Henan and Jiangsu Province are selected for a correlative analysis between the traditional drainage density methodology and a new water body diversity methodology based on modified Shannon entropy. The correlative analysis is conducted to explore the difference and similarity between the above two factors after the drainage density and water body diversity in 1 km grid of each research area and subarea are calculated. The results show that there is a degree of positive relationship between the surface water area and the total river length in the research areas. The water body diversity acts better than drainage density in the evaluation of surface water with large area such as lakes and reservoirs. When the study areas are equal, the relationship between drainage density and water body diversity depends on the characteristics of surface water of each research area, for instance, there is a positive relationship between them in the lake scarce regions with the coefficient of determination (R2) of more than 0.5 in Henan province but a negative relationship in the lake-rich regions withR2of more than 0.9 in Suzhou city.

diversity; spatial distribution; drainage density; surface water resources

1000-2340(2015)01-0095-06

2014-05-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41171177)

段金龍(1984-), 男, 河南民權(quán)人, 講師, 博士, 主要從事地理信息及資源遙感研究。

張學(xué)雷(1960-)，男，江蘇沛縣人，教授，博士生導(dǎo)師。

K928.4;P344

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