王 憲，馮 輝，周 延，劉 欣，3

（1.河南豫礦地質(zhì)勘查投資有限公司，鄭州 450018；2.河南省自然資源投資集團有限公司，鄭州 450018；3.河南大學環(huán)境與規(guī)劃學院，河南開封 475004）

河流生態(tài)質(zhì)量評價是城市生態(tài)系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容［1］，對于維護城市生態(tài)平衡、優(yōu)化城市景觀、提升城市人居環(huán)境品質(zhì)有著重要作用［2］.在快速城市化的背景下，河流結(jié)構(gòu)、過程與功能產(chǎn)生顯著影響，部分引起河流的生態(tài)系統(tǒng)退化［3］，保障生態(tài)基礎(chǔ)設施的結(jié)構(gòu)完整性和功能完善性尤為重要［4］.影響整個區(qū)域生態(tài)安全格局［5］.景觀格局指數(shù)是定量化分析景觀空間格局動態(tài)的主要工具［6］，景觀格局的改變可以對一個流域內(nèi)水分的空間分布起到調(diào)節(jié)作用.國外對于景觀格局的研究主要是以北美生態(tài)學為代表的對于格局組成及景觀的空間格局基于Forman提出的斑塊、廊道和基底的模式進行描述［7-10］，國內(nèi)主要基于GIS技術(shù)，采用Fragstats軟件對景觀指數(shù)進行分析［11-15］.生態(tài)工程的實施對土地利用/覆被和景觀格局具有顯著影響［16-19］.土地覆被和氣候變化是影響水域規(guī)劃的主要因素［20］.土地利用/覆被變化對流域水文要素具有不同程度上的影響［21-26］.為研究中牟縣水文過程和生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系，本論文選取了橫穿中牟縣最大的賈魯河為研究對象，分析了河流生態(tài)護岸帶的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，深入研究土地利用景觀格局變化在流域徑流變化過程中的作用，以期改善河道生境，增加生物多樣性，提高河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

1 研究區(qū)概況

中牟縣分布的水系主要有賈魯河、石溝、大孟溝、水潰溝和運糧河，其中以賈魯河流域面積最大.賈魯河發(fā)源于新密市白素鎮(zhèn)楊樹崗圣水峪，流經(jīng)橫嶺寨、黃帝嶺水庫，下匯冰泉，溫泉、九曲娘娘廟河諸水，形成雙干型河道，經(jīng)鄭州市西郊候寨、西流湖至北郊老鴉陳折向東流，出鄭州市區(qū)后流經(jīng)中牟縣、祥符區(qū)、尉氏縣、扶溝縣、西華縣，在周口市入沙潁河，最后注入淮河，屬于淮河的二級支流，全長247 km，總流域面積5896 km2.鄭州轄區(qū)內(nèi)河長118.3 km，流域面積2750 km2.賈魯河流域現(xiàn)有常廟、中牟、扶溝、常莊、新鄭及西黃莊等6個水文站，扶溝站、中牟站和常廟站為賈魯河干流上的水文站，常莊站、新鄭站和西黃莊站分別為支流上的水文站.中牟水文站設站于1959年，控制流域面積2106 km2，觀測使用至今.本次涉及的水文數(shù)據(jù)來源主要為賈魯河干流中牟水文站，本次取水口位于賈魯河京港澳高速交叉口下游150 m處，其下游有中牟水文站，該站有1986—2016年的長系列實測徑流資料.根據(jù)研究需要，基于1992—2016年的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行運算.

2 區(qū)域景觀特征

2.1 研究范圍

國內(nèi)外學者關(guān)于生態(tài)廊道的寬度做了大量研究.通常認為生態(tài)廊道寬度在600～1200 m之間可以有效保護生物多樣性［27］.本研究在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實地情況確定賈魯河兩岸1000 m范圍內(nèi)作為研究對象，通過對1992、2004、2016年三年的遙感數(shù)據(jù)解譯（見圖1～3），結(jié)合野外實地調(diào)查以及其他輔助資料，基于GIS平臺，分析賈魯河三個時間段的分析綠色基礎(chǔ)設施景觀格局，研究其景觀變化規(guī)律，找出徑流量的變化與景觀格局之間的耦合變化規(guī)律.

圖1 1992年賈魯河沿岸景觀格局Fig.1 Landscape pattern along the Jialu River in 1992

圖2 2004年賈魯河沿岸景觀格局Fig.2 Landscape pattern along the Jialu River in 2004

圖3 2016年賈魯河沿岸景觀格局Fig.3 Landscape pattern along the Jialu River in 2016

2.2 景觀格局分析

統(tǒng)計分析了賈魯河兩岸在1992、2004、2016年三個時間段1 km范圍內(nèi)的景觀格局（見表1～2，圖3～6）.統(tǒng)計結(jié)果如下：1992年總斑塊數(shù)1665個，耕地139個，總斑塊面積68.65 km2，周長587.34 km；林地41個，總斑塊面積0.036 km2，周長3.1 km；草地346個，總斑塊面積0.64 km2，周長63.9 km；水域187個，總斑塊面積1.13 km2，周長88.14 km；建設用地929個，總斑塊面積7.68 km2，周長411.84 km；未利用地23個，總斑塊面積0.27 km2，周長0.36 km.

2004年總斑塊數(shù)1906個，耕地220個，總斑塊面積61.62 km2，周長710.58 km；林地49個，總斑塊面積0.036 km2，周長0.3 km；草地360個，總斑塊面積0.68 km2，周長67.26 km；水域192個，總斑塊面積1.13 km2，周長86.76 km；建設用地974個，總斑塊面積14.22 km2，周長586.20 km；未利用地111個，總斑塊面積0.447 3 km2，周長34.14 km.

2016年總斑塊數(shù)2127個，耕地456個，總斑塊面積49.61 km2，周長651.72 km；林地318個，總斑塊面積0.29 km2，周長6.42 km；草地352個，總斑塊面積0.67 km2，周長66.30 km；水域154個，總斑塊面積3.72 km2，周長121.98 km；建設用地698個，總斑塊面積22.71 km2，周長669.06 km；未利用地149個，總斑塊面積1.09 km2，周長60.01 km.

表1 1992、2004、2016年賈魯河沿岸景觀水平指標變化Tab.1 Changes of landscape level indicators along the Jialu River in 1992，2004 and 2016

表2 1992、2004、2016年賈魯河沿岸景觀類型水平景觀指標變化Tab.2 Changes of landscape type level indicators along the Jialu River in 1992，2004 and 2016

圖4 1992年各景觀類型SHAPE與FRAC值Fig.4 SHAPE and FRAC values of different landscape types in 1992

圖5 2004年各景觀類型SHAPE與FRAC值Fig.5 SHAPE and FRAC values of different landscape types in 2004

圖6 2016年各景觀類型SHAPE與FRAC值Fig.6 SHAPE and FRAC values of different landscape types in 2016

2.2.1 景觀水平指數(shù)變化與年徑流變化的關(guān)系 本文在景觀水平上選取了11個景觀指標，結(jié)合1992—2016年徑流指標，運用SPSS軟件將景觀水平指數(shù)與賈魯河徑流深數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析，本文以1992、2004、2016年三年徑流深作為響應變量，以景觀水平景觀指數(shù)作為解釋變量.

表3 賈魯河沿岸景觀水平指數(shù)和徑流深相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of landscape level index and runoff depth along the Jialu River

從表3可以看出，在賈魯河沿岸景觀水平上，斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、多樣性指數(shù)（SHDI）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）和最大斑塊指數(shù)（LPI）是影響徑流的主要指標.

其中分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、斑塊聚集度（AI）和徑流深呈負相關(guān).多樣性指數(shù)（SHDI）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）、邊緣密度指數(shù)（ED）和徑流深呈正相關(guān).

在研究時間段內(nèi)，香濃多樣性指數(shù)（SHDI）和邊緣密度指數(shù)（ED）逐漸增加，流域的徑流量總體呈波動上升趨勢.從具體的研究周期來看，1992—2004年，流域的聚集度（AI）和蔓延度指數(shù)（CONTAG）逐漸減小，流域在這段時期的徑流量是逐漸降低的；2004—2016年，邊緣密度指數(shù)（ED）、香濃多樣性指數(shù)（SHDI）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）逐漸增加，徑流量上升，這與年徑流量變化特征大致符合.

2.2.2 景觀類型水平指數(shù)變化與年徑流變化的關(guān)系 本研究在景觀類型水平上，選擇了8個景觀指標，結(jié)合1992—2016年徑流指標，運用SPSS軟件將耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地六類景觀的景觀類型指數(shù)與賈魯河徑流深數(shù)據(jù)作相關(guān)性分析，本文以1992、2004、2016年三年徑流深作為響應變量，以景觀水平景觀指數(shù)作為解釋變量.

隨著我國經(jīng)濟、社會的快速發(fā)展，人口老齡化已經(jīng)成為一個較為嚴重的問題[1]。女性盆底功能障礙性疾病(FPFD)包括尿失禁和盆腔器官脫垂等，在中老年女性人群中發(fā)病率較高，是一類中老年女性的常見病[2]。但是大多數(shù)患者對FPFD認識不夠，導致早期癥狀出現(xiàn)時未能及時采取治療，進而錯過了患者的早期治療最佳時間，影響了患者的身心健康[3]。本研究將盆底超聲應用于FPFD的診斷中，能較好的為臨床提供診斷依據(jù)，現(xiàn)報道如下。

表4 耕地景觀指數(shù)和徑流深相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between landscape index of cultivated land and runoff depth

從表4可以看出，耕地景觀中，斑塊數(shù)目（NP）、斑塊密度（PD）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）、斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）和聚集度（AI）是影響徑流量的主要因素.其中，斑塊數(shù)目（NP）、斑塊密度（PD）和景觀分離度指數(shù)（DIVISION）與徑流深呈正相關(guān)，其余指數(shù)呈負相關(guān).1992—2016年耕地面積呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且減小速度越來越快，分離度指數(shù)（DIVISION）逐漸增加，最大斑塊指數(shù)（LPI）逐漸減小，耕地形狀逐漸復雜化，促進了景觀表面徑流的增加.

表5 林地景觀指數(shù)和徑流深相關(guān)性分析Tab.5 Correlation analysis of forest landscape index and runoff depth

從表4～5可以看出，林地景觀中，最大斑塊指數(shù)（LPI）、分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）和聚集度（AI）是影響徑流量的主要因素.其中，最大斑塊指數(shù)（LPI）、聚集度（AI）與徑流深呈正相關(guān)，景觀分離度指數(shù)（DIVISION）呈負相關(guān).這說明，林地景觀的最大斑塊指數(shù)（LPI）、聚集度（AI）越大，賈魯河徑流量就越大.近年來隨著賈魯河流域退耕還林還草，以及沿岸公園開發(fā)，林地景觀趨向成片的存在，這說明林地有涵養(yǎng)水源的作用，對徑流有一定的補給作用，同時還能延緩地表徑流的入滲，因此林地的增加有利于對徑流的保持.

表6 草地景觀指數(shù)和徑流深相關(guān)性分析Tab.6 Correlation analysis between grassland landscape index and runoff depth

從表4～6可以看出，草地景觀中，斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、聚集度（AI）和分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）是影響徑流量的主要因素.其中，斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、聚集度（AI）與徑流深呈正相關(guān)，分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）呈負相關(guān).1992—2016年草地逐漸由小斑塊連接成大斑塊，有利于徑流的保持，具有保持水土和涵養(yǎng)水源的作用.

表7 水域景觀指數(shù)和徑流深相關(guān)性分析Tab.7 Correlation analysis between water landscape index and runoff depth

從表4～7可以看出，水域景觀中，上述8個指標均對徑流量有重要影響.其中，最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、聚集度（AI）與徑流深呈正相關(guān)；斑塊數(shù)目（NP）、斑塊密度（PD）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）和分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）與徑流量深呈負相關(guān).1992—2016年水域面積呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，促進了景觀表面徑流的增加.

表8 建設用地景觀指數(shù)和徑流深相關(guān)性分析Tab.8 Correlation analysis between landscape index of construction land and runoff depth

從表4～8可以看出，建設用地景觀中，上述8個指標均對徑流量有重要影響.其中，最大斑塊指數(shù)（LPI）、邊緣密度（ED）、斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、聚集度（AI）與徑流深呈正相關(guān)；斑塊數(shù)目（NP）、斑塊密度（PD）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）和分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）與徑流量深呈負相關(guān).1992—2016年賈魯河流域建設用地有聚集化發(fā)展趨勢，建設用地的最大斑塊指數(shù)、邊緣密度、斑塊結(jié)合度指數(shù)和聚集度呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，減少了徑流消耗，促進了景觀徑流的增加.

表9 未利用地景觀指數(shù)和徑流深相關(guān)性分析Tab.9 Correlation analysis between landscape index of unused land and runoff depth

從表4～9可以看出，未利用地景觀中，最大斑塊指數(shù)（LPI）、分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）、邊緣密度（ED）、聚集度（AI）、斑塊數(shù)目（NP）、斑塊密度（PD）對徑流量有主要影響.其中，最大斑塊指數(shù)（LPI）、斑塊數(shù)目（NP）、斑塊密度（PD）、邊緣密度（ED）、聚集度（AI）與徑流深呈正相關(guān)；分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）和與徑流量深呈負相關(guān).隨著城市化發(fā)展，1992—2016年賈魯河流域耕地有所減少，被侵蝕并發(fā)展成為建設用地，減少了徑流消耗，促進了景觀徑流的增加.

2.3 流域徑流和降水變化特征

圖7 1992—2016年賈魯河徑流量統(tǒng)計表Fig.7 The runoff statistics of Jialu River from 1992 to 2016

本次中牟站徑流量計算采用1992—2014年的年徑流系列，是賈魯河中牟站實測年徑流量還原得來，還原過程中充分考慮了上游用水戶取水、河道生活工業(yè)排水量和灌溉退水量，還原后的天然年徑流系列具有很好的一致性.通過分析賈魯河中牟站年徑流模比系數(shù)差積曲線（圖8）.從圖中可以看出：中牟水文站1992—2016的長系列徑流過程包含了一個完整的豐枯周期.通過分析賈魯河中牟站年徑流量模比系數(shù)累積曲線（圖9），當年徑流系列長度達到20年時其年徑流量均值波動趨于平緩.由此可見賈魯河中牟站年徑流的均值也是較穩(wěn)定的.

反映年徑流量年際變化幅度的特征值主要是年徑流量的變差系數(shù)Cv值和年徑流量的年際極值比.年徑流量的變差系數(shù)是年徑流量的標準差與平均值的比，它可以反映歷年徑流量對多年平均值相對離散程度的大小.Cv值大，年徑流量的年際變化劇烈，這對水資源的利用不利，而且易發(fā)生洪澇災害；Cv值小，則年徑流量的年際變化小，有利于徑流資源的利用.年徑流量的年際極值比是年徑流量年際變化的絕對值比例，即多年最大年徑流量與多年最小年徑流量的比值，可以反映徑流年際變化的幅度.

圖8 賈魯河中牟站年徑流模比系數(shù)差積曲線圖Fig.8 Difference plot of annual runoff modulus ratio coefficient at Zhongmu station of Jialu River

圖9 賈魯河中牟站年平均徑流量模比系數(shù)累積平均曲線圖Fig.9 Cumulative average curve of modulus ratio coefficient of annual average runoff at Zhongmu station of Jialu River

根據(jù)中牟站1992—2016年的逐年實測徑流量數(shù)據(jù)，得出1992—2016年流域年平均徑流量為5.18億m3，2016年的年徑流量最大，達到10.81億m3，2000年的年徑流量最小，為2.92億m3，流域徑流量的年際極值比為3.7，流域年徑流變差系數(shù)Cv值為0.39，流域年徑流量的年際變化較大，說明區(qū)域內(nèi)洪澇災害發(fā)生概率較大.本研究收集了中牟縣水務局提供中牟縣2002—2013年的旱澇災害情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)（表10），表明澇災發(fā)生頻率較高.

表10 2002—2013年中牟縣旱災澇災情況統(tǒng)計Tab.10 Statistics of drought and waterlogging in Zhongmu County from 2002 to 2013

2.3.2 流域年降水變化特征和趨勢分析 降水影響徑流過程的最重要的驅(qū)動因素，其深度影響流域徑流變化.本研究通過觀測1992—2015年降雨觀測數(shù)據(jù)，以定量研究流域降水徑流關(guān)系.

根據(jù)圖10可以看出，1992—2016年中牟縣年降雨量變化劇烈，流域年降水的線性方程是負值，從趨勢上看，年降雨量總體呈現(xiàn)降低趨勢.流域年降雨量最枯時期為1997年，年降雨量為423 mm，最豐年份為2003年，年降雨量為1 029.34 mm，變化幅度為606.34 mm，變化較大.

圖10 1992—2016年降水變化Fig.10 Precipitation change from 1992 to 2016

2.3.3 年徑流變化與年降水變化的關(guān)系 根據(jù)1992—2016年的賈魯河年徑流數(shù)據(jù)，得出其徑流深值和變化趨勢（如圖11），可以看出，賈魯河徑流深值在研究時間段內(nèi)，波動較大，整體為上升趨勢.

徑流深和年降雨量關(guān)系呈負相關(guān)，可以看出降水不是賈魯河徑流補給的重要來源（見圖12）；賈魯河年徑流量與年降水量都存在一定的波動性，且其年際的波動頻率基本一致，說明徑流量的變化在一定程度上受到降水量的影響（見圖13）.考慮到賈魯河的水源補給有黃河水的調(diào)入，因此，本文采用鄭州市水務局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，將賈魯河自2002—2016年的引黃量與徑流量做相關(guān)性分析，結(jié)果無明顯相關(guān)性，結(jié)果如圖14、圖15.

圖11 1992—2016年的賈魯河年徑流深變化Fig.11 Change of annual runoff depth of Jialu River from 1992 to 2016

圖12 1992—2016年的賈魯河徑流深和年降雨量關(guān)系Fig.12 Relationship between runoff depth and annual rainfall of Jialu River from 1992 to 2016

圖13 1992—2016年的賈魯河年降水和年徑流的變化關(guān)系Fig.13 Relationship between annual precipitation and annual runoff of Jialu River from 1992 to 2016

圖14 2002—2016年的賈魯河引黃流量和年徑流的相關(guān)性Fig.14 Correlation between annual runoff and Yellow River diversion discharge of Jialu River from 2002 to 2016

圖15 賈魯河引黃流量和年徑流的變化關(guān)系Fig.15 Relationship between annual runoff and Yellow River diversion discharge of the Jialu River

考慮到地下水對河流的補給作用，本研究運用鄭州市水務局提供的觀測數(shù)據(jù)，將中牟縣2002—2016年15眼觀測井觀測的平均地下埋深變化值與年徑流量的關(guān)系進行研究，明顯相關(guān)性（見圖16）.

圖16 平均地下埋深變化值和年徑流量的關(guān)系Fig.16 The relationship between the change value of average buried depth and annual runoff

考慮到中牟縣城市化速度快，為了解水質(zhì)情況，力求全面掌握徑流量變化的原因，本研究將鄭州市水務局提供的觀測數(shù)據(jù)，將2002—2016年的賈魯河水質(zhì)觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)賈魯河水質(zhì)自2002—2004年間為V類，2005年開始水質(zhì)惡化為劣V類，污染物主要有DO、高錳酸鹽指數(shù)、COD、BOD5、氨氮等，至2016年，水質(zhì)達標，為Ⅳ類（表11）.

表11 2002—2016年賈魯河水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)Tab.11 2002-2016 water quality test data of Jialu River

鑒于上述結(jié)果，降雨量、引黃量、地下水位作為補給水源與賈魯河的徑流量均不相關(guān)，可以說明賈魯河作為平原河道，特別是中牟水文站，水源已經(jīng)變成城市廢水、灌溉退水，徑流量變化受到人類因素的影響較大，而土地利用變化是人類活動的主要方面.結(jié)合景觀指數(shù)分析認為，賈魯河流域的GI景觀格局變化對年徑流量具有調(diào)蓄涵養(yǎng)的作用，尤其是占比較高的耕地和建設用地的變化對徑流量的變化帶來顯著影響.

3 結(jié)論及討論

為研究中牟縣水文過程和生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系，本論文選取了橫穿中牟縣最大的賈魯河沿岸兩側(cè)1 km以內(nèi)的景觀帶為研究對象，深入研究土地利用景觀格局變化在流域徑流變化過程中的作用，結(jié)果表明：耕地和建設用地是該區(qū)域的主要景觀類型.1992—2016年間，耕地面積不斷減少，建設用地不斷增加，景觀破碎化程度加大.徑流深與分維數(shù)指數(shù)（PAFRAC）、最大斑塊指數(shù)（LPI）、蔓延度指數(shù)（CONTAG）、斑塊結(jié)合度指數(shù)（COHESION）、斑塊聚集度（AI）呈負相關(guān)；與多樣性指數(shù)（SHDI）、景觀分離度指數(shù)（DIVISION）、邊緣密度指數(shù)（ED）呈正相關(guān).

通過分析，降雨量、引黃量、地下水位作為補給水源與賈魯河的徑流量均不相關(guān)，可以說明賈魯河作為平原河道，特別是中牟水文站，水源已經(jīng)變成城市廢水、灌溉退水，徑流量變化受到人類因素的影響較大，而土地利用變化是人類活動的主要方面.結(jié)合景觀指數(shù)分析認為，賈魯河流域的GI景觀格局變化對年徑流量具有調(diào)蓄涵養(yǎng)的作用，尤其是占比較高的耕地和建設用地的變化對徑流量的變化帶來顯著影響.本研究嘗試從景觀格局角度分析賈魯河徑流量變化的內(nèi)在原因，為研究景觀變化與徑流量的耦合關(guān)系提出了新的方法.