近30年来深圳河网变化及其生态效应分析

第 ６３ 卷 第 ９ 期 ２００８ 年 ９ 月
地 理 学 报
ＡＣＴＡ ＧＥＯＧＲＡＰＨＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．６３， Ｎｏ．９ Ｓｅｐｔ．， ２００８
近 ３０ 年来深圳河网变化及其生态效应分析
周洪建 １， ２， 史培军 ３， ４， ５， 王静爱 １， ２， ３， 高 路 ２， 郑 憬 ５， 于德永 ６
９６９－９８０ 页
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地 理 学 报
６３ 卷
以往对河网与人类活动关系的研究表明 ： 人类活动通过机械工程方式 ， 包括修建水 渠、大坝和涵洞等对河网产生直接影响 ［９， １０］； 发生在流域下游或全流域的河网变化的间接 效应主要是通过土地利用变更来实现的 ， 包括砍伐森林、高强度的农业化、森林火灾等 ， 而城市化对河网的影响最为显著 ［１１， １２］； 城市发展对河道特征 （ 包括河道宽度和深度、形状 和组成 ） 产生显著影响 ［１３， １４］， 河道弯曲度下降 ［１５］， 河床物质粗糙化 ［１６］ 和区域河网密度增加 ［１７］ 。城市化成为改变河网结构的重要因素 ［１８］； 城市化不同发展程度对水系有不同的影响规 律 ［１９］； 城市化对河网调蓄能力的影响大于对河流结构的影响 ， 且随着城市化水平的提高 ， 河网调蓄能力下降 ［２０］； 不同城市区域河网状态不同 ， 通过将城市河网分为若干子区 ， 运用 动态分析方法对各子区河网进行描述性分析和原因调查 ， 可提出各子区河网调整方案和 管理办法 ， 进而提高城市河网的安全性 ［２１］。但目前研究中对河网变化与城市化关系的定量 表达、河网变化对生态系统功能的影响关注较少。 本文以近 ３０ 年来发生了巨大土地利用变化的深圳市为研究区 ， 在地形图、河道普查 报告、遥感影像、气象等数据可获取的基础上 ， 分别选取 １９８０－１９８８ 年、 １９８８－２００５ 年作 为表达深圳特区内城市扩展和特区外城市扩展与河网变化的关系的主要阶段［２２］， 对两者关 系的空间差异进行了阐释 ； 在此基础上以城市化过程显著的观澜河流域为例 ， 在分析河 网缓冲区内植被盖度、生产有机物质价值、生态系统服务价值、生态资产等指标变化规 律的基础上探讨了河网变化的生态效应。
布图。
（３） Ｌａｎｄｓａｔ 遥感影像。选取深圳市 １９８０ 年 ＭＳＳ 影像 ， １９８８ 、 ２０００ 和 ２００５ 年 ＴＭ 影 像数据 ， 用以提取城镇用地、地表植被覆盖等信息 ； 投影方式设定为 ＵＴＭ ＷＧＳ８４－４９Ｎ 。 （４） ＭＯＤＩＳ／ＮＤＶＩ 数 据 。 ２０００ 、 ２００５ 年 每 年 １１ 个 时 间 序 列 的 数 据 ， 空 间 分 辨 率 为 ２５０ ｍ ， 每个时间序列为 ３２ 天。采用线性分解的方法 ， 借助 ＴＭ 的分类图像对 ＭＯＤＩＳ 的 ＮＤＶＩ 数据进行分解 ， 将 ＮＤＶＩ 的分辨率提高到了 ３０ ｍ 。 （５） 气象数据。来源于深圳市气象局 ， 时间为 １９８０－２００５ 年 ， 数据内容为年平均月降 水量、月平均气温、风速、水气压及日照百分率。 （６） ＤＥＭ 数 据 。 高 程 模 型 空 间 分 辨 率 为 ９０ ｍ ， 数 据 来 源 于 地 球 系 统 科 学 数 据 共 享 网 ， 经几何校正 ， 投影同 ＴＭ 影像。 （７） 其他数据。基础地理数据 ， 如 ， １：２０ 万土壤类型图 ， １：２０ 万植被分布图 ， 来源于 深圳市规划局 ， 经 ＡＲＣ／ＩＮＦＯ 数字化、投影变换 ， 投影同 ＴＭ 影像。统计数据 ， 有机物 质 的 单 位 质 量 价 值 （ 元 ／ｇＣ） ， 本 文 根 据 标 煤 的 价 值 来 替 代 ， 取 值 为 ２．３７１８ ×１０－４ 元 ／ｇＣ ； 碳税法中 ＣＯ２ 的单位质量价值取为 ３．３６ ×１０－４ 元 ／ｇＣＯ２； 工业制 氧 价 格 取 ４ ×１０－４ 元 ／ｇＯ２； 氮肥、磷肥、钾肥的平均价格分别为 ４００ 、 ３５０ 、 ３５０ 元 ／ｔ ； 各生态系统的土壤生产机会成 本 ， 如林地、灌丛、草 地 和 耕 地 分 别 为 １６０．３ 、 １６０．３ 、 ３３５．０ 和 ２３２４．５ 元 ／ｈａ・ ａ， 建 设 用 地、难利用地和水域均为 ０ 。 ２．２ 研究方法 ２．２．１ 河 网 变 化 研 究 方 法 以 流 域 为 基 本 单 元 进 行 河 网 变 化 分 析 。 基 于 ９０ ｍ 分 辨 率 的 ＤＥＭ 数据 ， 在 ＡＲＣＧＩＳ ９．０ 空间分析工具中 Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ 模块的支持下 ， 将深圳市划分为 ９
ｋｍ／ｋｍ２； 以区 ／ 街 道 办 驻 地 为 圆 心 ， 半 径 为 １－２ ｋｍ 的 圆 环 区 成 为 河 网 萎 缩 、 河 网 消 失 的 主 要 区域； 依据流域城市化水平和河流主干是否直接入海等 ２ 个指标可将深圳市 ９ 大流域 ／ 水系 分为 ４ 种不同的河网变化类型 ； （２） 当城市化水平低于 ３０％ 时 ， 城镇用地扩展与河网萎缩 ， 尤 其 是 河 网 支 流 的 萎 缩 存 在 显 著 相 关 ； 当 城 市 化 水 平 大 于 ３０％ 时 ， 城 镇 用 地 扩 展 对 河 网 的 影 响 较 小 ； （３） ２０００－２００５ 年 观 澜 河 流 域 生 态 系 统 功 能 显 著 降 低 ， 以 生 产 有 机 物 质 价 值 降 低 幅 单位面积生态资产从 ２．７９ 元 ／ｍ２ 降 低 到 ２．３４ 元 ／ｍ２， 总 生 态 资 产 减 少 ３１３６ 万 元 ； （４） 河 网 变 化 和 城 市 化 成 为 影 响 生 态 系 统 功 能 的 主 要 因 素 ， 其 中 河 网 变 化 因 素 和 城 市 化 因 素 对 植 被 盖 度 降 低 的 贡 献 率 分 别 为 ２３．１％ 和 ３５．８％ ， 对 生 产 有 机 物 质 价 值 减 少 的 贡 献 率 分 别 为 ２５．１％ 和 ３２．７％ ， 对 生 态 系 统 服 务 价 值 减 少 的 贡 献 率 分 别 为 ７．７％ 和 ５６．２％ ， 对生态资产减少的贡献率分别为 １０．６％ 和 ５２．２％ 。
Ｓ Ｌ （１） Ｒｆ ＝ ｍ ； Ｒｃ ＝ Ｎｏ × （Ｌ／Ｌｍ ） ； ＲＺ ＝ ｊ ； Ｕｒ ＝ Ｕ Ｓ Ｌｍ Ｓ 式中 ： Ｓ 为流域总面积 （ｋｍ２） ， Ｌ 为河流总长度 （ｋｍ） ； ｍ 为流域内的河流条数 ； Ｎｏ 为河流等 级数 ， Ｌｍ 为主干河长 （ｋｍ） ， Ｌｊ 为第 ｊ 级支流的长度 （ｋｍ） ； ＳＵ 为流域内城镇用地 （ 包括高、 Ｒｄ ＝ Ｌ ； Ｓ
收稿日期 ： ２００８－０２－０１； 修订日期 ： ２００８－０５－２２ 基 金 项 目 ： 国家杰出青年科学基金项目 （４０４２５００８）； 国家自然科学基金项目 （４０６７１００３） ［Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ： Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ
Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｅｄ Ｙｏｕｎｇ Ｓｃｈｏｌａｒｓ， Ｎｏ．４０４２５００８； Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ， Ｎｏ．４０６７１００３］
作 者 简 介 ： 周洪建 （１９８０－）， 男， 博士生， 主要从事自然灾害与土地利用 ／ 覆盖变化研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｈｏｎｇｊｉａｎ＿１９８０＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍ
通讯作者 ： 史培军 （１９５９－）， 教授， 主要从事环境演变与综合风险管理研究。Ｅ－ｍａｉｌ： ｓｐｊ＠ｂｎｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
（１． 北京师范大学地理学与遥感科学学院 ， 北京 １００８７５； ２． 北京师范大学区域地理研究实验室 ， 北京 １００８７５； ３． 北京师范大学环境演变与自然灾害教育部重点实验室 ， 北京 １００８７５； ４． 北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室 ， 北京 １００８７５； ５． 民政部 ／ 教育部减灾与应急管理研究院 ， 北京 １００８７５； ６． 中国科学院生态环境研究中心 ， 北京 １０００８５）
９期
周洪建 等 ： 近 ３０ 年来深圳河网变化及其生态效应分析
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个一级流域 ／ 水系 （ 图 ２） ， 在此基础上划分为 ３１ 个二级流域 ／ 水系 （ 图 ６ｂ） 。 参照 Ｓｔｒａｈｌｅｒ 水系分级方案 ［２３］， 从 ２０ 世纪 ６０ 年代末、 ８０ 年代末的地形图和 ２００３ 年 河道普查图中对河流干流和一、二、三级支流进行数字化 ， 并结合相关的遥感影像、航 空相片对结果进行纠正 ， 得到 ３ 期河网分布图 ， 分别记为 １９８０ 、 １９８８ 和 ２００５ 年深圳 河 网分布图。 构建河网密度 （Ｒｄ） 、河频率 （Ｒｆ）［２０］、河网结构复杂度 （Ｒｃ）［２０］和河网发展系数 （ＲＺ） 等指 标表达不同时期河网及其变化特征。用城市化水平 （Ｕｒ） 表征各流域城镇用地及其变化特 征。
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数据与方法
２．１ 数据来源与预处理 （１） 地形图数据。研究中用到的地形图主要来自国家测绘局编制的深圳市 ２０ 世纪 ６０ 年代末 １：５ 万和 ８０ 年代末 １：１０ 万数据 ， 经过图幅拼接处理 ， 对图中的河网进行数字化。 （２） 河道普查数据。来自深圳市水利规划设计院编制的 ２００３ 年深圳市 １：１０ 万河道分
摘要 ： 在地形图、河道普查数据、遥感影像等多源数据支持下 ， 分析了深 圳 近 ３０ 年 河 网 的 时 空变化规律及其与城市化水平的关系 ， 在此基础上通过分析植被盖度、生产有 机 物 质 的 价 值 、 生态系统服务价值、生态资产等指标的变化规律探讨了深圳观澜河流域河网变 化 的 生 态 效 应 。 结 果 表 明 ： （１） 近 ３０ 年 深 圳 市 河 网 结 构 趋 于 简 单 化 、 主 干 化 ， 河 流 支 流 发 展 受 到 较 大 限 制 ； 河 网 总 长 度 减 少 ３５５．４ ｋｍ ， 总 条 数 减 少 ３７８ 条 ， 河 网 密 度 从 ０．８４ ｋｍ／ｋｍ２ 降 低 到 ０．６５
ｒ ｒ
中低密度城镇用地 ） 的面积 （ｋｍ２） 。 构建网格单元分析河网变化及其与城镇用地的空间关系。在 ＡＲＣＧＩＳ ９．０ 中 Ｇｅｎｅｒａｔｅ 模块将深圳划分为 ７９６７ 个 ５００ ｍ × ５００ ｍ 网格单元 ， 通过空间分析中的 Ｏｖｅｒｌａｙ 模块将 河网分布图与网格图进行叠加 ， 计算 ３ 个时期各网格河网密度来表达河网变化特征。 ２．２．２ 生态效应研究方法 生态系统的自然价值及其服务功能效益是地球生命支持系统 的重要组成部分 ， 也是社会与环境可持续发展的基本要素。生态资产包括隐形的生态系 统服务价值和有形的自然资源直接价值 ２ 部分 ， 其测算是基于遥感定量测量的生态资产 价值评估模型 ［２４］， 并利用 ＴＭ 遥感影像和其他辅助数据对模型所需的参数 ， 如 ： 陆地生态 系统地表覆盖类型、植被覆盖度、植被第一性净生产力进行了定量测量， 并参考 Ｃｏｓｔａｎｚａ 等人的经济参数 ［２５］， 对深 MODIS DEM TM 1NOPQRP S1NT FGHI FGHI 圳观澜河流域 ２０００ 年、 ２００５ 年陆 地生态系统生态资产价值进行了 UVW U X UYZX[ 定量测算 （ 图 １） 。在此基础上 ， 选 J0 LM K RVI K NDVI 取植被覆盖度 （Ｖｃ） 、生产有机物质 ]‘aMb 的价值 （Ｂｒ）［２４］、生态系统服务价值 ]^,_YZ APAR NPP \ NPP （Ｅｓ） ［２４］ 和 生 态 资 产 （Ｅｃ） ［２４］ 等 ４ 项 指 标表达河网变化的生态效应， 各 (NPP) 项主要价值的计算方法为 ： ( （１） 生产有机物质的价值。