周文婷,邵瑞华,张雅洲,马千里,胡艳芳,冼宪恒,苟 婷,许振成,赵学敏

(1.环境保护部华南环境科学研究所,广东 广州 510655;2.西安工程大学, 陕西 西安 710000;3.中国科学院遥感与数字地球研究所, 北京 100000;4广州市璞境生态保护技术有限公司,广东 广州 510730)

0 引言

近年来全球台风灾害规模不断扩大，灾害频率也急剧攀升[1]。台风强降雨易引发滑坡、山洪、泥石流等地质灾害，造成严重的经济损失与人员伤亡。2011年强热带风暴“洛克”和2014年强台风“浣熊”，导致日本部分地区出现高强度降雨，并诱发山体滑坡和泥石流灾害[2-3]。2005年和2012年飓风“卡特里娜”和“桑迪”横扫美国南部和东海岸，诱发的洪水灾害造成巨大的经济损失[4-5]。2013年台风“海燕”登陆菲律宾南部，部分地区出现的严重洪灾造成惨痛的经济损失和人员伤亡[6]。我国也频繁受台风灾害影响，台风登陆前后引发的风、雨、潮常常给沿海地区造成较大的灾害[7]，近十年台风灾害每年都给我国造成上百亿甚至千亿元损失[8]。2006年7月强热带风暴“碧利斯”[9]、2009年8月台风“莫拉克”[10-17]、2010年强台风“凡亚比”、2013年8月强台风“尤特”[18]在我国福建、广东等沿海地区造成了严重的山洪、泥石流和滑坡灾害，对生态环境与生命财产安全均造成严重的影响。

台风强降雨引发的山洪、崩塌、山体滑坡、泥石流等系列次生灾害不仅对森林植被造成破坏，同时强降雨冲刷地表携带大量土石和垃圾进入水体，极易造成水环境质量下降引发水生态系统的变化。研究发现台风过境后能够导致区域植被减少近50%[19]，台风引起的滑坡和泥石流灾害可使植被区域变成裸地或是水体[20]；台风诱发的洪水灾害增加了水体的搅动，带来充足的营养物质，不仅降低水环境质量[21]，还会促进水生生物群落的演变，导致浮游植物生物量的变化[22-24]。

广东省地处华南沿海地区，海岸线较长，主要受热带与亚热带季风气候控制，成为我国西太平洋台风影响的主要区域，也是建国以来台风登陆最多的省份，台风灾害已成为影响广东社会经济发展的主要灾种之一[25-26]。2010年9月20日第11号强台风“凡亚比”(英文名：Fanapi)以35 m/s的风速从福建漳浦登陆，受此台风影响广东高州地区遭遇200年一遇的特大暴雨，日均降雨量高达120 mm，导致9月21日高州水库集水区上游马贵镇发生特大洪灾(9·21洪灾)，并引发山体滑坡和泥石流次生灾害，据现场统计截至9月28日下午17时，暴雨造成高州市七镇受灾，受灾人口16.7万人，受灾农作物面积43.3 km2。造成直接经济损失30多亿元。9·21特大洪灾导致大量的有机质、泥砂、植物、垃圾及家禽家畜等动物尸体进入库区，对高州水库水环境质量及浮游植物群落结构产生影响[27]。为了评估“凡亚比”台风强降雨引发的特大洪灾及泥石流对库区内生态环境的影响，本研究根据灾害前后集水区植被覆盖度以及水库水环境质量变化，分析台风强降雨及次生灾害泥石流对集水区内陆生植被及水库水环境质量的影响。结合区域社会经济发展与人类活动干扰状况，提出应对极端气候台风强降雨的环境管理对策，为未来区域减灾防灾与保障供水安全提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

高州水库位于广东省西部N 21°58′～22°19′和E 110°59′～111°23′)，是茂名市唯一饮用水源地。水库由良德库区和石骨库区通过0.7 km人工河相连接，水库面积为58.94 km2，库容为1.15×109m3。水库集水区面积1 022 km2，包括马贵、大坡、古丁、深镇、平山五个镇和东岸、长坡两镇的部分区域。入库河流有深镇河、古丁河与朋情河(图1)。

图1 研究区域图Fig.1 The areal map of research areaS1—良德库区中心; S2—良德电站; S3—石骨库区中心采样点; S4—供水口采样点; S5—深镇河口采样点; S6—古丁河口采样点; S7—朋情河口采样点。

集水区地处北热带和南亚热过渡的季风区，雨量充沛，多年年平均降水量1 938.8 mm，年均蒸发量1 650.3 mm，4～9 月的雨量约占全年的85%，每年7～9月常有台风侵袭。集水区内地貌主要以山地为主，山地占总面积的70%左右，山地海拔一般在500～800 m，岸坡多呈25°～45°的斜坡。集水区土壤分布以红壤为主，红壤酸性强，富含铁锰等金属元素。集水区内的植被与气候相适应，地带性植被是热带、亚热带常绿阔叶林，但由于长期的人类活动结果，原生植被已不存在，现有植被是在人类活动影响下处于不同发育阶段的次生植被和作物。

1.2 评估方法与数据

1.2.1灾害对陆生植被的影响评估

以台风强降雨前(2010年9月19号)和台风强降雨后(2010年10月30号)获取的多光谱、影像分辨率为30 m的环境小卫星遥感影像为基础影像，同时选用集水区1∶50 000地形图、研究区行政边界矢量数据以及该地区1∶50 000DEM数据，比较台风强降雨前后集水区地表植被覆盖特征变化，分析台风强降雨及次生灾害泥石流对植被的破坏情况，进一步运用GIS分析受损植被的空间特征，评估台风强降雨对植被生态系统的影响。

1.2.2灾害对水环境质量的影响评估

根据高州水库水环境质量监测结果，监测指标包括pH、溶解氧(DO)、透明度(SD)、浊度(TD)硝氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、硅酸盐(SiO4)、高锰酸盐(CODMn)指数、叶绿素a(Chl.a)、铁(Fe)12个指标，评估台风强降雨及次生灾害泥石流对高州水库水环境质量的影响，评价依据为《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)。

1.3 样品采集及分析

分别于台风强降雨前期(2010年9月9日)和后期(2010年9月25日)在高州水库开展水环境质量监测，共设置7个采样点(图1)。其中S4采样点为供水口，水深约23 m，为底部出水进入调节水库后给水厂供水，为了解台风强降雨及次生灾害泥石流对供水口水质影响，在该样点水面下0.5 m、2 m、5 m、10 m和底层进行分层采样。

现场测定pH、溶解氧(DO)、透明度(SD)、浊度(TD)；采集水样后带回实验室测定叶绿素a(Chl.a)、硝氮(NO3-N)、氨氮(NH4-N)、总氮(TN)、总磷(TP)、铁(Fe)、硅酸盐(SiO4)指数和高锰酸盐(CODMn)指数，测定方法均参考《水和废水监测分析方法》进行[28]。

1.4 遥感数据处理与分析

在ENVI5.1中对遥感影像进行正射校正、辐射标定、大气校正和地形校正，具体操作过程参照《ENVI遥感图像处理方法》[29]。获取具有较高定位精度和准确地物光谱反射率的遥感影像，结合现场调查，对预处理后的遥感影像进行定量反演，采用面向对象的信息提取方法提取高州水库集水区泥石流发生的范围和面积。计算灾前、灾后两个时期的归一化植被指数(NDVI)，利用像元二分模型将NDVI转化为植被覆盖度，获取库区植被覆盖情况。

植被覆盖度转换模型为Fc=(NDVI-NDVISOI)/(NDVIVEG-NDVISOI)[30]

式中：Fc为植被覆盖度，NDVIVEG为全植被覆盖像元的NDVI值；NDVISOI为无植被覆盖的裸土像元的NDVI值。NDVIVEG和NDVISOI的理论值分别接近于1和0，但是受大气状况、地表粗糙度、地表水分等因素影响，NDVIVEG和NDVISOI的值会随着时间和空间而改变。结合研究区域的实际情况，本文对在NDVIVEG和NDVISOI取值时，以累计百分比为98%的累计值为NDVIVEG，2%的累计值为NDVISOI。同时运用ArcGIS 10.2技术生成集水区泥石流灾害发生前、后不同时期的植被覆盖状况，对比得出灾后植被的损害状况。

2 结果与分析

2.1 台风期间降雨量及入库流量特征

受台风“凡亚比”影响，2010年9月21～23日水库集水区出现特大暴雨。9月21日24小时降雨量高达130.88 mm，22日与23日的24h内降雨量分别为94.96 mm、34.57 mm(图2)，9月21～23日累计降雨量占9月份总降雨量64%。水库日流量变化趋势和降雨量变化趋势一致，9月21日水库平均入库流量达到了最高值361.97 m3/s，22日与23日集水区平均流量分别降低为181.67 m3/s和67.27 m3/s。

图2 集水区9月日降雨量及流量变化Fig.2 The daily rainfall and flow in the catchment area in September

2.2 台风强降雨期间泥石流状况及对水体浊度的影响

台风“凡亚比”强降雨引发的泥石流灾害主要发生在高州水库集水区内的马贵镇、古丁镇和大坡镇，其中马贵镇最为严重，面积共约为36 km2(图3)。泥石流发生后入库河流及水体的浊度均升高，朋情河(S7)和深镇河(S5)分别由灾前4.4 NTU、3.1 NTU增加到灾后的32.6 NTU和17.2 NTU，古丁河(S6)浊度升高幅度最大，从17.7 NTU增加到374.4 NTU，浊度升高了21.2倍(表1)。由此可见，强降雨导致的次生灾害泥石流，引起了严重的水土流失，是灾后短期内水体浊度快速升高的主要原因。

图3 高州水库集水区泥石流受灾范围Fig.3 Disaster area of debris flow in catchment area

S1S2S3S4S5S6S7201009191.501.901.403.603.1017.704.40201009254.802.708.703.9017.20374.4032.60

2.3 对陆生植被的影响

2.3.1灾害前后集水区NDVI计算及统计结果

基于高州水库集水区灾害前后遥感影像，利用ENVI对遥感影像进行预处理并计算两个时期的NDVI指数，得到灾前和灾后集雨区NDVI分布(表2、图4)。泥石流灾害前集水区内平均NDVI值为0.567，泥石流灾害后集水区平均NDVI值降低为0.503。灾害前后两期的NDVI标准差发生较大变化，灾前集水区NDVI标准差为0.145，灾后集水区NDVI标准差升高至0.169，泥石流对集水区NDVI值产生了一定影响。

表2 泥石流灾害前后集水区NDVI统计值Table 2 Statistics of NDVI before and after debris flow

图4 泥石流灾害前(a)及灾后(b)集水区NDVI分布图Fig.4 Distribution of NDVI in catchment area before debris flow (a) and after (b)

2.3.2灾害前后集水区植被覆盖分级变化

依据密度分割法将研究区的植被覆盖度划分为无植被覆盖区、低植被覆盖区、中植被覆盖区和高植被覆盖区[30]。从集水区植被覆盖分级图5可以看出，泥石流发生后集水区植被覆盖度总体呈现减少趋势，高植被覆盖面积明显减少，中植被覆盖面积增加，而无植被及低植被覆盖面积变化不大(图5)。由植被覆盖度分级图与泥石流受灾范围图进行叠加对比分析可知，受泥石流灾害影响严重区域如马贵镇、古丁镇和大坡镇，植被覆盖度呈现由高植被覆盖向中植被覆盖转化。

图5 泥石流灾前(a)灾后(b)集水区植被覆盖分级图Fig. 5 Vegetation coverrate in catchment area before debris flow (a) and after (b)

根据集水区灾害前后遥感影像对比得到的各类植被面积及其增减情况见表3，灾害前后变化幅度最大的是高植被覆盖区，其面积由灾害前932.28 km2减少到灾后的889.40 km2，面积减少42.88 km2，植被覆盖比例由灾前的91.67%降低至灾后的87.46%，覆盖比例下降4.21%。无植被、低植被和中植被覆盖区面积都有不同程度增加，其中中植被覆盖区面积增加幅度最大，由灾前39.40 km2增加到76.75 km2，面积增加了37.35 km2。以上结果表明灾害对集水区高植被覆盖区造成较严重破坏。

表3 台风强降雨及泥石流次生灾害前后植被覆盖度统计结果Table 3 Statistical results of vegetation coverage before and after typhoon heavy rainfall and debris flow

注：无植被覆盖区，主要以水体、云、建筑用地和裸地等构成；低植被覆盖区，植被覆盖度小于30%，主要是草地、疏林地；中植被覆盖区，植被覆盖度介于30%～60%，主要是林地、园地及耕地等；高植被覆盖区，植被覆盖度大于60%，指植被密集的灌木林。

2.3.3灾害前后植被覆盖区域面积转化分析

在综合分析集水区灾害前后植被覆盖度面积变化的基础上，利用ENVI 5.0进行矩阵分析后得到集水区灾害前后各级植被覆盖度面积转移矩阵(表4)，以更好地反映各级植被覆盖度的区域面积转化特征。结果表明，灾害过后集水区植被覆盖度呈现下降趋势。高植被覆盖度转出面积最大，转出面积932.7 km2，大于转入面积889.4 km2，植被覆盖度呈下降趋势；共有58.8 km2高植被覆盖度发生转变，主要转变为中植被覆盖度区域，转化面积为52.27 km2，占高植被覆盖转化面积的89.35%，面积转移率为68.19%。

表4 灾害前后集水区植被覆盖度区域面积转移矩阵Table 4 Area transfer matrix of vegetation coverage before and after debris flow

注：表中各级植被覆盖度的面积横向表示20100919-20101030转出面积，纵向表示20100919-20101030转入面积。

2.4 对水库水环境质量影响

2.4.1灾害前后水库水环境质量

灾后库区及入库河流水质短时间发生了较大变化(图6)，水库及入库河流中pH、SD降低，浊度升高；水中DO、CODMn、Chl.a含量降低；TN、NO3-N、NH4-N、TP、Fe浓度升高，SiO4变化不明显。灾后，大量的土壤、泥沙进入水体导致浊度升高和透明度降低，地表径流携带有机污染物进入水体进行呼吸作用造成水中pH、DO降低。灾后入库河流的Fe含量均升高并超标，其中古丁河超标最严重，Fe含量从0.017 mg/L上升至1.926 mg/L，超出地表水标准限值6.4倍。

图6 台风强降雨及泥石流灾害前后水库水质变化Fig.6 Change of water quality in the Reservoir before and after typhoon heavy rainfall and debris flow

灾后水库和入库河流中TN、NO3、NH4-N、TP浓度增加，水体Chl.a浓度降低。灾后TN浓度总体表现为升高趋势，其中良德库区中心、古丁河口、朋情河口升高幅度较大。与灾前相比，库区内及入库河流NO3-N含量显著增加(p<0.05)。灾后良德库区中心和深镇河口NH4-N浓度增加幅度较大。受台风强降雨及次生灾害泥石流影响，水体TP浓度表现为升高趋势，其中朋情河口升高幅度较大，由0.028 mg/L升高至0.079 mg/L，水质由原来的Ⅲ类降低至Ⅳ类。灾害导致水体Chl.a浓度含量普遍降低，其中河流入口(S5、S6、S7)Chl.a含量显著降低(p<0.01)。

2.4.2灾后供水口垂向水层水质分析

由图7可见，灾害发生后供水口水体分层显著，表现为表层水温高、DO含量和pH较高，水体浊度较低，随着水深的增加水温、DO、pH均呈现降低的趋势，浊度呈现明显增加。NH4-N、NO3-N、TP、Fe、Mn浓度随水深增加逐渐升高，表层水体浓度最低，分别为0.041、0.451、0.019、0.040和0.019 mg/L，至底层浓度分别升高到0.115、0.485、0.21、0.44和0.06 mg/L。垂向水体TN和CODMn变化趋势一致，水面下5 m以内TN和CODMn随着水深增加而增加，水深10 m处TN和CODMn浓度最低，分别为0.804 mg/L和1.350 mg/L，底层达到最大值分别为1.206 mg/L和1.800 mg/L。Chl.a含量随水深增加先升高后降低，表层水体Chl.a含量为10.4 mg/m3，至水层5 m处含量最高，为13.7 mg/m3，底层Chl.a含量最低为9.6 mg/m3。灾后供水口垂向水质结果表明灾后供水口底层TP、TN含量超过地表水Ⅲ类标准，底层Fe浓度超出标准限值0.3 mg/L。由于高州水库供水口从底部取水，灾后供水口底层水体TN、TP和Fe含量超标将影响水库供水安全。

图7 灾后供水口垂向水质分析Fig.7 Vertical water quality analysis of post-disaster water supply

3 讨论

3.1 台风强降雨对集水区内植被及水环境质量影响

我国沿海地区受台风影响频繁[31]，近年来台风强降雨诱发的滑坡、泥石流等地质灾害规模不断扩大，灾害频率也急剧攀升，对生态环境造成严重破坏。台风强降雨对植被演替的影响非常明显[32]，常导致陆生植被植被生态系统受损。研究表明 “威马逊”台风过境后导致研究区域内NDVI值整体下降[33]。台风“卡特里娜”造成美国阿拉巴马州沿海植被指数显著降低，台风过境前值为0.71，台风过境后值仅为0.36[19]。泥石流灾害发生后，高州水库集水区域内NDVI平均值由0.567降低为0.503。灾后高植被覆盖度转出面积大于转入面积，且主要转变为中植被覆盖度区域，植被覆盖度整体呈下降趋势。

台风强降雨诱发的山洪、泥石流灾害短期内加重水源地的污染状况，地表径流携带有机和无机污染物增加，对供水安全造成严重威胁。台风强降雨导致太湖水体中固体悬浮物含量、TP、TN、溶解性磷酸盐(SRP)、NO3-N 和NH4-N含量较台风前分别增加了4、2、1.5、2.5、3.5和1.5倍[34]。台风强降雨诱发的山洪、滑坡等水土流失灾害，造成东圳水库悬浮物、浊度、高锰酸盐指数、总磷浓度明显增加，水库水质恶化，不能满足饮用水质量要求[21]。洪水也曾造成邕江水体Fe及有机污染物含量超标[35]。高州水库集水区发生的台风强降雨诱发山洪泥石流灾害期间，大量有机质、泥沙、污染物等通过地表径流汇入水库，导致灾害后的水体透明度、溶解氧、pH、高锰酸盐指数、叶绿素a下降、浊度、氮磷营养盐以及Fe浓度升高；三条入口河流Fe浓度均超出地表水标准限值，水库供水口处底层水体Fe浓度也超标，严重影响水库供水安全。集水区内以富含铁元素的红壤为主，台风强降雨的强烈冲刷作用形成水土流失，使得水体Fe浓度超标。由此可见台风强降雨及次生灾害泥石流导致的水土流失加剧了水污染的程度。

3.2 灾害成因及应对策略

高州水库集水区以山地为主，海拔多在500～800 m，岸坡多呈25°～45°斜坡，地形较复杂，处于山坡地高风险区，为滑坡、崩塌、泥石流等次生地质灾害的形成提供了前提。同时，库区内不合理的人类活动改变了集水区自然生态系统的结构和功能，破坏了库区的自然平衡，降低了抵抗自然灾害的能力，加剧了灾情。主要体现在集水区耕地面积少，居民为了发展经济效益，大量的对山地进行开垦，过度开发山坡地破坏了库区内原有植被，使原生植被覆盖降低，加剧了库区内水土流失。2010年9月21日“凡亚比”强台风造成集水区七个镇出现特大暴雨，持续强降雨使马贵、大坡、古丁等镇出现大范围的山体滑坡，诱发了特大山洪和泥石流灾害。

高州水库集水区是对气候变化极其敏感的区域，且地形复杂、降雨强烈、灾害类型复杂且空间尺度小，应对未来气候变化下的灾害具有很大的挑战。为了提高应对极端天气的影响，提出如下建议：首先，加强集水区内水土流失治理，开展封山育林和封山护林，推广生态公益林建设；合理控制开发强度，依法禁止在坡度25°以上的陡坡地以及水土流失严重、生态脆弱的地区毁林开荒及顺坡耕作，对坡度过陡且无法进行生态改造的果园及一些生态脆弱地区实施“退果还林”；对集水区生态破坏严重、不宜居住的地区实行生态移民。其次，加强集水区内水环境保护，加强区域环境综合整治，推进集水区内点源和面源污染整治工程，保障水库供水安全。最后，加强区域防灾减灾能力建设，提高灾害预警和防范能力。

4 结论

(1)灾害发生后集水区归一化植被指数(NDVI)降低，植被覆盖度呈下降趋势，灾后集水区内高植被覆盖转出面积大于转入面积，发生转变的面积为58.8 km2，且主要转变为中植被覆盖区域，高植被覆盖区面积共减少42.88 km2；中植被覆盖区面积增加37.35 km2，而无植被及低植被覆盖面积变化不大。

(2)灾后高州水库水质短时间内发生了较大变化，DO、pH、SD、CODMn、Chl.a含量降低；水体浊度、TN、NO3-N、NH4-N、TP、Fe浓度升高；入库河流古丁河浊度和Fe浓度升幅最大，浊度从17.70 NTU上升至374.40 NTU，升高22倍，Fe浓度从0.017 mg/L上升至1.926 mg/L，超出地表水标准限值6.4倍。

(3)灾后水库供水口处水温、DO和pH含量随着水深的增加均呈现降低的趋势，浊度、NH4-N、NO3-N、TP、Fe、Mn浓度随着水深的增加逐渐增大，底层TP、TN含量超过地表水Ⅲ类标准，底层Fe浓度超出标准限值0.3 mg/L，严重影响供水安全。

(4)高州水库集水区地形复杂、降雨强烈、面临的灾害类型复杂且空间尺度小，应对未来极端气候变化下的灾害具有很大的挑战。因此，评估台风强降雨引发的特大洪灾及泥石流对集水区内陆生植被及水库水环境质量的影响，结合区域社会经济发展与人类活动干扰状况，提出应对极端气候台风强降雨的环境管理对策，为未来区域减灾防灾与保障供水安全提供技术支撑。