李显鸿，崔松云，郭财秀，胡俊波，王 军，张 兰

(1.云南省水文水资源局昆明分局，云南 昆明 650051；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098)

1 概述

植被覆盖作为流域下垫面的重要组成部分，其变化会对流域产汇流发生影响，进而影响过程。近年来，国内外学者围绕植被覆盖变化及其影响开展了大量的研究。2021年陈瑜等[1]通过流域植被覆盖度变化探究流域内气象要素的演变规律；王醒等[2]研究了植被覆盖度的空间分布及其对地形因子的响应特征；此外，植被覆盖度还被用于评估生态环境质量[3]与探索生态保护与修复的途径方面[4]等多个领域。在水文学领域，学者也开展了大量的研究。如曹亚楠等[5]根据生长季与非生长季降水指数，分析降水变化对植被覆盖状况的影响；王欢等[6]通过模拟鄱阳湖不同水文连通性子湖水生植被覆盖度变化趋势，分析该区域水文参数与水生植被覆盖面积的关系。

纵观各类成果，主要聚焦在植被覆盖度演变规律及其驱动影响的研究，而以流域为对象，以径流对流域植被覆盖变化响应为对象的研究较为少见。为填补这一空白，本文以昆明市松华坝水库以上流域为对象，研究不同年代植被覆盖演变规律，揭示径流对植被覆盖变化的响应机制。

2 理论与方法

本文采用植被指数NDVI和植被覆盖度Fc为指标，表征研究区域植被覆盖情况；采用汛枯比X和年径流量年际比值Ka为指标，表征年径流量的年内分布与年际分布情况，计算原理简述如下。

2.1 植被指数

目前，学界已提出了几十种植被指数模型，其中，DVI(差值植被指数)、RVI(比值植被指数)和NDVI(归一化植被指数)等应用较为广泛。NDVI(归一化植被指数)被认为是植被生长状态及植被覆盖度的最佳指示因子，且具有可较好地消除与太阳高度角、卫星观测角、地形、云阴影和大气条件有关的辐照度条件变化(大气程辐射)等影响的优势，在植被遥感中应用最为广泛[7]。因此，本文采用该指数分析松华坝流域植被覆盖度的变化规律。

植被指数NDVI被定义为近红外波段与红光波段的反射值之差比两者反射值之和，公式如下：

NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)

(1)

式中，NIR—近红外波段的反射值；R—红光波段的反射值。

2.2 植被覆盖度

植被覆盖度最广泛的定义是包含茎叶枝在内的植被在地面上的垂直投影面积与计算区域的总面积之比[8]。植被覆盖度Fc可由植被指数NDVI推求，其公式如下：

Fc=(NDVI-NDVIsoil)/(NDVIvge-NDVIsoil)

(2)

式中，NDVIsoil—完全是裸土或无植被覆盖区域的NDVI值；NDVIveg—完全被植被所覆盖区域的NDVI值。

2.3 汛枯比

为分析松华坝流域径流年内分布规律，即汛期与枯季平均径流量的分布规律，本文引入汛枯比X，计算公式如下：

X=W汛/W枯

(3)

式中，W汛—某年汛期平均径流量，万m3；W枯—某年枯季平均径流量，万m3。

2.4 年径流量的年际比值

为分析松华坝流域径流量年际变化规律，本文引入年径流量的年际比值Ka，计算公式下：

Ka=Qmax/Qmin

(4)

式中，Qmax—最大年流量，m3/s；Qmin—最小年流量，m3/s。

3 植被覆盖度对区域径流量的影响研究

3.1 研究区概况

松华坝水库流域面积为593km2，是昆明市的重要饮用水水源地之一，因此，流域水资源量对昆明城市供水至关重要。然而，自20世纪80年代后期以来，该流域植被覆盖发生了变化，同时径流量也发生了变化，两者之间是否存在驱动响应关系一直是困扰当地政府决策部门的科学难题。为揭示植被覆盖对径流量的影响规律，本次选用松华坝流域1988—2016年的遥感影像及长序列径流平行观测资料开展研究。

3.2 松华坝流域植被覆盖演变分析

3.2.1松华坝流域植被覆盖度计算

通过1988—2016年的遥感影像解译，分别利用公式(1)、(2)推求历年的植被指数NDVI和植被覆盖度Fc，最终得到松华坝流域的植被覆盖度逐年情况，结果见表1。

表1 松华坝流域平均植被覆盖度成果表

3.2.2植被覆盖度演变趋势分析

为进一步分析植被覆盖度演变趋势，绘制松华坝流域历年植被覆盖度折线图，如图1所示。

图1 松华坝流域平均植被覆盖度年际变化图

由图1可知，自1988年以来，松华坝流域植被覆盖度总体演变趋势为先升后降再升，按其规律可划分为1988—1994年、1994—2000年和2000—2016年3个阶段。其中第一阶段植被覆盖度从45.5%增加至56.78%，该阶段多年平均植被覆盖度为49.57%；第二阶段植被覆盖度降至47.27%，究其原因，是因该阶段发展经济而增加流域开发所致；第三阶段，植被覆盖度增加至54.01%，该阶段内年平均植被覆盖度为51.48%，究其原因，是因昆明市出台退耕还林政策所致。需要说明的是，2010年植被覆盖度有所下降，主要是受干旱气候影响所致。

3.3 松华坝流域年径流量演变分析

由于降雨对径流量的影响权重远远大于植被覆盖度对径流量的影响权重，为分析植被覆盖度对径流量的影响，需剔除降雨对径流量的影响。本文基于同一流域年内下垫面、产汇流条件基本不变的前提下，假定各年份降雨量一致(采用流域多年平均降雨量)，采用实测降雨、径流资料分别计算各年年径流系数，并根据径流将各年径流量修正为降雨一致条件下年径流量，结果如图2所示。

图2 松华坝流域年径流分析成果图

由图2可知，松华坝流域径流量随降雨的增大而增大，与降雨对应性较好。在降雨一致的条件下，年径流量累进均值在2008年以前总体呈上升趋势，表明该期间(1988—2008年)年径流量呈增加趋势；2008年以后累进均值呈下降趋势，表明年径流量呈减少趋势。

3.4 植被覆盖变化对径流驱动响应影响分析

植被覆盖度对径流量的影响可能表现在径流总量、年内及年际径流量分布、径流系数等方面，针对这几类要素，开展植被覆盖变化对径流影响定量分析。

3.4.1对径流总量的影响分析

为消除分析中降雨对径流量的影响因素，更直观地反映植被覆盖度变化对径流总量的影响情况，根据表1及植被覆盖度、降雨一致条件下的年入库径流量，引入植被覆盖度模比系数与年径流量模比系数(其中模比系数为随机变量的个体值与总体平均值之比)，绘制植被覆盖度、年径流量模比系数过程线图与两者的相关图，如图3—4所示

图3 松华坝流域径流区植被覆盖度与年径流量模比系数过程线对照图

图4 植被覆盖度模比系数过程与入库径流量模比系数过程相关图

从图3可知，植被覆盖度与年径流量模比系数几乎无对应关系；进一步分析发现，两者相关系数R2为0.0069，表明植被覆盖度与年径流量基本无相关关系，如图4所示。综上可知，研究流域植被覆盖度变化对其年径流总量基本无影响。

3.4.2对径流量年内及年际分布的影响分析

(1)对径流年内分布影响

本次引入汛枯比这一指数表征径流年内分布特性，计算方法见公式(3)。为分析植被覆盖度与汛枯比之间的统计关系，根据前文松华坝流域植被覆盖度3个阶段变化规律，将松华坝流域1988—2016年径流系列划分对应的3个阶段，并计算各阶段各年径流的汛枯比，结果见表2。需要说明的是：根据区域内水文气象特性及实测径流过程的年内变化情况，确定枯季为11月—次年4月，汛期为5—10月。

表2 松华坝流域径流量年内变化及植被覆盖度变化情况

从表2可知，各阶段年内径流汛枯比与流域平均植被覆盖度具有较好的相关性，并呈负相关关系，即径流量年内变化随流域平均植被覆盖度增加而呈减小趋势。从产汇流机理上分析，随着流域覆盖度增加，致使流域调蓄能力增加，进而改变径流的年内分配，本次分析结果与这一机理相符。

(2)对径流年际分布影响

本次引入年径流量的年际比值Ka表征年径流量的年际变化特性，计算方法见公式(4)。绘制植被覆盖度与Ka的关系线，如图5所示。

从图5可知，以植被覆盖度为50%为界，植被覆盖度与Ka的关系表现规律不同。1992—1998年、2004—2008年、2012—2016年3个时段植被覆盖度超过50%，相应时段Ka分别为1.82、1.75、1.52，径流量年际变化相对较小；而1988—1992年、2000—2004年2个时段植被覆盖度低于50%，相应时段Ka分别为2.17、2.12，径流年际变化相对较大。表明植被覆盖度变化对径流年际变化有一定影响，该影响呈负相关关系，即流域植被覆盖度增加则径流年际变化相对减小，流域植被覆盖度减小则径流年际变化增大。

图5 植被覆盖度变化对径流年际变化影响示意图

3.4.3对径流系数的影响分析

植被覆盖度会对径流系数产生影响，分析植被覆盖度变化与径流系数关系可发现，随着年降雨量的量级不同，植被覆盖度对径流系数的影响规律也不同。根据分析，降雨量级在0～800mm、800～1070mm、1070～1300mm三个区间，植被覆盖度对径流系数的影响不同，具体关系如图6—8所示。

图6 植被覆盖度与径流系数关系图(降雨量在0～800mm)

图7 植被覆盖度与径流系数关系图(降雨量在1070～1300mm)

图8 植被覆盖度与径流系数关系图(降雨量在800～1070mm)

从图6—8可知，当降雨量在800～1070mm之间时，即降雨量在多年平均降雨量附近变化时，径流系数随植被覆盖度增加而减小；当年降雨量低于800mm，或者高于1070mm时，植被覆盖度变化对径流系数影响几乎无影响。

本文根据径流系数和植被覆盖度序列(图8)进行曲线拟合，可得松华坝水源地径流系数与植被覆盖度的函数关系式如下：

α=0.4604e-2.2849x

(5)

式中，α—径流系数；x—植被覆盖度，%；e—自然对数函数的底数，取2.71828。

从式(5)可知，在一定降雨量级之内，即降雨量在多年平均降雨量921.8mm附近变化时，径流系数与植被覆盖度呈指数关系，表明在该降雨变化范围内随着植被覆盖度的增加，径流系数呈减小趋势。分析其机理，随着植被覆盖度增加，致使土壤下渗量增加，进而导致径流系数的降低。

4 总结与展望

植被覆盖度对松华坝流域的径流总量几乎没有影响，但对其年际分布和年内分布均有一定影响；当年降雨量在800～1070mm之间时，径流系数随植被覆盖度增加而减小。本文揭示了松华坝流域植被覆盖度对区域径流量的驱动响应关系，但无法预测径流未来演变规律，若能引入气候预测产品，并结合分布式水文模型，可预测不同气候和植被覆盖情景下的径流量，从而为区域水资源开发利用提供科学支撑。