湖泊科学   2018, Vol. 30 Issue (2): 567-580.  DOI: 10.18307/2018.0227.
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研究报告

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朱珍香, 杨军, 福建水库空间分布特征:沿海密度高水量少、内陆密度低水量多. 湖泊科学, 2018, 30(2): 567-580. DOI: 10.18307/2018.0227.
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ZHU Zhenxiang, YANG Jun. The spatial distribution of reservoirs in Fujian Province: Higher density but lower storage in coastal than inland regions. Journal of Lake Sciences, 2018, 30(2): 567-580. DOI: 10.18307/2018.0227.
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基金项目

国家自然科学基金项目(31370471)和福建省杰出青年科学基金项目(2012J06009)联合资助

作者简介

朱珍香(1989~), 女, 硕士研究生; E-mail:945430241@qq.com

通信作者

杨军, E-mail:jyang@iue.ac.cn

文章历史

2017-02-18 收稿
2017-05-17 收修改稿

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福建水库空间分布特征:沿海密度高水量少、内陆密度低水量多
朱珍香 1,2, 杨军 1     
(1: 中国科学院城市环境研究所, 城市环境与健康重点实验室, 水生态健康研究组, 厦门 361021)
(2: 厦门大学海洋与地球学院, 厦门 361102)
摘要:水库是福建重要的水资源.通过2013-2015年遥感影像结合Google Earth和天地图提取福建水库3353座,分布在81个县区,总面积647.51 km2,约占全省土地面积的0.5%;其中面积≤ 1 km2水库3248座,总面积197.16 km2,面积>1 km2水库105座,总面积450.35 km2.基于经验公式估算总蓄水量188.18亿m3,其中小型水库3078座(91.80%),蓄水总量37.06亿m3(19.69%),大中型水库275座(8.20%),蓄水总量151.12亿m3(80.31%).从空间分布格局来看,福建水库水资源空间分布不均,沿海六市水库密度大于三个内陆市,大中型水库主要分布于福建西北部,蓄水量呈现西北多、东南少的特点.单位陆地面积水库数量沿海城市县区均多于内陆,而单位人口水库数量则相反;单位面积水库蓄水量沿海与内陆差异不大,而人均蓄水量则沿海大部分县区远小于内陆.仅以水库作为供水水源,不能满足沿海地区用水,但内陆地区供水充足.水库蓄水对河流水体的平均滞留时间为0.053~0.341 a,除晋江流域受水库蓄水强烈影响外,其他流域受水库中等程度影响.
关键词水库    遥感影像    数量    面积    蓄水量    空间分布    福建    
The spatial distribution of reservoirs in Fujian Province: Higher density but lower storage in coastal than inland regions
ZHU Zhenxiang 1,2, YANG Jun 1     
(1: Aquatic EcoHealth Group, Key Laboratory of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, P. R. China)
(2: College of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen 361102, P. R. China)
Abstract: Reservoirs are important water resources for economic and social sustainable development in Fujian. Using remote sensing images in conjunction with Google Earth and World Map, we identified and mapped 3353 reservoirs with a total surface area of 647.51 km2 in Fujian Province. These reservoirs were distributed in 81 counties and accounted for about 0.5% of provincial land area. The majority of these reservoirs (3248) were smaller than 1 km2 with a total area of 197.16 km2; while only 105 reservoirs are greater than 1 km2 with total area of 450.35 km2. The total estimated water storage capacity was 188.18×108 m3, which is roughly equivalent to the storage reported by the Fujian Provincial Department of Water Resources in 2013. Most reservoirs are small in volume because 91.80% of reservoirs (3078) are less than 0.1×108 m3 in storage, while only 8.20% of reservoirs (275) are larger than 0.1×108 m3 and account for approximately 80.31% of the total storage. Further analysis indicates that the spatial distribution of reservoirs is uneven in both density and storage among the nine cities:the density of reservoirs in coastal regions is more than that in inland region, and the large-and medium-sized reservoirs are mainly distributed in the northwest of Fujian, resulting in the water storage in northwest being greater than that in southeast. At present, the reservoir water can not meet the local water needs in most coastal cities due to large human population. The water discharge in all 10 main basins or sub-basins was moderately or strongly impacted by dams, and the water residence time intercepted by the reservoirs varied from 0.053 to 0.341 year. The results of this study provide the basic data for regional water resources management and planning, and also contribute to the protection and sustainable utilization of reservoir water resources.
Keywords: Reservoir    remote sensing    number of reservoirs    area of reservoirs    storage    spatial distribution    Fujian Province    

水库作为防洪、蓄水、灌溉、供水、发电的主体,在缓解供水压力,促进经济发展和社会发展方面发挥着不可替代的重要作用.然而,改革开放以来,随着社会和经济高速发展,污染排放增加导致河流污染严重,越来越多的水库被选为主要的供水水源[1].但大量建设水库不但影响流域的水量和沉积物排放量,也影响了河流水体的水生生物群落系统,甚至降低了全球海平面[2]. Yang等[3]认为中国水库蓄水量目前已达自然湖泊的3倍.我国水利部和国家统计局于2013年联合发布《第一次全国水利普查公报》[4],结果表明,至2011年底中国共有水库98002座,总库容9323.12亿m3.福建已建水库3663座,总库容198.94亿m3[5],分别是全国的3.74 %和2.13 %.在未来气候变暖、人口增长等多重背景下,水库对区域社会经济发展的作用愈显突出,因此有必要对水库水资源的区域分布规律和蓄水量空间特征进行研究,进而为区域水资源管理、保护和可持续利用提供科学依据.

虽然第一次全国水利普查公报统计数据提供了水库水量的总体情况,但缺乏各地区的水库水资源比较分析,通过遥感技术手段可相对快速、准确、客观地提取特定时期水体位置和面积信息[6].例如,已有学者通过遥感影像提取,统计描绘了我国长江流域和黄河流域的水库水量空间分布情况[3, 7-8].从全国的湖泊分布图来看,福建无面积大于1 km2的自然湖泊[9],目前对福建水库的生态研究主要集中在数量极其有限的个别大中型水库的水质和水生生物方面[10-13],缺少对福建水库水资源空间分布较为系统的比较研究.本文通过遥感技术手段结合高分辨率地图提取福建水库数量和面积信息;定量评估水库水量和空间分布格局;揭示县区单位面积、人均水库数量和蓄水量,以及万元GDP蓄水量分布特征;评价福建主要流域水库蓄水对河流系统的影响.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

福建位于中国东南沿海,简称“闽”,东北、西、西南分别与浙江省、江西省和广东省毗邻,东隔台湾海峡与台湾相望,共包含84个县区,归属于9个地级市,分别为宁德、福州、莆田、泉州、厦门、漳州、南平、三明和龙岩,其中前6个为沿海地级市,后3个为内陆地级市.福建省土地总面积12.14万km2,90 %的土地面积为丘陵地带,是典型的山区省份,俗称“八山一水一分田”,森林覆盖率达65.95 %,居全国第一.福建地势西北高、东南低,大体平行的闽西和闽中两大山带贯通全境,形似马鞍.受地质构造线和流水的侵蚀作用,在两大山带之间和山区内形成许多大小不一的串珠状河谷、盆地,水系密布,河流众多,主要河流为闽江、九龙江、汀江、晋江、交溪、木兰溪.福建省海岸线曲折,受季风环流和地形影响,气候区域差异大,闽东南沿海地区属南亚热带气候,闽东北、闽北和闽西属中亚热带气候. 1960-2011年全省年均降水量约为1600 mm,由西北向东南递减,内陆多、沿海少,山区多、平原少[14].

1.2 数据来源

福建水库分布数据提取自Landsat 8影像,下载自美国地质调查局(United States Geological Survey,简称USGS,http://glovis.usgs.gov/),用于获取水体空间位置、边界和面积信息. Landsat 8卫星携带有运营性陆地成像仪(Operational Land Imager, OLI)和热红外传感器(Thermal InfraRed Sensor, TIRS).本研究使用的是OLI上的波段数据,OLI包括9个波段,波段1~7和9的空间分辨率为30 m,波段8(全色波段)的分辨率为15 m,成像宽幅为185 km×185 km.为保证影像质量,本研究所有影像均选自2013-2015年10月,云量覆盖范围小于3 %的遥感影像.

1.3 水体提取和水库识别

水体提取主要使用的是改进多波段谱间关系法(improved spectrum-photometric method,ISPM)[15]ISPM与归一化差异水体指数(normalized difference water index,NDWI)、改进归一化差异水体指数(modified NDWI)相比[16-17],对山区、细小水体的提取效果更好,能较为理想的去除地形阴影,因此适用于多丘陵的福建地区水库提取.针对Landsat 5(TM)和Landsat 7(ETM+)影像的ISPM公式为:ISPM=(B2+B3)-(B4+B5)-(B1-B2).与TM和ETM+相比,OLI新增了海蓝波段(B1),用于海岸带观测,因此,本文中的ISPM公式应修正为:ISPM=(B3+B4)-(B5+B6)-(B2-B3). B2~B6为相应的波段简称. B2为蓝色波段(波长0.445~0.515 μm),B3为绿色波段(0.525~0.600 μm),B4为红色波段(0.630~0.680 μm),B5为近红外波段(0.845~0.885 μm),B6为中红外波段(1.560~1.660 μm).在水体提取之前,还需对影像进行辐射定标、大气校正和图像裁剪等预处理,皆在遥感处理软件ENVI 5.1中完成.

水体提取之后进行水库识别.将从影像提取的水体转矢量后导入ArcGIS 9.3软件中,为了减少水体和陆地分界处混合像素的影响,本研究中去除小于4个像素的水体图斑.通过矢量图斑的中心坐标结合Google Earth和天地图确定水库水体,部分水库因为较浅或水华等原因而未被识别的区域根据影像进行人为矢量化.根据地形地貌和水流的特点,水库分为河道型水库、平原型水库和山谷型水库,有些研究中也将山谷型水库定义为湖泊型水库[18],本文中为了后续精确估算蓄水量, 将识别的水库根据其形状和所处位置分成山谷型(包括平原型)、河道型以及介于两者之间的河道山谷型.水库识别后,其他特征如名称、水体表面积、所在行政区域、中心坐标也添加到属性表中.

1.4 水库蓄水量估算

目前已有对全球和区域范围水库面积和蓄水量关系的研究[3, 7-8, 19-20].水库蓄水量(C, 106 m3)和表面积(A, km2)的经验公式:C=aAb,其中ab是系数.采用不同的模式估算水库的蓄水量将得到不同的结果,为了使得估算的蓄水量更接近实际统计结果,首先采用以下三种模式进行估算:1)将所有水库不分类型进行统一估算;2)根据Yang和Lu[7]的方法区分大型水库和小型水库进行估算;3)根据水库形状划分为山谷型、河道型及河道山谷型水库并分别估算各类型水库蓄水量.从福建水文网和厦门水利信息网等官方网站收集了2015年10月对应的133座水库蓄水量数据,估算不同模式下水库蓄水总量.根据水库库容大小分级标准[21],本研究按蓄水量将水库分为5类:大Ⅰ型(C>109 m3),大Ⅱ型(108 < C≤109 m3),中型(107 < C ≤108 m3),小Ⅰ型(106 < C ≤107 m3)和小Ⅱ型(C≤106 m3).

1.5 统计分析

以提取的每座水库的中心坐标代表各座水库并赋予相关的面积、蓄水量、名称以及行政区域,并在ArcGIS 9.3软件中以蓄水量大小表示水库的分布结果.根据落于全省84个县区的水库,统计以下指标:各个县区的水库数量(座)、各个县区的水库蓄水量(亿m3)、各个县区单位面积水库数量(座/100 km2)、各个县区单位人口水库数量(座/10万人)、各个县区单位面积蓄水量(万m3/km2)、各个县区人均蓄水量(102 m3/人),以及各个县区万元GDP蓄水量(102 m3/万元GDP).以县区为基本统计单元,利用SPSS 22.0统计软件比较福建省6个沿海地级市和3个内陆地级市间各指标的差异,对符合正态分布的数据进行单因素方差分析中的Duncan检验,不符合正态分布的数据应用非参数检验中的Kruskal-Wallis方法进行均值间的差异显著性分析.

Vörösmarty等[22]提出基于河流水体的滞留时间来评价水库蓄水对河流的影响.本文结合福建省数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)和福建省水文水资源勘测局设置的10个水文站位置提取各个水文站的流域范围. Vörösmarty等[23]界定流域水体的滞留时间为给定流域内的水库蓄水总量与流域年径流量的比值,我们据此计算福建主要流域或亚流域水体的平均滞留时间.

1.6 误差分析

在水体提取和水库识别过程中,不可避免地会产生一些误差,主要来源于以下几方面:1)水体提取使用的遥感影像像素为30 m×30 m,因此宽度小于30 m的小型水库或库湾不能被有效识别而使得提取水库数量和面积小于实际值;2)因为少量云覆盖和混合像素的影响,本研究中剔除小于4个像素的水体,从而可能会导致提取的水体数量比实际情况小;3)极少数小型水库因为藻类水华、泥沙淤积和人为影响等原因使得遥感影像不能识别;4)极少部分小型水库的大坝不易被清楚识别,以及在池塘较多的区域可能会混淆小型水库和池塘而造成误判.

2 结果 2.1 水库面积和蓄水量丰度分布特征

本研究从遥感影像中共提取水库3353座,统计的水库总面积是647.51 km2,约占全省土地面积的0.5 %,其中面积≤1 km2的水库有3248座,占提取总数的96.87 %,但面积之和为197.16 km2,仅占总面积的30.45 %;而面积>1 km2的水库仅有105座,面积之和是总面积的69.55 % (表 1图 1a).

表 1 基于2013-2015年福建省遥感影像提取的水库数量和面积统计 Tab.1 Summary of reservoir number and area delineated on remote-sensing imagery of 2013-2015 in Fujian Province
图 1 福建省水库数量、面积(a)和蓄水量(b)累计频率 (垂直虚线表示绝大多数水库面积≤1 km2, 蓄水量≤0.1亿m3) Fig.1 Cumulative frequency of number, area(a) and storage(b) of reservoirs from Fujian Province

利用3种不同模式估算水库蓄水量,结果有较大差别:1)以所有水库不分类型按同一个经验模型公式估算的蓄水量为130.52亿m3;2)以水库面积3.3 km2为界区分为大型和小型水库的估算结果为123.59亿m3;3)根据水库形状分3种类型估算的蓄水总量为188.18亿m3.根据第一次全国水利普查结果,福建水库总库容198.94亿m3,因此分水库类型估算的蓄水量与统计结果最为接近.不同水库类型的经验公式分别为:山谷型:C=13.760A1.122(R2=0.571);河道型:C=32.737A0.611(R2=0.636);河道山谷型:C=33.245A0.997(R2=0.927).

根据水库分级标准,福建省有小型水库3078座,占水库总数量的91.80 %,但小型水库蓄水量只有37.06亿m3,占总蓄水量的19.69 %;大中型水库275座,蓄水量151.12亿m3,以总数量的8.20 %贡献了80.31 %的总蓄水量(表 2图 1b).随着水库面积的增大,水库数量累计频率的增长速率由大于水库面积累计频率逐渐过渡到水库面积累计频率的增长速率大于水库数量累计频率(图 1a).同样,随着蓄水量的增大,水库数量和蓄水量的累计频率也呈现类似的增长趋势,但与水库面积累计频率增长不同的是,在蓄水量 < 0.1亿m3区间内,数量累计频率增长速率较高,在蓄水量>0.1亿m3之后,数量累计频率又逐渐减缓(图 1b).

表 2 福建水库蓄水量估算结果 Tab.2 Summary of reservoir storage estimation in Fujian Province
2.2 水库数量和水量空间分布格局

福建省水库分布在数量和蓄水量方面存在明显的空间差异性(图 2a),沿海各市以小型水库为主,大型水库较少,大部分大中型水库沿着河流主干水系分布在各流域的上游和中游,例如位于南平市和三明市的闽江流域上中游和位于龙岩市的九龙江和汀江流域上中游.尽管9个地级市县平均水库数量没有显著差异(图 2b),厦门最低(16座),漳州和龙岩最高(均为53座).一个显著特征是水库密度从沿海向内陆呈现减少趋势,另一个显著特征是,福建水库蓄水量分布沿海城市少、内陆城市多(图 2c).各县区平均蓄水量沿海与内陆差异性显著,沿海各市蓄水量均小于内陆,厦门最低(0.22亿m3),三明最高(4.30亿m3).

图 2 福建水库的空间分布格局(a)和基于县级水平统计的九市水库数量(b)与蓄水量(c)均值比较 (不同字母代表组间有显著差异(P < 0.05),蓝色表示沿海地级市,红色表示内陆地级市) Fig.2 Spatial distribution pattern of the reservoirs in Fujian Province with storage(a) and comparison of reservoir number(b) and storage(c) among nine cities across Fujian Province based on county level data (The different letters represent significant differences between groups (P < 0.05), blue columns represent coastal cities and red columns represent inland cities)
2.3 县区水库数量和水量分布特征

福建省各县区的水库蓄水量分布不均(图 3),大部分沿海各县区的蓄水量、人均蓄水量及万元GDP蓄水量小于内陆各县区,并大致平行于海岸线由沿海各县区向内陆各县区逐渐增加.福建西北部的南平市和三明市各县区蓄水量明显高于其他大部分县区.福建省46.18 %的大中型水库位于三明市和南平市,两市的蓄水总量为80.89亿m3,占全省蓄水总量的42.99 %.具体而言,福州闽清县因大型水库水口水库而蓄水量最高(20.85亿m3),其次是三明尤溪县(12.94亿m3)和清流县(12.09亿m3).人均蓄水量最高的是三明泰宁县(9255 m3/人),其次是三明清流县(8958 m3/人)和福州闽清县(8833 m3/人).据2014年福建省水资源公报显示,全省平均万元GDP用水量为85 m3,若仅以水库作为水资源供给来源,由万元GDP蓄水量分布结果可得,沿海各县区除宁德蕉城区(131 m3)、泉州南安市(110 m3)以及漳州云霄县(126 m3)外,其他各县区的万元GDP蓄水量小于用水量,显然水库蓄水不能满足当地经济发展用水;内陆地区南平市各县区的蓄水供给充足,三明市除梅列区(36 m3)以及龙岩市除新罗区(18 m3)外,两市各县区蓄水量也能满足其经济发展用水(各县区的面积、人口、GDP以及水库指标统计结果见附表).

图 3 福建省各县区水库蓄水量、人均蓄水量及万元GDP蓄水量的空间分布 Fig.3 Spatial pattern of total, per capita and unit GDP water storages of reservoirs at county level in Fujian Province
附表 福建省各县区面积、人口、GDP和水库概况* TableS1 The administration area, population, GDP and reservoirs information of each county in Fujian Province

对福建省各市单位面积水库数量、单位人口水库数量、单位面积蓄水量和人均蓄水量的县平均值进行比较分析(图 4).从每100 km2的水库数量来看(图 4a),沿海水库密度与内陆差异性显著,沿海各市均大于内陆各市,内陆3个市之间无显著差异,沿海各市中厦门与宁德差异性显著,其中厦门最高(6.2座),南平(1.7座)和三明(1.8座)最低.从每10万人口的水库数量来看(图 4b),沿海与内陆也有较大差异,与水库密度相反,沿海各市均小于内陆各市,其中南平(18.7座)和三明(18.1座)最高,厦门(3.7座)和莆田(4.8座)最低,沿海各市中莆田、泉州、厦门与宁德有较大差异,内陆各市之间没有显著差异;从单位面积水库蓄水量县均值的统计结果来看(图 4c),各市之间没有显著差异,三明市(23.42万m3/ km2)最高,厦门(7.83万m3/km2)和漳州(7.02万m3/ km2)最低;然而从人均蓄水量的统计结果来看(图 4d),沿海与内陆有显著差异,沿海各市均小于内陆各市,三明(2533 m3/人)最高,厦门(42 m3/人)最低.

图 4 基于县级水平统计的福建九市水库数量与蓄水量比较 (不同字母代表组间有显著差异(P < 0.05),蓝色表示沿海地级市,红色表示内陆地级市) Fig.4 Comparison of reservoir number and water storage among nine cities at county level in Fujian Province (The different letters represent significant differences between groups (P < 0.05), blue columns represent coastal cities and red columns represent inland cities)
2.4 河流平均滞留时间

通过对福建主要流域内水库蓄水量与径流量比值的统计分析表明(表 3图 5),流域水体滞留时间从交溪的0.053 a至晋江的0.341 a.福建最大流域闽江的滞留时间为0.181 a,其上游3个亚流域——建溪、富屯溪和沙溪的滞留时间分别为0.087、0.145和0.259 a.福建第二大河流九龙江包括2大亚流域——九龙江西溪和九龙江北溪, 其水体滞留时间也有较大差异,分别为0.056和0.110 a.

表 3 福建省主要流域或亚流域水库蓄水量及滞留时间 Tab.3 Reservoir storage capacity and residence time in different watersheds in Fujian Province
图 5 福建省主要流域及水文站分布 Fig.5 Distribution of main watersheds and their hydrological stations in Fujian Province
3 讨论 3.1 水库统计结果分析

根据福建省水利厅、福建省统计局于2013年5月联合发布的《福建省第一次全国水利普查公报》,福建省已建水库3663座,总蓄水量为198.04亿m3.本研究从遥感影像提取水库3353座,估算蓄水总量为188.18亿m3,分别是普查结果的91.54 %和95.02 %. 2013-2015年期间没有新建成的大中型水库,因此从遥感影像提取的水库数量和蓄水量估算结果接近于普查结果.我们基于估算结果选取16座大型水库的蓄水量与2015年10月实际记录的结果对比发现(表 4),估算值超出实际记录值与估算值小于实际记录值的水库数目相当,16座水库估算蓄水总量为79.43亿m3,而实际记录的16座水库蓄水总量为89.42亿m3.造成本研究与福建省第一次全国水利普查公报统计结果差异的原因见1.6.但上述这些误差主要影响的是较少部分的小型水库.虽然小型水库在数量上占有绝对优势,但水库总面积和总蓄水量主要由少数的大中型水库主导,因此上述误差对总体水量估计结果的影响不大.另外,地形地貌、地质构造都会影响水库形状及蓄水情况,进而造成个别水库估算结果与实际数值间产生差异.需要说明的是,本研究使用的是2013-2015年每年10月的影像,而福建省第一次全国水利普查公报的统计结果是2011-2012年的统计数据[5],不同年份以及枯水期和丰水期的水库蓄水量差异也会造成一定影响.因此,影像分辨率、地形地貌、统计年份和时期的不同是造成两者差异的主要原因.本文在尽量减少云覆盖的影响下,选择同一月份的遥感影像,以避免不同时期水库水面面积变化较大而影响水库面积统计和蓄水量的估算结果.总体而言,通过大空间尺度遥感影像可以快速、经济、准确地获取水库数量、面积与空间分布动态.

表 4 福建省16座大型水库地理位置信息及估算蓄水量* Tab.4 Location of 16 large reservoirs with estimated storages in Fujian Province

Downing等[24]发现,世界各地区的湖库数量和对应面积的关系具有相似性,即小型湖库在数量上占绝对优势、面积贡献较小; 大中型湖库数量虽少,却面积贡献最大. Yang等[3, 7]对我国湖库研究结果指出,全国面积小于1 km2的小型水体在数量上占97.2 % ~98.4 %,仅占1.6 % ~2.8 %数量的大中型水体贡献了总面积的80.8 % ~92.0 %;长江流域小型水体数量约占99 %,近1 %的大中型水体在面积上却贡献99 %以上.同样的,在福建省面积小于1 km2的水库占96.87 %,而只有105座面积大于1 km2的水库贡献总面积的69.55 % (表 1).与全国、长江流域及黄河流域相比,福建省大中型水库的面积和蓄水量权重相对较小,虽然大中型水库在面积和蓄水量上是主要的贡献者,但在水资源缺乏的地区,小型水库对区域的社会和经济发展同样具有不可忽视的重要贡献,并且因其建设和维护成本低廉,在水资源需求日益增加的情况下其作用将更加突出.

3.2 沿海与内陆地区水库空间分布差异

从统计分布结果看,福建水库数量和蓄水量在空间上分布不均,小型水库主要分布于沿海地区,而大中型水库则主要分布于内陆各市.造成这种分布的原因是地形、气候和人为影响的共同结果.受气候和地形影响,福建省降水空间分布不均,南平市最大,平潭综合实验区年降水量最小,等降水量线与海岸线大致平行,由沿海向内陆递增.此外,福建省河网密度大,以闽西大山带和闽中大山带的东坡密度最大,构造线密布,河流上游或中游的密度一般大于下游,地表水资源较为丰富,有利于建设大中型水库.福建沿海经济较发达的地区,地势较平坦,河网较少,降水量也少于内陆.福建四大平原(福州平原、兴化平原、泉州平原和漳州平原)均位于沿海,是人口主要聚集区,同时是全省经济较发达的地区.由于沿海人口聚集和经济发展对水资源的需求量更大,因此在这些地区建设有较多的小型水库.可以看出,全省的水库和人口分布与全国有很大的相似性.全国人口分布遵循“胡焕庸线”[25],即“黑河—腾冲一线”以东,43 %的国土面积支持着94 %的人口.福建东北-西南连线的东部水库密度要大于西部,而蓄水量则呈现相反的分布趋势(图 2, 图 3),进而可能导致水资源分布和人口经济发展不相匹配.沿海地区人口数量多,淡水资源相对缺乏.例如,厦门属于水资源极度短缺的城市,为了缓解水资源短缺状况市政府推行了一系列措施来保障全面建设“美丽厦门”,近年来重点修建长泰枋洋水库和同安莲花水库,工程建成后年均可向厦门供水约2亿m3.

3.3 水库建设对流域的影响

水库的建设会截流上游的水源,改变原有输送营养盐的特性,延长水体进入海洋的时间[1, 26-27],进而改变流域生物地球化学循环.水库大坝可导致河流水流变缓,透明度增加,有利于浮游藻类生物量增加[27].本研究发现晋江流域水体平均滞留时间最长,为0.341 a,表明晋江受到水库蓄水的影响最大,交溪流域则受到水库蓄水的影响最小,水体平均滞留时间为0.053 a.根据Nilsson等[28]的界定,流域内水库蓄水量与年径流量的比值小于0.02时,河流几乎不受影响,介于0.02~0.30之间则受到中等程度影响,而大于0.30时则受到强烈影响.福建主要流域的蓄水量与径流量的比值是0.053~0.341,因此除晋江流域受到水库的强烈影响外,其他流域均受到水库的中等程度影响.闽江流域是福建省最大的流域,其上游的3个亚流域建溪流域、富屯溪流域和沙溪流域水体滞留时间分别为0.087、0.145和0.259 a.整个闽江流域的水体滞留时间为0.181 a,与我国其他大型流域(如辽河、黄河、松花江等流域)相比[3],其河流受到水库蓄水的影响要小的多,因此以水库作为区域经济发展供水还有较大的发展空间.通常,水库蓄水量主要由大中型水库贡献,因此大中型水库特别是大型水库对流域有较大影响,如长江的三峡和葛洲坝水库,黄河的三门峡和小浪底水库以及珠江龙潭水库等[3].目前,水口水库(19.91亿m3)是福建省最大的水库,位于闽江流域中游,其蓄水量是闽江中游径流量的10.33 %,对流域有较大影响.然而,福建沿海地区的小型水库数量较多,其生态作用与影响也不可忽视.

3.4 展望

福建没有面积大于1 km2的自然湖泊,水库的重要作用不言而喻[9].本文基于遥感影像技术方法快速提取了福建省水库数量、水库面积,并定量分析了水库密度和蓄水量的空间分布情况,但水库作为城市供水重要水源,对水库水质也提出了较高的要求.事实上,水库水质和水量之间具有复杂的耦合关系,系统综合研究还比较少. Yang等[29]对福建厦门4座水库蓝藻随水位变化的研究表明,蓝藻水华发生风险在低水位时期高于高水位时期.水库藻类的生长与水量变化、水温、营养物质、其他生物、气象条件以及水文水动力等过程密切相关,综合分析不同气候条件下水体藻类、营养物质等水质指标随水量的变化情况,利用生态模型量化水质与蓄水量、降水量、流域不同土地利用类型水土流失营养负荷量的相关关系可进一步揭示水库藻类的生长规律与关键控制因子,为控制藻华爆发和水库流域管理提供可执行的科学方案和对策.因此未来的研究重点应考虑水质水量的时空耦合关系,基于高频监测数据量化水质与水量及其他因素的相关关系,构建生态模型综合评价水库管理对流域生态环境的影响与效应.

4 结论

本研究基于遥感技术从遥感影像中识别福建水库3353座,分布在除福州鼓楼区、台江区和泉州鲤城区外的81个县区,总面积647.51 km2,约占全省土地面积的0.5 %.估算水库总蓄水量为188.18亿m3,其中小型水库数量3078座(91.80 %),蓄水总量37.06亿m3(19.69 %); 大中型水库275座(8.20 %),蓄水总量151.12亿m3 (80.31 %).小型水库数量最多,但是大中型水库主导着水库总面积和蓄水总量.福建省水库水资源空间分布不均匀,沿海各市水库密度大于内陆各市,大中型水库主要分布于西北部;蓄水量呈现西北多、东南少格局.沿海地区人口密度大,水库数目多,但是单位面积和人均水量少, 水资源供需矛盾突出;内陆则人口密度小,水库数目相对较少,人均蓄水量比沿海大的多,各县区单位面积蓄水量也大于大部分沿海地区.大部分沿海地区水库蓄水量不能满足当地GDP用水量.在10个主要流域中,晋江流域受到水库蓄水的影响最大、属于强烈影响,其他流域水体都受到水库蓄水中等程度的影响.本研究以县区为基本单元从水库数量、面积和蓄水量等方面揭示了福建水库水资源空间分布特征与规律,为了更好地服务区域经济社会发展并提供可靠的水库水资源信息,还迫切需要从时间尺度研究水质水量变动耦合关系及调控机制.

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