（自然地理学专业论文）北京主要河流湿地近十年环境变化研究.pdf

摘要 北京河流湿地为北京市提供丰富的水资源，是北京城市饮用水重要的来源之 一。但近年来随着人口的增加和技术的进步。北京河流湿地资源被过度的开发利 用，导致北京河流湿地目前面临着水资源匮乏、河流水质下降、河流湿地面积减 少、滩地沙化，水生植物及其群落严重退化甚至消失等环境问题。为了能够恢复 北京河流湿地蓄洪抗旱、补充地下水、调节气候、降解环境污染等功能，更好地 利用河流湿地资源，研究人类活动影响下北京河流湿地环境的变化，总结其变化 发展规律，提出保护和恢复的对策。这对北京河流湿地的可持续利用乃至北京市 环境的改善都具有重要的实际意义。 本论文利用遥感技术，结合野外实地调查，通过多元遥感数据融合，提取北 京市重点湿地潮白河湿地近十年来面积变化的信息；利用h y d r ol a b 水质监 测仪，并结合统计资料，对北京河流湿地近十年来水质污染状况进行了多期调查， 分析了水质污染的变化趋势；定性分析和定量揭示了近十年来北京河流湿地变化 与周边土地利用变化、气候因子变化及河流湿地植被多样性之间的关系。主要得 出以下几点结论： 1 通过灰色关联分析，得出河流湿地面积消长与水域、沼泽地、潍涂和林 地有很好的正相关性；与耕地、居民点和工矿用地呈现显著的负相关性。 2 受降水量减少和周边土地利用程度加深的影响，河流湿地水资源量逐年 下降，减少量近5 0 ：河流湿地面积减少。 3 近十年来，河流湿地水质污染呈现上升趋势，清洁河段长度减少了1 2 ， 轻度污染、中度污染以及严重污染河段长度所占比例分别上升了6 ，1 6 和3 。 。 4 河流湿地面积减少、水质恶化，造成了河流湿地植被生物多样性减少， 部分典型水生植物和群落严重退化。 本论文在以上分析研究的基础上，提出了北京河流湿地保护和恢复的对策。 采取稳定并逐步增加河流湿地面积；严格控制河流的污染源，增加污水处理厂、 发展污水处理回用技术，加快雨水和再生水的开发利用，实现水资源的循环利用； 利用河道滩地发展生物生态污水修复技术来净化水质，降低河流湿地周边土 地利用程度，增加林地面积和植被覆盖度来涵养水源以期达到改善河流湿地环境 的目的。 【关键词】：北京河流湿地，遥感技术，灰色关联，环境变化。 a b s t r a c t r i v e r i n ew e t l a n d sp r o v i d ea b u n d a n tw a t e rr e s o u r c e sa n db et h eo n eo f t h ei m p o r t a n td r i n k i n g w a t e rr e s o u r c e so fb e i j i n g , w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o p u l a t i o na n dt e c h n o l o g yi nr e c a m ty e a r s ， r i v e r i n ew e t l a n d sr e s o u r c ew a s e x p l o i t e de x c e e d i n g l y , w h i c hc a u s e dm a n ye n v i r o n m e n t a l p r o b l e m s ，s u c ha sw a t e rs c a r c i t y , w a t e rq u a l i t yd e p r a v a t i o n ，a n dw e t l a n da r e ar e d u c t i o n i no r d e r t or e s u m et h er i v e r i n ew e t l a n d sf u n c t i o no fs l u i c ea n d f i g h t i n gd r o u g h t s u p p l e m e n t i n g u n d e r g r o u n dw a t e r , a d j u s t i n gc l i m a t ea n dr e d u c i n ge n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n , t ou t i l i z er i v e r i n e w e t l a n d sr e s o u r c e p r o p e r l y , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e d t h ee n v i r o n m e n t a l c h a n g i n gi n f o r m a t i o n i n f l u e n c e d b y h u m a na c t i v i t i e si n b e i j i n gr i v e r i n ew e t l a n d s ，s u m m a r i z e dt h er u l e so fi t s d e v e l o p m e n t f i n a l l y , t h i sp a p e rp u tf o r w a r dm a n ys u g g e s t i o n si np r o t e c t i o na n d r e s t o r a t i o n c h a o b a ir i v e r i n ew e t l a n d sd i m e n s i o na n di t sl a n du s ei n f o r m a t i o nw e r ea b s t r a c t e dt h r o u g h m u l t i s o u r c ei m a g ef u s i o nt e c h n o l o g yw i t ht h es u p p o r to fr e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y u s i n g h y d r ol a ba n dc o m b i n i n gs t a t i s t i c sd a t a , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h ew a t e rq u a l i t yc o n d i t i o ni n r e c e n t1 0y e a r sa n da n a l y z e di t sc h a n g i n g t e n d e n c y ；t h er e l a t i o no f r i v e r i n ew e t l a n d sd i m e n s i o n a n dl a n du s e c o n d i t i o n ，c l i m a t e ，v e g e t a lc o v e r , w a t e re n v i r o n m e n t t h ec o n c l u s i o n sa sf o l l o w ： 1 t h eg r e y - r e l e v a n ta n a l y s i sr e s u l ts h o wt h a tt h e c h a n g i n gd a t ao fr i v e r i n ew e t l a n d s d i m e n s i o nh a sp o s i t i v er e l a t i o n s h i pw i t ht h ec h a n g i n gd i m e n s i o no f r i v e r w a t e r , m a r s h ，b e a c hs a n d a n df o r e s t e dl a n d ，w h i l et h ed e c r e a s eo fr i v e r i n ew e t l a n d sd i m e n s i o nh a s n e g a t i v er e l a t i o n s h i p w i t h d e c r e a s i n gd i m e n s i o no f t h ec u l t i v a t e dl a n d ，r e s i d e n t i a la r e aa n di n d u s t r i a la l e a 2 i n f l u e n c e db yp r e c i p i t a t i o nr e d u c t i o na n dl a n du s i n g , r i v e f i n ew e t l a n d sw a t e r r e s o u r c e s d e s c e n t y e a r l y w a t e rr e s o u r c er e d u c e s5 0 i nr e c e n t1 0y e a r s 3 t h er i v e r p o l l u t i o ni sd e t e r i o r a t i n gi nr e c e n t1 0y e a r s t h el e n g t ho f p u t ef i v e rd e c r e a s e s 1 2 ，w h i l et h el e n g t ho f p o l l u t e sf i v e ri n c r e a s e s2 5 4 - t h ed e d u c t i o no fr i v e r i n ew e t l a n d sd i m e n s i o na n d d e t e r i o r a t i o no fw a t e r q u a l i t yc a u s e d t h ed e t r a c t i o no f v e g e t a t i o n sb i o m a s sa n dd e g r a d a t i o no fs o m et y p i c a lv a s c u l a rp l a n ta n di t s c o m m u n i t ys e r i o u s l y t h i sp a p e rp u tf o r w a r dm a n y s u g g e s t i o n si np r o t e c t i o na n dr e s t o r a t i o no fb e i j i n gr i v e r i n e w e t l a n d sb a s e do nt h et h e s ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ：r e h a b i l i t a t i n ga n d s t a b i l i z i n gt h er i v e f i n e w e t l a n d sd i m e n s i o n ，c o n t r o l l i n gt h ew a t e r q u a l i t ya g g r a v a t i o n ，s t r e n g t h e n i n gt h ea b i l i t yo f r i v e r s a u t o - p u r i f i c a t i o n ，d e v e l o p i n gt h et y p eo f t r e a t m e n t 锄百n ro fw a s t ew a t e r 1 e t t i n gd o w nt h el e v e l o fl a n du s en e a r b yt h er i v e r i n e w e t l a n d s ，i n c r e a s i n gt h ef o r e s t e dl a n d t h e s ee f f e c t i v em e a s u r a s c o n t r i b u t et o r e f o r m i n gc l i m a t ea n da c h i e v i n gt h ep u r p o s eo fr e h a b i l i t a t i n ge n v i r o n m e n to f 6 r i v e r i n ew e t l a n d s k e yw o r d s ：b e i j i n g , r i v e r i n ew e t l a n d s ，r e m o t es e n s i n gt e c h n o l o g y , g r a yr e l a t i o n , e n v i r o n m e n t t r a n s f o r m a t i o n 7 第一章前言 湿地是地球上一种重要且独特的生态系统，处于陆地生态系统与水生生态系 统之间，是二者的过渡带，是自然界最富有生物多样性的生态景观之一，具有多 种生态功能和经济与社会价值i 。因此，湿地研究越来越受到学术界重视，在 当今世界呈现出空前活跃的局面。 河流湿地是湿地组成中的一种重要类型，是指在河流流水作用下发育形成 的、位于天然两侧河岸或人工堤之间的湿地。包括长年被水淹没的河槽和季节性 被洪水淹没的心滩和边滩。河流湿地不仅具有蓄洪抗旱、补充地下水、调节气候、 降解环境污染等功能特征外，还为珍稀生物提供栖息地。 北京湿地包括河流湿地、湖泊湿地以及水库湿地等几种类型。其中河流湿地 分布广泛，在山区和平原都有分布，并起着为北京提供丰富的水资源、调节北京 气候、美化环境等作用。因此，河流湿地是北京湿地非常重要的组成部分。 1 1 研究的目的意义 北京河流湿地为北京市提供丰富的水资源。是北京城市饮用水重要的来源之 一。但近十年来随着入口的增加和技术的进步，入类对北京河流湿地水资源进行 了过度的开发利用，导致部分河流干涸断流，河流湿地水资源严重匮乏。此外大 量未经处理的工农业废水和生活污水直接排入河道致使河流湿地水域水质严重 下降，部分河流湿地不再能够提供可饮用的水资源，致使北京市逐渐成为“水质 型”缺水的城市。此外，河流湿地水资源匮乏减少造成滩地沙化；滩地沙化和河 流水质下降抑制了河流湿地水生植物及其群落的发展，造成水生植物及其群落的 严重退化甚至消失。 由于北京河流湿地面临着上述一系列的环境问题，使得其蓄洪抗旱、补充地 下水、调节气候、降解环境污染等功能下降，还对北京市生态环境产生了不良的 影响。因此，为了能够更好地利用北京河流湿地资源，研究人类活动影响下北京 河流湿地环境的变化，总结其变化发展规律，并提出保护和恢复的建议对北京河 流湿地的可持续利用具有重要的实际意义。 8 1 2 研究内容和技术路线 1 2 1 研究内容 针对目前北京河流湿地功能退化，河流湿地生态系统受到威胁的状况，本论 文从河流湿地面积与周边土地利用变化状况、周边小气候、水环境以及河流湿地 植被覆盖四个方面对近十年来北京河流湿地环境的变化状况进行分析。主要包括 以下内容： ( 1 ) 利用遥感技术结合野外调查，通过多元遥感数据融合，提取北京市重 点湿地潮白河湿地近十年来面积变化的信息。 ( 2 ) 根据搜集的资料，总结近十年来北京河流湿地周边小气候、地表水和 地下水以及水资源总量的变化状况，分析变化原因和规律。 ( 3 ) 利用h y d r ol a b 水质监测仪，并结合统计资料，对北京河流湿地近十 年来水质污染状况进行了多期调查，选择内梅罗指数法来评价北京主要河流湿地 水域的水质，并分析主要河流污染情况变化趋势以及水质污染物的结构变化。 ( 4 ) 采用定性分析和定量计算相结合，利用灰色关联分析法来分析河流湿 地面积、周边土地乖j 用、气候、水资源量、水质、植被覆盖等各个河流湿地环境 因子之间的灰色关联关系，并总结其相互作用的机理。 ( 5 ) 结合自然地理学、水环境科学、生态学、植物学和湿地科学等学科的 相关理论提出北京河流湿地恢复的对策。 9 1 2 2 技术路线 本论文从河流湿地面积与周边土地利用变化状况、周边小气候、水环境以及 河流湿地植被覆盖四个方面对近十年来北京河流湿地环境的变化状况进行分析。 技术路线如图l l ： 图1 1 ；技术路线 l o 1 3 论文的组织 本论文第一章为前言部分，主要讲述研究近十年来北京河流湿地环境变化的 目的意义以及研究内容和技术路线。 第二章综述了国内外湿地环境研究的进展和现状，总结了国内外湿地工作者 在河流湿地领域的研究历程、研究的热点问题与研究成果。 第三章介绍了北京河流湿地环境背景条件，是系统研究北京河流湿地环境变 化的基础。 第四章针对北京河流湿地资源被过度利用而造成的河流湿地面积的减少、水 质恶化、植被的高速毁灭等环境问题，从河流湿地面积和周边土地利用面积动态 变化监测、河流湿地小气候、河流湿地水环境、河流湿地植被多样性等四个方面 来分析近十年来北京河流湿地环境变化的情况。 第五章主要研究北京湿地变化与周边土地利用变化、河流湿地小气候、水环 境和植被覆盖等各个环境因子之间相互作用的机理。 第六章根据前述的北京河流湿地近十年来环境变化的特征，针对目前河流湿 地面临的环境问题，提出了一系列保护和恢复的建议。 第七章总结了全文的主要工作。 第二章综述 2 1 湿地环境研究的历史与现状 2 1 1 湿地的概念 由于湿地具有许多特性，目前国际上关于湿地的定义有百余种之多。目前最 广为接受的是1 9 9 4 年r a m s a r “国际公约”中对湿她的定义：“湿地是不论其为 天然或者人工、长久或者暂时性的沼泽地，泥炭地或水域地带，静止或流动的淡 水、半成水、咸水水体，包括低潮时水深不超过6m 的水域；同时，还包括临近 湿地的河湖沿岸、沿海区域以及位于湿地范围内的岛屿或低潮时水深不超过6 m 的海水水体【l 】。该定义具有明显的应用特征，侧重于勾绘湿地的范围和类型，将 湿地扩大到陆地河、湖水体和浅水带。正是由于其包含的范围广泛，为包括中国 在内的多数国家所接受。 2 1 2 湿地环境与人类的关系 湿地是人类生存环境的重要组成部分之一，不仅拥有丰富的水资源、土地资 源和生物资源，还具有蓄洪抗旱、补充地下水、调节气候、防止土壤侵蚀、保护 生物多样性、降解环境污染等功能。 由于湿地环境自身的演化、发展规律与人类的主观需求之间存在相当的差 距，因而湿地环境与人类利用之间会不可避免地产生矛盾，这一矛盾在历史时期 由于人类干预自然的能力较小而不突出。到了现代，随着人口的增加和技术的进 步。人类对湿地环境的干扰和破坏日趋严重，由此产生的环境问题又进一步影响 了湿地周围甚至更广大区域的人类生存。在这一背景下，为探索人类活动影响下 湿地环境的变化发展规律，协调人类与湿地环境之间的矛盾，更好地利用和保护 湿地。本世纪5 0 年代以来，各国逐步开展了对湿地环境的研究，取得了很多重 要成果。 2 1 3 国内外湿地环境研究 半个世纪以来，国内外湿地学者对湿地环境研究的工作都集中在：对人类活 动影响下湿地环境的变化规律以及对受损湿地的恢复研究这两个方面。 美国湿地的环境系统是2 0 世纪7 0 年代以来最热门的湿地研究方向。特别是 湿地的环境效应、湿地环境的变化规律、动态变化过程监测和受损湿地恢复等内 容都是最活跃的研究课题。美国湿地环境工作者研究了由于历史上对湿地资源不 合理的开发利用而导致的比如洪涝灾害增加、区域气候变干、降雨量减少等影响 湿地周边甚至全国的环境问题。率先采用地一空结合的方法，对本国湿地环境的 变化进行动态监测。1 9 9 0 1 9 9 1 年，国家研究委员会( n r c ) 、联邦政府环境保 护局( e p a ) 、水域生态系统恢复委员会( c r a m ) 和农业部提出了庞大的湿地 恢复计划，计划在2 0 1 0 年前恢复受损河流“万k m 2 、湖泊6 7 万h r a 2 、其他湿 地4 0 0 万h m 2 。美国政府也逐渐改变了鼓励与资助湿地开发利用的政策，通过了 两个重要的湿地保护法；“湿地垦殖法”和“清洁水法案”( c w a ) 。此外。1 9 7 2 年美国成立了“湿地科研工作者协会”( s o c i e t yf o rw e d a n ds c i e n f i s t s ) 和一批湿 地研究中心，出版了湿地、湿地环境保护等一系列有国际影响的著作。本 世纪6 0 年代，芬兰湿地工作者注意到了本国沼泽湿地的退化及环境的快速破坏， 逐步改变了以往支持对沼泽湿地开发利用的政策，并制定了国有沼泽湿地的首部 保护计划。研究了芬兰沼泽湿地环境退化的原因、并着手恢复受损的沼泽湿地。 在瑞典一个3 0 的地表由湿地组成的国家，研究学者注意到由于人类活动造 成了湿地的不断退化，并引发了气候干燥、降雨量减少等环境问题。针对湿地退 化的问题，研究学者采取了利用提高水平面、降低湖底砸或结合这两种方法来恢 复瑞典的浅湖湿地。关于湿地环境的国际会议也在不断的进行之中。1 9 9 4 年在 中国长春召开了“9 4 湿地环境与泥炭地利用国际讨论会”，各国参会代表发表了 5 6 篇关于湿地环境与生态的论文。 中国对于人类活动影响下湿地环境的变化规律研究，主要集中在沼泽湿地、 湖泊湿地、水库人工湿地、海岸湿地等几个方面。 中科院长春地理研究所和东北师范大学等单位在7 0 年代后期，开始研究三 江平原湿地在大规模开垦后发生的环境变化及调控对策，初步摸清了该地区在人 类活动影响下各种环境问题的发生机制和危害情况，并针对环境恶化现象提出了 很多颇有价值的措施和建议【3 】。中科院南京地理与湖泊研究所等科研单位针对湖 泊湿地由于长期以来掠夺式的开发利用而导致的湖泊资源衰竭、环境恶化，湖泊 湿地的整体效益低下的湿地环境变化状况，从围湖垦殖对湿地环境的影响、水利 工程对湿地环境的影响、湖泊的水质污染问题、各种人类活动综合影响下湖泊湿 地发生的环境变化等几个方面研究了湖泊湿地环境恶化的状况，得出“围垦、湖 泊湿地面积减小以及湖泊水质污染是导致湖泊湿地环境退化的重要原因”的结 论。并在湖泊水质预测、污染物迁移转化规律等方面取得了一批重要成果【卯。郭 方等从8 0 年代以来研究了泥沙淤积对水库湿地环境以及水库湿地生态系统的影 响和破坏。找到了水库泥沙淤积的主要原因并提出了防治对策b j 。肖茑宁等研究 了对黄河三角洲湿地和辽河三角洲湿地进行石油开采和农业开发而导致的当地 湿地面积不断缩小，生态功能减退，调蓄洪水能力削弱，生物种类减少等伺题， 并提出了应对的措施 4 1 。此外，我国环境科学工作者和海洋科学工作者从7 0 年 代开始对近海湿地环境污染进行了研究，现已基本摸清我国近岸海域的污染分布 规律，并对赤潮发生机理及控制、污染物在海水中的迁移扩散规律、海水自净能 力等湿地环境科学基础理论问题进行了探索，对污染条件下近海生物群落的变化 也进行了大量研究工作 2 1 。 2 2 河流湿地环境变化研究 2 2 1 河流湿地的概念 河流湿地是湿地分类中重要的一个类型。河流湿地是指在河流流水作用下发 育形成的、位于天然两侧河岸或人工堤之间的湿地，包括长年被水淹没的河槽和 季节性被洪水淹没的心滩和边滩。根据湿地被水覆盖的时间状况，河流湿地可以 分为两个类型水体类型( 永久性河道) 和沼泽类型( 芦苇地、草滩地、泥沙 滩地) 。 2 2 2 河流湿地环境变化研究 从上个世纪的7 0 年代起，欧美、日本等一些国家，率先利用3 s 技术等先进 手段调查本国河流湿地环境的变化状况，并在此基础上研究河流湿地环境变化规 律，开始重视对河流湿地环境的保护，并将研究重点转移到恢复受损河流湿地环 境上。 美国湿地工作者在研究了本国河流湿地环境的变化规律上，通过拆除大坝、 恢复过去已被裁直的河段和重建岸边植物带等措施来恢复6 4 万k m 2 受损的河流 湿地，以改善河流湿地环境。加拿大、芬兰、日本等国家充分利用自然地形、地 貌，建立起阳光、植物、生物、土壤、堤体之间和谐共存的河流湿地生态系统， 还河流以空间，构筑近、亲水的河滨空间景观等。并在河流湿地环境综合整治中， 广泛地采用增大河流湿地的面积、控制河流湿地水域的污染，保护和恢复河流湿 地周边水生植物及其群落的方法，恢复和改善河流湿地环境。 1 4 中国科学院长春地理研究所2 0 0 1 年以向海湿地为例，研究了河流湿地资源 百年来遭受的过度开发而造成的湿地面积萎缩、生态调蓄功能减弱、径流来承短 缺、生物多样性锐减等河流湿地环境问题，提出了抑制河流湿地退化，维护河流 湿地生态系统稳定的一系列保护和恢复河流湿地的措施1 1 2 j 。 第三章北京河流湿地环境背景 本章从河流湿地周边小气候、水文条件、土壤和植被几个方面论述了北京河 流湿地环境的景观结构特征，是系统研究北京河流湿地环境变化的基础。 3 1 河流湿地周边小气候 3 1 1 气温 北京的地势是由西北向东南倾斜，而气温的水平分布规律正相反，由东南向 西北递减。一般年平均气温为1 1 1 2 ( 2 。北京河流湿地分布广泛，山区和平原都 有分布。由于受地形影响，山区和平原的气温差异一般为3 4 ，气温呈现明 显的垂直变化，平原和浅山区平均气温为l o 1 1 5 ；山前暖区平均气温在1 2 以上。 3 1 。2 降水 北京市是我国少雨区之一，降水有以下两个特点，北京河流湿地区域降水也 遵循这两个特点： 1 年平均降水量等值线走向大体与山脉走向相一致。在西南、西北山前地 区，年降水量可达7 0 0 m 左右，为多雨区；平原地区年降水量为6 0 0 6 5 0 m ；在 背山区降水量较少，只有4 0 0 6 0 0 m 。降水量小于蒸发量，这对河流湿地的湿度 保持非常不利。 2 降水的年际、年内变化十分悬殊。据北京实测降水量记录以来的资料统 计，多年平均降水量4 7 0 6 4 0 毫米，在年内，最多年降水量为1 4 0 6 毫米( 1 9 5 9 年) ，最少年降水量为2 4 2 毫米( 1 8 6 9 年) ，最少年降水量不足常年降水量的一 半。降水集中于6 - 9 月，占全年的8 0 ，冬半年( 1 0 月至次年3 月) 仅占1 0 。 在年际分配上，根据1 0 0 多年的气象资料分析，每隔6 年左右出现一个丰水年， 最长持续时闯3 年。每隔7 年左右出现一个枯水年，持续时间为2 年，偏枯为4 年。 1 6 3 2 水文条件 3 2 1 水系 地表径流是河流湿地水分的直接补给水源。北京分布着常年河和季节河2 0 0 多条，分属于海河流域的大清河水系、永定河水系、北运河水系、潮白河水系和 蓟运河水系五大水系。各条水系径流量年内和年际分布不均，主要受降水量分配 控制。 3 2 2 地下水 北京河流湿地的地下水分为潜水和承压水两大类。主要依靠降水入渗、河流 入渗等途径补给，同时山区地下水也为河流补给水源，成为河流的源头。降水和 人为开采对地下水位起着重要的制约作用。 3 3 土壤与植被 3 3 1 土壤 漫地土壤是构成湿地生态系统的重要环境因子之一【3 9 】。在湿地特殊的水文 条件和植被条件下，湿地土壤表现出不同于一般陆地土壤的理化性质和生态功 能，这些性质和功能对于湿地生态系统平衡的维持和演替具有重要作用。 北京河流湿地土壤受河流湿地水环境和周边湿生植被的影响，分布和利用呈 现以下规律：( a ) 洪积、冲积扇中上部河流出山口处、山间谷地的干石河两岸以 及一、二级阶地的交界处常分布着褐主性土；洪积、冲积扇的中下部，一、二级 阶地的交界部位的土壤多为潮褐土。由于所处地势平坦，排水良好，水源较丰富， 肥力较高，多数这种土壤之上都已经进行了蔬菜的种植。( b ) 潮土广泛分布在东 南部的低位平原，以潮白河湿地分布最为广泛，地势低平，坡降平缓，排水不畅， 为半水成土。湖土利用广泛，目前被用来种植花生、果树、小麦、玉米、蔬菜、 水稻以及经济作物。( c ) 积水洼地的土壤多为草甸沼泽土，是水成土，生长水生 植物，如芦苇、莲藕、茭白等。( d ) 水源条件好的低平洼地土壤多为水稻土，分 布在琉璃河，东沙河，小清河，温榆河等河流两岸，长期种植水稻。 1 7 3 3 2 植被 湿地植被是指生长在地表过湿或有季节性或常年积水的土壤潜育或有泥炭 的地段上，生长由湿生植物或水生植物为主组成的植物群洲4 们。 根据中国湿地植被的划分标准，北京河流湿地植被类型主要为沼泽型组、 浅水植物湿地组，主要类型与分布为： 1 草从沼泽 ( 1 ) 香蒲沼泽群落 生长在地表有常年积水或持续时间较长的季节性积水，土壤为沼泽土的地 段。群落的植物种类少，主要是香蒲科、禾本科和莎草科，有少量蓼科、泽泻科 和眼子菜科植物。群落外貌整齐，总盖度6 0 一8 0 。香蒲为单优势种，常伴生小 香蒲或芦苇及少数球穗莎草、荆三棱、扁担蔗草、水蓼、稗、阕草等。在积水浅 的河流地段，常伴生黑藻、金鱼藻、菹草、眼子菜、禾泻、雨久花、慈菇等，水 面上浮水植物有紫萍、杏采等。此外在水流较慢的河段或河滩，常有香蒲一芦 苇群聚。有些地段小香蒲构成占优势，主要分布在潮白河湿地。 ( 2 1 芦苇沼泽群落 对水分的适应幅度很广。是北京河流湿地植物群落的主要类型之一。近年来 由于降水量的逐年减少及人为破坏和城镇的扩展，芦苇沼泽群落面积锐减。目前 仅为斑块状生长，总盖度一般在9 0 ，单优势种。伴生植物有香蒲、有芒稗、荻、 狼巴萆子，水面浮叶植物槐叶萍、紫萍、杏菜、水鳖，水中沉水植物两栖蓼、水 蓼、马来眼子菜、蓖齿跟子菜、黑藻、大次藻等。分布于河岸、河溪边多水区， 常形成苇塘，如潮白河湿地顺义段。 ( 3 ) 菖蒲沼泽群落 是由天南星种菖蒲为优势种所组成的群落。面积小而零星，群落外貌一片油 绿色，总盖度9 0 。伴生植物有水芹、回回蒜、水蓼、牛毛毡，沉水植物菹草、 黑藻、西洋菜等。常分布于河岸边，河滩洼地。见于房山大石河滩地。 ( 4 ) 水葱沼泽群落 生长于水深几厘米到三四十厘米不等的水中。土壤为沼泽土或淤泥土，总盖 度4 0 5 0 ，分布零星。伴生植物有芦苇，香蒲、芒稗、水蓼、扁杆燕草、花阙、 野慈菇、球穗莎草、浮叶植物杏菜、细果野菱、紫萍、浮萍、金鱼藻、细叶眼子 菜等。见于潮自河大桥下，怀沙河滩地。 ( 5 ) 球穗莎草沼泽群落 生长在地表为常年积水或季节性积水的地段土壤为沼泽土，总盖度8 0 1 8 9 0 ，零星分布于河岸、池塘边浅水处。伴生植物为复序飘拂草、白鳞莎草、水 莎草、褐鳞莎草、猪毛菜( 季节性优势种) 、尖嘴苔草、稗、酸摸叶蓼等，水生 植物紫萍、狐尾藻、大茨藻、金鱼藻等。见于潮河湿地。 2 浅水湿地植物 浅水湿地植物群落系指河流中长有湿生和水生植物的地段。浅水植物面积较 小，水生植物群落类型也较少。受对水的深度、光照、温度、透明度影响及对水 的适应性而不同，组成了漂浮植物群落、浮叶植物群落和沉水植物群落，且常形 成纯群落分布。 ( 1 ) 漂浮植物群落 该群落的特点是植物漂浮于水面，根浮于水中，随水流和风浪漂移在水面上， 因此，群落组成和结构常不稳定。主要类型有( a ) 槐叶萍群落，生于静水、水 田及河弯；( b ) 紫萍群落，常见于污水排放的静水面或水质污染较重的水体；( c ) 白萍群落，生于静水河弯，如怀沙河等地区。 ( 2 ) 浮叶植物群落 浮叶植物根固着于水底泥土中，叶片浮于水面。主要类型有荇菜群落，分布 于池塘和缓流河弯中；细果野菱群落，分布于怀沙河湿地、怀九河湿地，斑块状 零星分布。 ( 3 ) 沉水植物群落 沉水植物根固着于水底泥土中，茎和叶沉于水面以下，叶薄而柔软或细裂。 生长于河弯、池塘和水渠中，主要类型有：( a ) 菹草群落，常成带状或斑状分布， 一般分布于水深在o 5 3 0 米的浅水水域；( b ) 苦草群落，分布于o 5 2 0 米的 水中，常形成单优势种，伴生植物有黑藻蓖齿眼子菜，金鱼藻、马来眼子菜等； ( c ) 蓖齿眼子菜群落，以蓖齿眼子菜为优势种，呈带状分布总盖度9 5 。伴 生种较少，有狐尾藻、菹草、苦菜、金鱼藻、黑藻等。从水底密集可达水面，呈 褐绿色或褐黄色，多分布于河流及沟渠；( d ) 狐尾革群落，分布于池塘和沟渠中， 适应性强，耐碱、耐污、基底土壤不限，因此。能够在其它水生植物难以生活的 条件下，独占优势，呈单优势种，多见于纳污河中，如通惠河、凉水河；( e ) 水 毛茛群落，呈小面积零星分布于河渠、河弯、小山谷溪流中，为单优势种群落， 见于白河、怀九河中。 1 9 第四章近十年北京河流湿地环境变化研究 本章针对近十年来人类对北京河流湿地水资源和土地资源的过度利用而造 成的河流湿地面积的大幅度减少、水质恶化、植被的高速毁灭等环境问题，从河 流湿地面积和周边土地利用面积动态变化监测、河流湿地小气候、河流湿地水环 境、河流湿地植被多样性等四个方面来分析北京河流湿地环境变化的情况。 4 1 基于遥感的河流湿地与周边土地利用面积动态变化监测 本论文数据源选取1 9 9 1 年、1 9 9 6 年、2 0 0 2 年丰水期的遥感影像和其他专题 图件，通过多元遥感数据融合，以北京重点河流湿地潮白河湿地为例来进行 河流湿地与周边土地利用面积动态变化监测，并对统计结果进行分析。 4 1 1 遥感技术应用 遥感影像数据为t m 遥感影像和i i l s 遥感影像。t m 分辨率为3 0m ，光谱分 辨率很高，易于识别地物，可从宏观上分析北京市河流湿地的分布状况。i r s 分 辨率为5 g m ，空间分辨率很高，用来精确解译河流湿地面积及周边区土地利用 的状况。将二者融合可以提高图像解译的精度。 i t m 波段选择与图像预处理 本次遥感图像解译工作重点是河流湿地面积、周边土地利用和植被分布情 况。t m 遥感图像共有7 个波段，为了更精确的提取河流湿地水域和周边土地利 用状况信息，以2 0 0 2 年t m 遥感图像为例，通过对波段的相关分析来确定波段 选择。表4 1 为2 0 0 2 年t m 各波段的数值统计表。 表4 - - 1 ：2 0 0 2 年t m 各波段的数值统计表 波段 波段l波段2波段3波段4波段5波段7 平均值5 6 7 l4 9 9 55 2 0 85 2 1 67 1 5 25 3 2 7 标准差7 3 6 05 l7 l8 85 3 方差4 3 5 0 3 9 6 04 6 0 24 0 0 85 7 1 44 7 5 6 最大值1 8 01 8 02 2 8 1 5 2 2 ：抖 2 5 0 波段相关关系分析：t m 图像7 个波段包含的地物信息量多寡不一，各波段 之间信息量的重叠与分异程度，表现出明显的规律性。表4 2 为计算出的2 0 0 2 年t m 图像各个波段之间的相关系数。 表4 2 ：2 0 0 2 年t m 图像相关系数表 波段 t m lt m 2t m 3 t m 4t m 5t m 7 t m l1 o o0 9 7 0 9 50 3 60 7 30 8 6 t m 20 9 7 1 0 00 9 80 3 lo 8 30 9 2 t m 3o 9 5 0 9 81 0 00 3 50 8 4o 9 5 t m 4 0 3 6o 3 10 3 51 0 00 9 0o 2 4 t m 50 7 3o 8 30 8 4 0 9 0l 1 0 0 0 9 4 t m 7o 8 6o 9 20 9 50 2 40 9 4 1 0 0 灰度均值 5 6 7 l4 9 9 55 2 0 85 2 1 67 1 5 25 3 2 7 标准差7 3 6 05 17 l 8 8 5 3 可以看出，3 个可见光波段( 第1 ，2 ，3 波段) 之间的相关性都很高，平均 达到o 9 4 以上，明显高于和其它4 个波段盼相关性。表明3 个可见光通道所取 得的信息量彼此重叠很多，有很大的“重复性”。另外，2 个中红外( 5 ，7 波段) 波段之间的相关程度也很高，只有第4 波段相对较为特殊，与其它各波段之间的 相关系数都不太高，表明该波段的光谱信息有较大的独立性。 综合t m 图像的单波段光谱信息量和各波段光谱之间相关性分析结果，再参 考t m 图像光谱特征一览表( 表4 3 ) ，考虑可以从可见光的3 个波段中选取其 中之一( 选择第3 波段) ，然后选取第4 波段，最后再从第5 或7 波段选择其中 之一( 选择第7 波段) 参加合成和分析，以获得最丰富的图像信息。 表4 3 ：t m 图像光谱特征一览表 波长范围 波段波段 分辨率光谱信息识别特征 ( ) 能反映岩石中铁离子叠加吸收谱带，受大气影 t m l蓝o 5 0 一o 5 22 8 5 响。图像质量相对较差。 眦绿 0 5 2 0 6 02 8 5 对水体有穿透能力，可用于检测环境污染等。 对植被等有较好的显示，尤其可以区分植物种类 t m 3红o 6 3 0 6 92 8 5 与植被覆盖度。 t m 4 近红外o 7 6 0 7 92 8 5 为植被叶绿素强反射带，能够反映植被种类。 为水分子强吸收带。适用于调查地物含水量、地 t m 5中红外1 5 5 - - 1 7 52 8 5 质构造以及冰川、雪识别等。 为地物热辐射波段。可用于地热制图、热惯量制 t m 6 热红外l o 4 一1 2 51 2 0 图、隐伏地质体识别，但总体分辨率较差。 用于测定植物含水量、含油气信息识别等，对植 n 讧7 中红外2 0 8 2 3 52 8 5 被有较好的显示。 综上所述，r g b 最佳波段组合采用7 4 3 假彩色合成。合成后的假彩色图像 中水体和植被影像特征基本清晰，林地表现为亮绿色或者暗绿色，水体表现为深 蓝色( 水体较浅) 和蓝黑色( 水体较深) ，城镇表现为灰紫色( 圈4 一1 ) 。 2 1 图4 1 ：t m 7 4 3 合成水体、植被，城镇效果图 2 i r s 遥感图像增强 遥感图像以灰度形式来表现地物特征信息l l5 1 ，当地物特征间表现的灰度差 很小时，目视判读就无法辨认，而图像的增强方法可以突显这种微小灰度差的地 物特征。其实质就是为了增强感兴趣的地物和周围地物图像间的反差【i ”。 对进行纠正后的i r s 遥感图像，采用边缘增强( e d g es h a r p e n i n gf i l t e r ) 对其 进行图像增强。增强的目的是为了突出水陆边界以便于河流湿地水域的提取( 图 4 2 为i r s 遥感图像数字增强前后对比示意图) 。 图4 2 ：i l l s 遥感图像数字增强循对比 3 图像融合 将光谱分辨率很高的t m 遥感图像和空间分辨率很高的i r s 遥感图像进行基 于像元的图像融合，可以弥补单一图像上信息的不足，既提高了图像的空间分辨 率，又增强了图像的特征显示能力，并且可以大大的改善遥感影像分析的精度。 融合前，需要将i r s 遥感图像和t m 遥感图像配准，配准精度( 中误差) 控制在 0 3 个像元以内，以保证i r s 遥感图像和t m 遥感图像的精确配准。( 图4 4 为 t m 遥感图像和i r s 遥感图像的融合流程图) 。 融合选择r g b 卜i h s 卜r g b 的彩色空间变换法。这种方法能在基本保 持原彩色图像的波谱特征的同时，融入高分辨率几何信息，效果明显且实用性强 ( 图4 3 为利用彩色空间变换法进行图像融合的流程图) 。 图4 3 ：基于r g b i h s 变换图像融合的流程图 刑一德一一 uu 选g 至c 三p 二点选薯萎，点 蕊。 ? 几何纠正与图像配准 u t m 图像重采样( 统一比例尺) u 融合技术处理( 见图4 3 ) u 图像融合 图4 - - 4 ：图像融合流程图 最后，选取立方卷积法( - - 次c u b i c ) 融合模式，将增强的i r s 遥感图像 和t m 遥感图像融合，制成高分辨率、色彩丰富的遥感图像( 图4 - - 5 为增强的 i r s 遥感图像、图4 6 为t m 遥感图像，图4 7 为i r s 遥感图像和t m 融合 后的图像) 。 图4 5 ：增强的i r s 遥感图像图4 6 ：t m 遥感图像 图4 - - 7 ：i r s 遥感图像和t m 遥感图像融合后的图像 4 1 2 变化信息提取 1 建立北京河流漫地周边土地利用遥感图像解译标志 综合分析经计算机处理的t m 7 4 3 假彩色合成图像、l ：5 万地形图以及土 地利用图，并在2 0 0 2 年8 月野外调查的基础上，将北京河流湿地周边土地利用 类型划分为：耕地( 包括水浇地、旱地、菜地) 、果园、林地、居民点及工矿用 地( 包括城镇、农村居民点、特殊用地) 、水域( 包括河流水域、水库水域、坑 塘水域) 、沼泽地和滩涂、未利用地( 包括裸石、石砾地和荒草地) 七大类。提 出了北京河流湿地周边土地利用类型的遥感影像解译标志( 表4 - - 4 ) ，经过野 外验证，比较可行。 表4 - 4 ：北京河流湿地周边土地利用类型的遥感影像解译标志 t m 7 4 3 假彩色合成图像 类型 间接标志 颜色形状 边界清晰呈网格 分布于河岸地带、山坡地势较 1 耕地亮绿色或浅绿色、绿色 状、块状、不规则 缓处、居民点附近 块状 亮绿色、绿色、浅紫色，形状多为不规则， 2 果园分布于河岸和居民地附近 内部色调较均一条带状 绿色、暗绿色、深绿色，形状不规则或规， 3 林地分布于河流湿地周边山区 内部色调较均匀 条带状分布 4 居民点及灰紫色、灰色，内部色折线轮廓明显，形 工矿用地调不均匀状有规则 分布于沿河两岸以及城镇附近 深蓝色或蓝黑色，内部流线状弯曲长条 5 水域 分布于山谷和平原 色调均匀状、斑块状 6 沼泽地 浅红色。紫红色、内部 和滩涂色调不均匀 形状不规则 分布于河流一、二级阶地上 暗红色，灰白色，内部形状不规则 7 未利用地分布于河